GYÁRTÁSI FOLYAMATOK ÉS RENDSZEREK -az előadások prezentációs anyaga- Tárgyjegyzők: Dr. Cser István - Dr. Kundrák János Miskolc, 2008

Annotáció: Gyártási folyamatok és rendszerek fogalomköre, fő jellemzői. A gyártástervezés és technológiai tervezés viszonya, fő feladatai. A technológiai tervezés elméleti alapjai, törvényszerűségei, módszertana. A technológiai előtervezés, műveleti sorrend-, művelet-és műveletelem-tervezés menete, információs háttere, adat-és tudásbázisa. A gyártási környezet hatása a technológiai tervezésre. A gépgyártás korszerű technológiai eljárásai, eszközei és technikája. Gyártórendszerek fajtái, struktúrája, tervezésének technológiai, szervezési és módszertani alapjai. A „Lean Factory” konceptuális alapjai. A rugalmasan automatizált gyártás rendszerei és eszközei. Optimálás és szimuláció a gyártási folyamatok és rendszerek tervezésében.

Kötelező irodalom: Dudás I. – Cser I.: Gépgyártástechnológia IV. Gyártás és gyártórendszerek tervezése, Miskolci Egyetemi Kiadó, Miskolc, 2004. p.1-335. Dudás I.: Gépgyártástechnológia II. 12. fejezet, A technológiai folyamatok tervezésének alapjai, Miskolci Egyetemi Kiadó, Miskolc, 2001. p.254-313. Sági György – Mátyási Gyula: Számítógéppel támogatott technológiák. CNC, CAD/CAM, Műszaki Kiadó, Budapest, 2007.

Ajánlott irodalom: Horváth M. – Markos S.: Gépgyártástechnológia, Műegyetemi Kiadó, Budapest, 1995. p.1-436. Szegh I.: Gyártástervezés, Műegyetemi Kiadó, Budapest, 1996.

Angolszász terminológia CIM Computer Integrated Manufacturing Számítógéppel Integrált Gyártás CAM Computer Aided Manufacturing Számítógéppel Támogatott Gyártás CLDATA Cutter Location Date Processor-posztprocesszor közbenső adatok (szerszámhelyzet-adatok) CAST Computer Aided Storage and Transportation Számítógéppel Segített Tárolás és Szállítás CAQ Computer Aided Quality Assurance Számítógépes Minőségbiztosítás MRP Manufacturing Resources Planning Gyártási Erőforrások tervezése. (TIR funkció)

PPS Production Planning System Termelésirányítási Rendszer TIR Termelésirányítási Rendszer PPS Production Planning System Termelésirányítási Rendszer CAE Computer Aided Engineering Számítógéppel Támogatott Műszaki Tervezés IAAR Integrált Anyag- és Adatfeldolgozó Rendszerek (CIM, FMS) LAN Local Area Network Helyi Hálózat (számítógépi) TOP Technical Office Protocol (GM fejlesztés, MAP része) Iroda-Automatizálási (ügyviteli) Protokoll

MAP Manufacturing Automation Protocol (GM fejlesztés, kvázi nemzetközi szabvány) Gyártásautomatizálási Protokoll FMU Flexible Manufacturing Unit Rugalmas Gyártóegység FMC Flexible Manufacturing Cell Rugalmas Gyártócella FMS Flexible Manufacturing System Rugalmas Gyártórendszer GT Group Technology Csoportmegmunkálás AI Artificial Intelligence Mesterséges Intelligencia

Gyártmánytervezés (CAD): gyártandó termék, gyártmány (konstrukció) tervezése. Gyártástervezés: adott gyártmány vagy gyártmányok teljes gyártási folyamatának megtervezése, beleértve a gyártási fő- és segédfolyamatok (anyagmozgatás, raktározás, minőség- biztosítás, csomagolás, stb.) megtervezését. Gyártóeszköz tervezés: a gyártáshoz szükséges szerszámok, készülékek tervezése.

Gyártórendszer tervezés: a gyártáshoz szükséges gyártó- berendezések összetételének, elrendezésének meghatározása, az anyagmozgatás és raktározás megtervezése a gyártástervezési eredmények alapján. Gyártórendszer: üzem(ek), műhely(ek), gyártósor(ok), gyártórészleg(ek) rendszerbe foglalva. Technológiai tervezés (CAPP): a gyártástervezés része. A gyártási folyamaton belül a gyártás tárgyának minőségét befolyásoló állapotváltozások, folyamatok tervezése. Egyszerűbben: pl. alkatrészgyártásnál magának a megmunkálási folyamatnak a tervezése.

A technológiai tervezés fő területei és kapcsolatai a gyártáselőkészítés és – irányítás más rendszereivel

Állapotváltozás: a rendszer (alkatrész) jellemezőinek változása. Állapotváltozási folyamat: pl. az alkatrész (munkadarab) minőségi jellemezőinek változása a kiindulási (nyers) állapotból a kívánt (kész) állapotba. Algoritmus: valamely feladat megoldására szolgáló olyan eljárás, melynek lényege, hogy a feladatot jól (egyértelműen) definiált elemi lépések sorozatára bontja. Megjelenési formája: pl. folyamatábra.

Optimálás Optimálás: valamely kritérium (jellemző) szerinti legkedvezőbb működés, állapot elérése. Optimálási kritérium: az a jellemző, melynek legkedvezőbb értékét el akarjuk érni, pl. a gépgyártásban: max. termelékenység, (min. gyártási idő) min. gyártási önköltség, max. profit, max. profitráta, egyenletes terhelése a gyártóberendezéseknek, stb. Célfüggvény: az optimálandó változó azon függvénye, melynek szélső értéke megvalósítja az optimálási kritériumot.

Korlátrendszer: mely meghatározza azt a keresési tartományt, ahol az optimálás elvégezhető. Többszintű optimálás: a magasabb tervezési szint célokat és korlátfeltételeket szab az alatta lévőnek, amelyik tovább pontosítja a célokat és szigorítja a korlátfeltételeket (szűkíti a keresési tartományt). Alkalmazása a műszaki tervezés (ezen belül a technológiai tervezés) többszintű, többlépcsős volta miatt elkerülhetetlen. Másodlagos optimálás: visszacsatolás

A szintenkénti optimálás elve bonyolult rendszerekben (többszintű optimálás)

Az optimálási feladatok matematikai módszerekkel való megoldásának feltételei a feladat numerikus formában felírható legyen az elérendő cél, célfüggvény formájában felírható legyen álljon rendelkezésre megfelelő számítási eljárás. Ilyenkor egzakt optimálásról beszélünk. A fenti feltételek hiánya esetén heurisztikus módszerek alkalmazhatók. Lényegük: gyakorlati tapasztalatok alapján az optimumesélyes (kvázioptimális) megoldások feltárása.

Gépipari termékek hierarchikus struktúrája

Az alkatrészgyártás technológiai folyamatának struktúrája elemi mozgások (mozdulatok): a szerszámok a munkadarabhoz viszonyított egyszeri elmozdulása. elemi mozgások rendezett sorozat  fogás: a szerszámnak a mdb.-hoz viszonyított egyszeri befejezett mozgásciklusa

A fogás értelmezése forgácsolásnál

fogáscsoport  műveletelem: egy összefüggő felületcsoport egy szerszámmal végzett megmunkálása (egy gépen) (pl.: a fenti lépcső nagyoló hosszesztergálása) A technológiai folyamat alapvető építőeleme. műveletelem-csoport  m.e. ciklus: elemi megmunkálási sorrend: adott felületelem-csoport előállításához szükséges műveletelemek sorozata (pl. egy furat előállításához: központfúrás, fúrás, felfúrás, süllyesztés, dörzsölés);

művelet: a technológiai folyamat azon befejezett része, amelyet egy szerszámgépen egy befogásban hajtunk végre. A művelet technológiai és gyártásszervezési fogalom. Lényege: a mdb. befogásától kifogásáig tart. megmunkálási szakasz: a megmunkálási folyamat azon része melynek révén a mdb-felületek azonos (előnagyolt, nagyolt, félsimított stb.) állapotba kerülnek. gyártási folyamat: a megmunkálási szakaszok összessége (rendezett sorozata)

Az alkatrészgyártás technológiai folyamatainak szakaszai 1. Előgyártás Előgyártmány előállítása és hőkezelése 2. 3. 4. Nagyolás Hőkezelés I. Félsimító megm. I. Felesleges ráhagyás eltávolítása Nemesítés vagy feszültségmentesítés Megm.pontosság IT11-IT12, Ra > 2.5 5. 6. Hőkezelés II. Félsimító megmunkálás II. Cementálás. A cementálni nem kívánt felületekről a cementált réteg eltávolítása. 7. 8. Hőkezelés III. Simító megm. I. Edzés vagy nemesítés. Megm. pont. IT7-IT10, Ra > 0.63 9. 10. Hőkezelés IV. Simító megm. II. Nitridálás vagy feszültségmentesítés. A nitridálni nem kívánt felületek köszörülése. 11. Simító megm. III. IT6-IT7, Ra > 0.32 12. Felületkezelés Krómozás, nikkelezés, stb. 13. 14. Befejező megm. Végellenőrzés Ra = 0.08-0.04

A megmunkálási folyamat fő- és segédelemekből áll. Főelemek: A mdb. állapotát változtatják. Ezek a forgácsolási, hőkezelési stb. elemek. Segédelemek: A főelemek végrehajtásához szükségesek. Ilyenek: szerszámcsere, szerszámváltás, a mdb. (fogásvétel helyének) megközelítése a szerszámmal stb. Az alkatrészgyártási (megmunkálási) folyamat jellege: diszkrét (szakaszos) fogások, műveletelemek sorozata folytonos elemekkel: egy fogás során a forgácsolás.

Az alkatrészgyártás technológiai tervezésének szintjei, feladatai Technológiai előtervezés: technológia-helyességi vizsgálat a fő gyártási eljárás (forgácsolás, képlékenyalakítás, öntés stb.) meghatározása gyártórészlegek (rendszerek) kijelölése előgyártmány (rúd, öntvény, sajtolt, stb.) megválasztása

2. Műveleti sorrendtervezés: megmunkálási igények feltárása; befogási sémák meghatározása; gyártóberendezések kiválasztása, az egyes berendezéseken végrehajtandó megmunkálási feladatok kijelölése, technológiai változatok képzése, optimális változat kijelölése (esetleg TIR-rel együttműködve). műveletközi méretek, ráhagyások meghatározása; befogókészülékek választása, készüléktervezési igény megfogalmazása; MŰVELETI SORRENDTERV szerkesztése.

3. Művelettervezés: műveletelemek kijelölése (generálása); műveletelemekhez szerszámok választása (esetleg szerszámtervezési igény megfogalmazása); műveletelemek végrehajtási sorrendjének meghatározása; szerszámelrendezés tervezése; MŰVELETTERV I. szerkesztése. 4. Műveletelem-tervezés: forgácsolási paraméterek meghatározása; szerszám mozgásciklusok tervezése; normaidők számítása. MŰVELETTERV II. szerkesztése.

5. Adaptálás, posztprocesszálás: az adott gyártási környezetben használt technológiai dokumentáció szerkesztése: MŰVELETI SORRENDTERV, MŰVELETTERV I. - II. NC-CNC vezérlőprogramok kódolása, dokumentálása A fenti tervezési szintek az automatizált (számítógépes) technológiai tervezőrendszerek (ATTR-ek) fejlesztése során fogalmazódtak meg, de többnyire érvényesek a manuális tervezésre is.

ATTR  CAPP Computer Aided Process Planning Számítógéppel segített folyamattervezés Automatizált Technológiai Tervező Rendszer A technológiai tervezés eredményeként jelentkező gyártási dokumentációk fő fajtái: Műveleti sorrendterv Művelettervek. Részletességük különböző lehet: - művelet vázlatos leírása (műveletelemek, megmunkált felületek, szerszámok = MŰVELETTERV I.) - részletes ábrás műveletterv (MŰVELETTERV II.)

NC-CNC vezérlőprogramok (alkatrészprogramok) Gépbeállítási utasítások, felfogási tervek Műveletenként szerszámjegyzék, készülékigény, stb. A technológiai tervezés – és ezzel összefüggésben a gyártási, technológiai dokumentáció – részletessége függ: a gyártás tömegszerűségétől;  a gépkezelő képzettségétől;  a gyártóberendezés automatizáltsági szintjétől;  a munkadarab méretétől, a nyersdarab értékétől;  a gyártás szervezettségi szintjétől,  és más körülményektől. Az alkalmazott gyártási dokumentáció összetétele, tartalma, formai kivitelezése, megnevezése változó, helyi igényektől és szokásoktól függő.

A technológiai tervezés helye, ideje Megelőzi a gyártást, új gyártórendszer létesítését: tervezés adott gyártórendszeren történő gyártáshoz tervezés új gyártórendszer létrehozásához Azonos módszerekkel, csupán más korlátfeltételekkel megoldható. Időben a konstrukciós tervezést követi, de célszerűen azzal együttműködik. (cél: technológia helyes konstrukció) A tervezés egyes feladatai valós időben, a gyártás során is megoldhatók CNC-ben: szerszámpálya generálása forgácsolási paraméterek meghatározása GOND: Túl későn keletkeznek adatok a gyártáselőkészítéshez és irányításhoz. CÉL: olyan optimális technológiai tervek kidolgozása, amelyek biztosítják a gyártórendszer működésének optimumát. Ezért fontos: együttműködés a TIR-rel, CAD-del, CAM-mal.

Az alkatrészgyártás technológiai tervezésének fő elvei, módszerei, sajátosságai Több megoldás lehetséges  több technológiai változat készíthető közülük kivá- lasztható a legkedvezőbb (optimális) b) A technológiai tudás és megjelenési formája: - receptek (pl.: típustechnológiai megoldások) - modellek, általános érvényű tervezési eljárások (pl.: mozgásciklusok tervezése, rugalmas alakváltozások számítása stb.) - intuitív (zavaros, hiányos ellentmondásos) főként a műveleti sorrendtervezés szintjén

c) A technológiai tervezés többlépcsős iterációs folyamat, mely fokozatosan lépésenként pontosbítja, részletezi a gyártás technológiai folyamatát. (lásd: technológiai tervezési szinteket) d) A technológiai döntések fokozatos illesztésének (adaptálásának) elve: Minden tervezési szinten a technológiai döntéseket az adott gyártórendszer technológiai lehetőségeinek figyelembevételével azokhoz illesztve kell meghatározni.

e) „Ökölszabályok” a megmunkálási sorrend kialakításához: a bázisfelület megmunkálása megelőzi a többi felületet, a hordozófelület megmunkálása megelőzi a hordozottét, a nagy kiterjedésű felület megmunkálása megelőzi a kicsikét, a durva (nagyoló) megmunkálás megelőzi a finom- megmunkálást (simítást) Egyéb esetekben: invariáns a megmunkálási sorrend! Illetve más szempontok befolyásolhatják. f) Bázisváltások minimalizálásának elve Bázisfelületek: 6 szabadságfoktól fosztják meg a mdb.-ot. A konstrukciós, méretezési, technológiai, mérési bázisok lehetőleg ne változzanak!  A technológiai bázisok vonatkozásában megmunkálás egy befogásban, pl.: megmunkáló központon.

g) Munkadarab felületek típusai szabad felületek (nem munkálandók meg), megmunkálandó felületek, bázis- és szorítási felületek, technológiai felületek: csak az alkatrész előállításához szükségesek (pl.: csúcshely-furat, furat csapon tájoláshoz stb.)

h) Felületcsoport: technológiai és/vagy konstrukciós egységet képező alakzat (pl.: rögzítőfurat, horony, lépcső, beszúrás stb.) Minden egyes típusához hozzárendelhetők a műveletelemek (megmunkálási módok) adott sorozatai  elemi megmunkálási sorrendek melyekből a megmunkálási szakaszokba (nagyolás, simítás stb.) besorolással szintetizálható az alkatrészek megmunkálási folyamata. Alkatrész: a felületcsoportok rendezett halmaza, melyet megmunkálás előtt körbefognak a nyersdarab felületei Munkadarab: az alkatrész megmunkálás közben

Generatív, félgeneratív, típustechnológiai tervezési elv 1. Generatív elv, vagy többlépcsős (többfázisú) iteratív tervezési elv A tervezés a mérnöki heurisztika (a feltalálás módszertana) klasszikus szabályai szerint megy végbe. A technológus a feladat megoldását egy olyan terv létrehozásával keresi, melynél lépésről lépésre dönt a következő tervezési elemről. Gondos előrehaladási stratégia mellett is előfordulhat, hogy a tervezés elakad, ellentmondáshoz vezet. Ilyenkor vissza kell térni egy korábbi tervezési állapothoz (fázishoz) és az ellentmondást kiküszöbölve újra felépíteni a technológiai folyamatot (iteráció). A fenti módszer számítógépes megvalósítását nevezik generatív elvnek, melynek alkalmazásakor a technológiai terv a gyártandó alkatrész megmunkálási igényéből kiindulva a gyártórendszer technológiai lehetőségeinek figyelembevételével szintetizálódik.

Variáns (vagy típustechnológiai) elv Az egy-egy alkatrészosztályt reprezentáló komplex, vagy vezér-, vagy reprezentáns alkatrészre kidolgozott technológiai folyamattervből alakul ki (egyszerűsítéssel, adaptálással) a konkrét alkatrész gyártásához alkalmazható technológiai terv. 3. Variogeneratív (félgeneratív) elv A tipizált felületcsoportokhoz rendelt elemi megmunkálási folyamatokból szintetizálódik az alkatrész megmunkálási folyamata.

4. Jövő: variogeneratív + AI (Artificial Intelligence = 4. Jövő: variogeneratív + AI (Artificial Intelligence = Mesterséges Intelligencia Genetikus Algoritmusok Genotípus: a feladat megoldásának genetikai reprezentációja  FCS-ok állapotainak olyan permutációja, mely kielégíti a sorrendi korlátozásokat Fenotípus: tényleges megoldások, melyeket az egyedek genotípusai a keresési teret behatároló környezet (többi korlátozás) együttesen határoznak meg.

Típus- és csoporttechnológiai folyamatok, alkatrészek technológiai osztályozása Az alkatrészosztályozás célja lehetővé tenni: a technológiai tervezést típustechnológiai folyamatok alapján; a gyártás szervezését a csoportmegmunkálás elvére alapozva. A csoportmegmunkálás (GT=Group Technology) elvét Mitrofanov Sz.P. (Szentpétervár, Műszaki Egyetem professzora) dolgozta ki. Lényege, hogy a gyártástechnológiájuk alapján egy csoportba sorolható munkadarabokat egy gyártósoron lehet megmunkálni, azaz a megmunkálást olyan (valós vagy képzett) alkatrészre tervezzük, amely a csoportban lévők minden felületelemét tartalmazza, azaz reprezentálja az adott alkatrészcsoportot.

Előny a gyártás relatív tömegszerűségének növekedése, következésképpen: a gyártóberendezések a technológiai sorrend szerint telepíthetők (csökken a műveletközi szállítás) az egységes szerszámozás, készülékezés; a speciális szerszámok, készülékek alkalmazhatósága. Az alkatrész technológiai kódja megmondja, hogy az alkatrész mely megmunkálási csoportba tartozik; az alkatrész milyen típustechnológiai folyamat révén állítható elő.

A csoportmegmunkálás és a típustechnológia kapcsolatának lényege, hogy míg a csoportmegmunkálás mindig típustechnológia alkalmazására épít, addig a típustechnológia nem feltétlenül igényli a csoportmegmunkálás alkalmazását (mert csupán a gyártás technológiai tervezésénél használjuk). Reprezentáns, vezér vagy komplex alkatrész: amely képviseli az azonos technológiai sajátosságokkal bíró alkatrészek csoportját és amelyre a típustechnológiai folyamat készíthető. Ebből egyszerűsítéssel, némi átszámítással előállítható az aktuális alkatrész előállításának a folyamata.

Az alkatrészek osztályozási, csoportosítási elveinek kialakítása függ a helyi gyártási körülményektől (gyártandó alkatrészféleségek és azok darabszáma, rendelkezésre álló gyártóberendezések és gyártóeszközök, stb.) Célszerű olyan osztályozási rendszert kialakítani, melyben az adott alkatrész technológiai kódja a műhelyrajz alapján meghatározható. Azaz, ha a kódrendszer a munkadarab alakjára; méreteire; pontossági követelményeire épül.

Példa a technológiai kód felépítésére: [1] A mdb. jellege: 1 – forgástest 2 – prizmatikus 3 – lemez 4 – stb. Továbbiak a forgástestekre (1) vonatkoznak [2] Az l/d viszony 1  l/d  0,5  tárcsák 2  0,5  l/d  1  tárcsák, hüvelyek 3  1  l/d  3  hüvelyek, tengelyek 4  3  l/d  6  tengelyek 5  6  l/d  …  karcsú tengelyek

[3] Külső felületek jellege, alakja hengeres felület hengeres, kúpos lépcsős egyik irányban lépcsős egyik irányban, kúpos lépcsős mindkét irányban stb. [4] Belső felületek jellege, alakja hengeres lépcsős egyik irányban, kúppal

[5] Mellékelemek menet bordás felület fogazás stb. [6] Mellékelemek horony rögzítőfurat síkok, sokszögalakzatok [7] Alkatrész maximális átmérője (Dmax) 10 mm-ig 10  Dmax  25 25  Dmax  50 50  Dmax  100

[9] Előgyártmány fajtája acél ötvözött acél öntöttvas stb. IT5-ig [8] Mdb anyaga [10] IT osztály [9] Előgyártmány fajtája [11] Hőkezelés [12] Ra acél ötvözött acél öntöttvas stb. IT5-ig IT6 – IT7 IT8 – IT9 stb. rúd cső süllyesztékes kovácsdarab öntvény lemez stb.

Példa Technológiai kód: 14501131120

Kézi kódolás nehézkes, fárasztó Korszerű  számítógépes: - párbeszédes kódolás - mdb modell (leírás) alapján aut. felismerés és kódolás

A Manufacturing Data Systems Inc A Manufacturing Data Systems Inc. Osztályozó-rendszerét szemléltető részlet

Tervezés típustechnológiák alapján Reprezentáns (vezér-, komplex) alkatrész: valós vagy kitalált, lényeges, hogy rendelkezik az egy technológiai csoportba tartozó alkatrészek összes tulajdonságával.

Egy alkatrészcsoporthoz generált komplex alkatrész

A komplex alkatrészre készül a típustechnológiai folyamat, amelyből származtathatók az egyes konkrét alkatrészek technológiai folyamatai. Reprezentáns alkatrész: Erre készül a típustechnológiai folyamat, amelyikből származtathatók az egyes konkrét alkatrészek technológiai folyamatai

A típustechnológiai folyamatból a konkrét folyamat származtatása automatizált üzemmódban: műveleti sorrendtervezés szintjén problémamentes művelettervezés szintjén már gondot jelenthet méretes szerszámok kiválasztása (nincs alkatrészleírás) műveletelemtervezés szintjén a forgácsolási paraméterek többnyire átszámítás nélkül alkalmazhatók  eltérés az optimumtól. Mozgásciklusok tervezéséhez paraméteres algoritmusok használhatók.