Vysoká škola technická a ekonomická
v Českých Budějovicích
PRŮMYSL 4.0 - AUTOMATIZACE A
ROBOTIZACE PRO PRŮMYSLOVOU SFÉRU
Studijní opora kurzu CŽV
Kurz orientovany na výkon povolání
Garant kurzu: doc. Ing. Ján Kmec, CSc.
Ústav Technicko technologický
Katedra Strojírenství
Autoři: doc. Ing. Ján Kmec, CSc., doc. Ing. Jan Valíček, Ph.D.,
Ing. Roman Danel, Ph.D., Ing. Michal Řepka, Ph.D.
2020
České Budějovice
Název: Průmysl 4.0 - automatizace a robotizace pro průmyslovou sféru
Autoři: doc. Ing. Ján Kmec, CSc., doc. Ing. Jan Valíček, Ph.D., Ing. Roman Danel, Ph.D.,
Ing. Michal Řepka, Ph.D.
Vydání: první, 2020
Počet stran: 225
Náklad: v elektronické podobě
Jazyková korektura: nebyla provedena
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem:
CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591,
ve výzvě č. 02_16_031 Celoživotní vzdělávání na vysokých školách v prioritní ose 2 OP,
Operačního programu Výzkum, vývoj a vzdělávání.
Realizace projektu je spolufinancována z prostředků ESF a státního rozpočtu ČR.
© Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích, 2020
Za obsahovou a jazykovou správnost odpovídají autoři a vedoucí katedry.
1 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Obsah
1. Anotace kurzu ................................................................................................................ 2
2. Automatizace a robotizace produkčních procesů pro Průmysl 4.0 ................................ 8
3. Architektura manipulátorů a robotů pro průmyslovou výrobu .................................... 26
4. Automatizované systémy produkčních procesů pro Průmysl 4.0 ................................ 45
5. Analýza a zpracování velkých dat v Průmyslu 4.0 ...................................................... 61
6. Řízení v reálném čase................................................................................................... 65
7. Průmysl 4.0 a průmyslový Internet věcí....................................................................... 69
8. Základní členění materiálů, jejich vlastností a kritéria volby ...................................... 75
9. Materiály v současné strojírenské praxi..................................................................... 116
10. Progresivní materiály a parametry materiálů pro Průmysl 4.0................................... 129
11. Projektování automatizovaných produkčních pracovišť............................................ 147
12. Metody materiálových toků a sledu operací výroby produktů................................... 158
13. Dispoziční uspořádání automatizace produkčních procesů........................................ 186
14. Příklad řešení vybraného automatizovaného logistického prvku............................... 216
2 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Anotace kurzu
V rámci realizace projektu předpokládá se tvorba následujícího vzdělávacího kurzu
společnosti 4.0: PRŮMYSL 4.0 - Automatizace a robotizace pro průmyslovou sféru.
Anotace kurzu:
V současné době dochází k prudkému rozvoji v oblasti robotizace a automatizace
nejrůznějších procesů. V důsledku této skutečnosti dochází i ke změně požadavků průmyslu
na pracovní pozice. Tyto změny se v následujících letech budou prohlubovat s ohledem na
postupné zavádění Průmyslu 4.0 respektive Společnosti 4.0. Změny budou probíhat zejména v
snižování počtu míst v oblasti rutinních procesů, a naopak navyšování počtu pozic v obsluze
robotů, zpracování dat a dalších oblastech, které se společností 4.0 souvisí. Kurz má za cíl
reagovat na vývoj této společenské situace a připravit tak absolventy, kteří rozumí principům
robotizace.
Osnova kurzu:
- současné trendy robotizace,
- mechatronika pro průmyslovou sféru,
- inovace ve strojírenství – Průmysl 4.0,
- průmyslová a digitální transformace,
- materiály v současné průmyslové praxi,
- projektování automatizovaných výrobních procesů a systémů.
Uvedená osnova kurzu je je rozčlenená na 4 moduly.
Profil absolventa kurzu:
po absolvování kurzu účastní dokáže samostatně:
- nastavit robota, aby zvládnul jednoduché operace,
- sdružovat jednoduché operace robotů do složitějších celků.
Základní informace o kurzu:
Kurz „PRŮMYSL 4.0 - Automatizace a robotizace pro průmyslovou sféru“, připravuje
kolektiv pracovníku katedry strojírenství VŠTE v Českých Budějovicích, ve složení:
3 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Garant kurzu: doc. Ing. Ján Kmec, CSc.
Odborní lektoři kurzu: doc. Ing. Jan Valíček, Ph.D.
Ing. Roman Danel, Ph.D.
Ing. Michal Řepka, Ph.D.
Celkově kurz bude sestaven ze čtyř modulu kurzu, přičemž každý modul obsahuje po 3
přednášky, které mají vzájemnou návaznost.
Moduly kurzu jsou členěny:
1. Modul: Robotizace a mechatronika pro průmyslovou sféru, včetně současných trendu
robotizace a mechatronika pro průmyslovou sféru.
V rámci modulu budou 3 přednášky:
• Automatizace a robotizace produkčních procesů pro Průmysl 4.0
• Architektura manipulátorů a robotů pro průmyslovou výrobu
• Automatizované systémy produkčních procesů pro Průmysl 4.0
Odborný lektor: Ing. Michal Řepka, Ph.D.
2. Modul: Průmyslová a digitální transformace.
V rámci modulu budou 3 přednášky:
• Analýza a zpracování velkých dat v Průmyslu 4.0
• Řízení v reálném čase
• Průmysl 4.0 a průmyslový internet věcí
Odborný lektor: Ing. Roman Danel, Ph.D.
3. Modul: Materiály v současné průmyslové praxi.
V rámci modulu budou 3 přednášky:
• Základní členění materiálů, jejich vlastností a kritéria volby
• Materiály v současné strojírenské praxi
• Progresivní materiály a parametry materiálů pro Průmysl 4.0
Odborný lektor: doc. Ing. Jan Valíček, Ph.D.
4. Modul: Projektování automatizovaných výrobních procesů a systémů, včetně inovaci
ve strojírenství – Průmysl 4.0.
V rámci modulu budou 3 přednášky a příklad automatizovaného prvku:
• Projektování automatizovaných produkčních pracovišť
• Metody materiálových toků a sledu operací výroby produktů
4 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
• Dispoziční uspořádání automatizace produkčních procesů
• Příklad řešení vybraného automatizovaného logistického prvku
Odborný garant a lektor: doc. Ing. Ján Kmec, CSc.
Hodinová dotace: 1 semestr, 50 hodin
- výukový blok dle osnovy 1., 3., 5. – 20 hodin (výuka probíhá v PC učebně)
- výukový blok dle osnovy 2., 4., 6. – 30 hodin (praktická část kurzu probíhá v laboratoři)
Požadavky na účastníka: min. středoškolské vzdělání
Základní okruhy studia
1. Automatizace a robotizace produkčních procesů pro Průmysl 4.0
2. Architektura manipulátorů a robotů pro průmyslovou výrobu
3. Automatizované systémy produkčních procesů pro Průmysl 4.0
4. Analýza a zpracování velkých dat v Průmyslu 4.0
5. Řízení v reálném čase
6. Průmysl 4.0 a průmyslový internet věcí
7. Základní členění materiálů, jejich vlastností a kritéria volby
8. Materiály v současné strojírenské praxi
9. Progresivní materiály a parametry materiálů pro Průmysl 4.0
10. Projektování automatizovaných produkčních pracovišť
11. Metody materiálových toků a sledu operací výroby produktů
12. Dispoziční uspořádání automatizace produkčních procesů
13. Příklad řešení vybraného automatizovaného logistického prvku
Doporučená studijní literatura
BLAŠČÍK, F. , J. KMEC, 1989. Automatizácia technologických pracovísk v plošnom
tvárnení. 1. vyd Bratislava: Alfa Bratislava. 394 s. ISBN 80-05-00055-3.
COOLING, J. 2019. Real-time Operating Systems Book 1 – The Theory. Lindetree Associates,
2nd edition. ISBN: 978-17-9534-065-6.
DIMITRIOS S. 2018. Internet of Things (IoT) Systems – Architectures, Algorithms,
Methodologies. Springer. ISBN: 978-33-1969-714-7.
5 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
DOBROVIČ, Ján, Jan VÁCHAL a Ján KMEC. 2018. Management of production processes.
1. vyd. Stalowa Wola, Poland: Wydawnictwo Sztafeta. 226 p. First edition. ISBN 978-83-
63767-35-8.
DOBROVIČ, J., GOMBÁR, M., KMEC, J., 2016. LOGISTIKA – Základy podnikovej
logistiky. PU Prešov, FM Prešov. Bookman Prešov. 155 s. ISBN 978-80-8165-192-2.
GOMBÁR, Miroslav, Ján KMEC, Ján DOBROVIČ a Radoslav SEMAN. 2018. Manažérske
praktiky navrhovania produkčných procesov a výrobkov. 1. vyd. Stalowa Wola, Polsko:
Prešovská univerzita v Prešove, Fakulta manažmentu. 153 s. Vědecká monografie / č. 15 810
9. ISBN 978-83-63767-78-5.
HOLUBOVÁ, I., KOSEK, J., MINAŘÍK, K., NOVÁK, D. 2015. Big Data a NoSQL
databáze. Praha: Grada Publishing. ISBN: 978-80-247-5466-6.
JERZ, J., Kováčik, J., Simančík, F. 1995. Výroba, vlastnosti a použitie speneného hliníka.
Technológia 95, Bratislava.
KAMPF, R., V. STEHEL, D. KUČERKA, J. KMEC, X. LIU, B. LI a W. CUI, 2017. Logistics
of production processes. University textbook. České Budějovice: The Institute of Technology
and Business in České Budějovice. ISBN 978-80-7468-115-8.
KEŘKOVSKÝ, M,, O. VALSA, 2012. Moderní přístupy k řízení výroby. Praha: C.H. Beck.
153 s. ISBN: 978-80-7179-319-9.
KMEC, J., J. DOBROVIČ, J. VÁCHAL, P. PÁRTLOVÁ, J. STRAKOVÁ. 2019. Logistika
materiálových toků a procesů v průmyslové výrobě. Monografie. 1. vyd. VŠTE v Českých
Budějovicích. Vydavatel a tlač: Bookman s.r.o. Prešov, SR. 185 p. ISBN 978-80-8165-378-0.
KMEC, J., M. KARKOVÁ a J. MAJERNÍK. 2018. PLANNING MANUFACTURING
PROCESSES OF SURFACE FORMING WITHIN INDUSTRY 4.0. MM Science Journal,
Praha. 2018, č. 12, s. 2680-2685. ISSN 1803-1269.
KMEC, J. et al., 2016. Logistic Approach of Building and Development of Production Systém.
Nase More. 63(3), 145-149. ISSN 0469-6255.
KMEC, J. et al., 2015. Průmyslová Logistika ve strojírenství: studijní skripta. 1. vyd. České
Budějovice: VŠTE v Českých Budějovicích. ISBN 978-80-7468-088-5.
KMEC, J., E. SPIŠÁK, D. KUČERKA, M. GOMBÁR a P. MICHAL. 2015. Technologies
For Automotive. Technical book. 1. ed. České Budějovice: Vysoká škola technická a
ekonomická v Českých Budějovicích, 170 p. ISBN 978-80-7468-098-4.
6 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
KMEC, Ján, et al. 2014. Kovové materiály pre výrobu automobilov. 1. vyd. České
Budějovice: Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích, 2014. 183 s.
ISBN 978-80-7468-069-4.
KMEC, J., et al., 2014. Delenie materiálov. 1. vyd. Košice: Technická univerzita v Košiciach.
287 s. ISBN 978-80-553-1872-1.
KMEC, J., et al., 2014. Materiály pre automobilový priemysel. 1. vyd. Košice: Technická
univerzita v Košiciach. 220 s. ISBN 978-80-553-1862-2.
KŘÍŽ, Jiří a Ján KMEC. 2019. Operačný manažment. 1. vyd. Stalowa Wola, Poland: Fakulta
podnikatelská VUT v Brne, Czech Republic. 245 s. Vysokoškolská učebnice. ISBN 978-83-
63767-99-0.
LOSERTOVÁ, Monika. 2007.
https://docplayer.cz/18482709-7-kovove-peny-c-kovove-houby-morfologie-bunecnych-kovu-
obvykle-s-otevrenymi-a-vzajemne-propojenymi-dutinami-pory.html.
MARTINEZ, A. & FERNÁNDEZ, E. 2015. Learning ROS for Robotics Programming. Packt
Publishing. ISBN 978-1783987580.
MAYER-SCHONBERGER, V. & CUKIER, K. 2014. Big Data: Revoluce, která změní
způsob, jak žijeme, pracujeme a myslíme. Brno: Cmputer Press. ISBN 978-80-251-4119-9.
MORGAN Q., GERKEY, B., CONLEY, K., FAUST, FOOTE, J. T., LEIBS, J., BERGER, E.,
WHEELER, R., Ng, A. ROS: an open-source Robot Operating System, [online]. Dostupné z
https://www.semanticscholar.org/paper/ROS%3A-an-open-source-Robot-Operating-System-
Quigley-Conley/d45eaee8b2e047306329e5dbfc954e6dd318ca1e
ROSENAU, M. D, 2000. Řízení projektů: příprava a plánování, zahájení, výběr lidí a jejich
řízení, kontrola a změny, vyhodnocení a ukončení. Praha: Computer Press. 344 s. ISBN: 80-
7226-218-1.
RUMIŠEK, P., 2003. AUTOMATIZACE ( roboty a manipulátory). VUT SF Brno. Dostupné
z: http://ust.fme.vutbr.cz/tvareni/img/opory/emm_mechanizace_a_automatizace_roboty_
rumisek.pdf.
SATRAPA, P. 2019. IPv6. Praha: CZ.NIC. ISBN: 978-80-88168-46-1
SELECKÝ M. 2016. Arduino. Praha: Computer Press. ISBN: 978-80-251-4840-2.
SPIŠÁK, E., KMEC, J. et al., 2015. Materiály v súčasnej praxi. 1. vyd. České Budějovice:
VŠTE v Českých Budějovicích. 240 s. ISBN 978-80-7468-089-2.
7 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
SPIŠÁK, Emil, KMEC, Ján, et al. 2012. Materiály pre konvenčné a progresívne technológie.
- 1. vyd. - Košice: TU - 2012. - 317 s.. - ISBN 978-80-553-1251-4.
SROVNAL, V. 2003. Operační systémy pro řízení v reálném čase. VŠB Technická universita
Ostrava, ISBN 80-248-0503-0.
TOMEK, G., V. VÁVROVÁ, 2014. Integrované řízení výroby: od operativního řízení výroby
k dodavatelskému řetězci. Praha: Grada. 366 s. ISBN: 978-80-247-4486-5.
VALÍČEK, J., HARNIČÁROVÁ, M., KUŠNEROVÁ, M., ŠAJGALÍK, M., KMEC, J.,
KOPAL, I., PALKOVÁ, Z. (2020). Reverse reconstruction of surface topography from
residual stress after chip‐forming machining of the material. Materialwissenschaft und
Werkstofftechnik, 51(5), 579-585.
VALÍČEK, J., BOROVIČKA, A., HLOCH, S., HLAVÁČEK, P. Design method for the
technology of hydroabrasive cutting of materials. Patent application number: US
2012/0022839 A1, Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office.
VALÍČEK, J.; CZÁN, A.; HARNIČÁROVÁ, M.; ŠAJGALÍK, M.; KUŠNEROVÁ, M.;
CZÁNOVÁ, T.; KOPAL, I.; GOMBÁR, M.; KMEC, J.; ŠAFÁŘ, M. A new way of
identifying, predicting and regulating residual stress after chip-forming machining. Int. J.
Mech. Sci. 2019, 155, 343–359.
VALÍČEK J, HARNIČÁROVÁ M, KOPAL I, PALKOVÁ Z, KUŠNEROVÁ M, PANDA A,
ŠEPELÁK V. Identification of Upper and Lower Level Yield Strength in Materials.
Materials. 2017; 10(9):982.
VALÍČEK J, HARNIČÁROVÁ M, ÖCHSNER A, HUTYROVÁ Z, KUŠNEROVÁ M,
TOZAN H, MICHENKA V, ŠEPELÁK V, MITAĽ D, ZAJAC J. Quantifying the Mechanical
Properties of Materials and the Process of Elastic-Plastic Deformation under External Stress
on Material. Materials. 2015; 8(11):7401-7422.
VALÍČEK, J., 2013. Fyzika 1. pro obor Lovecké, sportovní a obranné zbraně a střeliva. 1.
vyd. Ostrava: VŠB-TU v Ostravě. 152 p. ISBN 9788024821405.
Marek, D., P. Měmec a V. Franče. 2018. Automatizace práce v ČR. Deloitte Touche
Tohmatsu Limited, britská privátní společnost s ručením omezeným („DTTL“).
8 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Klíčové pojmy:
Automatizace, robotizace, výrobní proces, procesní řetězec, logistický řetězec,
logistický systém, inovace.
1 Automatizace a robotizace produkčních
procesů pro Průmysl 4.0
Cíle kapitoly
Cílem kapitoly je studenta seznámit a vysvětlit podstatu automatizace a robotizace procesu,
zdůraznit systémový přístup automatizace a robotizace, objasnit význam inovace logistiky
materiálových toku, definovat inovaci a vyjmenovat hlavní pojmy, reprodukovat inovační
principy a typy inovací,
Úvod do kapitoly
Automatizace je obecně výsledkem snahy člověka o usnadnění vlastní práce pomocí strojů,
které jsou schopny provádět konkrétní úkony místo něj rychleji, s větší přesností, s vyšší
mírou konzistence a také levněji. Stroj již tedy není pouhým nástrojem, který člověku
usnadňuje práci, ale sám se stává vykonavatelem dané činnosti, mnohdy navíc bez přímého
zapojení člověka do dané činnosti. Byť je automatizace fyzických úkonů tou historicky starší,
s rozvojem výpočetní techniky dochází také k automatizaci znalostní práce. Prostým
příkladem je automatická kontrola pravopisu, jejíž implementaci dnes v určité míře
nalezneme u téměř každého softwaru, který umožňuje psaní textu. Možná si to ani
neuvědomujeme, ale něco, co bereme za samozřejmé, ve skutečnosti nahrazuje práci, kterou
bychom museli udělat sami, nebo za ni někomu zaplatit. Při objemu textů, které kolektivně
vytváříme, se jedná o nezanedbatelnou úsporu lidského času a úsilí.
V posledních letech se zrychlil vývoj umělé inteligence AI (Artificial intelligence) a
strojového učení ML (Machine learning). Tyto technologie napodobují způsob, jakým funguje
lidská mysl. Však jedna z užívaných technologií – neuronové sítě – si vypůjčila biologickou
terminologii popisující lidský mozek. Počítačové programy spadající do této kategorie lze
9 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
charakterizovat jako algoritmy, které se učí skrze zkušenost. Vývoj AI začal již před více než
pěti dekádami, ale teprve ve 21. století došlo k jeho akceleraci s růstem výpočetní síly
počítačů a s růstem dostupnosti velkých data setů komplexních informací (tzv. big-data) v
různých oblastech. Dostupnost dat je zásadní, protože data poskytují programům AI zkušenost
potřebnou pro strojové učení. Algoritmy jsou schopny lépe rozpoznávat komplexní vazby ve
velkém množství dat, která by člověk nebyl schopen vnímat dostatečně holisticky. AI se
například využívá k rozpoznávání mluveného slova, překladům textů, rozpoznávání předmětů
a obličejů na fotografiích, cílení reklamy, lékařské diagnostice a autonomnímu řízení vozidel.
Výklad
Automatizaci technologických procesů je nutno chápat komplexně. Nelze ji zúžit pouze na
vlastní stroj. Patří sem i automatizovaná doprava, manipulace s materiálem, kontrola a
měření, výměna nástrojů apod. Automatizaci technologického procesu lze řešit za pomoci
univerzálních či jednoúčelových zařízení nebo jejich prvků, případně jejich vhodnou
kombinací.
Při řešení každého konkrétního případu je třeba se zabývat optimalizací řešení, a to po stránce
nejen technické, ale i ekonomické. Samozřejmě je třeba každé navržené řešení posoudit i z
dalších hledisekjako např. rychlost dodávky určitého systému, přesnost výroby, prostorové
možnosti, energetická náročnost apod.
Robotizace průmyslových procesů nachází uplatnění nejen v hromadných výrobách, jak se
původně předpokládalo, ale i ve výrobách malosériových a kusových. Robotizace je významným
činitelem kultivace lidské práce. Osvobozuje člověka od fyzicky namáhavé a monotónní práce,
umožňuje mu vymanit se ze zdravotně škodlivých a rizikových pracovišť.
Navíc umožnila růst produktivity práce a otvírá nové možnosti pro přerozdělování pracovního
fondu společnosti ve prospěch intelektuálního uplatnění lidí v tvůrčí práci a vytváření
podmínek pro kvalitativně vyšší způsob života. Ve všech průmyslových odvětvích se
vyskytují monotónní práce, činnost spojená s vynakládáním značné fyzické námahy, práce v
nezdravém prostředí i práce kladoucí značné nároky na svědomitost, pečlivost a bdělost
pracovníka. Tam všude lze použít manipulační zařízení s různým stupněm automatizace.
Průmyslové roboty a manipulátory (dále též v označení PRaM) jsou "manipulační
mechanismy", které pro další vysvětlení a popis můžeme rozdělit podle funkce, provedení,
aplikačních možností, míry autonomnosti, úrovně řízení atd. dle následující tab. 1.1:
10 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Tab. 1.1 Členění robotů a manipulátorů
Mimo základní klasifikaci a členění podle koncepce můžeme dále jednotlivé druhy PRaM
blíže specifikovat podle jednotlivých charakteristických znaků, kterými se celá skupina dále
větví na podskupiny od nejjednodušších jednoúčelových manipulátorů (podavače) až po
kognitivní roboty, vybavené schopností vnímání a jistého „racionálního myšlení“.
Charakteristické znaky jednotlivých typů PRaM:
Podavače - Jsou nejjednoduššími jednoúčelovými manipulátory. Tvoří většinou s ovládaným
strojem jeden celek; jsou jím řízeny, mají od něj odvozen pohon. Tyto "podávací"
mechanismy mají velký význam pro automatizaci technologických procesů. Uživatelé si tato
zařízení často sami zhotovují nebo samostatně dokupují a doplňují jimi své stroje.
Synchronní (teleoperátory) - řízení provádí průběžně řídící pracovník. Tyto manipulační
mechanismy představují vlastně zesilovací ústrojí pro zesílení silových a pohybových veličin
na základě popudů vyvolaných řídícím pracovníkem. Na obsluhovaném stroji jsou nezávislé.
Manipulátor a člověk (řídící pracovník) "tvoří" uzavřenou regulační smyčku. Tato zařízení
přenáší na dálku příkazy člověka. Tato možnost ovládání pracovního mechanismu na dálku se
využívala a využívá pro vědecké, lékařské i vojenské účely. Už dnes se provádí některé
operace nepřímo pomocí miniaturních manipulátorů. Pomocí dálkově řízených manipulátorů
se může manipulovat též s nebezpečnými látkami apod.
Programovatelné - jsou řízeny programovým ústrojím. Provedením, pohonem a funkcí jsou na
obsluhovaném stroji nezávislé.
S pevným programem - program se nemění během činnosti manipulačního mechanismu, je
stálý, programové ústrojí je jednoduchého provedení. Nazýváme je "jednoduché průmyslové
roboty".
11 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
S proměnlivými programy - mají možnost přepínání nebo volby programu, většinou podle
scény, ve které se manipulační mechanismy právě nacházejí. Bývají to zařízení s adaptivním
řízením. Představují v současné době špičku konstrukčního provedení a nazýváme je
"Průmyslovými roboty".
Kognitivní roboty - jsou to roboty vybavené možností vnímání a racionálního myšlení
(kognitivní proces = proces vnímání a racionálního myšlení).
Průmyslové roboty se liší od informačních systémů, jakými jsou např. počítače, vykonáváním
fyzikálního vlivu na okolí. Úkony (činnost vykonávaná manipulačními mechanismy) jsou
buď
a. převážně manipulační, tj. slouží k přemisťování objektů a jejich mechanickému
ovládání (objekty mohou být i nástroje ad b);
b. výrobně-technologické, tj. vykonávají některé technologické operace dosud realizované
výrobními zařízeními (např. vrtání, soustružení apod.).
Činnost, převážně vykonávaná, pak klade požadavky na vlastní provedení manipulátorů,
jejich počet stupňů volnosti, úroveň řízení atd.
Podle konstrukčního provedení lze dále provést rozdělení na:
a. stavebnicové - modulární
b. nestavebnicové – nemodulární
Modulární provedení se skládá ze samostatných funkčních celků-modulů. Modulově je
uspořádána jak mechanická část, tak i řídící ústrojí. Funkčně náročnější manipulační
mechanismy vzniknou ze základních funkčních celků.
Zvláštní skupinu manipulačních zařízení (jak bylo uvedeno v úvodní klasifikaci) tvoří roboty.
Roboty složitějšího provedení, a pak hlavně kognitivní, se od ostatních manipulačních
mechanismů liší především úrovní řízení. Vyznačují se následujícími vlastnostmi:
1. Manipulační schopností, tj. uchopením a přemisťováním předmětů, různými
montážními úkony, úpravou předmětů, zacházením s pomocnými předměty (např. s
nástroji).
2. Autonomností chování, tj. složitou posloupností úkonů prováděnou automaticky podle
určitého programu. Důležitý je zejména případ, kdy tento program není pevný (daný
konstrukcí, jako např. u klasických řídících automatů), ale volitelný buď člověkem
12 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
nebo automaticky vlastním zařízením. Tím se liší např. od teleoperátorů, které zesilují
a přenášejí na dálku pohybové příkazy přímo od člověka, jenž je nedílnou součástí
ústrojí.
3. Univerzálností ve smyslu "víceúčelovosti", nikoli "všemohoucnosti". Zařízení neslouží
pouze k jedinému účelu, ale k více, někdy dosti rozmanitým účelům. To souvisí s
možností změny programu, jež má být jednoduše a rychle proveditelná.
4. Existence vazby s prostředím (vnímání). Kromě jednoduchých mechanických
(dotekových) elektromagnetických čidel lze u složitějších systémů počítat i s vizuální
(použitím televizní kamery) a akustickou vazbou.
5. Prostorovou soustředěností jednotlivých složek (integrovanost) pokud možno (ale
nikoli nutně, je-li jednou ze složek počítač) do jednoho objektu. Důsledkem je kromě
jiného též snadná transportovatelnost; v některých případech lze požadovat, aby
systém byl mobilní.
Synchronní manipulátory (teleoperátory) jednoúčelové i víceúčelové, jsou manipulační
zařízení, ovládané člověkem. Jejich úkolem je zesilovat síly, respektive moment a pohybové
možnosti operátora. Rozdíl mezi jednoúčelovými a univerzálními je v konstrukčním
provedení. Jednoúčelové synchronní manipulátory mají omezenou možnost použití pro jiné
případy manipulace. Jako příklad lze uvést jednoúčelové teleoperátory (balancéry), pro
zdvíhání těžkých předmětů.
Univerzální synchronní manipulátory jsou konstrukčně složitější, kopírují pohyby člověka
(řídícího pracovníka). Manipulátor a člověk tvoří vlastně uzavřenou regulační smyčku. Jsou
nazývány zařízeními pracujícími na principu master-slave. Na obsluhovaném stroji jsou
nezávislé. Manipulátor a člověk (řídící pracovník) tvoří uzavřenou smyčku. Tato zařízení
přenášejí na dálku příkazy člověka.
Současná představa automatizace manipulačních cyklů je spojována jen s uplatněním
univerzálních manipulátorů a robotů, které jsou poměrně komplikované a tedy i drahé. Potom
je jejich nasazení v jednodušších případech nevýhodné z ekonomického hlediska, ale i z
hlediska malého využití jejich celkových možností. Při současné úrovni výroby je možné řadu
problémů, spojených s její automatizací, řešit pomocí jednoúčelových manipulátorů.
13 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Průmyslové roboty
Již pojem „zdůrazňuje, že jde o ústrojí složitější než manipulátor, ústrojí, které má většinu z
výše uvedených vlastností; toto označení je zejména vhodné pro zařízení řízená počítačem.
Jeho definice je pak:
• Robot je automaticky nebo počítačem řízený integrovaný systém, schopný
autonomní cílově orientované interakce s přirozeným prostředím podle
instrukcí od člověka. Tato interakce spočívá :
(a) ve vnímání a rozpoznávání tohoto prostředí
(b) v manipulování s předměty, popř. pohybování se v tomto prostředí.
Základní konstrukce robotu je uložena na lineární jednotce. Robot disponuje šesti pohyby.
Výstupem základní kinematické struktury je speciální tříosé rotační zápěstí.
Dutá konstrukce zápěstí umožňuje příznivé vedení sekundárního kabelu k bodovacím kleštím
od transformátoru, který je otočně uložen v translačním ramenu robotu.
Generace robotů a manipulátorů
Průmyslové roboty je možno rozdělit do pěti generací:
• v nulté generaci jsou zařazeny manipulátory a roboty zpravidla bez zpětné vazby, kdy
veškeré poruchy či změny ve sledované oblasti (signalizované čidly) vedou k nedovolení
dalšího kroku a centrálního odpojení systému od přívodu energie, tj. zastavení systému
(tzv. "central stop") a přivolání údržbáře nebo seřizovače
• do prvé generace zařazujeme roboty s jednoduchou zpětnou vazbou, schopné přepínání
několika podprogramů (předem vytvořených člověkem) a práce podle nich
• ve druhé generaci jsou roboty se schopností optimalizace, tj. schopností vybírat z předem
zadaných programů ten optimální, podle zadaného kriteria optimalizace
• třetí generace je charakterizována roboty jež jsou schopné samostatné tvorby programu,
neboť se dokáží učit z nabytých zkušeností. Zde se předem zadává pouze cíl činnosti
(úkol), přičemž způsob jeho splnění je ponechán na inteligenci řídicího systému, který si
sám vytvoří program
• čtvrtá generace je reprezentována autonomními roboty se sociálním chováním, které se
chovají podobně jako člověk, tedy samostatně si volí i cíl práce.
14 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
V současné době jsou v našich závodech nasazeny roboty nulté a první generace; výjimečně i
roboty druhé generace (někdy nazývané "systém oko - ruka"). Cena robotů druhé generace je
totiž značně vysoká, neboť je bezprostředně závislá na složitosti a cenové dostupnosti
senzorové techniky, umožňující potřebné rozpoznávání a vyhodnocování pracovní scény
robotu.
Adaptivní roboty
Počínaje prvou generací se začínaly uplatňovat tzv. adaptivní (adaptabilní) roboty, které se
(díky zabudované zpětné vazbě a vyšší inteligenci řídicího systému) dokáží přizpůsobovat
změně okolí. To znamená, že reagují na změnu sledovaných parametrů a automatickou
změnou svého chování sledované veličiny vracejí do původního stavu. Např. zjištěné stoupání
teploty chladicí kapaliny eliminují otevřením cesty do chladiče, zjištěné stoupání tlaku mimo
nastavené tolerance vyrovnávají otevřením obtokových či redukčních ventilů apod.
Typickými adaptivními roboty jsou např. roboty pro svařování elektrickým obloukem, které
dovedou sledovat svařovanou spáru a v případě jejích nepřesností opravují naprogramovaný
chod hořáku tak, aby ze spáry nevybočil.
Vzájemná interakce robotu a technologického prostředí velmi často vzniká fyzickým
kontaktem koncového efektoru a předmětu technologické scény, kdy se uzavírá mechanická
vazba kinematického řetězce robotu.
Pro adaptivitu robotu je totiž nezbytné rozpoznat, zda dotyk nastal, stanovit souřadnice bodů
(lokalizaci) dotyku a charakter dotyku vyhodnocením např. velikosti reakčních sil a momentů.
K tomu jsou efektory vybaveny senzorickými zápěstími s poddajnými členy. Kromě toho jsou
používány též vazby bezdotykové - zejména optické, ultrazvukové, indukční, laserové apod.
Kognitivní roboty
Přívlastek "kognitivní" (z latinského kognitio, tj. poznávání smyslem či rozumem) je
používán rovněž v psychologii, a označuje souhrnně řadu typů poznávací činnosti: vnímání,
představivost, paměť, chápavost, usuzování a uvažování, nikoliv však citové a volní jednání.
Protože tyto kognitivní procesy nejsou nezbytně vázány na vědomí subjektu, lze říci, že mají
svou analogii i u robotů. Proto termín "kognitivní robot" je zde oprávněný nejen jako
metafora, ale i jako odborný výraz.
15 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Kognitivní robot je schopen vykonávat následující činnosti:
• vnímat a rozpoznávat prostředí
• vytvářet a průběžně rozpoznávat vnitřní model prostředí
• na základě tohoto modelu a v souladu se zadanými cíli rozhodovat o vlastní činnosti
• ovlivňovat prostředí – pohybovat se v něm a manipulovat s předměty
• komunikovat s člověkem
Značný kvalitativní skok od běžných robotů ke kognitivním by mohl být charakterizován
takto: kognitivnímu robotu je zadán pouze cíl činnosti, plán k jeho dosažení si jeho řídicí
systém musí vytvořit sám. Úkolem je tedy vytvoření plánu k dosažení cíle a jeho následná
realizace. Tyto dvě fáze mohou probíhat odděleně, ale mohou se též prolínat, kdy plánování je
ovlivňováno zkušenostmi, získanými při realizaci.
Autonomnost činnosti robotu je dána jeho samostatnou prací nezávisle na člověku –
přinejmenším v tom smyslu, že člověk s ním není v uzavřené smyčce, jako je tomu např. u
teleoperátorů (master – slave systém).
Požadavek cílově orientované činnosti vylučuje zařízení, které by se chovalo zcela náhodně
a nesmyslně. Cíl je obvykle předem zadán a veškerá aktivita robotu je zaměřena na jeho
dosažení; nejde tedy o stálé opakování cyklu úkonů, jako je tomu u běžných průmyslových
robotů.
Instrukce udílené člověkem mají obvykle symbolický tvar – mohou to být věty umělého
nebo přirozeného jazyka, u dokonalejších systémů může být použito i mluvené řeči.
Požadavek co největší autonomnosti robotu ale neznamená, že interakce s člověkem ztrácí na
důležitosti. Naopak: člověk musí robotu vhodným způsobem sdělovat zadání cílů, popis
situací a obecných zákonitostí prostředí, může se robotu tázat na vlastnosti prostředí (jsou
situace, kdy robot má více znalostí než člověk).
Robotu by zase mělo být umožněno, aby člověku kladl otázky k doplnění toho, co mu chybí k
řešení dané úlohy a aby ho informoval o nečekaných okolnostech, se kterými si sám nedokáže
poradit.
V současné době jsou v našich závodech nasazeny roboty nulté a první generace; výjimečně i
roboty druhé generace (někdy nazývané "systém oko - ruka"). Cena robotů druhé generace je
totiž značně vysoká, neboť je bezprostředně závislá na složitosti a cenové dostupnosti
senzorové techniky, umožňující potřebné rozpoznávání a vyhodnocování pracovní scény
robotu.
16 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Konativní roboty
Zatím nejvyšší předpokládanou generací jsou roboty konativní (z latinského konatus, tj.
snaha, úsilí), charakterizované samostatnou volbou cíle.
V současné době konativní roboty nejsou realizovány, je to pouze předpoklad - prognóza
dalšího vývoje, který pravděpodobně spěje k vývoji robotů se sociálním chováním, tj. robotů,
jejichž chování bude velmi podobné (až identické) s chováním člověka. To znamená, že
řídicímu systému nebude nutné zadávat ani cíl jeho práce, neboť konativní robot, zařazený do
určitého pracovního procesu si bude sám uvědomovat a plánovat, co je v daném okamžiku
potřeba udělat.
Potom zřejmě splyne řízení vlastní činnosti robotu s řízením a plánováním celého pracovního
procesu, kdy dílčí práce na výrobě jednotlivé součásti vyplynou z časového harmonogramu
výroby nutného počtu kusů pro montáž daného počtu finálních výrobků.
To samozřejmě předpokládá integraci technologických a netechnologických (zejména
manipulačních) procesů.
Mobilní roboty
Mobilita je specifickou vlastností, která se může vyskytovat u všech druhů robotů a je
realizována podvozkem nebo jiným systémem, který umožňuje pohyb robotu (např. kráčející
roboty apod.).
Roboty nulté a první generace se jako mobilní nekonstruují; pouze tam, kde je potřeba
krátkého pohybu, se přidává jeden stupeň volnosti v podobě pojíždění po pevně stanovené
dráze (např. kolejnice) kolem obsluhovaných strojů nebo nad nimi. Naproti tomu u
kognitivních robotů mobilita bývá velmi častá, neboť pohyb robotu po určité ploše je většinou
nezbytný.
V tomto případě je robot vybaven tzv. lokomočním ústrojím, které slouží k přemísťování na
větší vzdálenosti (řádově v desítkách metrů) a které je realizováno pomocí kolového,
pásového nebo kráčejícího podvozku. Podvozky kolové jsou energeticky výhodnější a jejich
ovládání je jednodušší (např. každé hnací kolo může mít samostatný pohon, což zjednodušuje
změnu směru pohybu), u pásových a kráčejících je nutné počítat s většími ztrátami třením. Ve
prospěch kráčejícího ústrojí lze naopak uvést možnosti použití ve značně nerovném terénu s
mnoha překážkami, kde nestačí už ani pásový podvozek. To ale vyžaduje mnohem složitější
řízení a řešení celé řady problémů, spojených zejména s rovnováhou a stabilitou. Speciální
17 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
problematikou jsou lokomoční systémy pro pohyb po svislých stěnách, kde se využívá
především přísavných systémů.
Inovační procesy
Pojem inovace (podle dokumentu Evropské unie „Green Paper on Innovation“) je chápána
jako synonymum úspěšné produkce, asimilace a používání novosti v ekonomické a sociální
sféře. Inovace obecně nabízejí nová řešení problémů vyvolaných změnami v podnikatelském
prostředí, požadavcích zákazníků, technologickém rozvoji, globalizaci a v dalších aktivitách
současné doby.
Úkolem inovací je tvořit a uvádět na trh nové výrobky a služby, které splňují rostoucí
požadavky zákazníků na funkce výrobku, jeho variantnost, užitkovost, hospodárnost, kvalitu,
spolehlivost, životnost, obsluhu, design, ale i environmentální charakteristiku. Zákazníci
preferují u výrobků novost, individualitu, přijatelnou cenu, dostupnost a komfort používání v
souladu s technickým, ekonomickým a sociálním pokrokem.
Inovace produktu
Dominantní postavení výrobku v podnikání vyplývá z toho, že je prostředkem uspokojování
potřeb zákazníků, přičemž prostřednictvím prodeje výrobků se dosahují příjmy z podnikání,
obr. 1.1.
Obr. 1.1 Strategické faktory inovace výrobků.
Významnost pečlivé přípravy a plánování výrobků podtrhují i tyto faktory:
▪ vysoká konkurence na trhu všech druhů výrobků,
▪ neustálé zrychlování inovačních cyklů,
18 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
▪ velký potenciál variabilnosti výrobků,
▪ vliv výrobků na produktivitu, kvalitu a konkurenceschopnost podnikání,
▪ výrobek je integrační složkou podnikatelských aktivit,
▪ náročnost a rizika vývoje nových výrobků.
Důležitou charakteristikou při přípravě inovací výrobků je lokalizace inovačního projektu
podle tržní pozice a úrovně novosti, obr. 1.2.
Obr. 1.2 Zatřídění inovací výrobků.
Dominantní postavení výrobku v podnikání vyplývá z toho, že je prostředkem uspokojování
zákazníků a příjmy z prodeje zabezpečují ekonomiku podniku.
Typový postup inovace výrobku má etapy:
▪ specifikace (funkční, provozní, marketingová, technická),
▪ design (koncepční a konstrukční řešení),
▪ výroba prototypů a jejich zkoušení,
▪ úpravy pro opakovanou výrobu.
Konkurenceschopnost výrobku je založena na existenci unikátních vlastnosti výrobku a
hodnot pro zákazníka, silné tržní orientaci a správném časování vstupu na trh.
19 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Inovace produkčního procesu
Inovace je realizována na základě:
▪ prezentace hlavních směrů inovací technologie na bázi nových metod a struktur operací,
▪ automatizace,
▪ eliminace nadbytečnosti.
V současnosti jsou trendem inovační směry:
▪ logistiky,
▪ řízení investic,
▪ globálních změn výrobních systémů.
Produkční proces je uspořádaný soubor zdrojů, jejichž funkcí je transformace vstupů
(suroviny, polotovary, energie aj.) na požadované výstupy (výrobky a služby) (obr. 1.3).
Obr. 1.3 Model výrobního systému.
Hlavní složky:
▪ objekty na kterých se provádějí požadované transformace (tj. materiál, součástky aj.),
▪ aktivní činitelé (operátory) provádějící transformace (tj. lidé, stroje, fyzikální prostředí),
▪ procesy prostřednictvím kterých dochází ke změnám tvaru, rozměrů, konfigurace, místa,
▪ vstupy a výstupy, propojení s okolím,
▪ toky materiálu, energie a informací, které vytvářejí celkovou architekturu systému a
spojují jeho složky do celku,
▪ pomocné složky, které přímo nepůsobí na výstupech, ale zajišťují provozu-schopnost
systému (tj. údržba, nářadí aj.),
▪ prostor a čas jako nezbytné atributy každého systému.
20 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Hlavní úkoly při inovaci produkčního procesu:
▪ určení celkové produkční kapacity systému,
▪ rozdělení kapacity do funkčních celků nebo technologických jednotek,
▪ projektování transformačních procesů (technologie),
▪ specifikace výrobních prostředků (tj. technika, lidé) pro realizaci technologie v
jednotlivých složkách,
▪ určení, co se bude produkovat a co nakupovat.
Celkové uspořádání výrobního systému, tj. jeho vstupy, výstupy, materiálové, energetické
a informační toky je zobecněně uvedeno v tabulce 1.2, a to na základě popisu parametrů
výrobního systému.
Tab. 1.2 Parametry výrobního systému.
Podnikatelské cíle je třeba transformovat do řady specifických parametrů výrobního systému:
1. výrobnost počet vyrobených objektů (vykonaných transformací) za jednotku času,
nejdůležitější ukazatel výkonnosti produkčního systému
2. produktivita poměr mezi výstupy produkce, a spotřebovanými vstupy a vnitřními
zdroji
3. průběžná doba celkový čas začátku operací na vstupu až po kompletní ukončení
na výstupu
4. pružnost schopnost systému přecházet na jiné úlohy, souvisí s vlastností překonat
změny, tj. schopnost přizpůsobovat se novým podmínkám
5. vytíženost poměr mezi potenciální a skutečnou kapacitou produkce
6. životnost časový interval do fyzického nebo morálního opotřebení produkčního
systému
7. spolehlivost schopnost plnit určené funkce v průběhu požadovaného času
při zachování pracovních parametrů
Inovace na bázi automatizace a ekologizace
Automatizace je proces, ve kterém je fyzická a duševní činnost člověka nahrazována činností
technických prostředků. Novější definice považují automatizaci za technologii, která používá
programové instrukce a zařízení k provedení daných procesů, přičemž zpětnovazební
informace zajišťují správné provedení instrukcí.
Číslicově řízené stroje (NC, CNC), průmyslové roboty a automatické manipulátory, pružné
dopravní systémy a jejich integrace do automatizovaných buněk, systémů a závodů
představují nejvýznamnější směr inovace výrobních systémů.
21 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Přínosy automatizace:
▪ snížení pracnosti, řada výrob má vysokou pracnost, automatizace snižuje náklady, řeší
nedostatek kvalifikovaných pracovníků (zvlášť ve 2. a 3. směně);
▪ stabilita kvality, lidský faktor je někdy zdrojem poruch, kvalita je prioritním motivem
současné automatizace,
▪ zvýšení úrovně řízení, automatická zařízení se lépe než manuální pracoviště integrují do
počítačem řízených systémů;
▪ synchronizace operací, technické zařízení lze lépe synchronizovat než lidi, takže lze
významně zkracovat průběžný čas;
▪ úspory materiálů a energie, přesné provádění operací stroji je zdrojem úspor materiálu
a energie ve většině technologií.
Doporučení pro automatizaci produkčních procesu:
▪ automatizace výroby je všeobecným trendem s řadou přínosů;
▪ komplexní automatizace je investičně náročná, je třeba důsledně uplatňovat principy
řízení inovací;
▪ důležité je eliminovat možné konflikty při kombinaci manuálních a automatizovaných
operací;
▪ automatizace je nezbytná pro speciální technologie (např. plazma, laser aj.) a pro vysoké
požadavky na kvalitu.
Stupně inovací
Jakákoliv inovace ve své podstatě způsobí větší nebo menší vzdálení se výrobků, výrobních
faktorů, procesů aj. od jejich původního stavu, a to o různou vývojovou vzdálenost. Právě tato
vzdálenost je v literatuře označována jako stupeň inovace. Úkolem stupňování inovací je
diferencovat a klasifikovat inovace z hlediska jejich obsahu a významnosti. Autoři se shodují
i v chápání stupně inovace, který podle nich charakterizuje vývojovou vzdálenost
inovovaného produktu/procesu od produktu/procesu původního (tab. 1.3).
Agilní současná výroba a budoucí výroba
V 90. letech se objevily pokusy integrovat velký počet obecných inovačních změn ve
vedoucích odvětvích průmyslu do nového pojmu „továrna budoucnosti, výroba pro 21.
22 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
století“. Byly formulovány koncepty agilní výroby, štíhlé výroby, dýchající továrny,
excelentní výroby, učící se organizace a mnoho dalších. Nezávisle na pojmových problémech
strojírenský průmysl dynamizuje inovační tempo ve všech složkách hodnototvorného řetězce
a dosahuje tak novou kvalitativní úroveň.
Tab. 1.3 Stupně inovací.
Stupeň
inovací
Označení Co se zachovává Co se mění Příklad
mínus „n” degenerace nic úbytek vlastností opotřebení
0 regenerace objekt obnova vlastností údržba, opravy
RACIONALIZACE
1 změna kvanta všechny vlastnosti početnost faktorů další pracovní sily
2 intenzita kvalita a propojení rychlost operací zvýšený posun pásu
3 reorganizace kvalitativní vlastnosti dělba činností přesuny operací
4
kvalitativní
adaptace
kvalita pro uživatele vazba na jiné faktory
technologie
konstrukce
KVALITATIVNÍ KONTINUÁLNÍ INOVACE
5 varianta konstrukční řešení dílčí kvalita rychlejší stroj
6 generace konstrukce koncepce konstrukční řešení stroj s elektronikou
KVALITATIVNÍ DISKONTINUÁLNÍ INOVACE
7 druh princip technologie konstrukční koncepce tryskový stav
8 rod príslušnost ke kmenu princip technologie vznášedlo
TECHNOLOGICKÝ PŘEVRAT – MIKROTECHNOLOGIE
9 kmen nic přístup k přírodě genová manipulace
Základní inovační trendy technologického zpracování
▪ kontinuální inovace v technologických metodách;
▪ dominantní aplikace energo-paprskových technologií (zejména laserů), přesné metody
zpracování a zvyšování rychlostí technologického zpracování;
▪ uplatňování „vysokých“ technologií, strojírenský průmysl infiltroval potenciál mikroelektrotechniky,
optoelektroniky, nanotechnologií, počítačové komunikace, a to nejen ve
výrobcích, ale i na výrobní ploše;
23 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
▪ rozvoj technologických struktur, typické inovace leží v komplexních nástrojových
systémech, multifunkčních výrobních centrech, pracovních stanicích, automatické
manipulaci a procesové logistice,
▪ intenzivní zavádění nízko-odpadových a energeticky nenáročných technologií.
Řízení a organizace výroby se promítá do:
▪ globalizace, je reprezentována rozložením výroby na celosvětovém teritoriu s příslušnými
inovacemi v síťové organizaci dodávek komponent, variabilní struktuře a řízení sítě na
bázi pokroku v informačních technologiích;
▪ inovačního pojetí dodavatelské sítě komponent a řízení logistických řetězců;
▪ inovací v řízení výroby a celého podnikání.
Historie vývoje průmyslových revoluci
1. Průmyslová revoluce
Byla odstartována vynálezem parního stroje, který usnadnil přepravu a umožnil výrobu na
dopravníkovém pásu. Probíhala v průběhu 18. a 19. století. Je spojena s odklonem od
dominantní pozice zemědělství směrem k průmyslu a se stěhováním obyvatel do měst.
24 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
2. Průmyslová revoluce
Je ohraničována roky 1870 a 1914, tedy počátkem první světové války. Zásadními vynálezy
této éry byly spalovací motor, elektrická energie, telefon, žárovka a další.
3. Průmyslová revoluce
Digitální revoluce začala v 80. letech a byly pro ni klíčové tyto vynálezy: osobní počítače,
internet či obecně ICT. Přestože byl první stolní počítač komerčně použit již v 60. letech,
masově začaly být využívány až v 80. letech. Do té doby to neumožňovala vysoká cena a
chudá softwarová výbava. Už v této fázi ale došlo na využití průmyslových robotů. První
industriální roboty použila v 60. letech společnost General Motors ve továrně na automobily.
25 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
4. Průmyslová revoluce
Probíhá nyní a jiným označením pro ni je termín Průmysl 4.0. Je spojena s rozvojem a
šířením technologií jako umělá inteligence, robotika, nanotechnologie, internet věcí,
blockchain, autonomní vozy a další. Řada států, včetně ČR, má koncepci, jak podpořit
Průmysl 4.0 a jak čelit důsledkům, které přinese.
Kontrolní otázky
1. Charakterizujte automatizaci a robotizaci.
2. Vyjmenujte jednotlivé druhy a vlastnosti robotů.
3. Charakterizujte druhy kinematiky robotů.
4. Charakterizujte inovace produkčních procesů.
5. Charakterizujte inovace na bázi automatizace a ekologizace.
Studijní literatura
KAMPF, R., V. STEHEL, D. KUČERKA, J. KMEC, X. LIU, B. LI a W. CUI, 2017. Logistics
of production processes. University textbook. České Budějovice: The Institute of Technology
and Business in České Budějovice. ISBN 978-80-7468-115-8.
ROSENAU, M. D, 2000. Řízení projektů: příprava a plánování, zahájení, výběr lidí a jejich
řízení, kontrola a změny, vyhodnocení a ukončení. Praha: Computer Press. 344 s. ISBN: 80-
7226-218-1.
KEŘKOVSKÝ, M, O. VALSA., 2012. Moderní přístupy k řízení výroby. Praha: C.H. Beck.
153 s. ISBN: 978-80-7179-319-9.
TOMEK, G., V. VÁVROVÁ, 2014. Integrované řízení výroby: od operativního řízení výroby
k dodavatelskému řetězci. Praha: Grada. 366 s. ISBN: 978-80-247-4486-5.
BLAŠČÍK, F. , J. KMEC, 1989. Automatizácia technologických pracovísk v plošnom
tvárnení. 1. vyd., Bratislava: Alfa Bratislava. 394 s. ISBN 80-05-00055-3.
26 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Klíčové pojmy:
Architektura robotů a manipulátorů, průmyslova výroba
2 Architektura manipulátorů a robotů pro
průmyslovou výrobu
Cíle kapitoly
Cílem kapitoly je absolventa seznámit a vysvětlit podstatu stavby robota, jeho architekturu,
souvislosti a podmínky uplatnení v prumyslove výrobe.
Úvod do kapitoly
Současné potřeby ve výrobním procesu kladou požadavky pro aplikaci automatizace a
robotizace do procesu výroby. Neustále se zvyšuje náročnost požadavků na kvantitu a kvalitu
výrobků, na nové složité technologické postupy a na konstruování složitých technických
mechanismů. Pro splnění těchto požadavků je třeba vypracování nových technologických
postupů, návrh vývoj a konstruování nových automatizovaných a robotických zařízení jakož i
jejich modernizace. V literatuře se pod pojmem průmyslový robot rozumějí zařízení, která
mají schopnost samostatně řešit různé manipulační úlohy. V současnosti, i když je
průmyslový robot definován podle ISO, existuje celá řada dalších definic s různými
interpretacemi, avšak všechny mají stejnou podstatu. Strukturu průmyslového robota lze
rozdělit na mechanickou, řídící a programovací část
Výklad
Architektura průmyslového robota
Mechanická část průmyslového robota se skládá z kloubů a vazeb, přičemž klouby slouží k
realizaci pohybu robota a vazby tvoří tuhá tělesa mezi nimi. Každý kloub poskytuje stupeň
volnosti. Většina robotů má 5 resp. 6 stupňů volnosti. Mechanická část robota se skládá z
podstavy, karuselu a ramen.
27 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Obr. 2.1 Mechanická část průmyslového robota
Koncový efektor je samostatná část robota, která slouží k uchytávání manipulačního objektu chapadlo
nebo je to technologická hlavice např. svařovací hořák. Spolu s průmyslovým
robotem se podílí na realizaci polohování a orientace neseného předmětu. Podle účelu použití
je rozdělujeme na chapadla, hlavice, integrované efektory a nástroje.
Řidící systém robota
Jeho úkolem je na základě informací uložených v paměti řídicího počítače a informací
získaných ze snímačů plánovat činnost robota a rozhodovat o úkonech, které mají být
prováděny. Zahrnuje všechny funkce řízení polohování a kromě toho nabízí možnost
současného řízení periferních zařízení. Řízení robota představuje mikroprocesorový systém,
28 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
který pracuje podle Multitaskingový metody. Je možné simultánně zpracovávat několik
sekvenčních řídících procesů.
Vstupní a výstupní úroveň řízení je dle výběru provedení prezentována buď jako technologie
průmyslových sběrnic nebo jako diskrétní vstupy a výstupy. Sériové rozhraní je možné
konfigurovat a může se použít i na připojení inteligentních zařízení jako skeneru čárového
kódu, systémů pro zpracování obrazu atd.
Řídicí systémy robotů jsou postaveny na bázi PC s procesorem, vybavené cd rom mechanikou
případně floppy diskem. Jako externí paměťová jednotka se využívá harddisk, na níž je
uložen operační systém a real-time modul pro práci v reálném čase. Řidící systém je možné
vybavit multifunkční kartou, která tvoří rozhraní mezi programovací jednotkou, PC a
bezpečnostní logikou.
Programovací jednotka
Programování robota je realizováno programovacím panelem tzv. pendant. Tento je vybaven
velkým zřetelným displejem, na kterém je zobrazen průběh programu či jeho aktuální stavový
řádek, přepínačem mezi ručním a automatickým provozem a volbou více zobrazovacích oken.
Po bočních stranách disponuje funkčními klávesami pro různé nastavení jako např. rychlosti,
volby souřadnicového systému a další.
Přívěsek obsahuje mimo jiné 6D myš pro ovládání robota v ručním režimu i tlačítka pro
ovládání robota samostatně v každé ose. Jako každé elektrické zařízení je doplněn pendant o
central stop pro zabezpečení bezpečnosti. Pro usnadnění programování a diagnostiky je použit
řadu doplňkových programových funkcí.
Pohybové prvky manipulátorů a robotů
Pohybové vlastnosti robotů jsou dány počtem rotačních os (R) a počtem přímých (T) - k
dosažení jakéhokoli bodu v prostoru jsou zapotřebí alespoň 3 osy, které se nazývají hlavní a
jsou součástí ramene robota - k nastavení uchopení nebo nastavení libovolné polohy v rámci
pracovního prostoru už je potřeba minimálně 6 os, kterým říkáme stupně volnosti. Volba
kinematiky robota je závislá Zejména na vzájemné uspořádání a počtu kinematických dvojic,
které zajišťují jeho jednotlivé pohyby. Pohybové vlastnosti robotů jsou dány počtem rotačních
os (R), počtem Primo translačních os (T) a jejich vzájemných uspořádání.
29 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Kinematické dvojice (KD)
Definujeme jako dva členy akčního mechanismu vzájemně pohyblivě spojeny vazbou.
Pohyblivost jednoho člena vůči druhému je omezena, dvojice má obvykle jeden stupeň
volnosti (dvojice s více stupni volnosti se v konstrukci robotů velmi nevyužívají). Z členů,
vzájemně spojených posuvnými a rotačními dynamickými dvojicemi, je možné sestavovat
libovolné kinematické řetězce.
Podstata rotační KD determinuje možnou křivku jen jako kruhový oblouk se středem v
rotační KD tělesa A a tělesa B s poloměrem daným délkou ramen těchto těles od osy rotační
KD.
Obr. 2.2 Rotační KD
Podstatou posuvné KD se vymezuje sama o sobě na přímkovou dráhu, resp. úsek mezi
pevným tělesem A a pohyblivým tělesem B.
Obr. 2.3 Posuvné KD
K dosažení libovolného bodu pracovního prostoru postačují tři vhodné osy pohybu (x, y, z),
a k dosažení libovolné orientace v každém pracovním bodu (při stejných předpokladech) jsou
potřebné další tři vhodné osy pohybu.
30 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Konstrukce robotů je dána jejich kinematickou strukturou, tedy typem a posloupností
uspořádání KD v kinematickém řetězci. Uspořádání KD buďto jako:
• vytvoření kinematického řetězce se sériovým (za sebou) zapojením KD - robot na
principu sériového mechanismu
• vytvoření kinematického řetězce s paralelním (vedle sebe) zapojením KD - princip
paralelního mechanismu.
Nejčastejší typy kinematické struktury
Struktura TTT se vyznačuje třemi translačními, na sobě vzájemně kolmými posuvnými
pohybovými jednotkami. Využívá se u portálových přemísťovacích systémů – vyprazdňování
palet nebo při montáži. Pracovní prostor má tvar kvádru, rozsah pohybů v osách x, y, z.
Stabilní, nejpřesnější, jednoduché řízení. Nevýhodou je prostorová pohyblivost.
Obr. 2.4 struktura TTT
Struktura RTT - válcový souřadnicový, cylindrický robot. RTT se skládá z 1 rotace a 2 na
sobě kolmých translací. Nosné rameno se vertikálně pohybuje po otočném sloupu osy.
Horizontální pohyb uchopovacího zařízení se provádí teleskopickým prodlužováním nebo
krácením ramena, nebo přesunutím ramena na druhou stranu sloupu. Pracovní prostor má tvar
válce. Charakteristický robustností a jednoduchým řízením.
31 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Obr. 2.5 Struktura RTT
Struktura RRT – polární, sférický, kloubový robot. Složení ze dvou rotačních a jedné
translační KD. Nejrozšířenější použití, zabírá nejméně místa. Rameno se kromě natáčení
kolem osy ještě naklání. Horizontální pohyb se zabezpečuje vysunutím ramena. Pracovní
prostor je ohraničen kulovitou plochou a rovinou.
Obr. 2.6 Struktura RRT
32 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Struktura RRR – otáčivý, úhlový robot. Struktura se skládá ze 3 rotací a robot má 3dílné
rameno se 3 klouby. Pracovní prostor je ohraničen kulovitou plochou a rovinou. Struktura
RRR se vyznačuje dobrou manipulační schopností.
Obr. 2.7 Struktura RRR
Struktura SCARA.Složení ze dvou rotačních a jedné translační KD. Výhodou vyšší
pohyblivost. Nevýhodou menší pracovní prostor a složitější řízení. Uplatnění při plošných
montážích. Vysoká rychlost pohybu a vysoké zrychlení. Prostor robota je tvořen prstencem.
Obr. 2.8 Struktura SCARA
33 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Pohony manipulátorů a robotů
Funkcí pohonu manipulátoru i průmyslového robotu je přeměna vstupní – primární energie na
mechanický pohyb. Pohon je tvořen motorem, který zprostředkovava tuto přeměnu, blokem
pro ovládáni energie do motoru a spojovacím blokem, který zprostředkovává vazbu mezi
výstupem motoru a pohyblivou částí pohybové jednotky. Pohyb z výstupu motoru se na
výstup pohybové jednotky přenáší buď přimo nebo přes transformační blok.
V souvislosti s průmyslovými manipulátory a roboty jsou na jejich pohony kladeny především
tyto požadavky:
1. plynulá bezrázová rozběh a brzdění;
2. vysoká přesnost polohování;
3. dostatečná polohová tuhost;
4. minimální hmotnost;
5. minimální rozměry;
6. vhodné prostorové uspořádání.
Plynulý bezrazový rozběh a brždění
Plynulý bezrázový chod je požadován z několika důvodů. První je bezpečnost držení
přenášení objektu. Zaručená je při plynulém pohybu třeba menší úchopná síla než při pohybu
najednou. Dalším důvodem je vyloučení kmitání pracovních hlavic kolem konečně polohy, ke
kterému by vzhledem k male tuhosti konstrukci mohlo docházet. Je zřejmé, že při pohybu s
razy je nepřiznivějši namáhání konstrukce a dochází k jejímu rychlejšímu opotřebení. To se
projevuje ve snížení spolehlivosti a životnosti zařízení.
Vysoká přesnost polohování
Definujeme jako dva členy akčního mechanismu vzájemně pohyblivě spojený vazbou.
Pohyblivost jednoho člena vůči druhému je omezení, dvojice má obvykle jeden stupeň
volnosti (dvojice s více stupni volnosti se v konstrukci robotů velmi nevyužívají). Z člen,
vzájemné spojených posuvnými a rotačními dynamickými dvojicemi, je možné Sestava
libovolné kinematické řetězce.
Podstata rotační KD determinuje možnou křivku jen jako kruhový oblouk se středem v rotační
KD tělesa A a tělesa B s poloměrem daným délkou ramen těchto těles od osy rotační K
34 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Dostatečná polohová tuhost
Charakteristickou vlastností činnosti pohybových jednotek manipulátory a roboty jsou
přetržite vratné pohyby. Od pohonu pohybové jednotky, která je v klidu, se požaduje udržení
dosažené polohy i při působení vnějšich sil do určité úrovně. Polohovou tuhosti se pak rozumí
schopnost pohonu udrzet dosazení polohu. Tato se zajišťuje v rámci konstrukce vazby mezi
výstupem motoru a výstupem pohybové jednotky. Vysokou polohovou tuhosti disponuj např.
hydraulicke motory při zablokování kapaliny v pracovním prostoru motoru prostřednictvím
rozvaděče. Minimalni polohovou tuhost maji elektromotory a pneumatické motory. V tomto
připadě je řešení např. umístění brzdy mezi výstupem motoru a výstupem pohybové jednotky.
Toto uspořádání je ovšem problematické s ohledem na dále uvedené požadavky na pohon.
Minimalní hmotnost
Hmotnost pohonu ovlivňuje celkovou hmotnost pohybové jednotky. U sériových koncepci
kinematický struktur, kdy pohony mohou být umístění přímo v prostoru jednotlivých
pohybových jednotek ovlivňuje hmotnost pohonu dynamické chování cele konstrukce
manipulátorů nebe robotu. Požadavkem na minimální hmotnost pohonu se sleduje dosažení
situace s minimálními hmotnostmi pohybujících se části konstrukce s ohledem na dynamiku a
energetickou náročnost.
Minimalní rozměry
Minimalni rozměry pohonu souvisí jednak s předcházejícím požadavkem na minimální
hmotnost a jednak s vytvoření podmínek pro dosazení co nejlepších manipulačních vlastnosti.
V druhém připadě jde o problem překrývání pracovního prostoru manipulátory nebe robotu
částí jeho konstrukce.
Vhodné prostorové uspořádani
Vhodné prostorové uspořádání pohonu ovlivňuje celkově uspořádání konstrukce
manipulátoru nebe robotu, a tím se podílí na pracovních možnostech cele konstrukce ve
vztahu k urovni schopnosti pro činnost v prostoru s překážkami apod.
35 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Hlavním prvkem pohonu je motor. Podle druhu energie přivaděne na vstup motoru se rozlišuji
pohony:
• Elektrické;
• Tekutinové;
• Kombinovaně.
Elektrické pohony pracují s elektromotory. Tekutinovým pohonem se rozumí hydraulický,
popřipadě pneumatický pohon. Kombinované pohony lze chápat buď v rámci pohonu jedné
pohybové jednotky nebo v rámci celého manipulátoru. V prvním připadě jde např. o spojení
elektromotoru přes kopírovaci systém s hydromotorem a v druhém připadě je např. některá
pohybová jednotka manipulátoru vybavena elektromotorem a jiná tekutinovým motorem.
V poslední době je nejrozšířenější v oblasti konstrukce robotů elektrický pohon. Hydraulický
pohon byl do značné míry postupně vytlačen do prostoru zařizení vyšších nosnosti.
Pneumatický pohon zaujimá vyznamně postavení v konstrukcích jednoduchých manipulatorů
s nižší nosností (asi do 10 kg). Je třeba připomenout, že na počátku novodobého vývoje
manipulačních prostředků, tj. asi před třiceti lety byly s výraznou převahou používány
tekutinové pohony. Podstatným důvodem byla jednoduchá konstrukce motoru s významnou
předností rozměrových a provozních parametrů přimočarých tekutinových motorů, které
mohou pracovat s přímou vazbou na výstup pohybové jednotky, a tedy bez transformačního
bloku. Elektrický pohon se dostal do popředi zásluhou moderních typů mechanických
převodů, které s moderními typy elektromotorů umožnily nástup výhodných kloubových
kinematických struktur.
Strukturu pohonů manipulatorů i robotů tvoři podle blokového znazornění tyto hlavní funkční
části:
1. motor (elektrický, hydraulický, pneumatický);
2. ovládaci blok (elektrický, hydraulický, pneumatický, kombinovaný);
3. transformačni blok (zařizeni pro přizpůsobení charakteru pohybu a parametrů
pohybu mezi vystupem motoru a vystupem pohybove jednotky).
Elektrický pohon
Postupným rozšířením moderních stejnosměrých, a v poslední době i střídavých motorů, v
kombinaci s harmonickými a cykloidními převodovkami se dostal elektrický pohon na předni
36 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
misto v konstrukcich, zejména u robotů střední nosnosti. Zatím převažují pohony do
maximalního výkonu asi 6 kW. Tím je daná možnost využívat servopohony určené pro CNC
obraběcí stroje, které se vyznačují velkým regulačním rozsahem rychlostí (při rotačnim
pohybu až 1:20000) a ve spojení s čislicově řizenými systémy velkou přesností nastavení
polohy v uzavřené smyčce.
Za výhody elektrického pohonu je považována činnost se snadno dostupným zdrojem energie,
jednoduchost vedení zdroje k motoru, jednoduchost spojení s řídicimi prvky, poměrně
jednoduchá údržba, čistota provozu. V porovnáni s hydraulickým pohonem vystupuje do
popředí především nižší hlučnost, menší nároky na chlazení i na celkový instalovaný prostor a
nižší pořizovací, provozní i udržovací náklady. Za nevýhody se považuje závislost na dodávce
elektrické energie, která neni u průmyslových zařizení významná, značné požadavky na
kvalitu provedení všech časti mnohdy složitých systemů a nebezpečí urazu elektrickým
proudem, které je většinou zaviněno nedodržením bezpečnostních předpisů. V pohonech
manipulatorů a robotů jíse uplatňuí prakticky všechny zakladní typy elektrickych motorů. Jde
o motory:
1. s rotačnim výstupem:
· rotační motory se spojitým pohybem;
· rotačni krokové motory;
· otočné elektromagnety.
2. s přimočarým výstupem
• linearní motory se spojitým pohybem;
• linearni krokové motory;
• hybridní motory;
• přimočaré elektromagnety.
Elektrické motory se uplatňují ve dvou verzích:
· střidavé motory;
· stejnosměrné motory.
37 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Součastí elektrického pohonu jsou vedle elektromotorů ovladacía jisticí prvky, řiditelné zdroje
elektrickéenergie pro napájeni hlavních a budících vinutí a prvky pro automaticke řízení
výstupních parametrů pohybovych jednotek. Nejjednodušším typem elektrického pohonu s
rotačním pohybem je pohon s asynchronním elektromotorem s kotvou nakratko. Pro menší
vykony se použivaji jednofazove motory s pomocnou fázi a kondenzatorem. Pro větší výkony
se použivají asynchronni motory třifazove s kotvou nakratko. V asynchronnim motoru
trojfazove střidave napěti vytvaři magneticke točive pole, ktere obiha ve vzduchove mezeře
mezi statorem a rotorem a prostřednictvim proudů v rotoru (kotva nakratko) vznika síla, která
otáčí rotorem. Vzniklý točivý moment již můžeme mechanicky odebirat na hřideli rotoru.
Otočné elektromagnety
Použivají se pro natačení o určity uhel, k realizaci přimočarých vratných pohybů, popřipadě
ve spojení s rohatkovým mechanismem i k realizaci kratšich přimočarých pohybů. Výhodna
je možnost řizeni krouticiho momentu změnou proudu. Otočné elektromagnety přichazeji v
úvahu pro pohon ustrojí přidavných pohybů pracovních hlavic a k ovládáni uchopných čelisti.
Výkon většiny vyraběných typů leži v rozmezi 3-300 W, úhel natačení 25o-95o a kroutící
moment až do 5 Nm.
Linearní motory
Patři mezi nejmodernější typy převodníků energie. Umožňují přímou transformaci elektrické
energie na mechanickou energii translačních pohybů postupných nebo kmitavých. Pro
číslicové řízení jsou vhodné zejména krokové a hybridní motory. U lineárních krokových
motorů se v podstatě uplatňuje princip činnosti rotačních krokových motorů. Lineární
krokový motor charakterem funkce nahrazuje rotační krokový motor s převodem rotačního
pohybu na translační. Při stejných požadavcích na parametry výstupu bude u lineární verze
jemnější krokovaní a nižší pracovní frekvence. Mechanicky přenosový systém je při použiti
lineárního motoru jednodušší, neboť odpadají převody, což se příznivě projevuje na
dynamických vlastnostech. Určitým nedostatkem je menši konečna polohová tuhost, kterou u
rotačních krokových pohonů zajišťuje samosvornost převodu. Lineární hybridní motor
odpovídá z hlediska činnosti spojeni lineárního indukčního motoru se spojitým přímočarým
pohybem na výstupu a lineárního krokového motoru. Nejde ovšem o konstrukční spojeni
dvou lineárních motorů, ale o jedinou jednotku, schopnou pracovat ve dvou režimech.
38 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Lineární elektromotory jsou vzhledem k parametrům a k možnosti řízeni předurčeny
především pro pohon hlavních pohybových jednotek manipulátorů a robotů. Jistou překážkou
jejich uplatněni u stávajících konstrukci je zatím jejich poměrně značná robustnost a problém
s chlazením.
Přímočaré elektromagnety
Používají se v konstrukcích ovladačích mechanismů úchopných hlavic, popřípadě v pohonech
pohybových jednotek s menšími rozsahy pohybu – jde tedy především o realizaci přídavných
pohybů pracovních hlavic, ovládání přestavitelných dorazů apod. Rozsáhlé využiti nacházejí
jako ovladači prvky rozvaděčů, ventilů, spojek a brzd. Stejnosměrné magnety jsou vhodné pro
větší stále sily a menši zdvihy, zatímco střídavé elektromagnety se používají pro větší zdvihy.
U běžných provedení elektromagnetů lze uvažovat rozsah zdvihů 10 až 50 mm a rozsah
silových účinků 10–250 N.
Pneumatický a hydraulický pohon
Pneumatický a hydraulický (tekutinové) pohon se v konstrukcích Manipulátory a roboty
uplatňuje ve dvou hlavních oblastech. Hydraulicky pohon v zařízeních především větších
výkonu, a to jak se spojitým řízení pohonu, tak i při realizaci jednoduchých pohybových
funkcí. Pneumaticky pohon je zajímavý pro konstrukce jednodušších manipulátorů z menší
nosnosti a periferních prvků a zařízení automatizovaných pracovišť. V souvislosti s
konstrukcí Manipulátory a roboty lze uvést tyto Přednosti tekutinové pohonu:
· Možnost realizace přímočarých pohybů Konstrukčně jednoduchými,
rozměrově malými a Spolehlivá motory bez nutnosti zaražený transformačního
bloku;
· Jednoduché spojitě řízení základních parametrů pohonu, tzn. síly, krouticího
momentu, rychlosti v celém rozsahu prostřednictvím řízení tlaku a proudu
tekutiny;
· Nízká hodnota poměru hmotnosti a výkonu, zejména u hydraulické motory;
· Možnost přetížení motoru bez nebezpečí Poškození.
Hydraulické i pneumatické pohony pracují se stejným druhém media, s tekutinou. Z
rozdílných vlastnosti kapalin a plynů se na rozdílných vlastnostech mechanismu podílí
39 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
především různé poddajnost a viskozita. Jako pracovně kapaliny se v hydraulických
mechanismech Používej minerální oleje, pracovním mediem pneumatického pohonu je
stlačený vzduch.
U hydraulického pohonu se projevuji oproti pneumatickým pohonem tyto předností:
· Velka tuhost;
· Plynulý chod, možnost dosažení i malých rychlosti pohybu bez převodů, a to s
velmi dobrou rovnoměrnosti;
· Velkou účinnost.
Kombinovaný pohon
Smyslem této koncepce pohonu je soustředění výhodných vlastnosti Různí druh pohonu v
jednom pohonu. Kombinovaně pohony pracují s různé druhy nositele energie a většinou se
pod tímto označením rozumí kombinace v bezprostřední blízkosti motoru. I když je teoreticky
možné při použití elektrického, hydraulických a pneumatických pohonu vytvořit 6 různých
typu kombinovaným pohonu, má zatím prakticky význam jen elektrohydraulicky a
pneumohydraulický pohon.
Kombinovaný pohon uvažovaného v rámci celé konstrukce manipulátorů nebe robotu rozumí
použití Různí druhů primární energie na vstupu Různí pohybových jednotek.
V rámci konstrukce manipulátoru nebe robotu může být pohon jednotlivých pohybových
jednotek uspořádání:
• Odděleně, každá pohybovat jednotka je opatřena pohonem se samostatným motorem;
• samostatně, jednotlivé pohybové jednotky mají pohon odvozeninám od společného
motoru.
Odděleně uspořádání pohonu je typické pro konstrukce robotů a často i manipulátorů.
Společně řešení pohonu se zatím vyskytuje především u manipulátorů, přičemž se rozlišuji
tyto modifikace společného pohonu:
• Paralelní uspořádání, u kterého je od výstupu společného motoru odvozeninám pohon
dvou, popřípadě i Několik pohybových jednotek v paralelních větvích.
• Sériové uspořádání, u kterého je pohyb každé následující pohybové jednotky
odvozeninám od pohybu předcházejícím jednotky; paralelní uspořádaní vychází z
40 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
kombinace společného sériového a paralelního pohonu v jedné konstrukci
manipulátoru.
Možnost oddělení motoru od pohonu vede k uvažovaní uspořádáni pohonu v rámci
konstrukce manipulátoru na dvě koncepce:
• vnitřní pohon;
• vnější pohon.
Struktura a funkce manipulátorů
V literatuře se pod pojmem průmyslový robot rozumějí zařízení, která mají schopnost
samostatně řešit různé manipulační úlohy. V současnosti, i když je průmyslový robot
definován podle ISO, existuje celá řada dalších definic s různými interpretacemi, avšak
všechny mají stejnou podstatu.
Průmyslový robot "je oficiálně definován podle normy ISO 8373: 1994 jako:
"Automaticky řízený, programovatelný, víceúčelový manipulátor pro činnost ve třech
nebo více osách"
V současnosti obecná klasifikace robotů zahrnuje kategorie:
• Manipulátor je zařízení s dvoupolohovými pohybovými jednotkami s vlastním
pohonem a řízením pro automatickou manipulaci s obrobky, podle stanoveného
programu a časového průběhu v souladu s činností výrobních strojů a ostatních
doplňkových zařízení.
• Průmyslový robot je univerzálně využitelný pohybový Víceosé manipulátor,
který má volně programovatelný způsob pohybu. Roboty mohou být vybaveny
chapadly, nástroji nebo jinými výrobními prostředky a mohou provádět
manipulační, technologické nebo montážní úkony.
41 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Struktura průmyslového robota
Strukturu průmyslového robota lze rozdělit na mechanickou, řídící a programovací část
Obr. 2.9 Struktura robota
Koncový efektor je samostatná část robota, která slouží k uchytávání manipulačního objektu chapadlo
nebo je to technologická hlavice např. svařovací hořák, obr. 2.9. Spolu s
průmyslovým robotem se podílí na realizaci polohování a orientace neseného předmětu. Podle
účelu použití je rozdělujeme na chapadla, hlavice, integrované efektory a nástroje.
Manipulačními schopnosti manipulátorů nebo robotů jsou určeny počtem kinematických
dvojic realizovaných v rámci konstrukce a způsobem řízení jejich relativních pohybů. Počet
nezávislý pohyb se vyjadřuje počtem stupňů volnosti. Zatím nejsou k dispozici objektivní
kritéria, která by umožnila hodnotit kvalitu jednotlivých kinematických struktur. Proto se v
průběhu vývoje objevilo velké množství variant konstrukce tvořená ruzne kombinacemi
rotačních a translačnich dvojic. Jednotlivé translační, popřípadě rotační pohyb se docházíjde u
jednoduchych manipulátory, u universalnich konstrukci manipulátoru, popřípadě u robotů se
setkavame se třemi pohyby v rámci hlavního polohovacího systému a dvěma až třemi pohyby
vedlejšiho orientačniho systému.
I když rozmanitost pohybových funkcí robotů se zdá být srovnatelnou s pohyblivosti lidske
paže, je ve skutečnosti výrazný rozdíl nejen ve struktuře pohybového systému, ale i v rozsahu
jeho možnosti. Zásadní rozdíl mezi pohybovým systemem lidske paže a ramenem robotu
spočiva v tom, že výsledná pohybovat funkce u robotu se dosahuje superpozice oddělenými
jednoduchych translačnich a rotačních pohybů. Zatímco elementy části paže člověka jsou
42 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
pohyblivé v několika osách. Dílčí pohyby se přitom většinou ani nedají jednoznačně označit
za čistě rotační nebe translační. Výrazný rozdíl je v rozsahu nezávislý pohyb. U technických
zařízení se zatim počet nezávislý pohyb drži na urovni minima pro dosazení libovolně polohy
ve volném prostoru, Zatímco lidská paže disponuje v tomto smyslu skoro pětinásobným
nadbytečnosti.
Struktura manipularů a robotů
V rámci konstrukce Průmyslová Manipulátory a roboty se rozlišuji tyto základní typy
kinematický struktur hlavního pohybového systému:
a) Kartézský kinematických struktura - tvoření třemi translačnimi kinematickými dvojicemi:
označeni TTT;
b) Cylindrický Kinematický struktura - tvoření dvěma translačnimi a jednou rotační
kinematickou dvojici: TRT;
c) sférické kinematický struktura - tvoření dvěma rotačnimi a jednou translační kinematickou
dvojici: RRT;
d) angulární kinematický struktura - tvoření třemi rotačnimi kinematická dvojicemi
Obr. 2.10 Kinematicke struktury
Obr. 2.11 Angularni kinematicka struktura
43 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Charakteristickou vlastnosti kinematicke struktury manipulačniho zařizeni je tvar a rozměry
pracovniho prostoru, ktery opiše koncovy referenčni bod při využiti všech pohybovych
možnosti dane struktury.
Dalšim důležitym parametrem, ktery vychazi z konstrukčniho zpracovani přislušne
kinematicke struktury je tzv. operačni prostor vyjadřeny rovněž tvarem, rozměry, popřipadě i
objemem. Je to prostor, ktery opisuje dana konstrukce při realizaci činnosti s využitim celého
pracovniho prostoru.
Funkce manipulátorů
K hlavním funkcím průmyslového robota patří:
• Manipulační schopnost, tj schopnost uchopovat objekty, přenášet, orientovat a
polohovat jejich včetně technologických nástrojů.
• Univerzálnost, to znamená, že robot neslouží pouze k jednomu účelu, ale po změně
programu, koncového efektoru nebo nástroje lze jej použít i pro jiné účely při jiných
podmínkách a iteračních vztazích aplikovaného prostředí.
• Vnímání, schopnost vnímat pracovní a operační prostředí z vnitřních a vnějších
snímačů pro řízení funkcí cílového programu.
• Samostatnost, schopnost samostatně vykonávat požadovanou posloupnost úkolů,
podle zadaného programu, resp. v kombinaci s určitým stupněm samo rozhodování o
výběru postupu pro realizaci úlohy.
• Integrovanost, schopnost softwarově a hardwarově soustředit funkční skupiny a hlavní
subsystémy (i řídícího subsystému) pokud možno do jednoho kompaktního celku.
Kontrolní otázky
1. Z akých prvkov sa skladá mechanická časť robota?
2. Nakreslite a popíšte architekturu priemyselného tobota
3. Popíšte riadiaci systém robota
4. Definujte programovaciu jednotku
5. Na jaký účel se využíva programovací panel tzv. pendant?
6. Vyjmenujte a nakreslete typy kinematických dvojic.
7. Popište funkci kinematické dvojice
44 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
8. Nakreslete a vysvľtlete struktury typu TTT a uveďte možnosti uspořádaní KD.
9. Nakreslete a vysvľtlete struktury typu: RTT, RRT
10. Nakreslete a vysvľtlete struktury typu: SCARA, RRR
11. Charakterizujte základné kategórie robotov a funkcie manipulatorov.
12. Charakterizujte kartezsku kinematicku strukturu.
13. Charakterizujte cylindricku kinematicku strukturu.
14. Charakterizujte sfericku kinematicku strukturu
15. Charakterizujte angularnu kinematicku strukturu.
Studijní literatura
KAMPF, R., V. STEHEL, D. KUČERKA, J. KMEC, X. LIU, B. LI a W. CUI, 2017. Logistics
of production processes. University textbook. České Budějovice: The Institute of Technology
and Business in České Budějovice. ISBN 978-80-7468-115-8.
KEŘKOVSKÝ, M, O. VALSA, 2012. Moderní přístupy k řízení výroby. Praha: C.H. Beck.
153 s. ISBN: 978-80-7179-319-9.
RUMIŠEK, P., 2003. AUTOMATIZACE ( roboty a manipulátory). VUT SF Brno. Dostupné
z: http://ust.fme.vutbr.cz/tvareni/img/opory/emm_mechanizace_a_automatizace_roboty_
rumisek.pdf.
TOMEK, G., V. VÁVROVÁ, 2014. Integrované řízení výroby: od operativního řízení výroby
k dodavatelskému řetězci. Praha: Grada. 366 s. ISBN: 978-80-247-4486-5.
BLAŠČÍK, F. , J. KMEC, 1989. Automatizácia technologických pracovísk v plošnom tvárnení.
1. vyd. Bratislava, Alfa Bratislava 394 s.ISBN 80-05-00055-3. (kapitola 17)
45 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Klíčové pojmy:
Automatizované systémy produkčních a manipulačních procesů.
3 Automatizované systémy produkčních
procesů pro Průmysl 4.0
Cíle kapitoly
Cílem kapitoly je studenta seznámit a vysvětlit podstatu různych automatizovaných systémů
produkčních a manipulačních procesů.
Úvod do kapitoly
Hlavním cílem výrobních procesů je tvorba hodnot. K dosažení tohoto cíle je nezbytné mít
určitý „ mechanismus“, výrobní systém, a do něj vložit energii, jistá úsilí a pro středky.
Hybnými, hnacími silami výroby jsou:
• hospodárné poskytnutí výrobních faktorů,
• postačující tvor ba hodnot a
• odběratelská ochota trhu.
Úkolem managementu podniku je zajistit optimální funkci hodnototvorného řetězce jako
celku v celé jeho délce. Logistické aktivity spočívají v ovládnutí interakcí mezi materiálem a
informacemi v procesních řetězcích. Podchycením a koordinací všech článků procesních
řetězců lze zabezpečit, aby ve všech fázích nákupu, výroby i distribuce byly logistické
objekty, tj. suroviny, polotovary, výrobky, obalový materiál, palety, kontejnery, manipulační a
přepravní prostředky, vyrobeny, přepraveny a připraveny v požadovaném sortimentu, v
žádaném množství, na určeném místě, v určenou dobu, ve stanovené jakosti, při optimálních
celkových nákladech vynaložených ve výrobním i distribučním řetězci a samozřejmě také
ekologicky optimálně - a to je úkolem logistiky.
Úkolem logistiky je tedy shromažďovat a zpracovávat tok informací z odbytového trhu,
transformovat obsah informací na stranu trhu pořizovacího a integrovat je s tokem látkových
objektů (surovin, polotovarů a výrobků) a tyto integrované toky optimalizovat.
46 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Technologický pokrok nepřináší pouze větší nabídku zboží a služeb, ale spolu s tím také nové
spotřebitelské možnosti, pracovní příležitosti a více volného času. Posuny a otřesy na
pracovním trhu způsobené zaváděním nových technologií ve výrobě z dlouhodobého pohledu
nevedly k růstu nezaměstnanosti. Jejich výsledkem nebyla dlouhodobá technologická
nezaměstnanost, protože ekonomika vždy dokázala vytvořit dostatek nových pracovních míst.
Historický vývoj je tedy povzbudivý.
Výklad
Výrobní proces lze charakterizovat jako činnost, během níž se pracovní předmět mění na
hotový výrobek. Ve výrobním procesu pracovníci pomocí pracovních prostředků přetvářejí
pracovní předmět na hotový výrobek, což obecně představuje technologii výroby, obr. 3.1.
Technologické pracoviště tváření lze charakterizovat základními vazbami mezi komponenty:
- vstupní a výstupní vazby jednotlivých komponent,
- stupeň mechanizace a automatizace,
- stupeň standardizace,
- prostorové vazby jednotlivých komponent apod.
Z hlediska funkce technologického pracoviště lze pracoviště charakterizovat následujícími
ukazateli:
- výrobnost,
- kvalita technologického zpracování,
- ekonomičnost,
- spolehlivost a pod.
Na základě poznatku z praxe mužeme dělít typy práce podle dvou hledisek:
▪ Zaprvé se může jednat o práci manuální nebo práci znalostní.
▪ Zadruhé může být práce buďto rutinní nebo nerutinní.
47 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Obr. 3.1 Druhy uspořádání subsystému technologické soustavy ve výrobním systému
48 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Uvedené technologické a funkční vlastnosti technologického pracoviště lze považovat za
shodné, proto z hradiště projektování ATP s PRAM je takové pracoviště vhodné členit do
subsystémů, a to:
- technologické soustavy,
- mezioperační dopravy a skladování,
- operační manipulace,
- zdrojů a rozvodů energie,
- měření a kontroly,
- řízení.
Pro funkční stránku ATP a AVS s PRAM třeba nejprve objasnit jejich základní funkční
vazby, které mohou představovat následující struktury:
• volné uspořádání komponent (výrobních zařízení) pracoviště, což představuje
poměrně složitý systém technologického zpracování a řízení,
• funkční (technologické) uspořádání komponent pracoviště, což představuje určité
zjednodušení oproti volnému uspořádání,
• modulární uspořádání komponent pracoviště, což představuje množinu stejných
víceúčelových technologických a manipulačních subsystémů
• buněčné uspořádání komponent pracoviště, což představuje cílovou strukturu výstavby
vysokoautomatizovaných AVS s pramence, kde se eliminují nadbytečné prvky a
optimalizují s vnitřní vazby.
Obr. 3.2 Členění výrobních systémů z hlediska různorodosti technologicky možnosti
49 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Obr. 3.3 Způsoby přiřazení skladů výtvarky k subsystémem technologické soustavy
Na obr. 3.2 lze vidět vazby uvedených subsystémů (materiálová, energetická a informační síť)
a možnosti uspořádání subsystémů technologické soustavy. Z hlediska různorodosti
technologických možností lze AVS rozdělit podle obr. 3.3 a obr. 3.4 na:
- jednostupňové,
- vícestupňové,
- kombinované.
50 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Obr. 3.4 Způsoby přepravy výrobků a jejich přiřazení k subsystémem technologické soustavy
Funkci přepravy a skladování zajišťuje subsystém mezioperační dopravy a skladování, který z
materiálového toku zajišťuje akumulaci předmětů technologického zpracování, nástrojů a
dalšího pomocného materiálu.
Způsob přiřazení skladů k subsystémem technologické soustavy a vybírání předmětů
technologického zpracování při přepravě a skladování v AVS znázorňuje obr. 3.5.
Nejvýznamnějším z nich se jeví volný způsob, protože předměty ze skladu lze vybírat v
libovolném pořadí.
Způsoby přepravy předmětů technologického zpracování ve výrobních systémech k
subsystémem technologické soustavy mohou být:
- vnitřním propojením, t. j. přes pracovní prostor subsystému,
- vnějším propojením, t. j. kolem pracovního prostoru subsystému.
51 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Obr.
3.5 Hledisko možnosti přiřazení skladů azásobníků nástrojů k subsystému technologické
soustavy v AVS
Principy přiřazení skladů a zásobníků nástrojů k subsystémem technologické soustavy v
automatizovaných výrobních systémech
Dokud jde o ostatní subsystémy, vyznačují se funkčními vlastnostmi, které platí obecně na
aplikování iv jiných technologiích, a proto je blíže neuvádíme.
52 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Problematiku funkčních struktur výrobních systémů s pram z hlediska syntézy subsystémů lze
v současnosti klasifikovat pomocí těchto znaků:
- uspořádání subsystémů technologické soustavy v AVS,
- přiřazení skladů předmětů k subsystémem technologické soustavy,
- přiřazení způsobů přepravy předmětem k subsystémem technologické
soustavy,
- přiřazení skladů předmětů k způsobem přepravy předmětů,
- druh konstrukce skladů.
Z hlediska technologie plošného tváření k uvedeným klasifikačním znakem třeba zařadit
přiřazení skladů nástrojů k subsystémem technologické soustavy.
Prostorová struktura výrobního procesu
Rozmístění a uspořádání osobních a věcných prvků výroby v určitém prostoru, t. j. realizaci
všech výrobních funkcí v určitém prostoru, lze charakterizovat jako prostorovou strukturu
výrobního procesu.
Funkční a prostorové uspořádání ATP a AVS třeba rozčlenit na zóny a subzóny. Ohraničený
prostor, ve kterém probíhá určitá funkční část, se nazývá zóna; subzóna je ohraničený prostor
v rámci zóny pro elementární funkční složku výrobního procesu.
Z hlediska funkční struktury komplexního technologického pracoviště lze pracoviště (obr.
3.6) rozčlenit na části:
- předběžného technologického zpracování,
- hlavního technologického procesu,
- speciálního, resp. dokončovacího technologického zpracování.
ATP s pram lze z hradiště funkční a prostorové zóny rozčlenit na:
- technologickou zónu,
- manipulační zónu,
- řídící zónu.
53 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Obr. 3.6 Základny členění komplexních automatizovaných technologických pracovišť
Technologická dispozice ATP nebo AVS jednoznačně určuje všechny komponenty pracoviště
a jejich prostorové uspořádání. Tomu musí jednoznačně předcházet objasnění funkčních
vztahů.
Při vypracování technologické dispozice třeba rozebrat časové cykly technologických a
manipulačních operaci. Podle uvedeného rozboru lze zvolit jednostrojovú nebo viacstrojovú
obsluhu. Pro technologii plošného tváření se takový rozbor v současnosti aplikuje, ale bez
exaktnejšieho přístupu.
Rozvoj techniky umožnil aplikovat robotické technologie v různých oblastech lidské činnosti.
Využití automatizace a robotizace
Aplikace v dopravě
Automatické čerpání PHM, skúšobné roboty predpisov, robotické syimulárory, čistenie
dopravných komunikácií.
Aplikace v administrativě
oznášení pošty, úklid a čištění podlah a oken administrativních prostor, doprovod návštěv v
úřadech, archivace dokumentu; aktivní účast na hašení požáru; hlídání administrativnch
prostoru.
54 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Aplikace v sektoru zdravotnictví
Rozvoz stravy, léků, biologických vzorků a jiného zdravotnického materiálu v nemocnicích;
převoz pacientů a manipulace s nimi; doprovod a pomoc při pohybu osobám se sníženou
pohyblivostí. Specifickou aplikací je mobilní robot zabezpečujícím těle Přítomnost lékaře na
operačním sále nebe u lůžka rehabilitující pacienta.
Aplikace na letištích
Evidence zavazadel, hlídání prostoru letiště aletištní plochy, úklid a čištění podlah a oken
prostorů letiště, poskytování informací, aktivní účast na hašení požáru.
Aplikace ve veřejném sektoru
Čištění chodníků, podlah a oken veřejných budov; stavební a DEMOLIČNÍ práce; inspekce
kanalizace; doprovod osob v muzeích, úřadech a jiných; vyhledávání a podání první pomoci
osobám v případě zemětřesení, Pozar a ekologických nehod; aktivní účast na hašení požáru;
hlídání výrobních hal, skladů a veřejných budov; vyhledávání a zneškodňování výbušnin
a jiných nebezpečných látek.
Vojenské aplikace
Realizace mobilních terčů pro nácvik střelby; vyhledávání a odstraňování pozemních
a podmořských min; transport zranění, zásob, munice a jiné vojenského materiálu; Plněním
pruzkumná úkolů na zemi, ze vzduchu nebo pod vodou; přímé bojové nasazení, kdy je robot
vybaven střelnými resp. jiné druhy zbraní.
Aplikace pro průzkum kosmických těles
Pro průzkum kosmických těles se využívají kolové i Kráčející mobilní, létající či plovoucí
roboty. Stejnou technologii lze aplikovat při průzkumu pouští, Sopek, ledovce a mořského
dna.
Aplikace v domácnosti
Mezi aplikace v domácnosti řadíme například vysávání a mytí podlah; sekání trávy a čištění
bazénů.
55 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Aplikace v oblasti zemědělství
Třídění a balení ovoce, zeleniny, vajíček a jiných; dělení a vykosťování masa; sázení sazenic
a jiná manipulace s rostlinami; automatizované dojení krav; stříhání ovcí.
Aplikace v průmyslové oblasti
Obloukové a laserové svařování; plazmové řezání, řezání vodním paprskem; bodové
(odporové) svařování; stříkání (resp. jiné druhy povrchové úpravy); nanášení lepidla, tmelu
apod.; manipulace s obráběcím nástrojem (vrtání, broušení, leštění); manipulace
s materiálem, součástkami a hotovými výrobky včetně paletizačních úkolů; montážní úkoly
včetně osazování desek plošných spojů.
Další aplikace
Obsluha nemocných, přičemž manipulátor může být upevněn na vozíku nebo při lůžku;
Aplikace v oblasti chirurgie, kdy manipulátor podává chirurgovi operační nástroje, resp.
s nimi manipuluje;
Manipulace s ultrazvukovou hlavicí a jinými diagnostickými nástroji při vyšetřování pacientů;
Manipulace v laboratorních podmínkách s chemickými a biologickými vzorky;
Příprava, dávkování a balení léčiv (automatizovaná lékárna);
Zdobení cukrářských výrobků, příprava nápojů apod.;
Aplikace ve sportu, kdy robotický manipulátor plní roli protihráče, např. robotický wrestling,
šachy, stolní tenis, kulečník, trenažér pro nácvik úderů golfovou holí apod.
Ukázka projektování plně automatizované linky
Název projektu: Souhrn inovačních prvků plně automatizované linky pro výrobu
vzduchotechnického potrubí
Jedná se o nasledujicí specifikaci prvků plně automatizované linky:
1) Systém podávání a manipulace s cívkou
• Rozpínací moduly cívek v uspořádání 4 na 4, které jsou hydraulicky ovládány běžným
způsobem, ale napájeny pro pohyb dopředu i vzad, přičemž spodní 4 cívky mají nosnost 10
tun a horní 4 cívky 5 tun
56 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
• Pevný rám pro podepření cívek
• Nakládací rám rozpínacího zařízení umožňující přesné umístění cívek v každém případě
• Čekací stanice připevněné k rámu cívky, každá vybavená vlastními pohony a měřicím
systémem polohy cívky
• Podávací vedení cívky se seřizuje automaticky podle šířky zpracovávaného materiálu
2) Podávací část pro přípravu potrubních polotovarů
• Podávací loupací stůl pro přepravu materiálu z čekacích stanic do podávacích průtažných
válců. Ten se nastavuje automaticky v závislosti na tom, která cívka je nasazena
• Podávací část bude vybavena běžnými hnacími a vyrovnávacími válci, které jsou plně
nastavitelné tak, aby vyhovovaly tloušťce a šířce materiálu.
• Automaticky nastavitelné zahýbací válce potrubí
• Hydraulické vroubkování pro šev typu Pittsburgh/Snaploc a rohové vroubkování s drážkou,
ovšem součástí podávacího systému není řezání ani vysekávání otvorů.
57 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
• Mezi podávací jednotku (po vroubkování) a jednotku Pittsburgh/Snaploc bude umístěn malý
plazmový stůl přibližné délky 700 mm. Tento plazmový stůl je schopen řezat: otvory pro
ojnice (náhrada vysekávání otvorů), otvory v přístupových dvířkách a výseky difuzéru
(zanechává pouze jazýčky, takže odpad zůstává na plechu). Plazmový stůl je schopen i řezat
plech
• Ze spodní strany bude doplněn čisticí systém k odstraňování plasmového prachu z plechu
• Podávací modul bude mít švové hlavy Pittsburgh i Snaploc instalované na stejném suportu
s přepínáním pomocí programu v závislosti na tom, který šev se požaduje. Volbou švu
nastavujete také vroubkovací požadavky.
• Jednotky Pittsburgh a Snaploc navrženy s ohledem na nanášení tmelu a snadnou údržbu
• Nepřetržitá výroba (v rámci stejné cívky), nevrací se pro následující kus
3) Sekce válcování přírub
• Dělené převodovky s nezávislým hnacím systémem pro umožnění zavádění více než jedné
trubky do válců v každém okamžiku
• Automatické přepínání mezi velikostmi přírub 20 a 30
• Instalován upínací systém materiálu pro udržení polotovaru kolmo ke stroji během válcování
4) Ohýbačka a DRS (systém vyjímání trubek)
• Magnetický vysouvací ohýbací nosník
• Instalovány snímače hledání drážek pro detekování místa ohybu
• Automatické polohování drážky příruby pro různé šířky trubek
• Uložené nastavení ohýbacího úhlu pro každou tloušťku. Obsluha může tento úhel nastavit
při změně třídy materiálu
• Zadní ohýbací prvek nahrazen kolem zavírání švu
58 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
• Ohýbací nosník bude vybaven kalenými výplňovými pásy v místech ohýbání profilu
• Na nosníku budou instalována vedení pro seřízení profilových čel při zavírání švu
• Odvodní pásy (podávání do systému manipulace s trubkami zákazníka)
5) Podpěra trubky a zavírací hlava švů
• Tříosý systém ovládaný servo-pohonem, který plně podepírá trubku při ohýbání
• Upínací systém pro držení potrubí
• Seřízení upínadla pro potrubí různé šířky s automatickým nastavením, když je načtena šířka
cívky
• Přesné nastavení polohy švu po ohnutí potrubí eliminuje zásahy obsluhy, s výjimkou velmi
malých velikostí
59 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
6) Obecné informace
• Veškeré elektrické vybavení bude umístěno v oddělených skříních a nebude integrováno do
stroje, všechny připojovací skříně kabelů se připojují zásuvkou a zástrčkou.
• Hydraulický systém bude z důvodu snadného přístupu také oddělen od stroje.
• Všechny povrchy, po kterých je veden plech, budou vyrobeny nebo potaženy materiálem
minimalizujícím možnost poškrábání povrchu plechu.
Plně automatizovaná linka pro výrobu vzduchotechnického potrubí
7) Samostatná válcovačka přírub pro vzduchotechnické potrubí
- Kompletní dodávka bude obsahovat 2 ks externích válcovaček přírub 20 a 30
- Jde o samostatné stroje a vytvářejí stejnou přírubu jako stroj Pro-Duct pro tvarovky a
přímé kusy.
- Každý stroj bude vybaven vozíkem pro krátké délky.
- Oba stroje jsou vyrobeny s minimální vzdáleností středu válců pro umožnění výroby
trubek co nejkratších délek.
60 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Kontrolní otázky
1. Charakterizujte funkci automatizace pracovišť
2. Charakterizujte struktury pracovišť robotizace.
3. Vyjmenujte charakteristické znaky jednotlivých pracovišť. s PRaM. .
4. Charakterizujte prostorovou strukturu výrobního procesu.
5. Charakterizujte členění komplexních automatizovaných technologických
pracovišť.
Doporučená studijní literatura
KAMPF, R., V. STEHEL, D. KUČERKA, J. KMEC, X. LIU, B. LI a W. CUI, 2017. Logistics
of production processes. University textbook. České Budějovice: The Institute of Technology
and Business in České Budějovice. ISBN 978-80-7468-115-8.
DĚDINA, J., J. ODCHÁZEL, 2007. Management a moderní organizování
firmy. Praha: Grada. 324 s. ISBN: 978-80-247-2149-1.
ROSENAU, M. D, 2000. Řízení projektů: příprava a plánování, zahájení, výběr lidí a jejich
řízení, kontrola a změny, vyhodnocení a ukončení. Praha: Computer Press. 344 s. ISBN: 80-
7226-218-1.
TOMEK, G., V. VÁVROVÁ, 2014. Integrované řízení výroby: od operativního řízení výroby
k dodavatelskému řetězci. Praha: Grada. 366 s. ISBN: 978-80-247-4486-5.
BLAŠČÍK, F. , J. KMEC, 1989. Automatizácia technologických pracovísk v plošnom tvárnení.
1. vyd Bratislava: Alfa Bratislava. 394 s. ISBN 80-05-00055-3.
KMEC, J, J. DOBROVIČ, 2010. Operačný manažment. Praktikum. 1. –vyd., Fakulta
manažmentu Prešovskej univerzity v Prešov, 114 s..(kapitola 1 až 13)
61 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Klíčové pojmy:
Velká data, Hadoop, map-reduce, NoSQL, relační databáze
4 Analýza a zpracování velkých dat
v Průmyslu 4.0
Cíle kapitoly
Cílem kapitoly je studenta seznámit s tím, jak průmysl 4.0 řeší zpracování velkého objemu
dat. Popsána bude technologie Big data a nástroj Hadoop.
Úvod do kapitoly
Při řízení a monitorování technologických procesů v souvislosti s Průmyslem 4.0 dochází
k neustálému navyšování objemu snímaných, přenášených a zpracovávaných dat. Data jsou
nezbytná pro monitoring, vlastní řízení i vizualizaci technologického procesu v reálném čase.
Další požadavky na data, jejich ukládání a následnou dostupnost pak specifikují požadavky na
dohledatelnost (traceability) informací o průběhu výrobního procesu. V případě aplikace
norem ISO 9000 pro řízení kvality je jednou z podmínek certifikace dohledatelnost příčiny
vzniku „neshodného“ výrobku. To vše vede k stále vyšším nárokům na hardwarové a
softwarové řešení procesu zpracování dat.
Výklad
V minulosti byl problém navyšujícího se objemu dat řešen výhradně tzv. vertikálním
škálováním – pořízením výkonnějšího serveru, zvětšování operační paměti, výkonnější, větší
a rychlejší disky. Toto zvyšování hardwarového výkonu má však své fyzikální limity (např.
rychlost zápisu dat na pevný disk má svou nepřekročitelnou maximální hodnotu). Při určité
kombinaci objemu dat a požadavku na rychlost zpracování (v reálném čase) tradiční
databázové systémy přestávají stačit. Řešením tohoto problému je použití technologie,
označované jako velká dat (Big Data).
62 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Big Data – definice
„Soubory dat, jejichž velikost je mimo schopnosti zachycovat, spravovat a zpracovávat data
běžně používanými softwarovými nástroji v rozumném čase“ (Gartner)
Big Data 3V (volume-variety-velocity)
• Volume (Objem) – množství dat vznikajících v rámci provozu firem roste
exponenciálně každý rok,
• Variety (Typ) – různorodost typů dat vzrůstá, například nestrukturované textové
soubory, semi-strukturovaná data (XML), data o geografické poloze, data z logů,
• Velocity (rychlost) – rychlost s jakou data vznikají a potřeba jejich analýzy v reálném
čase vzrůstá díky pokračující digitalizaci většiny transakcí, mobilním zařízením a
vzrůstajícímu počtu internetových uživatelů.
Řešení velkých dat
• Distribuce dat na více nodů a jejich paralelní zpracování
• Použití jiných typů databází (například tzv. NoSQL databáze – úložiště typu klíčhodnota),
které jsou projektované za účelem vysoké rychlosti a škálovatelnosti na úkor
integrity (což je základem tradičních SQL databází)
• In-memory databáze (databáze umístěné v operační paměti počítače)
• Speciální souborové systémy umožňující distribuci souborů na více úložišť (například
HDFS – Hadoop Distributed File Systém)
Hadoop
Hadoop je softwarový produkt, který slouží k zpracování velkých dat. Jedná se o jednu
z nejpoužívanějších platforem od Apache Foundation. Hadoop je framework postavený na
operačním systému Linux. Podstata spočívá v distribuci dat na velké množství samostatných
počítačů.
Hadoop používá programový model Map-reduce. Map-reduce je programovací model pro
zpracování velkých dat pomocí paralelního zpracování. Uživatel definuje mapovací funkci,
která z dvojic klíč-hodnota generuje pracovní dvojice (to může proběhnout paralelně) a poté
jsou funkcí reduce odstraněny duplicity.
63 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Nerelační (NoSQL) databáze
Tyto databáze nemají oproti relačním databázím pevně definované schéma (strukturu).
U relační databáze jsou data uložená v tabulkách propojených relacemi, před ukládáním dat
musíme mít promyšlenou a definovanou strukturu těchto tabulek. Pozdější změny struktury
databáze jsou komplikované. U NoSQL databází se struktura definuje dynamicky, při
vkládání dat. NoSQL databáze jsou tedy vhodné především tam, kde se data dynamicky mění
nebo kde dopředu nevíme, jaké data budeme v databázi ukládat. Nehodí se naopak na řešení
„transakčních“ systémů, tj. tam, kde je zásadní soudržnost dat (např. to, že ukládaná data
vzájemně časově souvisí – typické pro výrobní linky, kde je daná posloupnost aktivit – další
aktivita nemůže začít, dokud neskončí předchozí). Pro tento typ úloh jsou vhodnější relační
databáze.
NoSQL databáze dělíme do čtyř skupin – databáze dokumentově orientované, sloupcové,
databáze typu klíč-hodnota a grafové databáze.
Big Data, relační a NoSQL databáze
Můžeme si položit otázku, kdy je tedy vhodné používat relační databázi, kdy NoSQL a kdy
přejít na Big Data.
V zásadě můžeme říci, že pokud objem dat není enomrní a nemáme požadavek na zpracování
datových streamů v reálném čase, je lepší použít klasickou databázi. Otázka kdy relační a kdy
naopak NoSQL může být zodpovězena podle charakteru řešené úlohy. Pokud je pro nás
důležitá soudržnost (integrita) dat a vysoká bezpečnost, stále je nejvhodnější řešení s relační
databází, která podporuje transakční zpracování dat. Výhodou je, že tyto databáze se používají
už skoro čtyřicet let, jedná se o ověřenou technologii, k dispozici je značné množství
dokumentace a velké množství specialistů schopných řešit problémy. Pokud je naopak
prioritou rychlost zpracování a integrita dat není zásadní, nastává čas na NoSQL databáze.
Zde musíme zvážit, kterou z mnoha NoSQL databází zvolit – některé jsou úzce
specializované a u některých může být problém sehnat informace a specialisty v případě
problémů. Big Data jsou jasným řešením v okamžiku, kdy je požadavek na zpracování
velkého objemu dat v reálném čase – což může být například při práci s velkým počtem
snímačů kombinované s řízením nějakého zařízení.
64 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Kontrolní otázky
1. Proč vzniká v aplikacích kategorie Průmysl 4.0 požadavek na zpracování velkéhéo
množství dat?
2. Co to jsou Big data a čím se liší od velkého objemu dat v relační databázi?
3. Co je to Hadoop?
4. Co to je map-reduce a k čemu slouží?
5. Co to jsou NoSQL databáze a čím se liší od relačních? V čem jsou lepší a v kdy je
naopak lépe použít databázi relační?
Doporučená studijní literatura
MAYER-SCHONBERGER, V. & CUKIER, K. 2014. Big Data: Revoluce, která změní
způsob, jak žijeme, pracujeme a myslíme. Brno: Cmputer Press. ISBN 978-80-251-4119-9.
HOLUBOVÁ, I., KOSEK, J., MINAŘÍK, K., NOVÁK, D. 2015. Big Data a NoSQL
databáze. Praha: Grada Publishing. ISBN: 978-80-247-5466-6.
TOMEK, G., V. VÁVROVÁ, 2014. Integrované řízení výroby: od operativního řízení výroby
k dodavatelskému řetězci. Praha: Grada. 366 s. ISBN: 978-80-247-4486-5
65 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Klíčové pojmy:
RTOS, hard real time, ROS, simulace robotů
5 Řízení v reálném čase
Cíle kapitoly
Cílem kapitoly je studenta seznámit s problematikou řízení v reálném čase. Student se
seznámí s operačními systémy reálného času, robot operating system (ROS) a simulátory pro
programování robotů.
Úvod do kapitoly
Řízení technologických procesů v reálném čase se skládá z těchto subsystémů – operační
systém, software a řídicí algoritmy. V oblasti operačních systémů jsou k dispozici operační
systémy reálného času (Real Time Operating Systém – RTOS), které dělíme na soft real time
a hard real time. RTOS garantují deterministickou odezvu systému na událost
v specifikovaném čase (v případě řízení potřebujeme reakci v řádku mikrosekund). Tato
kapitola přináší přehled existujících RTOS a představen bude také framework ROS.
Výklad
Základy RTOS
Operační systém reálného času se od běžného operačního systému liší deterministicky
danou dobou odezvy na požadavek nebo událost. U běžných zařízení je pro řízení
v reálném čase vyžadována maximální doba odezvy v řádu mikrosekund. V běžném
operačním systému je tato doba ovlivněna činností jádra operačního systému (zejména
procesního plánovače). Algoritmus plánování procesů nezajišťuje deterministický čas odezvy
kvůli vysoké prioritě některých systémových úloh (jako je řízení paměti, stránkování atd.) a
není tedy garantováno, že systém zareaguje dostatečně rychle. Operační systém reálného času
má implementován mechanismus, který umožňuje deterministické řízení aktivity aplikace
nezávislé na operačním systému.
Systémy reálného času dělíme na soft real time a hard real time. U hard reálného času by
překročení maximální doby odezvy mohlo mít katastrofální důsledky pro řízený systém. U
66 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
soft real time je určité nedodržení doby odezvy tolerováno. Příklad soft RT je DVD
přehrávač. Přehrávač DVD musí současně dekódovat video i audio stream. Během přehrávání
videa může uživatel aktivovat zobrazení na obrazovce pomocí menu. Uživatelské příkazy
mohou způsobit, že dekodér nestihne své termíny. Dekódovaná data získaná po termínu jsou
ale stále užitečná.
Poznámka. Operační systémy Windows nejsou klasifikovány jako operační systémy reálného
času. Microsoft garantuje u svých systémů dobu odezvy 5 milisekund, což pro kritické
systémy je nevyhovující. Dále není možné plně uživatelsky řídit prioritu procesů, plánovač
úloh je nedeterministický (z pohledu uživatele) a přepínání kontextu procesů je oproti jiným
systémům pomalé.
Kritéria pro výběr RTOS
• Spolehlivost
• Výkon
• Funkčnost
• Vývojové nástroje
• Náklady
•
Tab. 5.1 Přehled nejznámějších operačních systémů reálného času
Operační
systém
reálného času
Poznámka URL
RTLinux Hard RT http://cs.uccs.edu/~cchow/pub/rtl/doc/html/GettingStarted/
RTAI Real-time
application
interface,
Linux
https://www.rtai.org/
Windows RTX Nadstavba pro
Windows od
firmy
IntervalZero
https://www.intervalzero.com/tag/rtx-real-time-operating-
system/
67 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
WindowsCE Latence 50-100
microsekund
https://msdn.microsoft.com/en-
us/library/ee504804(v=winembedded.60).aspx
Windows 10
IoT Core
https://developer.microsoft.com/cs-cz/windows/iot/
Lynx RT Unix-like http://www.lynx.com
QNX Unix-like, pro
embedded
systémy
http://www.qnx.com
Green Hills
Integrity
RTOS
https://www.ghs.com/
VxWorks https://www.windriver.com/products/vxworks/
ROS – Robot Operating System
ROS ve skutečnosti není operační systém, ale framework, který podporuje vývoj aplikací pro
robotiku. Byl vytvořen na Stanford univerzitě (2007) a je šířen pod BSD licencí. Je vyvíjen
pod Linuxem, existuje i portace do Windows řešená přes Cygwin.
Základem architektury je ROS Master, který řídí komunikaci jednotlivých nodů.
Oficiální stránka produktu: http://www.ros.org
Software pro simulaci robotů
Simulační software umožňuje off-line programování robotů. Zatímco programování CNC
strojů je relativně snadné, protože jejich pracovní prostor je v podstatě kostka, roboty mají
sférický pracovní prostor a kvůli omezení kloubů a singularitám robotu (body, ve kterých není
pohyb robota matematicky předvídatelný) existují určité typy pohybů, které nelze provádět.
Off-line programování pomáhá vyhnout se chybám při programování robota, umožňuje
vyvíjet algoritmy pohybů bez fyzické přítomnosti robota.
Tab. 5.2 Přehled software pro simulaci robotů
Software Výrobce Odkaz
ROBOGUIDE Fanuc https://special-offer.fanuc.eu/cs/
RobotExpert Siemens https://www.dex.siemens.com/plm/tecnomatix/robotexpert
68 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
KUKA.Sim KUKA https://www.kuka.com/cs-cz/produkty,-
slu%C5%BEby/robotick%C3%A9-
syst%C3%A9my/software/pl%C3%A1nov%C3%A1n%C3%AD
-projektov%C3%A1n%C3%AD-servis-
bezpe%C4%8Dnost/kuka_sim
SprutCAM
Robot
SoliCAD http://solicad.com/h/sprutcam-robot
Stäubli
Robotics Suite
Stäubli https://www.staubli.com/en/robotics/product-range/robot-
software/pc-robot-programming-srs/
Webots open
source
simulator
https://cyberbotics.com/
CoppeliaSim https://www.coppeliarobotics.com/
Kontrolní otázky
1. Co je to operační systém reálného času (RTOS) a čím se liší od běžného operačního
systému?
2. Jaké znáte RTOS?
3. Co je to ROS a k čemu se používá?
4. Nejznámější software pro simulaci robotů
Doporučená studijní literatura
COOLING, J. 2019. Real-time Operating Systems Book 1 – The Theory. Lindetree Associates,
2nd edition. ISBN: 978-17-9534-065-6.
SROVNAL, V. 2003. Operační systémy pro řízení v reálném čase. VŠB Technická universita
Ostrava, ISBN 80-248-0503-0.
MARTINEZ, A. & FERNÁNDEZ, E. 2015. Learning ROS for Robotics Programming. Packt
Publishing. ISBN 978-1783987580.
MORGAN Q., GERKEY, B., CONLEY, K., FAUST, FOOTE, J. T., LEIBS, J., BERGER, E.,
WHEELER, R., Ng, A. ROS: an open-source Robot Operating System, [online]. Dostupné z
https://www.semanticscholar.org/paper/ROS%3A-an-open-source-Robot-Operating-System-
Quigley-Conley/d45eaee8b2e047306329e5dbfc954e6dd318ca1e
69 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Klíčové pojmy:
Internet věcí, IoT, IIoT, RFID, MQTT, CoAP
6 Průmysl 4.0 a průmyslový Internet věcí
Cíle kapitoly
Cílem kapitoly je studenta seznámit s technologickým trendem označovaným jako Internet
věcí. Tato koncepce propojení zařízení, snímačů a akčních členů přes Internet úzce souvisí
s aplikacemi Průmyslu 4.0
Úvod do kapitoly
Jedním z výrazných technologických trendů poslední doby je Internet věcí (Internet of
Things, zkráceně IoT). Jedná se o propojení zařízení, snímačů a počítačů pomocí Internetu.
Pro IoT je typická M2M (Machine-to-Machine) komunikace, využití RFID technologie pro
identifikaci a využití Internetu v roli databáze. IoT je technologie, která v průmyslové oblasti
rozšiřuje možnosti MES systémů (Manufactured Execution Systém) – informačních systémů
pro řízení výroby. Průmysl 4.0 je v podstatě podmnožinou Internetu věcí, pokud pro
komunikaci mezi stroji, roboty a snímači jsou využity internetové technologie.
Výklad
Internet věcí
Internet věcí (Internet of Things, IoT) je systém vzájemně propojených výpočetních zařízení,
mechanických a digitálních strojů, objektů, zvířat nebo lidí, které jsou opatřeny jedinečnými
identifikátory (UID) a schopností přenášet data přes síť, aniž by vyžadovaly interakci typu
člověk-člověk nebo člověk-počítač. Aplikace IoT v průmyslu se označuje jako IIoT
(Industrial Internet of Things).
Termín Internet of Things poprvé použil Kevin Ashton (MIT) v roce 1999. Ashton považuje
za zásadní technologii pro Internet věcí technologii RFID (Radio Frequency Identification),
používanou především pro identifikaci objektů.
Pro Internet věcí je typická M2M (Machine to machine) komunikace.
70 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Obr.6.1 Referenční model IoT World Forum – 8 vrstev IoT
[Zdroj: https://www.vseoprumyslu.cz/digitalizace/prumyslovy-internet-veci/ne-vsechny-
platformy-iiot-jsou-stejne.html]
Standardy IoT
Standardy pro IoT můžeme rozdělit do několika skupin
• Vrstva přístupu do sítě (Network access layer) – RFID, NFC, UWB
• Síťová vrstva (Network layer) – IPv4, IPv6, 6LoWPAN, IPSec, …
• Transportní vrstva (Transport layer) – protokoly TCP, UDP
• Aplikační vrstva (Application layer) – protokoly CoAP, MQTT, DDS, AMQP,
XMPP, WS/SOAP, http/REST atd.
IPv6 (Internet protocol version 6) je nejnovější verze protokolu IP, tedy komunikačního
protokolu, který představuje systém identifikace a lokalizace pro počítače v síti a slouží ke
směrování datového provozu v internetu. IPv6 používá 128bitový formát adresy, takže
celkový počet adres může být 2128
. Oproti IPv4 (32bitová) obsahuje další technologické
změny: jednodušší správa, lepší směrování pro multicast a efektivnější směrování obecně,
jednodušší formát záhlaví, zabudované mechanismy pro autentizaci či podpora soukromí.
IPv6 adresu představuje osm skupin po čtyřech hexadecimálních znacích; skupiny jsou
odděleny dvojtečkou. Ipv6 řeší bezpečnostní problémy pomocí protokolu IPsec, který
rozšiřuje původní IP protokol tím, že zajišťuje autenticitu, integritu, důvěrnost a řízení
71 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
přístupu pro každý paket s využitím dvou protokolů: AH (Authentication Header) a ESP
(Encapsulating Security Payload). IPv6 přináší také vyšší bezpečnost mobilního připojení.
Ačkoliv internetový protokol MobileIP byl k dispozici i v IPv4, v IPv6 je přímo integrovanou,
nikoli pouze přidanou novou funkcí jako v IPv4.
Konektivita: Bluetooth, Smart Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee, LoRaWAN, Sigfox,…
Protokoly
CoAP (Constrained Application Protocol) je protokol navržený pro M2M a je určený pro
jednoduchá a energeticky nenáročná zařízení. Funguje na principu request/response
(dotaz/odpověď). CoAP je navržen tak, aby byl lehce přeložitelný do HTML. Bezpečnost
zaručuje protokol DTLS
MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) je komunikační protokol, který byl
představen v roce 1999 společností IBM. U protokolu MQTT jsou data přenášena pomocí
TCP po vzoru publisher (vydavatel) a subscriber (odběratel). Zprávy jsou mezi uživateli
přenášeny pomocí centrálního bodu (brokeru). Tento centrální bod (MQTT broker) má na
starosti výměnu dat, které jsou zpracovány do tzv. témat (topiců).
Obr. 6.2 Schéma komunikace pomocí protokolu MQTT
XMPP je protokol založený na instant messagingu. Protokol funguje na principu struktury
klient-server, což znamená, že uživatelé (klienti) spolu komunikují přes server. XMPP síť
není centralizována, ale je distribuována na více serverů. Zaregistrovaní uživatelé se tedy
pomocí svého identifikátoru (Jabber ID21) připojují pouze ke svému serveru, který ověří
identitu uživatele, a v případě potřeby komunikace se uživatelský server připojí na vzdálený
server, se kterým si následně vymění informace.
AMPQ (Advanced Message Queuing Protocol) je standard pro middleware orientovaný na
posílání zpráv.
Možnosti propojení inteligentních zařízení
• Monitorování
• Řízení
72 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
• Optimalizace
• Autonomie – autodiagnostika, koordinace provozu s dalšími produkty
• Efektivní rozhodování – získávání dat v reálném čase pro správné rozhodování
Architekturu systémů IoT můžeme rozdělit do čtyř vrstev: vrstvu snímací, vrstvu výměny dat
(přenos dat prostřednictvím komunikačních sítí), vrstvu integrace informací (filtrace,
zpracování nejednoznačných dat…) a vrstvu aplikačních služeb (poskytování obsahu
koncovým uživatelům).
Současné trendy v IoT
• Extrémní nárůst dat (tzv. exaflood)
• Miniaturizace zařízení
• Snižování spotřeby zařízení
• Rostoucí složitost vede k autonomním systémům
Příklad nízkorozpočtového řešení snímání dat
Obr. 6.3 Internet věcí - schéma technických a softwarových prostředků pro měření teploty a
vlhkosti a jejich následné vizualizaci
73 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
V roli zařízení sbírající data v tomto schématu vystupuje deska Node MCU vybavená čipem
esp8266. Na NodeMCU je připojen snímač teploty a vlhkosti DHT-11. Esp8266 umožňuje
připojení přes WiFi do sítě a tedy i do Internetu. S využitím protokolu MQTT jsou data ze
snímače s nastavenou frekvencí formou publish-subscribe vysílány do MQTT serveru –
v příkladu výše jako MQTT server slouží cloudová služba CuteCate, která je k dispozici na
www.cloudmgtt.com. Tato služba je do pěti připojených zařízení k dispozici zdarma.
(Poznámka: místo cloudu lze MQTT server instalovat také lokálně. K dispozici je celá sada
řešení, běžně používaný systém je například Mosquitto MQTT Server). Jako odběratel MQTT
zpráv (tzv. topic) může být jakýkoli klient umožňující pracovat s protokolem MQTT (např.
Google Crome MQTTLens nebo MyMQTT pro Android). V našem příkladu byl využit open
source software Node-RED, který byl vytvořen právě pro práci s MQTT protokolem. Jedná se
o software používající grafické programování, kdy propojujeme prvky vývojového prostředí a
pomocí jejich konfigurace můžeme odebírat MQTT zprávy a dále je zpracovávat (mimo jiné
je možné aktivovat filtr, který odebírá zprávy pouze tehdy, mění-li se hodnota zprávy – což
například při měření teploty, která se mění pomalu, může výrazně zefektivnit množství dále
zpracovávaných dat). Node-RED umožňuje zprávy zapisovat do souboru (typu CSV – comma
seperated value, v režimu přepisu nebo trvalého přidávání) nebo do standardní databáze SQL
(k dispozici jsou konektory pro všechny běžné databáze).
Obr. 6.4. Ukázka programu v Node-RED
74 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Posledním prvkem v procesu měření teploty a vlhkosti je vizualizační software – v tomto
příkladě byl použit SCADA systém Promotic. Tento systém ostravské firmy Microsys je
komerční software, je však k dispozici plnohodnotná free verze, omezená na 30 zdrojů dat.
Nejčastější využití IIoT v průmyslu
• Získávání dat z technologických celků
• Monitoring technologické infrastruktury
• Pokročilá analýza dat
• Řízení logistiky
• Optimalizace nákladů
• Zvýšení objemu výroby
Kontrolní otázky
1. Co je to Internet věcí?
2. Co je to RFID a jak souvisí s Internetem věcí?
3. Jaké znáte protokoly pro přenos dat používané v IoT?
4. Jak funguje protokol MQTT?
Doporučená studijní literatura
DIMITRIOS S. 2018. Internet of Things (IoT) Systems – Architectures, Algorithms,
Methodologies. Springer. ISBN: 978-33-1969-714-7.
SELECKÝ M. 2016. Arduino. Praha: Computer Press. ISBN: 978-80-251-4840-2.
SATRAPA, P. 2019. IPv6. Praha: CZ.NIC. ISBN: 978-80-88168-46-1
75 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Klíčové pojmy:
Kovy, keramika, sklo, polymery, elastomery, kompozity, syntetické materiály;
vlastnosti materiálů fyzikální, mechanické, technologické, chemické; kritéria volby
materiálů.
7 Základní členění materiálů, jejich
vlastností a kritéria volby
Cíle kapitoly
Cílem kapitoly je studenta seznámit se skutečností, že v dnešní praxi má konstruktér
k dispozici tisíce druhů různých materiálů, a to v závislosti na typu aplikací. Ještě nikdy
v historii nebyl vývoj materiálů tak dynamický jako v současnosti. Dalším cílem je seznámit
studenta s vlastnostmi materiálů a kritérii pro volbu materiálu s procesem pro volbu materiálu
a s cenovými aspekty pro volbu materiálu.
Úvod do kapitoly
Historicky byly materiály limitujícím faktorem pro návrh, výrobu i kvalitu výrobků a tím
i vývoje společnosti. V řadě případů až objev či vývoj nového materiálu umožnil nebo
inicioval vznik nového výrobku. Současnou etapu vývoje lidstva lze charakterizovat jako
dobu multi-materiálovou, ale i jako dobu materiálů „šitých na míru“ pro danou aplikaci.
Odhaduje se, že dnešní konstruktér má k dispozici až 100 tisíc různých materiálů a v rutinní
konstrukční praxi by měl mít detailní informace o 50 až 80 materiálech v závislosti na typu
aplikací. Ještě nikdy v historii užití materiálů nebyl jejich vývoj tak dynamický jako v
současnosti.
76 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Výklad
Všechny konstrukční materiály mohou být v podstatě rozděleny do čtyř základních skupin, ve
kterých mají materiály podobné vlastnosti, podobné postupy zpracování a často i podobné
aplikace.
Kovy – mají relativně vysoké elastické moduly, jejich pevnost lze upravit legováním,
mechanickým a tepelným zpracováním; jsou tvárné, lze je vhodně tvarovat deformačními
postupy. Ze všech skupin jsou nejméně odolné proti korozi.
Keramika a sklo – mají vysoké moduly, na rozdíl od kovů jsou však křehké, jejich pevnost
v tahu je křehkou pevností, v tlaku je téměř patnáctkrát vyšší. V důsledku absence tvárnosti
jsou citlivé na koncentrátory napětí (např. otvory či trhliny) a kontaktní napětí. Na rozdíl od
kovů nejsou tyto materiály schopny přizpůsobit se koncentrátorům napětí deformací. Mají
vysoký rozptyl v pevnosti, která závisí na objemu zatěžovaného materiálu a na době působení
zatížení. Na druhé straně mají mnoho atraktivních vlastností, jako jsou tuhost, tvrdost,
odolnost proti abrazi, pevnost za vysokých teplot a korozní odolnost, která z nich dělá
důležitou skupinu konstrukčních materiálů.
Polymery a elastomery – leží na opačné straně spektra materiálů, jejich moduly jsou nízké,
zhruba padesátkrát nižší než u kovů, jejich pevnost je však srovnatelná s kovy, měrná pevnost
může být dokonce vyšší než u kovů. Jejich vlastnosti jsou citlivé na teplotu exploatace
(např. polymer tvárný za teploty 200 °C může být křehký při 40 °C) a jen zcela výjimečně
jsou tyto materiály použitelné za teplot nad 300 °C. Na druhé straně jsou výborně
tvarovatelné, v rámci jedné operace z nich lze vyrobit (např. vstřikováním) tvarově složité
a rozměrově přesné dílce, případně i sestavy; dobře se barví, dobře odolávají korozi a mají
nízký koeficient tření.
Kompozity – kombinují atraktivní vlastnosti předchozích skupin. Jsou lehké, tuhé a pevné,
mohou být i houževnaté. V současnosti je většina kompozitů na bázi polymerní matrice
zpevněna vlákny (sklo, uhlík, kevlar apod.). Jsou bohužel drahé, obtížně tvarovatelné
a spojitelné.
Všechny materiálové skupiny lidé průběžně využívali (samozřejmě na úplně jiné kvalitativní
úrovni) dávno před naším letopočtem. Je zřejmé (obr. 7.1), že využití kovů kulminovalo
77 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
zhruba v polovině tohoto století. Navzdory bouřlivému rozvoji využití dalších typů materiálů
(zejména polymerních) kovy zůstávají a pravděpodobně i dlouho zůstanou materiálem pro
konstruktéra nejdůležitějším. Mají sice některé nevýhody, ale převažují jejich výrazně
pozitivní vlastnosti, např. mimořádně široký rozsah pevnostních charakteristik, které lze navíc
dále upravovat vhodným mechanickým a tepelným zpracováním.
Obr.. 7.1 Vývoj konstrukčních materiálů (podle Ashbyho)
Připomeňme si (pro přehled) hodnoty meze kluzu vybraných kovů a slitin; hodnoty (tab. 7.1)
jsou jen přibližné, určené pro komparaci.
78 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Tab. 7.1 Porovnávání hodnot mezí kluzu vybraných kovů a slitin
Kov nebo slitina Mez kluzu [MPa]
wolfram 1 115
Vysokápevnost
molybden a jeho slitiny 565–1450
uhlíkové oceli 400–1295
superslitiny na bázi Ni 275–1 185
legované oceli, lité 770 –1 170
tantal a jeho slitiny 330 –1 090
antikorozní oceli, lité 215 –1 140
tvárné litiny 275 –1 035
slitiny mědi na odlévání 60–965
niob a jeho slitiny 240–930
superslitiny na bázi železa, lité 275–925
superslitiny na bázi kobaltu 240–800
bronzy 95–785
nízkolegované konstrukční oceli 620–760
berýliové bronzy 520 - 1 240
superslitiny na bázi kobaltu, lité 515–690
Střednípevnost
hafnium 220–660
austenitické antikorozní oceli 207–655
mosazi 6 70–640
slitiny hliníku 40–625
niklové bronzy 90–585
feritické antikorozní oceli 6, 4 310–550
vysokopevné, nízkolegované oceli 6 290–550
lité uhlíkové oceli 5 330–380
zirkon a jeho slitiny 105–365
slitiny hořčíku 6 90–305
lité uhlíkové oceli 3 260–290
stříbro 55–330
zlato 205
Nízkápevnost
platina 15–185
slitiny horčíku, lité 85–205
olovo a jeho slitiny X.55
cín a jeho slitiny V.45
79 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Základní členění materiálů
Technické materiály se získávají zpracováním surovin z přírodních látek minerálního,
rostlinného nebo zvířecího původu (např. ruda, uhlí, ropa, kůže, dřevo, bavlna, celulóza
apod.). Obecně jsou technické materiály rozdělovány na:
➢ konstrukční materiály, tj. materiály vhodné na výrobu technických konstrukcí
(součástí strojů, stavební dílce, elektrotechnické prvky apod.);
➢ pomocné materiály, které slouží k výrobě, zpracování konstrukčních materiálů (oleje,
pohonné hmoty, formovací látky, chemická činidla, chladicí kapaliny atd.).
U technických materiálů je nutné systematizovat jejich kvalitativní vlastnosti. K tomuto účelu
slouží veličiny, které stanovují základ pro hodnocení a měření. Jde o mechanické, tepelné,
chemické, elektrické, magnetické, akustické, optické a atomové veličiny. V procesu výroby se
hodnotí chování materiálů prostřednictvím technologických vlastností, které určují možnost
jejich zpracování do požadovaného tvaru nebo možnost dosažení požadovaných užitných
vlastností (např. slévatelnost, kalitelnost, prokalitelnost, vytvrditelnost apod.). Technologické
vlastnosti je třeba posuzovat podle standardních měřítek, a to na základě normalizovaných
metod a jednotek.
V současné době je známo přibližně 20 000 slitin technických kovů, z toho:
➢ 12 000 slitin železa s legovanými příměsemi (C, Mn, Si, Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ta, Ti,
Zr) a nečistotami (O, S, P aj.);
➢ slitin hliníku je známo asi 2 000 s přídavnými kovy (Cu, Mg, Si, Zn, Mn, Ni, Sn, Fe,
Pb, Zr aj.) a škodlivými nečistotami (O, H);
➢ slitin mědi bylo vytvořeno asi 5 000 s přídavnými kovy (Zn, Sn, Al, Mn, Ni, Fe, Pb,
Zr aj.) a nečistotami (O, H);
➢ slitiny dalších kovů mají využití v různých oblastech průmyslu.
Hlavní skupiny materiálů používaných v technické praxi jsou uvedeny na obrázku 7.2.
80 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Obr. 7.2 Hlavní skupiny materiálů
Jiné možnosti rozdělení technických kovů, a to založených na žádaných fyzikálních
vlastnostech, praktickém využití a dalších hlediscích, jsou uvedeny v tabulce 7.2.
Tab. 7.2 Rozdělení technických kovů z různých hledisek
HUSTOTA   5 000 kgm-3
 5 000 kgm-3
lehké kovy
těžké kovy
Mg, Al, Ti aj.
Fe, Cu, Ta, Ni aj.
TEPLOTA
TÁNÍ TS
 1 000°C
od 1000 až 2 000°C
 2 000°C
kovy s nízkou teplotou tání
kovy se střední teplotou tání
kovy s vysokou teplotou tání
CHEMICKÁ
STÁLOST
ušlechtilé kovy
neušlechtilé kovy
Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt, Au
Mg, Fe, Zn
ZÁKLADNÍ
SLITINY KOVŮ
slitiny železa
neželezné kovy
STURKURNÍ
STAVBA SLITIN
jednofázové (homogenní) slitiny
vícefázové (heterogenní) slitiny
ZPŮSOB VÝROBY tváření - tvářené slitiny
lití - slitiny na odlitky
slinování - slinuté kovy, sintrované slitiny
ZPŮSOB
UŽITÍ
tvářené oceli
nástrojové oceli
pružinové oceli
ložiskové kovy
korozivzdorné oceli
slitiny pro lití pod tlakem
81 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Příklady užití kovových materiálů jsou uvedeny na obrázku 7.3 a obrázku 7.4.
Obr. 7.3 Rozdělení materiálů do skupin
82 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Obr. 7.4 Příklady užití kovových materiálů
83 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Stručná charakteristika jednotlivých skupin materiálů
Oceli - kujné slitiny železa obsahující kromě železa malé množství uhlíku, jehož obsah leží
pod hranicí 2,14 %, tj. pod hranicí rozpustnosti v austenitu. Legované oceli dále obsahují
přísady ušlechtilých kovů. Oceli jsou hlavním konstrukčním materiálem pro stroje, motory
a konstrukce, a to zejména pro jejich mechanicky silně namáhané díly, tj. hřídele, ozubená
kola, šrouby, pružiny, čepy a vačkové hřídele.
Litiny - slitiny železa a uhlíku (2,14 % až 6,67 % C) s dobrou slévatelností. Používají se
k odlévání tvarově složitých dílů, např. motorových skříní a částí převodových skříní.
Těžké neželezné kovy - (hustota ρ > 5 kg∙dm-3
), zejména měď, zinek, chrom, nikl, stříbro, cín,
wolfram. Používají se samostatně pro své specifické vlastnosti nebo ve slitinách.
Lehké kovy - (hustota ρ < 5 kg∙dm-3
), zejména hliník, hořčík a titan. Mají při malé hustotě
poměrně velkou pevnost a dobrou odolnost proti korozi. Z hliníku se vyrábějí písty motorů
a lehké díly automobilů a letadel.
Přírodní materiály – zejména žula, slída, diamanty, dřevo, slonová kost, bavlna, vlna,
hedvábí. Ve stavebnictví např. mají přírodní materiály specifické výhody, tj. při jejich
zpracování se spotřebuje výrazně méně energie než při výrobě materiálů syntetických, navíc
jsou většinou recyklovatelné, energeticky velmi úsporné. I ve strojírenství nacházejí přírodní
materiály širší uplatnění, přestože jsou aplikovány méně než v jiných odvětvích. Jde zejména
o nekovové technické materiály jako je dřevo, které se používá jako konstrukční materiál
nebo jako surovina pro výrobu dalších technických materiálů, resp. vybrané horniny
(např. žula má jako rýsovací deska malou tepelnou vodivost a oproti litinové desce zachovává
vyšší teplotu).
Syntetické materiály - velká skupina makromolekulárních polymerů, a to jednoduchých
organických látek nazývaných plasty, také sklo a keramika. Plasty jsou lehké, odolné proti
vodě, elektricky nevodivé, tepelně dobře izolující a chemicky odolné. Mechanické vlastnosti
jsou různé, některé plasty jsou elastické, jiné plasty jsou tuhé a křehké. Tepelná odolnost
plastů je malá. Použití plastů je rozmanité, a to od pneumatik až po ozubená kola. Keramické
84 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
materiály se užívají pro svou tvrdost a odolnost proti otěru (např. řezné destičky, trysky
a kluzné těsnicí kroužky).
Kompozitní materiály – skládají se z více druhů různých materiálů. Skleněné lamináty jsou
tvořeny umělou pryskyřicí a tkaninou ze skleněných vláken. Jsou houževnaté, lehké a pevné.
Používají se pro výrobu nádrží, kajaků, desek plošných spojů v elektronice nebo také do
bazénů. Jiným typem kompozitních materiálů jsou slinuté karbidy (SK) nebo také tvrdokovy.
Mají tvrdost zrn karbidů a houževnatost pojivového kovu. Používají se na výrobu řezných
destiček obráběcích nástrojů.
Výroba materiálů
Materiály se získávají převážně z přírodních surovin. Suroviny se nacházejí v ložiscích
zemské kůry. Kovy se získávají z rud, plasty se vyrábějí převážně z ropy a zemního plynu.
Materiál se získává tepelnými a chemickými procesy ze surovin, přichází do strojírenské
výroby ve formě polotovarů, např. profilů, plechů nebo drátů. Přírodní materiály se odebírají
přímo z přírodních ložisek, např. žula z kamenolomu.
Pomocné látky a energie
Při výrobě dílů a montáži celků jsou třeba pomocné látky a energie pro pohon strojů a tepelné
procesy, např. při soustružení součástek je nutná obráběcí (řezná) kapalina k chlazení
a mazání ostří nástroje, dále k mazání ložisek soustruhu a rovněž elektrická energie pro pohon
motorů a napájení řídicího systému.
Všeobecné vlastnosti technických materiálů v souvislosti s kritérii pro volbu materiálů:
(materiály se v tomto kontextu uvádějí jako hmota nebo látka určená pro výrobu, tj. materiály
technické)
➢ fyzikální,
➢ mechanické,
➢ chemické,
➢ technologické.
85 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
ad Fyzikální vlastnosti technických materiálů
Hustota. Hustota látky je podíl její hmotnosti m a objemu V. U plynů se udává hustota
za normálního atmosférického tlaku.
Teplota tání. Teplota tání je teplota, při které se látka začíná (za normálního tlaku)
tavit. Nejvyšší teplotu tání má směsný karbid, který je složený ze čtyř dílů karbidu
tantalu (TaC) a jednoho dílu karbidu zirkonu (4 000 °C), dále diamant (3 816 °C)
a grafit (3 530 °C). Čisté kovy mají přesnou teplotu tání. Slitiny, např. oceli, mají
jedinou teplotu tání pouze při určitém poměru složení (v tzv. eutektickém bodě), jinak
přecházejí z pevného do kapalného skupenství v určitém intervalu teplot (mezi
křivkami likvidus a solidus v rovnovážném diagramu).
Elektrická vodivost. Elektrická vodivost je schopnost vést elektrický proud, odpovídá
proudu při jednotkovém napětí. Dobrými vodiči jsou stříbro, měď a hliník; používají
se jako materiály na výrobu vodičů. Látky, které proud nevedou, se nazývají izolanty.
Patří k nim zejména plasty, sklo a keramika.
Teplotní délková roztažnost. Teplotní součinitel délkové roztažnosti α udává
prodloužení délky Δl tělesa o délce l = 1 m při změně teploty t = 1 °C. Délková
roztažnost se uvažuje např. u měřidel a vestavných dílů nebo odlitků, jejichž tepelné
smrštění po odlití se musí vyrovnávat rozměrovým přídavkem.
Tepelná vodivost. Tepelná vodivost je míra schopnosti nějaké látky vést tepelnou
energii. Velkou tepelnou vodivost mají kovy, především měď, hliník a železo, příp.
ocel. Nízkou tepelnou vodivost mají plasty, sklo a vzduch; tyto materiály se používají
zejména k tepelné izolaci.
ad Mechanické vlastnosti technických materiálů
Působením sil na materiál (pevného tělesa) se materiál deformuje a vzniklá deformace je
v závislosti na vnitřní struktuře materiálu trvalá (plastická) nebo dočasná (pružná, elastická).
Např. list pily z kalené nástrojové oceli lze rostoucí silou ohýbat a pak klesající silou vracet
zpět do původního tvaru, protože je elastický; jeho struktura se při deformaci nemění, jen se
nepatrně mění vzdálenosti atomů v krystalové mřížce. V určitém rozpětí deformace se některé
86 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
materiály chovají po určitou dobu téměř ideálně elasticky. Každý materiál se však
periodickým nebo extrémním namáháním unaví a začne se chovat nepružně. Tato vlastnost
materiálu se nazývá plasticita (tvárnost, tažnost, kujnost). Převážně plasticky tvárné jsou např.
ocel zahřátá na kovací teplotu nebo čisté železo.
Elasticko-plastické deformační chování. Tyč z nelegované konstrukční oceli
vykazuje při ohybu jak elastickou, tak i plastickou deformaci. Po velké deformaci se
tyč vrátí do původního tvaru jen částečně, tj. zůstává zachována trvalá plastická
deformace. Elastické-plastické deformační chování vykazuje mnoho materiálů, např.
nekalené oceli, slitiny mědi a hliníku. Různé materiály mohou mít elastické, plastické
a elasticko-plastické deformační chování.
Houževnatost, křehkost, tvrdost. Jako houževnatý je označován materiál, který lze
elasticky-plasticky deformovat, přičemž deformaci je kladen velký odpor. K velmi
houževnatým materiálům patří konstrukční a nerezavějící oceli. Křehký materiál lze
deformovat jen nepatrně, a to velkou silou, protože není možné měnit jeho krystalovou
strukturu. Při větší deformaci materiál praskne a následně se rozlomí nebo rozpadne na
více částí. Křehké jsou tvrdé materiály jako např. drahokamy, sklo, keramika a i
zakalené uhlíkové oceli s velkým množstvím martenzitu ve struktuře. Tvrdost
materiálu se posuzuje jako odpor proti vniknutí cizího tělesa, a to podle velikosti
vtisku vzniklého zkušebním tělesem při určitém tlaku nebo nárazové energii. Nejtvrdší
je karbid boru B4C a diamant. K tvrdým materiálům patří slinuté karbidy, drahokamy
a materiály na bázi Al2O3 (korund), karbidy (karborundum SiC, TiC), sklo, keramika
a zakalená ocel (obsahující ve struktuře martenzit). K měkkým materiálům patří hliník
a měď. Velkou tvrdost musí mít nástroje, kluzné a třecí plochy.
ad Chemické vlastnosti technických materiálů
Jsou významné z hlediska odolnosti proti vlivům prostředí, agresivních látek a vysokých
teplot (ve smyslu podpory chemických účinků okolního prostředí) na materiál. Ve strojírenské
praxi bývají nejsledovanějšími chemickými vlastnostmi zkoumaného materiálu jeho odolnost
vůči korozi, odolnost proti tvorbě okují a hořlavost.
87 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Korozní chování. Popisuje chování materiálu v prostředí vlhkého vzduchu,
průmyslové atmosféry, vody nebo jiných agresivních látek. Narušení struktury
začínající na povrchu materiálu způsobené chemickými a elektrochemickými procesy
se nazývá koroze. Proti korozi jsou odolné nerezavějící oceli a většina měděných a
hliníkových materiálů. Proti korozi způsobené vlhkým vzduchem nebo průmyslovou
atmosférou nejsou odolné nelegované, nízko legované oceli a litiny, které rezaví.
Pouze úpravou povrchu nátěrem nebo jiným ochranným povlakem lze vzniku koroze
zabránit na dlouhou dobu.
Odolnost proti tvorbě okují. Popisuje chování materiálu při vysokých teplotách na
vzduchu.
Hořlavost. U některých materiálů, např. plastů, je třeba dbát na hořlavost a respektovat
při použití nejen teplotní ztrátu pevnosti, ale i teplotu vznícení. Plasty také mění své
vlastnosti působením slunečního záření, hlavně jeho UV složky.
ad Technologické vlastnosti materiálů
Jsou charakterizovány zpracovatelností materiálů různými technologickými postupy.
Slévatelnost. Jde o schopnost materiálu vytvořit řídkou taveninu, která zcela vyplní
licí formu a při tuhnutí netvoří dutiny. Dobře slévatelné jsou různé druhy litin, slitin
hliníku na odlitky, slitin mědi a zinku.
Tvářitelnost. Jde o schopnost materiálu plasticky se deformovat působením sil.
Metody tváření za tepla jsou např. válcování za tepla a kování. Ke tváření za studena
patří např. válcování za studena, ohýbání, ohraňování a hluboké tažení. Dobře tvářet
lze oceli s nízkým obsahem uhlíku, slitiny hliníku a mědi určené k tváření. Litiny
tvářet nelze.
Obrobitelnost. Jde o vhodnost materiálu pro třískové obrábění. Udává se, zda a za
jakých podmínek může být materiál třískově obráběný, např. soustružený, frézovaný
nebo broušený. Jako hodnoticí kritéria obrobitelnosti slouží dosažitelná jakost povrchu
88 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
obrobené plochy, podmínky (obtížnosti) třískového obrábění a životnost nástroje.
Kovové materiály jsou převážně dobře obrobitelné, zejména nelegované a
nízkolegované oceli a litiny, slitiny mědi a slitiny hliníku. Špatně obrábět lze elastické
materiály a houževnaté materiály, jako jsou zejména čistá měď, čistý hliník, nerezová
ocel, titan a velmi tvrdé materiály, např. kalené oceli.
Svařitelnost. Jde o vhodnost materiálu pro svařování nebo navařování. Dobře
svařitelné jsou nelegované a nízko legované oceli s nízkým obsahem uhlíku.
Speciálními postupy lze svařovat i vysoce legované oceli, slitiny a slitiny mědi.
Kalitelnost a zušlechťování. Jde o chopnost materiálu získat vhodným tepelným
zpracováním větší tvrdost nebo pevnost. Kalit lze většinu ocelí, vytvrzovat lze některé
druhy slitin a slitin hliníku.
Kritéria pro volbu materiálů
Primární požadavkem při volbě vhodného materiálu jsou téměř vždy jeho materiálové
charakteristiky (pevnost, houževnatost, odolnost proti cyklickému zatěžování, opotřebení,
působení teploty, působení koroze aj.) a jejich optimální skloubení s vlastnostmi budoucího
dílce či systému. Kromě materiálových charakteristik však musí být při výběru materiálu
zvažována i další hlediska, a to zejména:
➢ technologie výroby,
➢ materiálové a výrobní náklady,
➢ ekonomičnost užití zvoleného materiálu,
➢ jiná kritéria.
ad Technologie výroby. Kromě podmínky proveditelnosti technologie pro daný výrobek by
měly být při výběru materiálu uplatňované zejména poznatky o vlivu na složení, strukturu
a mechanické vlastnosti. Přednost by měly dostávat - pokud to umožní další kritéria bezodpadové
technologie (např. prášková metalurgie, přesné odlévání) umožňující maximálně
využít materiál a potlačit na minimum obrábění, tedy technologie spojené s nejvyššími
náklady.
89 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
ad Materiálové a výrobní náklady. Ekonomičnost volby je komplexní problém a zdaleka se
netýká pouze ceny zvoleného materiálu a technologie jeho zpracování. Např. náhrada oceli
litinou hliníku nebo polymerním materiálem se na první pohled může zdát nepříliš cenově
výhodná. Do výpočtu ekonomičnosti volby je ale nutné zahrnout i další nižší náklady na
dopravu, povrchovou úpravu, obrábění aj.
ad Ekonomičnost užití zvoleného materiálu. Opět jde o mnohostrannou problematiku. Dopad
zvoleného materiálu na životní prostředí (přímý nebo nepřímý) má mnoho aspektů a je
obtížně kvantifikovatelný. Mj. je třeba k tomuto hledisku přiřadit i možnost recyklace
vybraného materiálu.
ad Jiná kritéria. Mezi jiná kritéria lze zahrnout zejména nutnost zvážit sortiment polotovaru
a dostupných materiálů, omezení výrobních zařízení, která jsou k dispozici, věrohodnost
vstupních dat, tj. nakolik zkouška definuje vlastnosti materiálu, jak dobře vzorek simuluje
poměry v reálné součástce, znalost zatížení a prostředí aj.
Volba materiálu
Jde o složitý proces, přičemž velké množství dostupných materiálů volbu do jisté míry ještě
komplikuje, není však hlavní příčinou jeho složitosti (obr. 7.5).
Obr. 7.5 Vztah mezi vlastnostmi výrobku, materiálem a technologií
90 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Při volbě materiálu je třeba zvažovat celou řadu různých hledisek, vzájemné vztahy těchto
hledisek a další různá ovlivnění, např.:
➢ vztah materiálu a jeho vlastností technologických, mechanických, fyzikálních
a chemických,
➢ vztah materiálu a jeho ceny, sortimentu aj.,
➢ vztah materiálu a technologie (hlavně racionálnost výroby),
➢ vztah materiálu a konstrukce (tvar a funkce výrobku, nároky na konstrukci kladené),
➢ materiálové a výrobní náklady,
➢ energetická a surovinová náročnost,
➢ možný dopad volby materiálu na životní prostředí ve výrobním i uživatelském cyklu,
a to včetně např. možnosti recyklace materiálu.
Volba materiálu pro daný výrobek nemůže probíhat nezávisle na technologii, kterou je nutné
použít k vytvoření daného výrobku (jeho tvaru, povrchu aj.). Funkce výrobku, jeho
konstrukce, materiál a technologie navzájem intereagují (obr. 7.6).
Obr. 7.6 Vztah mezi složením a strukturou materiálu, jeho zpracováním,
vlastnostmi a užitnými vlastnostmi výrobku
Konstrukce výrobku (jeho tvar) limituje výběr použitelného materiálu a technologie. Čím je
návrh komplikovanější, tím je specifikace užší a interakce větší.
Vlastnosti materiálu (obr. 7.6) jsou určeny jeho složením a strukturou, které jsou ovlivňovány
(měněny) použitou technologií (např. zpevňováním při tváření za studena) a naopak diktují
výběr technologie. Složení a struktura materiálů jsou dány primárními a sekundárními
technologiemi a jsou limitující pro dosažení požadovaných vlastností výrobku. Kromě
91 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
struktury a složení materiálu jsou užitné vlastnosti výrobku ovlivněny vlastnostmi použitého
materiálu a technologií jeho zpracování. Do celého systému vzájemných interakcí (užitné
vlastnosti - technologie - složení, struktura a vlastnosti materiálu) potom vstupují ekonomické
parametry, tj. především náklady na použitý materiál a technologii, přičemž nelze
zapomenout na dopad všech reagujících prvků na životní prostředí.
Proces volby materiálu
Volba materiálu se zpravidla realizuje ze dvou možných důvodů:
➢ výběr materiálu musí odpovídat technologii určené pro nový výrobek (podle
původního návrhu), přičemž s novým výrobkem jsou obvykle spojeny nové pracovní
principy, proto je pro výběr optimálního materiálu a technologie potřebné zvažovat co
nejširší okruh možných kandidátů;
➢ hodnocení alternativních materiálů a výrobních postupů musí odpovídat již
existujícímu výrobku, přičemž situace je odlišná než v předchozím případě, a to
v závislosti na důvodu uvažované náhrady.
Důvodů pro přehodnocení a případnou následnou inovaci stávajícího materiálu nebo
technologie je celá řada:
➢ potřeba přizpůsobit se požadovaným funkčním nebo parametrickým změnám výrobku
v souvislosti s variantním návrhem,
➢ snaha o snížení podílu ceny materiálu na výrobku,
➢ snížení výrobních nákladů,
➢ využití předností nového materiálu či technologie,
➢ řešení problémů spojených s technologií zpracování materiálu,
➢ aplikace doporučení vyplývajících z faktografické analýzy porušených výrobků.
Při výběru materiálu pro nový výrobek je třeba postupovat takto:
1. Definovat funkci, kterou výrobek bude muset zajistit a přenést ji na požadované
materiálové vlastnosti (pevnost, korozní odolnost aj.) a další faktory (cena nebo
dostupnost materiálu).
2. Definovat výborné požadavky (velikost a složitost dílce, požadované tolerance, kvalitu
povrchu, počet vyrobených dílců aj.).
92 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
3. Porovnat požadované vlastnosti s parametry a vlastnostmi co nejširší palety materiálů
a vybrat několik takových, které by mohly vyhovovat. Je užitečné při několika
dominantních vlastnostech stanovit minimální, příp. maximální hodnoty, které
kandidující materiály musí u těchto vlastností splňovat.
4. Posoudit vybrané materiály detailněji (např. jejich dostupnost v daných rozměrech
polotovarů, ceny, chování ve výrobě aj.).
5. Na základě výsledků detailního posouzení skupiny materiálů vybrat jediný materiál
a určit data a specifikace potřebné pro konstrukci.
Při výběru náhrady materiálu u existujícího výrobku je třeba postupovat takto:
1. charakterizovat užitné vlastnosti, výrobní požadavky a cenu stávajícího materiálu,
2. určit, které charakteristiky by měly být zlepšeny,
3. vyhledat alternativní materiál a/nebo technologii (podobně jako v předchozím případě
bodu 3 až 5) a jeho/jejich parametry detailně porovnat se stávajícími.
Vztah volby materiálu a technologie
Jde o velmi úzký a současně poměrně komplikovaný vztah, protože ve většině případů
existuje několik, resp. celá řada výrobních procesů, kterými lze danou součástku vyrobit.
Základním předpokladem je zvolit takový materiál a technologii, aby výsledkem byla
maximální kvalita vyráběné součástky a současně její nejnižší cena. Výběr optimální
technologie je komplikovaný množstvím činitelů, které je třeba zvažovat, jako např. množství
vyráběných dílců, tvarová náročnost, požadavky na povrchovou drsnost a přesnost,
dostupnost výrobního zařízení, dopad technologie na životní prostředí, ekonomickou
náročnost aj.
Volba materiálu určuje oblast technologií, které mohou být pro výrobu daného dílce použity.
Při výběru materiálu je také třeba zvažovat další aspekty jako jsou zejména velikost
součástky, tvar, složitost, tolerance, kvalita povrchu a výrobní náklady. Z těchto hledisek jsou
klíčovými faktory pro posouzení vhodnosti jednotlivých technologií zejména:
➢ doba cyklu (čas potřebný k výrobě jednoho kusu),
➢ kvalita (požadovaná tolerance, drsnost povrchu, nepřítomnost trhlin, pórů, vměstků
aj.),
93 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
➢ flexibilita (možnost rychlého přizpůsobení dané technologie pro výrobu jiného
výrobku nebo jiné variantě téhož výrobku),
➢ využitelnost materiálu,
➢ výrobní náklady.
Cenové aspekty volby materiálu jsou uvedeny na obrázku 7.7.
Obr. 7.7 Hlavní nákladové vstupy do výrobku
Cena výrobku je určována třemi hlavními vstupy:
➢ materiálem,
➢ energií,
➢ informacemi.
Rovnice (7.1) vede k jednoduchému grafickému vyjádření vztahu mezi průměrnou cenou na
jeden výrobek a počtem kusů, ze kterého lze jednoduše zjistit, od jakého počtu kusů je daná
technologie rentabilní. Tato rovnice však nezahrnuje některé další důležité vlivy jako je
např. hmotnost výrobku,
𝐶 = 𝐶 𝑚 +
𝐶 𝑐
𝑛
+
𝐶 𝑝
𝑛,
(7.1)
kde jsou: C cena výrobku,
Cm cena materiálu,
cc fixní náklady (podíl kapitálové ceny výrobního závodu, zařízení a
nástrojů),
cp cena pracovní síly za jednotku času,
n objem výroby,
n´ rychlost výroby (počet výrobků za jednotku času).
94 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Velmi důležitým parametrem, který je třeba při volbě materiálu zvažovat, je chování výrobku
v provozu, tedy hlavně jeho životnost. Pokud se použitím dražšího materiálu podaří zvýšit
životnost nástroje, jsou zvýšené náklady na materiálový vstup rychle kompenzovány
úsporami při jeho exploataci. V tomto případě může v rozhodování mezi cenově rozdílnými
materiály pomoci vztah (7.2)
𝑋 = 100
∆Ž
Ž
(1 +
𝑀
𝐶
) − 100
∆𝐶
𝐶
(7.2)
kde jsou: Ž životnost součástky,
M mzdy na výrobu, montáž a zařízení,
C cena materiálu,
ΔC zvýšení materiálových nákladů při použití dražšího materiálu,
ΔŽ zvýšení životnosti.
Pokud pro X vyjde kladná hodnota, povede použití dražšího materiálu k celkové úspoře
nákladů. Opět jde o vztah, který nezahrnuje všechny vlivy a slouží pouze k prvotní orientaci
a odhadu při obtížném rozhodovacím procesu.
Mechanické vlastnosti pevných látek
Podle zaplnění prostoru základními stavebními částicemi lze látky rozdělit na látky plynné,
kapalné a tuhé. Z hlediska praktického použití jsou nejvíce zajímavé látky pevné (v
terminologii spíše považované za reálné látky), případně tuhé látky (v terminologii
označované jako ideální). Látky tuhé lze z hlediska rozsahu pravidelnosti prostorového
uspořádání základních stavebních částic roztřídit v souladu s obr. 7.8. Reálné látky obsahují
poruchy v ideální pravidelnosti rozložení základních stavebních částic. Proto ideální
monokrystaly a ani ideálně amorfní látky reálně neexistují. Látky kapalné nebo tuhé se
nazývají látkami kondenzovanými.
Obr. 7.8 Schéma pro klasifikaci tuhých látek
95 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Tabulka 7.3. ukazuje vlastností látek. I když tato tabulka není vyčerpávajícím výčtem,
naznačuje šíři dané problematiky. Mechanické, fyzikální, chemické a technologické vlastnosti
materiálů vzájemně často souvisejí. Souvislosti zjišťujeme analýzou podstaty vlastností
a jejich vztahu ke struktuře látek. V praxi jsou často požadovány různé kombinace vlastností,
a to jak z hlediska užitných vlastností, tak z hlediska specifické technologie finální výroby.
Na základě představ o struktuře látek za různých podmínek přistupujeme k podrobnějšímu
studiu vlastností pevných látek a jevů, které s nimi souvisí:
➢ mechanické;
➢ tepelné;
➢ elektrické;
➢ magnetické;
➢ termoelektrické;
➢ optické.
Tab. 7.3 Ukázka vlastností látek
Vlastnosti látek
Mechanické Fyzikální Chemické Technologické
pevnost
tvrdost
pružnost
tvárnost
houževnatost
tečení
tažnost
elektrická vodivost
tepelná vodivost
teplotní roztažnost
emisivita elektronů
supravodivost
koercitivita
magnetická indukce
nasycení
hustota
korozivzdornost
reaktivita povrchu
vzájemná afinita
slévatelnost
tvářitelnost
obrobitelnost
pájitelnost
svařitelnost
rozpojitelnost
dělitelnost
Každá látka podléhá vlivem působení vnějších sil deformacím, ale deformuje se i vlivem
působení vnitřních sil, přičemž z toho vyplývají její vlastnosti:
96 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
➢ pevnost a pružnost pených látek;
➢ deformace pevných látek;
➢ tečení (v oblasti plastické deformace pevných látek);
➢ viskozita kapalin.
ad Pevnost a pružnost pevných látek
Každá pevná látka se vlivem vnějších sil deformuje. Její pevnost lze chápat jako odolnost
vůči destrukci. Pevnost reálných látek (metalurga zajímají především kovy) je podstatně
menší (u kovů nejméně 3104
krát), než by odpovídalo představě o dokonalé krystalické látce
s kovalentní, případně iontovou vazbou. Tento rozpor, obdobně jako plasticita a kujnost kovů
vyplývají z toho, že u krystalických látek se kromě různých tzv. bodových poruch (vakance,
substituce, intersticiály) nacházejí rozsáhlejší čárové poruchy, tzv. dislokace:
➢ dislokace a jejich souvislost s pevností materiálu lze charakterizovat jako čárové
defekty, které představují poruchu v krystalické pravidelnosti podél přímky (hranové
nebo také čárové dislokace) nebo podél křivky (šroubové dislokace);
➢ přítomnost dislokací pod určitou kritickou koncentrací (s hustotou asi 108
cm-2
)
usnadňuje deformaci materiálu, kdežto vyšší hustota dislokací způsobuje relativní
zpevnění materiálu;
➢ zvýšení pevnosti materiálu lze dosáhnout omezením mobility (pohyblivosti) dislokací;
dosahuje se toho používáním polykrystalických látek, případně malým množstvím
příměsí (atomů vhodných prvků).
Schéma hranové dislokace (obr. 7.9) zobrazuje defekt v rovině kolmé k ose dislokace,
přičemž hvězdička  označuje čáru hranové dislokace. Při působení vnější velikosti síly F se
může celá řada atomů snadno posunout o mřížkovou konstantu a samotná dislokace se
přesouvá v opačném směru. Jestliže takto „proběhne“ dislokace celým průřezem krystalu,
sklouzne celá jedna atomová vrstva. Přitom by místo přerušení vazeb atomů v celé rovině
postačilo přerušení vazeb jen v jednotlivých řadách atomů. Za přítomnosti dislokací stačí tedy
k deformování podstatně nižší napětí. Proto dislokace usnadňují svým pohybem
deformovatelnost materiálu. Lze tedy na základě předloženého modelu prohlásit, že pevnost
kovů lze zvýšit, pokud se podaří vyrobit je bez dislokací.
97 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Obr. 7.9 Schéma hranové dislokace
Takovéto krystaly je však možné vyrobit jen poměrně náročnou technologií a jen v malých
objemech. Reálné krystaly však obsahují dislokace vždy a jejich dalším namáháním se jejich
počet zvyšuje. Při vyšší koncentraci dislokací (dosahuje-li hustota dislokací hodnoty cca
108
cm-2
) si dislokace začínají vzájemně v pohybu překážet, čímž se možnost deformace
zmenšuje, tj. dochází ke zpevnění krystalu v důsledku nadbytku dislokací. To se projevuje mj.
také změnou charakteru závislosti napětí-deformace v intervalu meze kluzu 3 (σk, Re je
smluvní mez kluzu pro materiály s výraznou mezí kluzu, Rp0,2 je smluvní mez kluzu materiálů
bez výrazné meze kluzu) a meze pevnosti 4 (Rm je smluvní mez pevnosti materiálů)
v následujícím diagramu (tab. 7.4).
Tab. 7.4 Závislost napětí na relativním prodloužení při šroubové dislokaci
Šroubová dislokace
Závislost napětí-deformace charakterizuje:
σ – napětí [Pa];
σ1 – mez úměrnosti;
σ2 – mez pružnosti;
σ3 – mez kluzu (σk, Re, Rp0,2);
σ4 – mez pevnosti (Rm);
ε – poměrné podélné prodloužení.
98 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Principu zpevňování materiálů omezením pohyblivosti dislokací se využívá prakticky.
Nejběžnější metodou je zavedení malého množství vhodných prvků (příměsí) do krystalu.
Atomy příměsí velmi účinně brzdí pohyb dislokací, proto například železo s malými dávkami
uhlíku, chrómu, hořčíku nebo wolframu má podstatně větší pevnost. Současně však dochází
ke snížení tažnosti A (tj. A = ε 100 [%]), takže materiály jsou pak křehké.
Kromě hranových dislokací se v krystalech často vyskytují také šroubové dislokace, které
hrají pravděpodobně rozhodující úlohu při růstu monokrystalů. Jak je patrné z diagramu σ–ε
(tab. 7.4) lze průběh rozdělit na elastickou část a plastickou část.
ad Deformace pevných látek
Změny vyvolané v tělesech působením vnější síly se nazývají deformace nebo přetváření.
Deformace rozeznáváme:
➢ homogenní, mají deformační stav v každém místě namáhaného tělesa stejný;
➢ nehomogenní, mají deformační stav v každém místě namáhaného tělesa různý.
Deformace mají příčinu v působících silách F a reagují změnou velikosti rozměrů těles Δl
(protažením). Závislost )( lFF = představuje deformační křivku, příslušný diagram se
nazývá pracovní diagram, neboť plocha pod křivkou popisuje práci vykonanou při
deformaci. Několik příkladů deformačních křivek různých materiálů je znázorněno na
obrázku 7.10.
Obr. 7.10 Pracovní diagram různých látek
99 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Je dobře patrné, že na všech křivkách lze pozorovat v omezené oblasti přímkovou část
vycházející z počátku a koncový bod, který představuje rozrušení látky (přetržení, lom). Mez
pevnosti v tahu je maximální smluvní napětí (7.3):
0
max
S
F
pt = , (7.3)
kde S0 je původní průřez, Fmax je maximální síla, které vzorek vzdoroval.
V okamžiku lomu může být síla menší (v případě houževnatého materiálu). Namáhání se
provádí na lisech, tzv. tahovou zkouškou. Oba konce zkušební tyče jsou upevněny do čelistí
a namáhány silou F. Na obrázku 7.11 je znázorněno schéma deformace zkušebního vzorkutyče
tahem a trhací lis Lab Test 2.05 v reálu při tahové zkoušce.
a) b)
Obr. 7.11 a) schéma deformace tyče tahem; b) tahová zkouška materiálu
Zkušební vzorek-tyč se napíná ve zkušebním stroji až do přetržení. Podrobnosti stanoví
normy ČSN 420310 až 420313. Zkušební tyč mívá nejčastěji kruhový průřez o průměru d0.
Prodloužení se měří na střední válcové části tyče, měřená vzdálenost je buď l0 = 5d0 (krátká
tyč) nebo l0 = 10d0 (dlouhá tyč). Zkušební tyč může být také plochá, v tom případě se volí
poměr 00 / Sl týž jako u kulatých tyčí, u kterých je průřez (7.4):
4
2
0
0
d
S

= , (7.4)
takže l0 = (5 resp. 10) 0S . Zaokrouhleně se uvažuje u krátkých tyčí l0 = 5,65 0S , u
dlouhých tyčí l0 = 11,3 0S .
100 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Podle obrázku 7.11 a) se předpokládá, že normální napětí x ve všech příčných řezech
tažených (nebo tlačených) tyčí (přibližně i pro tyče proměnného průřezu) je rozděleno
rovnoměrně. Proto velikost normálního napětí v libovolném příčném řezu tyčí je dána
poměrem osové síly xN v tomto řezu k jeho ploše xS , tj. (7.5):
x
x
x
S
N
= . (7.5)
Pokud jde o pružnou deformaci, tj. materiál tyče se řídí Hookovým zákonem, pak velikost
skutečného prodloužení tyče lze určit z obecného vztahu (7.6):
x x
N dx
l
S E
 =  , (7.6)
kde E je modul pružnosti materiálu v tahu. Integrování se provádí po délce každé části
a součet po všech částech tyče. Je-li síla N i plocha S konstantní po celé délce l, pak platí
vztah (7.7):
SE
lN
l = . (7.7)
Obecný výraz pro určení velikosti potenciální energie pružné deformace Wp, akumulované
v tyči při tahu a tlaku, má tvar (7.8):
2
2
p
x xl
N dx
W
S E
=  . (7.8)
Integrace a součet se zde provádí stejně jako při výpočtu prodloužení tyče. Protože v mezích
pružnosti materiálu lze považovat velikost potenciální energie rovnou práci vnějších sil, pak
pro tyče tažené nebo tlačené silami F působícími na koncích tyče platí (7.9):
lFWp =
2
1
. (7.9)
Poměr působící síly F k absolutnímu prodloužení tyče Δl lze vyjádřit jako lineární vztah
(7.10):
0
F E S
l l

=

(7.10)
101 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Kde jsou S plocha příčného průřezu zkoušeného vzorku, l0 jeho původní délka, E modul
pružnosti v tahu (Youngův modul).
Je názornější jako příčinu deformace vyjadřovat napětí σ definované jako podíl síly, která
působí kolmo na příčný řez obsahu S a tohoto obsahu (7.11):
S
F
= . (7.11)
Je-li poměrné (relativní) prodloužení (7.12):
00
0
l
l
l
ll 
=
−
= , (7.12)
lze vztah přepsat na nejfrekventovaněji užívaný tvar (7.13):
 E= . (7.13)
Tento vztah se nazývá Hookův zákon. Materiálový součinitel, tzv. Youngův modul pružnosti
E je směrnice (obr. 7.12), kde E = tg α, která komparačně rozděluje materiály do jednotlivých
tříd.
Obr. 7.12 Závislost napětí na relativním prodloužení
Čím je přímka strmější, tím je materiál tužší a naopak. Modul pružnosti E má stejný rozměr
jako napětí. Obvykle je uváděn v dekadických násobcích jednotky tlaku, tj. v MPa. Protože
modul pružnosti charakterizuje tuhost materiálu, je materiálovou konstantou, a to nezávislou
na geometrických rozměrech zkoušeného vzorku.
Délku l namáhané zkušební tyče v tahu lze vyjádřit v závislosti na původní délce l0
a relativním prodloužení ε (7.14):
( )+= 10ll . (7.14)
102 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
V deformačních diagramech kovů pozorujeme tři signifikantní části grafu, a to:
➢ přímkovou část, které odpovídá oblast elasticity (pružnosti materiálu),
➢ část zakřivenou, které odpovídá oblast plasticity (nepružnosti materiálu),
➢ konec křivky, který odpovídá lomu (rozrušení materiálu).
Pro lineární (hookovskou, elastickou) oblast deformace je modul E konstantou a závislot
)( lFF = je lineární.
Z deformačního diagramu lze vyhodnotit, je-li látka deformována elasticky nebo plasticky a
je-li křehká nebo houževnatá. Má-li deformační diagram lineární průběh, je látka elastická až
do bodu meze úměrnosti, kde přímková část končí. Je-li plocha pod pracovním diagramem
velká, jde o houževnatý materiál (např. ocel s obsahem 0,4 % C). Je-li plocha pod
pracovním diagramem malá, jde o křehký materiál (např. šedá litina). Tyto vlastnosti lze
nejlépe pozorovat při namáhání vláken (mezi křehká vlákna s lineární částí diagramu patří
vlákna uhlíková, borová, kevlarová a skelná, naopak houževnatá jsou vlákna kovová, tj. např.
ocelová, hliníková a další).
Relativní příčné zkrácení  při deformaci v tahu (tab. 7.5) je přímo úměrné relativnímu
prodloužení  a platí  m= ; kde m je Poissonova konstanta.
Tab. 7.5 Srovnání silového působení při deformaci a) tahem a b) smykem graficky
Schéma deformace tahem Schéma deformace smykem
V tabulce 7.6 jsou uvedeny konkrétní průměrné hodnoty modulu E, smluvní meze pevnosti
Rm, smluvní meze kluzu Re, modulu pružnosti ve smyku G, podélné (longitudinální) rychlosti
ultrazvukových vln vL a Poissonova čísla μ pro některé vybrané materiály. Poissonovo číslo μ
je reciprokou hodnotou Poissonovy konstanty (7.15):
.
1
m
= (7.15)
103 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Tyto hodnoty u reálných materiálů vykazují značný rozptyl v důsledku reálného stavu vnitřní
struktury materiálu.
V případě deformace smykem platí pro zkos (změnu pravého úhlu)  a tangenciální
napětí  vztah (7.16):
 G= ; kde
d
u
= (7.16)
pro malé úhly do 5º (  =tg ), přičemž G je modul pružnosti ve smyku.
Modul pružnosti ve smyku G je směrnice, která rozděluje materiály do jednotlivých tříd. Jak
modul E, tak i modul G jsou funkcemi struktury materiálu. Tato souvislost je uvedena
prostřednictvím výpočtu obou modulů na základě mřížkové konstanty. Mezi elastickými
konstantami E, G, m,  platí vztah (7.17):
( ) ( )+
=
+
=
1212
E
m
Em
G . (7.17)
Obrázek 7.13 schematicky ilustruje:
a) mechanismus příčného zkrácení;
b) mechanismus příčného prodloužení.
a) b)
Obr. 7.13 a) mechanismus příčného zkrácení;
b) mechanismus příčného prodloužení
V tabulce 7.6 jsou pro diamant a beton uváděny hodnoty měření pevnostních a pružnostních
parametrů nikoliv pro tah, ale pro tlak. S pracovními diagramy zjištěnými tlakovou
104 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
zkouškou se pracuje stejně jako s pracovními diagramy měřenými zkouškou tahovou. K tomu
účelu se používají v laboratořích tlakové lisy, protože stavební materiály a horniny nelze
upevňovat v čelistech trhacích strojů pro jejich relativní křehkost a poměrně nízké pevnosti
v tahu oproti jejich pevnosti v tlaku.
Napěťový poměr je u horninových materiálů, cihel, betonových tvárnic a dalších
granulovaných kompozitních materiálů
1 1
až
5 15
pt
pd


= .
U sedimentárních hornin (pískovce, jílovce, siltovce, slepence) je tento poměr cca
10
1
.
U vyvřelých hornin a metamorfovaných je tento poměr nižší, a to v průměru
5
1
až
8
1
. Pro
projektanty jsou důležité různé vzájemné modulové poměry hlavních mechanických
parametrů, resp. některých fyzikálních parametrů. Jsou to zejména poměry

E
,

mR
,

eR
,

2,0pR
kde ρ je hustota materiálů),
e
m
R
R
apod. Z uvedených modulových poměrů lze vyčíst
charakter konstrukčního materiálu, např. z hlediska posuzování jeho plastičnosti, resp.
křehkosti. Modulové poměry vztažené k hustotě ρ jsou důležité při posuzování konstrukčních
projektů zejména z hlediska ekonomického. Vypovídají, že při volbě materiálů s nízkou
hodnotou ρ, ale při stejných parametrech pružnosti a pevnosti, lze snížit hmotnost konstrukce,
náklady na výrobu a tím zajistit výhodnou cenu v tržní konkurenci.
Tab. 7.6 Materiálové parametry různých látek
Materiál
E
[MPa]
μ
[1]
Rm
[MPa]
Re
[MPa]
G
[MPa]
vL
[m·s-1
]
Diamant (tlak) 103
.105
0,18 14956,92 14448,08 422226,00 6315,42
Ocel 2,1.105
0,3 1044,33 973,56 83320,11 5943,41
Šedá litina (0,75 ,2). 105
0,25 341,01 301,10 44709,39 4932,01
Tvárná litina (0,75 1,2). 105
0,25 191,82 164,43 32660,76 4481,03
105 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Měď 1,2. 105
0,35 286,54 254,30 41187,70 4791,01
Mosaz 1,0. 105
0,35 236,81 205,16 36616,62 4641,20
Bronz 1,1.105
0,35 261,08 228,00 38719,67 4717,30
Hliník a slitiny 0,7.105
0,34 116,04 97,15 24939,43 4120,94
Hořčík a slitiny 0,35.105
0,3 29,01 23,11 12062,31 3270,80
Olovo 0,17.105
0,45 6,84 5,37 5806,01 2571,08
Sklo 0,6.105
0,23 85,25 70,45 21175,97 3914,54
Polystyren 0,036.105
0,33 0,31 0,23 1204,09 1532,51
Bakelit 0,49.105
0,25 56,86 46,27 17114,91 3659,01
Plexisklo 0,021.105
0,35 0,10 0,08 701,40 2280,49
Beton (tlak) 0,18.105
0,13 7,67 5,94 6103,35 3620,60
Obr. 7.14 Posun dvou atomových rovin
PočetatomůNvjednévrstvěje podle vztahu (7.18):
2
1
a
N = . (7.18)
Síla F působící na jednu vrstvu, a to na jednotkové ploše, je tedy číselně rovna působícímu napětí
a způsobuje relativní prodloužení  uvažovanéhodvouvrstvéhokrystalu(7.19):
106 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
a
x
= , (7.19)
kde x je absolutní prodloužení, a je parametr mřížky.
Modul pružnosti v tahu je pak určen vztahem (7.20):
x
a
E 


== . (7.20)
V oblasti pružné deformace je síla vychylující atom z rovnovážné polohy úměrná výchylce,
tedy xkf '0 = . Proto napětí σ pro celou vrstvu atomů 0N f = , takže platí vztah (7.21):
a
k
a
ak
aNk
x
a
xkNE
''
'' 2
==== . (7.21)
Problémem je zde odhad zavedené konstanty k’. Tady lze využít poznatku, že potenciální energie Wp
atomu kmitajícího v přímce odpovídá střední amplitudě (střední výchylce) x0 (7.22):
Tk
x
kWp ==
2
'
2
0
. (7.22)
Pak platí vztah (7.23):
2
0
2
'
x
Tk
k = . (7.23)
Po vyjádření střední amplitudy x0 jako určitého násobku mřížkové konstanty ( )ax =0 lze
získat pro modul pružnosti v tahu vztah (7.24):
32
2
a
Tk
E

= , (7.24)
kde α je koeficient úměrnosti.
Při teplotě t = 20 ºC odpovídající termodynamické teplotě T = 293 K platí pro součin k
Boltzmannovy konstanty a termodynamické teploty T: JeVTk 212
1004,4103 −−
= .
Střední amplituda kmitů atomu při dané teplotě odpovídá 4 % meziatomové vzdálenosti. Po
dosazení odpovídajících hodnot pak pro modul pružnosti v tahu lze obdržet hodnotu přibližně
1011
Pa, a to v souladu s měřenými hodnotami (tab. 7.7).
Tab. 7.7 Mřížkové konstanty a, koeficienty úměrnosti α a moduly pružnosti v tahu E různých látek
Látka a [m] α [1] E [Pa]
Al 4,04·10-10
0,0410 0,73·1011
107 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Cu 3,61·10-10
0,0365 1,29·1011
Fe 2,86·10-10
0,0400 2,16·1011
Rovněž lze také stanovit výpočtem souvislost modulu pružnosti ve smyku G
s Poissonovou konstantou m, takže platí vztah (7.25):
( ) 32
12
2
am
Tkm
G
+
= , (7.25)
přičemž po dosazení za m = 3,3 pak platí vztah (7.26):
32
5,2
a
Tk
G

= . (7.26)
Z výše uvedených vztahů lze odvodit, že s rostoucí hodnotou mřížkové konstanty a klesají
hodnoty modulů pružnosti E a G, což zcela odpovídá pojetí vazeb atomů ve struktuře látek,
které s rostoucí vzdáleností atomů v krystalické mřížce rovněž klesají. Na základě rozptylu
základních pružně-pevnostních parametrů E, G, m, μ vlivem nehomogenit vnitřní struktury je
nutno pro praktické výpočty (např. při dimenzování strojů a zařízení v technické praxi) každý
materiál proměřit normovanými postupy v laboratoři. Elastické parametry lze získat
i expresní zkouškou (nedestruktivním, nepřímým fyzikálním měřením, tj. výpočtem
a dosazením přímo měřených fyzikálních veličin), a to ultrazvukem (využitím fyzikálních
rovnic pro šíření akustických vln látkami).
Pro rychlost podélné (longitudinální) zvukové vlny vL šířící se tenkou tyčí platí vztah (7.27):

E
vL = . (7.27)
Pevnými tělesy libovolného tvaru se mohou šířit elastické vlny příčné (transverzální)
i podélné, jejichž rychlosti v tělese velkých rozměrů jsou určené vztahy (7.28) a (7.29):

G
vT = , (7.28)
K
m
m
vL
1
13
+
−
=

, (7.29)
kde K je modul objemové pružnosti.
Ze vztahů mezi E, G a K plyne, že se podélná vlna šíří rychleji než vlna příčná (7.30):
108 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
( ) ( )12
,
23 +
=
−
=
m
Em
G
m
Em
K . (7.30)
Plastická deformace se týká nepružné části deformačního diagramu, kdy dochází i po
odstranění působení vnějších sil k trvalým a nevratným změnám tvaru tělesa. V této části
deformačního diagramu dochází k plastické deformaci. Při plastické deformaci se uvnitř
tělesa dočasně rozrušují vazby mezi nejbližšími sousedy a atomy se vzájemně posunují. Doba
mezi rozrušením vazeb a jejich obnovením však nepřekračuje dobu působení vnějších
deformačních napětí. Při plastické deformaci dochází ke změnám v poloze atomů kluzem po
určitých krystalografických rovinách a v určitých krystalografických směrech, v tzv.
kluzových rovinách a směrech. Při plastické deformaci monokrystalů jsou kluzové pásy při
dostatečném zvětšení viditelné na jejich povrchu. Kluzové roviny a kluzové směry se dají
určovat rentgenograficky i opticky. Ke vzniku skluzu je třeba na kluzových rovinách překonat
kritické kluzové napětí, které závisí na orientaci vnější působící síly vzhledem k normále
kluzové roviny a ke kluzovému směru. Za daných podmínek je tečné napětí vyvolávající kluz
největší pro kluzové roviny a směry, které svírají s působící silou F přibližně úhel 45o
. Při
plastické deformaci kluzem vyvolané tahem nebo stlačováním krystalu nastává změna jeho
orientace. Působící síly po skluzu krystalu nepůsobí již na jedné ose, ale posunou se stranou a
vytvářejí tak momenty, které stáčejí deformovaný krystal, tj. mění jeho orientaci (obr. 7.15).
Obr. 7.15 Deformace krystalu
V monokrystalech, jejichž struktura má nejtěsnější uspořádání (jako jsou např. kubické plošně
centrované a hexagonální krystaly s nejtěsnějším uspořádáním) jsou kluzovými rovinami
a kluzovými směry právě ty krystalografické roviny a směry, které jsou nejhustěji obsazeny
atomy. Vznik kluzů při plastické deformaci reálných krystalů, které obsahují dislokace, lze
vysvětlit pohybem dislokací. Užitím teorie dislokací lze vyložit také podstatně nižší
pozorované kritické kluzové napětí, než jak udává teoretický výpočet předpokládající
109 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
vzájemný kluz krystalografických rovin jako celku. Dosažení vyšších kritických hodnot
kluzového napětí je možné dvojím způsobem:
1. vytvářením dokonalých krystalů bez dislokací;
2. zabráněním co možno nejvíce pohybu dislokací.
Správnost obou postupů byla experimentálně prokázána.
ad Tečení pevných lázek (v oblasti jejich plastické deformace)
V technických aplikacích se vlivem dlouhodobého namáhání a tečení materiálu zabývá vědní
disciplina reologie. Vypovídací hodnotu o tomto významném ději poskytuje zejména
charakteristika elastické a plastické oblasti diagramu σ-ε. Diagram σ-ε lze rozdělit na dvě
hlavní části, a to na:
➢ elastickou,
➢ plastickou.
První část je elastická a řídí se Hookovým zákonem, tzn. že napětí je úměrné deformaci
a naopak (Hooke, 1635-1703, vyslovil „Ut tensio sic vis“, tj. zákon o úměrnosti mezi napětím
a deformací). O Hookeův zákon se opírají základy vědního oboru pružnost a pevnost pevných
látek, tj. potažmo základy teoretického strojírenství. Tato vědní disciplina je spjata s vývojem
lidské společnosti a zabývá se analýzou návrhů součástí složitých mechanických systémů
přenášejících silové účinky. Zaměřuje se tedy na strojírenská zařízení, stavebnictví
a architekturu, nukleární a energetická zařízení, aeronautiku aj. Této skutečnosti se např.
využívá v teorii kmitů a vln, protože právě zde se pracuje s pružným prostředím. Další
aplikace Hookova zákona jsou uplatňovány např. v lékařství, a to v biomechanice, která
využívá těchto poznatků ke zjištění vlastností jednotlivých částí lidského těla (např. lidských
tkání, kloubů, nosných kostí v těle aj.).
Mez pevnosti v diagramu σ-ε se rozlišuje jako smluvní, což znamená, že výpočet napětí
vychází z předpokladu, že původní průřez tyče S0 se nemění, zjednodušeně podle vztahu
(7.31):
0S
F
R m
m = (7.31)
tj. v tabulkách se uvádí smluvní mez pevnosti Rm. S ohledem na bezpečnost konstrukcí je
násoben konečný výsledek výpočtu (např. vypočtenou šířku nosného pilíře, průměr nosného
lana, průměr hřídelů přenášejících kroutící moment, počet podpůrných-výztužních prvků na
110 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
m2
vyztužované plochy, resp. na m délky atd.) tzv. bezpečnostním koeficientem. Průběh
diagramu σ-ε v plastické oblasti, tj. za mezí kluzu, je třeba znát nejen pro představu, jaký je
charakter přetvárnosti materiálu, ale zejména proto, že na základě znalosti této části lze
pomocí fyzikálního vztahu predikovat stav napjatosti v tom kterém materiálu podle vnějšího,
resp. okamžitého provozního zatížení. Na základě predikčních výpočtů lze teprve realizovat
konstrukční projekty. Protože jednoznačný analytický popis této oblasti neexistuje, využívají
se k jejímu popisu různé aproximace pracovního diagramu a pevnostní hypotézy. Znalost
této oblasti je velmi důležitá pro konstruktéry, tvářeče, obráběče materiálů, protože např.
proces řezání materiálů je procesem plastické deformace. Obecně pro plastickou oblast
přetváření platí zobecněný Hookeův zákon (7.32):
σ = C φn,
(7.32)
kde jsou: C materiálová konstanta,
n exponent deformačního zpevnění,
φ okamžitá, skutečná relativní deformace daná vztahem (7.33)
,ln
0l
l
= (7.33)
Parametr-proměnná σ je skutečné napětí (
S
F
= ), které je možné na základě předpokladu, že
při plastické deformaci tyče je zachován její objem, stanovit ze vztahu (7.34):
.
00 Sl
l
F= (7.34)
Zobecněný Hookeův zákon popisuje tvar tahového diagramu v souřadnicích skutečné napětí –
skutečná deformace, a to v oblasti rovnoměrné plastické deformace. Tento zákon přechází pro
n = 1 a C = E do tvaru  E= .
K provádění technických výpočtů v teorii plasticity je potřebné poznat analytickou závislost
skutečného napětí na deformaci. Funkce, která by přesně vyjadřovala tvar skutečného
pracovního diagramu, by však byla velmi složitá. Proto se používá aproximace pracovního
diagramu. Často používaná aproximace pracovního diagramu u materiálů bez výrazné meze
kluzu je Ramberg-Osgoodova aproximace (7.35):
n
p
pe
KE
1








+=+=

 , (7.35)
111 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
kde jsou: Kp součinitel pevnosti, který se stanovuje měřením,
e elastická deformace,
p plastická deformace,
n exponent deformačního zpevnění.
Tato aproximace se využívá např. u výpočtů napětí v kořenech vrubů atd. Pro ty materiály,
které mají výraznou mez kluzu se využívají bilineární aproximace, tj. tzv. pracovní
diagramy tuho-plastického materiálu se zpevněním (běžná ocel) nebo bez zpevnění. Například
pro tuhoplastický materiál se zpevněním (obr. 7.17) je uváděn postup měření, který odpovídá
v podstatě zkoušce tahem. Prodloužení tyče se měří přesným průtahoměrem. Je předepsáno
minimálně 20násobné zvětšení deformace. Z tahového diagramu se odečtou trvalé deformace
1l až nl (obr. 7.17 a).
Hodnoty exponentu n a konstanty C se určují jednak graficky, jednak výpočtem metodou
nejmenších čtverců, kdy za regresní funkci je použit vztah (7.36):
BxAy += , kde (7.36)
,ln=− y ,ln=x
,nA = .lnCB =
a) b)
Obr. 7.17 a) určení sil a deformací; b) grafické stanovení hodnot C a n
112 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Grafické řešení je znázorněno na obrázku 7.17 b). Na osu x se vynesou hodnoty 1ln až nln ,
na osu y hodnoty 1ln až nln , a to podle vztahu (7.37):
,ln
0
10
1
l
ll +
= ,
00
10
11
Sl
ll
F
+
= atd. (7.37)
Průsečíky odpovídajících hodnot iln a iln se proloží přímka, hodnota Cln je dána
průsečíkem s osou y (pro 0ln = , kdy 1= ). Hodnota exponentu zpevnění n určuje sklon
přímky a je dána hodnotou tg . Hodnotu exponentu lze vypočítat pomocí vztahu (7.38):
.
lnln
lnln
1
1


−
−
=
n
n
n (7.38)
ad Viskozita-tekutost kapalin
Obecně vzato se látky se nacházejí jak v pevném, tak v kapalném a plynném skupenství, a to
za podmínek specifických pro daný materiál. Viskozita-tekutost se týká zejména
charakteristiky pevného a kapalného skupenství látek; je odrazem experimentálně pozorované
skutečnosti, že reálné pevné a kapalné látky nemění svůj tvar a objem bez dodání energie.
Jinými slovy řečeno: jednotlivé vrstvy kondenzovaných soustav se nemohou vzájemně
posouvat bez tření. O viskozitě se však prakticky hovoří především u kapalin. U pevných
látek se totiž lze s tečením setkat pouze při velmi vysokých tlacích nebo velmi vysokých
teplotách (např. extrémní třecí síly při deformacích jsou příčinou ohřevu materiálu a tečení
pevných látek). Jestliže jsou tedy nastaveny takové podmínky, při kterých látka teče (dochází
ke vzájemnému posuvu vrstev po sobě), vznikají mezi vrstvami tangenciální napětí  , která
lze v jednoduchém případě vyjádřit vztahem (7.39):
grad = v , (7.39)
kde jsou:  dynamická viskozita,
v rychlost pohybu vrstev látky.
Další důležitou otázkou dané problematiky je otázka souvislosti dynamické viskozity η s
vnitřní strukturou pevných látek. Dynamická viskozita pevných látek dosahuje hodnot až 1011
Pa·s. Tuto hodnotu lze stanovit na základě mikrofyzikálních procesů probíhajících v pevné
látce při tečení. Viskozita musí být projevem existujících meziatomových
113 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
a mezimolekulárních sil, které v pevných látkách mají kovalentní a iontový charakter.
Dynamická viskozita je určena vztahem (7.40):
1
dv
dy
 
−
 
=  
 
. (7.40)
Gradient rychlosti (dv/dy) lze stanovit v případě, že jedna vrstva atomů se posune po druhé
vrstvě o jednu meziatomovou vzdálenost (obr. 7.16) za 1 sekundu.
Obr. 7.16 Posun vrstvy atomů při tečení
V tomto případě pak platí (7.41):
1
1
−
−
==

= s
a
sa
a
v
dv
dy
. (7.41)
Veličina  je tečné napětí působící na pohybující se vrstvu. K posuvu vrstvy atomů může dojít
tehdy, vykoná-li síla odpovídající působícímu napětí  po nějaké dráze d práci, která se přibližně rovná
vazebné energii všechatomůpřipadajícíchnajednotkovouplochu.Je-liE1 energievazby jednoho atomu, N
počet atomů v jedné vrstvě na jednotkové ploše a d dráha, pak musí platit vztah (7.42):
1ENd = . (7.42)
Je třeba si však uvědomit, že mechanická práce se koná jen do té doby, kdy atom překoná polovinu
meziatomové vzdálenosti (tedy d = a/2), neboť poté již převládne přitažlivý účinek sousedního atomu
atečenípokračujesamovolně. Pak tedy platí vztah (7.43):
a
EN 12
= , (7.43)
přičemžposubstitučníúpravěprodynamickouviskozituplatívztah(7.44:
114 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
dv
dy
a
E
dv
dy
a
EN
3
11 22
== . (7.44)
Vztah vyjadřuje souvislost dynamické viskozity pevné látky s mřížkovou konstantou a.
Vyplývá z něj, že dynamická viskozita s rostoucí hodnotou parametru mřížky pevné
látky klesá.
Uvažujeme-li například určitou pevnou látku s kovalentní, případně s iontovou vazbou (E1 = 3
eV až 7 eV) a s mřížkovou konstantou kovů (a = 3.10-10
m), pak při stanoveném gradientu
rychlosti platí vztah (7.45):
dy
dv
(7.45)
takže dostáváme pro dynamickou viskozitu hodnotu 11
10 Pa·s, což odpovídá
experimentálně stanoveným hodnotám. Diskutovaný vztah lze tedy považovat za správný.
Kontrolní otázky
1. Charakterizujte rozdělení materiálů do základních skupin, a to podle podobných
vlastností, podobných postupů zpracování a podobných aplikací.
2. Které materiály jsou nejdůležitější pro konstruktéra a z jakého důvodu?
3. Srovnejte keramiku a sklo s kovy, a to s ohledem na působení deformačního napětí.
4. Srovnejte polymery a elastomery s kovy, a to s ohledem na pružnostní a pevnostní
moduly.
5. Proč se v technické praxi uplatňují kompozity, jaké jsou jejich výhody a nevýhody?
6. Charakterizujte signifikantní vlastnosti technických materiálů a jejich základní
rozdělení.
7. Srovnejte oceli, litiny a neželezné kovy z hlediska jejich aplikovatelnosti.
8. Srovnejte přírodní a syntetické materiály z hlediska jejich aplikovatelnosti.
9. Charakterizujte fyzikální vlastnosti materiálů a kritéria pro jejich volbu.
10. Charakterizujte mechanické vlastnosti materiálu a kritéria pro jejich volbu.
11. Charakterizujte technologické vlastnosti materiálu a kritéria pro jejich volbu.
12. Charakterizujte chemické vlastnosti materiálu a kritéria pro jejich volbu.
13. Charakterizujte postup výběru materiálu pro nový produkt/výrobek.
14. Charakterizujte postup výběru náhradního materiálu pro již existující produkt/výrobek.
15. Charakterizujte vztah volby materiálu a technologie.
115 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
16. Charakterizujte hlavní nákladové vstupy do výrobku a cenové aspekty volby
materiálu.
17. Jakým způsobem ovlivňují dislokace pevnost a pružnost pených látek?
18. Které základní oblasti tzv. pracovního diagramu lze odlišit při deformaci pevných
látek?
19. Popište proces tečení v oblasti plastické deformace pevných látek.
20. Vysvětlete podmínky, za kterých jsou látky viskózní a jak je určena dynamická
viskozita.
Doporučená studijní literatura
KMEC, J., et al., 2014. Delenie materiálov. 1. vyd. Košice: Technická univerzita v Košiciach.
287 s. ISBN 978-80-553-1872-1.
KMEC, J., et al., 2014. Materiály pre automobilový priemysel. 1. vyd. Košice: Technická
univerzita v Košiciach. 220 s. ISBN 978-80-553-1862-2.
KMEC, J., et al., 2015. Technologis For Automotive. 1. vyd. České Budějovice: Vysoká škola
technická a ekonomická v Českých Budějovicích. 170 s. ISBN 978-80-7468-098-4.
KMEC, J., et al., 2014. Kovové materiály pre výrobu automobilov. 1. vyd. České Budějovice:
Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích. 183 s. ISBN 978-80-7468-
069-4.
DOBROVIČ, J., GOMBÁR, M., KMEC, J., 2016. LOGISTIKA – Základy podnikovej
logistiky. PU Prešov, FM Prešov. Bookman Prešov. 155 s. ISBN 978-80-8165-192-2.
KMEC, J. et al., 2015. Průmyslová Logistika ve strojírenství: studijní skripta. 1. vyd. České
Budějovice: VŠTE v Českých Budějovicích. ISBN 978-80-7468-088-5.
SPIŠÁK, E., KMEC, J. et al., 2012. Materiály pre konvenčné a progresívne technológie. 1.
vyd. Košice: TU. 317 s. ISBN 978-80-553-1251-4.
VALÍČEK, J., 2013. Fyzika 1. pro obor Lovecké, sportovní a obranné zbraně a střeliva. 1.
vyd. Ostrava: VŠB-TU v Ostravě. 152 p. ISBN 9788024821405.
116 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Klíčové pojmy:
Nerezové materiály, švédské oceli, nízkouhlíkové oceli.
8 Materiály v současné strojírenské praxi
Cíle kapitoly
Cílem kapitoly je seznámit studenty s dalšími materiály, které se v současné produkční praxi
používají. Jde o nerezové materiály, švédské oceli a nízkouhlíkové oceli určené k tažení za
studena, které se používají v automobilovém průmyslu.
Úvod do kapitoly
Jde o tzv. nerezový materiál, „nerezavějící“, tj. korozivzdornou ocel, vysocelegovanou ocel
se zvýšenou odolností vůči chemické i elektrochemické korozi. Tyto oceli jsou tvářené ve
formě polotovarů, podle použití jde o konstrukční oceli, podle záruk chemického složení ze
strany dodavatele ušlechtilé oceli, kde jejich chemické složení zaručuje výrobce, tj. zaručuje
minimální i maximální obsah prvků, podle chemického složení slitinové, obsahující jeden
nebo více legujících prvků.
Rozdělení a označování ocelí se v Evropě sjednocuje na základě evropských norem (EN),
které se postupně stávají normami celoevropskými. V České republice jsou vydávány jako
ČSN EN. Rozdělení ocelí je dáno evropskou normou EN 100020, v níž se definuje:
➢ pojem oceli ke tváření,
➢ rozdělení druhů ocelí podle chemického složení,
➢ rozdělení do hlavních skupin jakosti na základě vlastností a účelu použití.
Výklad
Jako oceli ke tváření jsou označovány materiály, u nichž hmotnostní podíl železa je větší než
u kteréhokoliv jiného prvku. Tyto materiály obsahují méně než 2 % C a další prvky.
117 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Oceli jsou rozdělovány podle chemického složení na:
➢ nelegované oceli - obsah jednotlivých prvků nedosahuje tyto mezní hodnoty (hmotnostní
podíl prvků je uveden v %):
Mn = 1,65 Si = 0,60 Cu = 0,40 Ni = 0,30
W = 0,30 Co = 0,30 Al = 0,30 V = 0,10
Mo = 0,08 Ti = 0,05 Bi = 0,10 Nb = 0,06
Zr = 0,05 Pb = 0,40 B = 0,008
➢ legované oceli - obsah jednotlivých prvků minimálně v jednom případě dosahuje nebo
překračuje výše uvedené mezní hodnoty obsahu legujících prvků.
Oceli jsou rozdělovány podle jakosti na základě vlastností a účelu použití; jakostní skupina
legovaných ušlechtilých ocelí vykazuje vlastnosti, které jsou dosahovány předepsaným
chemickým složením a zvláštními podmínkami zpracování:
➢ legované konstrukční oceli,
➢ legované oceli pro tlakové nádoby a zařízení,
➢ oceli pro valivá ložiska,
➢ nástrojové oceli,
➢ rychlořezné oceli,
➢ oceli se zvláštními fyzikálními vlastnostmi - feritické Ni oceli.
Oceli jsou rozdělovány podle obsahu legujících prvků:
➢ korozivzdorná ocel obsahující maximálně chrom v 10,5 % a uhlík v 1,2 %,
➢ rychlořezné oceli s obsahem uhlíku větším než 0,60 % a chromu 3,0 až 6,0 %, kromě
dalších prvků obsahují minimálně dva z trojice prvků Mo, W, V, a to s celkovým
obsahem nad 7 %.
Nerezové oceli
Antikorozní oceli jsou chromové slitiny se železem obsahující 12 až 30 % chrómu, až 30 %
niklu nebo do 2,4 % manganu při určitém množství molybdenu, křemíku, mědi, titanu, niobu,
dusíku ap. (v množství nejvíce několika procent). Chrom zajišťuje pasivitu těchto slitin a je
proto rozhodujícím prvkem pro dosažení odolnosti vůči korozi. Nerezové oceli jsou
v některých prostředích náchylné k místním druhům koroze (bodová, štěrbinová,
118 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
mezikrystalická, korozní praskání). Ty však mohou být vyloučeny vhodným výběrem oceli
pro dané podmínky.
Ačkoliv chrom, nikl, mangan a další slitinové prvky jsou v nerezových ocelích obsaženy
v poměrně velkém množství, základním prvkem je stále železo a jeho slitina s uhlíkem, tj.
ocel.
Nerezové oceli jsou rozdělovány podle jejich chemického složení a struktury na:
➢ austenitické,
➢ martenzitické (kalitelné),
➢ feritické,
➢ austeniticko-feritické (duplexní).
ad Austenitické oceli. Mají ze všech základních tříd nejvyšší korozní odolnost, kterou
lze ještě zvyšovat přidáním molybdenu a mědi. Významnou vlastností je tažnost
a houževnatost. Za účelem získání různých vlasností se základní složení upravuje
přidáním dalších prvků, a to s cílem zvýšení:
➢ celkové korozní odolnosti (chróm, molybden, měď, křemík, nikl),
➢ kvality mechanických vlastností (dusík),
➢ obrobitelnosti (síra, selen, fosfor, olovo, měď),
➢ odolnosti proti praskavosti svarů (mangan),
➢ odolnosti proti bodové a štěrbinové korozi (molybden, křemík dusík),
➢ odolnosti proti koroznímu praskání (omezení obsahu fosforu, arsenu, antimonu),
➢ pevnosti při tečení (molybden, titan, niob, bor),
➢ žáruvzdornosti (chrom, hliník, křemík, nikl).
ad Martenzitické oceli. Jejich korozní odolnost je nízká. Mohou ale nalézt aplikace ve
styku s kyselinou dusičnou, boritou, octovou, benzoovou, olejovou, pikrovou, s
uhličitany, s dusičnany a s louhy. Se stoupající teplotou však jejich odolnost klesá.
Odolnost vůči atmosférické korozi je dostatečná jen ve velmi čistém ovzduší.
ad Feritické oceli. Jsou magnetické a dostatečně tažné. Vyšší obsah chrómu zvyšuje
jejich korozní odolnost, která je v oxidačních prostředích vyšší než u martenzitických
ocelí. Jejich užití je nejčastější v chemickém průmyslu, v prostředí kyseliny dusičné, v
119 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
dopravě, vzduchotechnice, architektuře. V některých průmyslových atmosférách však
nevyhovují, nevhodné jsou zejména ve svařovaných konstrukcích.
ad Austeniticko-feritické (duplexní) oceli. Jsou odvozeny od klasických
austenitických ocelí. V důsledku vysokého obsahu chrómu a molybdenu mají výbornou
odolnost vůči puklinám a korozi. Mikrostruktura duplexu poskytuje vysokou odolnost
v lomu vůči korozi pod tlakem, vůči námahové korozi a erozi. Svařitelnost duplexních
ocelí je dobrá.
Odpovídající jakosti v ČSN
Feritické oceli 17020, 17021, 17022, 17023, 17024, 17040,
Austenitické oceli 17240, 17249, 17352, 17350, 17349, 17248, 17348,
Austeniticko-feritické 17381.
Všeobecné charakteristiky nerezových materiálů
Plechy válcované za studena.
Vyrábějí se podle DIN 17441 / EN 10088-2, tolerance DIN 59382. Povrchové provedení:
2R (IIId) válcovaný za studena, leskle žíhaný, zrcadlový lesk.
2B (IIIc) válcovaný za studena, mořený, žíhaný, jemně doválcovaný za studena, matně
lesklý.
2G válcovaný za studena, broušený (různé druhy P80 až P400) nebo broušený
a leštěný.
2J válcovaný za studena, kartáčovaný (Scotch-brite).
Plechy válcované za tepla.
Vyrábějí se podle DIN 17440/EN 10088-2, AD-W2. Tolerance DIN 59382, EN 10029.
Dekorativní plechy
Jakosti : 1.4016, 1.4301, 1.4404 (AISI 430, 304, 316L)
Povrchová úprava : 2B (žíhané, mořené), 2R (lesklé žíhané);
další povrchové úpravy na vyžádání;
Rozměry: tloušťka 0,5-2,0 mm;
Formáty: 1000×2000 mm; 1250×2500 mm; 1250×3000 mm; 1500×3000 mm
další formáty na vyžádání.
120 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Tvarově válcované plechy
Jakosti: 1.4016; 1.4301; 1.4404 (AISI 430; 304; 316L)
Povrchová úprava: 2B (žíhané, mořené); 2R (lesklé žíhané); R13;
kartáčované; kolorované;
další povrchy na vyžádání;
Rozměry : tloušťka 0,5-2,0 mm;
Formáty: 1000×2000 mm; 1250×2500 mm; 1250×3000 mm; 1500×3000 mm;
další formáty na vyžádání
Plechy se speciální povrchovou úpravou.
Kolorované, broušené, tepané a leptané dekorativní plechy (různé vzory).
Podlahové (slzičkové) plechy.
Vyznačují se protiskluzovými vlastnostmi, bližší informace o jakostech, formátech a
povrchových úpravách lze vyžádat u výrobce.
Švédské vysoce-pevnostní oceli
Ocel může mít mnoho různých vlastností, může být tvrdá nebo měkká, houževnatá nebo
křehká, hrubá nebo tenká nebo super-pevná, aby odolala značnému opotřebení. Může mít také
kombinaci těchto vlastností, přičemž vlastnosti oceli jsou dány výrobním postupem
v ocelárnách, a to válcováním a následným zpracováním. Švédský výrobce se specializuje na
výrobu vysoce pevnostní oceli pro výrobu aut, potřeby domácností, produkty pro volný čas,
vnitřní vybavení budov, velké budovy, mosty, veřejné dopravní prostředky, stroje,
průmyslové závody či zdravotnická zařízení, přičemž při výrobě různých ocelí lze vybírat až z
500 různých druhů. Podíl progresivních švédských ocelí neustále roste spolu s rostoucím
počtem zákazníků, kteří objevují výhody a zjišťují, jak mohou tyto nové jakosti ocelí použít
ve svých náročných aplikacích. Pro dosažení optimálního výsledku je důležité kombinovat
technologie s inovacemi.
Výroba švédských ocelí se zajišťuje pomocí dvou různých postupů:
1. z rudy, přičemž se surové železo z rudy vyrábí ve Švédsku z pelet železné rudy ve
vysokých pecích v Luleĺ a Oxelösund; přidává se také menší množství šrotu, když se
121 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
surové železo rafinuje na surovou ocel v LD konvertorech; ve Švédsku se vyrábějí
ocelové plechy a hrubá ocel;
2. ze šrotu, vyrábí se v USA, kde ocelárny recyklují šrot v elektrických obloukových
pecích a surovou ocel vyrábějí výhradně ze šrotu; v USA se vyrábějí tlusté plechy.
V obou případech se konečné složení oceli realizuje v souladu s postupy SSAB při zkujňování
předtím, než se roztavená ocel odlévá a ochlazuje na bramy v kontinuální odlévací lince.
Vysokopevnostní oceli získávají svou pevnost přesným přidáním legujících prvků a svými
výrobními metodami jako např. kalením v extrémně rychlých kalicích procesech. Vysoká
přesnost je jejich rozhodující podmínkou.
Společnost SSAB je výrobce švédských ocelí. Je zaměřena na řešení náročných problémů.
Specialisté tohto výrobce mají jedinečné znalosti a zkušenosti ve všech oblastech výroby oceli
od různých vlastností oceli jako jsou pevnost, aspekty výrobního inženýrství, tváření a
spojování až po únavu, opotřebení a povrchové úpravy.
Dobrým příkladem je evropský automobilový průmysl, který zvýšil svůj nákup moderních
vysokopevnostních ocelí v průběhu posledních 10 let. To má za následek, že vozidla dosáhla
dobré výsledky v crash testech, mají nižší spotřebu paliva a přispívají ke snížení emisí oxidu
uhličitého. Výrobce švédských ocelí má vedoucí postavení na trhu nejprogresivnějších
kalených a zušlechtěných ocelí. Produkty z Docol oceli válcované za studena se často
používají pro osobní automobily. Zákazníci se často rozhodnou zkombinovat HARDOX,
WELDOX, DOMEX a Docol oceli v těžkých vozidlech, nákladních automobilech, přívěsech,
nástavbách nákladních aut, kontejnerech a jeřábech, a to s cílem optimalizovat své výrobky.
To má za následek výrazné zvýšení nosnosti, zvýšení životnosti aplikace a snížení nákladů na
údržbu. Existují i jiné aplikační oblasti. TOOLOX je speciální ocel používaná pro výrobu
lisovacích nástrojů.
Specialisté pro technické podpory zákazníkům jsou zapojeni do nových produktů a projektů
od počátku. Výrobce často vyvíjí nové jakosti oceli, které jsou určeny pro konkrétní aplikace.
Vývoj nových produktů takovýmto způsobem má jasné výhody.
122 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Současný sortiment švédských ocelí:
DOMEX ® jsou za tepla válcované plechy používané v aplikacích jako
jsou výroba lodí, mostů, budov, strojních zařízení, vozidel, zvedacích
zařízení a nádrží.
HARDOX ® je kalená a popouštěná otěruvzdorná ocel používaná na
nástavby sklápěčů, kontejnerů, drtičů, mlýnů a lžic rypadel.
DOCOL ® je ocelový plech válcovaný za studena, který je k dispozici
od měkké oceli pro lisování a ohýbání až po ultra-vysoce stabilní ocel.
DOGAL oceli jsou jakosti DP, dvoufázové oceli dobré tvařitelnosti
a pevnosti materiálu. Dogal 600 D a 800 DP jsou extra
a ultravysokopevné oceli žárově pozinkované.
WELDOX ® je vysoce pevná konstrukční ocel používaná na výrobky,
které jsou lehčí, ale mají stejnou nebo vyšší pevnost ve srovnání
s výrobky z běžné oceli. Používá se v aplikacích jako jsou jeřáby,
přívěsy a vozidla.
PRELAQ ® je povlakovaný ocelový plech pro stavební průmysl,
používá se na střešní krytinu, fasády, střechy, okapové roury a kování.
ARMOX ® je jakost oceli, která se používá zejména jako ochrana při
přepravě cenností jako jsou bankovní přepážky, odminovací vozidla,
osobní ochrana aj.
TOOLOX ® jsou moderní nástrojové oceli pro lisovací nástroje a části
strojů.
QSTE vysokopevnostní ocelové plechy válcované za tepla určené pro
tváření za studena. Oceli s tímto označením tvoří třídu jemnozrnných
mikrolegovaných termo-mechanicky válcovaných (TM) ocelí, které
jsou svou zvýšenou pevností vhodné pro ohýbání za studena.
123 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Nízkouhlíkové oceli určené k tažení za studena a jejich rozdělení
Ocelové plechy se vyrábějí válcováním za studena i válcováním za tepla. Z hlediska
zpracovaného množství představují podstatnou část produktů plechy válcované za studena.
Dodávají se ve formě svitků a tabulí o tloušťce 0,20 až 2,00 mm.
Podle stupně vhodnosti pro tváření jsou ocelové plechy válcované za studena rozděleny do
pěti skupin:
➢ MT jakost vhodná na mírné tažení (CQ),
➢ ST jakost vhodná na střední tažení (DQ),
➢ HT jakost vhodná na hluboké tažení (DQ),
➢ VT jakost vhodná na velmi hluboké tažení (DDQ),
➢ ZT jakost vhodná na složité tažení (EDDQ).
Tab.8.1 Rozdělení nízko uhlíkových ocelových plechů pro automobilový průmysl
Nové rozdělení nízko uhlíkových ocelových plechů pro automobilový průmysl SAE J2329 je
uvedeno v tabulce 8.1, kde jsou rozděleny plechy podle způsobu výroby: válcované za tepla
(Hot Rolled Steel) a válcované za studena (Cold Rolled Steel). Jsou uvedeny minimální
požadované vlastnosti, které reprezentují mez kluzu v tahu (Yield) a minimální hodnotu
exponentu deformačního zpevnění n. Nové rozdělení ostatních ocelových plechů pro
automobilový průmysl podle SAE J2340 je uvedeno v tabulce 8.2.
124 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Tab. 8.2 Rozdělení ostatních ocelových plechů pro automobilový průmysl
Staré AISI označení Nová SAE klasifikace
Oceli valcované za studena
Odolná ocel (DR – dent resistant) SAE J2340 Grades 180A, 210A, 250A, 280A
Dent Resistant Non Bake Hardenable
Oceli vytvrzené vypékáním
(BH – bake hardenable)
SAE J2340 Grades 180B, 210B, 250B, 280B
Dent Resistant Bake Hardenable
Vysokopevnostní oceli SAE J2340 Graddes 300S, 340S
High Strength Solution Strengthened
Vysokopevnostní mikrolegované oceli
(HSLA)
SAE J2340 Grades 300X,Y; 340X, 280X,Y
High strength low alloy 20X,Y; 490X, Y; 550 X,Y
Vysokopevnostní oceli žíhané SAE J2340 Grades 490R, 550R, 700R, 830 RTensile
Ultra High Strength Dual Phase
Dvoufázové oceli (DP),
vysoko-pevnostní oceli (HSS)
SAE J2340 Grades DH/DL 500 -1000 MPa Tensile
Ultra High Strength Dual Phase
Martenzitické oceli, HSS SAE J2340 Grade M 800 – 1500 MPa Tensile
Ultra High Strength Low Carbon Martensite
Na obrázcích 8.1 až 8.5 jsou znázorněny vlastnosti materiálů a jejich různé aplikace
v automobilovém průmyslu.
Obr. 8.1 Vztah mezi plastickými a pevnostními vlastnostmi ocelí pro automobilový průmysl
125 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Obr. 8.2 Různé oceli použité při výrobě disků kol automobilu
Obr. 8.3 Různé oceli použité při výrobě části podvozku automobilu
126 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Obr. 8.4 Použití jednotlivých druhů ocelí při výrobě nosných částí automobilové karoserie
Obr. 8.5 Použití jednotlivých druhů ocelí při výrobě povrchových částí automobilové karoserie
127 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Fyzikálně-metalurgické vlastnosti ocelí používaných při výrobě automobilu
Vlastnosti tenkých ocelových plechů a pásů z nízkouhlíkových ocelí jsou závislé na
chemickém složení, způsobu výroby oceli a způsobu výroby plechu. Na ocelové plechy
tažných jakostí jsou kladeny přísné požadavky nejen z hlediska mechanických vlastností, ale
také z hlediska tolerance tloušťky a kvality povrchu. Tyto faktory ovlivňují strukturu,
mechanické a technologické vlastnosti tenkých ocelových plechů tažných jakostí.
Tenké ocelové plechy tažných jakostí jsou vyráběny z ocelí s nízkým obsahem uhlíku (do
0,1 %).
Kromě uhlíku obsahuje ocel prvky, které se do ní dostávají nedokonalostí hutních procesů,
nebo jsou do oceli dodávány záměrně za účelem úpravy vlastnosti plechu (Mn, si, P, S, Cu,
Ni, Cr, Mo, O, N, Ti aj.).
Chemické složení a forma, v jaké se jednotlivé prvky v oceli nacházejí, mají velký význam
z hlediska tvářitelnosti a zachování stabilních vlastností ocelového plechu po válcování i při
pozdějším zpracování.
Strukturu nízkouhlíkových ocelových plechů tažných jakostí tvoří ferit a cementit. Ferit
v binární soustavě Fe-C je ohraničen tuhým roztokem uhlíku v železe. Ferit v ocelích však
rozpouští i jiné prvky, se kterými vytváří buď substituční roztok (Si, Mn, Cr, Ni, Mo, W)
nebo adiční tuhý roztok (N, H, O). Ferit je měkká strukturní fáze, proto oceli nízkouhlíkové
(feritické) jsou měkké, mají nízkou mez kluzu a pevnosti a vysoké hodnoty tažnosti
a kontrakce. Jsou to oceli s vysokou odolností vůči křehkému porušení a s dobrými
plastickými vlastnostmi. Plastické vlastnosti těchto ocelí jsou závislé na velikosti a tvaru
feritického zrna, množství a rozložení nečistot. U ocelových plechů je velikost feritického
zrna kompromisem mezi plastičností a hladkostí povrchu výtažku. U nízkouhlíkových
ocelových plechů tažných jakostí se požaduje také rovnoměrná velikost zrn (v rozsahu 2 až
3 stupně příslušné škály). Různá velikost způsobuje nerovnoměrné přetvoření plechu
v procesu tažení, které může být příčinou lokálního ztenčení, resp. porušení taženého plechu.
Kontrolní otázky
1. Charakterizujte nerezové materiály.
2. Charakterizujte austenitické oceli.
3. Charakterizujte martenzitické oceli.
4. Charakterizujte feritické oceli.
128 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
5. Charakterizujte austeniticko-feritické (duplexní) oceli.
6. Charakterizujte obecné charakteristiky nerezových materiálů.
7. Charakterizujte tvarově válcované nerezové plechy.
8. Charakterizujte švédské oceli.
9. Charakterizujte švédské oceli DOMEX, HARDOX a WELDOX.
10. Charakterizujte současný sortiment švédských ocelí.
Doporučená studijní literatura
GOMBÁR, M., KMEC, J., DOBROVIČ, SEMAN, R., 2018. Manažérske praktiky
navrhovania produkčných procesov a výrobkov. Stalowa Wola: Prešovská univerzita v
Prešove. ISBN 978-83-63767-78-5.
SPIŠÁK, E., KMEC, J. et al., 2015. Materiály v súčasnej praxi. 1. vyd. České Budějovice:
VŠTE v Českých Budějovicích. 240 s. ISBN 978-80-7468-089-2.
KMEC, J. et al., 2014. Kovové materiály pre výrobu automobilov. 1. vyd. České Budějovice:
VŠTE v Českých Budějovicích. 183 s. ISBN 978-80-7468-069-4.
KMEC, J. et al., 2016. Logistic Approach of Building and Development of Production Systém.
Nase More. 63(3), 145-149. ISSN 0469-6255.
129 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Klíčové pojmy:
Hliníková pěna, kovová pěna, identifikace materiálových parametrů, Průmysl 4.0.
9 Progresivní materiály a parametry
materiálů pro Průmysl 4.0
Cíle kapitoly
Cílem kapitoly je seznámit studenty s progresivními materiály, a to s hliníkovou pěnou
a kovovou pěnou a taktéž se způsoby identifikace materiálových parametrů
Úvod do kapitoly
Vývoj a optimální využívání progresivních materiálů a technologií jejich zpracování se stávají
v současné době národním ekonomickým imperativem pro ty státy, které si chtějí zajistit
trvalý ekonomický růst i jistou ekonomickou nezávislost. Nové materiály a technologie se
stávají jednou z hlavních priorit výzkumu a vývoje. Za progresivní materiály pokládáme ty,
u nichž prvořadý význam má syntéza a řízení jejich struktury, a to za účelem dosažení přesně
definovaných materiálových vlastností.
Mezi progresivní materiály lze zařadit zejména materiály:
➢ keramika,
➢ kompozity,
➢ kovová skla,
➢ nano a mikro-krystalické materiály,
➢ nové jakosti oceli (vysoká mikročistota, úzké rozmezí chemického složení),
➢ funkčně gradientní materiály,
➢ kovy s tvarovou pamětí,
➢ intermetalika,
➢ nové slitiny,
➢ inteligentní materiály,
➢ pěnové materiály.
130 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Termín progresivní materiál nemusí vždy znamenat materiál nový. V poslední době je často
preferován další vývoj již existujících materiálů. Je to často levnější a z hlediska trhu
výhodnější, protože vývoj nového materiálu trvá několik let a vždy negarantuje vznik nového
výrobku nebo trhu. Navíc zavedení nového materiálu do výroby není jednoduché a vyžaduje
splnění určitých podmínek, mezi něž patří nezbytná potřeba, dostatečná „zralost“ vývoje
nového materiálu, vhodná kombinace nabídky a poptávky, dostupnost materiálu a jeho cena.
Přestože zlepšování vlastností a jejich přizpůsobování požadavkům u tradičních materiálů je
menším rizikem než nákladný vývoj nových materiálů, jsou v mnoha oblastech možnosti
stávajících materiálů již vyčerpány, a proto je realizován a podporován svým způsobem vždy
rizikový vývoj materiálů nových (medicína, informatika, jaderná energetika, kosmonautika,
obrana apod.). K ekologickým aspektům výroby materiálů, zpracování a použití výrobků je
nutno přihlížet už při volbě materiálu pro daný výrobek. Přímý negativní dopad nevhodné
volby materiálu na člověka a jeho životní prostředí (zejména toxicita) musí být samozřejmě
vyloučen. Mezi hlavní faktory z ekologického pohledu patří:
➢ surovinová náročnost, těžba a zpracování surovin (např. s výrobou slitin železa souvisí
těžba jeho rud, koksovatelného uhlí, vápence a vysoká spotřeba energie),
➢ energetická náročnost (typickým příkladem je výroba hliníku z bauxitu),
➢ bezpečnost a dlouhodobá spolehlivost konstrukce (tankery, kontejnery na nevyhořelé
jaderné palivo aj.),
➢ možnost recyklace,
➢ toxicita.
Výklad
Charakteristika pěnového hliníku
Pěnový hliník je speciálním způsobem připravený vysokoporézní materiál na bázi hliníku
nebo jeho slitin. Póry tvoří více než dvě třetiny celkového objemu, čímž se dosahuje hustota
nižší než 1g∙cm-3
. Vzhledem ke své pórovité struktuře se vyznačuje vysokou měrnou tuhostí,
nízkou tepelnou a elektrickou vodivostí, vysokou pohltivostí zvuku a schopností absorbovat
velké množství deformační energie při nízkých napětích.
Tyto vlastnosti spolu s odolností vůči zvýšeným teplotám, nehořlavosti, recyklovatelnosti
a zdravotní nezávadnosti dělají pěnový hliník zajímavým pro použití, zejména v konstrukcích,
dopravních zařízeních a ve stavebnictví. V tabulce 9.1 jsou podle údajů různých výrobců
uvedeny nejdůležitější vlastnosti v současnosti vyráběných hliníkových pěn.
131 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Tab. 9.1 Vybrané vlastnosti v současnosti vyráběných hliníkových pěn
hustota modul tepelná elektrická pevnost v absorbční značka pěnového
pružnosti vodivost vodivost tlaku energie hliníku
(g∙cm-3
) (MPa) (W∙mK-1
) (m∙Ωmm-2
) (MPa) (MJ∙m-3
)
0.15 700 1.5 0.27 2 1 CYMAT(27)
0.25 2500 2.1 0.36 6 3 CYMAT(27)
0.3 4000 2.1 0.5 7 3.5 CYMAT(27)
0.4 8000 11 5 CYMAT(27)
0.54 0.91 3.05 HYDRO(28)
0.16 0.36 0.23 HYDRO(28)
0.27 0.4 0.64 HYDRO(28)
0.41 0.7 1.65 HYDRO(28)
0.5 5000 6 až 15 3 4.5 Alulight(11)
1 14000 25 až 50 9 0.49 Alulight(11)
Celulární struktura poskytuje pěnovému hliníku řadu výhod, které ho mohou ve více
případech upřednostnit před konvenčními materiály. Jeho vlastnosti jsou ovlivněny zejména
hustotou, závisí však i na distribuci, orientaci, tvaru a velikosti pórů. Popisu struktury,
mechanických a fyzikálních vlastností tohto zajímavého materiálu bylo věnováno mnoho
prací, přičemž největší pozornost se zaměřovala na deformační chování při tlakovém
namáhání, schopnost absorbovat nárazovou energii, absorpci zvuku, elektrickou a tepelnou
vodivost. Navzdory své nízké hustotě má hliníková pěna značnou pevnost, není zatěžována
svou vlastní tíhou jako jiné konstrukční materiály. Vykazuje nízkou tepelnou vodivost
a i elektrická vodivost je nižší než u příslušného kovu, protože póry jsou vyplněny nevodivým
médiem (jako jsou zejména vzduch, kyslík, aj.). Z těchto důvodů má kovová pěna dobrou
schopnost stínit elektromagnetické vlnění.
Nejdůležitější vlastnosti pěnového hliníku v závislosti na jeho struktuře předurčující jeho
různorodé a četné aplikace:
➢ relativní hustota,
➢ ohybová tuhost,
➢ schopnost absorbovat nárazovou energii,
➢ schopnost tlumit hluk.
132 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
ad Relativní hustota
Je najdůležitější charakteristikou celulárních materiálů. Relativní hustota je určená
vztahem (9.1):
S
 *
(9.1)
kde ρ* je hustota pěny a ρs je hustota materiálu stěn buněk.
Relativní hustota určuje objemový podíl materiálu stěn vůči celkovému objemu pěny.
Zvyšováním relativní hustoty dochází k hrubnutí buněčných stěn a zmenšování velikosti
pórů; při hodnotách relativní hustoty nad 0,5 celulární struktura přechází na strukturu
tuhého tělesa obsahujícího póry, při které se již výraz „pěna“ nepoužívá. Speciální lehké
pěny dosahují velmi nízkou relativní hustotu až 0,001. Polymerní pěny, které se používají
k tlumení, balení a jako izolační materiál mají obvykle relativní hustotu v intervalu 0,05-
0,2. Relativní hustota přírodních materiálů (jako jsou korek a většina lehkých dřev) se
pohybuje v intervalu 0,14-0,40. Relativní hustota pěnového hliníku v závislosti na
způsobu výroby leží v intervalu 0,07-0,40.
ad Ohybová tuhost
Obecně panuje představa, že pokud chceme postavit konstrukci, která by měla vydržet
značné zatížení, je třeba použít materiály jako jsou ocel a beton. Běžným stavebním
materiálům na takový účel v přírodě jsou však lehké látky, které mají celulární strukturu.
Celulární materiály se využívají zejména pro jejich vysokou tuhost při minimální
hmotnosti, což se dosahuje vhodným rozložením materiálu vůči osám namáhání. Materiál
je minimálně namáhán vlastní tíhou konstrukce. Nosník z pevného hliníku je při stejné
hmotnosti asi pětkrát tužší než nosník z oceli. Pěnový hliník se dá považovat za jistý typ
„hliníkového profilu“ s vyšším momentem setrvačnosti průřezu ve srovnání s kompaktním
materiálem stejné hmotnosti, jeho tuhost je však na rozdíl od jiných profilů stejná ve
všech směrech. Ohybová tuhost vyjadřuje vnitřní odpor vzorku vůči pružné deformaci
(9.2). Čím je větší, tím větší je napětí potřebné k vyvolání stanovené deformace (tab. 9.2).
Pro ohybovou tuhost platí vztah (9.2):
B E J=  (9.2)
kde jsou: E modul pružnosti,
J kvadratický moment plochy průřezu k neutrální ose tělesa.
133 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Tab. 9.2 Hustota, modul pružnosti a měrná tuhost typických konstrukčních materiálů
hustota ρ modul pružnosti E E /ρ 2
Materiál (g∙cm-3
) (GPa) (10-5
GPa∙kg-2
∙m6
)
Pěnový hliník 0.5 5 2.0
Sklo 2.5 70 1.1.
Hliník 2.7 69 1.0
Beton 2.5 50 0.8
Ocel 7.8 210 0.4
Epoxyd 1.3 5 0.3
Ohybová tuhost desek a sendvičů z pěnového hliníku se určuje při zkoušce na čtyřbodový
ohyb, protože tato zkouška je vhodnější pro materiály s nerovnoměrnou strukturou z hlediska
výhodnějšího rozložení průběhu ohybového momentu během působení ohybového zatížení.
Vzhledem k tomu, že napěťově-deformační křivky pěnového hliníku jsou charakteristické
malými oblastmi elastické deformace bez viditelné linearity průběhu napětí v závislosti na
deformace, bylo pro určování ohybové tuhosti nutné modifikovat průběh ohybového
zatěžování. Vzorek se při předem zvolených hodnotách průhybů odlehčil a znovu zatížil.
Křivka odlehčení a opětovného zatížení měla pak v závislosti na průběhu lineární průběh a
bylo ji možné použít pro výpočet ohybové tuhosti. Průhyb (obr. 9.1) potřebný pro výpočet
ohybové tuhosti je možno určit podle vztahu (9.3):
 yyy −= (9.3)
kde jsou: yε průhyb odpovídající síle Fε ,
yεo průhyb odpovídající síle F = 0 N.
Obr. 9.1 Příklad křivky získané při ohybových zkouškách pěnového hliníku
134 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Experimenty potvrdily předpoklad, že deformační chování pěnového hliníku
významně závisí na jeho hustotě. Z praktického hlediska hustota materiálu nemá velký
význam, důležitější je hmotnost součástky při určité definované tuhosti. Nejhrubší
vzorky jsou sice nejtužší při konstantní hustotě, ale i nejtěžší.
ad Schopnost absorbovat nárazovou energii
Zařízení na ochranu lidí a křehkých přístrojů před nárazem pracují na principu
přeměny nárazové energie na plastickou deformaci tlumícího elementu při takové
špičkové síle, která nezpůsobuje poškození chráněného objektu. Na základě výsledků
zkoušek v tlaku lze pěnový hliník považovat za velmi vhodný materiál pro tento účel.
Při nárazu na pěnovou strukturu se totiž energie spotřebuje na deformaci tenkých stěn
pórů, kterou způsobují již relativně nízká napětí. Stlačení pěny, tj. významné zmenšení
jejího objemu, navíc výhodně zajistí přijatelné zpomalení nárazu vzhledem k
dostatečně dlouhé deformační dráze.
Deformační energie W pohlcená při plastické deformaci silou F je dána plochou pod
silově-deformační křivkou po stlačení po celkové dráze L (9.4):
( )=
L
dllFW
0
(9.4)
Schopnost absorbovat energii daným materiálem nejlépe charakterizuje absorbovaná
energie na jednotku objemu materiálu. Experimenty potvrdily, že energie absorbovaná
v pěnovém hliníku během tlakové zkoušky významně závisí na zdánlivé hustotě
pěnového hliníku. Výrazně větší rozptyl při slévárenských slitinách je zapříčiněn
skokovým průběhem napěťově-deformační křivky. Ukazuje se však, že slévárenská
slitina je téměř dvakrát efektivnější než slitina tvárná, ať už při zvolené poměrné
deformaci nebo při tlakovém napětí. Vyplývá to z rozdílných mechanismů deformace,
při tvárné slitině se energie spotřebovává na plastickou deformaci stěn, při slévárenské
na jejich lom.
Pěnový hliník lze s výhodnou použít k vyplnění tenkostěnných profilů a výrazně tak
zvýšit nejen jejich pevnost, ale i schopnost absorbovat deformační energii. Při
srovnání deformačních křivek dutého ocelového profilu a téhož profilu po vypěnění
slitinou AlSi12Mg0,6, lze vidět, že ačkoliv špičkové napětí se vypěněním profilu příliš
nezvýšilo, absorbovaná energie se téměř zdvojnásobila.
135 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
ad Schopnost tlumit hluk
Pórovitá struktura umožňuje vniknutí zvuku/hluku do materiálu, přičemž vstupující
akustická vlna se odráží od stěn pórů a částečně se neutralizuje interferencemi nebo
přeměňuje na teplo, které vzniká rozkmitáním tenkých membrán a vnitřním třením
povrchů trhlin. Schopnost pórovité struktury tlumit hluk lze posuzovat ze tří hledisek:
1. mění rezonanční frekvence
Pokud se určitá součástka vyrobí z pěnového hliníku, nebo se tímto materiálem vyplní
dutý profil, bude se vyznačovat spektrem vlastních frekvencí, které závisí na modulu
pružnosti a na hustotě materiálu. Pokud se některé z vlastních frekvencí nachází
v rozsahu pracovních frekvencí součástky, mohou vznikat rušivé vibrace. Změnou
hustoty pěnového hliníku lze vlastní frekvence součástky přesunout mimo oblast jejich
pracovních frekvencí a nebezpečí výskytu vibrací takto eliminovat bez nutnosti změny
geometrii součástky.
2. absorbuje zvuk
Schopnost absorbovat zvukovou energii se určuje pomocí součinitele pohltivosti
zvuku α. Součinitel pohltivosti zvuku je definován jako podíl intenzity zvuku
pohlceného materiálem ke zvuku o intenzitě dopadající na materiál ze zdroje zvuku. Je
závislý od frekvence dopadající zvukové vlny a incidenčního úhlu, pod kterým
zvuková vlna dopadá na materiál. V případě pěnového hliníku také závisí na geometrii
izolačního materiálu, jeho hustotě a na průměrné velikosti pórů.
3. zvyšuje vnitřní tlumení
Jde o schopnost „pěny“ vnitřně konvertovat mechanickou vibrační energii na tepelnou
a utlumit tak nežádoucí šumy a vibrace odvodem do okolí ve formě tepla. Schopnost
disipovat vibrační energií se vyjadřuje tzv. ztrátovým součinitelem.
Z obrázku (obr. 9.2) je vidět, že pěnový hliník se vyznačuje maximální hodnotou
ztrátového činitele pro hustoty pěny 600 až 700 kg∙m-3
.
136 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Obr. 9.2 Závislost ztrátového součinitele pěnového hliníku
Tlumicí vlastnosti pěnového hliníku jen málo závisí na frekvenci. Dobré tlumicí
materiály dosahují ztrátový součinitel větší než hodnota 0,01. K disipaci energie
v pěnovém hliníku dochází zejména třením sousedících povrchů trhlin ve struktuře
a částečně i kmitáním tenkých stěn pórů. Vyšší ztrátové součinitele proto dosahují
pěny na bázi slévárenských slitin s velmi jemnou tenkostěnnou pórovitostí. Ztrátový
součinitel pěnového hliníku lze významně zvýšit přimícháním nerozpustných částic do
práškové směsi. Vnesou tak do struktury další mezipovrchy, které napomáhají lepší
disipaci energie.
Technologie výroby pěnového hliníku
Tváření pěnového hliníku spočívá ve zpěňování polotovaru ve vhodné formě.
Vzhledem k tomu, že ve formě vzniká prakticky konečný tvar součástky, operace
tváření není nutná. Z praktického hlediska přichází tváření v úvahu při plošných
vzorcích, které by bylo někdy z konstrukčních důvodů vhodné ohýbat nebo
zakružovat. V zásadě lze ohýbat pouze vzorky vyrobené z tvárných slitin. U
slévárenských slitin vznikají v důsledku velmi nízké tažnosti na straně vzorku
namáhané tahem trhliny, které se rychle šíří přes celý průřez a vzorek se tak porušuje.
Ohýbání desek z tvárné slitiny je omezeno tažností tenkostěnné povrchové vrstvy
a tloušťkou desky (čím tlustší deska, tím je větší deformace v tahu namáhané
tenkostěnné povrchové vrstvy pro určitý rádius ohýbání). Praktické zkoušky na
hustota (kg∙m-3
)
ztrátovýsoučinitel(-)
137 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
plotnách tloušťky 8 mm vyrobených z čistého hliníku ukázaly, že je lze zakroužit bez
vzniku povrchových trhlin do minimálního průměru asi 120 mm.
Obrábění pěnového hliníku vždy narušuje kompaktní povrchovou vrstvu a odhaluje
vnitřní strukturu pórů, proto se mu při návrhu součástky třeba v maximální možné
míře vyhnout. V praxi je však často třeba materiál dělit a vrtat. Při klasickém
třískovém obrábění dochází k ohýbání tenkých stěn pórů u tvárných slitin nebo k
jejich odlamování ve slévárenských úpravách. Stěny pórů se trhají v místech s
nejnižší tloušťkou, které nemusí vždy ležet v rovině řezu, což vede k nekvalitnímu
povrchu řezu a k nízké dosahované přesnosti rozměrů. Přesnost a kvalita řezu navíc
významně ovlivňuje časté nastavování tenkých stěn pórů a jejich následné difúzní
navařování na nástroj. Velká pórovitost a z ní vyplývající nízká tepelná vodivost
nedovoluje účinné chlazení odvodem tepla do okolí. Na druhé straně lze natavování a
ohýbání stěn pórů využít ke zpevnění povrchu řezu.
Z uvedených faktů vyplývá, že pokud má být dosaženo vyšší přesnosti rozměrů
součástky a lepší kvality obrobeného povrchu, nelze klasické způsoby třískového
obrábění použít. Nejvýhodnějším se ukázalo elektrojiskrové obrábění, při kterém
nedochází k mechanickému účinku na stěny pórů a je tedy vyloučen jejich pohyb,
případně trhání. Materiál v rovině řezu se zcela odstraní spálením. Výsledkem je čistý
řez s vysokou přesností rozměrů. Vzhledem k velké pórovitosti je rychlost
elektrojiskrového obrábění podstatně vyšší než u kompaktních materiálů. Základní
nevýhodou je nutnost použití dielektrika (petrolej aj.), které vniká do pórovité
struktury a po obrábění se z ní musí odstranit. Jediný možný způsob odstranění
dielektrika je jeho vypálení, což značně zatěžuje životní prostředí. Pokud je potřeba
materiál pouze rozřezat, lze použít elektrojiskrové řezání drátem ve vodě, což
zmíněnou nevýhodu částečně eliminuje. Pro přesné řezání pěnového hliníku lze
výhodně použít vodní paprsek s abrazivem.
Dá se říci, že pěnový hliník obrábět lze, ale k dosažení požadované kvality obrobeného
povrchu je třeba podstatně poskytnout vyšší náklady než v případě konvenčních
materiálů.
138 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Způsoby pěnění kovových tavenin
V současnosti existují 3 způsoby pěnění kovových tavenin:
➢ roztavením přidaného tuhého polotovaru, které obsahuje zpěňovadlo,
➢ vháněním plynu do taveniny z externího zdroje plynu,
➢ tepelným rozkladem přimíchaného zpěňovadla do taveniny.
Použijeme-li taveninu hliníku (nebo jeho slitiny) s malou viskozitou, pak má vzniklá pěna
větší kulaté póry vytlačené v důsledku působící vztlakové síly směrem k povrchu. Při výrobě
pěnového hliníku je však snaha, aby se vytvářely póry malé.
Např. jeden z prvních patentů napsaný v 40. letech navrhl použití druhého kovu jako
nadouvadla (rtuti) pro pěnový hliník. Tento druhý kov se odpaří při zahřívání hliníku na jeho
tavný bod a vytváří póry tímto způsobem.
Přímé pěnění kovů
Kovové taveniny mohou pěnit přímo za určitých okolností vytvářením plynu bublinek
v kapalině. Obvykle mají bubliny plynu vytvořené v kovové tavenině tendenci rychle se
dostat na svůj povrch kvůli vysokým vztlakovým silám ve vysoké hustotě kapaliny, avšak
tento nárůst může být omezen na aktivaci viskozity roztaveného kovu. To se může uskutečnit
pomocí jemných keramických prášků nebo legujících prvků. Četné pokusy o pěnění tekutých
kovů tímto způsobem (většinou hliník, hořčík, zinek nebo slitiny na bázi jednoho z těchto
kovů) byly prováděny během šedesátých a sedmdesátých let. Přestože byly vyrobeny některé
poměrně dobré kovové pěny, tak tento vytvořený materiál nenalezl své skutečné a trvalé
průmyslové aplikace.
Pěnění při vstřikování plynu
Způsob pěnění hliníku a hliníku slitiny v současnosti využívá Hydro Aluminum v Norsku
a Cyma Aluminum v Kanadě (původně používá metody a patenty vyvinuté společností Alc
a International). Podle tohoto postupu se částice karbidu křemíku, oxidu hlinitého nebo oxidu
hořečnatého používají ke zvýšení viskozity taveniny. Proto je prvním krokem příprava
hliníkové taveniny obsahující jednu z těchto látek. Problém je obdobou problému, který se
vyskytl při přípravě obyčejného kovového matricového kompozitu (MMC – Metal Mattrix
Composite), tj. při zvlhčování částic tavením a dosažení homogenní distribuce výztužných
částic. Kapalná MMC se realizuje vstřikováním plynů (vzduchu, dusíku, argonu) pomocí
139 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
rotujících oběžných kol nebo vibračních trysek. Cílovou funkcí oběžných kol nebo trysek je
vytvořit velmi mnoho plynových bublin v tavenině a distribuovat je jednotně, aby byla
získána pěna uspokojivé kvality. Vzniká tak viskózní směs bublin a kovových tavenin, která
se vznáší až na povrch kapaliny-kovové tekutiny. Před tuhnutím může být polotuhá pěna
zploštěna pomocí jednoho nebo více přítlačných válečků nebo pásů, aby se získala pěnová
deska. Výsledkem je tuhá kovová pěna (obr. 9.5) v zásadě tak dlouhá, jak je žádáno a stejně
široká, jak je široká nádoba obsahující kapalný kov (obvykle 10 cm). Objemový podíl
vyztužujících částic se typicky pohybuje v rozmezí od 10 do 20 % a střední velikost částic od
5 do 20 mm.
Obr. 9.5 Kovová pěna
Akumulace částic na buněčných stěnách hraje klíčovou roli v procesu stabilizace, protože:
1. částice zvyšují povrchovou viskozitu, čímž zpomalují odvodnění ve filmech;
2. částice jsou částečně navlhčené taveninou; bylo odvozeno, že úhel zvlhčování musí
být v určitém rozsahu, aby se zajistilo, že:
➢ rozhraní bubliny/částice je stabilní, když bublina stoupá přes taveninu, tj. částice
nejsou odstraněny z bublin;
➢ částice na rozhraní snižují celkovou energii dvojice bublinek s částicemi mezi nimi,
tj. stabilizuje se bublinové/částicové rozhraní.
Aplikace kovových pěn
Kovová pěna je materiál, jehož základ tvoří kov (nejčastěji hliník), který byl odlehčen
vzduchovými bublinami, porézní struktura tak připomíná kostní tkáň. Vyrábí se pomocí
práškové metalurgie: do zpráškovaného kovu se přidá hydrid titanu, který při zahřátí na
650 °C v uzavřené formě vytváří uvnitř kovu bubliny. Materiál si zachovává mechanické
140 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
vlastnosti kovu, přičemž minimálně tři čtvrtiny objemu tvoří vzduch, takže blok kovové pěny
je lehčí než voda. Má dobré tepelně izolační vlastnosti, tlumí zvuk i nárazy, je značně odolný
vůči radioaktivitě. Jeho využití může být rozličné: k výrobě izolačních stavebních panelů,
akumulátorů, plavidel a protéz nebo neprůstřelných pancířů z hlediska dispozic tlumení
nárazu projektilů.
V současné době čím dál více nacházejí průmyslové uplatnění odlehčené materiály vyrobené
na základě pěnového kovu, nejčastěji z hliníku a jeho slitin. Zdá se být neuvěřitelné, že i tento
porézní materiál lze použít pro konstrukční účely, a to především proto, že je snaha používat
materiály se značnou kompaktností bez pórů a mikroporezity. Je však nutné také
připomenout, že příroda vytvořila porézní organické látky, jako např. kosti, korály atd., které
se v důsledku své celulární (buňkové) struktury vyznačují poměrně vysokou tuhostí.
V důsledku toho, že pěnový systém představuje nelineární stochastické rozložení materiálu
v prostoru, nelze při konstruování dílů z kovových pěnových materiálů tak snadno definovat
jejich chování při různém namáhání. Výrobky z kovových pěn dovolují využívat dosud málo
známé principy, které při zavedení do výroby umožňují vhodněji rozmístit materiál v celém
objemu součástky. Je možné tak zvětšit průřez a tím i moment setrvačnosti bez zvětšení
hmotnosti součástky.
Vlastnosti pěnového hliníku
Mezi kovovými pěnami nachází největší uplatnění hliník a jeho slitiny, a to hlavně v důsledku
poměrně nízké hustoty (2 700 kg∙m-3
), nízké teploty tání (660 °C), poměrně vysoké tuhosti,
deformability a vynikající korozní odolnosti. Pěnový hliník vykazuje i dobrou pohltivost
nárazové energie a tlumicí schopnosti, výhodná je i nehořlavost a recyklovatelnost. Pěnový
hliník je vysoce porézní materiál, póry tvoří 60 % jeho objemu. Pro výrobu těchto pěn lze
použít dvou typů slévárenských slitin, a to slitin určených pro odlévání a slitin určených pro
tváření. Pěny vyrobené ze slitin hliníku pro tváření jsou póry převážně kruhového tvaru a
stěny pórů jsou tlusté. Naopak pěny vyrobené ze slévárenských slitin hliníku vykazují póry
menší s nepravidelným tvarem, stěny pórů jsou velmi tenké a struktura pěny značně
nerovnoměrná.
Z kovových pěn se v dnešní době nejvíce používají hliníkové pěny, protože vynikají
skloubením vysoké deformability, nízké hmotnosti, dobré korozní odolnosti, zdravotní
nezávadnosti a dobrých tlumících schopností. Ostatní kovy nemají v sobě zdaleka takový
141 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
potenciál, až na některé výjimky, jako jsou pěny vyrobené ze slitin na bázi mědi, niklu nebo
manganu. V hliníkových pěnách se skrývá velký potenciál využití, a to především ve
stavebnictví, v automobilním průmyslu a také v mnoha dalších odvětvích průmyslu. Jeho
hromadnému využívání jako konstrukčního materiálu brání především poměrně nízká pevnost
v tahu, množství strukturních vad, které vedou k oslabení konstrukční součástky, a také
poměrně vysoká cena. Moderní způsoby výroby poskytují možnost součástku z pěnového
hliníku vyztužit pomocí různých plechů a sítí. Tyto výztuhy jsou součástí kovové pěny,
protože se spojují během samotného procesu pěnění. Takto vyrobené součástky snadněji
přenášejí tlaková napětí pomocí výztuhy. Naopak jejich nevýhodou je, že při jejich výrobě
vždy zůstává vnitřní pnutí, zvýší se pravděpodobnost vzniku koroze (mezi hliníkovou pěnou a
výztuhou), což má v konečném důsledku negativní vliv i na pevnost součástky. Ideální
aplikace pěnového hliníku je tehdy, pokud se využije alespoň dvou, nejlépe však více jeho
předností současně. Například držák motoru v automobilech je vyplněný pěnovým hliníkem
za účelem zvýšení tuhosti, snížení hmotnosti, schopnosti pohlcení vibrací a nárazové energie
při havárii. Pěnový hliník lze použít i při výrobě přepravních vozíků a jiné manipulační
techniky. Další možností aplikace jsou stavby budov, kde se pohybují velké počty lidí, jako
jsou zejména supermarkety, kina nebo divadla. Zde se může využít porézní hliník ke
konstrukčním účelům a současně jako hlukový a tepelný izolátor v důsledku poměrně
vysokého absorpčního koeficientu (až 0,85). Vzhledem k tomu, že je téměř nehořlavý,
a dokonce se ani při jeho hoření neuvolňují jedovaté plyny, může být použit v autobusech,
letadlech, vlacích nebo v jiných dopravních prostředcích. Jeho nehořlavosti a nízké tepelné
vodivosti se využívá při výrobě tepelných štítů a jiných izolátorů. Velké možnosti aplikací má
pěnový hliník i při konstrukci armádních vozidel, a to především z důvodu schopnosti
odolávat nárazům při průniku projektilů nebo schopnosti pohlcovat energii tlakových vln při
výbuchu munice.
Průmyslové aplikace pěnového hliníku lze volit zejména v případech, kdy konstrukční
součástka využívá současně všechny jeho přednosti, tj. např. nízkou hustotu, schopnost
absorpce nárazové energie, tlumení hluku a vibrací, poměrně vysokou specifickou
deformabilitu pěnového hliníku. Výrobky z pěnového hliníku lze použít v těchto oblastech:
➢ lehké a tuhé konstrukce dopravních prostředků robotů, dopravníků, automatizačních
a manipulačních zařízení;
➢ deformační zóny vozidel, výtahových a dopravníkových zařízení;
142 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
➢ strojní díly tlumící hluk a vibrace;
➢ zvukoizolační panely do prostředí s vysokou vlhkostí, teplotou, prašností, proudících
plynů, vibrací a hluku.
Např. Finsko má druhou nejdelší vodní sít v Evropě. Přesto je jedinou zemí bez říční dopravy.
Finská jezera a řeky jsou příliš mělká pro velkotonážní plavidla, jejich ponor se sice dá
upravit, ale jak snížit hmotnost? Rovněž technologové v Německu hledají odpověď na stejnou
otázku a snaží se minimálně o 30 % zredukovat hmotnost speciálních kontejnerových lodí v
Hamburku. Pórovité materiály jako dřevo či lidská kostní tkáň jsou lehké, ale zároveň mají
vysokou tuhost, pevnost a pružnost. V kovu lze však uměle vyrobit póry a otvory a získat tak
tzv. kovovou pěnu. V důsledku uměle vyrobených pórů a otvorů, které tvoří až 95 % z
celkového objemu, kov získal celou řadu zcela unikátních rysů:
➢ nižší hmotnost,
➢ výbornou tepelnou vodivost,
➢ skvělé akustické vlastnosti (tlumící vibrace).
Na první pohled vypadají kovové pěny jako sýr Ementál s mnoha děrami, bublinková
čokoláda, molitanová houba nebo kovový hranol, v jehož útrobách někdo vyvrtal mnoho
malých tunelů. Kovové pěny se již dnes testují v lékařství při výrobě kovových implantátů a
stavaři z nich budují protihlukové stěny u dálnic. V důsledku atraktivního vzhledu kovových
pěn jsou využívány i v designu. Pěny z kovů se v zahraničí vyrábějí různým způsobem ze
slitin hliníku, mědi, železa, olova, niklu, hořčíku nebo titanu.
Zejména pěnový hliník nabízí jedinečnou kombinaci více výhodných vlastností, které se
jedním konvenčním materiálem současně dosáhnout nedají (např. vysoká tuhost a současně
nízká hmotnost nebo nízká tepelná a současně dobrá elektrická vodivost (obr. 9.6, obr. 9.7).
Obr. 9.6 Struktura pěnového hliníku Obr. 9.7 Součástky jako příklady použití
143 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Aplikace - Výplň dutých ocelových, případně hliníkových profilů
Slouží ke zvýšení odolnosti profilů vůči vzpěru, krutu, příčnému stlačení při minimálním
zvýšení hmotnosti, k ochraně proti korozi vyplněním dutin (zábrana vůči usazování špíny
a vlhkosti), ke snížení vibrací a hluku (vyplnění dutého prostoru), ke zvýšení schopnosti
absorbovat deformační energii;
Významného snížení celkové hmotnosti součástky lze dosáhnout, pokud se použijí
tenkostěnné profily, které se v nejvíce namáhaných průřezech vypění hliníkem, čímž se
zpevní (stěna profilu se nemusí předimenzovávat kvůli kritickému průřezu součástky).
V současnosti testované aplikace v automobilovém průmyslu zahrnují držák motoru, sloupky
a stranové výztuhy karoserie a pod. Typické množství pěnového hliníku např. v držáku
motoru je asi 1 kg.
Aplikace - Materiál deformačních elementů
Cílovou aplikací je zejména ochrana pasažérů v automobilu a citlivých částí přístrojů před
nárazem, důvodem k realizaci aplikace je vysoká schopnost absorbovat nárazovou energii
a poměrně jednoduchá možnost jejího nastavení na optimální hodnotu, nezávislost na směru
nárazu kvůli víceméně izotropní struktuře.
Deformační elementy na bázi pěnového hliníku se intenzivně a úspěšně testují
v automobilovém průmyslu, lze je použít jako trvalá jádra v hliníkových odlitcích za účelem
jejich odlehčení.
Slouží úspěšně rovněž jako náhrada pískových jader, umožňují vytvářet zcela uzavřené
odlehčené prostory v odlitku (příčná žebra v dutině profilu), zvýšení tuhosti odlitků, odolnosti
vůči krutu a příčnému stlačení při minimálním zvýšení hmotnosti, ochrana proti korozi
vyplněním dutin (zábrana vůči usazování špíny a vlhkosti), snížení vibrací a hluku (vyplnění
dutého prostoru), zvýšení schopnosti absorbovat deformační energii. Tvarová součástka
z pěnového hliníku zůstává po odlití trvale v odlitku a nahrazuje tak dutinu, která dříve
sloužila pouze k odlehčení. Zvýšení hmotnosti lze eliminovat snížením tloušťky stěny odlitku
při zachování, příp. zlepšení mechanických vlastností, hlavním důvodem je náhrada
pískového jádra, zejména odstranění nutnosti jeho pracného výtluku.
144 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Aplikace - Desky z pěnového hliníku
Lze používat na různé obklady stěn a fasád, výrobu nábytku, lehkých stavebních prvků,
přenosné kontejnery, přepážky v železničních vagonech, tramvajích, lodních kajutách apod.,
a to z důvodů:
➢ vysoká tuhost vzhledem k hmotnosti, jedinečný design, nízká tepelná kapacita, nízká
teplotní vodivost, výše tlumení hluku, nehořlavost, zdravotní nezávadnost, odolnost
vůči vlhkosti, plísním, UV záření, elektromagnetickému stínění,
➢ některé z uvedených aplikací vyžadují zvýšení pevnosti a odolnosti desky vůči
poškození použitím krycích hliníkových plechů nebo hranových hliníkových lišt,
vnější použití desek je podmíněno uzavřením mikrotrhlin v povrchové vrstvě
vhodným transparentním nátěrem.
Napjatostně deformační diagram σ-ε pro hliníkovou pěnu
Na základě tab. 9.1, která prezentuje vybrané vlastnosti v současnosti vyráběných hliníkových
pěn ilustrujeme pro komparaci s jinými materiály σ-ε (obr. 9.8) pro selektovanou hliníkovou
pěnu při Emat = 8 000 MPa. Obrázek 9.8 komplexně popisuje závislost napjatostnědeformačních
funkcí na podélném prodloužení ε pro hliníkovou pěnu a jde tedy v mechanice
a v materiálovém inženýrství o tzv. diagram přetvárnosti materiálů. Z tohoto diagramu σ-ε
můžeme explicitně identifikovat:
➢ geometrické parametry:
Ra0 - drsnost povrchu na neutrální rovině,
Ra - drsnost povrchu,
Yret - úhel vnitřního tření při namáhání,
➢ napjatostní parametry:
Rel – mez elasticity,
Re – mez kluzu,
Rm – mez smluvní pevnosti v tahu,
σsm – smluvní napětí,
σsk – skutečné napětí,
Rfr – mez pevnosti při přetržení,
145 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
➢ deformační parametry:
εel - poměrné prodloužení na mezi elasticity,
εRe - poměrné prodloužení na mezi kluzu,
εRm - poměrné prodloužení na mezi pevnosti,
εfr - poměrné prodloužení na mezi pevnosti při přetržení.
Obr. 9.8 Závislost napjatostně-deformačních f-cí na podélném prodloužení ε pro hliníkovou pěnu pro
Emat = 8 000 MPa
Kontrolní otázky
1. Charakterizujte pěnový hliník a jeho vlastnosti.
2. Charakterizujte ohybovou tuhost pěnového hliníku.
3. Charakterizujte schopnost pěnového hliníku absorbovat nárazovou energii.
4. Charakterizujte schopnost pěnového hliníku tlumit hluk.
5. Vyjmenujte aplikace pěnového hliníku a důvody jejich volby.
6. Charakterizujte kovovou pěnu.
7. Popište rozdělení druhů kovové pěny a kritéria tohoto rozdělení.
8. Vysvětlete tři základní způsoby výroby pěny z kovu.
9. Vyjmenujte aplikace kovové pěny a důvody jejich volby.
146 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Doporučená studijní literatura
KMEC, Ján, Monika KARKOVÁ a Ján MAJERNÍK. 2018. PLANNING MANUFACTURING
PROCESSES OF SURFACE FORMING WITHIN INDUSTRY 4.0. MM Science Journal,
Praha: MM Science Journal, 2018, č. 12, s. 2680-2685. ISSN 1803-1269.
KMEC, Ján, et al. 2014. Delenie materiálov. 1. vyd. Košice: Technická univerzita v
Košiciach, 287 s. ISBN 978-80-553-1872-1.
SPIŠÁK, Emil, KMEC, Ján, et al. 2012. Materiály pre konvenčné a progresívne technológie.
- 1. vyd. - Košice : TU - 2012. - 317 s.. - ISBN 978-80-553-1251-4.
JERZ, J., Kováčik, J., Simančík, F. 1995. Výroba, vlastnosti a použitie speneného hliníka.
Technológia 95, Bratislava.
LOSERTOVÁ, Monika. 2007.
https://docplayer.cz/18482709-7-kovove-peny-c-kovove-houby-morfologie-bunecnych-kovu-
obvykle-s-otevrenymi-a-vzajemne-propojenymi-dutinami-pory.html.
VALÍČEK J, HARNIČÁROVÁ M, ÖCHSNER A, HUTYROVÁ Z, KUŠNEROVÁ M,
TOZAN H, MICHENKA V, ŠEPELÁK V, MITAĽ D, ZAJAC J. Quantifying the Mechanical
Properties of Materials and the Process of Elastic-Plastic Deformation under External Stress
on Material. Materials. 2015; 8(11):7401-7422.
VALÍČEK J, HARNIČÁROVÁ M, KOPAL I, PALKOVÁ Z, KUŠNEROVÁ M, PANDA A,
ŠEPELÁK V. Identification of Upper and Lower Level Yield Strength in Materials.
Materials. 2017; 10(9):982.
VALÍČEK, J.; CZÁN, A.; HARNIČÁROVÁ, M.; ŠAJGALÍK, M.; KUŠNEROVÁ, M.;
CZÁNOVÁ, T.; KOPAL, I.; GOMBÁR, M.; KMEC, J.; ŠAFÁŘ, M. A new way of
identifying, predicting and regulating residual stress after chip-forming machining. Int. J.
Mech. Sci. 2019, 155, 343–359.
VALÍČEK, J., HARNIČÁROVÁ, M., KUŠNEROVÁ, M., ŠAJGALÍK, M., KMEC, J.,
KOPAL, I., PALKOVÁ, Z. (2020). Reverse reconstruction of surface topography from
residual stress after chip‐forming machining of the material. Materialwissenschaft und
Werkstofftechnik, 51(5), 579-585.
VALÍČEK, J., BOROVIČKA, A., HLOCH, S., HLAVÁČEK, P. Design method for the
technology of hydroabrasive cutting of materials. Patent application number: US
2012/0022839 A1, Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office.
147 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Klíčové pojmy:
Zásady automatizace pracovišť, projektovaní ATP, výrobní proces, procesní
řetězec, logistický řetězec.
10 Projektování automatizovaných
produkčních pracovišť
Cíle kapitoly
Cílem kapitoly je studenta seznámit a vysvětlit metodické pokyny pro vypracovaní
jednotlivých častí předprojektové a projektové dokumentace robotizovaných pracovišť.
Úvod do kapitoly
Zpracování předprojektové dokumentace automatizovaných technologických pracovišť ATP
nebo automatizovaných výrobních systémů AVS je poměrně pracná a časově náročná činnost.
Platí to zejména pro ty odvětví průmyslu, ve kterých dominantní postavení mají součástky
tvářené z plechu. Inženýrsko-projektová příprava nasazení ATP s průmyslovými roboty nebo
manipulátory pram je v současnosti mimořádně náročná na vývojové, konstrukční a
projektové kapacity, protože se zajišťuje individuálně vzhledem na specifické požadavky
automatizace operační manipulace, medzioperační manipulace, resp. vymezených
technologických úkolů v konkrétních výrobních podmínkách uživatele.
Výklad
Současné poznatky, získané při projektování robotizovaných pracovišť, si vyžádaly nový
metodický postup tvorby a realizace ATP a PRaM. I když je snaha uplatňovat při projektování
robotizovaných pracovišť platné předpisy a vyhlášky klasického projektování, proces
projekční přípravy a realizace ATP s PRaM má své specifické podmínky, z čehož vyplývá
odlišný metodický postup, a to podle etep od:
I. etapa - předprojektová příprava,
2. etapa - projetorová příprava,
3. etapa - realizace.
148 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Realizace ATP s PRaM vyžaduje správný technický a metodický přístup, který lze vyjádřit
obecným komplexním algoritmem (obr. 10.1).
Metodické pokyny pro vypracování jednotlivých částí předprojektové a projektové
dokumentace robotizovaných pracovišť uvádí standard, podle kterého se v současnosti
zabezpečuje projektová příprava ATP.
V oblasti předprojektové a projektové přípravy tvorby robotizovaných pracovišť plošného
tváření představuje nejdůležitější činnost projektanta posouzení technické reálnosti ATP ve
vztahu k technologii výroby a posouzení jeho struktury výstavby. Metodický přístup v této
činnosti lze vyjádřit následovně:
1) Shromáždění výchozích podkladů.
2) Rozbor technologické soustavy z hlediska možnosti použití PRaM:
a) analýza výlisků;
b) určení představitelů součástkového základny;
c) vytvoření skupin výlisky;
d) základní požadavky na tvářecí pracoviště.
3) Tvorba struktur robotizovaného pracoviště:
a) varianty uspořádání struktur ATP;
b) výběr optimální varianty uspořádání ATP.
4) Základní požadavky na atypické zařízení operační manipulace.
5) Ekonomické hodnocení.
149 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
150 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Obr. 10.1 Algoritmus metodického postupu realizace robotizovaných pracovišť
I. etapa - předprojektová příprava, 2. etapa - projetorová příprava,
3. etapa - realizace ATP
Algoritmus systémového přístupu tvorby robotizovaných pracovišť ve vztahu k
technologii výroby a jejich struktury výstavby v plošném tváření uvádí obr. 10.2.
Pojmem organizační flexibilitu se v uvedeném algoritmu označuje nalezení dostatečného
počtu vhodných výlisky (dosažení skupiny vhodných výlisky) v rámci podniku,
výrobně-hospodářské jednotky, resp. resortu za předpokladu, že ve více závodech se
vyskytuje podkritické množství podobných výlisků a jejich seskupením lze vytvořit
151 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
skupinu výlisků, vhodných na stavbu robotizovaného pracoviště s příznivým ekonomickým
efektem.
152 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Obr. 10.2 Algoritmus systémového přístupu tvorby robotizovaných pracovišť ve vztahu k
technologii výroby a jejich struktury výstavby v plošném tváření
Kritické množství výlisků pro robotizované pracoviště se určuje ve vztahu k rychlosti
výrobního taktu pracoviště.
Specifikace při třídění objektů pro produkční procesy
Komplexnost řešení automatizace, osvobozování člověka od nebezpečné, zdraví škodlivé
práce, spolu se zajištěním vysoké produktivity práce a ochrany životního prostředí, je
důležitým faktorem při projektování technologie a automatizace výroby. Vyvíjeny
modulární soustavy automatizovaných technologických pracovišť a automatizovaných
výrobních systémů jsou perspektivou automatizace v kusové a malosériové výrobě, ale i v
sériové výrobě v československém strojírenství. Vzhledem k tomu, že ve výrobním a
153 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
technologickém procesu se použije primárně postavení výrobku, musí každá specifikace
výrobních a technologických procesů začínat od analýzy výrobku.
Obecné zásady komplexní racionalizace výroby výlisky s pramence jsou následující:
- princip technologickosti, který vyžaduje spolupráci technologa, projektanta a konstruktéra
výlisky při účelné úpravě výlisky,
- princip optimální technologie, kterým se změnou výrobní metody usnadní systém
vyvažování pracoviště, zkrátí výrobní takt apod.,
- princip optimálního obsahu manipulačního procesu, který vyžaduje výběr optimální formy
technologického a funkčního rozdělení manipulačního procesu tak, aby se vzájemně
doplňovaly, a tak lépe využívaly pro celkovou vyšší efektivnost integrovaného ATP,
- princip souběžnosti, který zajišťuje současnou práci pramence a výrobního stroje,
- princip hospodárnosti, kterým se vylučují nepotřebné technologické a manipulační operace
a jejich komponenty,
- princip synchronizace a více účelnosti, stanovující obsah a pořadí vyko¬návania
manipulačních a technologických úkonů, při kterém se dosahuje nejvyšší vytížení pramence
a výrobního zařízení v ATP,
- princip optimál ní polohy PRaM (např. mezi lisy, před lisy apod.),
- princip zaručení provozní spolehlivosti.Třídník tvářených součástek - viz
Základní charakteristiky výroby výlisků
Konstrukční a technologická rozmanitost výlisky je značná. Z hlediska řešení, resp. návrhu
výrobních, manipulačních a konkrétních zařízení sortiment podobných výlisky třeba vybírat
tak, aby každý výlisek se v ATP mohl vyrábět se stejným sortimentem výrobních prostředků a
mohlo se s ním manipulovat se stejným sortimentem manipulačních prostředků. Důmyslným
výběrem a uspořádáním se jejich rozdílnost musí snížit na nejnižší míru, která stačí při
analýze, přičemž je třeba brát v úvahu, že každá výjimka může zvýšit substituční investiční
náklady, resp. zvýšit vedlejší časy při přetypování ATP.
154 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Konstrukční charakteristiky výlisky
Rozlišení rozdílnosti výlisky z pohledu konstrukčních charakteristik je zajímavé a účelné při
stavbě automatizovaného výrobního systému jednak z hlediska jejich tvarů, a jednak z
hlediska jejich rozměrů (ve vztahu k jejich hmotnosti).
Tvarové rozdíly výlisky
Tvarové rozdělení plošně tvářených výlisky je uvedeno v Třídník TTS, který vydal FORM
Brno. Z hlediska robotizace stačí uvažovat o čtyřech skupinách výlisky:
- výstřižky, které nepotřebují další operace (jednooperačné výstřižky). Mohou se zpracovávat
na samostatném automatizovaném technologickém pracovišti, které nepotřebuje Pram. V
praxi se jich vyskytuje téměř 40%. Zpracování jednooperačných výlisky se řadí mezi ATP,
protože na takových-to modulech ATP lze vystřihovat i viacoperačné výstřižky, přistřihnout a
nedokončené výlisky v sdružených postupových lisovacích nástrojích, které se musí
dopracovat v dalších operacích. Dopracování těchto výlisky vyžaduje důmyslný zásah do
technologie, který zajistí orientaci a separaci výlisky. V praxi jde o úpravu střižného nástroje,
resp. o použití osvědčených zařízení, které zvyšují stupeň automatizace,
- výlisky, které v rozvinutém tvaru mají tvar T nebo U, resp. trojúhelníkový tvar a které se z
důvodu úspory materiálu musí vystřihovat ve vícenásobném lisovadle se střižníky, navzájem
pootočenými o 180 °. Vyšší stupeň automatizace lze zajistit pouze po vyřešení speciálního
periferního zařízení s výsuvně otočným systémem,
- ohýbané výlisky a mělce tažené výlisky,
- hluboko tažené výlisky, při jejichž výrobě třeba používat dvojčinné tažné lisy. Do skupiny
vhodných výlisky proto nelze zařadit např. hluboké výtažky s ohýbanými výlisky.
Rozměrové rozdíly výlisků
Rozměrové rozdíly výlisky rozlišujeme tak, že rozvinutý tvar výlisky si představíme v
popsaném čtverci o rozměrech:
- do 25 x 25 mm, t. j. do 625 mm2 (1. skupina),
- do 200 x 200 mm, t. j. do 40 000 mm2 (2. skupina),
155 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
- do 620 x 620 mm, t. j. do 390 000 mm2 (3. skupina),
- nad 620 x 620 mm, t. j. nad 390 000 mm2 (4. skupina).
Uvedené rovnoměrné třídění výlisky vypracované ve FORM Brno nezohledňuje podmínky o
možnosti robotizace. Proto je vhodnější třídění výlisky z rozměrového hlediska. Přesné
hranice výlisky lze těžko stanovit. Platí však obecná zásada, že rozdíly v rozměrech výlisky
lze tolerovat do takové míry, dokud na to stačí rozměry lisovacích nástrojů vzhledem k
navrhovaný lis z hlediska jmenovité síly lisu.
Technologické charakteristiky výlisků
Výlisky se vyznačují rozdíly v počtu operací, v požadavcích na dokončovací operace a ve
způsobu vystřihování výlisků z pásu. Ovlivňují navrhování a výběr potřebných periferních
zařízení. Rozdíly v počtu operací Skupina podobných výlisky má skládat z výlisky se stejným
počtem operací. Pokud skupinu tvoří výlisky s různým počtem operací, výrobní linka musí
stavět se zaměřením na výlisek s největším počtem operací, přičemž u ostatních výlisky se
některá zařízení nebudou využívat. Uvedený nedostatek lze řešit sdružením, resp. sloučením
některých operací na jednom nástroji, přičemž se počet operací sníží, nebo tak, že na
kritickém výlisky se poslední operace vynechají a provádějí se klasicky mimo ATP.
Rozdíly v požadavcích na dokončovací operace
Rozdíly v požadavcích na dokončovací operace mohou být rozmanité, např .:
- závitování jednoho nebo více otvorů,
- odhrotování otvorů,
- zapouštění otvorů,
- vrtání, resp. vystružování otvorů,
- montáž dvou a více výlisky nýtováním,
- montáž dvou a více výlisky bodováním apod.
156 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Při uvedených rozdílech musí projektant posuzovat možnost nasazení výrobního stroje v
dokončovacím ATP a jeho technologii, pokud v době realizace budou vytvořeny podmínky
pro danou automatizaci. Uvedené dokončovací operace prováděné klasickým způsobem jsou
velmi pracné a v prognóze robotizace tvoří značné rezervy. V plošném tváření tyto
dokončovací operace aplikují zejména firmy Schlatter (Německo) a Bihler (Rakousko).
Rozdíly v polotovarech
Při výběru výlisků do skupiny vhodné pro realizaci ATP musí vybírat polotovary stejného
druhu zejména z hlediska rozměrové normy, protože výrobky z hlediska jakostní normy na
výběr periferních zařízení ovlivňují pouze nepatrně.
V praxi se vyskytují následující druhy polotovarů ve formě:
- svitkových pásů (ČSN 42 5350),
- pruhů, nastříhaných ze svitkových pásů, které jsou obyčejně delší než pásy z tabulí,
- pásů, které se stříhají z tabulí,
- ústřižků,
Kontrolní otázky
1. Charakterizujte etapy připavy až po realizaci ATP.
2. Charakterizujte metodický postup při předprojektové a projektové přípravě.
3. Charakterizujte obr. 10.1.
4. Charakterizujte obr. 10.2.
5. Charakterizujte algoritmus systémového přístupu tvorby robotizovaných
pracovišť.
6. Charakterizujte princípy komplexní racionalizace výroby.
7. Charakterizujte základní charakteristiky výroby výlisků.
8. Charakterizujte tvarové rozdělení plošně tvářených výlisky.
9. Charakterizujte rozměrové rozdíly výlisky.
10. Charakterizujte technologické charakteristiky výlisků.
157 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Doporučená studijní literatura
KAMPF, R., V. STEHEL, D. KUČERKA, J. KMEC, X. LIU, B. LI a W. CUI, 2017. Logistics
of production processes. University textbook. České Budějovice: The Institute of Technology
and Business in České Budějovice. ISBN 978-80-7468-115-8.
ROSENAU, M. D, 2000. Řízení projektů: příprava a plánování, zahájení, výběr lidí a jejich
řízení, kontrola a změny, vyhodnocení a ukončení. Praha: Computer Press. 344 s. ISBN: 80-
7226-218-1.
KEŘKOVSKÝ, M, O. VALSA, 2012. Moderní přístupy k řízení výroby. Praha: C.H. Beck.
153 s. ISBN: 978-80-7179-319-9
RUMIŠEK, P., 2003. AUTOMATIZACE ( roboty a manipulátory). VUT SF Brno. Dostupné
z:
http://ust.fme.vutbr.cz/tvareni/img/opory/emm_mechanizace_a_automatizace_roboty_rumise
k.pdf.
TOMEK, G., V. VÁVROVÁ, 2014. Integrované řízení výroby: od operativního řízení výroby
k dodavatelskému řetězci. Praha: Grada. 366 s. ISBN: 978-80-247-4486-5
BLAŠČÍK, F. , J. KMEC, 1989. Automatizácia technologických pracovísk v plošnom
tvárnení. 1. vyd Bratislava: Alfa Bratislava. 394 s. ISBN 80-05-00055-3.
158 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Klíčové pojmy:
Analýza materiálového toku.
11 Metody materiálových toků a sledu
operací výroby produktů
Cíle kapitoly
Cílem kapitoly je studenta seznámit a vysvětlit analýzu materiálových toků.
Úvod do kapitoly
Analýza a stanovení charakteru materiálového toku
Aby se výroba neb obchod mohl efektivně realizovat, třeba neustále zabezpečovat vstupy a
výstupy materiálu v souladu s požadavky zákazníka. Proto v dnešní době logistika
zásobovacích řetězců je samozřejmou metodou efektivní realizace materiálového toku a
aplikují ji projektanti a manažeři s cílem dosahování maximální spokojenosti s poskytovanou
obsluhou zákazníkovi. Při projektování nových kapacit nebo při reengineeringu podnikových
procesů je základní úlohou navrhnout a realizovat co nejvýhodnější materiálový tok.
Materiálový tok je organizovaný pohyb materiálu (surovin, rozpracovaných výrobků,
hotových výrobků i odpadu) ve výrobě nebo oběhu. Vyjadřuje se působištěm, směrem,
intenzitou nebo frekvencí. Konfigurace a délka materiálového toku závisí od prostorového
rozmístění jednotlivých objektů a komunikací v intravilánu podniku (když se řeší mezi
objektová doprava a manipulace), nebo uvnitř objektů od rozmístění strojů, zařízení a
pracovišť (když se řeší mezioperační nebo operační manipulace).
Výklad
Činitelé působící na materiálový tok
Zkušenosti ukazují, že při výrobě malého sortimentu výrobků s malým počtem operací není
řešení materiálového toku obtížné. Řešení se stává komplikovanější a obtížnější, jakmile se
však vyrábí větší počet různých a složitých výrobků nebo se skladuje široký sortiment zboží
159 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
s různým obratem a s nestejně velkým objemem výdaje. Třeba zohlednit a analyzovat vetší
počet vlivů různých činitelů, které jednotlivě i kolektivně v kombinaci působí na efektivitu
materiálového toku. Základní skupina činitelů je:
• vnější dopravní připojení,
• objem výroby,
• počet součástek nebo druhů materiálu,
• počet operací na součástky nebo materiály,
• počet uzlů nebo montážních skupin,
• tvar a rozměry prostoru nebo plochy,
• parametry materiálového proudu mezi objekty (pracovišti).
Napojení vnitropodnikových přepravních a manipulačních procesů na mimopodnikové
dopravní systémy určuje začátek i konec materiálového toku v podniku. Vnější železniční a
silniční komunikace je zpravidla už dopředu dána a je třeba se k ní v projektu podnikového
dopravně-manipulačního systému přizpůsobit (volba kompatibilní dopravní a manipulační
technologie zásobovacího řetězce v intravilánu podniku).
V případě objemu výroby se zohledňuje vztah objemu k sortimentu materiálu. Např. ve
výrobním systému, kde je i objem i sortiment malý, návrh materiálového toku se vypracuje
pro každý výrobek individuálně.
Tam, kde se všechny výrobky mohou vyrobit podle toho samého technologického postupu,
ale počet výrobků je různý, racionální návrh materiálového toku výrobního procesu se
neobejde bez schématu kompletního materiálového toku. Počet součástek a heterogenita
skladby druhů materiálu, ze kterých se skládá finální výrobek, může podstatně ovlivnit
konfiguraci a parametry materiálového toku.
Při poměrně malém počtu součástek nebo druhů materiálu je řešení toku jednoduché. Jakmile
se však finální výrobek skládá z velkého počtu různých součástek řešení celého zásobovacího
řetězce se stává složitějším, protože krom výroby součástek v požadovaném počtu je
zapotřebí vyřešit jejich další pohyb tak. aby byly k dispozici na stanoveném místě ve
stanoveném množství, kvalitě a času (např. montáž).
Počet uzlů nebo montážních skupin se projevuje např. v řešení materiálového toku
v kontinuálních sériových a proudových výrobách kusových výrobků tak, že se navrhne
taková technologie montáže finálního výrobku, která se bude sestávat z návrhu montážních
skupin nebo uzlů. Jejich fyzická montáž bude realizovaná na submontážních linkách. Při
160 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
řešení připojení vstupů submontážních linek třeba zohlednit plynulý přechod materiálového
toku předcházejících výrobních procesů. Směr a parametry submontážních linek třeba
navrhnout tak, aby výstupy z nich přímo navazovali na finální linku. Jinak vznikají zbytečné
mezioperační zásoby, prostoje linek apod.
Tvar plochy nebo prostoru, který je k dispozici pro projektování nové kapacity na „zelené
louce“ neklade na řešení materiálového toku moc omezujících podmínek. Návrh může být
zpracovaný akceptováním všech zásad efektivního toku a umožňuje přizpůsobit tomu
rozmístěné objekty, stroje, pracoviště aj.
V podnicích. které jsou už v provozu rekonstrukční záměry formulují pro řešení projektu
omezení, která jsou dané tvarem a velikostí prostoru. V tomto případě se třeba snažit
alternativními návrhy materiálového toku přiblížit realizační návrh co nejvíce k zásadám
efektivního toku.
Při řešení materiálového toku mezi pracovišti třeba pamatovat na podmínky dané organizací
zásobování a obsluhy pracoviště. Jinak třeba řešit tok mezi pracovišti, které budou spojené
s dopravníky nebo budou zásobované materiálem v paletách dopravované vozíkem nebo
jeřábem. Jiné bude řešení, jestliže se má tok zkrátit nebo jestli je třeba umožnit více strojovou
obsluhu.
Jakmile je možné soustředit velký počet technologických operací na malém prostoru, tak
manipulační tok lze situovat do tvaru písmena U. Konfiguraci materiálového toku výrobního
procesu, který přechází jistým úsekem a musí se vrátit do výchozí polohy, třeba uspořádat do
kruhu.
Navrhovaný materiálový tok závisí i od přepravních podmínek obrobků a výrobků. Do úvahy
třeba brát podmínky minimalizace přepravních (logistických) výkonů vyjádřené celkovými
přepravními náklady. Jak velký a těžký hotový výrobek se skládá z lehkých nebo malých
součástek tak je výhodnější z nich vytvořit manipulační jednotky a ty dopravovat na místo
finalizace hotového výrobku.
Metody analýzy materiálového toku a jejich popis
Při analýze materiálového toku se zkoumá efektivnost pohybu materiálu přes jednotlivé etapy
výrobního procesu. Efektivní tok si vyžaduje, aby materiál postupoval výrobním procesem
progresivně bez zbytečných oklik (co nejkratší dopravní cestou) a protisměrných pohybů.
Efektivní tok vyžaduje vyloučení zbytečné manipulace, uplatnění mechanizace a
161 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
automatizace manipulačních procesů v manipulačních jednotkách. Efektivní tok využívá
dispoziční podmínky trojrozměrného prostoru a šest stupňů volnosti pohybových řetězců
dopravních strojů a manipulačních zařízení. Efektivní tok je plynulý, snižuje podíl výrobních
a manipulačních operací, zvyšuje kulturu, humanizaci a bezpečnost práce.
Praxe pozná několik metod analýzy materiálového toku. Metody se odlišují zejména
podmínkami vztahů základních vstupních údajů SPMT, materiálu P a jeho množství Q. Jejich
grafický vztah (obr. 11.1) prezentuje průběh křivky, na které lze definovat čtyři fáze
s charakteristikami, ke kterým lze přiřadit vhodnou analytickou metodu.
Fáze „A“ charakterizuje výrobní systém, který vyrábí ve velkém množství a málo
druhů výrobku. V tomto případě se materiálový tok analyzuje metodou schématu výrobního
postupu.
Fáze „B“ charakterizuje podnik s relativně velkým objemem výroby a relativně
širšího sortimentu výrobků výrobního programu. Pro analýzu materiálového toku se tu
používá schéma výrobního postupu pro více výrobků.
Fáze „C“ je fáze přechodná, která charakterizuje výrobu výrobního programu, ve
kterém figuruje střední počet, ale široký sortiment podobných výrobků. Zde se po seskupení
podobných výrobků podobných technologických postupů a výběru výrobkových
reprezentantů (virtuálních výrobků) aplikuje podle počtu reprezentantů buď metoda fáze „A“
nebo „B“.
Fáze „D“ charakterizuje podnik s výrobou malého objemu, ale relativně velmi
různého sortimentu výrobků. Pro analýzu v tomto případě se s výhodou použije šachovnicová
tabulka (tabulka odkud – kam).
Během materiálového toku výrobním procesem se mohou realizovat ve výrobním systému
tyto hlavní činnosti:
• může se měnit tvar obrábění, tvárnění, může se upravovat chemicky nebo
tepelně, může se montovat nebo demontovat aj.,
• může se pohybovat (gravitace), nebo přepravovat a manipulovat,
• může se počítat, vážit testovat, kontrolovat aj.,
• může „čekat“ na nějakou další činnost,
• může se skladovat,
162 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
• může se balit, kumulovat do manipulačních jednotek,
• může se nakládat, vykládat, překládat, ukládat.
Aby při analýze nebylo potřeba výskyt jednotlivých činností verbálně popisovat, pro jejich
identifikaci se používají ověřené grafické symboly, ze kterých výběr uvádí tabulka 11.1.
Tento výběr lze individuálně podle potřeby analyzovaného materiálového toku vhodně
doplnit.
Obr. 11.1 Výběr metod podle fází závislosti sortimentu a množství (P - Q graf)
163 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Tab. 11.1 Základní grafické symboly činnosti
ZNAČKA KLASIFIKACE ČINNOSTI
Technologické operace
Kontrola
Přeprava, manipulace s materiálem
Přestávka, prostoje, seřazování
Skladování
Nakládka, vykládka
Vážení
Balení
Schéma výrobního postupu
Schéma výrobního postupu (obr. 11.2) tvoří řetězec spojených grafických symbolů. které
vyjadřují postupnost vykonaných pracovních činností výrobního postupu výroby výrobku.
řetězec znázorňuje fyzický tok materiálu výrobního postupu včetně připojení vnějšího
(systémového) okolí (vstup a výstup řetězce). K schématu se uvádí kvantifikované informace
o důležitých charakteristikách analyzovaného materiálového toku, jako jsou např. pořadí
postupnosti vykonaných činností, průtokové množství (intenzita) mezi jednotlivými
činnostmi, místo tvorby a odvodu odpadu, operační časy aj.
Schématem výrobního postupu lze analyzovat i komplikovanější materiálový tok celým
výrobním procesem, např. výrobou betonu (obr. 11.3).
Schéma výrobního postupu pro více výrobků
Toto schéma v podstatě představuje na jednom formuláři souhrn všech výrobků a činností,
které se realizují během výrobního procesu. Znázornění výrobního postupu pro více výrobků
je přehlednější a lehčí. V levém sloupci formuláře se uvedou všechny operace, které se
vyskytnou při výrobě všech výrobků. Další sloupce jsou vymezené pro záznamy
technologického postupu výroby výrobků. Tím je předem určená linie analyzovaného
materiálového toku a realizovaných operací každého výrobku. Postup vykonaných operací na
každém výrobku je zakreslený do určené osnovy formuláře (obr. 11.4).
164 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Obr. 11.2 Jednoduché schéma výrobního postupu
Obr. 11.3 Schéma postupu výroby celým výrobním procesem
165 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Obr. 11.4 Schéma výrobního postupu pro vícero výrobků
Seskupení a třídění
Seskupení a třídění aplikujeme na množinu výrobků výrobního procesu podle tvarových,
rozměrových, technologických, materiálových a jiných charakteristik (obr. 11.5). Výrobky,
např. válcového tvaru lze v základním třídění podle poměru průměru a délky rozdělit na dvě
velké skupiny, hřídelovité (poměr <1) a kotoučovité (poměr> 1) výrobky.
Obr. 11.5 Klasifikace výrobků
Skupinu hřídelí lze dále podle tvarových charakteristik zařadit do skupiny hladkých,
osazených a dutých hřídelů a podle rozměrů na malé, střední a velké, čímž dostaneme devět
skupin (obr. 11.6). Každou skupinu příbuzných výrobků reprezentuje tzv. typový výrobek, na
který se vypracuje typový technologický postup. Podle něho se může vyrobit každý výrobek
ze skupiny typového výrobku.
166 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Hladké Osazené stupňovité DutéMaléStředníVelké
Obr. 11.6 Příklad třídění hřídelí při metodě typových technologických postupů
Rozšířená je i metoda skupinové technologie. Při její aplikaci se výrobky rozdělují na skupiny
podle příbuznosti druhu technologie obrábění. Reprezentantem skupiny je tzv. virtuální
(skupinový) výrobek, který je nositelem všech technologických operací skupinového
technologického postupu (obr. 11.7). Podle něho se může vyrobit každý výrobek ze skupiny
virtuální součástky.
V praxi se při analýzách tyto dvě metody různě kombinují. Výsledky aplikací dávají
projektantovi k dispozici vzorky skupin výrobků a podle jejich počtu a složitosti postupu
výroby se může rozhodnout, jestli na analýzu materiálového toku použije metodu fáze „A“
nebo „B“.
Obr. 11.7 Příklad seskupení součástek do jedné virtuální součástky
167 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Šachovnicová tabulka
Sestavená šachovnicová tabulka 11.2 (odkud? – kam?) dává přehled o struktuře
materiálových spojení mezi jednotlivými výrobními a obslužnými objekty a pracovišti
analyzovaného výrobního procesu. Udává vlastně přehled odesílaného a přijímaného objemu
materiálu mezi jednotlivými pracovišti podle pravidla rovnováhy intenzity vstupu a výstupu
materiálového toku každého pracoviště, objektu či uzlu. Proto v šachovnicové tabulce musí
odpovídat součty řádků součtům sloupců. Platí však podmínka, aby se objemy
přemisťovaných materiálů měřili v rovnocenných jednotkách.
Třeba poznamenat, že zpracování šachovnicové tabulky pro velmi rozsáhlý a sortimentem
rozmanitý výrobní program je pracná a složitá úloha, kterou bez pomoci automatizovaného
zpracování údajů není možné během relativně krátké doby precizně zvládnout.
Tab. 11.2 Vzor šachovnicové tabulky
Grafické znázornění materiálového toku.
Grafickým znázorněním uskutečňovaných materiálových vztahů mezi objekty a pracovišti se
vytvoří ucelená a názorná představa o charakteristikách materiálového toku mezi objektové a
vnitřně objektové dopravy a manipulace. Pro grafické zpracování se obyčejně používá
šachovnicová tabulka a technologický postup výrobního procesu.
LOGI
out – in
VÝSTUPY – ODBĚRATELÉ t/rok
A B C D E F G H I J K
ÚBYT-
KY
CELKEM
VSTUPYDODAVATELÉt/rok
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
CELKEM
168 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
SPMT používá následující způsoby grafického znázornění:
a) schéma dopravních cest a pohybu materiálu,
b) schéma materiálového toku,
c) schéma postupnosti přenosu materiálu,
d) rovinné nebo prostorové schéma postupnosti pohybu materiálu,
e) Sankeyho diagram.
Schéma dopravních cest a pohybu materiálu
Schéma dopravních cest a pohybu je vhodná na znázornění materiálových vazeb mezi objekty
a pracovišti podniku (obr. 11.8). Lze podle něj určit objem přepravovaného materiálu a délku
přepravních drah. Jejich součin kvantifikuje přepravní (logistický) výkon realizovaných
vstupů a výstupů, které jsou důležitým východiskovým údajem pro návrh technologie
dopravy a manipulace mezi navrhovanými objekty.
V schématu situační rozmístění objektů a pracovišť nemusí být shodné s dispozičním řešením
či se skutečností v podniku. Podobně může chybět i míra grafického vyjádření velikosti
materiálových vstupů a výstupů. Zvýrazňují se pouze nepoměrně veliké objemy
přepravovaného materiálu libovolnou tloušťkou nebo barvou čáry.
Obr. 11.8 Schéma dopravních cest a pohybu materiálu
169 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Schéma materiálového toku
Schéma materiálového toku znázorňuje technologický postup výrobního procesu liniovým
blokovým schématem. Každý blok vyjadřuje stanovenou technologickou operaci. Tloušťka
spojnic bloků v měřítku znázorňuje intenzitu materiálového toku (obr. 11.9). Barevnými
spojnicemi lze vyjádřit různé vlastnosti nebo varianty sortimentu přepravovaného materiálu.
Ze schématu lze vidět, kde a odkud se přemisťují podstatné a kde méně podstatné objemy
materiálu. Proto je tato grafická metoda považovaná za doplňující analytický podklad pro
dispoziční řešení projektu dopravy a manipulace v podniku.
Obr. 11.9 Schéma materiálového toku
Schéma postupnosti přesunu materiálu
Schéma zobrazuje postupnost pohybu komponentů materiálového toku mezi jednotlivými
pracovišti (obr. 11.10). Využívá se při řešení rozmístění pracovišť v projektové studii
dispozičního návrhu výrobního systému.
Dispoziční návrh se kreslí v měřítku, ale materiálový tok znázorněný spojnicemi pracovišť
může být znázorněný různou tloušťkou nebo barvou podle druhu výrobků, materiálů, odpadu
170 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
aj. Čáry teda naznačují jen navrhovaný nebo skutečný pohyb materiálu, a ne údaj intenzity
proudu materiálového toku mezi pracovišti.
Obr. 11.10 Schéma postupnosti posunu materiálu
Rovinné nebo prostorové schéma postupnosti pohybu materiálu
Jiné, např. rovinné schéma postupnosti pohybu materiálu znázorňuje složitější technologické
postupu výrobního procesu v projektových studiích (obr. 11.11). Aby schéma mělo vysokou
vypovídající úroveň, kreslí se v libovolném měřítku v 2D nebo 3D projekci.
Obr. 11.11 Rovinné schéma postupnosti pohybu materiálu
kontrola
kontrola
nádrž vody
míchačka
mechanické
zpracovaní
suroviny
hotové
výrobky
uhlí
tepelné
spracovaní sklad hotových
výrobků
171 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Sankeyho diagram
Sankeyho diagram (obr. 11.12) je pro výraznou názornost nejpoužívanějším grafickým
vyjádřením jakéhokoliv materiálového toku. Základními podklady pro vypracování digramu
je projekt dispozičního rozmístění objektů nebo pracovišť (v měřítku) a šachovnicová tabulka
předpokládaných materiálových vstupů a výstupů. Intenzita proudu materiálových vstupů a
výstupů se znázorňuje tloušťkou, přepravní vzdálenost délkou čáry (spojnice) a směr proudu
šipkou. Různými barvami nebo různou grafickou výplní tloušťky čar lze rozlišit
charakteristiky materiálového toku výrobků, výrobních pomůcek, odpadu aj.
Obr. 11.12 Sankeyho diagram
Návrh dispozičního řešení
Dispozice je vztah minimálně dvou alokovaných logistických uzlů (objektů, pracovišť)
definovaný charakteristikami materiálového toku. Uzly leží v počátku a konci materiálového
toku, jejich vzdálenost je dána délkou toku a síla vazby intenzitou proudu materiálového toku.
Řešit dispozici je řešit alokaci logistických uzlů na vybrané ploše nebo ve vybraném prostoru
podle následujících principů efektivního toku materiálu:
• princip racionální organizace toku,
• princip proporcionality toku,
• princip plynulosti toku,
• princip přímosti toku.
M 1:250
A
B
C
D
E
G
F
172 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
V technologicky orientovaném výrobním systému (obr. 11.13) jsou průtokové uzly vytvořené
ze skupin strojů, které umožňují realizovat rovnocenné nebo podobné druhy technologií
zpracování výrobků. Do výrobního systému mohou vstupovat obrobky, jejichž transformační
proces odpovídá struktuře skupin homogenních druhů výrobních strojů.
Materiálový tok ve výrobním systému je přetržitý, vratný a relativně dlouhý a realizovaný
postupně v dávkách.
Obr. 11.13 Technologicky organizovaný materiálový tok
V předmětně orientovaném výrobním systému průtokovými uzly jsou výrobní stroje
dispozičně umístěné v sledu technologického postupu výrobního procesu, který je realizovaný
ve specializovaném výrobním segmentu. Do výrobního segmentu mohou vstupovat jen takové
obrobky, kterým vyhovuje (striktně) stanovený technologický postup a výrobní rytmus
výrobního procesu. Materiálový tok je plynulý, přímočarý, realizovaný postupně nebo
paralelně i kombinovaně (obr. 11.14).
2. skupina strojů
3. skupina strojů
4. skupina strojů
1. skupina strojů
5. skupina strojů
VÝROBNÍ SYSTÉM
MONTÁŽ
173 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Obr. 11.14 Předmětně organizovaný materiálový tok
Metody řešení rozmístění objektů a pracovišť.
Trojúhelníková metoda
Při složitých materiálových tocích vzniká obtížná úloha optimálního rozmístění objektů a
pracovišť projektového výrobního systému. Vhodné řešení může poskytnout tzv.
trojúhelníková metoda, která zohledňuje charakteristiky materiálového toku a rozmístění řeší
tak, že pracoviště, mezi kterými se realizují materiálové vazby s výraznými charakteristikami
(intenzita toku, logistický výkon aj.) jsou umístěné blízko sebe a jiné se od nich v závislosti
od „slábnutí síly“ toku vzdalují.
Aplikace metody se realizuje na síti rovnostranných trojúhelníků. Objekty např. A, B, C, D
s maximálními vzájemnými intenzitami materiálových toků se umístí do vrcholů
rovnostranných trojúhelníků ABC a BCD. Materiálový tok mezi objekty A a B leží potom na
úhlopříčce kosočtverce ABCD (obr. 11.15).
Obr. 11.15 Princip trojúhelníkové metody
výrobní segment 1.
výrobní segment 2.
MONTÁŽ
VÝROBNÍ SYSTÉM
A B
C D
174 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Heuristický přístup
Aplikace heuristického přístupu vychází ze šachovnicové tabulky (tab. 11.3), ve které se
arabskými číslicemi označí pořadí materiálových vztahů podle klesající postupnosti intenzity
proudu materiálového toku mezi objekty.
Dále se v pomocné tabulce vztahů (tab. 11.4), seřadí dvojce objektů (dodavatel – odběratel)
vedle sebe v sestupném pořadí intenzity proudu materiálového toku mezi objekty. V tabulce
se zvýrazní všechny symboly, které nejsou objekty či pracovišti (v uvedeném případě A, L –
jde o propojení vnějších toků A – vstup, L – výstup).
Vlastní řešení se začíná umístěním dvojce objektů s p.č. 1 (A a B) do vrcholů libovolného
rovnostranného trojúhelníka na modulové trojúhelníkové síti. Směr proudu materiálového
toku se vyznačí šipkou (její tloušťka může vyjadřovat intenzitu proudu v měřítku) nad kterou
lze uvést hodnoty intenzity proudu materiálového toku čteného ze šachovnicové tabulky (QA
– QB).
Tab. 11.3 Vzor upravené šachovnicové tabulky
LOGI
out - in
spotřeba – odběratelé t/rok úbytky
celkem
A
(L)
B C D E F G H I K
výroba
kotelna
zdroje–dodavatelét/rok
A 8521
4998
1351
B 6744
20013
40810
40012
1682
C 6745
10618
780
D 5496
20014
749
E 40011
10219
502
F 7212
11217
833
G 7203
720
H 5017
501
I 12416
16015
284
J 4779
7021
547
K 10020
100
celkem 1297 852 674 874 408 1349 721 499 501 520 124 70 160 8049
Tab. 11.4 Vzor pomocné tabulky
Pořadí – p.č. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Dodavatel A F G B C D H A J B E B B D I I F C E
Odběratel B G L C D F I H L E F F D J U K J J J
175 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Řešení pokračuje přiřazením dalších objektů k objektům A a B. Nejbližší vztah k objektu B
mají objekty B a V (p.č. 4). Objekt C nemožno umístit do vrcholu trojúhelníka tak, aby
vytvořil s vrcholy A, B trojúhelník, protože mezi A a C není žádný materiálový vztah. Proto
se objekt C umístí do některého vrcholu trojúhelníka, kterého jeden vrchol je obsazený
objektem B. Podobně se mezi objekty znovu nakreslí šipka směru materiálového toku a uvede
se údaj intenzity proudu.
Dále se pokračuje hledáním objektů s nejnižším pořadovým číslem pro připojení k objektům
A, B, C. Pod p.č. 5 figuruje vztah C – D. Objekt D však opět nemožno umístit tak, aby byl
vytvořený trojúhelník s vrcholy B, C, D. Existuje však vztah D–F (p.č. 6) a vztah B–F po p.č.
12. Vhodné řešení poskytují vztahy objektů, které lze umístit do kosočtverce s vrcholy B-CD-F,
přičemž mezi objekty B a D proudí materiálový tok po úhlopříčce (obr. 11.16).
Obr. 11.16 Rozmístění objektů na trojúhelníkové síti
Uvedený algoritmus se opakuje, dokud se neumístí všechny hlavní objekty a pracoviště
projektovaného systému. Objekty s nepodstatnými charakteristikami materiálového toku se
umístí podle úvahy projektanta. Aby se získal uspokojivý výsledek dispozičního řešení je
zapotřebí vypracovat několik návrhů. Varianty lze potom posoudit podle podmínek realizace
tak, aby byla realizována nejvhodnější varianta.
Spolu s rozmístěním objektů a pracovišť lze stanovit jejich potřebný počet na základě
kapacitního přepočtu. Kapacita je vlastně schopnost podat výkon výrobní jednotky
(technologického pracoviště) nebo výrobního systému za stanovený čas. Definuje se též jako
výrobnost nebo intenzita výrobního procesu, což znamená množství vyrobených výrobků za
I
J
EFD
G
C
501
647 408
674
549 400
852
200
477
721
720
499
408
B
H
A
176 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
jednotku času. Jestliže se zváží, že výrobnost je determinována technickoekonomickými
parametry výrobního stroje, parametry struktury technologického postupu výrobního procesu
a parametry provozu pracovních směs, tak počet výrobních jednotek se stanoví porovnáním
konečného výsledku výrobnosti (V) s intenzitou proudu materiálového toku €.
V
E
K = počet jednotek (% využití jednotky).
Tab. 11.5 Kombinovaný tvar šachovnicové tabulky (m – množství, k - kapacita)
LOGI Spotřeba - odběratelé odpad
O
celkem
out - in A B C D E F G H pracov.
Zdroje-dodavatelé
A
m 851
308
105
k
B
m 543
912
1610
613
85
k 0,9 0,1 0,2 0,1 2
C
m 504
415
54
k 0,6 0,1 1
D
m 495
307
316
82
k 1,0 0,3 2
E
m 1311
119
218
16
k 0,7 0,1 1
F
m 317
308
120
31
k 0,1 1,0 1
G
m 682
68
k 0,8 1
H
m 289
28
k 0,6 1
odpad
O
m 614
6
k
Celkem 105 85 54 59 16 68 34 31 36 475
Kapacitní přehled se získá úpravou šachovnicové tabulky na tzv. kombinovaný tvar (tab.
11.5), ve kterém každý řádek (rozdělený na dvě poloviny) dává místo pro dva údaje. V horní
polovině jsou uvedené objemy přesouvajících se materiálů v dolní polovině jsou uvedené
potřebné kapacity, které se sčítají v posledním pravém sloupci. Další postup určení pořadí
přesouvajících se objemů je podobný jako v předcházejícím se případě. Sestaví se pomocná
tabulka vzájemných vztahů a přikročí se k řešení rozmístění pracovišť na trojúhelníkové síti
(obr. 11.17).
Při uplatnění kapacitního hlediska třeba zvážit rozmístění několika stejných pracovišť. Při
řešení mohou nastat dva případy:
a) jestliže se na vícero pracovištích mají realizovat na stejných nebo příbuzných výrobcích
stejné technologické postupy (jedná se o předmětová pracoviště, potom se při řešení na
177 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
síti postupuje tak, jako by šlo o jedno pracoviště s kapacitou všech stejných pracovišť
(obr. 11.17). Praxe ukazuje, že ve skutečnosti se stejná pracoviště umísťují vedle sebe.
b) jestliže stejná pracoviště budou na množině různých výrobků vykonávat jen určité úkony
(jde o technologická pracoviště), potom se na síť umístí tolik technologických stejných
pracovišť, kolik požaduje výrobní kapacita. Stejná pracoviště se na síti zvýrazňují
symboly (např. B–B´ a D–D´) nebo barevně (obr. 11.18).
Obr. 11.17 Řešení umístění předmětně orientovaných pracovišť
(tloušťka čar a šipek je kreslena v měřítku)
V tomto případě však každé pracoviště vystupuje jako suverénní výrobní jednotka, která váže
materiálové vstupy a výstupy v závislosti od kapacity každého pracoviště.
Ve složitých případech lze pro komplexní řešení využít programované prostředky simulace
procesů. Např. WITNESS přední softwarové společnosti Lanner Group Ltd. jednoduchým
interaktivním způsobem umožňuje namodelovat i složitý výrobní systém, kde jednotlivým
prvkem možno přiřadit různé typy obsluh a vstupů. Podle dosahovaných hodnot lze upravovat
charakteristické parametry obsluhy jak jednotlivých prvků, tak i parametry vstupních toků.
Takovýmto způsobem můžeme ovlivňovat chování řešeného systému a dosáhnout v jeho
řešení optimální cílový stav.
HD
AC
F G L
B
E
178 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Obr. 11.18 Rozmístění pracovišť rozčleněním toku materiálu pro stejná (technologické)
pracoviště
Matematické řešení metodou lineárního programování
Matematické řešení metodou lineárního programování se používá pro některé obzvlášť
rozsáhlé a obtížné řešení. Umožňuje na základě minimalizace logistických výkonů vyhledávat
optimální trojúhelníkové vazby. Tedy kriteriální funkcí optimalizace je vztah:
.min,1
1 1
.1 == n
m n
mv lqL
kde: Lv je logistický výkon,
q1,m je intenzita proudu materiálového toku,
l1,m je jednotková vzdálenost na trojúhelníkové síti (délka každé strany
trojúhelníku se rovná 1).
Algoritmus řešení se skládá z několika kroků:
• koncentrace vstupů a výstupů objektu nebo pracovišť,
• stanovení pořadí významnosti koncentrace materiálového toku,
• alokace prvních tří (nejvýznamnějších) pracovišť na síti,
• testování možnosti postupné alokace (připojení) dalších pracovišť.
Praktické řešení se začíná koncentrací vstupů a výstupů objektů nebo pracovišť, která se
projeví úpravou šachovnicové tabulky (viz postup úpravy na jednoduchém příkladu tab. 11.6
a tab. 11.7).
B
A
C
F E H
D
G L
D B´
179 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Tab. 11.6 Původní šachovnicová tabulka vybraného příkladu
out - in A B C D ∑
A 8 3 11 22
B 4 7 9 20
C 6 10 8 24
D 2 12 14 28
∑ 12 30 24 28 94
Tab. 11.7 Tvar šachovnicové tabulky po koncentraci vstupů a výstupů
out - in A B C D ∑ Pořadí
významnosti
A 8+4=12 3+6=9 11+2=13 22+12=34 4
B 7+10=17 9+12=21 20+30=50 2
C 8+14=22 24+24=48 3
D 28+28=56 1
∑ 188
Po stanovení významnosti objekty D, B a C se umístí do vrcholů rovnostranného trojúhelníka.
Další objekt v pořadí 4. lze umístit pouze do vrcholu I., II., a III. Optimální alokace se stanoví
testovacím předpokládaným logistickým výkonem podle předpokládaných alokací takto:
I. : L vI. = qAC . 1 + qAD . 1 + qAB . 2 = 9 . 1 + 13 . 1 + 12 . 2 = 9 + 13 + 24 = 46
II. : L vII. = qAD . 1 + qAB . 1 + qAC . 2 = 13 . 1 + 12 . 1 + 9 . 2 = 13 + 12 + 18 = 43
III. : L vIII. = qAC . 1 + qAB . 1 + qAD . 2 = 9 . 1 + 12 . 1 + 13 . 2 = 9 + 12 + 26 = 47
Optimální alokace objektu je v tom vrcholu, ve kterém objekt pro realizaci materiálových
toků v aktuální síti spotřebuje nejmenší výkon (v příkladu je to vrchol II. obr. 11.19).
Jestliže by v příkladu následoval další objekt K, síť by se aktualizovala podle obr. 11.20.
Obr. 11.19 Aplikace matematického řešení trojúhelníkové metody
II.
D
C
I.
A
A
A
B
III.
180 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Algoritmus výpočetní metody se opakuje až do umístění posledního objektu. Tato metoda je
aplikovatelná na automatizované řešení optimálního umístění objektů pomocí softwarového
balíku MS Excel.
Obr. 11.20 Aktualizace sítě připojením dalšího pracoviště
Analýza vzájemných vztahů
Na rozmístění objektů a pracovišť nejsou vždy určujícími činiteli charakteristiky
materiálového toku. Kromě technologického postupu se musí respektovat prostorová a plošná
dispozice, a i jiná hlediska, které ovlivňují realizaci materiálového toku. Např. specifické
podmínky určitého technologického zařazení, podmínky vykonávání pomocných procesů,
vztahy organizace a řízení, ekologické vlivy a jiné.
Ani pořadí důležitosti vztahů není možné jednoznačně určit s trvalou platností, protože se
mohou měnit z případu (projektu) na případ a mohou se objevit i nové doposud nevyskytující
se podmínky a spolupůsobení.
Doteď se v běžné projekční praxi vyskytli mezi podmínkami a řešením vztahy, které jsou
uvedené v tab. 11.8.
Tab. 11.8 Vztahy mezi podmínkami a řešením
P.č. Podmínky Řešení
1.
Velikost objemu přepravy
materiálu
Nejblíže mají být objekty a pracoviště mezi kterými se
přepravují největší objemy
2.
Využíváme stejných strojů a
zařízení
Nejblíže mají být objekty a pracoviště, které využívají
stejné stroje a zařízení
3.
Návaznost na obslužné a
pomocné provozy
Obslužné a pomocné provozy mají organicky navazovat
na výrobní proces (např. blízkost mezioperačního skladu
k pracovištím výrobního systému aj.)
4. Využívání stejného materiálu
Efektivnější využívání odbornosti, zručnosti a schopnosti
jednotlivce a kolektivu (např. více strojová obsluha,
D
C
I.
K
A
K
B
II.
III.
KKKK
IV. V
.
181 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
montáž nebo seřazení pracovním týmem aj.)
5.
Využívání stejného prostoru
nebo stejné plochy
Vytvořením sdružených pracovišť se mohou využít
některé (speciální) vlastnosti pracovníků nebo strojů co
má za následek snížení investičních i vlastních nákladů
(vyškolený specialista, klimatizace, nosnost podlahy aj.)
6.
Systém organizace a řízení
(SOaR)
Uplatnění ručního, automatizovaného nebo automatického
SOaR se mohou lišit z hlediska technického vybavení
- informačního systému řízení správy,
- informačního systému řízení výrobního nebo
technologického procesu
7.
Stupeň a intenzita osobního
styku
Vyplívá z řešení viz bod 6 a z aplikací moderních
informačních a komunikačních technologií (uplatnění
čárových kódů, satelitní telekomunikační procesy aj.)
8. Stupeň vzájemného rušení
Negativní vztahy třeba při dispozičním řešení brát do
úvahy a řešit jejich eliminaci nebo tlumení (hlučnost,
chvění, prašnost, intoxikace aj.)
9.
Stupeň technického vybavení
pracovišť a sociálních
zařízení
Jde o vztahy umožňující ekonomičtější využívání
technického vybavení (zdroje energií, osvětlení,
komunikačních prostředků, WC, šatny, umývárny, fitness
aj.)
Z tabulky 11.8 vyplívá, že podmínky a možnost řešení mohou podstatně ovlivnit a měnit
uspořádání objektů a pracovišť při dispozičním řešení projektu. Proto je důležité poznat
hierarchii rozložení vztahů a stupeň jejich vzájemného ovlivnění. Na určení stupně důležitosti
ovlivňující vztahy SPMT používá přehledný analytický postup, který umožňuje aplikace
trojúhelníkové tabulky (tab. 11.9). Podle vyhodnocené hierarchie důležitosti vztahů se
vypracuje diagram vzájemných vztahů, který se používá spolu se šachovnicovou tabulkou při
dispozičním řešení rozmístění objektů a pracovišť.
Hodnocení vztahů trojúhelníkovou tabulkou začíná vepsáním činnosti výrobního procesu do
levého sloupce tabulky. Vzájemné vztahy dvojice hodnocených činností se klasifikují
v buňkách tabulky, které leží na průsečíku hodnocených činností. Buňka má tvar
kosoúhelníku, do kterého lze uvést dva hodnotící znaky. Abecední znak (tab. 11.10)
vyjadřující stupeň důležitosti vztahu a číselný znak (tab. 11.11). který vyjadřuje důvod
důležitosti. Tyto informace může projektant použít při řešení alternativních návrhů. Políčko
v buňce, ve které se vyznačuje stupeň důležitosti vztahu lze vyplnit barevným odstínem
grafického znaku vyhodnoceného stupně důležitosti (viz např. tab. 11.10).
182 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Tab. 11.9 Vzor trojúhelníkové tabulky
P.č. Činnosti
Diagram vzájemných vztahů se používá na grafické vyjádření situace vztahů v trojúhelníkové
tabulce. Pro jejich vypracování se používá grafická symbolika SPMT (viz tab. 11.10) a
jednoduchá algoritmus, podle kterého se nejprve spojí dvojice činností podle stupně
důležitosti vztahů (obr. 11.21) potom dvojice propojíme do diagramu tak, aby vztahy a
činnosti logicky na sebe navazovaly a současně byla dodržena zásada racionálního
materiálového toku (plynulý, nezauzlený, bez křižování aj.).
Vypracování použitelného diagramu v praxi pro rozsáhlý program je velmi pracné, ale
správné rozmístění objektů a pracovišť je základem úspěchu projektu a jeho realizace.
Obr. 11.21 Postup vytváření diagramu
Tab. 11.10 Označení stupně důležitosti
Číselný
znak
Důvod důležitosti
1 potřeba speciálních palet
2 automatizovaný mezi operačný sklad
3 omezená nosnost podlahy
4 technologický postup
5 vlastní tepelná energie
6 dodávky v JIT
7 jiné
důležitost
vztahů
důvod
důležitosti
183 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Tab. 11.11 Označení důvodů důležitosti vztahu
Ukazuje se, že charakteristiky materiálového toku a vztahy činnosti jsou základními činiteli,
které je třeba vzít v potaz, nejen při určení vzájemných vzdáleností různých pracovišť a
objektů, ale i při určení důležitosti návaznosti různých činností nebo funkcí. Jestliže je objem
přepravovaného materiálu velký, obvykle určujícím faktorem pro situovaní objektů a
pracovišť v prostoru je materiálový tok se všemi charakteristikami. Na začlenění služeb a
pomocných ploch se ve většině případech používá tabulka a diagram vzájemných vztahů.
Podobně jako velikost, množství, obtížnost pohybu výrobků nebo materiálu nekladou
racionálnímu řešení žádný problém, tak se upřednostňuje řešení na základě diagramu
vzájemných vztahů před charakteristikami materiálového toku. Nastanou i případy kdy je
potřebné řešení kombinovat obojími přístupy. Empirický vztah pro aplikaci postupu
projekčního řešení situačního plánu ukazuje graf na obr. 11.22. Podle něho jsou postupy
metody ovlivněny těmito způsoby:
184 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
A – dispozice podniku, kde se materiálový tok skládá z těžkých nebo neskladných
materiálů, s relativně velkým množstvím a sortimentem, s hromadnou výrobou (např. mlýn na
mouku, výroba ocele aj.),
B – dispozice dílny pro zakázkovou výrobu, kusovou výrobu bez výrazného
materiálového toku (např. speciálního nářadí aj.),
C – dispozice údržbářských a opravárenských dílen a hal s velkým tokem materiálu,
montáže haly velkorozměrových výrobků aj.,
D – dispozice státní správy, veřejných a speciálních služeb, veřejné prostory
(kasárny, nemocnice, banky aj.).
Obr. 11.22 Výběr metody podle předmětu činnosti
Kontrolní otázky
1. Charakterizujte výběr metod podle fází závislosti sortimentu a množství (P - Q
graf).
2. Charakterizujte základní grafické symboly činnosti.
3. Charakterizujte klasifikaci výrobků.
4. Charakterizujte třídění hřídelí při metodě typových technologických postupů.
5. Charakterizujte sestavení šachovnicové tabulky.
6. Charakterizujte schéma dopravních cest a pohybu materiálu.
7. Charakterizujte schéma materiálového toku.
8. Charakterizujte Sankeyho diagram.
relativnídůležitost
každéhopostupu
předmět činnosti
B
C
DA
vztah činnosti
materiálový tok
185 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
9. Charakterizujte návrh dispozičního řešení podle principů efektivního toku
materiálu.
10. Charakterizujte technologicky organizovaný materiálový tok.
11. Charakterizujte princip trojúhelníkové metody.
12. Charakterizujte rozmístění objektů na trojúhelníkové síti.
13. Charakterizujte matematické řešení metodou lineárního programování.
14. Charakterizujte analýzu vzájemných vztahů.
15. Charakterizujte označení stupnů důležitosti.
Doporučená studijní literatura
KMEC, J., J. DOBROVIČ, J. VÁCHAL, P. PÁRTLOVÁ, J. STRAKOVÁ. 2019. Logistika
materiálových toků a procesů v průmyslové výrobě. Monografie. 1. vyd. VŠTE v Českých
Budějovicích. Vydavatel a tlač: Bookman s.r.o. Prešov, SR. 185 p. ISBN 978-80-8165-378-0.
KŘÍŽ, Jiří a Ján KMEC. 2019. Operačný manažment. 1. vyd. Stalowa Wola, Poland: Fakulta
podnikatelská VUT v Brne, Czech Republic. 245 s. Vysokoškolská učebnice. ISBN 978-83-
63767-99-0.
DOBROVIČ, Ján, Jan VÁCHAL a Ján KMEC. 2018. Management of production processes.
1. vyd. Stalowa Wola, Poland: Wydawnictwo Sztafeta. 226 p. First edition. ISBN 978-83-
63767-35-8.
KAMPF, R., V. STEHEL, D. KUČERKA, J. KMEC, X. LIU, B. LI a W. CUI, 2017. Logistics
of production processes. University textbook. České Budějovice: The Institute of Technology
and Business in České Budějovice. ISBN 978-80-7468-115-8.
KEŘKOVSKÝ, M, O. VALSA., 2012. Moderní přístupy k řízení výroby. Praha: C.H. Beck.
153 s. ISBN: 978-80-7179-319-9.
GOMBÁR, Miroslav, Ján KMEC, Ján DOBROVIČ a Radoslav SEMAN. 2018. Manažérske
praktiky navrhovania produkčných procesov a výrobkov. 1. vyd. Stalowa Wola, Polsko:
Prešovská univerzita v Prešove, Fakulta manažmentu. 153 s. Vědecká monografie / č. 15 810
9. ISBN 978-83-63767-78-5.
TOMEK, G., V. VÁVROVÁ, 2014. Integrované řízení výroby: od operativního řízení výroby
k dodavatelskému řetězci. Praha: Grada. 366 s. ISBN: 978-80-247-4486-5.
BLAŠČÍK, F. , J. KMEC, 1989. Automatizácia technologických pracovísk v plošnom
tvárnení. 1. vyd., Bratislava: Alfa Bratislava. 394 s. ISBN 80-05-00055-3.
186 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Klíčové pojmy:
Automatizace, robotizace, výrobní proces, procesní řetězec, logistický řetězec,
logistický systém, inovace.
12 Dispoziční uspořádání automatizace
produkčních procesů
Cíle kapitoly
Cílem kapitoly je studenta seznámit a vysvětlit podstatu prostorového uspořádání
robotizovanaého pracoviště.
Úvod do kapitoly
Rozvoj techniky v posledních desetiletích umožnil aplikovat robotické technologie v
nejrůznějších oblastech lidské činnosti, přičemž tyto lze rozdělit na aplikace robotických
manipulátorů s nepohyblivou základnou, aplikace mobilních robotů a jiné aplikace využívající
robotické technologie. Velice populární oblastí je i oblast vzdělávání mobilní robotiky
pokrývající zejména technicky orientovanou mládež a s tím souvisejícími soutěžemi v
robotickém fotbale, sumo nebo basketbalu.
Výklad
Struktura automatizovaného technologického pracoviště pro danou technologii výroby
výlisky představuje nejdůležitější část předprojektové a projektové přípravy
automatizovaných pracovišť s průmyslovými roboty a manipulátory, Důležitost výsledného
uspořádání ATP se projeví zejména:
a) v dodržení kvality technologie výroby výlisky v ATP s PRaM minimálně na takové
úrovni, jak je tomu při konvenčním způsobu výroby;
b) ve splnění ekonomických podmínek realizace ATP, jako je:
- minimálně dvousměnný provoz,
-úspora pracovních sil,
- výrobnot ATP minimálně se rovnající výrobnosti konvenčním způsobem výroby;
187 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
c) nákladová návratnost maximálně 5 let. PRaM se nejvíce uplatňují v malosériové a
sériové výrobě při stavbě ATP s PRaM, pomocí nichž lze postupně automatizovat
dílny, provozy a závody. Z hlediska technologie výroby výlisků je v plošném tváření
určení počtu lisů zařazených do komplexu většinou přímo podřízené tomu, v kolika
operacích se výlisky vyrábějí. Tento fakt zase ovlivňuje stavbu robotizovaných
pracovišť. Stavba robotizovaných pracovišť závisí do určité míry od kinematické
struktury PRaM, protože PRaM jsou limitovány rozsahem pracovní zóny.Tvorba
struktur robotizovaných pracovišť zohledňuje podmínky technologie výroby, ať už
malých, středních nebo velkorozměrových výlisků a vstupních polotovarů, přičemž
volba komponentů ATP a jejich uspořádání, vzhledem na konkrétní podmínky
realizace je variabilní, Y technologii plošného tváření se vyskytují:
- struktury ATP v hnízdovém uspořádání,
- struktury ATP v linkovém uspořádání. Variabilnost struktur ATP ovlivňuje
nejen počet tvářecích operací, ale i vstupující polotovar. Struktury ATP v
hnízdové uspořádání se vyznačují tím, že jde o zajištění manipulace pomocí
PRaM pro jedno až dvě výrobní zařízení. Mohou se členit na varianty:
- na zpracování kusového polotovaru,
- na zpracování polotovaru ve formě pásu a pruhu,
- na zpracování polotovaru ve formě svitkového pásu.
188 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Na obr. 12.1 je uvedený příklad struktury v hnízdovém uspořádání na zpracování pásů a
pruhů.
Obr. 12.1. Struktura ATP v hvězdných uspořádání na zpracování pásů a pruhů
1,2 - Výstředníkový lis, 3 - manipulátor M 40, 4 - manipulátor AM 1 T, 5 - oboustranný
podavač, 6 - dělící zařízení, 7 - pracovní hlavice, 8 - zdvihací jednotka, 9 - zásobník pásů,
10 - pneumatický vyhazovač, 11 - skluz, 12 - paleta, 13 - pracovní hlavice, 14 -
meziplošiny
Struktury ATP v linkovém uspořádání se vyznačují zabezpečením manipulace pomocí
PRaM pro tři a více výrobních zařízení na výrobu víceoperačních výlisků. Podle [64], [69] se
člení na varianty na zpracování kusového polotovaru, při kterých PRaM mohou být umístěny:
⎯ před lisy,
⎯ mezi lisy,
⎯ kombinovaně (před lisy a mezi lisy).
Možnost výstavby struktury ATP v linkovém uspořádání (PRaM mezi lisy) na zpracování
kusového polotovaru uvádí obr. 12.2.
Obr. 12. 2 Struktura ATP v linkovém uspořádání (PRaM mezi lisy) na zpracování
kusového polotovaru
1 - manipulátor AM 1 T, 2 - Výstředníkový lis, 3 - zásobník výlisků
189 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Nasazování průmyslových robotů a manipulátorů na technologická pracoviště zahrnuje
komplex úkolů se speciálními metodami řešení. Složitost a náročnost řešení komplexní
automatizace technologického pracoviště a vytváření automatizovaných výrobních systémů
vyžaduje problematiku aplikaci průmyslových robotů zajišťovat systémovým přístupem [46].
Úspěšné nasazení a využití průmyslových robotů a manipulátorů závisí většinou od návrhu,
projektového zpracování a technické a organizační přípravy automatizovaných
technologických pracovišť pro plnění stanovených výrobních funkcí. Podmínkou efektivního
nasazení průmyslových robotů a manipulátorů na vybrané technologické pracoviště je také
jejich soulad se systémovým okolím.
Seskupení komplexně automatizovaných technologických pracovišť a automatizovaných
výrobních systémů s PRaM zcela respektují vymezené technologické úkoly, které tyto
výrobní seskupení mají plnit.
Z hlediska automatizace výrobních procesů ve strojírenství s využitím průmyslových robotů a
manipulátorů třeba vycházet ze základní automatizované jednotky - komplexně
automatizovaného technologického pracoviště a navenek ho považovat za systém.
Na obr. 12.3 je schéma komplexně automatizovaného technologického pracoviště, v níž jsou
vyjádřeny jednotlivé prvky, ohraničené podsystémy a jejich vzájemné vztahy.
Obr. 12.3 Systém komplexně automatizovaného technologického pracoviště s využitím
PRaM
1 - výrobní zařízení, 2 - průmyslový robot nebo manipulátor, 3 - řídící systém, 4 - vstup
výrobních pomůcek na ATP, 5 - výstup výrobních pomůcek z ATP, 6 - výstup materiálu
na ATP, 7 - vstup materiálu z ATP, 8 - výstup odpadu z ATP
190 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Seskupování komplexně automatizovaných technologických pracovišť s centrálně
automatizovaným řízením umožňuje vytvářet automatizované výrobní systémy na různé
technické úrovni (v přímé závislosti od výrobních úloh a od stupně automatizace dílčích
výrobních, manipulačních a technologických činností).
Model automatizovaného výrobního systému je na obr. 12.4.
Obr. 12.4 Model automatizovaného výrobného systému
I - technologická soustava, II - transport a skladování, III - měření a kontrola, IV - zdroje a
rozvod energie, V - řízení, VI - operační manipulace 1 - stroj, 2 - nástroj, 3 - výrobek, 4 přípravek,
5 - sklad
Rozsah činností a funkcí při jednotlivých subsystémech automatizovaného výrobního systému
se ohraničuje takto:
- subsystém technologické soustavy je soubor prvků (strojů, nástrojů, přípravků), které se ve
vzájemné interakci podílejí na změně fyzikálně - mechanických a geometrických vlastností
objektu zpracování (obrobku),
- subsystém mezioperační dopravy (transportu) a skladování zahrnuje prostředky skladování a
transportu, kterými se realizuje tok materiálu, obrobků, nástrojů, přípravků, odpadu apod.,
Mezi komplexně automatizovanými technologickými pracovišti,
- subsystém měření a kontroly zajišťuje sledování a signalizaci provádění požadovaných
technologických a manipulačních funkcí, resp. měření správnosti konkrétních charakteristik
obrobku, polohy pracovních orgánů výrobních a pomocných zařízení,
191 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
- subsystém zdrojů a rozvodu energie představuje soubor zdrojů, rozvodů a regulačních prvků
od centrálních zdrojů až po lokální vstupy do jednotlivých zařízení,
- subsystém řízení je soubor prvků, pomocí kterých se zajišťuje řízení technologického,
manipulačního a výrobního procesu v automatizovaném výrobním systému, a který působí
jako integrující soustava mezi subsystémy,
- subsystém operační manipulace je soubor technických prostředků, zajišťujících operativní
manipulaci na komplexně automatizovaných technologických pracovištích s objekty
technologického zpracování a nářadím. K technickým prostředkům operační manipulace patří
průmyslový robot, manipulátor nebo jiné pomocné manipulační zařízení.
Lze předpokládat, že výstavba automatizovaných výrobních systémů bude probíhat v různé
horizontální členitosti (stupeň integrace) a vertikální členitosti (stupeň automatizace). Stupeň
integrace představuje kvantitativní vyjádření technologických a výrobních úloh (v téže, resp.
v různých profesích). Stupeň automatizace představuje úroveň automatizace dílčích řídících,
technologických a manipulačních činností.
V přístupech k prostorovému uspořádání robotizovaného pracoviště lze za přínos považovat:
- modulovou metodu, vyvinutou na VŠSE (Vysoká škola strojní a elektrotechnická) v
Plzni,
- systém CAROD, vyvíjený v Japonsku, na navrhování pracovišť s roboty pomocí
počítače.
Programový systém VŠSE - modulová metoda
Modulová metoda vyvinutá na VŠSE v Plzni představuje v rámci technologického
projektování automatizaci prostorového rozmístění strojů a zařízení.
Optimalizačním kritériem při řešení projektových úkolů tohoto druhu jsou obyčejně
minimální přepravní nebo manipulační náklady při splnění organizačních, technologických a
jiných požadavků, které se kladou na organizační jednotku OJ.
Cílem optimalizace, kterou má modulová metoda zajistit, je uspořádání organizačních
jednotek proti sobě i jiným OJ ležícím mimo výrobu tak, aby celkový přepravní výkon byl
minimální.
192 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Rámcový vývojový diagram tohoto programového systému je na obr. 12.5. Skládá se ze tří
relativně nezávislých částí:
− z programu transportního-výpočetní části,
− z programu pro výpočet souřadnic,
− z programu na rozmístění strojů v dílně.
S ohledem na konkrétní podmínky a složitost řešení případu se uvedené programy mohou
využívat i samostatně, protože programový systém má vysokou flexibilitu.
Z hlediska metodiky program pro transportního-výpočetní část využívá trojúhelníkovou
metodu s určitými úpravami. Postupným přečtením propracovaného množství od jednotlivých
součástek vzniká neorientovaný součtová matice přepravních výkonů za určitý čas, což je
jedním z výstupů
1. programu. Tato matice je nedílnou součástí výstupní sestavy, jejímž výsledkem je určeno
pořadí OJ, určující jejich rozmístění v referenčním prostoru (např. v dílně). Sloupce
neorientované součtové matice se využívají v dalším výpočetním postupu na rozmístění ještě
nevyráběných strojů do doby, dokud se tzv. krokovým postupem nepřiřadí k nějakému již
vybranému stroji. Výsledkem krokového postupuje sestavení pořadí OJ pódia přepravovaných
množství. Pro kontrolní účely, resp. pro vlastní tvorbu dispozičního řešení se v tomto
programu sestavuje trojúhelníková matice, což je třetí výstupní sestavou. Vstupní údaje pro 1.
program se zapisují do formuláře č. 1, který obsahuje celkový počet strojů, nejvyšší pořadové
číslo představitele (součástky), čísla představitelů (výrobků), velikost transportních pohybů za
rok, následnost výrobního postupu a pod.
2. program - program pro výpočet souřadnic, vypočítává souřadnice referenčního prostoru a
pevně umístěných OJ. Pro tento program je příznačné, že se respektuje skutečná výrobní
plocha OJ, které jsou rozmísťované, a tím se dosahuje maximální přiblížení výsledků ke
skutečné poloze OJ v referenčním prostoru. Referenční prostor rozčleňuje čtvercová síť, jejíž
základní prvek se nazývá modulový čtverec. Jeho velikost závisí na specifických podmínkách
technologického projektu. Pro výpočet ploch potřebných pro různé druhy OJ existuje
speciální podprogram PVP. Vychází se přitom z půdorysných ploch strojů, zařízení a jiných
OJ.
Hlavním cílem 2. programu je stanovit všechny hodnoty potřebné pro 3. program - rozmístění
OJ v referenčním prostoru. Z důvodů racionální přípravy vstupních údajů pro 2. program se
vypracoval formulář č. 2, do kterého se zapisuje počet strojů, délka a šířka dílny, počet ulic a
193 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
tříd, počet horizontálních a vertikálních sloupořadí, počet dílců ve směru délky a šířky,
koeficient kvality výpočtu, modulový čtverec, souřadnice horizontálních a vertikálních
sloupů, pořadí strojů, plocha , počet pracovišť a obsazení dílny stroji. Pro vyplnění tohoto
formuláře platí pravidla, v rámci kterých jsou vysvětleny všechny důležité pojmy. Výstupem
z programu je děrná páska, která je vstupním médiem do 3. programu - rozmístění strojů v
dílně. Jde o poměrně složitý program, takže se procedurálně orientuje.
Obr. 12.5 Modulová metoda
194 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Programový systém čaroděj
Na univerzitě Waseda v Tokiu pod vedením prof. Hasegawa se vypracovává konverzační
způsob projektování tvářecích robotizovaných pracovišť. Tento výzkumný projekt se nazývá
CAROD.
CAROD se rozděluje na dvě části:
− na statickou fázi (CSP - CAROD),
− na dynamickou fázi (DP - CAROD).
Statická fáze programu CAROD
Ve statické fázi projektant konverzuje s řídící jednotkou počítače přes dálnopis, resp. přes
alfanumerický displej, přičemž grafické výsledky se znázorňují přes napojený digigraf.
Projektant zvolí přiměřený robot s vhodným manipulačním prostorem a hlavní komponenty
pracoviště, přičemž digigraf nakreslí dispoziční uspořádání pracoviště.
Pro vytvoření vzorců pracovišť se jednotlivé komponenty rozdělují podle charakteristických
znaků, např. roboty se třídí do osmi kategorií, lisy podle tvaru stojanu do dvou skupin,
nástroje na dva typy podle čelních vodících sloupků, periferní zařízení podle způsobu
podávání (krokové nebo plynulé) na dvě kategorie a uspořádání pracoviště podle podélného,
resp. širokého omezení. Kombinací těchto možností lze vytvořit 128 typů pracovišť (obr.
12.6).
Otázky z počítače se v této fázi zaměřují na tyto oblasti:
• na měřítko na výkrese, 1:25, resp. 1:50,
• na šířku výlisku; uvádí se maximální šířka polotovaru, resp. hotové součástky,
• na kapacitu zatížení lisu; projektant musí předem vypočítat tlak lisu,
• na tvar stojanu lisu; typ C, resp. typ O,
• k použití čelních vodících sloupků,
• na možnost porušení orientace výlisku; pokud netřeba zachovat orientaci, může se
jednoduchá manipulace provádět pomocí levných pomocných zařízení,
• na výběr robota; projektant odpovídá, zda se rozhodl pro konkrétní typ robota,
• na vztah investičních nákladů a rychlosti pracoviště,
• na potřebu dvou robotů na jednu operaci pro vkládání a vyjímání,
195 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
• na typ použitého robota; projektant získá několik alternativních návrhů a zvolí
nejvhodnější typ robota,
• na způsob podání výchozího materiálu; plynulý, resp. dávkový způsob,
• k použití podavače,
• na dispoziční uspořádání pracoviště; podélně, resp. na šířku k výrobní lince.
Nakonec počítač vybere nejvhodnější vzor pracoviště dle čísla vzoru a připojen digigraf
nakreslí uspořádání pracoviště.
Pokud projektant usoudí, že navržená alternativa, kterou zobrazil digigraf není vhodná, může
model použitím lokálního vrácení pro projekty na vstup. Pokud projektant dosáhl požadované
výsledky, přechází ze statické fáze programu na jeho dynamickou fázi.
Dynamická fáze programu CAROD
V dynamické fázi projektant zkoumá chování pracoviště s robotem pomocí dodávání
informací o pracovišti na vstup řídící jednotky počítače.
Nejprve projektant vloží rozměrové údaje, které byly získány ve výsledku statické fáze a
vyhodnocuje kodominantní prostor. Kodominantní prostor pohybů smýkadla lisu a koncového
člena ramene robota je na obr. 12.7. Pokud tyto pohyby se navzájem nepřizpůsobují, může v
tomto prostoru nastat kolize. Z dynamických vlastností robota a rozměrů kodominantního
prostoru může projektant vypočítat čas, během kterého robot nevstoupí do kodominantního
prostoru. V tomto čase se kluzátko lisu může vsunout do tohoto prostoru bez porušení ramene
robota.
196 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Obr. 12.5 Klasifikace robotizovaných tvářecích operací
(ČVS – čelní vodicí sloupky nástroje)
197 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Při vývoji robota je nejdůležitějším problémem rozbor dynamických charakteristik. V tomto
případě lze využít CAROD jako simulátor. Dynamické charakteristiky robota jsou určeny
charakteristikami pohonů a řídících mechanismů s přesnými křivkami rychlosti, které
představují systémy charakteristik. Zadáním těchto údajů spolu s dalšími dynamickými
charakteristikami může projektant získat podklady pro návrh a výběr vhodného robota.
Výzkumem uvedené problematiky se předpokládá splnění následujících cílů:
- vyvinout logický postup navrhování pracovišť s roboty pomocí počítače a optimalizovat
výsledky navrhování,
- vyvinout modelování pracovišť s použitím počítače a provádět dynamické rozbory pracovišť
s roboty; rovněž vytvořit podklady pro vývoj robotů v budoucnosti,
ušetřit inženýrskou pracovní sílu a snížit náklady na projektování pracovišť s roboty.
Obr. 12.6 Ko-dominantní prostor robota a lisu
Příklady projektování robotizovaných pracovišť
Světový vývoj tváření se v posledním desetiletí zaměřuje zejména na:
− snižování spotřeby materiálu,
− úsporu pracovních sil,
− zvyšování produktivity práce, zlepšení bezpečnosti a hygieny práce.
K nejdůležitějším rozvojovým trendům patří zvyšování produktivity práce:
− rozšiřováním současných technologií v závislosti na růstu podílu tváření,
− zvyšováním stupně automatizace tvářecích strojů,
198 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
− uspořádáním výrobních jednotek, vývojem ATP s PRaM, AVS s PRaM, linek,
polopružných linek, pružných linek, tvářecích center a bezobslužných tvářecích
pracovišť,
− uplatňováním nových metod a nových technologií tváření,
− uplatňováním nových progresivních tvářecích nástrojů s možností automatické
výměny,
− uplatňováním nových tvářecích materiálů.
Uvedené trendy souvisí s rychlým růstem výrobních nákladů a s nedostatkem pracovních sil.
Zaměříme se proto na projektování ATP v plošném tváření, na stav a perspektivy ATP
realizovaných a vyvíjených a na zobecnění požadavků pro široké uplatnění ATP..
Aplikace M-ATP
Modulární automatizované technologické pracoviště plošného tváření s lisy LEN 40 P, se
zásobníkem výlisků ZL 250 a manipulátorem AM 1 T je určeno pro všechna pracoviště s
plošným tvářením součástek s hmotností do 0,5 kg a plošnými rozměry 80 x 80 mm až 250 x
250 mm . Na pracovišti se zpracovávají čtyři druhy výlisků. Lze ho realizovat u rozličných
uživatelů ve stejné podobě, pokud jde o dvě postupné operace, nebo ho přizpůsobit pro nové
podmínky s využitím nových a jiných zařízení.
Konkrétní využití M-ATP limitují mimo jiné technické možnosti strojů a zařízení, např. výška
zdvihu lisů, jmenovitá síla výstředníkového lisu, nosnost automatického manipulátoru,
možnost úpravy nebo výroby nového nástroje použití v ATP.
Dále uvedené modifikace pracoviště mají naznačit příklad uspořádání automatizovaného
pracoviště plošného tváření.
1. modifikace představuje variantu zjednodušeného uspořádání pracoviště při plošném
tváření na jednu operaci (obr. 12.7). Přitom netřeba použít druhý lis a meziplošinu. Zároveň
se zjednodušuje ovládání a propojení zařízení a není třeba synchronizace manipulátorů.
199 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
2. modifikace představuje variantu pracoviště s využitím technologického zařízení v složitější
sestavě uspořádání, kde výlisek je třeba lisovat na tři a více postupně navazující operace. Jde
o modifikaci vhodnou především pro tvarově náročné výlisky, které nelze tvarovat v
postupových nebo sdružených nástrojích. Uspořádání ATP je na obr. 12.8. V uvedených
modifikacích lze použít i jiné typy strojů a zásobníků. Závisí to na mnoha faktorech,
uvedených v předchozích textech.
Obr. 12.7 Varianta na jednu operaci
1 - Výstředníkový lis LEN 40 P, 2 - automatický manipulátor AM 1 T, 3 - zásobník
výlisků ZL 250, 5 - pracovní hlavice, 9 - separační skluz, 10 - snímač rozlišení počtu
plechů BIN 24 F, 12 - lisovací nástroj, 13 - ovládací skříň ZL 250, 14 - rozvaděč LEN 40
P, 15 – ohradová paleta
200 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Obr. 12.8 Varianta na tři operace
1 - Výstředníkový lis LEN 40 P, 2 - automatický manipulátor AM 1 T, 3 - zásobník
výlisků ZL 250, 4 - upínací prvky, 5 - pracovní hlavice, 6- meziplošiny, 7 - systémová
paleta, 9 - separační skluz, 10 - snímač rozlišení počtu plechů BIN 24 F, 11- separátor, 12
- lisovací nástroj, 13 - ovládací skříň ZL 250, 14 - rozvaděč LEN 40 P, 15 - ohradová
paleta
Dále uvádíme některá robotizovaná pracoviště plošného tváření, které řešil VUKOV Prešov,
které byly realizovány v letech 1979 až 1985.
Robotizovaný technologický komplex pro Elektro-Praga, Hlinsko
Robotizovaný komplex je určen na výrobu výlisků pro vysavače ze vstupního polotovaru ve
formě svitkového pásu a přístřihů. Uspořádání komplexu znázorňuje obr. 12.9.
Průběh manipulačního cyklu. Z výchozí polohy se vysunou ramena prvních ze tří
manipulátorů vlevo a rameno čtvrtého manipulátoru vpravo, které levou, resp. pravou
pracovní hlavicí odebírají výlisky z prvních tří lisů nebo opačně, výlisky ze zásobníku
výlisků, a přenášejí je na meziplošiny manipulátorů pravou, resp. levou pracovní hlavicí
přenášejí výlisky nebo výlisky z meziplošiny do lisů a zasunou se do výchozí polohy.
Současně se zasunutím manipulátorů do výchozí polohy podá vzduchový podavač svitek o
201 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
jeden krok, lisy provedou zdvih, vyhazovač vysune výlisek z posledního lisu a cyklus se
opakuje.
Obr. 12.9 Robotizovaný technologický komplex ELEKTRO PRAGA Hlinsko
1 až 4 - manipulátor M 4, 5 - Výstředníkový lis LE 160-C, 6 - Výstředníkový lis LENR 25-A,
7 - Výstředníkový lis LENX-100V, 8 - Výstředníkový lis LENP 63-A, 9 - rovnačka s odvíjecí
kolébkou QRM 300/4, 10 - vzduchový podavač QPV 300/4, 11 - naviják QPOM 270/300, 12
- paleta na odpad, 13 - obraceče výlisků, 14 - zásobník výlisků ZL 250, 15 - vyhazovač
výlisků, 16, 17 - skluz, 18 - palety na výlisky, 19 - skluzy na plechy s kanálky, 20 - palety na
odpad plechu s kanálky, 21 - elektrorozvaděče lisů, 22 - ovládací skříňka ZL 250, 23 - mazací
zařízení, 24 - bezpečnostní zábrana
Technicko-ekonomické charakteristiky:
- zvýšení výrobnosti 1,54-krát,
- dvousměnný provoz,
- úspora čtyř pracovníků na jednu směnu.
Součástková základna: pět druhů výlisků na výrobu vysavačů. Pro čtyři druhy výlisků s
rozměry do 273 x 180 x 0,8 mm je vstupním předvýrobkem svitek, pro jeden druh výlisků s
rozměry do 250 x 250 je vstupním předvýrobkem výlisek.
202 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Automatizovaný výrobný systém pre Sandrik, Hodruša-Hámre
Pomocí výrobního systému se vyrábějí součástky ocelových kanystrů ze vstupního polotovaru
ve formě výlisku. Strukturu uspořídání výrobního systému znázorňuje obr. 12.10.
Obr. 12.10 Automatizovaný výrobný systém pro Sandrik Hodruša-Hámre
1 - průmyslový manipulátor AM 1 T, 2 - Výstředníkový lis, 3 - zásobník výlisků, 4 - ohradové
palety, 5 - skluzy, 6 - bezpečnostní zábrana, 7 - elektromagnetické, čelisťové a přísavné
technologické hlavice
Průběh manipulačního cyklu. Automatizovaný výrobní systém může pracovat s jedním
vstupem nebo s více vstupy a výstupy a s následujícím manipulačním cyklem. Před zahájením
směny třeba naplnit stohy zásobníku výlisků a meziplošiny manipulátorů. Pak se z výchozí
polohy vysunou ramena manipulátorů, které levými technologickými hlavicemi odebírají
polotovary ze zásobníku výlisků, lisovacích nástrojů a přenášejí je na meziplošiny a příslušné
skluzy, kterými se hotové výlisky dopravují do ohradových palet. Současně pracovními
technologickými hlavicemi přenášejí polotovary z meziplošiny průmyslových manipulátorů a
zásobníku výlisků do lisů. Po zasunutí průmyslových manipulátorů do výchozí polohy se
nastaví pracovní zdvih lisů. Výlisky z posledního lisu se odsouvají do ohradové palety.
Technicko-ekonomické charakteristiky:
- úspora deseti pracovníků na jednu směnu,
- zvýšení výrobnosti 1,3-krát,
- dvousměnný provoz.
Součástková základna: tři druhy součástek - vylévací hrdlo (rozměr QS 50 x 46 mm),
203 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
konzole (rozměr 63 x 67 x 36 mm) a víko (rozměr 67 x 42,5 x 9,5 mm). Uvedená struktura
umožňuje, že automatizovaný výrobní systém může pracovat variabilně s více vstupy a
výstupy v kombinaci od šesti samostatných pracovišť až po jednu linku s jedním výstupem
podle počtu potřebných technologických operací. Umožňuje vytvoření jedenácti kombinací na
základní uspořádání. Uvedenou strukturu automatizovaného výrobního systému lze rozšířit o
uspořádání, kde výchozím předvýrobkem je pruh nebo svitek. Potom na vstupu AVS je buď
spouštěcí zařízení pruhů nebo odvíjecí zařízení svitků.
Příklady dalších aplikací robotizovaných pracovišť a procesů
Roboty lze rozdělit zhruba do dvou kategorii podle prace, kterou dělaji:
o prace, ktere umi robot dělat lepe než člověk (roboti mohou zvyšovat produktivitu,
přesnost a odolnost);
o prace, ktere by člověk mohl udělat lepe než robot, ale je žadouci, aby je člověk z
určitych důvodů nedělal (roboti lidem ušetři špinave, nebezpečne a nudne prace).
Prace vyžadujici rychlost, přesnost, spolehlivost nebo odolnost provaději roboti mnohem lepe
než lide. Tudiž mnoho pracovnich činnosti v tovarnach, kde je tradičně vykonavali lide, se
nyni robotizuje. To vede k výrobě levnějši hromadne produkce včetně automobilů a
elektroniky. V současne době již pracuji roboty v tovarnach vice než 50 let, a to od doby, kdy
byl instalovan robot Unimate, aby automaticky odebiral horky kov z tlakove slevarny.
Nasledně se automatizace vyroby prostřednictvim velkych stacionárních manipulatorů stala
největšim odbytištěm pro roboty. Počet instalovanych robotů rostl rychleji a rychleji a dnes je
na světě v provozu několik milionů.
Nasazovani PRaM (průmyslove roboty a manipulatory) v letech do roku 1990, z pohledu
jednotlivých technologickych profesi, je uvedeno v tab. 12.1.
Tab. 12.1 Přehled robotizace v oblastech průmyslu do roku 1990
204 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Oblasti nasazení robotů v průmyslových provozech
Vyroba automobilů
Dnes se jedna o primarni přiklad tovarni automatizace. Během uplynulych třech desetileti v
automobilkach začaly roboty převladat. Typicka tovarna je vybavena stovkami průmyslovych
robotů pracujicich v plně automatizovanych vyrobnich linkach; jeden robot na každych deset
lidskych pracovnich sil.
Obr. 12.11 Montažni linka
Obr. 12.12 Robotizace svařování
205 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Balící technika
Průmyslové roboty se také ve značné míře používaji k paletizaci a balení vyraběné produkce,
např. k odebírani napojových kartonů z konce dopravnikového pásu a rychlému umístěni do
přepravek nebo k nakládani a vykládani v obráběcích centrech.
Obr. 12.13 Robotizovaná paletizace
Obr. 12.14 Robotizovaný balící stroj
206 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Elektronicky průmysl
Při hromadné výrobě tištěných obvodů jsou téměř výlučně používány roboty typu „pick and
place“ (seber a umisti). Takovéroboty mohou přemístit několik součástek za vteřinu (desitky
tisic za hodinu), což značně překoná člověka v rychlosti, přesnosti a spolehlivosti. V připadě
automaticky řizenych vozidel sleduji mobilni roboty značky nebo draty na podlaze, připadně
použivaji zrak nebo lasery. Používaji se k přepravě zboží v prostoru velkých zařizení, jako
jsou obchodní domy, přístaviště kontejnerů nebo nemocnice.
Obr. 12.15 Robot typu „pick and place“
Další aplikace
Existuje mnoho pracovních činností, které by člověk mohl dělat lépe než robot, ale z různych
důvodů je dělat nechce nebo nechce byt přitomen u této práce. Práce může byt přiliš nudná,
např. vysáváni prachu v domácnosti, nebo přiliš nebezpečná, např. průzkum uvnitř vulkanu.
Tyto práce jsou známy jako „nudné, špinavé a nebezpečné“. Jiné činnosti mohou byt zase
fyzicky nedostupne. Jde např. o průzkum nějake planety, čištěni vnitřku dlouheho potrubi
nebo provaděni laparoskopicke chirurgie.
207 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Obr. 12.16 Kování
Obr. 12.17 Laparoskopický robotický chirurgický přístroj
Protože cena robotů klesá a jejich výkon a použitelnost počitače se zvyšuje, jsou roboty
dostupné i dostatečně nezavislé, aby mohly byt stále častěji vidět v domácnostech, kde
vykonávaji jednoduché a nezabavné práce, jako např. vysavani prachu, čištěni podlah a sekani
travniků. Pokud nemůže byt člověk přitomen na mistě, kde se prace provadi, protože je to
nebezpečne, vzdalene nebo nepřistupne, použivaji se dalkově ovládané roboty neboli
teleroboty. Na rozdil od sledování předem určené sekvence pohybů je telerobot řizen na dálku
člověkem operatorem. Robot může byt v jine mistnosti nebo v jine zemi, připadně může byt
ve velmi rozdilném poměru k operátorovi. Dalkově řizené letadlové roboty se stále častěji
použivaji pro armadni učely. Tyto roboty mohou byt řizeny odkudkoli na světě a umožňuji
armadě průzkum terenu, a dokonce i střelbu na cíl, aniž by byla ohrožena řidici obsluha.
208 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Postup projektování modulárního automatizovaného technologického pracoviště
Pro bližší názornost uvádíme aplikaci postupu projektování modulárního ATP (M-ATP)
plošného tváření. Uvedený projekt M-ATP je projekt skutečného provedení pracoviště ve
zkrácené podobě a lze jej použít jako nabídkový projekt M-ATP pro zájemce o podobnou
aplikaci.
Členění projektu je následující:
− průvodní zpráva,
− činnost M-ATP,
− výrobní a manipulační zařízení,
− měření, kontrola a řízení,
− ekonomická část,
− ochrana a bezpečnost při práci,
− podmínky realizace,
− zkoušení,
− aplikace M-ATP.
Jednotlivé části projektu jsou vypracovány ve smyslu zásad uvedených s následujícím
obsahem:
Průvodní zpráva
Průvodní zpráva obsahuje:
− předmět řešení,
− výchozí podklady,
− výchozí stav.
Předmět řešení
Projekt M-ATP plošného tváření krytů KV a OMF s využitím zásobníku výlisků ZL 250 a
dvou manipulátorů AM 1 T řeší automatizaci ohýbání krytů KV a OMF. Pracoviště se
realizovalo v kovolisovně Tesla Orava, Nižná, s využitím stávajících strojů realizátora - dvou
výstředníkových lisů LEN 40 P. Současně se vyvinuly účelové přísavné hlavice, snímač
přístřihů, meziplošiny a skluz.
209 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Východiskové podklady
Projekt M-ATP se zpracovává v projekčním ústavu. Na jeho zpracování je třeba tyto
podklady:
— hospodářskou smlouvu,
— základní technicko-ekonomické zadání ATP vkládání výlisků do
lisovacího nástroje,
— JP - Modernizace výroby součástkového základny TVP,
— zápisy z porady,
— zápis z montáže M-ATP,
— protokol z oživení M-ATP,
— protokol z komplexních zkoušách M-ATP,
— protokol z odovzdání a přebrání M-ATP,
— protokol z odovzdání pracoviště do trvalého provozu,
— protokol z vyhodnocení zkušebního provozu,
— dokumentace strojového zařízení M-ATP
— výstředníkový lis LEN 40 P, automatický manipulátor AM 1 T, zásobník
výlisků ZL 250,
— sortiment krytů KV a OMF určených pro M-ATP,
— dokumentaci stavebních úprav pracoviště M-ATP, výkresy technologické
palety pro ZL 250,
— výkres pracovní hlavice pro AM 1 T,
— výkres meziplošiny pro AM 1 T,
— výkres sklzu pro AM 1 T,
— výkres úpravy ohýbacích nástrojů pro AM 1 T.
Východiskový stav
Východiskový stav zahrnuje druhy výlisků a objemy výroby pro cílový rok, které se vybraly
na tváření v M-ATP a jsou vhodné z technologického hlediska i z hlediska automatizované
manipulace. Kromě hmotnosti přístřihů, která je jedním z určujících faktorů pro volbu
manipulátoru, vybraly se takové druhy výlisků, jejichž množství vyrobené za rok přesahuje
300 000 ks.
Stav ruční výroby ohýbání krytů probíhá tak, že sa ohýbají nejprve dvě strany kolmé na sebe a
přetisk a v druhé operaci se ohýbají do konečného stavu.
210 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Činnost M-ATP
V navrhovaném stavu se výlisky ohýbají ve dvou operacích na výstředníkových lisech LEN
40 P. Mezioperační manipulaci mezi lisy a mezi zásobníkem ZL 250 a lisem zajišťují
automatické manipulátory AM 1 T podle obr. 12.18, obr. 12.19 a obr. 12.20. Vystrihnuté
výstrižky z postupového nástroje se stohují do systémové palety zásobníku přístřihu ZL 250.
První manipulátor AM 1 T levým ramenem vloží přístřih do ohýbacího nástroje pravým
ramenem vybere výlisek z nástroje lisu a položí ho na meziplošinu.
Druhý manipulátor levým ramenem sebere přístřih z meziplošiny a vloží ho do nástroje
druhého lisu. Pravé rameno vybírá výlisek z nástroje lisu a dává ho na separační skluz, odkud
padá působením gravitační síly do palety. Po vylisování celého stohu výstřižků zásobník
výlisků ZL 250 automaticky přesune naplněnou systémovou paletu do odebírací polohy.
Prázdná paleta se může nastohovat s výstřižky.
Důležitou součástí této části je popsání jednotlivých subsystémů, a to:
- subsystém mezioperační dopravy a manipulace,
- subsystém operační manipulace,
- subsystém technologické soustavy,
- subsystém měření a kontroly,
- subsystém řízení.
Uvedené subsystémy se charakterizují podle požadavků a potřeb konkrétního realizátora ATP.
Na základě podrobného charakterizování jednotlivých subsystémů se v závěru této části
popíše činnost obsluhy ATP následovně:
Pracovník určený k obsluze M-ATP musí být vyškolen a seznámen s funkcí, obsluhou a
údržbou všech strojů a zařízení, které jsou na pracovišti. Kladou se na něj vysoké nároky,
protože musí ovládat seřazování a provoz automatického manipulátoru, dobře znát program
činnosti pracoviště, systém zabezpečení a blokování a musí umět rychle identifikovat a
odstranit jednoduché poruchové stavy. Především musí vědět, kde se nacházejí snímače
polohy na M-ATP, a jaká je výchozí poloha všech zařízení při spouštění pracoviště. Je třeba,
aby byl seznámen s technologií lisování. Jeho činnost lze rozdělit do tří oblastí:
211 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Vkladání výlisků
Pracovník stohuje výlisky do systémové palety orientované podle předpisu až po označenou
horní polohu
Spoutění M-ATP
Obsluha provádí tuto činnost na začátku směny a vždy po odstranění poruchy chodu M-ATP.
Překontroluje nejprve stav strojů a zařízení, seřazení nástrojů, strojů a nastaví ručním
ovládáním všechna zařízení do základní polohy.
212 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Obr. 12.18 Technologická dispozice M - ATP
1 - Výstředníkový lis LEN 40 P, 2 - automatický manipulátor AM 1 T, 3 - zásobník výlisků
ZL 250, 4upínacie prvky, 5 - pracovní hlavice, 6 - meziplošiny, 7 - systémová paleta, 8 zábrana,
9 - separační skluz, 10 - snímač rozlišení počtu plechů BIN 24 F, 11 - separátor, 12 lisovací
nástroj, 13 - ovládací skříň ZL 250, 14 - rozvaděč LEN 40 P, 15 - ohradová paleta
213 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Obr. 12.19 Návrh základového plánu M - ATP
214 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Obr. 12.20 Situační schéma rozvodu M - ATP
215 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Kontrolní otázky
1. Charakterizujte automatizaci.
2. Charakterizujte robotizaci.
3. Vyjmenujte charakteristické znaky variant s jednou a s třemi operacemi.
4. Charakteristické znaky v oblasti nasazení robotů v průmyslových provozech.
5. Charakterizujte M - ATP.
Doporučená studijní literatura
KAMPF, R., V. STEHEL, D. KUČERKA, J. KMEC, X. LIU, B. LI a W. CUI, 2017. Logistics
of production processes. University textbook. České Budějovice: The Institute of Technology
and Business in České Budějovice. ISBN 978-80-7468-115-8.
DĚDINA, J., J. ODCHÁZEL, 2007. Management a moderní organizování
firmy. Praha: Grada. 324 s. ISBN: 978-80-247-2149-1.
ROSENAU, M. D, 2000. Řízení projektů: příprava a plánování, zahájení, výběr lidí a jejich
řízení, kontrola a změny, vyhodnocení a ukončení. Praha: Computer Press. 344 s. ISBN: 80-
7226-218-1.
TOMEK, G., V. VÁVROVÁ, 2014. Integrované řízení výroby: od operativního řízení výroby
k dodavatelskému řetězci. Praha: Grada. 366 s. ISBN: 978-80-247-4486-5
BLAŠČÍK, F. , J. KMEC, 1989. Automatizácia technologických pracovísk v plošnom tvárnení.
1. vyd Bratislava: Alfa Bratislava. 394 s. ISBN 80-05-00055-3. (kapitola 16)
KMEC, J, J. DOBROVIČ, 2010. Operačný manažment. Praktikum. 1. –vyd., Fakulta
manažmentu Prešovskej univerzity v Prešov, 114 s..(kapitola 1 až 13)
216 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Klíčové pojmy:
Automatizace, robotizace, výrobní proces, procesní řetězec, logistický řetězec,
logistický systém, inovace.
13 Příklad řešení vybraného
automatizovaného logistického prvku
Cíle kapitoly
Cílem kapitoly je studenta seznámit s příkladem řešení vybraného automatizovaného
logistického prvku a vysvětlit podstatu prostorového uspořádání robotizovanaého pracoviště.
Úvod do kapitoly
Příkladem řešení vybraného automatizovaného logistického prvku chceme podrobneji popsat
a vysvětlit podstatu prostorového uspořádání robotizovanaého pracoviště.
Výklad
Řešení řízení vybraného automatizovaného aktivního logistického prvku
Mezi aktivní logistické prvky podle členění můžeme zařadit:
• regálové zakladače,
• vozíky,
• automatizované jeřáby,
• závěsné a podvěsné dopravníky,
• válečkové tratě,
• průmyslové manipulátory a roboty aj.
Uvedené zařízení můžeme najít především v moderních automatizovaných výrobních
systémech.
Automatizované logistické prvky se vyznačují následujícími rysy:
• přesné polohování,
• indikace nebezpečných stavů a jejich automatickým korigováním,
217 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
• zabezpečením komunikace s nadřazeným systémem,
• automatickým uchopením a skládáním břemena,
• obsahují palubní počítač,
• umožňují i manuální řízení,
• indikací nebo kontrolou hmotnosti břemena atd.
Jako příklad uvádíme řešení projektu automatizovaného mostového jeřábu, který byl řešený
na SjF TU v Košicích. Funkčnost řízení jednotlivých pohybů podle zvolených cílových funkcí
se ověřoval na modelu (obr. 13.1).
Obr. 13.1 Laboratorní mostový jeřáb
Zařízení automatizovaného zdvihacího zařízení do logistické soustavy
Logistický systém mostového jeřábu se skládá ze tří úrovní; obr. 13.2:
• informační – I
• vizualizační – V
• technologické – T
218 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
I
V
T
Obr. 13.2 Distribuovaný systém řízení mostového jeřábu
Informační úroveň (I) mostového jeřábu je vytvořená pracovní stanicí IBM RS/6000
s operačním systémem AIX 3.0. Na této platformě (strategická úroveň) je realizovaný
program, který současně vykonává komunikaci s nižší úrovní a zároveň vykonává operace
nad tabulkou databáze. Tato databáze je reprezentovaná relačním databázovým systémem
ORACLE. Údaje databáze jsou získávané z logického automatu PLC 25/5, přičemž
komunikace mezi databází automatu a databází probíhá po síti ETHERNET. Po softwarové
stránce je komunikace naprogramovaná pomocí funkcí programového balíku Interchange.
Data získané z této komunikace jsou následně zapsané do tabulky databáze. Samotné data
jsou tvořena hodnotami jako jsou poloha kočky, mostu, kladky, datum a čas zaznamenávání
těchto hodnot.
Vizualizační úroveň (V): Vizualizace je realizovaná pomocí vizualizačního softwaru
InTouch. Vytvořené prostředí s tímto softwarem umožňuje tak vizualizovat pohyb mostu jako
i zadávat požadované hodnoty, kterými jsou poloha kočky, mostu a kladky. Součástí této
úrovně je i programovatelný automat PLC 5/20E. Automat slouží jako koncentrátor dat. Na
vyšší úroveň – informační je připojený pomocí sítě ETHERNET a na nižší – technologickou
pomocí sítě DH +. Komunikace probíhá dvěma směry. První směr představuje případ, kdy
automat z technologické úrovně přijímá data od programovatelného automatu PLC 5/25. Jsou
to hodnoty od snímačů (napočítané impulzy, úhly výchylky břemena, hmotnost, stavy
koncových spínačů apod.). Tyto jsou zaslané na informační úroveň, kde se ukládají do
219 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
databáze. Část přijatých dat postupuje směrem do vizualizačního softwaru. Komunikace
druhým směrem nastane, když automat dostane data z vizualizačního softwaru (požadované
souřadnice). Tyto jsou následně zaslané do automatu na technologické úrovni, kde se
používají na samotné řízení.
Technologická úroveň (T) distribuovaného systému řízení mostového jeřábu je tvořena
samotným jeřábem a programovatelným automatem PLC 5/25 s analogovými vstupy a
digitálními vstupy a výstupy. Automat je k vyšší úrovni připojený pomocí technologické sítě
DH+, po které komunikuje s automatem PLC20E. Činnost jeřábu se začíná přesunem háku
jeřábu do referenčního bodu. Během této operace je nadřízenému PLC posílaná zpráva o této
skutečnosti, na základě, které vizualizační program upozorní obsluhu o tomto stavu. Po přijetí
nových souřadnic, zabezpečí automat řízení pohonů jeřábu. Samozřejmě, hodnoty aktuální
polohy všech tří částí jeřábu jsou vysílané do PLC 5/20E a následně jsou vizualizované. Jejich
zapsání do databáze nastane tehdy, jakmile jeřáb dosáhne požadované souřadnice.
Analýza pracovního cyklu mostového jeřábu
Na automatizovaném jeřábu se zkoumají dvě cílové funkce:
• zvyšování bezpečnosti provozu a
• minimalizace času pracovního cyklu (průběžného času).
Při zvyšování zrychlení hlavních pohybů nastává nebezpečí, že zavěšené břemeno se
nadměrně rozkýve. Proto při optimalizaci pohybů, resp. při minimalizaci času pracovního
cyklu třeba brát zřetel na tento jev. Při řešení problematiky kývání břemena je potřebné určit
souvislost mezi pohybem jeřábu a kýváním břemena.
Hlavní pohyby jeřábu podle obr. 13.3 jsou charakterizovány základními pohyby:
• pohyb kočky,
• pohyb mostu,
• zdvih resp spouštění.
Obr. 13.3 znázorňuje možné pohyby mostového jeřábu, kde jeřáb z výchozího bodu A přes
bod B se přesouvá do bodu C (spouštění břemena), případně se vrátí do výchozí polohy A.
Trajektorii pohybu břemena přes body A → B → C → (A) je možné pomocí interpolace
optimalizovat. Takový pohyb způsobuje prostorové kývání břemena. Zároveň při pohybu jsou
respektované zakázané zóny (překážky). V tomto případě trajektorie pohybu břemena podle
obr. 13.3 bude:
220 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
A → B → C → (A)
Obr. 13.3 Pracovní cyklus mostového jeřábu
Čas jednoho pracovního cyklu:
t tc i
i
n
=
=

1
kde:
tc – celkový pracovní cyklus [s],
ti = trozb.,i + tust.,i + tbrzd.,,
trozb.,i – rozběh,
tust.,i – rovnoramenný pohyb,
tbrzd.,i – brždění.
221 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Celkový čas pracovního cyklu při maximálních rychlostech pohybu je možné regulovat
změnou zrychlení, resp. zpomalení. Při volbě vysokých hodnot zrychlení dochází
k nadměrnému rozkývání břemena, co je z hlediska bezpečnosti provozování nepřípustné.
Pro určení souvislosti mezi hlavními pohyby jeřábu a kýváním břemena je potřebná
matematická formulace úlohy (dynamický model). Kývání břemene jako lineární úloha je ve
všeobecnosti známa.
Při ovládání jeřábu musí být zabezpečené automatické i manuální ovládání. V tom případě je
ovládání zabezpečené třemi způsoby (uspořádané hierarchicky z hlediska priorit ovládání).
• manuální ovládání,
• poloautomatické ovládání,
• automatické ovládání,
Poloautomatické řešení se používá při montážních pracích nebo při tzv. „učení“ nebo
„připravování“ jeřábu na automatický provoz. Při tomto typu řízení výkonné funkce taktéž
vykonává palubní počítač, avšak neoptimalizuje pohyby. Řídící povely se zadávají
z přídavného ovladače (ovladač je zobrazený na obrazovce), která obsahuje stejné řídící
prvky, jako klasický ovladač mostového jeřábu. Řídící jednotka tak jako při
plnoautomatickém režimu respektuje nebezpečné stavy, tj. nedovoluje šikmý tah, přetížení
jeřábu, respektuje zakázané zóny a taktéž umožňuje monitorování pracovního procesu.
Automatické ovládání zabezpečuje v plném rozsahu počítač. V předcházející části bylo
uvedené, které základní logistické funkce musí zabezpečit řídící jednotka. V první řadě je to
přesné polohování jeřábu. Od nadřízeného počítače dostává palubní počítač jeřábu povel na
zdvižení, spuštění nebo přemístění břemena. Takže jako vstupní parametr v tomto případě je
adresa určitého břemena na cílový bod. Momentální poloha jeřábu je jednoznačně určená
v paměti palubního počítače. Vhledem na ostatní cílové funkce logistiky, jako je bezpečnost a
minimalizace průběžného času, palubní počítač vypočítá optimální parametry zrychlení,
zpomalení, rychlosti pojezdů, zdvihu a určí trajektorii pohybu jeřábu. Z hlediska bezpečnosti
je důležité minimalizovat, resp. eliminovat kývání břemena. Tuto funkci zabezpečí palubní
počítač optimálním zvolením zrychlení, resp. zpomalení otáček pohonů. Dále palubní počítač
dokáže identifikovat tzv. nebezpečné nebo zakázané zóny. Jsou to zóny kde se jeřáb
s břemenem nemůže dostat, resp. plocha, kde je potřeba omezit pohyb břemena na minimum
(například stanoviště dělníků, napěťové rozvody atd.). V neposlední řadě zabezpečuje určení
hmotnosti břemena. Tento údaj odevzdává nadřazenému počítači jako informaci a pro vlastní
222 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
potřebu ho použije jako vstupní parametr pro řízení. Taktéž obsahuje tzv. „alarmstavy“
(nebezpečné stavy), jako například přetížení jeřábu, poruchové stavy pohonu nebo šikmý tah
při manuálním uchopení břemena. V případě „šikmého tahu“ při vázání břemena automaticky
koriguje polohu mostu, resp. kočky. Palubní počítač samozřejmě soustavně odevzdává
informace o poloze a hmotnosti zavěšeného břemena nadřazenému počítači, což umožňuje
nepřetržité monitorování pracovního procesu.
Řídicí systém mostového jeřábu
Aby bylo možné zabezpečit požadavky kladené na automatizované zdvihací zařízení, je nutné
použít nejen různé typy snímačů ale je i konstrukčně vhodně v systému použít. Koncepce
systému řízení je znázorněná na obr. 13.4.
Obr. 13.4 Koncepce řízení pohybů jeřábu
Systém je řízený logickým automatem PLC 5/20E od firmy Allen-Bradley. Tento automat
slouží na vykonávání těchto funkcí:
• komunikace s vizualizační úrovní,
• řízení činnosti akčních členů,
• zpracování signálů od snímačů,
• základní signalizace (bezprostřední signalizování havarijního stavu na
automatu).
223 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Pro zabezpečení vykonávání těchto funkcí je nevyhnutelné sledovat tři nejdůležitější
parametry:
• polohu kočky, mostu a břemena,
• kývání břemena,
• hmotnost břemena.
Tyto parametry jsou měřené prostřednictvím snímačů připjených k logickému automatu (obr.
13.5).
Obr. 13.5 Řídící automat jeřábu (PLC)
Pro snímání polohy jsou použité inkrementální snímače formy HENGSTLER s parametry 600
impulzů na otáčku. Na obr. 13.6 je inkrementální snímač polohy kočky.
Obr. 13.6 Inkrementální snímač polohy kočky
224 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Snímání kývání břemena se jeví jako neproblematičtější pří řazení jeřábu. Na snímání kývání
břemena je využitý Hallův efekt. Schéma snímacího rámu je na obr. 13.7.
Obr. 13.7 Měřící rám kývání břemena
Předpokládané aplikace v praxi
Výzkum mostového jeřábu byl uskutečněný za účelem vytvoření univerzálního zdvihacího
logistického prvku, který umožňuje široké spektrum využití. Avšak v praxi pro určité případy
jsou některé komponenty řízení nevyužité. Tak například řízení pomocí internetu, on-line
diagnostika, plně automatizovaný pracovní cyklus s optimalizací pohybu. Tyto moduly se bez
problémů mohou vynechat, a řízení a funkce přizpůsobit daným požadavkům. Efektivní
využití automatizovaných jeřábů může být jen tehdy, jak je zapojený do logistického systému.
Výhodně se uplatňuje ve skladovém hospodářství, výrobním procese (viz obr. 13.8), při
nakládání a vykládání kontejnerů v přístavech, v nebezpečných provozech a všude tam, kde se
vyskytuje vysoká monotónnost pracovních cyklů.
Obr. 13.8 Automatizovaný jeřáb v provozu
225 z 225
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591
Kontrolní otázky
1. Charakterizujte řízení vybraného automatizovaného aktivního logistického prvku.
2. Charakterizujte distribuovaný systém řízení mostového jeřábu.
3. Charakterizujte analýzu pracovního cyklu mostového jeřábu.
4. Charakterizujte pracovní cyklus mostového jeřábu.
5. Charakterizujte řídicí systém mostového jeřábu.
Doporučená studijní literatura
KAMPF, R., V. STEHEL, D. KUČERKA, J. KMEC, X. LIU, B. LI a W. CUI, 2017. Logistics
of production processes. University textbook. České Budějovice: The Institute of Technology
and Business in České Budějovice. ISBN 978-80-7468-115-8.
DĚDINA, J., J. ODCHÁZEL, 2007. Management a moderní organizování
firmy. Praha: Grada. 324 s. ISBN: 978-80-247-2149-1.
ROSENAU, M. D, 2000. Řízení projektů: příprava a plánování, zahájení, výběr lidí a jejich
řízení, kontrola a změny, vyhodnocení a ukončení. Praha: Computer Press. 344 s. ISBN: 80-
7226-218-1.
TOMEK, G., V. VÁVROVÁ, 2014. Integrované řízení výroby: od operativního řízení výroby
k dodavatelskému řetězci. Praha: Grada. 366 s. ISBN: 978-80-247-4486-5
BLAŠČÍK, F. , J. KMEC, 1989. Automatizácia technologických pracovísk v plošnom
tvárnení. 1. vyd Bratislava: Alfa Bratislava. 394 s. ISBN 80-05-00055-3.