Podręcznik
2. Aktory hydrauliczne w wytwarzaniu dużych sił nacisku
Należy zaznaczyć, że na pewno powyższe również spowodowało, że aktory hydrauliczne tak znacznie nie występują jako sztuczne muskuły w sztucznych protezach. Jednak my, wyjaśniając rozpowszechnienie się aktorów hydraulicznych jako zastępników rąk ludzkich skupimy się na czymś innym. Skupimy się mianowicie na wielkości siły użytecznej oraz szybkości jej uzyskiwania, co jest obecnie kluczowe w realizacji procesów produkcyjnych. Za pierwszy przykład do wyjaśnień niech posłuży prasa ręczna, zilustrowana na rysunku 69.
Rysunek 69: Prasa ręczna śrubowa PSB 3000
Napęd śruby roboczej, widocznej na rysunku 69 prasy, odbywa się, jak sama nazwa na to wskazuje za pośrednictwem siły rąk ludzkich poprzez obracanie ramieniem o odpowiedniej długości, zakończonym rodzajem spłaszczonej kuli. Ponieważ, jak widzimy na tym rysunku tych kul jest dwie (tak jak i ramion), które są rozmieszczone na końcach tych ramion, to możemy mówić, że napęd śruby prasy realizowany jest za pomocą obracanego koła (oczywiście bez jawnego okręgu, czyli obręczy, która by łączyła te dwie kule).
W wyniku obracania śruby prasy ruchomy suport przemieszcza się w kierunku: GÓRA – DÓŁ w zależności od kierunku obrotu śruby. (Domyślnie ruch zgodny z ruchem wskazówek zegara powoduje ruch w kierunku dolnym). Ponieważ (czego nie uwidoczniono na rysunku 69) do ruchomego suportu zazwyczaj mocuje się rodzaj wykrojnika, zaś w widocznej bazie mocuje się materiał, to w wyniku opuszczenia suportu wykrojnik realizuje operację wykrawania. Po wykonaniu swojego zadania wykrojnik zostaje przemieszczony w górę a w bazie zostaje umocowany kolejny materiał do wykrawania lub zostaje on przemieszczony, np. stalowa blacha, w której należy wykrawać otwory lub wycięcia w różnych kształtach. Takie pojedyncze wykrawanie materiału za pomocą wykrojnika możemy nazwać pojedynczą operacją technologiczną.
Autor ma nadzieję, że Czytelnik łatwo sobie wyobrazi, od czego może zależeć szybkość samego procesu wykrawania kształtu w materiale umieszczanym w bazie prasy ręcznej z rysunku 69 przyjmując, że szybkość tego umieszczania (lub przemieszczania) materiału nie zależy od operatora maszyny (co rzadko się zdarza). Nawet przyjmując, że operator maszyny jest w idealnej kondycji psychofizycznej oraz legitymuje się bardzo długim stażem pracy na takiej maszynie, to czas wykonywania pojedynczej operacji wykrawania należy szacować na kilkanaście jak nie na kilkadziesiąt sekund. Nie trzeba dużej wyobraźni, aby stwierdzić, że tak długi czas realizacji pojedynczej operacji technologicznej na maszynie typu prasa ręczna nie mógłby w żaden sposób przyczynić się do rozwoju procesów produkcji wielu wyrobów. Aby powyższe wystąpiło (trzymając się dalej maszyn typu prasy) należało zastąpić pracę mało wydajnych rąk ludzkich pracą innych wydajnych urządzeń, które mogłyby podnieść szybkość realizacji pojedynczych operacji technologicznych, takich jak wykrawanie materiału na prasach.
Dodatkowo argumentem przemawiającym za wyeliminowaniem z obsługi pras siły rąk ludzkich na rzecz urządzeń mechanicznych było i również to, że jak wynika z rysunku 69, ze względu na samą konstrukcję prasy ręcznej nie istniała zbyt duża elastyczność w uzyskiwaniu odpowiednich sił nacisku takiej prasy. Operator „słabszy” fizycznie mógł co najwyżej zamiast jednej ręki do napędu jednej kuli pokrętła prasy posłużyć się dwoma rękami, zwiększając tym samym moment obrotowy, jednak gdzieś musiała być i temu granica. Dopiero wprowadzenie do napędu wykrojników aktorów hydraulicznych zapoczątkowało częściowe rozwiązywanie powyższych problemów. Od tego momentu nazwa „nowej” prasy się „usankcjonowała” i zaczęto używać określenia: prasa hydrauliczna. Przykład takiej prasy ze sterowaniem ręcznym ilustruje rysunek 70.
Realizacja pojedynczej operacji technologicznej przy użyciu prasy takiej, jak ta z rysunku 70 polega na wywarciu na tłok pompy siły rąk ludzkich przy użyciu widocznej na rysunku dźwigni. Przesuwający się w tej pompie cieczy tłok roboczy „przelewa” medium hydrauliczne z cylindra pompy do cylindra widocznego na rysunku aktora hydraulicznego. Przemieszczająca się w tym aktorze ciecz przesuwa tłoczysko tego aktora w dół celem wykonania pojedynczej operacji technologicznej. Jak można zauważyć możliwa jest obserwacja wartości ciśnienia medium w układzie hydraulicznym poprzez wykorzystanie manometru analogowego. Daje to pracownikowi obsługującemu to stanowisko pracy szansę na dostosowanie wartości siły nacisku tłoczyska do założeń lub wymagań pojedynczej operacji technologicznej, która przewiduje np. wciśnięcie elementu montażowego w stalową płytę, która została zamocowana w bazie prasy hydraulicznej.
Wykorzystanie aktora hydraulicznego w prasie z rysunku 70 w odniesieniu do prasy ręcznej dało dwie korzyści: pierwszą jest ta, że ta pierwsza prasa mogła charakteryzować się siłą nacisku przeszło trzykrotnie większą niż ta druga oraz drugą korzyścią było to, że pracownik mógł kształtować wartość siły nacisku przyłożonej do wykrojnika. Jednak szybkość wykonywania pojedynczych operacji technologicznych na obu typach pras była podobna, co dalej nie mogło przyczynić się do znacznego zwiększenia szybkości realizacji procesów technologicznych.
Pojawienie się dopiero pras hydraulicznych sterowanych cyfrowo spowodowało osiągnięcie jeszcze wyższego poziomu w rozwoju procesów produkcji – częściowe wyeliminowanie siły rąk ludzkich z wykonywania bezpośrednich operacji technologicznych na prasach, aby kondycja psychofizyczna człowieka nie wpływała na jakość wykrawania materiałów. Rysunek 71 ilustruje prasy hydrauliczne sterowane za pośrednictwem maszyn cyfrowych. [Źródło: polish.hydraulicpress-brake.com].
Rysunek 71: Automatyczna prasa hydrauliczna SMART CNC
Analizując prasę hydrauliczną z rysunku 71 zauważyć można, że bezpośrednie sterowanie tym urządzeniem realizowane jest za pośrednictwem tylko dwóch typów przycisków: uruchamianie prasy realizowane jest za pośrednictwem dwóch zielonych przycisków (dla bezpieczeństwa obsługującego taką maszynę pracownika stosuje się dwa przyciski uruchamiane dwoma palcami lewej i prawej dłoni), zaś wymuszone zatrzymanie prasy realizuje przycisk wyłączający czerwony, umieszczony pośrodku tych dwóch pierwszych.
Tak naprawdę, to ww. przyciski sterujące z rysunku 71 realizują uruchamianie i zatrzymanie układu sterowania prasy, nie zaś ruchomego suportu prasy. Wynika z tego, i tak jest w istocie, że to maszyna cyfrowa realizuje pojedynczą operację technologiczną nie zaś człowiek. Ta pojedyncza operacja technologiczna (lub wiele takich operacji) to program użytkownika utworzony wcześniej w odpowiednim środowisku narzędziowym i następnie wgrany do pamięci roboczej maszyny cyfrowej.
Jest rzeczą zrozumiałą, że algorytm użytkownika zaszyty w pamięci programu maszyny cyfrowej dla prasy hydraulicznej chociażby takiej jak na rysunku 71 umożliwia realizację i wiele innych użytecznych funkcji prasy, niż to mogło mieć miejsce przy prasie z rysunku 70. Jako użyteczne nastawy prasy hydraulicznej, które mogą być wymagane przy realizacji operacji technologicznych można wymienić m.in. prędkość ruchomego suportu, jego skok roboczy czy interwały pomiędzy tymi skokami, przyśpieszenie suportu, precyzyjną i stopniowaną siłę nacisku, itp. Ważnym zagadnieniem w tak nowoczesnej prasie hydraulicznej jest to, że dzięki wykorzystaniu maszyny cyfrowej (czytaj: odpowiedniej konstrukcji komputera przemysłowego) można w łatwy i szybki sposób wymienić algorytm użytkownika na inny, dostosowany do realizacji bieżących operacji technologicznych.
Czytelnik zapewne zauważył, że pomimo bezspornych zalet pras hydraulicznych, takich jak te na rysunku 71, nie wyłączają one całkowicie ze swojego prawidłowego funkcjonowania czynnika ludzkiego. To człowiek w dalszym ciągu musi „stać” przy takiej maszynie i wykonywać najprostsze (chociaż nieporównywalnie mniej jak wcześniej obciążające fizycznie) czynności, takie jak uruchamianie przycisków sterujących, przesuwanie materiału pod wykrojnikiem czy kontrola optyczna pracy samej prasy hydraulicznej. Wynika z powyższego, że to dalej od sprawności psychofizycznej operatora zależy wydajność wykrawania na prasie hydraulicznej jako całości operacji technologicznych. Nawet odpowiednio przeszkolony i z dużym stażem pracy i doświadczeniem pracownik nie pokona jakiejś swojej granicy szybkości wykrawania na prasie hydraulicznej, szybkości, nad którą nawet „nie zająknęłaby” się prasa hydrauliczna w całości sterowana przez aktory hydrauliczne kontrolowane za pomocą maszyny cyfrowej bez najmniejszego udziału czynnika ludzkiego. Dopiero takie rozwiązanie mogłoby zasugerować, że wydajność produkcji związana z realizacją pojedynczej operacji technologicznej jest bardzo wysoka. Należy jednak szybko zaznaczyć, że w takich rozwiązaniach raczej nie spotkamy oddzielnie „samotnie” stojącej prasy hydraulicznej, która sama zamocuje materiał w swojej bazie, sama uruchomi program maszyny cyfrowej, itd. Przy takich rozwiązaniach pojawiają się już kompletne linie technologiczne, „naszpikowane” pojedynczymi aktorami hydraulicznymi, które mocują materiał, przemieszczają go, wykrawają odpowiednie kształty, itp. Przykład takiej linii technologicznej wykorzystującej aktory hydrauliczne jako niewielkie prasy hydrauliczne zilustrowano na rysunku 72.
Widoczna na rysunku linia produkcyjna Miramondi ST 104 jest częścią zautomatyzowanego procesu produkcji komponentów do pralek automatycznych. Sterowana jest przez centralny komputer główny. W skład tej linii prasowej wchodzi m.in. trzy prasy hydrauliczne jedno oraz dwukolumnowe, obsługujące rozwijarkę, niwelator oraz nóż tnący. Może nie jest to zbytnio widoczne na rysunku 72, ale odległość między tymi trzema prasami wynosi około 50cm oraz ciśnienie robocze oleju hydraulicznego wynosi 210barów.
Rysunek 72 pokazuje, że dopiero linia produkcyjna, złożona z kilku pras umożliwia całkowite wyeliminowanie czynnika ludzkiego z czynności wykonywanych na danym materiale lub wyrobie. Aby to było możliwe muszą wystąpić w takiej linii technologicznej odpowiednie urządzenia funkcjonalne (tutaj mamy rozwijarkę, nóż tnący, itp.), dla których przewidziano odpowiednie zadania, które wykonują m.in. aktory hydrauliczne. Tymi zadaniami mogą być np. montaż materiału w odpowiednim miejscu na podstawie sygnału z czujników położenia, itp. Wymienione wyżej urządzenia działające „w pojedynkę” nie gwarantowałyby zapewne wyłączenia siły rąk ludzkich z pracy nad wyrobem, jednak połączone „szeregowo” tak, jak na rysunku 72 już tak.
Należy podkreślić, że dążenie do zmniejszenia roli siły rąk ludzkich w wytwarzaniu potrzebnej siły użytecznej wystąpiło również w elementach lub urządzeniach, które funkcjonowały w pojazdach mobilnych specjalnego przeznaczenia. Przykładem wykorzystania aktorów hydraulicznych zamiast siły rąk ludzkich mogą być tzw. wysuwane łapy, które pozwalają podwoziu pojazdu, na którym zamontowany jest dźwig lub łycha koparki utrzymać stabilność w trudnym terenie. Do pewnego momentu operator dźwigu – kierowca pojazdu musiał przy użyciu siły swoich rąk wysunąć ważące kilkadziesiąt kilogramów cztery łapy po bokach pojazdu i następnie przy użyciu również siły swoich rąk wykręcając odpowiednie śruby stworzyć boczne podparcie dla swojego pojazdu.
Innym przykładem z tego samego typu jest zastąpienie aktorami hydraulicznymi napędu kilku mechanizmów specyficznego pojazdu mobilnego, używanego do wodowania niewielkich jachtów w portach lub marinach. Wykorzystanie takiego pojazdu pozwala m.in. na „wyjęcie” z wody jachtu i transportowanie go po nabrzeżu do miejsca „zimowego” postoju czy naprawy lub konserwacji jachtu. Rysunek 73 ilustruje miejsca, w których wykorzystano aktory hydrauliczne w takim pojeździe mobilnym. [Źródło: zasoby własne autora].
Jak widać z rysunku 73 w pojeździe mobilnym do transportu i wodowania jachtów morskich wykorzystano dwa rodzaje aktorów hydraulicznych. Pierwszym rodzajem aktora jest silnik napędowy, który został użyty do napędu czterech kół pojazdu oraz do kilku wciągarek lin, których zadaniem jest unoszenie i opuszczanie dwóch oddalonych od siebie obejm (niewidocznych na rysunku), które umieszczane są pod jachtem. Drugim rodzajem aktora użytego w pojeździe mobilnym z rysunku 73 jest siłownik liniowy, który wykorzystywany jest do realizacji skrętu zwrotnic czterech kół pojazdu. Na rysunku 73 widocznych jest też wiele linii przesyłowych wysokiego ciśnienia, których zadaniem jest dostarczanie cieczy hydraulicznej do wszystkich aktorów pojazdu mobilnego.