कंप्यूटर एकीकृत विनिर्माण: PLC, सामग्री हस्तन, AS/RS, स्वचालित पहचान, CNC व स्थितिन तंत्र
1. विनिर्माण में स्वचालन
| प्रकार | उपयुक्त | उदाहरण |
|---|---|---|
| स्थिर (कठोर) | बहुत उच्च आयतन, एक अभिकल्प | स्थानांतरण लाइनें, समर्पित संयोजन मशीनें |
| प्रोग्रामनीय | बैचों में मध्यम आयतन, बैचों के बीच परिवर्तन | CNC मशीनें, प्रति बैच पुनः प्रोग्रामित रोबोट |
| नम्य | मध्यम आयतन, बीच में समय गँवाए बिना भागों का मिश्रण | नम्य विनिर्माण तंत्र, सेल |
किसी तंत्र का निर्गम उसके चक्र काल T_c व उत्पादन दर R_p = 1/T_c से, और उसकी उपलब्धता से आँका जाता है, वह समयांश जब यह चल सकता है: A = MTBF/(MTBF + MTTR) — औसतन प्रत्येक 90 घंटे पर विफल होने व मरम्मत में 10 लेने वाली मशीन हेतु 90/(90 + 10) = 0.9। स्वचालन वहाँ लाभ देता है जहाँ आयतन इतना ऊँचा हो कि उसकी लागत फैल सके, जहाँ कार्य संकटपूर्ण या नीरस हो, या जहाँ नम्यता से अधिक सुसंगति महत्त्वपूर्ण हो; यह इन आधारों पर उचित ठहरता है, केवल श्रम पर नहीं।
2. प्रोग्रामनीय तर्क नियंत्रक
PLC कारख़ाने के तल हेतु बना औद्योगिक कंप्यूटर है: स्मृति सहित CPU, क्षेत्र संकेतों (स्विच, संवेदक) का अनुकूलन करने वाले निवेश मॉड्यूल और भार (रिले, वाल्व, संपर्कक) चलाने वाले निर्गम मॉड्यूल, विद्युत आपूर्ति, और प्रोग्रामन युक्ति। यह दोहराता स्कैन चक्र चलाता है: सभी निवेश एक निवेश-प्रतिबिंब में पढ़ें, उस प्रतिबिंब पर प्रोग्राम चलाएँ, सभी निर्गम अद्यतन करें, फिर संचार व स्व-जाँच। चूँकि कोई निवेश पढ़े जाने के ठीक बाद बदल सकता है, निवेश-परिवर्तन पर सबसे खराब अनुक्रिया लगभग दो स्कैन काल (मॉड्यूल विलंब सहित) है — 10 ms स्कैन हेतु 20 ms।
सामान्य भाषा लैडर तर्क है, दो रेलों के बीच खींचा रिले आरेख: AND हेतु श्रेणी में और OR हेतु समांतर में सामान्यतः-खुले (बंद-होने-पर-जाँच) व सामान्यतः-बंद (खुले-होने-पर-जाँच) संपर्क, जो निर्गम कुंडलियाँ चलाते हैं। सील-इन (लैच) परिपथ मूल प्रतिरूप है: Motor = (Start + Motor) · Stop, जहाँ Start क्षणिक पुश-बटन है और Stop सामान्यतः-बंद, जो दबाए जाने तक सत्य पढ़ता है — Start छोड़ने पर मोटर अपने ही संपर्क से चलती रहती है, Stop दबाने पर रुक जाती है। अंतर्बंधन एक कुंडली का सामान्यतः-बंद संपर्क दूसरी के पायदान में रखता है, जिससे अग्र व पश्च कभी एक साथ चालू न हों। ऑन-विलंब समयक (TON) अपना निर्गम तभी चालू करता है जब उसका निवेश पूर्व-निर्धारित समय तक लगातार सत्य रहा हो, और निवेश गिरने पर रीसेट होता है; गणित्र (CTU) निवेश संक्रमणों को पूर्व-निर्धारित मान तक गिनते हैं। IEC 61131-3 लैडर आरेख, फलन खंड आरेख, संरचित पाठ, निर्देश सूची व अनुक्रमिक फलन चार्ट परिभाषित करता है।
3. सामग्री हस्तन, AS/RS, तथा स्वचालित पहचान व संसूचन
स्वचालित सामग्री हस्तन संचालक के बिना संक्रियाओं के बीच भाग ले जाता है: स्थिर उच्च-आयतन मार्गों हेतु वाहक (पट्टा, रोलर, शृंखला, ऊपरी); परिवर्ती मार्गों हेतु स्वचालित निर्देशित वाहन, अंतःस्थापित तार, चुंबकीय टेप, या लेज़र व प्राकृतिक-लक्षण नौवहन से निर्देशित; भारी भारों हेतु क्रेन व उत्थापक; और स्टेशन पर स्थानांतरण हेतु औद्योगिक रोबोट। स्वचालित भंडारण व पुनर्प्राप्ति तंत्र कंप्यूटर-नियंत्रित भंडारण/पुनर्प्राप्ति (S/R) मशीन द्वारा सेवित ऊँचा रैक है — पैलेटों हेतु एकक-भार तंत्र, डिब्बों हेतु लघु-भार तंत्र, डिब्बे को चुनने वाले तक लाने वाले कैरोसेल। चूँकि S/R मशीन क्षैतिज व ऊर्ध्वाधर एक साथ चलती है, किसी डिब्बे तक उसका यात्रा काल दोनों अक्ष-कालों में बड़ा है, उनका योग नहीं।
हल: गलियारे के अनुदिश 30 m व 10 m ऊपर स्थित डिब्बा, 2 m/s क्षैतिज गति व 0.5 m/s ऊर्ध्वाधर गति सहित, प्रत्येक ओर max(15 s, 20 s) = 20 s लेता है। एकल-आदेश चक्र (एक भार रखना, या एक निकालना) जाना व लौटना और एक उठाना व एक रखना है: प्रत्येक 10 s सहित 40 + 20 = 60 s, एक घंटे में 60 चक्र। द्वि-आदेश चक्र एक यात्रा में एक भार रखता व दूसरा निकालता है, इसीलिए यह प्रवाह-क्षमता बढ़ाता है।
स्वचालित पहचान व आँकड़ा ग्रहण किसी वस्तु की पहचान उसे टाइप किए बिना पढ़ता है: बार कोड (रैखिक, या QR व Data Matrix जैसे 2D, दृष्टि-रेखा सहित प्रकाशिक रूप से पठित); RFID, रेडियो से पठित, दृष्टि-रेखा की आवश्यकता नहीं, एक साथ अनेक टैग, निष्क्रिय टैग पाठक के क्षेत्र से व सक्रिय टैग बैटरी से पोषित; मशीन दृष्टि व प्रकाशिक वर्ण पहचान; चुंबकीय पट्टियाँ। संसूचन संवेदक नियंत्रक को बताते हैं कि कुछ उपस्थित है: यांत्रिक सीमा स्विच; प्रेरकीय निकटता संवेदक, जो केवल धातु पहचानते हैं; धारितीय निकटता संवेदक, जो अधातु भी पहचानते हैं; और थ्रू-बीम, रेट्रो-परावर्ती व विसरित रूपों में प्रकाश-विद्युत संवेदक।
4. कंप्यूटर संख्यात्मक नियंत्रण
CNC समर्पित कंप्यूटर पर संचित भाग-प्रोग्राम से मशीन उपकरण चलाता है; DNC अनेक मशीनों को केंद्रीय कंप्यूटर से जोड़ता है। अक्ष दक्षिण-हस्त नियम का पालन करते हैं, Z तर्कु के अनुदिश व कार्य से दूर धनात्मक। निर्देशांक निरपेक्ष (G90), प्रोग्राम शून्य से, या वृद्धिशील (G91), वर्तमान बिंदु से, होते हैं। गति शब्द हैं G00 द्रुत स्थितिन, G01 अभरण दर पर रैखिक अंतर्वेशन, G02 दक्षिणावर्त वृत्तीय अंतर्वेशन व G03 वामावर्त; विविध शब्दों में M03 तर्कु को दक्षिणावर्त आरंभ करता है, M05 रोकता है और M30 प्रोग्राम समाप्त करता है। बिंदु-से-बिंदु मशीनों (वेधन) को केवल स्थितियाँ चाहिए; रूपरेखन मशीनों (मिलिंग, प्रोफ़ाइल खरादन) को अक्ष एक साथ अंतर्वेशित चाहिए।
5. एकल- व बहु-अक्ष स्थितिन, तथा समवर्ती अभिकल्प
एकल-अक्ष स्थितिन तंत्र सामान्यतः p पिच वाले लीड स्क्रू (बॉल स्क्रू) से, प्रायः गियर अपचयन r_g के माध्यम से, मेज़ चलाने वाली मोटर है। खुले पाश में प्रति परिक्रमण n_s चरणों वाला स्टेपर प्रति स्पंद मेज़ को एक मूल लंबाई एकक खिसकाता है, BLU = p/(n_s r_g): 5 mm पिच, 200 चरण व 2:1 अपचयन से 0.0125 mm। मेज़ गति BLU × स्पंद-दर है — 400 स्पंद/s पर 5 mm/s या 300 mm/min — और मोटर 400/200 = 2 परिक्रमण/s, 120 rpm पर घूमती है। बंद पाश में एनकोडर (मोटर पर या सीधे मेज़ पर) सहित सर्वो मोटर मापती है कि अक्ष ने वास्तव में क्या किया और उसे सुधारती है। अधिक अपचयन BLU छोटा और अक्ष धीमा करता है।
बहु-अक्ष तंत्र ऐसे अक्षों को जोड़ते हैं (x–y मेज़, गैन्ट्री, मशीन उपकरण, रोबोट) और उन्हें या तो एक के बाद एक स्थित करते हैं (बिंदु-से-बिंदु) या रूपरेखन हेतु समन्वित करते हैं (रैखिक व वृत्तीय अंतर्वेशन)। उनकी परिशुद्धता, रोबोटों की भाँति, नियंत्रण विभेदन (BLU या एनकोडर का चरण), पुनरावर्तनीयता व यथार्थता से वर्णित होती है।
समवर्ती अभियांत्रिकी उत्पाद व उसकी विनिर्माण प्रक्रिया को साथ-साथ विकसित करती है, अभिकल्प, विनिर्माण, गुणता व आपूर्तिकर्ता क्रम से अभिकल्प को "दीवार के पार" देने के स्थान पर समांतर कार्य करते हुए; यह बाज़ार तक पहुँचने का समय घटाती है और देर से होने वाले परिवर्तन कम करती है। विनिर्माण व संयोजन हेतु अभिकल्प भागों की संख्या घटाता है, मानक भाग प्रयोग करता है, भागों को स्व-स्थापी व सममित बनाता है, और जहाँ स्नैप-फ़िट चले वहाँ बंधकों से बचता है — और जो भाग व्यक्ति के लिए जोड़ना आसान है वह प्रायः रोबोट के लिए भी आसान होता है। स्वचालन हेतु विनिर्माण नियोजन में प्रक्रम नियोजन — वैरिएंट CAPP, जो समान भाग-कुल (समूह प्रौद्योगिकी) की योजना निकालकर संपादित करता है, और जनक CAPP, जो भाग के लक्षणों व निर्णय तर्क से योजना संश्लेषित करता है — तथा परिणामी संक्रियाओं का अनुसूचन सम्मिलित है।
मुख्य बिंदु
- उच्च आयतन व एक अभिकल्प हेतु स्थिर स्वचालन, बैचों हेतु प्रोग्रामनीय, बिना परिवर्तन मिश्रण हेतु नम्य; A = MTBF/(MTBF + MTTR)।
- PLC स्कैन करता है: निवेश पढ़ें, चलाएँ, निर्गम लिखें; सबसे खराब अनुक्रिया लगभग दो स्कैन है; सील-इन (Start + M) · Stop है; निवेश गिरने पर TON रीसेट होता है।
- S/R मशीन दोनों अक्ष एक साथ चलाती है, अतः यात्रा काल दोनों में बड़ा है; RFID को दृष्टि-रेखा नहीं चाहिए; प्रेरकीय निकटता संवेदक केवल धातु देखते हैं।
- G90 निरपेक्ष, G91 वृद्धिशील, G00 द्रुत, G01 रैखिक, G02 दक्षिणावर्त व G03 वामावर्त चाप; Z तर्कु अक्ष है।
- खुले-पाश BLU = p/(n_s r_g) व गति = BLU × स्पंद-दर; समवर्ती अभियांत्रिकी अभिकल्प व प्रक्रम नियोजन को अधिव्याप्त करती है; जनक CAPP लक्षणों से योजनाएँ बनाता है।
अभ्यास प्रश्न (15)
उत्तर खोलने से पहले प्रत्येक प्रश्न हल करें। हर व्याख्या सही विकल्प के साथ लुभावना गलत विकल्प भी बताती है, क्योंकि अंक वहीं जाते हैं।
स्थिर (कठोर) स्वचालन सबसे उपयुक्त है:
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उत्तर: A — एक उत्पाद अभिकल्प के बहुत उच्च उत्पादन आयतन हेतु
स्थानांतरण लाइन या समर्पित मशीन बनाने में महँगी और बदलने में कठिन है, अतः यह तभी लाभ देती है जब एक अभिकल्प का बड़ा, स्थिर आयतन उसकी लागत फैलाए। विविधता व बार-बार परिवर्तन प्रोग्रामनीय या नम्य स्वचालन माँगते हैं।एक मशीन का विफलताओं के बीच माध्य समय 90 घंटे और मरम्मत का माध्य समय 10 घंटे है। इसकी उपलब्धता ____ है।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 0.9
A = MTBF/(MTBF + MTTR) = 90/100 = 0.9: प्रत्येक 100 घंटों में 90 चलते हुए बीतते हैं। MTTR/MTBF ≈ 0.11 मरम्मत व चलने के समय का अनुपात है, उपलब्धता नहीं।एक PLC स्कैन चक्र में संक्रियाओं का क्रम है:
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उत्तर: A — निवेश पढ़ें, प्रोग्राम चलाएँ, निर्गम अद्यतन करें
PLC निवेशों को प्रतिबिंब सारणी में स्थिर करता है, उस सुसंगत प्रतिबिंब पर पूरा प्रोग्राम हल करता है, फिर सभी निर्गम एक साथ लिखता है; संचार व निदान बाद में। प्रोग्राम चलते-चलते पढ़ना-लिखना एक स्कैन में एक पायदान को अगले से भिन्न निवेश दिखाएगा।एक मोटर लैडर पायदान Motor = (Start + Motor) · Stop से नियंत्रित है, जहाँ Start सामान्यतः-खुला पुश-बटन है और Stop सामान्यतः-बंद पुश-बटन जो दबाए जाने तक सत्य पढ़ता है। Start दबाकर छोड़ने के बाद मोटर:
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उत्तर: A — Stop दबाए जाने तक चलती रहती है
Motor सत्य होने के बाद Start के समांतर उसका अपना संपर्क Start खुलने के बाद भी पायदान सत्य रखता है — सील-इन। Stop दबाने पर श्रेणी पद असत्य होता है और सील छूट जाती है। समांतर Motor संपर्क के बिना मोटर केवल Start दबाए रहने तक चलेगी।एक PLC का स्कैन काल 10 ms है। निवेश-फ़िल्टर व निर्गम-मॉड्यूल विलंबों की उपेक्षा करते हुए, किसी निवेश के बदलने व संगत निर्गम के बदलने के बीच सबसे खराब स्थिति का समय ____ ms है।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 20
यदि निवेश प्रतिबिंब पढ़े जाने के ठीक बाद बदले, तो वह उस स्कैन के शेष भाग (लगभग 10 ms) हेतु छूट जाता है; अगले स्कैन के आरंभ में पढ़ा जाता है और उसके अंत में निर्गम लिखा जाता है (10 ms और): लगभग दो स्कैन, 20 ms। एक स्कैन सर्वोत्तम स्थिति है।एक ऑन-विलंब समयक (TON) का पूर्व-निर्धारित मान 5 s है। इसका निवेश t = 0 पर चालू होता है, t = 3 s पर बंद होता है, और t = 4 s पर पुनः चालू होकर चालू रहता है। समयक निर्गम t = ____ s पर चालू होता है।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 9
TON केवल तब समय गिनता है जब उसका निवेश लगातार सत्य हो और निवेश गिरने पर रीसेट होता है, अतः t = 3 s से पहले संचित 3 s खो जाते हैं। समय-गणना t = 4 s पर पुनः आरंभ होकर 4 + 5 = 9 s पर पूर्ण होती है। धारक समयक 3 s रखकर 6 s पर पूर्ण करेगा।स्वचालित पहचान हेतु बार कोड की तुलना में RFID का एक लाभ यह है कि RFID:
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उत्तर: A — को टैग व पाठक के बीच दृष्टि-रेखा नहीं चाहिए
RFID टैग रेडियो से पढ़े जाते हैं, अतः वे पैकेजिंग के भीतर, विषम अभिविन्यासों में और एक साथ अनेक पढ़े जा सकते हैं; बार कोड स्कैनर को दिखना चाहिए। RFID को फिर भी पाठक चाहिए, यह एक अंक से कहीं अधिक संचित करता है, और निकट की धातु वास्तव में इसे बिगाड़ती है।वाहक पर प्रेरकीय निकटता संवेदक पहचानेगा:
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उत्तर: A — केवल धात्विक भाग
यह उन भँवर धाराओं का संवेदन करता है जो चालक लक्ष्य उसके दोलनशील क्षेत्र में प्रेरित करता है, अतः अधातु उसे दिखते नहीं। धारितीय संवेदक अधातु पहचानते हैं, और प्रकाश-विद्युत संवेदक पारदर्शी वस्तुओं या रंग-चिह्नों हेतु व्यवस्थित किए जा सकते हैं।AS/RS की S/R मशीन क्षैतिज 2 m/s व ऊर्ध्वाधर 0.5 m/s से, दोनों एक साथ, चलती है। एक भंडारण स्थान गलियारे के अनुदिश 30 m व उठाओ-रखो स्टेशन से 10 m ऊपर है, और प्रत्येक उठाना या रखना 10 s लेता है। इस स्थान हेतु एकल-आदेश चक्र काल ____ s है।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 60
क्षैतिज यात्रा 30/2 = 15 s व ऊर्ध्वाधर 10/0.5 = 20 s लेती है; साथ चलने पर प्रत्येक एकतरफ़ा यात्रा बड़ा, 20 s, लेती है। जाना व लौटना 40 s है, और एक उठाना व एक रखना 20 s जोड़ते हैं: 60 s। अक्ष-कालों को जोड़ना (प्रत्येक ओर 35 s) 90 s देता है।CNC भाग-प्रोग्रामन में प्रारंभिक शब्द G02 आदेशित करता है:
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उत्तर: A — वृत्तीय अंतर्वेशन, दक्षिणावर्त
G02 दक्षिणावर्त चाप है और G03 वामावर्त; G00 द्रुत गमन है और G01 प्रोग्रामित अभरण दर पर सीधा कटाव। दिशा चाप के तल के अभिलंब अक्ष की ऋण दिशा में देखकर आँकी जाती है।CNC प्रोग्रामन में G91 निर्दिष्ट करता है कि आगे के निर्देशांक हैं:
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उत्तर: A — वृद्धिशील, वर्तमान स्थिति से मापे गए
G91 वृद्धिशील आयाम और G90 निरपेक्ष आयाम चुनता है। G90 सहित X50 का अर्थ बिंदु x = 50; G91 सहित इसका अर्थ है उपकरण जहाँ है वहाँ से x में 50 चलना।एक खुले-पाश स्थितिन मेज़ को प्रति परिक्रमण 200 चरणों वाली स्टेपर मोटर 2:1 गति-अपचयन के माध्यम से 5 mm पिच वाले लीड स्क्रू पर चलाती है। इसका मूल लंबाई एकक ____ mm है।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 0.0125
एक मोटर चरण स्क्रू को परिक्रमण का 1/(200 × 2) घुमाता है, मेज़ को 5/400 = 0.0125 mm खिसकाते हुए। गियर अपचयन की उपेक्षा 0.025 mm देती है।200 चरण प्रति परिक्रमण वाली स्टेपर मोटर को 400 स्पंद प्रति सेकंड पर चलाया जाता है, प्रति स्पंद एक चरण, और वह 2:1 गति-अपचयन के माध्यम से लीड स्क्रू घुमाती है। मोटर की गति ____ rpm है।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 120
400 स्पंद/s ÷ प्रति परिक्रमण 200 चरण = मोटर पर 2 परिक्रमण/s = 120 rpm; स्क्रू 60 rpm पर घूमता है और मेज़ 400 × 0.0125 = 5 mm/s चलती है। मोटर पर गियर अनुपात से भाग देना 60 rpm देता है, जो स्क्रू की गति है।समवर्ती अभिकल्प व विनिर्माण नियोजन के विषय में कौन-से कथन सत्य हैं?
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उत्तर: A — समवर्ती अभियांत्रिकी में उत्पाद अभिकल्प व प्रक्रम नियोजन समय में अधिव्याप्त होते हैं; B — संयोजन हेतु अभिकल्प का लक्ष्य भागों की संख्या घटाना है; D — जनक CAPP भाग के लक्षणों व निर्णय तर्क से प्रक्रम योजना संश्लेषित करता है
(A) क्रमिक "दीवार के पार" हस्तांतरण के विरुद्ध परिभाषिक लक्षण। (B) कम भाग अर्थात् कम संक्रियाएँ, स्थापक व संयोजन गतियाँ। (C) असत्य: अभिकल्प के दौरान विनिर्माण समस्याएँ पकड़ना विकास को छोटा करता है। (D) वैरिएंट CAPP संचित कुल-योजना संपादित करता है; जनक CAPP नई बनाता है।स्थितिन तंत्रों के विषय में कौन-से कथन सत्य हैं?
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उत्तर: B — खुले-पाश स्टेपर-चालित अक्ष में वास्तविक मेज़ स्थिति का कोई मापन नहीं; C — बंद-पाश अक्ष एनकोडर या समान पुनर्निवेश युक्ति प्रयोग करता है; D — रूपरेखन को एक से अधिक अक्षों का एक साथ, समन्वित नियंत्रण चाहिए
(A) असत्य: BLU = p/(n_s r_g), अतः अधिक अपचयन इसे छोटा करता है — सूक्ष्म, और धीमा। (B) नियंत्रक मानता है कि प्रत्येक स्पंद ने मेज़ को एक BLU खिसकाया। (C) पुनर्निवेश पाश बंद करता है। (D) वक्र या तिरछी रेखा हेतु अक्ष साथ-साथ अंतर्वेशित चाहिए।