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基于工业4.0的 ToolScope 加工过程监控系统
来源: 作者:高迈特 供稿 浏览次数:0
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  近年来,互联网、物联网等信息技术和信息经济如火如荼地发展,对传统制造业形成了巨大的冲击。工业4.0最早在德国被提出就是为了将通讯技术、虚拟网络和实体物理网络相结合,通过分散式增强型控制和去中心的智能化,实现制造业从自动化向智能化的转变。
  目前达成一定共识的是,工业4.0的实现将至少经历三个发展阶段,第一阶段是实现工业自动化,第二阶段是实现数字化工厂,第三阶段是实现智能化制造。
  来自德国的高迈特集团基于工业4.0的发展趋势,同时结合近一百年的切削技术和生产工艺经验,开发出了可集成在机床设备上的 ToolScope 加工过程监控系统。
第一阶段:工业自动化
  现代化车间生产在综合了先进的机床设备、工业机器人、自动测量系统、自动装夹系统和物料输送等技术和系统后,能够按照预先设定的程序和参数进行自动化生产。
  但是对于机床加工环节来说,会存在很多影响自动化加工的因素,例如错误的程序和操作、错误的装夹、不稳定的工件材料和毛坯质量、不稳定的刀具质量、不合理的工艺参数设定、及其他不稳定的加工工况,等等。除了可能引起工件的尺寸形位精度和表面质量不合格外,加工过程中出现的各种不稳定因素和失误还可能引起各种异常状况,比如堵屑缠屑、振动、崩刃、断刀、烧刀、甚至撞刀,对刀具、工件和机床造成无法挽回的损害。不止会影响自动化生产,还会造成经济损失和浪费很多辅助时间。
  ToolScope加工过程监控系统能从两方面为机床加工提供异常状态监控,保障机床自动化生产的正常运行。
  1.1. 异常状态监控 - 碰撞监测
  理论上,在加工过程前(刀具还未切入工件)的机床快进给阶段,主轴包括刀具不会接触任何东西,机床本身只有主轴旋转或工作台运动产生的轻微振动。但如果由于一些失误(例如装刀或刀补失误、程序或操作失误、工件或夹具异常等),主轴包括刀具可能会撞上其他部件。机床本身是无法感知到发生的碰撞,目前机床的保护方式是只有在撞击的力超过了机床的承受极限时机床才会停机,而这时主轴、刀具及被撞部件可能已经产生了剧烈的变形,造成无法挽回的巨大损失。
  ToolScope的碰撞监测功能在加工过程前监测机床主轴的振动(在机床主轴附近安装一个振动传感器)。在监测到机床振动异常加剧时,ToolScope会立即向机床发送停机指令(ToolScope反应时间2ms),在碰撞发生的一瞬间就停止机床,避免造成更大的损失。而在机床正常运行或加工时不会有任何影响。
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  1.2. 异常状态监控 - 公差范围监控
  在加工过程中(刀具切入工件阶段),传统的方式是操作者需要依靠自己的经验,通过加工过程中的声音、机床振动、目测加工部位、不断波动的功率条等方式判断加工过程是否正常,在发生一些异常时并不能非常准确地做出判断和及时地做出反应。并且在机床开始加工后的整个过程中,也无法非常直观的了解到中间发生了什么。
  ToolScope可以自动读取机床各个轴的负载、速度、位置等数据,以及程序号和刀具号等信息,因此每一把刀具的每一个加工过程都可以实时生成相应的加工曲线(机床负载在坐标轴内随时间变化的曲线),从而非常直观的呈现出加工过程中的变化,实现最基础的加工过程数据化和可视化。
  ToolScope通过对正常的加工过程的监控,可以自动学习到该加工过程的曲线或特征,生成最大/最小极限值和加工曲线的公差范围边界,在后续的生产中,根据极限值和公差范围边界对加工过程进行监控。如果发生了崩刀、断刀、烧刀等异常情况,其加工过程的曲线和特征相比正常的加工过程肯定有突变或很大的差异,ToolScope可以自动识别出这种突变和差异,进而发出警报和控制机床暂停,避免对工件、刀具和机床的进一步损坏,提高加工过程和机床的稳定性,降低废品率和生产风险。
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  第二阶段:数字化工厂
  数字化工厂从产品研发设计仿真和工艺规划、生产组织和实际加工、产品质量跟踪、到装配和物流,将所有环节有机的结合在一起,实现产品的全生命周期管理和全面的制造过程管理。其中一个最基本的要求是需要将各个环节通过网络连接在一起,每个环节和其他环节之间都能实现数字化的信息交换。
  机床设备作为工厂中很重要的环节,无法直接连接到工厂的信息化网络并提供数字化的数据和信息。ToolScope加工过程监控系统可以为每台机床采集数据并连接到网络,作为工厂信息网络在每台设备上的神经末梢,消除机床设备的信息孤岛,纳入到车间的数字化和网络化管理。
  ToolScope能够提供局部的数字化工厂解决方案,同时能开放端口与第三方信息化管理系统进行网络化的集成应用。
  2.1. 机床数据采集和记录
  ToolScope能采集所有从机床内部(例如旋转轴或进给轴的功率、扭矩等负载数据,及目标/实际位置/速度等数据)或外部传感器(如振动、加速度、温度、压力和流量等数据)读取到的数据,在用于对机床进行监控的同时,还能根据采样频率(最大100Hz)记录监测到的所有数据、以及监控生成的加工过程曲线。
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  ToolScope拥有自身独立的数据存储空间,可通过USB导出或内部网络远程读取的方式,导出PNG 格式、可用EXCEL编辑的CSV格式、PDF 格式等文件。ToolScope通过独立的硬件来进行数据的采集/记录和运算,响应速度快,全天候监控,不占用机床本身的运算能力,不会对机床的程序、控制和反应速度造成影响。
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  通过可配置的传感器数据,ToolScope使机床具备了提供数据和信息的能力,用文件记录或网络信息交换的方式,能够持续的提供机床状态数据和加工过程数据。
  同时,ToolScope通过对加工过程的深入监控,能提供工件在机床上的完整加工过程记录,作为可追溯的过程质量体系文件。文件可匹配工件编号进行记录。配合电脑端的SoftScope软件,可以对加工过程记录和警报进行分析和回溯,可用于问题分析和改进,优化工艺等。
  2.2. ToolScope自身的网络管理
  每台安装于机床的ToolScope监控器都是双网卡配置,通过TCP/IP网线连接到内部的局域网。可在远程电脑上通过局域网IP地址直接访问ToolScope监控器,进行数据读取和维护。ToolScope的机床数据记录、加工过程记录以及监控设置等,都可以通过局域网自动上传至服务器,或发送到指定的IP地址。
  除了能在机床操作面板上显示单机的监控画面外,还能在远程电脑上进行远程监控显示,以及在独立的信号线缆连接的显示屏、或远程通过网络连接的显示屏上显示特定机床的实时监控画面,或集中显示多台设备的监控画面。
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  2.3. 机床运行状态显示和利用率分析
  作为全天候在机床后台实时运行的设备,可以利用ToolScope获取的机床状态数据和加工过程数据,对机床的运行状态进行集中显示和记录,统计实际加工时间和闲置时间,记录运行程序号/刀具号记录和时间,分析机床的有效利用率,为车间设备管理提供辅助。
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  2.4. 无人化生产的解决方案
  在实现自动化生产和数字化工厂之后,无人化生产是一个未来的发展趋势。ToolScope为自动化生产中最不稳定的机床加工环节提供实时监控和主动的通知管理功能,在某台机床发生异常状态时,除了即时停机进行保护外,可以通过运行在局域网服务器上的信息分发软件,将相关的报警信息通过有线或无线设备通知到生产和刀具的负责人员,保证整个系统的稳定运行和及时响应。
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  2.5. 数据分享和网络化集成
  ToolScope有了现场采集得到的机床状态数据和加工过程数据、以及分析计算出的结果数据,可以通过网络化集成,按照指定的协议为第三方信息化管理系统(如DNC/MES/PDM/PLM等等)提供数据,达到真正高效即时的数据共享。
  第三阶段:智能化制造
  工业4.0的一个非常重要的目的就是实现制造业从自动化向智能化的转变。整个生产系统在通过网络化的信息管理组织和实现各个环节之间的数据信息交换之后,还需要进一步提高其实时信息、灵活性、自适应性和可学习等能力,具备容错能力和风险管理能力,然后通过可实时应对的灵活生产系统和网络,实现生产工程的高级自动化和彻底优化。另外一个特征是需要在系统中的每个环节都实现独立的增强控制,通过去中心的智能化实现更加的柔性生产。
  目前机床的状况是只能执行本地存储的NC程序,并完全按程序的顺序执行操作,不能自主了解加工过程和刀具的状况,即使发生了异常状况也不会停止。
  ToolScope加工过程监控系统能够赋予机床智慧,自主地判断设备、装夹、加工过程和刀具是否正常,在发生断刀、撞刀等异常情况时立即控制停机,保证过程安全稳定。同时还能根据实时的加工负载智能地调节进给倍率,优化加工效率;以及根据刀具的切削力判断刀具是否磨损,降低刀具的风险和成本。
  3.1. 自适应控制
  通常在编程和实际加工时,每个加工过程和刀轨都只执行同一个进给F值,无论加工余量如何变化、或在一些难加工部位和遇到材料缺陷时,都无法自主地适用实时的加工状况。例如,刀具如果在遇到硬点时还是按原先速度进给,就很有可能引起崩刃。
  ToolScope在每个加工过程的第一次运行后,即可通过学习计算出该加工过程的理想负载,从第二个加工过程就可以开始对进给倍率进行优化。在实时负载低于理想负载时自动按比例提高进给倍率,高于理想负载时自动按比例降低进给倍率。进给倍率的控制范围(最大/最小倍率值)可以针对不同的加工内容进行单独设置。
  因此,安装了ToolScope的机床就可以在空切削和小余量时自动增加进给倍率,提高加工效率和设备利用率,特别适合用于有很多铣削的加工;同时,在遇到大余量、材料硬点、刀具磨损及工况不稳定时,机床可以自动降低进给倍率,有效降低在加工时发生的振动、噪音等情况,保护刀具和主轴,防止刀具损坏,延长刀具寿命。
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  3.2. 基于平均切削力的磨损趋势监控
  ToolScope在每个加工过程结束后可以自动分析和计算其平均切削力,对应加工过程数据进行分布显示。随着加工次数的增多,刀具的平均切削力肯定会随着刀具的磨损而越来越高。
  传统的刀具寿命管理方式通常是技术人员通过测量零件和观察刀具切削刃的状况等经验来判断刀具的磨损程度,或通过按额定的加工件数强制换刀的方式来进行管理。ToolScope的平均切削力分析额外提供了一种判断刀具状况的手段,并能通过每一次的平均切削力记录将刀具的磨损趋势进行非常直观的可视化。在基于技术人员对刀具达到最大寿命时的最大平均切削力有了经验数据后,就可以为刀具设置磨损极限,由安装ToolScope的机床来判断刀具的实时磨损状况,并在刀具磨损后发出报警;如果机床有专门的备刀库,还可以实现自动调用备刀。同时平均切削力分析还可以进行缺刀/缺工件检测,为异常状态监控提供辅助。
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  除了为每台机床实现一定程度的智能化外,ToolScope还为客户的进一步数字化和智能化建设预留接口,面向更加开放的未来。
  结语
  ToolScope 专注于提升整个加工过程,为智能化生产提供领先、全面的监控能力和服务。高迈特将不断推出新的实用监控策略和网络扩展功能,基于一次采购的硬件和后续的软件升级服务,我们能保证客户始终使用最新的加工过程监控技术。ToolScope加工过程监控系统已广泛应用于发动机、汽车零部件、航空航天、能源、模具、液压、重型机械、机床等行业客户。
  同时高迈特集团拥有近100年的精密刀具的设计、生产和应用的历史,将丰富的金属切削经验与加工过程监控结合在一起,提供更加专业有效的解决方案。
  除了来自德国的不断支持,高迈特中国拥有一支专家团队,与覆盖全国的当地服务工程师团队一起,为客户提供最专业、最全面、最迅速的服务!
  我们期待与您的合作!
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  高迈特精密刀具(太仓)有限公司
  KOMET GROUP Precision Tools (Taicang) Co., Ltd
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