В этих условиях заводы по изготовлению трансмиссий стремились найти, протестировать и внедрить альтернативные подходы, которые могли бы улучшить управление режущим инструментом на зубофрезерных станках. Около семи или восьми лет назад начали появляться передовые системы контроля процесса обработки. Они обещали перейти от целевой стратегии к стратегии, основанной на реальных условиях резания. Концепция состояла в том, чтобы изменить время замены инструмента -не слишком рано, не слишком поздно.
Одной из первых систем, вышедших на рынок, стала Artis CTM, разработанная компанией Artis, хорошо зарекомендовавшим себя в области мониторинга инструментов и адаптивных систем управления.
Первоначальные результаты этого подхода, о которых сообщила компания, были очень многообещающими. Использование зубофрезерного инструмента улучшилось на целых 17-30 процентов без каких-либо изменений в параметрах обработки. Было ясно, что изменения могут быть вызваны надежным прогнозом ожидаемого износа инструмента и, таким образом, опережать любое обнаружение неоптимальных условий.
Мониторинг инструментов следует рассматривать как один из важнейших строительных блоков в полностью цифровизированной цехе будущего. По этой причине,системы Artis CTM заслуживают более пристального внимания, потому что она являются представителем класса продуктов автоматизации. Она показывает, как разработчики систем реагируют на возможности, предоставляемые цифровыми датчиками, обработкой данных для визуализации работы оператора, подключением к сети, анализом и координацией общезаводской системы управления.
Для трансмиссий зубофрезерная обработка является критическим процессом, поскольку точно обработанные шестерни являются важными деталями почти всех силовых агрегатов. Шестерни необходимы для передачи энергии двигателя на колеса. Геометрия, шероховатость поверхности и другие характеристики шестерни значительно влияют на эффективность и надежность силовой передачи.
Конечно, качество передач является результатом процессов, используемых для их производства. Зубофрезерный станок является одним из наиболее производительных средств обработки зубчатых колес, поскольку режущий инструмент предназначен для фрезерования зубчатого колеса с несколькими рядами режущих элементов. Типичные зубофрезерные станки имеют шпиндель, который вращает фрезу, поддерживаемую в конусообразном центре. Зубчатые заготовки монтируются на оправке, удерживаемой между шпинделем и центром. Шпиндель заготовки вращает заготовку шестерни, чтобы индексировать ее по мере формирования каждого зуба. Этот шпиндель может также действовать как ось B, которая вращает заготовку зубчатого колеса в противоположность вращению варочной поверхности для образования спиральных зубчатых колес и других типов зубчатых колес.
Для производства автомобильных зубчатых колес зубофрезерный инструмент чаще всего представляет собой инструмент из быстрорежущей стали или твердого сплава, на котором вышлифованы ряды зубьев фрезы. Канавка или канал между рядами позволяет охлаждающей жидкости и стружке вытекать из зоны резания. Отдельные режущие зубья на фрезе имеют форму, соответствующую желаемой форме основания между готовыми зубьями шестерни. Фрезы могут быть предназначены для черновой или чистовой обработки. Сегодня большинство зубофрезерных инструментов покрыты нитридом титана (оловом), чтобы противостоять износу и улучшить смазывающую способность.
Срок службы фрезы зависит от ряда технологических переменных, включая остроту зубьев фрезы, материал фрезы и тип покрытия. Твердость и микроструктура зубчатой заготовки, а также точность ее наружного диаметра и диаметра центрального отверстия также влияют на срок службы инструмента. Жесткость шпинделей станка и зажимных компонентов также может влиять на срок службы фрезы.
Опыт внедрения контроля зубофрезерного инструмента
Для пилотного внедрения системы мониторинга Artis CTM автопроизводитель выбрал свой трансмиссионный завод, на нем применяются старые и новые фрезерные станки. В то время завод использовал 10 различных инстурментов для различных размеров и форм зубчатых колес. Все они были установлены на стандарт 6000 циклов резания на инструмент, после инструмент отправлялся на заточку.
На заводе одна машина была модернизирована системой мониторинга Artis CTM-MU4, которая предназначена для старых санков с блоками управления, которые не имеют возможности собирать цифровые данные от двигателя шпинделя и линейных осевых приводов. В данном случае выбранная машина была Gleason Pfauter P90 hobber, изготовленная в 2005 году.
Установка системы мониторинга включала установку платы обработки ввода-вывода CTM (I/O) в доступный слот PCI в стойке компьютера внутри шкафа управления так, чтобы она была сопряжена с панелью оператора на базе ПК. Два датчика мощности были установлены на электрических выводах к двигателю шпинделя оси В и соединены с картой CTM через многозаходный кабель. Эти аналоговые датчики мощности обнаруживают переменный ток, реагируя на изменения магнитного поля (эффект Холла) силовых выводов при работе двигателя шпинделя во время процесса фрезерования.
Реакция датчиков на флуктуирующее магнитное поле представляет собой пропорциональное выходное напряжение,которое может быть усилено для обнаружения незначительных изменений мощности двигателя шпинделя. Выходные данные датчиков записываются в виде цифровых данных для получения графика мощности двигателя шпинделя с течением времени, который затем коррелируется с соответствующим измеренным износом инструмента.
Данные с этого станка собирались и анализировались в течение полутора лет. Кривые мощности и кривые износа резца сравнивались с выводом силы резания как надежного предиктора износа инструмента. Запрограммированные пределы мощности затем могут быть установлены в качестве сигналов для смены инструмента.
В дополнение к мощности шпинделя CTM-V6 способен отслеживать ряд сенсорных входов, таких как крутящий момент шпинделя, вибрация шпинделя и другие факторы, связанные с состоянием станка. Основное преимущество заключается в возможности обнаружения и реагирования на не связанные с оснасткой условия, влияющие на производительность фрезы.
Износ, видимый на зубьях, снятых для перетачивания, вызвал пропорциональное увеличение силы резания по мере прогрессирования износа. Это увеличение сил резания может быть обнаружено путем контроля тяги электрического тока шпинделя двигателя и использовано в качестве надежного предиктора инструмента.
При использовании любого типа системы мониторинга (сенсорной или цифровой) аналитическое программное обеспечение для конкретной обработки дает аналогичные результаты и создает одинаковый графический дисплей. Это позволяет заводу определить оптимальное время для снятия любого инструмента с производства для повторной заточки или замены в зависимости от ее фактического состояния. По имеющимся сведениям, при наличии системы мониторинга зубофрезерного инструмента в настоящее время производят в среднем 12 000 штук до заточки, одновременно защищая станок и заготовку от повреждений из-за аномальных условий, таких как неожиданная поломка инструмента или разрушение покрытия.
В начале 2020 года системы Artis CTM были внедрены на всех 95 фрезерных станках завода. На сегодняшний день существует в общей сложности около 200 систем мониторинга.
Хотя первая тестовая машина использовалась для сбора данных в течение примерно 18 месяцев в качестве доказательства концепции, последующие установки CTM требуют гораздо более короткого периода "обучения" - обычно две или три недели. Этот период необходим для установления базовой линии показателей производительности, которые указывают на стабильный процесс, проходящий нормальный, ожидаемый износ инструмента в пределах соответствующего диапазона допусков. Для каждого станка эта базовая линия представляет собой уникальную сигнатуру “хорошей " операции на этой конкретной машине. Для этой цели сбор и анализ цифровой или аналоговой обратной связи (в зависимости от типа установленной системы CTM) являются функциями программного обеспечения системы, основанного на алгоритмах, разработанных инженерами специально для мониторинга процесса фрезерования.
Система может обнаруживать отчетливо аномальные условия, возникающие в результате неожиданной поломки или износа инструмента, и вовремя реагировать, чтобы избежать повреждения заготовки или станка. Этот дисплей показывает, что сломанный зуб вызывает падение тока тяги, когда силы резания прерываются действием удаления режущего материала отсутствующего зуба.
Поскольку технологические аномалии, такие как сварка стружкой, разрушение покрытия, скол или сломанный зуб, создают свои собственные отличительные признаки, эти аномалии могут быть идентифицированы и количественно оценены. Как только эти сигнатуры установлены, система мониторинга способна отличить нормальный износ (который в конечном итоге достигает установленного предела) от условий, требующих немедленного реагирования, включая аварийное отключение для предотвращения или минимизации повреждений.
Нормальный износ и аномальные условия могут быть отображены в режиме реального времени на графическом интерфейсе оператора, и различия безошибочны. Эта способность максимизировать использование инструмента и минимизировать вероятность катастрофического отказа инструмента отличает этот подход к мониторингу инструмента от других систем обнаружения износа инструмента или поломок инструмента.
Графические "сигнатуры" процесса фрезерования могут быть сгенерированы программным обеспечением системы мониторинга. В верхней половине дисплея выше стабильный процесс, испытывающий нормальный износ, показывает кривую мощности в желаемом диапазоне, в то время как дисплей ниже показывает ожидаемое увеличение кривой мощности, приближающееся к пределу износа по мере того, как плита тускнеет.
Еще одним преимуществом этого нового подхода является использование данных о производительности инструмента в качестве диагностического индикатора для выявления проблем, не связанных с оснасткой. Другими словами, неоптимальная производительность инструмента может быть оценена как симптом ухудшения некоторых аспектов работоспособности станка. Например, проблема с подшипником на внешней стороне держателя инструмента, вероятно, приведет к увеличению энергопотребления, необходимого при включении внешнего конца зубофрезерного инструмента. Отображаемая кривая мощности покажет это прерывистое увеличение энергопотребления как характерно прерывистый волновой паттерн.
Аналогично, проскальзывание детали из-за недостаточного давления зажима заготовки может привести к недостаточному удалению материала во время чернового прохода. Избыточное состояние материала затем вызовет скачок мощности в чистовом проходе и увеличение скорости износа инструмента. Тот факт, что кривая мощности для чистового прохода ненормальна после нормальной кривой мощности для чернового прохода, указывает на проблему.
Слишком большой диаметр центрального отверстия заготовки зубчатого колеса также может вызвать проскальзывание детали, которое можно обнаружить по характерным изменениям кривой мощности черновых и чистовых проходов. В прошлом, это состояние было почти невозможно обнаружить на станке и, как правило, не было поймано до тех пор, пока не произошло повреждение инструмента при последующих операциях зубчатых передач.
Преимущества запуска зубофрезерного инструмента до предела износа, а не до целевого количества деталей, выходят за рамки снижения затрат на инстурмент. Конечно является значительным улучшением максимизация каждого машинного времени инструмента в зависимости от условий обработки, существующих в данный момент (сколько раз была заточена фреза, целостность покрытия инструмента, общее состояние станка, свойства материала заготовки и т. д.).
Однако управление инструментом, основанное на надежной предсказуемости износа инструмента, способствует и другим аспектам эффективности производства. Эти преимущества включают в себя:
Значительно уменьшилось количество поврежденных инструментов.
Улучшенная пропускная способность за счет устранения остановок, связанных с износом инструмента, таких как поврежденные или сломанные зубья фрезы.
Возможность более агрессивно обрабатывать зубофрезерным инструментом, чтобы сократить время цикла, что приводит к меньшему количеству рабочих часов или необходимого количества машин.
Меньшее количество дефектов деталей и снижение затрат на сортировку или утилизацию деталей.
Снижение скрытых заводских затрат за счет обнаружения и устранения ухудшения эффективности рабочего удержания, зажима цанги, подвесных опорных подшипников и подшипников шпинделя двигателя.
Обнаружение негабаритных отверстий на поступающих заготовках зубчатых колес.
С оперативной точки зрения можно отметить, что такой подход к управлению ферзами оказался гибким и надежным. Например, программное обеспечение системы ТЗС автоматически может обнаруживать и компенсировать изменение диаметра фрезы после заточки. То есть результирующее влияние на энергопотребление создает новую технологическую сигнатуру, тем самым избавляя от необходимости заново измерять параметры станка при каждой смене инструмента и устраняя связанные с этим простои станка. В условиях больших объемов производства, когда практикуется использование любого инструмента на нескольких разных станках, этот прирост времени безотказной работы является существенным.
Эксплуатационные расходы на мониторинг инструмента невелики, главным образом потому, что системы доказали свою надежность, а отказы компонентов не происходили на заводе в течение последних двух лет полного производства. На этом участке автопроизводитель инвестировал примерно 700 000 рублей на станок, в зависимости от возраста и возможностей блока управления. Аналогичные цифры справедливы и для других передающих станций.
Дополнительные возможности
Возможность заключается в использовании возможностей Artis CTM по сбору и передаче данных или сенсорной обратной связи в базу данных на сетевом сервере для хранения и анализа тенденций. Другими словами, данные, обычно используемые для онлайн-функций на станке, таких как визуализация, сигналы тревоги и отображение кривой мощности, могут быть захвачены для автономной обработки. Хотя автопроизводитель внедряет свою собственную цифровую платформу для своих производственных решений, основанных на данных, Artis предлагает систему управления базами данных для своих общих коммерческих клиентов-C-Thru4.0.
Этот продукт позволяет механическим цехам и производственным предприятиям собирать и обрабатывать данные от систем Artis CTM, а также обратную связь, генерируемую контроллером станка. Эти данные хранятся в широко используемом формате базы данных SQL для получения информации о состоянии станков и отдельных инструментов.
Наиболее ценным применением информации, получаемой системой, является ориентированное на условия прогнозное техническое обслуживание станков. Это, по сути, та же концепция мониторинга инструмента, основанная на фактическом износе, а не на подсчете деталей. Большинство цехов полагаются на профилактическое обслуживание, которое включает планирование процедур технического обслуживания на основе их своевременности в надежде, что проблемы не возникнут. Прогнозное техническое обслуживание, напротив, запускает соответствующие проверки, корректировки и пополнения, когда это действительно необходимо, как показывают предсказуемые, измеримые условия — не слишком рано, не слишком поздно.
