Металообработката: тотална цифровизация

МашиниТехнологииСпециален брой: Металообработка • 01.09.2021

  • С възможностите на прогнозната поддръжка, отдалечения мониторинг и диагностика, изкуствения интелект, машинното обучение и виртуалната обработка съвременните металообработващи машини се проектират и експлоатират като основна градивна единица на умните цифровизирани фабрики

  • Днес металообработката e сред най-динамично развиващите се браншове и черпи ефективност от модерните средства за автоматизация, последните достижения в областта на мехатрониката и роботиката, както и от новаторски философии като lean manufacturing

  • Цялостната дигитализация налага металообработващите машини да бъдат оборудвани с всички необходими “сетива” – сензори, измервателни системи и софтуер, които да им осигурят достатъчно информация, за да се обучават и да постигнат задоволително ниво на автономност

 

Зората на четвъртата индустриална революция отдавна е в историята, а модерните високотехнологични фабрики и заводи вече са в разгара й – почти изцяло трансформирани от цифровизацията и новите стандарти за интелигентно производство. Иновации като IoT, изкуствения интелект, машинното обучение, Big Data, облачните технологии, добавената и виртуална реалност напуснаха сферата на футуристичните инженерни концепции и дръзко навлязоха в ежедневната практика на множество промишлени сектори. Сред тях се нарежда и металообработката. Считана в миналото за консервативен и белязан от традиционализъм отрасъл, днес тя е сред най-динамично развиващите се браншове и черпи ефективност от модерните средства за индустриална автоматизация, последните достижения в областта на мехатрониката и роботиката, както и от новаторски философии като lean manufacturing.

Със светкавичните темпове на технологично развитие в епохата на Industry 4.0 редица експерти и пазарни анализатори признават, че би било твърде смело и дори арогантно с увереност да се дава конкретна дефиниция на металообработващите машини от бъдещето. И макар крайният им облик да подлежи на непрекъсната еволюция, едно е сигурно – основната посока на развитие е към тотална и повсеместна дигитализация.


Цифровата металообработка – поглед отвътре

Доскоро машина означаваше самостоятелно оборудване с определена функция, което работи отделно от останалите елементи на производството. Днес машината се разглежда като свързано звено от верига, от интелигентна екосистема, обединяваща различни функционални модули в единна платформа. Тази нова парадигма изцяло променя начина, по който производителите на металообработващи решения проектират, изработват, внедряват и промотират своите продукти. С възможностите на прогнозната поддръжка, отдалечения мониторинг и диагностика, изкуствения интелект, машинното обучение и виртуалната обработка съвременните металообработващи машини се създават и използват като основна градивна единица на умните цифровизирани фабрики. Макар и при тази концепция крайната дефиниция все още да подлежи на надграждане, базовите й компоненти са заложени – интелигентни машини, IoT платформи, комуникационни протоколи, софтуерни инструменти за програмиране, за ресурсно и производствено планиране, за бизнес мениджмънт и интеграция на различни системи и процеси.

Изменя се същността и на самите технологии за автоматизация, управляващи металообработващото оборудване. Те му осигуряват все по-голяма автономност и интелигентност, възможности за самообучение, самодиагностика и самокоригиране. Човекът все още е отговорен за справяне с изключенията и проблемите от различен характер, които не подлежат на автоматично отстраняване. Но с всеки бит информация с коригираща функция, подаден от оператора обратно към умната платформа, тя става все по-самостоятелна и “разумна”, а изключенията – все по-редки.

Тоталната цифровизация налага металообработващите машини да бъдат оборудвани с всички необходими “сетива” – сензори, измервателни системи и софтуер, които да осигурят на “мозъка” им – централното програмно управление, достатъчно данни, за да се обучава и да постигне задоволително ниво на автономност.

Основна тенденция при оборудването в сегмента е комуникационната свързаност, опосредстваща непрекъснат и многопосочен поток от информация между всички елементи на производствената мрежа. И тъй като генерираната информация добива гигантски измерения, се появяват AI базираните технологии и алгоритми за събиране, обработка и анализ на Big Data – огромни масиви от данни за работата на производственото оборудване. А за целите на управлението им в бранша навлизат периферните и облачни платформи, които да заместят локалните хардуерни архитектури - памети и сървъри и да обезпечат експоненциално нарастващите нужди от пространство за съхранение и процесорни ресурси за обработка.


Етапи на дигитализация

Колкото и модерно да е оборудването в един цех, ако то налага изразходването на прекалено много енергия, усилия, суровини и ресурси и допуска значителни материални и времеви загуби, то закупуването и внедряването му би било грешка. Ето защо редица специалисти препоръчват всяка програма по цифровизиране на дадено предприятие да започне с въвеждане на принципите на съвременни методологии за минимизиране на загубите в производствените процеси като lean manufacturing и Six Sigma. Разработени и прилагани от големи глобални компании с доказан стратегически напредък вследствие на интегрирането им, тези философии съветват да се идентифицират и отстранят проблемите и дефектите в различните дейности, транзакции, продукти и услуги, които причиняват разхищение на ценни ресурси.

Следващият етап е изграждането на комуникационна свързаност между отделните машини и системи и осигуряването на условия за измерване на цялостната ефективност на оборудването (OEE) с помощта на дигитални технологии. В тази връзка по-комплексните процеси се разбиват на базовите им компоненти, а събраните данни се сортират според тяхното съдържание и честота на генериране (ежедневно, ежеминутно или дори на няколко милисекунди). Информацията за зареждането на заготовки и разтоварването на готовите детайли носи различна бизнес стойност от данните за работната безопасност или концентрацията на смазочно-охлаждащ флуид. Експертите препоръчват целенасочено разширяване, систематизиране и управление на дигиталния информационен отпечатък (digital data footprint) на производството, макар популярните кабелни и безжични мрежи често да налагат известни ограничения в този процес. Планираните Ethernet комуникаци в реално време и 5G технологиите, разбира се, предлагат ефективна алтернатива за цифровите фабрики на бъдещето.

Големите обеми данни сами по себе си не могат да инициират оптимизация или каквато и да е промяна на производствените практики, но техният контекстуализиран анализ, превърнат в изпълнима информация, е напълно в състояние да генерира необходимата трансформация. Така постепенно се изгражда дигитална база със записи за всяко изделие, операция и машина, която става все по-автоматизирана с времето с помощта на алгоритми за машинно обучение и изкуствен интелект и осигурява нарастваща степен на автономност на свързаното оборудване.

Следващият етап от цифровизацията включва осигуряване на необходимите периферни и облачни платформи за обработка и съхранение на ключовата информация. В дългосрочен план облачните технологии дават цялостно и ефективно решение за управление на данни, но за времево чувствителни проблеми в производствените процеси (например видео в реално време от инспекция на обработени детайли, подадени от обслужващ робот към конвейер) по-подходящи са периферните устройства за обработка (в случая – свързани директно към камерата).

Техническите екипи и операторите задават параметри и допустими граници за отличаване на годните от дефектните изделия директно в алгоритъма, а посредством съответния гравиран QR код върху детайла системата ги сортира, проследява и управлява по-нататъшното им движение във фабриката.

Този етап експертите дефинират като генериране на достатъчно дигитално “познание” за целите на машинното обучение, което да позволи все по-автономното функциониране на машината и цялата производствена система. Следва иницииране на функции за превантивна диагностика и прогнозно планиране и поддръжка.

Финалната стъпка в процеса на цифровизация е постигането на тотална автономност на металообработващите машини или пълна зрялост на заводската екосистема спрямо принципите на Industry 4.0. На тази фаза машините вече не комуникират помежду си само по отношение на даден обработван детайл, а се включват в холистичния обмен на информация, управляван от ERP или MES платформа. Изграждането, интегрирането и обогатяването им отново става на принципа на постепенното надграждане на дигиталното познание и нарастващата степен на автономност и интелигентност.

Така всички необходими суровини, материали и готови изделия ще следват автоматично генериран от системата поток в предприятието, а работата на металообработващото оборудване ще е в тесен синхрон с останалите производствени, обслужващи и транспортни единици. При сблъсък с даден проблем машината ще разполага с достатъчно информация да се самодиагностицира, самокоригира и самоконфигурира.


Трансформация на пазара

Пазарните анализатори прогнозират, че глобалният пазар на металообработващо оборудване ще нараства с комбиниран годишен темп на растеж от близо 6% до 2027 г., когато ще надхвърли 9,75 млрд. щатски долара. За справка през 2019 г. – годината преди пандемията, експертите го оценяват на 6,17 млрд. долара.

Търсенето на автоматизирани решения за металообработващите цехове стимулира продажбите на интелигентни производствени технологии, насочени към повишаване на производителността, продуктовото качество, ефективността и т. н. Забелязва се още отчетлива тенденция на преход от конвенционалните техники и методи към интелигентни, свързани и рационализирани технологии, сочат експертните доклади. С помощта на цифровизирани процеси и оборудване производителите в сегмента успяват да постигнат значителни оперативни икономии, да реализират съществени подобрения в енергийната ефективност и да въведат като стандарт виртуалната обработка и метрология, усъвършенстваните човеко-машинни интерфейси и т. н.

Осигуряването на качеството (QA) е съществен аспект от производството на метални изделия и пряко зависи от използваното за целта оборудване. Все по-масовото внедряване на Industry 4.0 решения при машините позволява осъществяването на QA процеси в реално време посредством автоматизирани виртуални метрологични (AVM) системи. Този фактор, считат специалистите, стимулира значителното разширяване на приложните области на металообработващите машини в съвременното индустриално производство.

Сред останалите водещи тенденции, свързани с цифровизацията на металообработката, е и все по-масовото навлизане на промишлените роботи от сферата на обслужващата техника в полето на обработващите системи.


Роботизация на същинската металообработка

Дълги години роботите бяха извън класациите на металообработващите цехове за други операции освен спомагателните. Това обаче е на път да се промени, отбелязват маркетолозите, отчитайки нарастващите приложения на роботизирани системи в същинската обработка на метали. Причина за това са множеството им предимства в различни производствени сценарии.

Роботите в сегмента могат да обработват детайли по три, четири или пет оси. Редица високотехнологични подобрения в дизайна и функциите им през последните години ги превръщат в реална алтернатива на CNC машините. Сред тях са усъвършенстваните възможности за позициониране на обработващия инструмент, по-обширните работни зони и нарастващият обемен капацитет, както и постепенното понижаване на цените на роботизираните системи с до 50%. И макар все пак да е необходима значителна инвестиция за закупуването както на обработващ робот, така и на металообработваща машина с ЦПУ, първите до известна степен компенсират с голямата си работна зона и сравнителната си универсалност. Благодарение на тях роботите са в състояние да работят с изделия с всякакви форми, размери и сложност. Допълнителни плюсове като компютърните системи за машинно зрение и подобреното управление на налягането значително повишават функционалността и гъвкавата приложимост на обработващите роботизирани клетки.

Основните операции в металообработката (рязане, заваряване, шлифоване, фрезоване, полиране и т. н.) традиционно са свързани с относително нисък процент от приложенията на индустриалните роботи. През 2018 г. например делът на следната група от дейности: заваряване и запояване, дозиране и механична обработка (рязане, шлифоване, зачистване, фрезоване и полиране) е едва 25% от общия брой на роботизираните инсталации. Само няколко години по-късно обаче роботите се доказват като по-ефективно от машините решение в приложения, изискващи по-голям работен обхват, като обработката на едрогабаритни авиационни детайли или компоненти за вятърни турбини. Те могат да бъдат монтирани на мобилни платформи с цел допълнително разширяване на обхвата и са значително по-евтини от CNC аналозите със сходни работни зони.

В допълнение високите нива на прецизност, които металообработващите машини предлагат при обработка, реално не са необходими в множество отрасли и приложения. Не на последно място, роботите позволяват лесно програмиране – както посредством обучителен терминал, така и чрез CNC контролер, използвайки кода, генериран от CAM системите за металообработващи машини. Всичко това дава достатъчно основание на всяко металообработващо предприятие да обмисли закупуването на робот вместо машина.


Виртуална обработка, симулация и добавена реалност

Сред ключовите технологии, обезпечаващи тоталната цифровизация на машиностроенето, са виртуалната и добавена реалност, инструментите за моделиране и симулация. С тяхна помощ става възможна иновативната концепция за виртуална обработка, при която компютърни системи се използват за симулиране на реалната работа на металообработващи машини при производството на различни детайли. Потенциалните грешки и проблеми, които биха се случили в реалната среда и биха коствали на предприятието много време и средства, могат да бъдат избегнати посредством предварителното им идентифициране и разиграване на различни варианти за изход от ситуацията в платформата за виртуална реалност.

Благодарение на инструментите за моделиране и симулация етапът на физическо тестване на различни конфигурации от параметри, инструменти, стратегии за обработка, материали, дизайни и геометрии при детайлите може напълно да отпадне.

Така себестойността и времето за достигане до пазара на единично изделие значително намаляват.

Симулираните детайли могат да бъдат тествани посредством системи за виртуална инспекция на повърхностното качество и виртуални измервания с цел повишаване на прецизността. Важна функция на платформите за виртуална обработка е планирането на отделните етапи и последователности при същинската обработка с цел подбор на вариант, който е времево и икономически най-изгоден.

Симулационните модели на обработващите центри във виртуална среда могат дори да бъдат свързани с производствената мрежа и интернет за целите на отдалечения анализ, диагностика и модификация.

Различни елементи и конструкции на металорежещите машини, като шпиндели, въртящи се и подвижни оси, сачмено-винтови двойки, блокове за цифрово управление, електродвигатели (стъпаловидни двигатели и сервомотори), легла и др., могат да бъдат симулирани във виртуална среда, за да бъдат впоследствие задълбочено анализирани и модифицирани. Геометрията на режещите инструменти също подлежи на анализ и модификация в резултат на симулацията на режещите сили във виртуалната среда. По този начин времето за обработка, както и грапавостта на повърхността могат да бъдат сведени до минимум, а животът на инструмента – да бъде увеличен посредством редуциране ефекта на силите на рязане.

Модифицираната геометрия на инструмента може значително да намали разходите за инструментална екипировка и спомага за налагането на по-широк спектър от приемливи материали за изработка на режещи инструменти като високоскоростна стомана, въглеродни инструментални стомани, карбид, керамика, металокерамика и др.

Съществено предимство на виртуалната обработка по пътя към тоталната цифровизация на металообработващите приложения са възможностите за триизмерна визуализация. Прегледът на дефектите при действително обработени части и грешките, свързани с отклонение на инструмента, във виртуална среда могат да помогнат на проектантите, както и на стратезите по механична обработка, да анализират и променят процеса по производство на детайли с цел постигане на оптимален резултат.

Що се отнася до управлението на кадрите в сферата на металорязането, виртуалната обработка позволява лесно, удобно и пълноценно теоретично и практическо обучение на начинаещи машинни оператори директно на виртуализирания обработващ център.

Освен за обучителни цели, добавената реалност намира и други приложения във виртуалната обработка. С помощта на AR инструменти може да бъде извършван бърз мониторинг на широк набор от машини и устройства без визуализацията да бъде ограничавана от малките екрани на смартфоните и таблетите. AR мониторинг може да бъде приложен и по отношение надеждността на инструментите, както и при управлението на качеството на производствените процеси. Особено полезно приложение има тази технология в повърхностната обработка (струговане и шлифоване) на твърди материали.

 





ЕКСКЛУЗИВНО

Top