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機器視覺與網絡攜手打造機床無人化作業
發表時間:2009-04-27 08:32:38; 來源:
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裝在機床上的攝像系統是整個系統的一部分，可以幫助加工車間的工作人員在車間內完成更多的工作，且節約了時間。公司經理可以從遠距離監控機床的工作情況。為了對突發的刀具磨損或突然的刀具斷裂等事故作出快速的反應，還研究和采取了一些策略，無需回到車間內解決這些問題。 Hard Milling Solution公司的創建，是Corey Greenwald先生的一次大膽創造。該公司致力于引導硬質材料加工的變革。硬質材料加工被認為是一種對設備的專業性和技術知識的精確性要求很高的加工過程。在當時，大部分加工車間本身對硬質材料的銑削加工還不太熟悉，在Corey Greenwald先生采用這一技術來實現模具生產的流水化作業，對淬火工具鋼的細節進行精加工或生產復雜的醫療元件之前，還沒有誰創建出這樣一個加工車間。 這是一個非常大膽的冒險，因為在創建初期，Greenwald先生既不是一個專業的機加工專家，也不是一個經驗豐富的工具和模具制作師；他只是一個普通的生產工程師，對采用硬銑削技術的諸多優點十分著迷。從前曾管理過硬銑削成形沖床的安裝工作，對于硬銑削加工擁有非常豐富的經驗。新機床安裝以后，沖壓生產的時間從原來的30天縮減為6天。他清楚地看到，如果員工們繼續努力，也許有希望達到更高的產量。硬銑削加工所潛在的前景鼓舞他們全面認真地學習這一工藝。 Greenwald先生所學到的有關硬銑削技術的知識越多，他就越相信該技術所能創造的價值越大。因此，Hard Milling Solutions公司就應運而生。Greenwald先生的一個好友在其附近開設了一個EDM線切割加工車間，在這位朋友的幫助下，Greenwald先生開始在Detroit北郊工業園區的一個租賃廠房內創業，并從位于Ohio州Mason市的牧野公司購置了一臺V56型VMC立式加工中心。 這是一項頗具開創性的工作，硬銑削技術的優點仍然有待于進一步開發。不同的車間采用不同的技術，但并不是總能獲得滿意的結果。然而，Greenwald先生通過對硬銑削技術的深入研究以及對于研究成果的可靠性和可預測性的不懈追求開始得到回報。他不但在實踐中驗證從當地機床代銷商、刀具供貨商和軟件轉銷商等地方學到的經驗，還從事著自己的研究。 當Greenwald先生確信他的公司已經解決了生存問題時，他開始尋找可進一步提高和優化其技術的工作，他對不同的速度和進給率進行了實驗，使其工藝技術推向從未試驗和證實過的新的高度。由于他已經擁有豐富的經驗和深刻的洞察力，因而對其車間工作所具有的能力和信心不斷增加。不久，他又添置了第二臺機床，同時也擴大了車間的面積，不斷地更新工具系統以及支持硬銑削技術的編程軟件。 Hard Milling Solutions公司是一個非常成功的加工企業，其業務發展十分穩定。Greenwald先生似乎已經得到了一個有關硬銑削技術的秘決，可應用于注塑模、鍛壓模和銑削零件的加工，其材料的硬度可高達65 HRC。事實上，Greenwald先生已經成為一個硬銑削工藝的倡導者。他堅定地認為，模具加工車間、醫療零件生產廠以及小型生產車間都應該廣泛地采用硬銑削技術。創立不久之后，Hard Milling Solutions公司又添加了第三臺牧野公司的VMC立式加工中心，而且計劃訂購第四臺機床。 無人化加工 Greenwald先生逐漸發現，掌握硬銑削技術需要花費很長的時間并付出艱巨的勞動，保證機床的滿負荷工作并發揮刀具的最大效能要耗費其大量的精力，努力滿足每一個客戶的愿望幾乎是他每天唯一的工作。 Greenwald先生采用硬銑削方法的另一目標是學習如何實現無人化加工操作――硬銑削加工所必需的科學和系統方法。事實上，按照Greenwald先生的說法，如果硬銑削技術想要更加實用、獲得更多收益并可持續發展，那么在硬銑削技術中采用無人化加工作業將是一個必然的發展趨勢。正如他所看到的那樣，讓機床24h運行，實際上是硬銑削工藝達到最高生產率的關鍵。 然而，無人化加工作業并不一定意味著機床在運行工作的時候，車間里就空無一人。這只是說，操作工可以離開機床做其他事情，如修理刀具，為刀具下一步的工作路徑編程，這些工作都可以同時進行。無人化加工作業只是Hard Milling Solutions公司多功能任務中的一部分。 Greenwald先生解釋說：“無人化加工作業意味著不必站在機床前觀察每一個加工動作或每時每刻傾聽刀具加工零件的聲音，操作工可以離開機床去做其他事情。但在無人化操作的工作狀態下，仍然需要定時檢查機床的工作情況。”他回憶說：“我們預先對機床進行調試，使其能夠整夜工作或整個周末工作，但我們還不得不安排人員，犧牲一夜的休息時間，不時地檢查關鍵零部件的加工情況。即使采取輪流值班制，對每個值班人員也是負擔。” Greenwald先生以繼承和創新相結合的思想，首先在硬質材料銑削技術方面獲得了成功，他所創建和執行的這套系統使他能夠遠距離監控機床的加工生產情況。為了對突發的刀具磨損或突然的刀具斷裂等事故作出快速的反應，他還研究并采取了一些策略，使工作人員無需回到車間內解決這些問題。 他采用在機床上和車間的加工區安裝視頻攝像頭的方式，通過以網頁為基礎的網絡軟件，讓家用PC機或筆記本電腦成為機床的控制板，從而充分地發揮其機床控制系統的自動化功能特點及其編程軟件的靈活性，以便于更換所需要的新刀具，使機床的無人化操作得到切實的保證。 Greenwald先生說：“該系統讓車間內的機床只需一個工作班次就能夠運行將近24h，機床的有效工作時間高達96%。更重要的是，我與員工們都可以擁有更多的休閑時間。” 視頻攝像系統監控無人化操作 構建無人化加工環境的第一步工作是安裝視頻攝像機，并將數字錄像機（DVR）連接到Internet互聯網上。由于硬銑削方法是基于經過實踐證明的加工技術之上，因此定期檢查一下“無人化”操作的機床，就足以管理因工藝變化或編程錯誤而造成的刀具偶爾斷裂的現象。然而，在晚上或周末的時候，每隔幾小時到車間巡視一下也是很有必要的。“安裝攝像機的目的就是由它們承擔這些日常不必要的檢查工作，”Greenwald先生說，“顯然這一部分的工作是非常容易的。” 安裝是非常簡單且直接的事情。Greenwald先生雇傭了當地一家供貨商，將貨架上現成的商用數字視頻攝像機分別安裝到三臺機床的密封罩內，并將另一臺攝像機安裝在墻上，監控整個車間內機床的工作情況。機床內的攝像機首先安裝在較小的安裝板上，然后用螺栓將其固定在機床的鈑金件上。視頻傳輸電纜線由機床密封罩的頂部引出，然后通過車間的天花板吊頂接入到Greenwald先生辦公室的監控站。每一臺攝像機的15 V直流電源線通過機床密封罩上的一個圓孔與一個變壓器連接，然后將其插入到附近墻壁的插座上。按照Greenwald先生的說法，攝像機系統的安裝只花了一個晚上的時間。Greenwald先生辦公室的數字錄像機讓其能夠看到車間內三臺VMC立式加工中心生產的情況以及整個車間的工作場面。 每臺VMC立式加工中心上的視頻攝像機安裝在機床防護罩的外壁上（圖2），安裝在機床上的攝像機上面裝有固定的聚焦鏡頭，并具有防水功能；鏡頭的周圍裝有紅外發光二極管，可檢測機床切屑的熱量，并在顯示屏上顯示出明亮的“火花”。這一顯示是非常有必要的，它可以說明刀具仍然在正常地工作。事實上在大部分情況下，該車間采用干式銑削加工方法（無冷卻液），因而使可見度提高。采用噴濺冷卻銑削加工鋁制工件時，鏡頭必須在零件加工后擦洗干凈，不允許在上面遺留任何污點。 同時顯示全部四臺攝像機的畫面，但DVR裝置上的觸摸按鈕可以將選取的畫面全屏放大，該DVR裝置也可以作為一個網絡連接器使用。 將攝像機接入采用密碼保護的網絡，才能體現該系統真正的價值。Greenwald先生解釋說：“在工作時間，辦公室的監控設備所做的就是為我節省了一些工作步驟。”網絡的連接設置主要涉及到接入網絡所需的固定Internet互聯網協議（IP）地址。為此，Greenwald先生與當地的Internet互聯網服務供應商進行了商談，通過互聯網所獲取的攝像機圖像與網頁的效果一樣，只要輕輕點擊桌面上的圖標，就可以自動連接。 凡是與互聯網連接的任何電子設備都可以獲取攝像機所攝錄的圖像。Greenwald先生說：“現在，我可以用家里的PC機上網來檢查車間內機床的工作情況。當外出旅行或拜訪客戶時，可以用筆記本電腦無線連接上網，完成上述同樣的工作。” 網絡的力量 在安裝視頻監控系統后不久，Greenwald先生及員工們開始考慮使用和接入網絡的方法，以進一步發揮網絡的優點。Greenwald先生解釋說：“如果有一臺機床停止運行或者我們對刀具的加工路徑不太滿意，那就有必要去車間巡視檢查，只有我們親自到工作現場才能解決問題。”一旦到達車間以后，首先在CNC顯示屏上檢查DNC列表，從而可以知道問題出在什么地方。在檢查CAM軟件中相關部分的刀具路徑程序時，通過修改跨步，調整進給率或選擇不同的加工策略，一般就可以顯示出問題所在。隨后輸入修改后的參數，該軟件就能生成一個新的刀具路徑；然后再檢查其圓弧并進行后處理，最后下載到CNC數控機床上。必要時，在檢查和更換完刀具之后，由Greenwald先生或其他值班機械師重新起動機床工作。 生成一個新的刀具路徑的過程非常費時。在修改的程序準備好以前，除了等待之外，別無其他事情可做，這意味著損失了更多的休息時間。Greenwald先生說：“從這一點上來說，我們意識到，如果能夠從遠距離檢查CNC數控機床和CAM軟件，那么我們就可以通過編程確定所發生的問題。只有這樣，問題才能迅速解決。” 幸運的是，不久以后為達到這些目標的方法就出現了。Greenwald先生認識了Michigan州West Bloomfield市的一家軟件公司――Remote Machining 公司，該公司開發了一款軟件，可以讓牧野公司的CNC數控機床接入網絡，并可通過聯網的PC機遠距離模擬其功能。這使得用戶能夠通過網頁瀏覽器操作CNC界面，并輸入所修改的參數。因此，Greenwald先生將這一軟件安裝在車間內的一臺V56型VMC立式加工中心上。 下一步的難題是如何遠距離接入CAM系統。在公司訂購了以網絡為基礎的LogMeln服務之后，這一難題也迎刃而解了。這一服務可以在同一網絡上，讓一臺網絡計算機成為另一臺計算機的虛擬代表。正如Greenwald先生所解釋的那樣，他使用家里的PC機或筆記本電腦，猶如使用辦公室的PC機那樣。例如NC數控編程系統一類的應用軟件在車間內的處理器上運行，而遠距離的PC機或筆記本電腦則像辦公室的PC機那樣運行和控制那些應用軟件。 將這些系統安裝就位以后，Greenwald先生就可以監控機床在無人化操作模式下的運行情況，并有效地管理車間的工作進度而不需要親自到現場指揮。如果有必要到車間巡視，所花費的時間也極少，只需等待編程軟件點數編程而已。由于有些工件可以一次性在機床上調試裝卡，就不必去車間為這些零件的加工安排運行程序，只要在CNC上調取數據中心頁面，改變DNC進度表中等待加工的工件排序即可。 一般來說，在車間之外的遠程控制工作可以按照以下方式進行： 在機床上安裝適當的攝像機以監控檢查機床的工作情況。 如果機床停止運行，或運行情況不能令人滿意，那么就登錄CNC，并檢查機床的報警或其他問題指令情況。 登錄CAM軟件，并檢查刀具路徑輸出，修改程序，重新運行刀具路徑發生器，檢查模擬圓弧并“布置”刀具路徑。 是否回到車間取決于工作的緩急程度。 管理刀具的斷裂和磨損 Hard Milling Solutions公司的最新發展使車間的自動化和生產率達到了更高的水平。這些新的發展充分地利用了牧野公司的CNC數控系統和CAM軟件的特點，同時也吸取了通常在車間中使用的硬銑削技術的實踐經驗。Greenwald先生解釋說：“我們想在兩條戰線上同時出擊。一方面我們希望找到新的方法來規避刀具斷裂的風險；另一方面，我們希望能夠找到應對刀具斷裂或過度磨損的新方法。” 刀具長度的監控和備用刀具的選用是車間擴展無人化加工戰略的關鍵部分（圖3）。其中安裝在主軸上的監控系統尤為重要，這也是VMC立式加工中心控制系統的一個特點。除了以數值方式顯示主軸的負荷之外，該控制系統還允許設置一個上限，如果機床的行程超過這一上限時，機床就會報警，并且主軸自動停止運轉。由于車間已經為該機床使用的各種刀具和每一種材料的加工參數都編入了數據庫，Greenwald先生可以將每一種刀具的最大主軸負荷數值添加到數據庫之中。在某些情況下，這些數值需要通過進一步試驗加以確認。將這些數值輸入到主軸負荷監控系統以后，可以保證對主軸中產生的火花自動地作出快速、安全的反應（產生火花表明刀具已經斷裂）。CNC界面上的刀具監控頁面顯示出了主軸負荷的讀數，以百分比的形式表示主軸電機所能夠吸取的電流強度。每一刀具所允許的主軸負荷是可以預先設置的，如果因刀具的斷裂而產生火花，主軸就會立即斷電關閉. Greenwald先生聲稱：“這可以允許我們使用紐扣式鑲刀片刀具在無人化工作狀態下對淬硬的材料進行粗加工作業。”對于粗加工而言，采用這種鑲刀片刀具要比相應的碳化物硬質合金刀具更具有通用性和經濟性。然而，如果其中一個鑲刀片出現故障，該刀具就會很快地損壞鑲刀片的連接體及刀具組裝件的其他元件；而且也可能導致刀具夾座、工件或主軸的損壞。由于這一原因，該加工車間從前從未使用過這類刀具，除非在附近有人照看的情況下，當斷裂的鑲刀片發出異常的聲音時，操作員立即采取措施。現在，人們離開車間并使用這類刀具已經是很正常的現象了。Greenwald先生認為，在過去要獲得這樣的一個發展是不可想象的，對于碳化物硬質合金刀具和其他類型的刀具而言，采取這種特別的保護措施也具有很大的意義。 牧野公司CNC系統的另一個特點是管理刀具在長期運行過程中發生的磨損或斷裂的現象，例如在加強筋的切削加工中，如果某一刀具的長度檢查表明刀具缺失或磨損，那么系統從從刀庫中檢索一把備用刀具。每臺機床上配有一套激光刀具長度監控系統，該系統由Kentucky州Erlanger市的BLUM公司提供。每個工作程序的開端和末端包括一個子程序，用于檢查刀具的長度。當刀尖通過激光束而直接從單元的立柱之間經過時，就會自動地測量刀具的長度（圖5）。在這個程序的末端，如果檢測到刀具發生斷裂的現象或刀具磨損超過了規定的極限（其極限可小至0.001in，1in=25.4mm），CNC數控系統就會重新將這一程序“倒回”到最后的刀具長度檢查點上，并對更換后的新刀具再一次執行檢查操作。 Greenwald先生說：“我們的策略是將這一備用刀具的選擇功能與我們CAM軟件的特點相結合，將很長的程序分割成幾個具有固定時間長度的程序段。”該加工車間采用由Ontario省Windsor市的Graphic Products North America公司提供的CAM-Tool工具程序來編制刀具的路徑，用于硬銑削加工；根據特定的加工運行時間，該軟件中用于后處理的組件將輸出數據分割成多個程序段。”Greenwald先生列舉了一個實例：一個加強筋切削程序將要在機床上運行10h，于是采用后處理器創建了20個程序段，每個程序段的運行時間為30min。在每個程序段運行的開端和結尾，由VMC立式加工中心對刀具的長度進行檢查測量，并在刀庫中備有幾把同樣的加強筋切削加工用刀具，當其中一把刀具發生磨損或斷裂時，可使用備用刀具替換。在完成10h的加工工作以后，加強筋的加工質量非常理想。 Greenwald先生還提到另一次采用這一策略加工一個大型模具，在加強筋的切削加工上花費了100h左右的時間。該機床進行24h的不間斷工作，每周可工作4天以上。刀庫內配置了5把用于加強筋切削加工的備用刀具，這樣就可以滿足任何緊急狀態下刀具更換的需要。 獲得良好收益 事實證明，Hard Milling Solutions公司的視頻攝像機是一套非常有效的工具，其得到的收益是Greenwald先生從未預見到的。除了他能夠在家里監控機床的操作情況之外，也可以在接聽客戶電話的同時，在筆記本電腦上觀察機床的操作。對機床操作的實時監控的實現，證明了無人化加工生產在車間加工過程中的價值和發展潛力。 Greenwald先生可以在這個國家的任何地方，與客戶共享這一系統，通過這些渠道可以為客戶演示工件在機床上的裝卡調試甚至加工的情況。Greenwald先生說，有關工件或調試裝卡的問題可以很快地得到答復，而且具有較高的確定性。同樣，當他在車間時，可以用電子郵件的方式將攝像機攝取的圖像發送給客戶觀看。 |
