XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

 

Введение

В настоящее время разработка производственного оборудования в первую очередь направлена на улучшение возможностей подключения, коммуникации и производственного мониторинга, чтобы повысить эффективность и автоматизировать производственный процесс. Конкретным примером таких функций является мониторинг состояния износа инструмента в обрабатывающих центрах с числовым программным управлением (ЧПУ), который может значительно повысить эффективность производства за счет прогнозирования критических повреждений инструмента, которые могут привести к ухудшению качества заготовки. Использование такой системы исключает финансовые потери из-за сбоев и снижает стоимость инструментов и их услуг.

Однако системы контроля, указывающие на износ инструмента с ограниченными возможностями, являются лишь частью последних моделей станков некоторых производителей. Некоторые специализированные компании предлагают решения, которые могут быть реализованы в старых обрабатывающих центрах, но эти системы адаптированы к условиям крупносерийного производства; следовательно, их использование для небольших операций невыгодно и дорого. Поэтому в данной статье рассматриваются возможности создания основы для разработки встроенной системы мониторинга без использования дополнительных датчиков, основанной только на внутренних данных, которые могут быть получены от машины.

В этом документе описаны различные варианты подключения и получения внутренних данных, которые могут быть использованы для мониторинга износа инструмента. Описана тестовая операция, в ходе которой был выполнен мониторинг для записи и оценки данных на основе того, возможно ли прогнозирование износа инструмента во время сверления. Записанные значения выбранных параметров, полученные в ходе экспериментов по бурению, были отображены графически. Кроме того, результаты и рекомендации для будущих исследований также были интерпретированы.

1 Внутренний сбор данных станка

Блок управления станка с ЧПУ записывает и оценивает весь спектр данных, включая крутящий момент привода, мощность, скорость, нагрузку, температуру намотки и многие другие, которые можно использовать для контроля технологического процесса. Существуют различные способы доступа к этим данным и их записи. Поскольку в предлагаемом исследовании использовался станок с системой управления SINUMERIK 840D sl, в этом разделе описываются определенные возможности получения внутренних данных из этой системы. SINUMERIK 840D sl предоставляет различные интерфейсы Ethernet, которые можно использовать для подключения; следовательно, рассмотренные методы сбора данных можно разделить в зависимости от типа сети, которая доступна через эти интерфейсы.

Первый тип - это машинная сеть, доступ к которой осуществляется через интерфейс X120 и которая служит внутренней сетью станка. Этот интерфейс не изолирован брандмауэром и используется для подключения панели оператора – TCU [4]. Далее, используя сетевой коммутатор и внешнее устройство, можно записывать и контролировать внутренние данные станка после подключения к этой сети, например, использование компьютера и сервисного инструмента Siemens SinuCom NC service tool или инструмента IBN [5]. Кроме того, это подключение используется новейшим облачным решением от Siemens, которое основано на таком подключении промышленного ПК SINUMERIK Edge. Данные оцениваются непосредственно с помощью установленных приложений, которые разрабатываются для различных целей, чтобы повысить качество, стабильность и эффективность производственного процесса. После этого результаты этих анализов и отчетов доступны пользователю после входа в его облачную учетную запись. Кроме того, подключение к этой сети также используется устройством dataFEED uaGate 840D, которое использует связь OPC UA или MQTT для отправки выбранных данных по сети для оценки созданных пользователем приложений. Интерфейс X120 в SINUMERIK 840D sl использует фиксированный IP-адрес 192.168.214.1; следовательно, эти внешние устройства также должны быть сконфигурированы с использованием фиксированного IP-адреса, например, IP-адреса выше, чем 192.168.214.250.

Кроме того, сама операционная система SINUMERIK включает в себя диагностический инструмент Trace, который можно использовать для записи и графического отображения любых временных интервалов системных переменных от управления ЧПУ или от приводов. Эта система имеет возможность контролировать переменные PLC / NC / Servo или переменные привода, и поэтому этот инструмент также использовался для записи данных через машинную сеть в этой работе.

Другой сетью в системе SINUMERIK 840D sl является сервисная сеть, доступ к которой осуществляется через интерфейс X127 Ethernet, который также использует фиксированный адрес 192.168.215.1 и служит исключительно в качестве сервисного сокета. Кроме того, эта сеть может использоваться для мониторинга внутренних данных обрабатывающего центра. В дополнение к специализированным инструментам для обслуживания существует инструмент под названием ibaPDA, который является универсальным инструментом для получения данных из автоматизированных процессов. Полученные данные могут быть проанализированы в интерактивном режиме один раз или на основе определенных правил.

Результаты генерируются в виде отчетов или хранятся в базах данных. Модуль SINUMERIK-Xplorer специально разработан для получения данных из NCU системы Siemens SINUMERIK через Ethernet, при этом доступ к системе управления является прозрачным, и поэтому никаких дополнительных настроек на стороне системы NC не требуется для обмена данными и мониторинга переменных с помощью этого модуля. Кроме того, переменные, подлежащие записи, можно легко выбрать с помощью средства просмотра символов SINUMERIK в диспетчере ввода-вывода программного обеспечения ibaPDA. Таким образом, это программное обеспечение также использовалось для получения внутренних данных в этом исследовании.

Третья сеть, используемая системой SINUMERIK 840D sl, - это заводская сеть, которая используется для доступа к общим папкам, установки времени с сервера NTP и подключения через VNC. С версиями системы 4.5 и выше, после завершения лицензии и установки, можно активировать сервер OPC UA, к которому можно подключиться через эту сеть, и таким образом отслеживать внутренние данные станка. Интерфейс Ethernet X130 используется для подключения к заводской сети, и IP-адрес может быть назначен автоматически с использованием протокола DHCP. Однако для связи всегда необходимо включить соответствующий порт брандмауэра. В случае OPC UA это порт 4840.

Стандарт связи OPC основан на архитектуре клиент - сервер, которая использует два типа программ, а именно OPC-сервер и OPC-клиент. Оба являются программными приложениями, причем OPC-сервер представляет собой программу, которая взаимодействует с подключенным устройством по протоколу связи устройства, в то время как OPC-клиент представляет собой программу, которая получает данные, отправленные с OPC-сервера в формате OPC. Эти приложения представляют собой приложения SCADA HMI, которые позволяют архивировать и представлять данные для пользователя в виде графиков и отчетов. Преимущество OPC-клиента заключается в том, что он может обрабатывать данные с нескольких OPC-серверов одновременно, что позволяет создать централизованное рабочее место управления несколькими технологическими процессами. Такие программы, как MS Excel или MATLAB с соответствующим OPC toolbox, также могут использоваться в качестве клиентского программного обеспечения OPC. Кроме того, сбор данных с использованием OPC-связи не требует какого-либо аппаратного обеспечения, и поэтому это экономически очень выгодно [6]. Однако метод получения внутренних данных обрабатывающего центра через OPC UA не использовался для контроля режущего инструмента во время сверления в этой работе.

2. Экспериментальная установка

Тест мониторинга внутренних данных станка для оценки возможности определения износа инструмента во время сверления был выполнен на обрабатывающем центре DMG ecoMill 50 с системой управления SINUMERIK 840D sl. Это пятиосевой индексно-фрезерный станок с возможностью непрерывной обработки по трем и другим двум осям, предназначенный для позиционирования заготовки. Инжир. 1 показана заготовка, зажатая в тисках до, во время и после испытания на сверление. В качестве материала заготовки использовалась инструментальная сталь X210Cr12 размерами 50 × 50 × 170 мм.

Рис. 1 Выполнение операции пробного бурения

Испытание состояло в сверлении отверстий с помощью спирального сверла HSS диаметром 8 мм, которое было зажато в цанговом патроне ER32. Во время сверления каждого отверстия крутящий момент шпинделя станка, а также крутящий момент привода по оси Z регистрировались одновременно с помощью диагностического инструмента Trace и программного обеспечения ibaPDA. В списке переменных инструмента трассировки был выбран параметр “$VA_TORQUE [X]” с обозначением соответствующего привода в круглых скобках; он имел тип данных double и выражал значение крутящего момента соответствующего привода в Нм. Кроме того, с помощью программного обеспечения ibaPDA была использована переменная с тем же обозначением “vaTorque[.]” из списка переменных [7]. В ходе теста было обнаружено, что переменная “$VA_TORQUE [SP1]”, представляющая крутящий момент шпинделя, была равна 0 в течение всего теста на любой скорости, то есть она не отображала текущее значение крутящего момента. Таким образом, для контроля крутящего момента шпинделя переменную r0031 приходилось использовать непосредственно из блока управления приводом SINAMICS S120, доступного только через ibaPDA [8].

Учитывая технологию сверления, была использована стратегия сверления глубокого отверстия с удалением стружки после глубины сверления 3 мм. В тесте, описанном в этой статье, глубина просверленных отверстий составляла 30 мм, скорость резания была установлена на vc = 30 м/мин, а подача за оборот составляла f = 0,08 мм/об. Перед сверлением каждого отверстия в определенном месте было просверлено центрирующее отверстие на глубину 1,5 мм с помощью центрального сверла с углом заострения 90°. После этого HAIMER Uno 20/40 использовался для оценки износа сверла после каждого пятого проделанного отверстия. Данные, полученные с помощью инструмента трассировки и ibaPDA, были сохранены в. формат csv и инструмент Signal Analyzer из набора инструментов обработки сигналов, который является частью программы MATLAB, были использованы для их последующего анализа.

3 Результаты и обсуждение

В качестве необходимого первого шага было проверено, идентичны ли измеренные данные с использованием программного обеспечения Trace и ibaPDA. На графике (рис. 2) показаны кривые крутящего момента привода по оси Z, записанные во время бурения с использованием обоих методов. После синхронизации по времени из графика видно, что формы сигналов перекрываются, а небольшие различия между ними вызваны только частотой дискретизации, поскольку она была выше при записи диагностическим инструментом Trace, который записывал данные каждые 8 мс, по сравнению с ibaPDA, который записывал данные каждые 10 мс.

Рис. 2 Сравнение качества сигнала

После этого данные, полученные с помощью инструмента Trace, были использованы для оценки крутящего момента привода по оси Z во время экспериментальных испытаний из-за более высокой частоты дискретизации. Между тем, крутящий момент шпинделя оценивался по данным, полученным с помощью ibaPDA, поскольку эти данные не были записаны параллельно обоими способами.

При оценке кривых крутящего момента привода по оси Z во время сверления сначала необходимо было проанализировать форму этого сигнала, поскольку отверстие сверлилось не одним непрерывным движением, а поэтапно из-за применяемой стратегии обработки. Другой важной проблемой, которую необходимо было решить, было устранение нагрузки на шпиндель в состоянии покоя. Когда движение по оси Z не производилось, на него воздействовал крутящий момент, соответствующий весу всего шпинделя, передаваемый через шариковый винт и приводной ремень на привод по оси Z. Поэтому, особенно при сверлении сверлами малого диаметра, возникает ситуация, когда приводной момент при сверлении может быть равен нулю, что подразумевает, что для сверления используется только вес шпинделя. Может даже возникнуть ситуация, когда фактический вес шпинделя создаст избыточное усилие на сверле, и поэтому, даже при сверлении в направлении Z, привод должен оказывать крутящий момент на винт, чтобы уменьшить влияние силы тяжести. В этих случаях зарегистрированное значение крутящего момента по-прежнему является положительным, аналогично таковому в случае операций бурения, протестированных в этой работе. Отрицательное значение крутящего момента привода возникает, когда необходимо приложить к сверлу большее усилие, чем сила тяжести, и таким образом толкнуть весь шпиндель вниз. Инжир. 3 показана стратегия сверления с удалением стружки и ее влияние на поведение сигнала крутящего момента привода по оси Z.

Рис. 3 Стратегия бурения глубоких скважин

Красные стрелки на рисунке показывают быстрое перемещение, при котором инструмент перемещается с максимально возможной скоростью, которую можно развить на каждом участке. Напротив, зеленые стрелки показывают скорость подачи, с которой инструмент перемещался во время обработки, которая в данном случае составляла от введенного установочного зазора до определенной глубины, на которую он сверлил в течение определенного цикла. Цифра 1 на графике указывает момент, при котором отверстие было просверлено в первый раз на глубину 3 мм. За этим последовало быстрое удаление стружки, обозначенное цифрой 2. Чем глубже было сверлильное отверстие, тем больше увеличивался крутящий момент. Это связано с тем, что расстояние от поверхности детали увеличилось, и, следовательно, скорость быстрого перемещения, которую можно было бы развить на этом более длинном пути, выше, и, следовательно, требуется больший крутящий момент. Цифра 3 обозначает падение крутящего момента при быстром движении вниз на безопасное расстояние. Последующее увеличение крутящего момента произошло из-за торможения при переходе от быстрого перемещения к рабочей подаче. Кроме того, уровень крутящего момента, обозначенный цифрой 4, соответствует поведению, при котором сверло перемещалось с рабочей подачей с безопасного расстояния до поверхности отверстия, пробуренного в предыдущем цикле. Уменьшение крутящего момента, обозначенное цифрой 5, произошло из-за увеличения осевой силы, действующей на сверло во время механической обработки. Наконец, в разделе 6 указано удаление стружки из просверленного отверстия быстрым перемещением, таким образом, чтобы весь цикл повторялся до тех пор, пока не будет просверлена вся глубина отверстия.

Из приведенного выше описания можно резюмировать, что различные типы износа инструмента во время сверления могут быть идентифицированы в зоне № 5. Во время пробного сверления с заявленными значениями скорости резания и подачи было просверлено 19 отверстий, после чего инструмент был полностью изношен. Непрерывный процесс износа инструмента показан на рис. 4.

Рис. 4 Прогрессия износа инструмента

Во время осмотра сверла можно было наблюдать постепенно ухудшающийся износ по всей длине основной режущей кромки, и также было обнаружено образование БУЭ (наращенной кромки) на основной режущей кромке, а также на кромке долота соответственно. Впоследствии, исходя из записанных данных, был оценен крутящий момент привода по оси Z (рис. 5). Для лучшей интерпретации результатов значения графика были скорректированы таким образом, что из каждого из зарегистрированных значений вычиталось 3,13 Нм, представляющих крутящий момент привода в состоянии, когда шпиндель не двигался ни в одном направлении, а привод компенсировал только гравитационную силу, действующую на шпиндель. Впоследствии этот сдвинутый график был перевернут вокруг горизонтальной оси путем умножения каждого значения на -1, поскольку теоретически увеличивающийся крутящий момент привода при сверлении отверстий можно лучше наблюдать на графике, модифицированном таким образом.

Рис. 5 Измеренный крутящий момент привода по оси Z во временной области

На графике (красная линия) можно увидеть, как увеличился крутящий момент на отметке 29 с, когда режущие кромки сверла сломались. В табл. 1 представлены рассчитанные средние значения и различия крутящего момента между отдельными отверстиями за время в диапазоне от 23,3 до 24,8 с.

Таблица 1. Средние значения крутящего момента привода по оси Z при сверлении.

Отверстие	[Nm]	[Nm]	[%]
1.	2,8	0,00	0,00
10.	2,81	0,01	0,36
15.	2,92	0,12	4,29
19.	3,33	0,53	18,92

Таким образом, это испытание подтвердило влияние износа инструмента на крутящий момент привода по оси Z, поскольку это было четко видно по поведению сигнала, а также продемонстрировано расчетными значениями. Процентная разница в среднем крутящем моменте постоянно увеличивалась при сверлении отдельных отверстий по сравнению со сверлением первого отверстия и была равна 18,92% при сверлении 19-го отверстия. Кроме того, во время сверления износ также можно было определить по сигналу крутящего момента шпинделя (рис. 6), особенно во время сверления последнего отверстия перед разрывом.

Рис. 6. Измеренный крутящий момент привода шпинделя во временной области

На графике (рис. 6) показаны абсолютные значения крутящего момента шпинделя, поскольку фактические зарегистрированные значения были отрицательными, что отражало только направление вращения шпинделя по часовой стрелке. Постепенное увеличение крутящего момента с увеличением числа просверленных отверстий в этом случае не очень хорошо видно и распознается только на последнем просверленном отверстии, где можно увидеть увеличение крутящего момента при разрушении режущих кромок сверла. В таблице 2 приведены рассчитанные средние значения и отличия от абсолютных значений крутящего момента шпинделя, зарегистрированных одновременно с крутящим моментом привода по оси Z.

Таблица 2. Средние значения крутящего момента привода шпинделя при сверлении

Отверстие	[Nm]	[Nm]	[%]
1.	5,95	0,00	0,00
10.	5,88	-0,08	-1,26
15.	6,17	0,21	3,58
19.	7,84	1,89	31,73

Результаты показывают, что даже на основе контроля крутящего момента шпинделя можно отслеживать износ инструмента, поскольку при сверлении последнего отверстия перед поломкой сверла крутящий момент был на 31,73% выше, чем в начале. Однако более надежным параметром для контроля износа инструмента во время операций сверления, по-видимому, является крутящий момент привода по оси Z, значение которого постепенно увеличивается с увеличением количества просверленных отверстий. Напротив, при мониторинге крутящего момента шпинделя увеличение не было четко идентифицировано до последнего отверстия, просверленного непосредственно перед поломкой.

Выводы

Используя определенные опции доступа к внутренним данным станка, описанные в этой статье, был выполнен мониторинг выбранных параметров во время сверления. После оценки записанных данных можно предположить, что возможно создать систему мониторинга, которая была бы способна прогнозировать критический износ инструмента в режиме реального времени на основе только данных, полученных от системы управления станком. Кроме того, в качестве показателя износа инструмента во время сверления существует возможность использования значения крутящего момента от оси привода во время проведенных испытаний, которое постепенно увеличивалось с количеством просверленных отверстий, и расчетное значение крутящего момента при сверлении конечного отверстия до разрушения режущей кромки было выше на 18,92%. по сравнению с первым просверленным отверстием. Износ инструмента также отразился на значении крутящего момента шпинделя, который при поломке был еще выше на 31,73%. Однако этот параметр не подходит для комплексного мониторинга, поскольку он недостаточно точно определяет постепенное развитие износа инструмента. Идеальным решением могла бы стать оценка износа на основе обоих значений с использованием потенциала искусственного интеллекта, который будет использоваться в будущих исследованиях.

Кроме того, можно создать клиентское приложение OPC, например, в среде MATLAB. Однако для его создания необходимо выполнить большой сбор данных в различных ситуациях, возникающих при механической обработке, после чего можно разработать и протестировать алгоритмы обработки и оценки полученных данных. Подходящим вариантом в этом случае может быть обучение, при котором значения записываются в первом контрольном цикле обработки, а в последующих циклах значения сравниваются с заранее установленным пределом для отдельных инструментов. Другая рекомендация заключается в том, чтобы отслеживать и оценивать крутящий момент, регистрируемый только при рабочей подаче, поскольку это исключит большинство регистрируемых экстремальных значений, особенно при быстром перемещении. Это было бы возможно путем выполнения параллельного мониторинга переменной $ AC_G0MODE, которая приобретает значение 0 при рабочей подаче.

Список литературы и источника

Чжэн Б. и др. Разработка системы дистанционного мониторинга и управления для станка с ЧПУ Siemens 840D sl с использованием кодов Snap 7. В: Достижения в инженерных исследованиях. 2017, roč. 86. ISSN 2352-5401.

Дауни Дж. и др. Мониторинг процесса ЧПУ в режиме реального времени в производственной среде - этап сбора и анализа данных. В: Procedia CIRP. 2016, vol. 41. с. 920-926. ISSN 2212-8271.

Грабе М., Манькова И., Беньо Дж. Мониторинг и контроль производственного процесса для улучшения качества поверхности заготовки при сверлении. В: Procedia CIRP. 2016, vol. 41. с. 735-739. ISSN 2212-8271.

Мюллер Дж. и др. Сбор данных о технологическом процессе и энергопотреблении обрабатывающего центра и отдельных компонентов станка. В: Прикладная механика и материалы. 2016, том 856. Стр. 123-130. ISSN 1662-7482.

Вэй У. и др. Откройте сбор и применение данных о состоянии станка с ЧПУ на основе спецификации OPC. В: Procedia CIRP. 2016, vol. 56. с. 384-388. ISSN 2212-8271.

Код для цитирования: Скопировать