模具的学问


日期:2017/11/21 来源:MM《现代制造》

针对电气元器件的生产,Phoenix Feinbau公司在其复合连续冲模或冲压折弯模具上,以及在多个加工流程中均采用了传感器装置。常见的光栅用于对输送带前移的观察,而涡流式传感器则用于对模具封闭的监视。“在特殊情况下,我们也使用压电传感器或探测管理软件来对模具的断裂情况进行探测,并使用声学传感器来掌握作业流程的偏差情况。” Phoenix Feinbau公司工程师Dominic Gruβ博士说道。此外,通过在机床设备上设置探测管理软件(DMS)的方式,使得很多机床设备都拥有了一种监测加工力的内置监视功能。“由此可以实现一种简单而灵敏的跨模具流程监视。在众多流程变更过程中,这种措施非常有效。” Gruβ博士说道。

传统的监视系统主要用于对故障的识别,其工作方式为自主性工作。故障原因由人工从BDE系统里收集,并把所摘录出的数据传送给MES系统。对机床设备和作业流程中的大量数据进行传递、联网和处理的诸多系统均为Phoenix Feinbau公司的最新技术研发水准。

传感技术可用于对严苛部件的生产

汽车制造厂商Audi的模具生产厂家也使用传感元件,但是其费用并不低。“我们总的原则是很有针对性地仅在要求严苛的部件上使用传感器,例如前盖和后盖以及侧壁骨架等。对于每个汽车项目,目前我们平均为两套模具配备传感技术元件,并为后续大约四套模具的传感器技术应用作出相应准备。”Audi公司模具制造部门经理Jörg Spindler说道。Audi公司的研发工作已经启动。“我们开发出了所需的模拟软件,以便在设计时可以对传感器和执行器的位置作出最佳的设计。我们对每个部件对流程波动的敏感程度进行分析。这些流程波动有可能是因不同的材料批次,尤其是因表面粗糙度波动和润滑剂涂层等因素而导致的。对智能模具的工作调节状况也可以进行模拟。”Spindler解释说道。

这就为Audi公司决定是否集成采用智能技术提供了一个基础。Gruβ博士还表达了其他观点。“所采用的传感技术基于对模具和流程的风险分析。主要的准则便是依据故障发生的概率和潜在的后果或故障在未被识别情况下所造成的损失。”

除了汽车制造厂商之外,其零部件供应商也属于板材加工单位,也把这种技术应用于板材成型加工上。“我们已经在成型模具上使用了传感器。从工业4.0的可能性上看,我们还处于一个开始阶段。” Läpple Automotive公司技术主管Ralph Lintz表示:“目前我们在使用传感器,并把传感器用于对部件位置的检查或对废料排放的监视。”

图1 随着Läpple Automotive公司投入使用多工位压力机等一类新设备,对成型模具的要求也会随之提高

到了2016年9月,Läpple公司才在Heilbronn为新的多工位压力机举行落成典礼。为了充分利用生产设备的能力,模具也必须一并跟上。“新的技术可以带来新的机会。通过我们的多工位压力机,我们将来自然而然地可以使用更多带有传感器的成型模具。由此可以使新设备达到更高的生产速度。”Lintz解释说。

Läpple Automotive公司可以测量出板材、模具和带材喂入的位置及其进给量。“此外,我们也把传感器用在抓爪单元上。回传信号被直接发送到设备上,所获得的信息可以被用于数据分析和求值上。接下来需要采用BDE或MDE来对数据进行利用,但这迄今为止仍然只是一个梦想。” Läpple Automotive公司汽车零部件供应厂商技术负责人说道。

传感器和执行器属于智能成型模具

Audi公司还在继续发展。“对于我们来说,智能模具总是由传感器和执行器构成的一个工具包。在生产过程中,模具会自动并连续不断地进行自我调节,以此对生产流程波动进行均衡。” Spindler说道。Audi模具制造部门确定出技术可行范围的界限,而智能模具便是其中的一个关键的因素。“我们可以实现独特的设计并对部件进行大批量的生产,同时保持稳定的质量。在成型过程中,我们可对物流环节进行十分之一毫米等级的调节和优化。因此,我们的生产流程要比传统的生产流程(即对压力机出口处带材质量的目检管理和压力机参数的人工设定等)好上很多倍。”这位Audi公司模具制造部门领导如是说道。

图2 传感器也越来越多地被应用于复杂的复合连续冲模上

一个模具上有8~24个传感器

根据生产任务的不同复杂程度,Audi公司模具制造在每个模具上可设置8~24个传感器。“在成型过程中,我们通过激光传感器对板材外型轮廓上相关部位的移动情况进行观察。通过模具结构上的膨胀测量技术装置,我们可以观测出作用在板材上的力,并可由此确定出诸如裂纹等现象的产生。作为一些辅助数据,我们也对模具元件之间的互动和模具温度进行测量。” Spindler接着解释说道。

该系统在Audi公司里仅仅基于所测量的数值来实现一种可靠的自动运行,因此没有必要被纳入到压力机的上一级控制系统里。这样可以显著简化在现有设备上的加装工作量。

但是,这也并非意味着Audi公司可以完全放弃网络化连接。根据Spindler的介绍,压力机作业线所提供的技术条件各不相同。“作为第一步,我们在大众集团公司内部推动了技术接口标准化工作,以便在硬件一侧确保一种快速和安全的媒介供应。通过这种接口,我们既可以与压力机控制层面相连接,也可以与企业网络相对接。”他报告说。

今天,智能模具可以与中央控制系统交换压力机的重要数据,也可以传递质量信息,或在需要时使压力机停机。此外,整个模具可以与远程维护系统相对接。由此,Audi公司模具制造部门可以在全球范围内对现场的同事提供协助。Audi公司已经在两个大洲的五个生产基地上采用智能模具。此外还提供一个网络界面,它可以实现简单的操作和可视化,而不受终端设备的限制。

“从其基本构造上看,这种智能模具与其说是像一种传统的自动化系统,倒不如说更类似于一种现代化的IT系统。可配置性、可追溯性和版本化是基本的组成部分。通过这种方式,我们也可更容易地实现针对工业4.0的一些新的界面。” Audi公司模具制造部门领导期待地说道。近期也有可能对业务智能系统进行自动化演示。

在成型模具里安设传感器显著改进生产状况

Audi公司的工作成果有目共睹。Spindler认为,由于每个模具都有其唯一性,因此很难对之进行直接对比。“在产品增值或直接更新换代产品的项目上,我们可以展示很好的成果,残次品率也可下降25%。” Spindler表示。而在他看来,通过这种只关注于可测量残次品率的做法,对事物的观察是非常有限的。很大的潜力也仍被隐藏在起始流程的具体化和数据驱动的最优化上。传感技术可以提供一个可进行模拟补偿的有效途径。

在Läpple公司,Lintz所追求的目标是采用传感器,一方面可以提高加工过程中的工艺安全性,另一方面也可以实现对模具的更好的维护。“最佳的情况应该是在部件失灵或作业器械出现损伤之前就能通过传感器及时发现问题。”Lintz解释说道。此外,把残次品率和返工量降到最低程度也是一个目标,即防误防错措施。最后还要把数据评价结果反馈到模具设计工作中去,以便做出改进。

在Lintz看来,将来在“工业4.0”的推动下,成型模具可以通过转发技术自行申报生产状况,这也是可以想象的。由此可以使生产控制和规划系统只保留监督的功能。“但这当然还只是一种对未来的梦想。”Lintz表示。

在Läpple Automotive公司里,Lintz愿意在KVP流程框架内继续推动这项在成型模具里使用传感器的工作。“我不认为已经达到了使用传感器的最高水准。针对使用传感器的新的机会总在不断出现。”技术负责人说道。虽然使用传感器要取决于性价比结果和用户的支付意愿,但是Lintz从总体上认为这项工作是非常有意义的。“我想,当人们意识到模具里所发生的事情时,就会觉得这项工作是值得的。因为唯有采用传感器并作连续监视,方可实现正常生产。在今天的成型加工速度下,人是很难跟上加工节凑的。” Lintz总结说道。

后续的发展趋势使成型模具网络化

“仅靠传感器即可感知生产规模,提供实时生产状况信息,并对各影响因素之间的相互关系进行揭示和综合分析。唯有在此类信息的基础上对生产进行自动干预,方可极大提高生产率,并保持产品质量的稳定。”Gruβ总结说道。对此,既可对生产设备参数重新进行匹配,甚至也可通过执行器来对诸如弯曲角度等的模具的调节量做出改变。“因此,有必要采用那些可以构建包含执行机构在内的完整的调节回路结构的相应的执行系统。” Phoenix Feinbau公司的工程师说道。

Spindler认为其发展趋势是网络化。“模拟工作也显示出非常大的潜力,但在实际工作中由于缺乏数据而尚无法得到开发。我们将对现有的状况监视系统进行扩展,由此来更好实现生产过程中的最佳调节。” Spindler表示。还有一个目标便是陆续要把设计软件更好地与实时数据进行连接。“通过这种数字双渠道和实时模具的对接方式,我们可以做到把来自生产的更多的知识反馈到对下一代模具的设计上。” Audi公司模具制造部门的领导期待地说道。