Мониторинг работы технологической оснастки

   Для повышения конкурентоспособности предприятия вынуждены повышать результативность и эффективность своей работы, прежде всего используя средства механизации и автоматизациии совершенствуя управление технологическими процессами. Решения по управлению технологическим процессом принимаются на основании информации о контролируемых параметрах или объектах. Чем чаше производится наблюдение за параметрами, тем раньше выявляются отклонения, а процесс точнее приближается к оптимальному. Таким образом, мониторинг или специально организованное систематическое наблюдение за состоянием объектов, явлений с целью их оценки, контроля позволяет не только оптимизировать процесс, сократить время технологического цикла, но и добиться повышения качества продукции.

   С развитием электроники и средств измерения мониторинг стал обязательным элементом эксплуатации дорогих устройств, работа которых должна отличаться повышенной надежностью (силовые высоковольтные трансформаторы и реакторы, гидрогенераторы). Одним из примеров применения мониторинга технологических процессов является изготовление подшипников, когда для обеспечения долговечности требуется собирать информацию о структуре, химическом составе поверхностных слоев обрабатываемых деталей и шлифовального оборудования. Другим примером мониторинга и управления является изготовление полиэтиленовой пленки. Датчик толщины устанавливается на постоянно перемещающейся вдоль пленки рамке, программное обеспечение позволяет не только получать информацию о толщине пленки, но и показывает влияние различных технологических факторов на качество продукции, что дает возможность автоматизирование или в ручном режиме управлять параметрами процесса изготовления.

    Кроме перечисленных областей, на зарубежных предприятиях мониторингу подвергается работа технологической оснастки. Основные цели такого мониторинга следующие:

—  получение качественной продукции;
—  увеличение срока службы (ресурса работы) сложной, дорогостоящей оснастки;
—  сбор статистических данных о протекании процесса.

   Эти факторы стали основными в определении объектов мониторинга в области технологической оснастки — штампов и пресс-форм для литья под давлением.

Литье пластмасс под давлением
   При оптимизации процесса литья под давлением часто оказывается недостаточно пересмотра лишь тех параметров, которые относятся к литьевой машине. При таком подходе не учитываются особенности заполнения пресс-формы, например, изменения свойств материала, характера окружающей среды (температура и влажность в помещении). Наиболее важное влияние на качество отливаемых изделий оказывают состояние расплава после пластикации и выполнение процесса заполнения формы, о чем можно сулить по изменению температуры расплава и формы и плавления расплава. Эти замеры также необходимы, если контроль давления в форме используется для переключения режимов. Для контроля и последующего управления этими параметрами в литьевых формах используются датчики. Чем больше датчиков установлено в форму, тем больше имеется информации для совершенствования технологического процесса.
   Для контроля температуры формы используют стационарные и переносные термопреобразователи — термопары, вмонтированные в пресс-форму. Для поддержания заданной температуры некоторые части, а иногда и всю форму приходится оборудовать устройствами термостатирования и регулирования охлаждения. Управляя охлаждением формы, можно организовать последовательное охлаждение отливки.
   Наиболее полезная информация о процессе изготовления изделия может быть получена при измерении давления в формующей полости. Оптимизация режима измерения давления может во многом повлиять как на размеры, вес и внутренние свойства изделия, так и на время цикла и износ пресс-формы. Измерения облегчают настройку оборудования в тех случаях, когда какая-нибудь пресс-форма работает на разных машинах. Давление в пресс-форме может изменяться по разным законам. Наибольший интерес представляет линейный рост давления, означающий практически постоянную скорость фронта потока во время впрыска. Слишком поздний переход от впрыска к подпитке ведет к большому расходу материала, образованию облоя, усложняет извлечение и в худшем случае может привести к раскрытию пресс-формы. При слишком раннем завершении впрыска матрица будет заполняться под давлением подпитки, что повлечет появление утяжин, оплавление поверхности. Это приведет к недоливу и плохой структуре полимера (высокая ориентация молекул).

   С помощью датчиков давления можно быстро определить оптимальное положение точки перехода. Аналогичным способом можно определить точку застывания литника, то есть тот момент, когда материал перестает поступать в форму, и подобрать время подпитки. Весь процесс можно зарегистрировать, размещая датчики рядом с литником. Помимо ручной корректировки процесса с помощью кривых давления регулирующие устройства (например, контроллеры или компьютер) позволяют использовать давление в матрице для переключения от впрыска на подпитку. Как только достигается пороговое значение, передается соответствующий сигнал. Такой способ переключения способствует улучшению воспроизводимости. Прежде всего он позволяет при внешних изменениях (помехах) предусмотреть возможные отклонения.
Различают прямые и косвенные методы измерения давления. При прямом измерении отверстие под датчик выполняется прямо в формующей полости, чтобы он соприкасался с расплавом. Датчики устанавливают в пресс-форме с применением адаптера или без. Головка датчика имеет обычно форму цилиндра или пластины, диаметр фронта датчика 9,5, 6, 4, 2,5 или 1 мм. Фронт передает давление на находящийся позади него измерительный элемент. Головку датчика давления можно подогнать под профиль и текстуру формующей полости, так как для этого имеется технологический запас материала. Различают пьезоэлектрические (отражают изменение давления пропорционально механической нагрузке, которая преобразуется в соответствующую разность потенциалов) и тензометрические (работающие на основе изменения сопротивления) детекторы.

   Датчики прямого измерения оставляют на отлитом изделии следы, иногда датчик невозможно установить, так как не хватает места. Этого можно избежать при использовании датчиков косвенного измерения, расположенных под толкателями. Измеряется усилие, воздействующее на толкатель, для вычисления давления в формующей полости учитывается диаметр толкателя (площадь). Однако трение и прогиб стержней, коробление пресс-формы или загрязнение каналов выталкивателей вносят погрешность в результаты измерений. Поэтому в условиях промышленного производства предпочтительнее прямое измерение.
   Наряду с измерением давления в формующей полости измерение температуры также можно использовать для получения важной информации, позволяющей оптимизировать технологический процесс. Температурные датчики дают информацию о текущей температуре расплава, что позволяет предупредить возможные нарушения технологии, связанные с превышением допустимых пределов.
Термопары и термометры сопротивления, используемые для измерения и контроля температуры стенок формы, непригодны для измерения температуры расплава. Ее измеряют с помощью инфракрасных датчиков. С этой целью внутри формы, заподлицо со стенкой, устанавливают пучок оптоволокна. Собственное тепловое излучение расплава поступает на радиационно-чувствительный детектор. По величине выходного электрического сигнала судят о температуре расплава.
Существуют комбинированные датчики для измерения давления и температуры в одной точке отливки. Автору известны такие датчики производства фирм Kistler или Sels. Кроме того многие современные датчики используют технологию передачи сигналов только по одному неэкранированному проводнику (кабелю).
   Еще одной важной характеристикой, необходимой для управления качеством, является количество ударов пресс-формы. Наиболее распространенным методом учета является приближенная оценка по количеству произведенных (отгруженных по документам) отливок. Для учета количества ударов также существуют датчики-счетчики, например, производства фирмы FCPK. Счетчик — механический, не имеющий возможности аннулирования результатов.
Большинство предприятий организует контроль отливаемых изделий выборочно. Требования к качеству получаемой продукции ужесточаются, что требует применения постоянного мониторинга процесса, а значит, управления качеством в оперативном режиме. Целью является получение данных о качестве на основе автоматизировано измеряемых технологических параметров, таких, как давление и температура в полости. Это дает возможность контроля и управления параметрами всех изделий без проверки отливок, то есть создается система бездефектного производства.

   Качество отливаемых заготовок определяется зависимостью свойств отливаемого изделия от параметров процесса. Для определения этой зависимости составляется план статистических экспериментов, в котором предусмотрены различные варианты параметров процесса для получения детали. Во время проведения испытаний эти параметры фиксируются, а полученные результаты маркируются так, чтобы при последующем анализе обеспечить соответствие между образцами и параметрами процесса.
   С помощью построенных моделей качество изделий может быть оперативно рассчитано непосредственно во время литья, исходя из измерений параметров процесса в течение производственного цикла. Таким образом, сразу после окончания цикла становится доступной информация о качестве продукта.
К сожалению, в России описываемый мониторинг работы пресс-форм практически не используется. Производители пресс-форм так отзываются о контроле давления и температуры в пресс-форме: «это все управляется термопластом», «этого не нужно делать, а нужно контролировать».

  Кроме того, на таких прессах установлены счетчики ходов ползуна. Таким образом, система ЧПУ позволяет осуществлять мониторинг работы пресса и через интерфейс RS-232 или RS-485 передавать данные в ЭВМ.
Системы мониторинга при штамповке позволяют не только оптимизировать изменение нагрузки и скорость движения ползуна в зависимости от этапа цикла, но и увеличить ресурс работы штамповой оснастки и, главное, получать более качественные заготовки. Улучшение качества в данном случае достигается за счет оптимизации автоматизированного контроля технологических параметров, параметров оборудования и заготовки.
Применяют резистивные датчики перемещения, датчики измерения усилия, датчики давления, датчики положения.

По назначению различают:
•  датчики контроля положения деталей — наличие листа, позиционирование листа, двойной лист (оптические, визуальные, оптоэлектронные);
•  датчики качества материала — толщины, загрязненности;
•  датчики технологических параметров — температуры заготовки, усилия пресса;
•  датчики перемещения рабочих органов — ползунов, толкателей и т.д.;
•  датчики параметров работы оборудования — температура подшипников, давление воздуха, подача смазки и т.д.

   С точки зрения потребителей для условий производства наиболее важными свойствами являются долговечность и надежность, а не скорость и точность. Следовательно, датчики для бесконтактных измерений (индуктивные, магнитострикционные, лазерные и т.п.) имеют преимущество перед устройствами, использующими контактный способ измерений (резистивные, удлинение провода и т.д.)
   Другой критерий выбора датчиков — диапазон применения и адаптируемость датчиков в системе. Любой потребитель предпочитает иметь однотипные датчики, которые обеспечивали бы широкий выбор интерфейсных систем. Однако все устройства имеют конструктивные ограничения по отношению к этим требованиям. И наконец, датчик, который точен в узком диапазоне условий эксплуатации, вряд ли сможет достоверно работать в условиях ударов, вибраций, колебаний температуры и т.д.
    Наиболее известными производителями датчиков являются фирмы Omron, Sick, Festo, Balluf и др., аналогово-цифровых преобразователей — National instruments. Автору встречалось упоминание системы LabView 6 для создания виртуальных приборов.

Металлообработка
   Металлорежущие станки и особенно автоматизированные центры становятся все более сложными, поэтому контроль за состоянием их наиболее важных элементов, например режущего инструмента, становится важным фактором, влияющим на качество и экономичность. Например, в журнале Maschinenmarkt (№ 15 за 2005 год, стр. 56-61) описывается система мониторинга, которая строится на основе контроля и диагностики состояния фрез по величине крутящего момента и потребляемой мощности. Так, при использовании червячных фрез высокой точности это позволяет экономить до 20% их стоимости за счет увеличения стойкости и улучшения других параметров резания. При фрезеровании профильными и концевыми фрезами процесс мониторинга позволяет уменьшить вибрации.

   В заключение надо отметить, что с увеличением номенклатуры деталей и изделий контроль качества продукции переносится на контроль качества процесса как более универсальный инструмент управления. Одним из средств управления процессами на производстве являются мониторинг и автоматизация. Сегодня на Западе появляются так называемые интеллектуальные устройства, позволяющие взаимодействовать с другими элементами. В США такие устройства готовы для внедрения в широкое промышленное производство. Это первый шаг к переходу на реальное широкомасштабное автоматизированное производство и управление процессами, а не изделиями.