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机器视觉与网络携手打造机床无人化作业
发表时间:2009-04-27 08:32:38; 来源:news_from
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装在机床上的摄像系统是整个系统的一部分，可以帮助加工车间的工作人员在车间内完成更多的工作，且节约了时间。公司经理可以从远距离监控机床的工作情况。为了对突发的刀具磨损或突然的刀具断裂等事故作出快速的反应，还研究和采取了一些策略，无需回到车间内解决这些问题。 Hard Milling Solution公司的创建，是Corey Greenwald先生的一次大胆创造。该公司致力于引导硬质材料加工的变革。硬质材料加工被认为是一种对设备的专业性和技术知识的精确性要求很高的加工过程。在当时，大部分加工车间本身对硬质材料的铣削加工还不太熟悉，在Corey Greenwald先生采用这一技术来实现模具生产的流水化作业，对淬火工具钢的细节进行精加工或生产复杂的医疗元件之前，还没有谁创建出这样一个加工车间。 这是一个非常大胆的冒险，因为在创建初期，Greenwald先生既不是一个专业的机加工专家，也不是一个经验丰富的工具和模具制作师；他只是一个普通的生产工程师，对采用硬铣削技术的诸多优点十分着迷。从前曾管理过硬铣削成形冲床的安装工作，对于硬铣削加工拥有非常丰富的经验。新机床安装以后，冲压生产的时间从原来的30天缩减为6天。他清楚地看到，如果员工们继续努力，也许有希望达到更高的产量。硬铣削加工所潜在的前景鼓舞他们全面认真地学习这一工艺。 Greenwald先生所学到的有关硬铣削技术的知识越多，他就越相信该技术所能创造的价值越大。因此，Hard Milling Solutions公司就应运而生。Greenwald先生的一个好友在其附近开设了一个EDM线切割加工车间，在这位朋友的帮助下，Greenwald先生开始在Detroit北郊工业园区的一个租赁厂房内创业，并从位于Ohio州Mason市的牧野公司购置了一台V56型VMC立式加工中心。 这是一项颇具开创性的工作，硬铣削技术的优点仍然有待于进一步开发。不同的车间采用不同的技术，但并不是总能获得满意的结果。然而，Greenwald先生通过对硬铣削技术的深入研究以及对于研究成果的可靠性和可预测性的不懈追求开始得到回报。他不但在实践中验证从当地机床代销商、刀具供货商和软件转销商等地方学到的经验，还从事着自己的研究。 当Greenwald先生确信他的公司已经解决了生存问题时，他开始寻找可进一步提高和优化其技术的工作，他对不同的速度和进给率进行了实验，使其工艺技术推向从未试验和证实过的新的高度。由于他已经拥有丰富的经验和深刻的洞察力，因而对其车间工作所具有的能力和信心不断增加。不久，他又添置了第二台机床，同时也扩大了车间的面积，不断地更新工具系统以及支持硬铣削技术的编程软件。 Hard Milling Solutions公司是一个非常成功的加工企业，其业务发展十分稳定。Greenwald先生似乎已经得到了一个有关硬铣削技术的秘决，可应用于注塑模、锻压模和铣削零件的加工，其材料的硬度可高达65 HRC。事实上，Greenwald先生已经成为一个硬铣削工艺的倡导者。他坚定地认为，模具加工车间、医疗零件生产厂以及小型生产车间都应该广泛地采用硬铣削技术。创立不久之后，Hard Milling Solutions公司又添加了第三台牧野公司的VMC立式加工中心，而且计划订购第四台机床。 无人化加工 Greenwald先生逐渐发现，掌握硬铣削技术需要花费很长的时间并付出艰巨的劳动，保证机床的满负荷工作并发挥刀具的最大效能要耗费其大量的精力，努力满足每一个客户的愿望几乎是他每天唯一的工作。 Greenwald先生采用硬铣削方法的另一目标是学习如何实现无人化加工操作――硬铣削加工所必需的科学和系统方法。事实上，按照Greenwald先生的说法，如果硬铣削技术想要更加实用、获得更多收益并可持续发展，那么在硬铣削技术中采用无人化加工作业将是一个必然的发展趋势。正如他所看到的那样，让机床24h运行，实际上是硬铣削工艺达到最高生产率的关键。 然而，无人化加工作业并不一定意味着机床在运行工作的时候，车间里就空无一人。这只是说，操作工可以离开机床做其他事情，如修理刀具，为刀具下一步的工作路径编程，这些工作都可以同时进行。无人化加工作业只是Hard Milling Solutions公司多功能任务中的一部分。 Greenwald先生解释说：“无人化加工作业意味着不必站在机床前观察每一个加工动作或每时每刻倾听刀具加工零件的声音，操作工可以离开机床去做其他事情。但在无人化操作的工作状态下，仍然需要定时检查机床的工作情况。”他回忆说：“我们预先对机床进行调试，使其能够整夜工作或整个周末工作，但我们还不得不安排人员，牺牲一夜的休息时间，不时地检查关键零部件的加工情况。即使采取轮流值班制，对每个值班人员也是负担。” Greenwald先生以继承和创新相结合的思想，首先在硬质材料铣削技术方面获得了成功，他所创建和执行的这套系统使他能够远距离监控机床的加工生产情况。为了对突发的刀具磨损或突然的刀具断裂等事故作出快速的反应，他还研究并采取了一些策略，使工作人员无需回到车间内解决这些问题。 他采用在机床上和车间的加工区安装视频摄像头的方式，通过以网页为基础的网络软件，让家用PC机或笔记本电脑成为机床的控制板，从而充分地发挥其机床控制系统的自动化功能特点及其编程软件的灵活性，以便于更换所需要的新刀具，使机床的无人化操作得到切实的保证。 Greenwald先生说：“该系统让车间内的机床只需一个工作班次就能够运行将近24h，机床的有效工作时间高达96%。更重要的是，我与员工们都可以拥有更多的休闲时间。” 视频摄像系统监控无人化操作 构建无人化加工环境的第一步工作是安装视频摄像机，并将数字录像机（DVR）连接到Internet互联网上。由于硬铣削方法是基于经过实践证明的加工技术之上，因此定期检查一下“无人化”操作的机床，就足以管理因工艺变化或编程错误而造成的刀具偶尔断裂的现象。然而，在晚上或周末的时候，每隔几小时到车间巡视一下也是很有必要的。“安装摄像机的目的就是由它们承担这些日常不必要的检查工作，”Greenwald先生说，“显然这一部分的工作是非常容易的。” 安装是非常简单且直接的事情。Greenwald先生雇佣了当地一家供货商，将货架上现成的商用数字视频摄像机分别安装到三台机床的密封罩内，并将另一台摄像机安装在墙上，监控整个车间内机床的工作情况。机床内的摄像机首先安装在较小的安装板上，然后用螺栓将其固定在机床的钣金件上。视频传输电缆线由机床密封罩的顶部引出，然后通过车间的天花板吊顶接入到Greenwald先生办公室的监控站。每一台摄像机的15 V直流电源线通过机床密封罩上的一个圆孔与一个变压器连接，然后将其插入到附近墙壁的插座上。按照Greenwald先生的说法，摄像机系统的安装只花了一个晚上的时间。Greenwald先生办公室的数字录像机让其能够看到车间内三台VMC立式加工中心生产的情况以及整个车间的工作场面。 每台VMC立式加工中心上的视频摄像机安装在机床防护罩的外壁上（图2），安装在机床上的摄像机上面装有固定的聚焦镜头，并具有防水功能；镜头的周围装有红外发光二极管，可检测机床切屑的热量，并在显示屏上显示出明亮的“火花”。这一显示是非常有必要的，它可以说明刀具仍然在正常地工作。事实上在大部分情况下，该车间采用干式铣削加工方法（无冷却液），因而使可见度提高。采用喷溅冷却铣削加工铝制工件时，镜头必须在零件加工后擦洗干净，不允许在上面遗留任何污点。 同时显示全部四台摄像机的画面，但DVR装置上的触摸按钮可以将选取的画面全屏放大，该DVR装置也可以作为一个网络连接器使用。 将摄像机接入采用密码保护的网络，才能体现该系统真正的价值。Greenwald先生解释说：“在工作时间，办公室的监控设备所做的就是为我节省了一些工作步骤。”网络的连接设置主要涉及到接入网络所需的固定Internet互联网协议（IP）地址。为此，Greenwald先生与当地的Internet互联网服务供应商进行了商谈，通过互联网所获取的摄像机图像与网页的效果一样，只要轻轻点击桌面上的图标，就可以自动连接。 凡是与互联网连接的任何电子设备都可以获取摄像机所摄录的图像。Greenwald先生说：“现在，我可以用家里的PC机上网来检查车间内机床的工作情况。当外出旅行或拜访客户时，可以用笔记本电脑无线连接上网，完成上述同样的工作。” 网络的力量 在安装视频监控系统后不久，Greenwald先生及员工们开始考虑使用和接入网络的方法，以进一步发挥网络的优点。Greenwald先生解释说：“如果有一台机床停止运行或者我们对刀具的加工路径不太满意，那就有必要去车间巡视检查，只有我们亲自到工作现场才能解决问题。”一旦到达车间以后，首先在CNC显示屏上检查DNC列表，从而可以知道问题出在什么地方。在检查CAM软件中相关部分的刀具路径程序时，通过修改跨步，调整进给率或选择不同的加工策略，一般就可以显示出问题所在。随后输入修改后的参数，该软件就能生成一个新的刀具路径；然后再检查其圆弧并进行后处理，最后下载到CNC数控机床上。必要时，在检查和更换完刀具之后，由Greenwald先生或其他值班机械师重新起动机床工作。 生成一个新的刀具路径的过程非常费时。在修改的程序准备好以前，除了等待之外，别无其他事情可做，这意味着损失了更多的休息时间。Greenwald先生说：“从这一点上来说，我们意识到，如果能够从远距离检查CNC数控机床和CAM软件，那么我们就可以通过编程确定所发生的问题。只有这样，问题才能迅速解决。” 幸运的是，不久以后为达到这些目标的方法就出现了。Greenwald先生认识了Michigan州West Bloomfield市的一家软件公司――Remote Machining 公司，该公司开发了一款软件，可以让牧野公司的CNC数控机床接入网络，并可通过联网的PC机远距离模拟其功能。这使得用户能够通过网页浏览器操作CNC界面，并输入所修改的参数。因此，Greenwald先生将这一软件安装在车间内的一台V56型VMC立式加工中心上。 下一步的难题是如何远距离接入CAM系统。在公司订购了以网络为基础的LogMeln服务之后，这一难题也迎刃而解了。这一服务可以在同一网络上，让一台网络计算机成为另一台计算机的虚拟代表。正如Greenwald先生所解释的那样，他使用家里的PC机或笔记本电脑，犹如使用办公室的PC机那样。例如NC数控编程系统一类的应用软件在车间内的处理器上运行，而远距离的PC机或笔记本电脑则像办公室的PC机那样运行和控制那些应用软件。 将这些系统安装就位以后，Greenwald先生就可以监控机床在无人化操作模式下的运行情况，并有效地管理车间的工作进度而不需要亲自到现场指挥。如果有必要到车间巡视，所花费的时间也极少，只需等待编程软件点数编程而已。由于有些工件可以一次性在机床上调试装卡，就不必去车间为这些零件的加工安排运行程序，只要在CNC上调取数据中心页面，改变DNC进度表中等待加工的工件排序即可。 一般来说，在车间之外的远程控制工作可以按照以下方式进行： 在机床上安装适当的摄像机以监控检查机床的工作情况。 如果机床停止运行，或运行情况不能令人满意，那么就登录CNC，并检查机床的报警或其他问题指令情况。 登录CAM软件，并检查刀具路径输出，修改程序，重新运行刀具路径发生器，检查模拟圆弧并“布置”刀具路径。 是否回到车间取决于工作的缓急程度。 管理刀具的断裂和磨损 Hard Milling Solutions公司的最新发展使车间的自动化和生产率达到了更高的水平。这些新的发展充分地利用了牧野公司的CNC数控系统和CAM软件的特点，同时也吸取了通常在车间中使用的硬铣削技术的实践经验。Greenwald先生解释说：“我们想在两条战线上同时出击。一方面我们希望找到新的方法来规避刀具断裂的风险；另一方面，我们希望能够找到应对刀具断裂或过度磨损的新方法。” 刀具长度的监控和备用刀具的选用是车间扩展无人化加工战略的关键部分（图3）。其中安装在主轴上的监控系统尤为重要，这也是VMC立式加工中心控制系统的一个特点。除了以数值方式显示主轴的负荷之外，该控制系统还允许设置一个上限，如果机床的行程超过这一上限时，机床就会报警，并且主轴自动停止运转。由于车间已经为该机床使用的各种刀具和每一种材料的加工参数都编入了数据库，Greenwald先生可以将每一种刀具的最大主轴负荷数值添加到数据库之中。在某些情况下，这些数值需要通过进一步试验加以确认。将这些数值输入到主轴负荷监控系统以后，可以保证对主轴中产生的火花自动地作出快速、安全的反应（产生火花表明刀具已经断裂）。CNC界面上的刀具监控页面显示出了主轴负荷的读数，以百分比的形式表示主轴电机所能够吸取的电流强度。每一刀具所允许的主轴负荷是可以预先设置的，如果因刀具的断裂而产生火花，主轴就会立即断电关闭. Greenwald先生声称：“这可以允许我们使用纽扣式镶刀片刀具在无人化工作状态下对淬硬的材料进行粗加工作业。”对于粗加工而言，采用这种镶刀片刀具要比相应的碳化物硬质合金刀具更具有通用性和经济性。然而，如果其中一个镶刀片出现故障，该刀具就会很快地损坏镶刀片的连接体及刀具组装件的其他元件；而且也可能导致刀具夹座、工件或主轴的损坏。由于这一原因，该加工车间从前从未使用过这类刀具，除非在附近有人照看的情况下，当断裂的镶刀片发出异常的声音时，操作员立即采取措施。现在，人们离开车间并使用这类刀具已经是很正常的现象了。Greenwald先生认为，在过去要获得这样的一个发展是不可想象的，对于碳化物硬质合金刀具和其他类型的刀具而言，采取这种特别的保护措施也具有很大的意义。 牧野公司CNC系统的另一个特点是管理刀具在长期运行过程中发生的磨损或断裂的现象，例如在加强筋的切削加工中，如果某一刀具的长度检查表明刀具缺失或磨损，那么系统从从刀库中检索一把备用刀具。每台机床上配有一套激光刀具长度监控系统，该系统由Kentucky州Erlanger市的BLUM公司提供。每个工作程序的开端和末端包括一个子程序，用于检查刀具的长度。当刀尖通过激光束而直接从单元的立柱之间经过时，就会自动地测量刀具的长度（图5）。在这个程序的末端，如果检测到刀具发生断裂的现象或刀具磨损超过了规定的极限（其极限可小至0.001in，1in=25.4mm），CNC数控系统就会重新将这一程序“倒回”到最后的刀具长度检查点上，并对更换后的新刀具再一次执行检查操作。 Greenwald先生说：“我们的策略是将这一备用刀具的选择功能与我们CAM软件的特点相结合，将很长的程序分割成几个具有固定时间长度的程序段。”该加工车间采用由Ontario省Windsor市的Graphic Products North America公司提供的CAM-Tool工具程序来编制刀具的路径，用于硬铣削加工；根据特定的加工运行时间，该软件中用于后处理的组件将输出数据分割成多个程序段。”Greenwald先生列举了一个实例：一个加强筋切削程序将要在机床上运行10h，于是采用后处理器创建了20个程序段，每个程序段的运行时间为30min。在每个程序段运行的开端和结尾，由VMC立式加工中心对刀具的长度进行检查测量，并在刀库中备有几把同样的加强筋切削加工用刀具，当其中一把刀具发生磨损或断裂时，可使用备用刀具替换。在完成10h的加工工作以后，加强筋的加工质量非常理想。 Greenwald先生还提到另一次采用这一策略加工一个大型模具，在加强筋的切削加工上花费了100h左右的时间。该机床进行24h的不间断工作，每周可工作4天以上。刀库内配置了5把用于加强筋切削加工的备用刀具，这样就可以满足任何紧急状态下刀具更换的需要。 获得良好收益 事实证明，Hard Milling Solutions公司的视频摄像机是一套非常有效的工具，其得到的收益是Greenwald先生从未预见到的。除了他能够在家里监控机床的操作情况之外，也可以在接听客户电话的同时，在笔记本电脑上观察机床的操作。对机床操作的实时监控的实现，证明了无人化加工生产在车间加工过程中的价值和发展潜力。 Greenwald先生可以在这个国家的任何地方，与客户共享这一系统，通过这些渠道可以为客户演示工件在机床上的装卡调试甚至加工的情况。Greenwald先生说，有关工件或调试装卡的问题可以很快地得到答复，而且具有较高的确定性。同样，当他在车间时，可以用电子邮件的方式将摄像机摄取的图像发送给客户观看。 |
