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通过振动监测保护机床

瑞典车辆制造商Scania是全球最大的多用途车、公交车以及船舶和工业发动机的制造商之一。 其斯德哥尔摩工厂主要生产卡车和公交车用的强大发动机。 而传感器则用于监测自动化生产过程。

传感器技术用于防止计划外生产停机。它可持续监测机器和设备的状态。若超出了任何限定值,维护人员将收到自动发送的消息,或者在关键情况下,机器甚至会自动停机以防发生任何损坏。Scania负责IT和自动化问题的自动化工程师Robert Bergkvist说道:“我们使用流量和液位传感器以及常用的电感式接近开关获得整个生产线的概况。此外,传感器数据对我们价值重大。它在我们做出各类有关维护选项的决策时很有帮助。传感器数据对于过程优化也很实用。”

通过机床示例解释诊断功能

Scania使用众多机床。铣头在切割金属块时像是在切割黄油,车床凿刀则在打造毫米级精度的轴,而钻床则在准确钻孔。所有过程步骤都是完全自动化的,并由通过计算机控制的车床和铣床完成。他们几乎是在眨眼之间就制作出了气缸盖模具或发动机轴。

为了满足高质量标准,机床必须保证无瑕疵且无故障的工件加工。高加工速度和高作用力要求诊断系统能快速响应,并立即检测到任何刀具损坏或加工过程中的任何碰撞,从而能够使其快速停止,防止机床或工件损坏。实时振动诊断已被证明是最大限度减小损坏的理想解决方案。

小故障将引发严重后果

很难想象当铣头利用极高转速轻松切割材料时,其作用力有多大。然而,刀具实际上受到了极端机械应力的作用。

即使质量极佳,也没有操作员能防止刀具在使用时发生断裂。甚至极小的机械缺陷也可能在加工过程中造成严重后果。例如,铣头齿损坏可以损坏工件并使其作废。而如果这种情况发生在复杂工件(例如发动机组),代价可能是非常高的。不仅昂贵的工件本身变得毫无用处,而且无法生产出要求数量的产品。生产过程将会受到严重影响。

异常振动也能指示故障

因此,Scania为其机床提供自动故障检测系统。该系统的中心件是高度敏感且极为可靠的振动传感器,来自传感器专家ifm electronic。

“我们监测电机主轴的振动,因此可以在其断裂之前将其及时更换。并且,诊断软件还可显示主轴的状态以及是否需要调整任何过程参数。”Robert Bergkvist说道。

凭借传感器数据,可以实现尽可能高的过程效率,而不会带来致命的机床状态(例如车床凿刀过快加工物料)的风险。

这就是ifm紧凑型VSA振动传感器发挥作用的地方。该传感器通过螺钉牢固安装在主轴头外壳中,并在加工过程中连续检测振动特征。微机械加速度计敏感度非常高,甚至能检测到毫米级尺寸的铣头齿缺失引起的不平衡。根据振动特征的变化量,可以检测并报告钝钻或过多切屑等导致的切削力变化。

可以利用不同的容差限值对刀具进行示教,例如警告和关闭阈值。对于后者,利用“停止主轴前进”命令可以停止旋转刀具主轴,从而将头部从工件移开。这能可靠防止损坏贵重的工件。

碰撞检测

振动监测的另一个功能是碰撞检测。在批量生产中,整个铣削、车削和钻孔过程通常都通过模拟来测试。刀具与工件之间的程序相关碰撞将被可靠检测并在程序中相应考虑。尤其是在制造单个组件中,编程瑕疵可能导致刀具与工件或加工零件之间的碰撞。这种情况下,机床将被尽可能快地停止,从而将对机床和工件造成的损坏降至最低。

主轴监测

振动诊断的另一项保护功能是主轴状态监测。根据参考运行测量滚动轴承元件的振动特征并相应保存为“合格值”。若轴承在复杂的主轴机械系统中发生磨损,则会因振动特征异常而被检测到。若超出了可配置的容差,则会发出错误消息。这可保证实时的状态监测,为操作员提供额外的安全保障。

振动诊断的工作原理

ifm的VSA振动传感器是一种微机械加速度计,可连续检测非旋转机械表面上的振动。

该传感器与相应的VSE评估装置相连。评估装置评估最多4个振动传感器的信号,并将其直接发送至机床控制系统。这确保了简单且稳定的集成。

各刀具的振动和碰撞检测限值可保存在机床控制器中。为了提前确定这些限值,在示教模式下运行编程循环。单独的振动数据将保存在控制器中,并提供可调的容差值。可以针对每次切削设置单独的限值。

在加工过程中,超出容差值将被视为故障,并且根据振动的幅度,将导致错误消息甚至是停止加工过程。

结论

刀具断裂、碰撞或轴承损坏:基于振动诊断的过程监测不能防止它们的发生。然而,通过停止机床,损坏情况不会加剧,并且可以有效防止其他间接的工件和机床损害。实时振动检测甚至可以检测即将发生的问题,并向维护人员发送警告消息。这确保可高效的机床能力利用以及最高的机床保护。