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CNC技术的进步前所未有

作者:Mark T. Hoske2013.09.01阅读 4410

        CNC解决方案正在打破“跟风”的窘境。与高度可定制化的附件不同,CNC解决方案的核心非常标准化。机床设计案例将高效的无误差加工过程与集成自动化整合在一起,为不断扩张的汽车制造业提供支撑。CNC产品的发展包括CNC特性和功能,还有商业计算技术的进步,例如更强大的计算能力和诊断功能、先进的通讯功能以及更大的触摸屏,包括平板电脑。CNC致力于在更广阔的市场中提供更加精确的服务并实现更低的成本。CNC技术服务能够最大化开机时间、提升利润以及降低维护成本。


多核优化平台(例如Beckhoff 公司的TwinCAT3)能够在多核处理器中为不同核心分配不同的任务。图示为Beckhoff TwinCAT CNC 软件。图片来源:Beckhoff Automation

        对于CNC技术,供应商的解决方案异曲同工,从图形面板控制器到提供可以想到的各种标准功能的软件。大多数CNC设备的专用控制器都有一些独到的功能控制工程网版权所有,也正是因为如此,其应用领域也有相应的限制。
        集中控制的CNC系统
        如果CNC系统仅仅作为集成的标准自动化平台的一部分,那么就可以针对特定的应用增加更多功能。使用“一体化”的自动化系统满足CNC和所有其他设备的自动化需求,这样更容易增加其他设备组件,例如进料/出料、传送系统和换刀装置等等。
        最具竞争力的CNC系统也不过是整个自动化架构的一部分而已。这种自动化方法将核心元素——控制器、软件和网络,融入到一个共同的平台之下。多种技术在这一融合中发挥了作用。例如,基于PC的控制器可以选择多核处理器技术,不仅足以应付CNC功能的管理能力,还能够在一台硬件控制器上实现大多数的功能。相对的,CNC设备使用的传统设备在内存空间和处理器能力上越发显得捉襟见肘。
        对于基于PC的控制来说,这种能力的局限几乎不存在,运行复杂CNC应用程序非常轻松,还有足够的容量用来运行PLC的功能、其他形式的多轴运动控制功能和其他功能。对于软件,多核控制器能够在多个处理器内核上分配不同的任务,例如CNC程序运行在内核0上,而PLC项目运行在内核1上,HMI程序运行在内核2上,以此类推。对于很多应用来说,CNC已经能够将机器人作业和HMI系统整合在一个PC控制器上。
        CNC技术进步的动力来自于现场CNC应用需求的不断变化,以及供应商需要针对每一个需求提供自定义的解决方案。CNC供应商只需要提供核心的标准CNC功能,同时提供高度定制的附件,即可为企业提供差异化服务。
        小型磨削中心提供巨大产能
        在EMAG VLC 100G立式磨削中心的开发过程中,磨削专家们确保设备设计能够提供有效的、无误差的加工过程,小型零部件生产的集成自动化技术能够对正在扩张中的汽车制造业起到帮助。今年,全球的汽车生产厂商都实现了销售额的提升,特别是在美国、中国、印度和俄罗斯。汽车产量的快速提升对生产带来了挑战,例如二级供应商需要提升产能水平、过程安全性和零部件质量。即使那些具有复杂外形的最小的零部件也必须在生产中提升精度水平,采用具有先进CNC功能的设备能够起到帮助。


EMAG 公司的VLC 100G 立式磨削机有三个轴(X、Z、C)。设备使用位于其上部的拾取轴自行填料。图片来源:EMAG

        对于像齿轮、行星齿轮、链式齿轮和车用法兰组件之类的零部件来说,由于这些零部件的生产数量都是以百万计,因此较短的生产周期是必须的。
        设备使用板载拾取系统自行填料。在加工一个工件的同时,操作人员或者自动化系统会将原材料放置到传送带上,这能够缩短生产中断时间,增加产量。立式加工的概念能够保证磨削边角料落到设备底部,不会影响设备运转,然后被统一运出设备。
        测量过程也能够与设备集成在一起,使质量控制成为整个过程的一个不可分割的部分。传感器位于加工区域和拾取区域之间,不会被脏污影响。设备配有两个磨削轴,用来完成不同的磨削作业,或者用来完成粗磨和精磨作业。
        “软件的进步令编程过程简单且直观,节省了宝贵的配置时间。对于很多生产环境来说,这一优势举足轻重。”德国EMAG Salach Maschinenfabrik公司的常务董事Guido Hegener说道。
        CNC的新特性和功能
        在商业计算技术中,CNC的特性和功能相辅相成,例如在更大的触摸屏上实现更强大的计算能力。根据Fanuc FA北美工厂和Siemens公司的产品信息来看,CNC能够在更加广阔的市场范畴内以更为低廉的成本实现更高的精度和速度。
        最新一代CNC产品的通用指令执行速度比上一代产品快2.5倍——高速模块每1ms就可以执行一条指令。使用一套选装配件可以通过网络和平板型设备对CNC实施无线监控。CNC作为一台Web服务器,在适当的权限和安全性能范围,维护或者生产人员可以在作业现场使用一台设备对所有CNC设备进行监控。


Fanuc 公司的30i/31i/32i-Model B 型CNC提供了针对电机和风扇的预发性和预防性维护工具。图片来源:Fanuc FA 北美

        配有触摸屏面板的19寸工业PC能够为生产加工提供快速、可靠、安全的界面和控制。彩色LCD显示器、固态驱动器、微软Windows嵌入式系统都可以锁定操作系统,从而提高操作系统的可靠性,相比于桌面操作系统,其对病毒的防护能力也更强。有了更大的触摸屏面板,操作员就可以使用更大的操作区域进行零部件编程的3D建模,并且对CNC作业进行显示。
        通用功能的运动控制器能够缩短生产周期时间,其高速响应功能足以支持轴的快速启动/停止以及高速的执行循环。
        电机和风扇的预发性维护工具和预防性维护工具能够帮助维护专员针对有限的停机时间提前做好作业计划,而不是等待设备发生故障停机后再进行维修。放大器能够对绕组的电阻进行核查。伺服电机故障的最大成因就是冷却液渗透到电机中,冷却液会对电机绕组造成不良影响,最终导致短路发生。通过对电阻进行测量,可以预测电机将在何时发生故障,维护人员就可以在计划的停机时间内对电机进行更换,而不是等待这台电机发生故障。放大器和CNC对风扇速度进行监控能够防止故障的发生,CNC和放大器故障的最大诱因就是发热。
        对于加工车间现场,CNC应用主要针对入门级的铣削和车削设备,这是一个竞争激烈的高容量230V三相经济型机床设备市场。通过与驱动器和电机集成在一起,这种设备能够在车削和铣削应用中,为原始设备制造商(OEM)、机床厂和供应商伙伴在现场进行的设备改造作业时提供3个加工轴和主轴控制能力。模块化设计允许用户针对设备模型进行自定义或者直接使用。设备控制面板通过USB接口实现连接,即插即用。板载计算机允许创建复杂的程序,无需CAD/CAM系统就可以在CNC中进行更改。


Fanuc 公司为30i/31i/32i-Model B 型CNC 提供了一个新的选项,可以通过平板输入设备远程实施监控。

        加工车间的中端产品是CNC、PLC、操作员面板和5轴轴控的组合,还包括灵活加工功能。老一代CNC的风扇、硬盘和电池已经不再使用。新一代8.4英寸的彩色显示器确保了可读性,并实现了简单的QWERTY键盘。


Siemens 公司的Sinumerik 19 寸操作员面板能够帮助实现先进的机床应用。图片来源:Siemens

        现代PC和移动电话技术已经被应用在中端机床上,通过文本信息(SMS)监控生产状态。机床能够传输工件加工状态信息,报告当前刀具的状态,可以在任何时间和任何地点将设备维护报表发送至移动电话,帮助最小化停机时间。


Siemens 公司的Sinumerik 808D CNC 可以用于入门级铣削和车削设备。

        高端铣削、车削、磨削、激光切割和其他类型的机床配有另外一块操作员面板,便于实现流畅的GUI设计。触摸屏作业方式确保19寸的大屏幕能够实现高速的触碰作业。玻璃前面板能够达到IP66外壳防护等级,即使带着手套识别率也不错。
        有效的维护能够降低CNC生命周期成本
        机械故障是不可避免的,所以确保金属切割设备在生产和工作过程中保持良好的状态,对于最终用户获得最大设备运行时间和效率是很重要的。当磨床、机床或者其他任何CNC设备在生产过程中发生故障时,都会为最终用户带来巨大的成本和问题。收入损失和人工成本的增加控制工程网版权所有,加上要达到关键绩效指标的压力,会加剧生产车间的压力。


在一个合作的客户服务模式下,高级工程师能够对CNC 问题的解决过程进行指导。图片来源:Mitsubishi ElectricAutomation

        维修故障的机械和设备,然后重新进入生产,这是最为首要的问题。这一点尤为重要,特别是当最终用户感到忧虑或者深切地意识到CNC供应商所提供的服务、维护和维修活动的质量时。
        基础的任务要包括:CNC培训课程、产品维护和支持合同、产品提升、电话技术支持、在线支持、零部件供应、维修和现场支持。同样重要的是控制工程网版权所有,最终用户应该明确CNC供应商的设备生命周期支持政策是什么样的——从现在开始的2年、5年还是20年。
        当最终用户的CNC设备发生故障时,可以使用一些基本的准则来判断从控制设备生产厂商获得的服务和技术支持的质量。
        电话在线支持
        生产厂商回复电话的速度够快么?大多数CNC生产厂商的技术支持和服务电话中心的电话响应速度一般是几分钟或者更短。如果电话的响应时间通常都超过2分钟,那么对于大多数标准电话中心的评判标准来说,这种电话支持的服务质量就有待商榷了。
        控制供应商会为电话中心配备经过工厂培训的服务工程师,以应对复杂的服务问题;否则电话技术支持不会令来电者感到满意。为了方便通过电话支持的方式解决设备故障,通常会采用用户定制的CNC诊断程序和仿真器,技术支持工程师可以重现类似的问题,然后决定需要作何改变。
        零部件更换、维修和现场服务的周转时间
        一旦问题已经明确,控制供应商要花多少时间进行零部件更换并完成维修订单?CNC生产厂商会为零部件更换、维修和现场服务指定一套方法和周转时间目标,大多数情况下,除非突发情况出现,CNC供应商应该在一天内完成零部件调配。
        对于需要现场作业的维修任务,响应时间应该是24小时,便于服务工程师抵达现场。客户也可能会希望付费获得一些支持服务,例如紧急状况响应和送货上门服务。
        归根结底,机械和设备应该在3天之内重新投入作业,这一时间并未考虑那些罕见故障和会导致响应时间变化的其他问题。CNC生产厂商必须能够满足服务时间和响应时间的目标。
        打破服务的思维定式
        CNC生产厂商是否能够提供一种“前瞻性的方法”来解决问题?例如预防性维护就能够解决一些常见的维修问题。
        很多时候控制工程网版权所有,同样的设备故障会在最终用户现场反复出现,而并未仔细思考寻求问题发生的根源。对问题调查的结果通常直指缺乏维护和保养。例如,最终用户的问题可能实际上在于伺服器件,需要更换放大器,而他们可能认为只需要更换几个损坏的齿轮就能够解决问题了。亦或者最终用户对电气机柜中的散热器或者制冷系统缺乏清洗,随着热量的积聚,电气设备发生故障就只是一个时间的问题了(这种情况经常出现。)
        另一个常见问题发生在当用户在假期或者改造期间关闭工厂时,当两个星期之后系统被重启,用户发现所有的控制存储器都不见了或者数据混乱了,这仅仅是因为在关闭设备之前没有对电池电压进行检查而已。虽然备份控制数据和参数很有必要,但是机床制造商仅仅会提供原始控制参数,如果数据丢失,可以联系CNC供应商,看看其服务器上是否备份有库文件。或者控制工程网版权所有,可以实时备份控制参数和数据。
        最后,CNC供应商是否建议或者提供零部件的备份?很多CNC系统在发生问题时都有一些通用的零部件和组件在手头以备更换,这样能够节省问题的响应时间和维修时间。CNC供应商应该对这些能够简化未来维护的方法进行解释。
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