文/郭毓，王國強(qiáng)·上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車公司

基于先進(jìn)的壓機(jī)數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，通過壓機(jī)四點(diǎn)噸位的數(shù)據(jù)采集和處理，利用大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與云端服務(wù)器，實(shí)時(shí)監(jiān)控和追溯壓機(jī)生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)的四點(diǎn)噸位、載荷中心位置等信息，并在力學(xué)建?；A(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)了新的功能和應(yīng)用。

新一輪技術(shù)革命的興起和加速在各行業(yè)應(yīng)用，成為推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重要力量。汽車行業(yè)無論是產(chǎn)品還是制造裝備的智能化發(fā)展都已經(jīng)成為必然的趨勢，而5G 與數(shù)字化時(shí)代的到來，也為汽車行業(yè)帶來了更多的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。本文主要結(jié)合國內(nèi)首批應(yīng)用在高速?zèng)_壓線上的IPress 壓機(jī)數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)，重點(diǎn)說明壓機(jī)四點(diǎn)噸位智能分析的解決方案和應(yīng)用價(jià)值。

沖壓線壓機(jī)數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)

隨著工業(yè)數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，我們規(guī)劃沖壓車間及新沖壓線項(xiàng)目時(shí)，引入并應(yīng)用了一套壓機(jī)智能數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)IPress。該系統(tǒng)是國內(nèi)首批在壓機(jī)設(shè)計(jì)初始階段就著重考慮數(shù)字化監(jiān)控的具體應(yīng)用，代表了在沖壓行業(yè)中沖壓線規(guī)劃的一種技術(shù)趨勢，也為今后數(shù)字化工廠/車間的實(shí)現(xiàn)打下良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

IPress 系統(tǒng)(圖1)通過建立全新沖壓線的3D 數(shù)模，達(dá)到物理實(shí)體與虛擬的設(shè)備、傳感器位置對(duì)應(yīng)和孿生數(shù)據(jù)，以數(shù)字三維實(shí)景的方式實(shí)時(shí)展示設(shè)備的工作狀態(tài)以及運(yùn)行情況。同時(shí)，系統(tǒng)共設(shè)置376個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，監(jiān)控各壓機(jī)關(guān)鍵部位的溫度、壓力、噸位、振動(dòng)、電流等物理參數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和工業(yè)云，利用閾值分析、趨勢分析、特征分析等數(shù)據(jù)分析，對(duì)設(shè)備的異常狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警，實(shí)現(xiàn)壓機(jī)維護(hù)的數(shù)字化監(jiān)控及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的追溯。系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，取得了良好的效果和價(jià)值。相信，在今后的新建沖壓線及原有設(shè)備的改造項(xiàng)目中，這類數(shù)字化的應(yīng)用，將越來越受到整車廠的關(guān)注和重視。本文即以該系統(tǒng)中的一個(gè)具有代表性的功能為例，來說明數(shù)字化對(duì)于沖壓設(shè)備的重要作用。

圖1 IPress 系統(tǒng)

壓機(jī)四點(diǎn)噸位智能監(jiān)控方案

作為機(jī)械壓機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)功能，四點(diǎn)噸位的監(jiān)控，最為常見的方式是配置噸位儀(圖2)。如HELM 的PTM 系列產(chǎn)品，這類系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，但在使用過程中，也存在一些局限性和痛點(diǎn)。首先，該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)控制圖表、數(shù)據(jù)和本地存儲(chǔ)功能，但與所生產(chǎn)的各模具缺少對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)性；其次，本地存儲(chǔ)容量有限制，數(shù)據(jù)查詢效率較低，追溯功能一般；最后，系統(tǒng)雖可繪出噸位與位置的曲線圖，但需要接入直線傳感器，且載荷中心點(diǎn)與壓機(jī)偏載允許曲線圖缺少關(guān)聯(lián)。

圖2 噸位儀

因此，為了能更準(zhǔn)確和更方便地監(jiān)控、存儲(chǔ)、查詢、追溯、壓機(jī)四點(diǎn)噸位及中心點(diǎn)位置與偏載，同時(shí)，考慮數(shù)據(jù)的將來使用的拓展性，我們?cè)贗Press 系統(tǒng)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了完全新型的壓力監(jiān)控方案。

技術(shù)路線

技術(shù)路線如圖3 所示。

圖3 技術(shù)路線

理論建模

計(jì)算四點(diǎn)噸位載荷中心點(diǎn)位置，以圖4 為例。

圖4 通過四點(diǎn)噸位載荷中心點(diǎn)位置建立平面直角坐標(biāo)系

(1)建立平面直角坐標(biāo)系，四點(diǎn)噸位LF、LR、RF、RR 分別位于四個(gè)象限中，四點(diǎn)噸位值分別為Fa、Fb、Fc、Fd，設(shè)Fa、Fb、Fc、Fd 的方向?yàn)榇怪碑?dāng)前xy 平面向外，并規(guī)定此方向?yàn)檎较?，則F(x,y)的方向?yàn)榇怪碑?dāng)前xy 平面向內(nèi)。四點(diǎn)噸位載荷合力作用點(diǎn)為F(x,y)，則：在X 方向上的總力矩之和∑Mx=0，在Y 方向上的總力矩之和∑My=0，平面力系內(nèi)：∑F=0。得以下方程組：

求解可得x= Mx/Fw 、y= My/Fw，即為所需的載荷合力中心點(diǎn)的位置值。

(2)判斷偏載狀態(tài)。將對(duì)應(yīng)壓機(jī)的《偏心載荷允許曲線》與坐標(biāo)系結(jié)合，坐標(biāo)系中以原點(diǎn)周圍圍成一個(gè)近似菱形的安全區(qū)域。以此來判斷壓機(jī)的負(fù)載狀態(tài)：正常、超載和偏載。

工作原理

壓力傳感器的信號(hào)發(fā)至壓機(jī)PLC 并轉(zhuǎn)換，通過智能數(shù)采硬件，將該四點(diǎn)噸位的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送至云端服務(wù)器并云存儲(chǔ)，同時(shí)服務(wù)器根據(jù)建模計(jì)算載荷的合力中心點(diǎn)位置，并判斷壓機(jī)是否超載或偏載以及其他數(shù)據(jù)處理。

用戶可通過各類設(shè)備終端與云端服務(wù)器建立網(wǎng)絡(luò)連接，如電腦、工控機(jī)、手機(jī)、pad 等，來獲取四點(diǎn)噸位相關(guān)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)，也可以在終端上對(duì)以上數(shù)值的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行在線追溯、查看、分析。

系統(tǒng)功能與價(jià)值

通過該系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)追溯、成形力數(shù)據(jù)分析。既能針對(duì)相同模具在不同工位(壓機(jī))、不同生產(chǎn)批次下的數(shù)據(jù)分析，也可針對(duì)相同壓機(jī)上不同模具、不同生產(chǎn)批次下的數(shù)據(jù)分析，兼顧了模具和設(shè)備的雙重需求。同時(shí)，系統(tǒng)也支持根據(jù)用戶特定需求來深度定制其他功能。

壓機(jī)四點(diǎn)噸位及總噸位的實(shí)時(shí)跟蹤與追溯

這是一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的基本功能，即實(shí)時(shí)監(jiān)控各臺(tái)壓機(jī)的四點(diǎn)噸位和總噸位，可設(shè)置不同的報(bào)警范圍進(jìn)行監(jiān)控與提醒，如圖5 所示。

圖5 壓機(jī)的四點(diǎn)噸位和總噸位實(shí)時(shí)監(jiān)控

其價(jià)值體現(xiàn)在：

(1)四點(diǎn)噸位曲線圖，可以關(guān)聯(lián)具體生產(chǎn)時(shí)間、模具名稱、批次產(chǎn)量等各種變量，以用于追溯這些變量與四點(diǎn)噸位的關(guān)系，如產(chǎn)品質(zhì)量問題的分析。

(2)統(tǒng)計(jì)模具(零件)在長時(shí)間范圍的實(shí)際成形力，與模具工藝CAE 仿真分析時(shí)的成形力比對(duì)，作為數(shù)據(jù)反饋，有助于更精確的仿真。

壓機(jī)偏載分析

模具與壓機(jī)在生產(chǎn)過程中，在沒有異常變化的情況下，載荷合力中心位置應(yīng)在設(shè)備允許的偏載范圍內(nèi)(安全區(qū)域)(圖6)。如果未在安全范圍內(nèi)系統(tǒng)將報(bào)警，提醒用戶設(shè)備存在偏載、模具內(nèi)出現(xiàn)異常、零件發(fā)生質(zhì)量缺陷等問題。除正常報(bào)警、預(yù)警外，其價(jià)值還體現(xiàn)在當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，可以事后通過系統(tǒng)進(jìn)行追溯，通過數(shù)據(jù)分析出某些問題的直接原因。

圖6 載荷合力中心位置應(yīng)在設(shè)備允許的安全區(qū)域內(nèi)

載荷合力中心位置的趨勢分析與分布

除了對(duì)壓機(jī)偏載狀態(tài)監(jiān)控外，還可以對(duì)中心位置的趨勢進(jìn)行分析。對(duì)于同一模具，載荷合力中心位置在正常生產(chǎn)的過程中應(yīng)該集中在同一區(qū)域。隨著設(shè)備使用時(shí)間的增加，模具沖次數(shù)量的增加，模具與設(shè)備均存在不同程度的磨損與老化，那么，該中心的位置就有可能會(huì)發(fā)生偏移。因此，隨著數(shù)據(jù)積累，用戶可以在系統(tǒng)上檢索任一模具生產(chǎn)時(shí)的中心位置的變化，用來分析和預(yù)警。系統(tǒng)支持點(diǎn)狀云圖和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分布兩種維度的處理，如圖7 所示。

圖7 點(diǎn)狀云圖(上)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分布(下)

載荷合力中心位置的熱力云圖

與當(dāng)前應(yīng)用的四點(diǎn)噸位監(jiān)控系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)還具備創(chuàng)新性的應(yīng)用：熱力點(diǎn)云圖。受地圖熱力云圖的啟發(fā)，將同一壓機(jī)不同模具生產(chǎn)時(shí)的載荷合力中心位置，通過不同顏色的熱力云圖形式直觀展示出來(圖8)。載荷合力中心位置的趨勢，客觀反映了設(shè)備的使用狀態(tài)。隨著數(shù)據(jù)的長期積累，熱力圖的準(zhǔn)確性提高。我們用戶可以有針對(duì)性的預(yù)警壓機(jī)精度，調(diào)整模具工藝參數(shù)，以及調(diào)整模具在沖壓線的分布情況。這也是數(shù)字化技術(shù)所具有的優(yōu)勢。

圖8 熱力點(diǎn)云圖

結(jié)束語

隨著技術(shù)和產(chǎn)業(yè)變革的加速演進(jìn)，數(shù)字化轉(zhuǎn)型已是大勢所趨。作為汽車行業(yè)，生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)字化需進(jìn)一步加快，跟上汽車產(chǎn)品的數(shù)字化和智能化的節(jié)奏。本文通過壓機(jī)數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)中的四點(diǎn)噸位分析功能的開發(fā)和應(yīng)用，說明了數(shù)字化系統(tǒng)平臺(tái)的優(yōu)勢和功能的可擴(kuò)展性，這是以往設(shè)備自身系統(tǒng)所不具備和達(dá)不到的狀態(tài)，這些對(duì)壓機(jī)、模具、零件都具有重要的意義。