壓機數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)及其四點噸位分析功能的開發(fā)與應用

文/郭毓，王國強·上海汽車集團股份有限公司乘用車公司

基于先進的壓機數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)平臺，通過壓機四點噸位的數(shù)據(jù)采集和處理，利用大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與云端服務器，實時監(jiān)控和追溯壓機生產(chǎn)運行時的四點噸位、載荷中心位置等信息，并在力學建模基礎上，進一步開發(fā)了新的功能和應用。

新一輪技術革命的興起和加速在各行業(yè)應用，成為推動產(chǎn)業(yè)升級的重要力量。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)字化時代的到來，也為汽車行業(yè)帶來了更多的機遇與挑戰(zhàn)。本文主要結合國內首批應用在高速沖壓線上的IPress 壓機數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)，重點說明壓機四點噸位智能分析的解決方案和應用價值。

沖壓線壓機數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)

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

IPress 系統(tǒng)(圖1)通過建立全新沖壓線的3D 數(shù)模，達到物理實體與虛擬的設備、傳感器位置對應和孿生數(shù)據(jù)，以數(shù)字三維實景的方式實時展示設備的工作狀態(tài)以及運行情況。同時，系統(tǒng)共設置376個監(jiān)控點，監(jiān)控各壓機關鍵部位的溫度、壓力、噸位、振動、電流等物理參數(shù)，進行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)大數(shù)據(jù)存儲和工業(yè)云，利用閾值分析、趨勢分析、特征分析等數(shù)據(jù)分析，對設備的異常狀態(tài)進行預警，實現(xiàn)壓機維護的數(shù)字化監(jiān)控及監(jiān)控數(shù)據(jù)的追溯。系統(tǒng)在實際應用中，取得了良好的效果和價值。相信，在今后的新建沖壓線及原有設備的改造項目中，這類數(shù)字化的應用，將越來越受到整車廠的關注和重視。本文即以該系統(tǒng)中的一個具有代表性的功能為例，來說明數(shù)字化對于沖壓設備的重要作用。

圖1 IPress 系統(tǒng)

壓機四點噸位智能監(jiān)控方案

作為機械壓機的標準功能，四點噸位的監(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)應用廣泛，但在使用過程中，也存在一些局限性和痛點。首先，該系統(tǒng)具有實時產(chǎn)生統(tǒng)計控制圖表、數(shù)據(jù)和本地存儲功能，但與所生產(chǎn)的各模具缺少對應關聯(lián)性；其次，本地存儲容量有限制，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，且載荷中心點與壓機偏載允許曲線圖缺少關聯(lián)。

圖2 噸位儀

因此，為了能更準確和更方便地監(jiān)控、存儲、查詢、追溯、壓機四點噸位及中心點位置與偏載，同時，考慮數(shù)據(jù)的將來使用的拓展性，我們在IPress 系統(tǒng)平臺的基礎上，開發(fā)了完全新型的壓力監(jiān)控方案。

技術路線

技術路線如圖3 所示。

圖3 技術路線

理論建模

計算四點噸位載荷中心點位置，以圖4 為例。

圖4 通過四點噸位載荷中心點位置建立平面直角坐標系

(1)建立平面直角坐標系，四點噸位LF、LR、RF、RR 分別位于四個象限中，四點噸位值分別為Fa、Fb、Fc、Fd，設Fa、Fb、Fc、Fd 的方向為垂直當前xy 平面向外，并規(guī)定此方向為正方向，則F(x,y)的方向為垂直當前xy 平面向內。四點噸位載荷合力作用點為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：∑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的位置值。

(2)判斷偏載狀態(tài)。將對應壓機的《偏心載荷允許曲線》與坐標系結合，坐標系中以原點周圍圍成一個近似菱形的安全區(qū)域。以此來判斷壓機的負載狀態(tài)：正常、超載和偏載。

工作原理

壓力傳感器的信號發(fā)至壓機PLC 并轉換，通過智能數(shù)采硬件，將該四點噸位的實時數(shù)據(jù)發(fā)送至云端服務器并云存儲，同時服務器根據(jù)建模計算載荷的合力中心點位置，并判斷壓機是否超載或偏載以及其他數(shù)據(jù)處理。

用戶可通過各類設備終端與云端服務器建立網(wǎng)絡連接，如電腦、工控機、手機、pad 等，來獲取四點噸位相關的實時數(shù)據(jù)，同時，也可以在終端上對以上數(shù)值的歷史數(shù)據(jù)進行在線追溯、查看、分析。

系統(tǒng)功能與價值

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

壓機四點噸位及總噸位的實時跟蹤與追溯

這是一項標準的基本功能，即實時監(jiān)控各臺壓機的四點噸位和總噸位，可設置不同的報警范圍進行監(jiān)控與提醒，如圖5 所示。

圖5 壓機的四點噸位和總噸位實時監(jiān)控

其價值體現(xiàn)在：

(1)四點噸位曲線圖，可以關聯(lián)具體生產(chǎn)時間、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噸位的關系，如產(chǎn)品質量問題的分析。

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

壓機偏載分析

模具與壓機在生產(chǎn)過程中，在沒有異常變化的情況下，載荷合力中心位置應在設備允許的偏載范圍內(安全區(qū)域)(圖6)。如果未在安全范圍內系統(tǒng)將報警，提醒用戶設備存在偏載、模具內出現(xiàn)異常、零件發(fā)生質量缺陷等問題。除正常報警、預警外，其價值還體現(xiàn)在當出現(xiàn)異常時，可以事后通過系統(tǒng)進行追溯，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在設備允許的安全區(qū)域內

載荷合力中心位置的趨勢分析與分布

除了對壓機偏載狀態(tài)監(jiān)控外，還可以對中心位置的趨勢進行分析。對于同一模具，載荷合力中心位置在正常生產(chǎn)的過程中應該集中在同一區(qū)域。隨著設備使用時間的增加，模具沖次數(shù)量的增加，模具與設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)時的中心位置的變化，用來分析和預警。系統(tǒng)支持點狀云圖和統(tǒng)計數(shù)據(jù)分布兩種維度的處理，如圖7 所示。

圖7 點狀云圖(上)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)分布(下)

載荷合力中心位置的熱力云圖

與當前應用的四點噸位監(jiān)控系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)還具備創(chuàng)新性的應用：熱力點云圖。受地圖熱力云圖的啟發(fā)，將同一壓機不同模具生產(chǎn)時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，客觀反映了設備的使用狀態(tài)。隨著數(shù)據(jù)的長期積累，熱力圖的準確性提高。我們用戶可以有針對性的預警壓機精度，調整模具工藝參數(shù)，以及調整模具在沖壓線的分布情況。這也是數(shù)字化技術所具有的優(yōu)勢。

圖8 熱力點云圖

結束語

隨著技術和產(chǎn)業(yè)變革的加速演進，數(shù)字化轉型已是大勢所趨。作為汽車行業(yè)，生產(chǎn)設備的數(shù)字化需進一步加快，跟上汽車產(chǎn)品的數(shù)字化和智能化的節(jié)奏。本文通過壓機數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)中的四點噸位分析功能的開發(fā)和應用，說明了數(shù)字化系統(tǒng)平臺的優(yōu)勢和功能的可擴展性，這是以往設備自身系統(tǒng)所不具備和達不到的狀態(tài)，這些對壓機、模具、零件都具有重要的意義。