Monitoring i diagnostyka drgań autostradą do sukcesu branży automotive

Pękanie narzędzi, awarie przyrządów, kolizja elementów czy uszkodzenia łożysk. To tylko niektóre codzienne problemy w parkach maszynowych fabryk przemysłu motoryzacyjnego. Jednak branża automotive, dzięki wykorzystywaniu nowoczesnej technologii smart factory w postaci monitoringu i diagnostyki drgań, może się przed tego typu usterkami skutecznie chronić.

Unikalne dotychczas rozwiązania Industry 4.0. zyskują w Polsce coraz większą popularność, a inspiracją do ich implementacji są inne europejskie zakłady produkcyjne. Monitorowanie procesu produkcyjnego oparte na diagnostyce drgań może zapobiec wielu komplikacjom. Wykrycie błędów w tym zakresie chroni przed uszkodzeniami, zarówno przedmiotu obrabianego, jak i samej maszyny. Diagnostyka permanentnych wibracji wykrywa bowiem nawet nieuchronne problemy i za pomocą komunikatu ostrzegawczego powiadamia pracowników odpowiedzialnych za konserwacje. Tego typu rozwiązania czwartej rewolucji przemysłowej zapewniają efektywne wykorzystanie wydajności maszyn i maksymalną ochronę całego parku fabrycznego.

Systemowa technologia

W praktyce takie zastosowania z sukcesem stosowane są już w zachodnich przedsiębiorstwach. W Skandynawii korzysta z nich między innymi szwedzki producent pojazdów Scania - jeden z największych na świecie producentów pojazdów użytkowych, komunikacji miejskiej oraz silników okrętowych i przemysłowych. Fabryka w Sztokholmie produkuje między innymi mocne silniki do ciężarówek i autobusów. Czujniki z gamy smart factory monitorują zautomatyzowaną produkcję, a monitorowanie drgań chroni wszystkie elementy.

– Aby mieć przegląd naszych linii produkcyjnych, używamy na przykład czujników przepływu i poziomu, a także zwykłych czujników indukcyjnych. Co więcej, dane z czujników mają dla nas bardzo dużą wartość. Pomagają nam, gdy podejmujemy wszelkiego rodzaju decyzje dotyczące opcji utrzymania. Dane są również bardzo przydatne do optymalizacji procesów – mówi Robert Bergkvist, inżynier automatyk ds. IT i automatyzacji w firmie Scania.

 Inżynierowie dodają, że technologia systemu czujników zapobiega nieplanowanym przestojom w produkcji oraz stale monitoruje stan maszyn i instalacji. W przypadku przekroczenia jakichkolwiek wartości granicznych pracownicy otrzymają automatyczny komunikat. W sytuacjach krytycznych maszyna zostanie nawet automatycznie zatrzymana i wyłączona, aby uniknąć uszkodzeń. 

Sieciowa diagnostyka 

Scania w szwedzkiej fabryce używa niezliczonych obrabiarek. Poszczególne etapy procesu produkcyjnego są tam w pełni zautomatyzowane i realizowane na sterowanych komputerowo tokarkach i frezarkach. Aby spełnić wysokie standardy jakości produkowanych głowic, cylindrów czy wałów silników, obrabiarki muszą gwarantować bezbłędną i bezproblemową obróbkę detali. 

Specjaliści wskazują, że wysoka prędkość obróbki i duże siły procesowe wymagają szybko reagujących systemów diagnostycznych, które natychmiast wykryją najdrobniejsze pęknięcia, uszkodzenia, kolizje lub awarie w procesie obróbki. To spowoduje wstrzymanie pracy maszyny. Strategia diagnostyki wibracyjnej okazuje się być idealnym rozwiązaniem ograniczającym uszkodzenia do minimum. 

– Monitoring drgań jest kluczowy w automatyce przemysłowej, gdzie narzędzia poddawane są nieustannie ekstremalnym obciążeniom mechanicznym. Nawet pojedyncza drobna usterka może przełożyć się na poważne konsekwencje i dłuższy przestój produkcji. W rzeczywistości smart factory podzespoły komunikują się ze sobą automatycznie za pomocą cyfrowej technologii. Same zgłaszają potrzebę naprawy, sygnalizują konieczność konserwacji elementów czy wyczyszczenia ich. Efektem jest sprawna praca fabryki, ale co najważniejsze, gwarantowane są duże oszczędności i większe zyski – wylicza Krzysztof Smaga, Inżynier ds. Aplikacji / Branża motoryzacyjna z ifm electronic, firmy specjalizującej się w dostarczaniu innowacyjnych rozwiązań dla automatyki przemysłowej w tym dla branży automotive.

Wibrujący alarm

Centralnym elementem tego systemu w Scanii, która korzysta właśnie z rozwiązań dostarczanych przez ifm electronic, jest czuły i niezawodny czujnik drgań. Skandynawski producent wyposaża swoje obrabiarki w system automatycznego wykrywania usterek. Dzięki danym z czujników wydajność procesu można zwiększyć do maksimum, bez ryzyka wystąpienia krytycznych warunków maszyny, na przykład w postaci zbyt szybkiego wbijania dłuta tokarki w komponent. 

– Monitorujemy drgania elementów silnika zanim się zepsują, aby móc je w porę wymienić. Co więcej, oprogramowanie diagnostyczne obrazuje nam ich stan. System komunikuje nam też, czy musimy na bieżąco dostosować i zmieniać jakieś parametry procesu – tłumaczy Robert Bergkvist. Dodatkowo do danego narzędzia można indywidualnie przypisać granice tolerancji, jak progi ostrzegawcze czy bariery wyłączenia. Wyjęcie głowicy z obrabianego przedmiotu zapobiegnie uszkodzeniu drogiego elementu. 

Używany przez Scanię kompaktowy czujnik drgań VSA firmy ifm electronic, instalowany w otwór w obudowie głowicy silnika, stale wykrywa charakterystykę drgań podczas procesu obróbki. Profesjonaliści przekonują, że akcelerometr mikromechaniczny jest tak czuły, że wykryje nawet najmniejsze niewyważenie spowodowane brakiem zęba na głowicy frezarskiej, która sama ma rozmiar zaledwie milimetra. Zmiany sił skrawania, spowodowane na przykład tępym wiertłem lub zbyt dużą ilością opiłków, będą wykrywane i raportowane, bo w procesie zmieni się charakterystyka drgań. 

Bezkolizyjna praca 

W produkcji seryjnej dla przemysłu motoryzacyjnego cały proces frezowania, toczenia i wiercenia jest zwykle testowany za pomocą symulacji. Zwłaszcza podczas wytwarzania poszczególnych komponentów, błędy programowania mogą prowadzić do kolizji między narzędziem i częścią lub maszyną. Dlatego istotną funkcją monitorowania drgań jest wykrywanie potencjalnych kolizji. Ochronna diagnostyka wibracyjna monitoruje stan i zapisuje odpowiednie wartości. 

– W fabrykach wyposażonych w system smart factory osoby zarządzające podejmują bezbłędne decyzje w oparciu o zawsze aktualne dane zbierane przez inteligentne technologie w czasie rzeczywistym. Bieżące wskaźniki pozwalają na tworzenie kompletnych raportów, maksymalnie elastycznie dopasowując krótkoterminowe plany działań do długofalowych strategii. Zaawansowane algorytmy mogą tworzyć plany produkcyjne przy optymalnym doborze dostępnych zasobów. To jest fundament funkcjonowania każdej współczesnej fabryki korzystającej z udogodnień automatyki przemysłowej. Zwłaszcza w dobie dynamicznych zmian rynkowych w czasach pandemii koronawirusa – podsumowuje Krzysztof Smaga.

Jeśli w procesie produkcji pojawią się odstępstwa od wskaźników referencyjnych, to odpowiednio skonfigurowany program wyświetli komunikat o błędzie. Gwarantuje to stałe monitorowanie stanu, zapewniając operatorom w parku maszyn dodatkowe bezpieczeństwo. Jednostka oceniająca analizuje sygnały z kilku czujników drgań i przesyła je bezpośrednio do układu sterowania maszyny. Zapewnia to łatwą i stabilną integrację. Wartości graniczne wykrywania drgań i kolizji można zapisać w sterowniku maszyny dla każdego narzędzia i cięcia osobno. Oddzielnie dane dotyczące wibracji zostaną zapisane w kontrolerze i będą dostarczane z regulowanymi wartościami tolerancji. Ich przekroczenie w trakcie procesu obróbki będzie interpretowane przez sztuczną inteligencję jako błąd i w zależności od amplitudy drgań przełoży się na komunikat ostrzegawczy lub zastopowanie procesu obróbki.