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軸承知識

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軸承的智能制造和智能軸承

發布時間:2020-03-06
何加群
(中國軸承工業協會)
  智能化包括包括制造過程的智能化和產品的智能化二個范疇。對我們軸承行業來說,即包括軸承的智能制造和智能軸承二個范疇。
  智能化是當前政界和產業界的熱門話題。筆者就這一話題談一些個人看法,以期引起業內外人士的討論。
  一、軸承的智能制造
  1.在軸承制造智能化問題上不能妄言,也不能妄為
  不能妄言——不要用了幾臺工業機器人就說實現了智能化,不要用了幾臺功能強大一點的數控機床就說實現了智能化。智能制造有確切的定義,嚴格的界定:
  智能制造是一個不斷向深度與廣度發展的過程,是基于新一代數字與網絡信息技術,貫穿于用戶、設計、工藝、生產、檢測、管理、服務,及上下游企業等制造活動各個環節,具有信息深度自感知,智慧化自決策(多參數人工智能)、精確控制自執行等功能的可控并可遠程控制的具有反饋功能的先進制造過程、系統與模式的總稱。
  不能妄為——智能制造不能一蹴而就,需要經歷傳統制造→數字化制造→網絡化制造→智能化制造的發展。智能制造要“三不”:不要在落后的工藝基礎上搞智能化;不要在落后的管理基礎上搞智能化;不要沒有數字化、網絡化的基礎就搞智能化。
  工信部部長苗圩在一次會議上的報告中指出:“《中國制造2025》包括了對智能制造三個階段的表述,首先是數字化,然后是網絡化,最終達到智能化。應該說,世界范圍內現有的企業和產品達到智能化水平的還很少。智能化的基礎是數字化,首先要把產品、整個生產過程、管理等都要引入數字化,也就是信息化的手段,這是智能制造的基礎。在此基礎上,再把不同的裝備和裝備、裝備和產品、裝備和人之間建立通信的路徑,最終實現網絡化。在數字化和網絡化都已經實現的基礎上,才能談到智能制造。”
  2.智能制造發展的路徑數字化—網絡化—智能化
  ·數字化
  工業數字化的基本原理是把物理系統投射到數字世界進行優化,之后再用于物理系統,即把物理系統(工業與產品)利用虛擬仿真技術轉換成數字模型,在數字世界進行優化設計、優化流程,直至找到最好的解決方案,然后運用到物理系統中去。
  軸承制造的數字化要從以下三方面入手。
  研發設計數字化——
  通過模擬仿真,建立產品數字化模型,實現CAD(計算機輔助設計)/CAE(計算機輔助工程分析)/CAPP(計算機輔助工藝設計)/PDM(產品數據管理)等單項信息技術的應用和集成。
  工廠裝備數字化——
  工廠裝備應用深度融入數字化技術的數控系統、控制器(PLC)、伺服電機、電子標簽(RFLD)等功能部件。
  實現編程、操作、維護和管理的數字化。切削工藝及切削參數的自動優化。
  整機操作自動裝卡、自動對刀、自動切削。
  具有主軸監控和溫度補償、運動部件的位置補償和熱補償、加工件在機精度檢測和補償、刀具(磨具)磨損和破損在機監控和自動修正補償等功能。
  生產過程數字化——
  應用具有人力資源管控、設備運行管控、生產工藝管控、進度計劃管控、生產工單管控、物料供應管控、產品質量管控、工磨具管控和生產可視化等模塊的MES系統(制造執行系統)。
  運用這一系統,能夠實時采集機床信息、掌握設備狀態、進行設備效率分析、成本分析、質量分析、工單計劃、生產趨勢分析,適時控制、調整、預警,并可通過手機終端,訪問車間管理信息。
  ·網絡化
  建立企業資源計劃管理系統(ERP)、產品全生命周期管理系統(PLM)、客戶關系管理系統(CRM)、供應鏈管理系統(SCM)等,并實際運行,由單項信息技術的運用,發展到綜合集成。進而發展到PDM—MES—PLM—ERP的高效協同與綜合集成。
  培育企業互聯互通的生態體系。建立企業中央數據庫,運用云技術、大數據技術,以數據流為核心,人、機器、產品互聯互通,人人互聯、人機互聯、機物互聯、機機互聯,實現企業內部信息流、物流和資金流的集成,企業內部所有環節無縫對接。
  企業組織結構由金字塔式轉變為扁平化矩陣式。業務流程由串聯轉變為并聯,去中間化,去中介化,暢通價值鏈,企業各個環節與用戶和供應商實現信息實時同步、互聯互通,以利于快速響應用戶訂單,整合用戶碎片化需求。
  通過以上整合,實現信息系統縱向、橫向和端對端的集成,形成覆蓋全產業鏈、產品全生命周期的網絡化。
  ·智能化
  在數字化、網絡化的基礎上實現智能化。
  ——基于實體物理世界與虛擬網絡世界融合的信息物理系統(Cyber-Physical System),人(機器人)、智能化設備、產品之間通過有線無線、寬帶、移動、泛在的工業互聯網(物聯網)聯系、鏈接在一起。
  ——貫穿于用戶、設計、工藝、生產、檢測、管理、服務,及上下游企業的制造活動的各個環節、產品全生命周期、全制造流程。
  ——具有信息深度自感知、智慧化自決策、精確控制自執行等功能。
  ——具有在大數據基礎上的實時調整能力,實現高度靈活、柔性化生產和服務,大規模個性化定制。
  3.軸承智能制造技術路線圖
 。1)智能制造是《中國制造2025》的主攻方向
  《中國制造2025》的核心內容為三個“一”——
  一個目標:從制造業大國向制造業強國轉變,最終實現制造業強國目標。
  一條主線:以加快新一代信息技術與制造業深度融合(兩化融合)為主線。
  一個主攻方向:以推進智能制造為主攻方向。
 。2)國家對智能制造的政策支持
  為了推動智能制造的發展,國家工信部和財政部通過組織實施智能制造項目,對智能制造的發展給予政策支持。
  對于我們軸承行業的企業,宜實施“智能制造專項”中的“重點領域智能制造新模式應用項目”,并爭取政策支持。
 。3)實施智能制造的幾個要點
  目標產品
  智能制造應以《中國制造2025》提出的十大重點領域的配套軸承,特別是其中的高端軸承為目標產品。產品應具有知識產權歸屬明確的核心技術,產品技術參數和功能有重大突破,技術指標達到國內領先和國際先進水平。
  十大重點領域是:
  新一代信息技術產業;
  高檔數控機床和機器人;
  航空航天裝備;
  海洋工程裝備及高技術船舶;
  先進軌道交通裝備;
  節能與新能源汽車;
  電力裝備;
  農機裝備;
  新材料;
  生物醫藥和高性能醫療器械。
  聯合體
  要組建聯合體實施智能制造新模式應用。核心智能制造裝備用戶、系統集成商、軟件開發商、核心智能制造裝備供應商等單位按照市場化原則組建成系統的產學研用一體化聯合體,承擔智能制造新模式推廣應用任務。
  核心智能裝備
  提高高智能制造所需“短板裝備”創新應用水平,每個新模式應用項目中至少采用以下五大類中的8種以上核心智能制造裝備的創新應用、核心智能制造裝備包括高檔數控機床與工業機器人、增材制造裝備、智能傳感與控制裝備、智能檢測與裝配裝備、智能物流與倉儲裝備(國家工信部在智能制造項目申報指南中列出了上述五大類68種核心智能制造裝備)。
  二、智能軸承
  1.智能軸承的定義
  由經過改進的軸承本體及相關輔件、鑲嵌在軸承體內或相關輔件內微型傳感器、處理傳輸電路(專用芯片)、采集卡、信號處理與分析軟件和軸承服役狀態調控裝置組成,可實現服役狀態的自感知、自診斷、自適應的軸承系統。
  智能軸承按其功能分為二大類,一大類為初始型智能軸承,具有服役狀態自感知、自診斷功能;另一大類為全功能型軸承,不僅具有服役狀態自感知、自診斷功能,而且具有自調控、自適應功能。
  自感知——通過傳感器檢測軸承服役狀態:旋轉速度、加速度、角度位置,累計旋轉轉數,溫度,振動、噪聲,載荷,工作游隙,潤滑狀況,磨損程度等。
  自診斷——對即將發生的故障診斷、預警,對已經發生的故障診斷、報警,對軸承剩余壽命預測。
  自適應——根據軸承實時服役狀態,通過調控裝置,對軸承工作游隙、預緊力、潤滑等服役狀態進行調控、矯正,以適應主機的運行要求。
  2.智能軸承的關鍵技術
 。1)傳感器技術
  傳感器集成方式由外掛式發展為嵌入式。結構微型化,功能集成化,無線傳輸及低功耗。
 。2)嵌入式測試技術
  運用嵌入式系統將所需的功能嵌入到產品、裝置或大型系統中的計算機系統,使數據采集控制、分析處理功能遷移至傳感器端,提高數據精度,降低數據傳輸量。
 。3)信號傳輸技術
  將測試獲取的數據或信息通過現場總線、有線網絡、無線網絡、專用網絡、互聯網,安全、可靠、穩定、高速率、低功耗地傳輸到服務器、用戶端或云端。
 。4)自組網技術
  基于軸承單元的智能化、無線化,實現信息互通,使得大范圍內多個智能軸承的監測成為可能。
 。5)供能技術
  熱點效應、振動發電等能量捕獲技術,光電耦合、電磁耦合、電磁諧波等無線供能技術,自發電技術等。
 。6)信號處理技術
  研究針對不同工況、不同類型軸承的非線性信號處理方法、特征提取及選擇方法,使采集到的數據經過處理變成有用信息。
 。7)狀態智能評估技術
  研究運行狀態的評估指標、評估方法,建立評估模型,并能基于實時數據對評估模型進行實時修正。做到能對軸承故障,包括早期微弱故障進行遠程、實時、智能的診斷、報警。并可對即將發生的故障進行預警。對剩余壽命進行預測。
 。8)狀態調控技術
  通過與軸承集成的調控裝置,對軸承潤滑、預緊力、工作游隙等服役狀態進行實時調控,矯正服役狀態,適應主機運行的需要。同時,對功能性故障進行自我維修,視情維修。
  3.國內外智能軸承研發情況
  國內——
  ·萬向錢潮、新火炬、人本、重慶長江等企業研發生產的第三代轎車輪轂軸承單元集成了ABS傳感器。
  ·重慶大學:軸承振動加速度、溫度、轉速檢測。
  ·國防科技大學:振動加速度傳感器。
  ·西安交大:軸承內圈溫度、無線供電及無線傳輸傳感器。
  國外——
  ·NTN:伺服電機的速度控制和轉動方向、軸承旋轉角度檢測。
  ·舍弗勒:鐵路貨車軸承溫度、運轉轉數、轉速、噪聲檢測。深溝球軸承轉速及旋轉方向檢測。
  ·NSK:鐵路貨車軸承、電動機軸承、發電機軸承轉速檢測。
  ·SKF:汽車軸承、牽引電機軸承和深溝球軸承轉速、加速度、旋轉方向、角度位置檢測。
  ·鐵姆肯:汽車輪轂軸承轉速檢測。
  4.智能軸承開發技術路線圖
  【參考文獻】
  朱永生.智能軸承技術及其發展趨勢.第五屆中國創新創業(洛陽)軸承產業高峰論壇(2016)
(來源:中國軸承工業協會)

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