חלון למפעל החכם | מאמרים מקצועיים

עיבוד שבבים הוא תהליך ייצור נפוץ בתעשיית המתכת.

מרכזי עיבוד משוכללים מאפשרים לבצע עיבוד בחמישה צירים ויותר כדי לעבד משטחים בעלי צורה מורכבת או כאלה העשויים מחומרים שונים, בקצב עיבוד גבוה ובדיוק רב.

המכונות מקושרות ומופעלות באמצעות תוכנות תיב"מ הכוללות תהליכי תכן וסימולציה של תהליך הייצור, ובהמשך משדרות פקודות לעיבוד המוצר ישירות למכונה. כחלק מהמרכיבים של תעשייה 4.0 מכונות העיבוד מצוידות בחיישנים מסוגים שונים המאפשרים ניטור ובקרה של תהליך העיבוד.

דוגמאות לנתונים הנמדדים ונאספים במערכות המידע הם מהירות הסיבוב, עומק השיבוב, הקידמה, הספק המכונה, כוחות השיבוב, תדירות ואמפליטודות הרעידות המתפתחות בזמן תהליך העיבוד, הטמפרטורות ועוד.

הנתונים נשמרים, מנותחים, ומאפשרים מעקב אחר ביצועי המכונה והתרעה כאשר הביצועים חורגים מערכים רצויים. התרעה כזו עשויה להצריך פעולה כמו החלפת כלי עיבוד שנשחק, טיפול בסרגלי ההנעה של המכונה, שינוי בתנאי העיבוד ועוד.

במסגרת תוכנית EUREKA נעשה מחקר משותף בין החברה הגרמנית A-Form AG ומכון המחקר Fraunhofer IWU מקמניץ בגרמניה, ובין החברה הישראלית לייצור מערכות דפינה מדויקות הנרי עזריה פ.א.ל מפתח תקווה והמחלקה להנדסת מכונות באקדמית להנדסה בראודה. במסגרת המחקר פותחה מערכת חכמה לדפינת חלקים קטנים בגדלים של מילימטרים ספורים שעוברים תהליכי עיבוד בדיוק של מיקרונים בודדים.

איור 1 a – תפסנית פנאומטית עם שלוש לחיים שעליהן מודבקים מדי מעוות למדידת כוחות הדפינה. b – תיאור כללי של מכונת עיבוד שבבי שעליה מותקנים שולחן מסתובב עם התפסנית, ומערכת ראיית מכונה לאיתור מיקום החלק המעובד.

למחקר ולפיתוח המערכת היו שתי מטרות, האחת לאפשר מדידת מקומו של החלק המעובד במצב התחלתי ובמקרה של הוצאתו מהתפסנית,

להבטיח חזרתו בצורה אוטומטית ומבוקרת למצב ההתחלתי. המטרה השנייה היא לנטר ולבקר את כוחות הדפינה של החלק. באיור 1 מתוארת מערכת הניסוי.

בתהליכי עיבוד מדויקים קיימת לעיתים דרישה להוציא את החלק לצורך המשך העיבוד או לשם ביצוע בדיקות ודפינתו מחדש להמשך עיבוד.

החזרת החלק למכונת העיבוד דורשת כיוון מחדש של מיקום החלק במכונה. תהליך הדפינה והכיוון מחדש גוזל זמן יקר ואם נעשה בצורה לא מספיק מדויקת עלול לגרום לעיבוד שלא על פי הדרישה וכתוצאה מכך לפסילה של החלק.

שימוש בטכנולוגיות של עיבוד תמונה מאפשר לאתר בצורה מדויקת שלושה סימונים על פני העובד המגדירים את מקומו של החלק ואת האוריינטציה שלו.

לאחר הוצאתו של החלק ודפינתו מחדש בתפסנית, מערכת עיבוד התמונה מאתרת את המקום החדש ומאפשרת חישוב של סטיית החלק מהמקום המקורי.

סטייה זו מוזנת למערכת הבקרה של מכונת העיבוד שמפעילה את הזזת החלק בחזרה למקומו בכיווני X ו־Y, כמוצג באיור 2.

השלמת השינוי הנדרש באוריינטציה של החלק, מבוצעת בעזרת השולחן המסתובב המורכב על שולחן המכונה ועליו התפסנית.

איור 2 – איתור הסימונים שעל העובד בעזרת מערכת ראייה ממוחשבת, במצב הדפינה המקורי ואחרי שהחלק נדפן מחדש בתפסנית ותיקון הסטייה הנדרש.

נתונים נוספים שאינם מנוטרים ומבוקרים במערכות העיבוד בדרך כלל הם כוחות הדפינה של החלק.

כוחות הדפינה צריכים להיות תואמים לכוחות העיבוד, כך שהחלק יהיה אחוז ולא יוכל להחליק בתוך התפסנית.

עם זאת כוחות השיבוב משתנים, כאשר בתחילת תהליך העיבוד מסירים כמות גדולה של חומר מהעובד ויש צורך בכוחות דפינה גדולים.

בהמשך מסירים כמות קטנה של חומר עד שלב הליטוש, שבו הכוחות הנדרשים לדפינת החלק קטנים באופן ניכר.

לאפשרות ההתאמה של כוחות הדפינה לתהליך העיבוד חשיבות רבה, הן מבחינת הקטנת העיוות של החלק והן בהקטנת המאמצים השיוריים המתפתחים בחלק.

יתרון נוסף הוא האפשרות לשמור על רצף של תהליך העיבוד מבלי לעצור ולכוון את כוח הדפינה מחדש בכל פעם שתנאי העיבוד משתנים.

במקרים רבים מערכות הדפינה מבוססות על מערכות פנאומטיות הפועלות באמצעות לחץ אוויר.

במערכות אלו כוחות הדפינה נקבעים על ידי לחץ האוויר המסופק לתפסנית. תפסנית עם מדידה של כוחות הדפינה מיוצרת לדוגמא על ידי חברת HAINBUCH Working Technology.

במערכת הזו מדידת כוחות הדפינה נמצאת בתוך התפסנית עצמה.

בפיתוח המשותף עם חברת הנרי עזריה פ.א.ל. שולבו בתפסנית לחיים שצוידו במדי מעוות שבעזרתם ניתן למדוד את כוחות הדפינה הפועלים על החלק.

מדידת הכוחות מתבצעת בעזרת מגברי מכשור ומערכת איסוף נתונים, זו מזינה את ערכי הכוח למערכת בקרה שמבקרת את לחץ האוויר בכניסה לבוכנה השולטת על כוחות הדפינה של החלק. מערכת הבקרה מקבלת את ערכי כוח הדפינה הנדרש לפי שלב העיבוד, ובהתאם על ידי שינוי לחץ האוויר המוזן לתפסנית ישתנו כוחות הדפינה.

יתרונה של המערכת שפותחה במחקר הנוכחי הוא היכולת להתאים את מערכת מדידת הכוחות לתפסניות שונות עם לחיים שונות.

דיאגרמת מלבנים של אלגוריתם הבקרה המשלב בין שתי תתי המערכות – המיקום והכוחות, מוצגת באיור 3.

איור 3 – אלגוריתם הבקרה המשלב את בקרת מקום החלק ואת בקרת כוחות הדפינה של החלק.

עבודת המחקר שבוצעה במסגרת תוכנית EUREKA בחנה אפשרות לקצר את תהליכי הסט־אפ של מכונת העיבוד בשני אופנים:

1. קיצור זמן הסט־אפ במקרה שהחלק הוצא ממכונת העיבוד לשם ביצוע פעולות כמו מדידה או לתהליכי עיבוד נוספים והחזרתו להשלמת העיבוד;

2. אפשרות לשנות את כוחות הדפינה של החלק בצורה רציפה בהתאם לכוחות השיבוב.

לצורך ביצוע שתי הפעולות המתוארות, מערכות הבקרה המוצעות תהיינה בתקשורת עם המחשב של מכונת העיבוד ועם מאגר הנתונים והאלגוריתמים המתאימים.

המחשב יוכל לתת הוראות למכונת העיבוד ולהזיז את שולחן המכונה עם התפסנית בכיווני X ו־Y, לקבל מידע ממכונת העיבוד בזמן הדפינה ותהליך העיבוד – מהם כוחות הדפינה הדרושים, וממערכת הבקרה – הכוחות הפועלים, ולפיהם לבצע את השינויים הנדרשים.

העבודה המתוארת מדגימה כיצד שילוב טכנולוגיות של תעשייה מתקדמת יכולות לקצר ולשפר את תהליכי הייצור ואת טיב המוצרים.