Đổi mới thiết bị in và hiệu quả phát triển trong kỷ nguyên số

Việc tích hợp chặt chẽ công nghệ điện toán và điều khiển kỹ thuật số với quy trình đổi mới và thiết kế máy móc trong ngành in có thể cung cấp cho các nhà sản xuất thiết bị in những ý tưởng và nguồn cảm hứng để phát triển máy móc hiệu quả.Bài viết này lấy thiết kế kỹ thuật trong lĩnh vực in ấn của B&R làm ví dụ, kết hợp với sự phát triển của ngành để giới thiệu cách sử dụng công nghệ kỹ thuật số nhằm nâng cao hiệu quả đổi mới và phát triển thiết bị in.
Ngày nay, làn sóng số hóa đang bùng nổ.Đối với doanh nghiệp, chuyển đổi số có nghĩa là liên tục nâng cao khả năng cạnh tranh bền vững của công ty thông qua số hóa và xây dựng sức mạnh mềm.Trước vô số xu hướng kỹ thuật số, chúng ta phải nhận thức rõ ràng rằng có nhiều điểm khác biệt giữa các công ty sản xuất thiết bị và các công ty lắp ráp rời rạc. Mỗi ngành cần kết hợp những đặc điểm riêng của mình và lựa chọn cách tổ chức, lập kế hoạch, phương pháp và công cụ đổi mới phù hợp.
Với số hóa, chúng tôi mong muốn đạt được thiết kế sáng tạo để tiếp tục có được khả năng cạnh tranh trên thị trường.Đặc điểm của số hóa nằm ở tính linh hoạt, trong đó nó có thể gói gọn Bí quyết và bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ, đồng thời thiết lập nền tảng cho sự đổi mới liên tục thông qua số hóa, bởi vì đặc điểm nổi bật của số hóa cũng là tính kế thừa và tái sử dụng kiến ​​thức.
Đổi mới là một quá trình nghiêm ngặt
Việc phát triển thiết bị trong ngành sản xuất đòi hỏi các quy trình thiết kế công nghiệp nghiêm ngặt để hỗ trợ nó.Khoa học vật liệu cung cấp cho chúng ta các tính chất vật lý và hóa học của mực, giấy và màng, đồng thời thiết kế tích hợp của vật liệu, máy móc, điều khiển và truyền tải điện có thể ổn định quá trình xử lý và thu được các sản phẩm chất lượng cao cần thiết.Những thứ này phải được hội tụ vào nền kinh tế thông qua mô hình hóa và mô phỏng, thử nghiệm lặp lại và đóng gói phần mềm, nghĩa là có thể có được một chiếc máy hiệu quả về mặt chi phí.Công nghệ được hình thành phải có khả năng tái sử dụng để giá thành máy cao trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển có thể được giảm bớt và do đó có tính cạnh tranh.Như được minh họa trong Hình 1, đổi mới hình thành kiến ​​thức có thể tái sử dụng thông qua sự hội tụ của kiến ​​thức khoa học và kỹ thuật, từ đó mang lại giá trị cho người dùng.

Hình 1 Đổi mới là một quá trình nghiêm ngặt

Vì ngành in là một hệ thống phức tạp tích hợp các vật liệu (giấy, phim), truyền động cơ học và điều khiển nên số hóa bao gồm thiết kế kỹ thuật số của nó, mang lại cho máy tính tính linh hoạt và khả năng kỹ thuật số của máy như một nút kỹ thuật số trong nhà máy in để cung cấp quản lý vận hành.Việc bảo trì và chẩn đoán từ xa dựa trên các phương pháp kỹ thuật số để giảm chi phí. Ví dụ, nền tảng đám mây tiết kiệm hơn so với các hệ thống mạng chuyên dụng.

Hình 2 Phương pháp tính OEE

Thiết kế sáng tạo, hướng đến người dùng
Đối với các nhà sản xuất thiết bị đầu cuối khác nhau, OEE là chỉ số toàn diện trực quan nhất để đánh giá máy. Như được hiển thị trong Hình 2, việc tính toán OEE thường được xác định bởi ba yếu tố: tính khả dụng, hiệu suất và chất lượng.Nếu chuyển sang máy in, chúng ta có thể phân tích OEE như sau:
1. Sẵn có
Tập trung vào các lỗi thiết bị, thiết lập và điều chỉnh.Bởi vì sự cố cơ khí và cấu hình các thông số cơ, điện khi thay đổi đơn hàng sẽ ảnh hưởng đến hoạt động sản xuất bình thường.Việc điều chỉnh cơ học thường mất nhiều thời gian, gây mất khả năng sẵn sàng.
2. Hiệu suất
Chạy không tải, tắt máy ngoài ý muốn và giảm tốc độ sẽ khiến máy giảm hiệu suất và không đạt được tốc độ định mức thiết kế.Nếu bản thân máy móc bị hỏng, sẽ không đạt được hiệu suất cao, thậm chí có thể gây ra tình trạng ngừng hoạt động tạm thời.
3. Chất lượng
Tập trung vào chất thải khởi động.Do máy cần phải đi qua đường dẫn giấy để đạt trạng thái sản xuất ổn định nên trong quá trình thay nguyên liệu, nếu máy không hoạt động ổn định sẽ dẫn đến sản xuất phế liệu hoặc mất sản phẩm tốt do in chồng không chính xác. , vân vân.
Thông thường, các nhà sản xuất thiết bị đầu cuối sẽ có một bộ phương pháp đánh giá OEE cho thiết bị hiện trường để tiến hành đánh giá toàn diện thiết bị.Vì vậy, đối với các nhà sản xuất thiết bị in ấn, về cơ bản mọi thiết kế đều phải xoay quanh những vấn đề này.Đổi mới là giải quyết vấn đề cho người dùng và cải thiện OEE của máy để khách hàng có thể nhận được lợi tức đầu tư cao.Khi sự cạnh tranh ngày càng gay gắt, với tư cách là một tài sản quan trọng, OEE của thiết bị có liên quan đến lợi nhuận của các công ty in ấn.
Dù là tính ổn định, độ tin cậy hay tính dễ sử dụng thì trên thực tế cuối cùng đều sẽ được quy cho việc đánh giá OEE - một chỉ số đánh giá hoàn toàn mang tính định lượng.OEE cũng là một trong những chỉ số định lượng về số hóa trong ngành sản xuất thiết bị.

Hình 3 Máy in cơ khí trục dài truyền thống

Ứng dụng phổ biến của công nghệ truyền trục điện tử trong thiết bị
Trong những ngày đầu, máy in sử dụng bộ truyền động cơ học. Trục dài chạy trong toàn bộ máy sử dụng cơ cấu bánh răng trục vít để chuyển chuyển động quay của trục dài thành chuyển động quay của con lăn tấm và hệ thống lực kéo.Vấn đề chính của loại trục dài cơ học này là cấu trúc cơ khí phức tạp và việc bảo trì bất tiện. Việc điều khiển máy phụ thuộc vào kinh nghiệm của người chủ. Khi thay đổi đơn hàng, cần phải điều chỉnh nhiều cơ khí, mất nhiều thời gian.Hình 3 cho thấy một máy in sử dụng trục dài cơ học thông thường.
Nhu cầu của người dùng là cải thiện việc giao hàng và giảm chi phí thông qua chất lượng cao và thay đổi đơn hàng nhanh chóng.Từ tính toán OEE, chúng ta có thể thấy những điều này sẽ ảnh hưởng đến các chỉ số OEE.Giải quyết những vấn đề này đòi hỏi phải đổi mới công nghệ, có thể là đổi mới vi mô hoặc thay đổi lớn.
1. Đổi mới phương thức truyền dẫn
Trục điện tử là một cuộc cách mạng chỉ có thể thực hiện được nếu giá thành của bộ truyền động servo và động cơ giảm.Động cơ servo đã được thương mại hóa từ những năm 1960 nhưng chưa được sử dụng rộng rãi vì giá thành cao.—Mãi đến khi việc áp dụng hệ thống servo trở nên phổ biến vào những năm 1990 và giá trục điện tử dần giảm thì chúng mới được sử dụng rộng rãi trong máy in.Như được hiển thị trong Hình 4, sử dụng truyền dẫn điện tử có thể đạt được độ chính xác cao hơn và khả năng thay thế đơn hàng linh hoạt hơn.

Hình 4 Hệ thống truyền động trục điện tử tích hợp của B&R

2. Đổi mới hệ thống đăng ký màu tích hợp
Trong điều khiển in ấn truyền thống, do PLC truyền thống không thể đáp ứng thiết kế của các thuật toán tiên tiến nên việc đăng ký màu rời rạc thường phải được thực hiện bằng một hệ thống chuyên dụng.Đăng ký màu tích hợp truyền kết quả tách đến hệ thống điều khiển thông qua bus và hệ thống điều khiển có thể thực hiện điều chỉnh pha thông qua hệ thống truyền dẫn.Sự khác biệt giữa hệ thống đăng ký màu rời rạc truyền thống và hệ thống đăng ký màu tích hợp được thể hiện trong Hình 5.

Hình 5 Sự khác biệt giữa hệ thống đăng ký màu rời rạc và hệ thống đăng ký màu tích hợp

PLC của B&R có thể hỗ trợ lập trình ngôn ngữ cấp cao (C/C++) dựa trên RTOS. Thuật toán ghép và tách hệ thống đa biến để đăng ký màu có thể được triển khai trên PLC hiệu suất cao mà không cần hệ thống đăng ký màu chuyên dụng.Ngoài ra, điều khiển chuyển động cũng có thể được điều khiển trực tiếp bằng PLC mà không cần sử dụng phương pháp mô-đun điều khiển chuyển động PLC + truyền thống. Điều này chỉ có thể đạt được với sự trợ giúp của hệ thống điều khiển hiệu suất cao.
Vì vậy, để đạt được sự đổi mới, cần có một nền tảng phù hợp. Công nghệ điều khiển mới có thể cung cấp cho máy móc những chức năng phong phú hơn và tiện lợi hơn.Mô hình hóa và mô phỏng đảm bảo chi phí xác minh thử nghiệm thấp và hiệu quả phát triển. Ngoài việc cải thiện OEE, chúng tôi nhận thấy rằng tính đa dạng về vật liệu của vật liệu in rất cao.
Mô hình hóa và mô phỏng để đảm bảo chi phí xác minh thử nghiệm và hiệu quả phát triển thấp
Ngoài việc cải thiện OEE, chúng tôi nhận thấy rằng tính đa dạng về chất liệu của ấn phẩm in cũng đã được nâng cao.Để đáp ứng các tình huống khác nhau, chẳng hạn như đóng sách tinh tế hơn, in và dán tem nóng chất lượng cao, bao bì carton tiện lợi, vật liệu an toàn hơn đáp ứng thiết kế bảo vệ môi trường và thiết kế chức năng được sử dụng rộng rãi, làm vật liệu in, mực, vật liệu xử lý bề mặt , v.v. đều đang trải qua những thay đổi khung cảnh rất khác nhau.Tính chất vật lý của từng loại vật liệu đang thay đổi. Những thay đổi này tác động đến áp suất, truyền động cơ học và nhiệt độ trong quá trình xử lý, từ đó sẽ dẫn đến những thay đổi về chất lượng in và hiệu quả sản xuất của máy.
1. Mô hình vật lý
Để giải quyết những vấn đề này, một số lượng lớn các thử nghiệm vật lý phải được tiến hành trên máy, bao gồm cả cấu trúc cơ khí, vật liệu in, mực, v.v., từ đó tiêu tốn một khoản chi phí lớn.Chỉ bằng cách thử nghiệm các vật liệu khác nhau, bạn mới có thể thu được các thông số phù hợp và tính phù hợp của quy trình kiểm soát.Chỉ bằng cách này, máy mới có thể đạt được khả năng thích ứng nhanh chóng của các thông số cơ học, quy trình và điều khiển truyền động khi thay đổi, từ đó giảm lãng phí khi khởi động, tiết kiệm thời gian chuyển đổi quy trình và đạt được sản lượng OEE cao.
Ở Châu Âu và Hoa Kỳ, mô hình hóa và mô phỏng là một trong những công nghệ quan trọng để phát triển máy móc, và phần mềm mô phỏng và mô phỏng tương ứng cũng là một phần tương đối thiếu trong ngành sản xuất của Trung Quốc ngày nay.Mô hình hóa chủ yếu sử dụng mô hình cơ học và điều khiển để thu được các mô hình về các tham số quá trình điều khiển và truyền động cơ học của máy, sau đó tiến hành thử nghiệm ảo các tham số thông qua mô phỏng. Chỉ với các mô hình mới có thể tiến hành thử nghiệm ảo.Mặt khác, loại xác minh thử nghiệm này trong thời đại kỹ thuật số bao gồm vấn đề đồng mô phỏng ba bên về máy móc, điều khiển và quy trình, nghĩa là ghép một số bộ phận để có được mô phỏng chung, sao cho sự tương tác giữa máy móc, điều khiển, và quy trình có thể được phản ánh trong phần mềm, sau đó có thể đạt được sự tối ưu hóa và cải tiến thiết kế.
Thiết kế kỹ thuật số trước tiên phải giảm chi phí xác minh kiểm tra vật lý trong quá trình kiểm tra và xác minh; thứ hai, nó có thể thu được kiến ​​thức có thể tái sử dụng để sử dụng bền vững thiết kế, tức là kiến ​​thức tồn tại dưới dạng phần mềm. của các kỹ sư chỉ có thể được tái sử dụng. Chỉ bằng cách này, chi phí mới có thể được giảm bớt.
2. Mô hình hóa dựa trên dữ liệu
Mô hình vật lý truyền thống có thể giải quyết các vấn đề kiến ​​thức hiện có, trong khi kiến ​​thức ngầm, các vấn đề phi tuyến và không chắc chắn có thể được mô hình hóa thông qua các thuật toán thông minh dựa trên dữ liệu (Mô hình hóa theo hướng dữ liệu).Ví dụ: kinh nghiệm này có được bằng cách tìm hiểu quy trình điều chỉnh cân bằng mực của bản gốc và được ghi lại để máy sử dụng để đánh giá. Giá trị thang độ xám của sản phẩm thu được thông qua thị giác máy, cung cấp cơ sở cho việc đánh giá điều chỉnh áp suất in.Các ứng dụng thông minh của những chiếc máy này đều ở dạng phần mềm chuyển đổi trải nghiệm từ ngầm sang rõ ràng và có thể tái sử dụng.
Phần mềm tạo nên sức cạnh tranh khác biệt của máy móc
Số hóa mang lại cho máy tính tính linh hoạt và tính linh hoạt này được tải bằng phần mềm ở đây đóng vai trò là nơi chứa và có thể được áp dụng cho việc đóng gói Bí quyết.Trong ngành in, hệ thống điều khiển có thể mang lại sự linh hoạt cho máy móc và giúp các công ty tạo ra khả năng cạnh tranh khác biệt, như trong Hình 6.Nó cần được bảo vệ thông qua nhiều phần mềm ứng dụng khác nhau, bao gồm các khía cạnh sau:

Hình 6 Thiết kế chức năng của phần mềm tạo ra khả năng cạnh tranh khác biệt

1) Phần mềm xử lý: xử lý dấu màu, kiểm soát độ căng, kiểm soát nhiệt độ, thuật toán kiểm soát đăng ký màu.
2) Quản lý công thức: bao gồm các chức năng quản lý công thức và bộ nhớ công thức khác nhau của máy.
3) Thiết kế HMI: dễ vận hành và giảm chi phí học tập.

Hình 7 Phát triển ứng dụng dựa trên thành phần

4) Quản lý cơ sở hạ tầng: bao gồm giám sát trạng thái của trục I/O và trục servo, hiển thị đường cong trạng thái máy, xu hướng cảnh báo, bảo trì chẩn đoán và quản lý người dùng, đây đều là những khả năng cơ bản của máy.
Tiêu chuẩn hóa và chuẩn hóa
Nhà máy kỹ thuật số của doanh nghiệp phải tích cực ứng phó với những thay đổi. Các công nghệ được sử dụng trong thiết kế đổi mới cần phải được tiêu chuẩn hóa, trong khi máy móc cần được tổ chức linh hoạt hơn và khả năng phần mềm của chúng cũng cần được hiện thực hóa thông qua các mô-đun “độ gắn kết cao và khả năng ghép nối thấp”, mới. máy móc sẽ được lắp ráp nhanh chóng từ các module phần mềm này.Công nghệ mapp của B&R được phát triển dựa trên công nghệ thành phần (như trong Hình 7). Không chỉ có thể cấu hình nhanh chóng các hệ thống ứng dụng máy mới mà độ căng, nhiệt độ và thang màu cũng có thể được mở rộng từ in ống đồng sang in offset quay và in flexo. Kiểm soát độ căng bao gồm mọi kiểu máy web.Đối với máy in, điều khiển của mapp còn bao gồm kiểm soát đường cong mực in offset, điều chỉnh áp suất, bộ nhớ công thức quản lý dữ liệu, hiển thị dữ liệu chất lượng và cung cấp mappVIEW thuận tiện hơn.

Hình 8 Tái sử dụng kiến ​​thức để điều khiển các đơn vị in khác

Ví dụ, việc mở rộng từ in ống đồng sang in flexo như trong Hình 8 áp dụng điều khiển độ căng cuộn và tháo cuộn, điều khiển truyền động trục điện tử, thuật toán đăng ký màu, cam điện tử cắt, v.v. trong quá trình phát triển ống đồng ban đầu.
Phần kết luận
Đối với máy in, sự đổi mới mang tính đa chiều, tập trung vào các khía cạnh sau:
1) Mục tiêu của đổi mới là mang lại giá trị cho khách hàng: Nhà sản xuất thiết bị trước tiên phải hiểu rõ điểm yếu, điểm ngứa của khách hàng (vấn đề luôn tồn tại nhưng khó giải quyết) và điểm mù (không thể nhìn thấy nhưng có thể mang lại giá trị nâng cao).
2) Hỗ trợ công nghệ theo chiều ngang: Khi chi phí của công nghệ điều khiển, công nghệ cảm biến và sức mạnh tính toán AI giảm dần, các phương pháp điều khiển máy tiên tiến có thể được hiện thực hóa. Do đó, các nhà sản xuất phải thường xuyên chú ý đến các công nghệ tiên tiến và đưa chúng kịp thời. việc sử dụng của tôi.
3) Tinh thần tiên phong và lòng dũng cảm: Đầu tư vào công nghệ và thu được lợi nhuận cao cũng đòi hỏi doanh nghiệp phải có tinh thần tiên phong.
4) Hỗ trợ hiệu quả kỹ thuật: Cải thiện hiệu quả phát triển máy thông qua mô hình hóa và mô phỏng, thử nghiệm và xác minh ảo cũng như công nghệ thành phần phần mềm.
5) Hợp tác và tin cậy: Các đối tác thượng nguồn và hạ nguồn phải tin tưởng lẫn nhau và cam kết đạt được các mục tiêu giá trị chung.
6) Tiêu chuẩn hóa và chuẩn hóa: Cho phép tái sử dụng máy móc, cải tiến trong quá trình lặp lại liên tục và giảm chi phí để đạt được tính kinh tế lâu dài.