简介

70多年来，喷丸加工已发展为一种成熟工艺，在制造业得到了广泛应用。这一过程经历了几个创新阶段，如引入可编程逻辑控制器(PLC)(控制和调节输入工艺参数)、送风系统引入了多种操纵器(如在喷丸过程中提高运动灵活性的六轴机械臂)，甚至为适应不同的喷丸应用设计了各种喷嘴和介质类型。在新冠肺炎疫情加速推进工业4.0和数字化的趋势下，为适应目前的工业4.0生态系统，喷丸机和喷丸工艺应如何转型？
在过去的几年中，新加坡先进再制造和技术中心(ARTC)的数据驱动表面增强(DSE)团队不断发展喷丸工艺，并在工业4.0中确定了两种应用于目前喷丸工艺的技术—自动化和传感技术。本文后续章节将对这两种技术进行解释，包括ARTC在喷丸工艺的各个阶段进行的一些开发工作。

自动化技术

自动化是指使用机器人和软件等技术，以最少的人力投入完成相关任务。自动化技术有助于提高重复性任务的整体质量、可靠性和生产效率，重复性任务通常会受到人工主观输入的影响，也可能由于疲劳或分心导致人工绩效较差或发生安全问题。自动化技术的应用能够提高整体生产产量，同时由于减少浪费而降低所需成本。在喷丸工艺中，现有的工艺控制检查，如覆盖率和介质大小检查，目前需要人工处理，主要依靠覆盖率人工判断来做出关键决策。

覆盖率

覆盖率是喷丸工艺的关键工艺控制参数，为防止部件未喷丸区域过早失效，达到SAE J2277规定的至少98%的覆盖率至关重要。然而，由于喷丸机压力和质量流率的细微变化，可能会出现覆盖率不足的情况。因此，必须在每个部件喷丸后检查覆盖率。
目前需要有经验的操作员进行覆盖率检查，在手持放大镜或显微镜的帮助下，目视检查部件的不同区域。但由于操作员的主观量化，特别是在高覆盖率的情况下，这种方法具有很高不一致性。
随着测量系统的快速发展，ARTC团队探索了使用3D测绘技术自动测量覆盖率、无需依赖人工目视检查的可能性。研究发现，共聚焦显微镜生成的Abbott-Firestone曲线可用于确定喷丸试件的覆盖率。喷丸强化处理需要将介质不断压入部件表面，将物料推向内部，在喷丸和未喷丸区域之间产生高度差异。由于Abbott-Firestone曲线是剖面高度在测量面积上的累积分布曲线，因此使用工件的覆盖率作为参考，可以轻松获得缩进区域的累积高度。
利用几个不同覆盖率的Ti-6-4工件，构建相关模型，确定覆盖率与Abbott-Firestone曲线归一化高度之间的关系。之后使用一组独立样品对模型进行验证，精准确定+/-10%误差范围内的较高覆盖率(＞80%)。
随着模型发展，该模型可以应用于任何共焦显微镜或测量系统生成的Abbott-Firestone曲线，而且可以在不需要任何形式的人工主观检查的条件下，以较高的准确性和重复性确定覆盖率。通过实验室共焦显微镜验证这一概念后，下一步是在实际生产部件上进行测试，以进一步验证模型的性能。与此同时，必须研发一种能够生成Abbott-Firestone曲线的快速低成本便携式测量系统，以实现为喷丸强化工艺提供自动在线覆盖率测量系统的最终目标。

介质检查*

根据AMS2430，至少每8小时需要对喷丸介质进行检查，确定目前用于喷丸强化工艺的介质形状和尺寸。目前检查介质的方法是先从机器中取出少量弹丸，然后将其放入测试筛振动器中进行尺寸检查。之后进行单独检查，取少量介质，在显微镜下目视检查介质是否发生变形。整个介质检查过程不仅需要人工操作，而且操作员在显微镜下进行形状检查可能会产生主观量化差异。
因此，ARTC团队探索了一种替代解决方案，即使用2D图像分析自动检查介质尺寸和形状。这是通过创建一个训练算法完成的，即通过圆度检测不合要求的介质形状，之后将其应用于相机系统捕获的图像中。此外，可以通过一个简单公式(基于捕获的2D图像)自动计算每个单独弹丸介质的直径，检查是否达到可接受的介质尺寸范围。
随着技术不断发展，介质检查实现了更高的准确性和重复性，无需任何主观人工检查。此外，如果在喷丸机上安装适配硬件，也能够在喷丸强化过程中持续监测介质状态，这不仅可以降低生产过程中的介质检查频率，还可以作为机器测试筛和螺旋分离器提供机器健康监测。

*这项开发工作是与A*STAR高性能计算研究所(IHPC)共同完成的。

传感技术

与自动化技术类似，传感技术取代了人工监控，为需求更高的分析性任务提供了资源。智能传感器可以作为无线远程监控系统的一部分，检测到触发因素时，该系统将通过移动应用程序发送提示消息。收集物理环境的输入数据，然后通过机载计算将其转换为所需输出实现这一目的。使用具有高灵敏度和分辨率的传感器时，随时间推移收集的数据可以通过分析和仿真进一步优化。这可以让机器学习等其他技术对工艺中的关键特征进行建模，然后用于预测性和预防性维护。此外，多台机器上安装的传感器也可以通过机器对机器(M2M)通信进行连接，即通过共享数据实现机器联合运作是迈向工业4.0的重要一步。
众所周知，在喷丸强化工艺中，气压是所有重要输入参数(气压、介质流率、冲击角、距离)中最关键的参数。大多数传统机器使用了模拟压力表，而现代机器的进气口通常安装了单一低阶传感器。但两者都不具备详细监测和洞察下游特征和有关强度的能力。
因此，ARTC团队进行了大量的试验，开发了一种能够监测喷丸机各点(如进气口和喷嘴)气压的系统。此外，还在喷嘴上安装了加速度计、声发射传感器等其他传感器，间接监测介质流率。
通过详细分析发现，在所有喷丸强化参数中，气压与强度的相关性最高，喷嘴处压力传感器的强度相关性高于进气处压力传感器的强度相关性。这是由于喷嘴处的下游压力传感器能够更好地代表弹丸介质流的动能，在该位置能够检测到设置(软管配置、喷嘴类型和尺寸)差异，而且动能主要在喷嘴的聚集部分加速。
此外，在喷丸工艺中，进气压力维持在一定的恒定水平，而喷嘴处的压力传感器能够检测到介质流率变化引起的湍流产生的波动。因此，该团队将所有实验和压力传感器数据都输入到机器学习系统中，生成了一个实时监测强度的模型。
由此可见，(1)压力传感器是一种在喷丸强化工艺中实时监测喷丸强度的传感器。目前有待探索其他传感器用于这一工艺。如果传感器能够直接或间接地与其他喷丸强化参数(如介质流率)相关联(2)，那么新一代喷丸机就可以利用这些信息更好地监测和调节喷丸工艺。这不仅有助于提高喷丸工艺的一致性，还可以减少零件生产过程中的废品率和浪费情况，更重要的是可以提高部件在使用过程中的性能。潜在应用包括进行远程监控的移动应用程序，以及用于喷丸强化和预测强度的独立智能传感器。

总结

工业4.0设想中的智能机器或系统不仅可以相互通信，还可以无需人工干预分析和诊断问题。在新冠肺炎疫情期间，工业4.0变得更加重要，特别是使用自动化等技术保持社交距离，甚至使用数字化映射技术实现更远程和虚拟的工作环境。很明显，这些技术通过提高生产率和降低成本实现了更高的效率，也将继续得到发展，为人类社会创造更多的效益。因此，我们应该逐步应用这些技术，激励内部员工，提高组织的整体竞争力。

参考文献

(1)Teo, A.、Ahluwalia, K.和Aramcharoen, A. (2020)。喷丸强化的实验研究：压力、喷丸速度与喷丸强度的关系。The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 106(11), 4859-4868.
(2)Teo, A.、Yicheng, J.、Ahluwalia, K.和Aramcharoen, A. (2020)。喷丸强化过程监控的传感技术：表面质量的介质流率控制。Procedia CIRP, 87, 397-402

Aldrich Chua, Augustine Teo, Marcus Ang
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