塑膠射出成型機智慧化潤滑預知保養監控系統

       塑膠射出成型在現代社會中扮演著重要的角色，廣泛應用於各種行業，如汽車、包裝、家用電器和醫療等。射出成型是最常用的聚合物加工技術，其受歡迎程度源於其在短時間內大量生產複雜零件的能力。在射出成型過程中，成型模具進行反覆的開閉模具之循環以進行連續的零件生產，曲手鎖模系統在控制此過程中起著關鍵作用。適當的曲手潤滑對於防止金屬對金屬接觸、機器故障和停機時間至關重要。然而，隨著循環次數的增加，潤滑劑會逐漸降解，對塑膠射出成型機製造商來說，確定重新打油潤滑的最佳時機是一項挑戰，因為這個打油潤滑周期之目的是在保護曲手免受磨損和損壞，同時也是最大限度地利用潤滑劑。目前射出成型業者採取定期維護的方法，每隔固定的循環次數就對曲手進行再潤滑。然而，此方法並不穩健也不科學，因為它未考慮到曲手的實時潤滑狀況。過早的再潤滑會浪費潤滑劑，增加成本、降低利潤也產生較多的廢油汙染。相反，延長打油周期可能會對曲手鎖模系統造成磨損增加。 

       由前面所述可知，射出成型機鎖模機構的軸承，因經歷長時間往復的進行開關模的動作，因此軸承需要經常性的注入新油脂來保養，以維持正常運作並避免磨損，故藉由在鎖模機構曲手軸承安裝振動感測器來蒐集開關模時的振動訊號，同時搭配機台的開關模的relay訊號來做為進行訊號處理的觸發訊號，藉以將業界目前依循著固定模次數注油的方式進行潤滑的模式，改為依據訊號處理與轉換後的智慧化判斷需要注油潤滑的時機的方式。目前已成功地發展出智慧化的判斷需要注油潤滑的法則並已申請專利，並由原來以個人電腦蒐集運算的方式改為嵌入式系統，以落實產業化之目標，並協助射出成型機產業加速朝向曲手軸承智慧化潤滑預知保養的發展。 

       開發的曲手式鎖模系統的曲手軸承實時潤滑狀態監測解決方案中所開發的智慧化潤滑狀況監測方法，經由計算曲手鎖模與開模過程中產生的振動所計算產生的衝擊反應頻譜分析，得出一個可靠的曲手潤滑狀態監控的健康指標。同時，為了提高系統的穩健性，經由減少所擷取之訊號的雜訊的方式，來提高系統的穩健性，並提出一種非監督式的數據驅動(Data Driven, DD)降噪算法，以消除背景雜訊，從而突顯與潤滑狀態劣化相關的振動特徵。本研究中為了達到實際應用於實際機台，成功發展了一種可降低成本的嵌入式硬體架構，可以顯著地將已開發的狀態監測系統的實機建置費用。這種降低成本可確保現有的製造商能更有意願地將目前已開發的潤滑狀態監測系統融入廠商的塑膠射出成型機控制系統，為廠商所實際應用。 

       圖1至圖3是使用三種不同方法計算衝擊響應健康指標所獲得的結果：圖1為原始的振動訊號，圖2是使用傳統的離散小波去噪算法去噪後的振動訊號，圖3是使用本研究中的數據驅動去噪算法去噪後的振動訊號。圖中的y軸代表曲手軸的潤滑狀態，由健康指標(Health Indicator, HI)量化，而x軸是開關模循環次數。垂直的藍色線條是在曲手軸鎖模系統中添加潤滑劑的打油點，分別在循環數為150、330、530、710和880。對這些圖形的目視觀察可看出成型機的曲手軸鎖模系統中的潤滑劑退化與所謂的浴缸曲線相符。最初，當曲手軸充分潤滑時，健康指標得分保持在低故障率，由綠色箭頭表示。然而，隨著循環次數的增加，潤滑狀態惡化，轉向增加的故障率，如紅色箭頭所示。在重新潤滑曲手軸之後，健康指標迅速下降，表示故障率下降，如黃色箭頭所示。可看出所發展的數據驅動去噪算法去噪後的振動SRS HI訊號最佳與最強韌性。 

     如圖4所示本研究的嵌入式系統是使用Raspberry Pi擷取塑膠射出成型機的曲手式鎖模系統的振動數據，並使用MEMS加速度規。從MEMS加速度規獲得的類比振動訊號被轉換成可以由計算機讀取的數位訊號，再使用MAX1167BEEE+ 1167 16位元類比轉數位轉換器(ADC)。數據通過串接周邊介面(Serial Peripheral Interface, SPI)從ADC傳輸到Raspberry Pi。隨後，在數據被記錄到Pi之後，執行邊緣運算操作以確定曲手軸承鎖模系統的實時潤滑狀況。當偵測出潤滑狀況不佳時，Raspberry Pi使用其數位輸出(DO)與塑料射出成型機的PLC控制器通信，從而啟動打油潤滑過程。 

       本研究之GUI設計包含兩個主要頁面：首頁(如圖5所示)和即時監控頁(如圖6所示)。首頁的目的是顯示該系統所應用到的射出成型機型號。另一方面，即時監控頁展示了三個圖形，前兩個圖形分別表示加速度和觸發訊號的實時訊號時域圖。第三個圖形顯示了計算出的SRS健康指標，以利評估曲手式鎖模系統的即時潤滑狀態。為了讓操作員查看注射成型機的潤滑歷史，增加一個Lubricating History的頁面讓使用者可以查詢之前的潤滑狀態變化，如圖7所示。完成了上面的所有嵌入式系統的軟硬體與顯示介面的工作後，本研究在合作廠商的230噸射出機中實機進行測試，圖8是以嵌入式系統進行實機潤滑監控測試之測試結果，在測試過程中，我們手動在循環數為330與1650時進行打油潤滑，結果顯示當我們在循環數為330時重新注油潤滑後，經過約700個cycles之後，SRS HI開始明顯上升，並呈現不穩定，合作廠商對於此機種的重新打油潤滑的cycle數經驗值是固定在每1500 cycles打油，但明顯看出測試當時的最佳注油點是在約700 cycles，當我們手動在合作廠商對於此機種的重新打油潤滑的cycle數經驗值附近之cycle數為第1650 cycle時進行打油後，可看到SRS HI明顯降低至正常範圍。由此測試可以看出，本計畫所發展出的嵌入式實機潤滑監控系統達到之前在PC-based所發展的實機潤滑監控系統相同的監控實機潤滑狀態的效果！