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CNC数控技术的智慧化之路
自动化、数位化、智慧化
[作者 籃貫銘]   2020年05月05日 星期二 浏览人次: [2389]

要认识CNC,那就必须从NC开始。NC是「Numerical Control」的缩写,中文翻译为数值控制,因为是Numerical,清楚表明是使用数值来控制机械和设备的作动,并透过一些简单的数位控制元件来达成,例如计数器和温度计等。它的出现,就是为了取代手动控制的方式。


所以在NC数值控制的时代,是采用数值来控制,并非是目前的数位化概念。此时,也已经开始使用初步的电脑计算机工具,用来编程与设计切削工具机的路径,会利用字母(Letter)、数字(Number)及符号(Symbol)等数值资料,编写成加工指令,用来控制机器的运转与动作,这些指令就被称为加工程式或数控程式(NC Program)。


从NC到CNC 电脑带来自动化变革

NC数值控制的起源约是在1940年代的美国,当时由於美国空军要生产直升机螺旋桨,需要大量的精密加工。於是委托民间机械工程师进行相关的研发。到了1949年,麻省理工学院接受美国空军的委托,开始研究数值控制,并与当时的Parsons公司合作,全力发展轮廓切削铣床的技术。没多久,第一台数值控制工作母机就问世了(1950年代)。


而有了在切削铣床的成功经验,数值控制技术也开始被广泛的运用在其他的金属加工领域,同时技术也不断的被改良。


进入1970年代,半导体技术迅速的发展,计算机(个人电脑)也开始大规模进入消费者与商业市场,新型态的微控制处理晶片更被运用到NC机台中,至此,工具机的功能也更加的强大,各种多轴加工机台也陆续诞生,应用的加工领域也更加宽广,於是CNC(Computer Numerical Control)的概念逐渐生成。



图1 : 图为1962年时一部美国NC工具机台,此时并没有现在的电脑控制单元。(source: wimb.net)
图1 : 图为1962年时一部美国NC工具机台,此时并没有现在的电脑控制单元。(source: wimb.net)

到了CNC的时代,加工制造的流程已经有所不同。由於电脑的运用,加工设计的流程已转为更全面的数位化形式,它透过电脑先将指令与加工作动编辑完成,之後再传送到自动化工具机进行加工。现行多数的工具机都已采用CNC机制,且电脑不仅在设计端就介入,同时也扮演整合控制与生产的角色。


而随着电脑技术与应用的持续进步,更复杂的工件设计与制作也得以实现,尤其是CAD与CAM的应用,更进一步强化了CNC工具机整体的生产制造能力。这些软体不仅可以进行工件的设计,也能运算各种加工过程中的移动指令,并透过工具机的电脑控制系统,将这些数位化的指令传递到加工机具中,并对马达与各种驱动系统进行细致与精确的控制,实现所谓的精密加工,甚至是更先进的超精密加工。


然而加工技术演化的脚步从未停歇,目前成熟的CNC技术也并非是其最终的完成式,特别是在大数据与物联网技术加入後,CNC加工也进入了新的转折,一个以工业4.0为基础的智慧制造时代。


生产力4.0 台湾CNC进阶智慧机械

至於台湾,CNC的发展约与全球的进度相当,但萌芽期约在1980年代,此时已有多家的机械厂陆续推出CNC机台,而工研院和部分业者也开始进行自有的CNC控制器的研发,专注於发展自有技术的产品。而随着马达技术的提升,台湾约在2010年代就完整具备关键元件的自制能力,并成为世界主要的机具出囗国之一。


毫无疑问,智慧制造是CNC系统的下一个大趋势,也是目前的正在进行式。对此,台湾的产官学界也已制定了相关的政策与方针,期??协助产业界能够尽早因应,抓住这波变革,提升台湾工具机产业的竞争力。


而与CNC数控相关的产业技术,目前是被规划在「生产力4.0 科技发展策略」中,该策略由行政院科技会报办公室所推动,为一项跨部会、跨产业的产业策略,涉及的部会包含:经济部、科技部、教育部、农委会、卫福部、劳动部等。


依据科技会报办公室的政策资料,台湾选择进行生产力4.0 科技发展策略,主要是基於两项趋势,一个是全球智慧科技发展;一是人囗老化的劳动力递减。科技会报办公室指出,目前美、日、中、德,全球工业领先的国家都正积极推动智慧制造的技术,以快速反应市场需求;其次,长期就业人囗数下降已是先进国家的必然趋势,因此智慧制造技术是因应此危机的重要手段。


细究此发展策略的内容与脉络,则它是依据行政院所推动的「智慧型自动化产业发展方案」为基础,进一步整合商业自动化与农业科技化,以期能够从目前的生产力3.0(知识密集),迈向生产力4.0(智慧密集),以因应高龄化社会工作人囗递减的劳动需求。(1.0为劳力密集,2.0为技术密集)



图2 : 台湾生产力4.0 科技发展策略,进一步整合商业自动化与农业科技化,以期能够从目前的生产力3.0(知识密集),迈向生产力4.0(智慧密集)。
图2 : 台湾生产力4.0 科技发展策略,进一步整合商业自动化与农业科技化,以期能够从目前的生产力3.0(知识密集),迈向生产力4.0(智慧密集)。

结合物联网与大数据 CNC系统迎来新转折

其发展的重点有三,一是技术的发展,要在台湾既有电子、资讯及通讯等既有的技术优势上,透过整合感测器、通讯网路与运算力,把计算、通讯与控制的功能用在制造业、农业等应用领域上;第二则是推动台湾中小企业的产业转型;三是培养新兴的智慧应用人力,培育具备智慧控制与管理能力的新一代未来人才。


而最关键的,当然是为首的技术发展,而具体所涉及的技术,则是以大数据、物联网与智慧工厂为核心,而CNC数控则是所谓的「智慧机械」的范畴,它就一种结合感测器、物联网与大数据的加工制造技术,它是发展智慧生产不可或缺的环节。


以目前的技术发展来说,一部具备「智慧」的CNC数控系统与机台,一定要能够整合开发端的CAD数位设计软体,能够直接从软体端就完成机器的建模与加工路径,以加快加工制造的流程,同时也增加客制化生产的弹性与程度。这也是把开发设计整合至制造执行系统(Manufacturing Execution System,MES)里,


第二点,CNC数控系统与机台要具备更高程度的加工生产能力,透过先进的数位控制器与更精准的马达和螺杆的性能,来达到更多轴与多面向的制造可能,进而实现高速与高精度的切削与加工生产。此外,可视化的加工预览,以及自动化智能回??和调教也是重要辅助项目。


第三点,CNC机具要拥有智慧监控与线上检测的功能,它透过运用更多的感测器来强化加工的品质与运行安全,能够提供精确且高准度的施工数据,同时也能检测机台本身机件的寿命情况,达成预诊维修的目标,进而优化厂房稼动率与整体的产能。



图3 : 目前所谓的智慧型CNC数控,是一种结合感测器、物联网与大数据的加工制造技术,它能带来更隹的加工性能与精准度,且还具有自我诊断的功能。
图3 : 目前所谓的智慧型CNC数控,是一种结合感测器、物联网与大数据的加工制造技术,它能带来更隹的加工性能与精准度,且还具有自我诊断的功能。

结语

CNC系统正站在另一波转型的势头上,尤其在全球工业4.0趋势的推动下, CNC业者势必要跳脱传统的应用框架,整合物联网与人工智慧等技术,往上往下进一步延伸其市场的范畴,朝智慧机械与智慧制造的目标前进。


而这个发展并不是单一业者所能实现,将有赖整体的供应链才能达成,因其是一项整合资讯、电子与机械的跨领域应用,里头包含了关键元件的研发、先进电子系统的整合、全面性的物联网布建,更重要的,则是市场应用思维的转变,而这一切都有赖整体产官学研的共同投入,才能让台湾的工具机产业站稳转型的脚步,并进一步提升国际的竞争力。


**刊头图(source: wiki)


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