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智慧化需求 傳動元件逐步整合感測技術
即時監控與預測診斷成主流功能
[作者 王明德]   2018年08月24日 星期五 瀏覽人次: [675]


現今各國製造業正競相角逐工業4.0的終極目標,其所引發的工業數位化潮流,勢必將對金屬加工機製造廠商的產品可靠度有更高的要求。尤其業者須能提前預估其產品失效的時間並示警,其檢測裝置不僅要能通過支援服務單位的IoT傳輸,預估「平均故障間隔時間(MTBF, Mean Time Between Failure)」;還要向製造廠商精確輸出資訊,以提早做好服務準備,確保生產線能持續處於穩定條件下工作。


傳動系統整合感測器是智慧化大勢

目前傳動系統的智慧化趨勢是整合感測器,落實監控軸承狀態,及依需求潤滑功能。其中監控軸承狀態是透過將壓電加速度感測器安裝在導向裝置的鋼支撐體上,用來監控並傳送滾子軸承的即時振動速度、加速度訊號等參數,並傳送給相連的訊號轉換器,直接反饋用戶,以防止其超出預設極限值,確保運行壽命。


潤滑功能則利用感測器,依需求將資訊回饋給機器電控系統,啟動自動再潤滑,此系統系統,允許使用者直接向設備電控系統回饋並傳訊,得依需求自動潤滑及導入維護步驟。經自動化狀態監控而實現計劃性維護,使之未來不必再定期安排人工潤滑,也可減少消耗潤滑劑,達成更高可用性和品質。


此外,也有廠商積極投入開發工業4.0合作方案,以監控工具機關鍵零組件的狀態和預估使用壽命,例如就有業者在龍門立式五軸加工中心機上,便安裝所有工業4.0所需配備,以滿足高階模具和航太、汽車製造業等生產需求。


這類型產品通常會強調不須更改機器設計,能直接安裝原始線性導軌系統,包含附帶在滑架上的感測器,具有非常緊湊設計,不會干涉設置線軌的週遭環境;感測器和滑架之間的質量比極低,幾乎不影響原始頻率響應函數(FRF),使機器系統能夠保持優異的動態響應和結構剛性。



圖1 : 傳動系統的智慧化趨勢是整合感測器,落實監控軸承狀態。(source:上銀)
圖1 : 傳動系統的智慧化趨勢是整合感測器,落實監控軸承狀態。(source:上銀)

同時也將系統結構的潤滑步驟概分為接收和診斷振動訊息、控制命令和油潤滑,待先行通過安裝在滑架上的傳感器來測量機器運行時的振動值,再利用信號轉換器和演算法處理,提供導軌潤滑要求的指標;當控制器接收到需求時,便命令潤滑系統重新完成線性導軌潤滑作業。


目前市場上有廠商將此類型產品結合預測維護技術與智慧加工技術(SMT),並使用感測器監控關鍵零組件並採集數據,將初始處理過後的測量數據分別進行即時狀態監控和上傳雲端,利用準確的生產及訊息分析來協助決策。


轉台軸承技術持續進化

此外,新型態的轉台軸承系列,還包括可適用於所有應用工況的YRTC推力向心滾珠軸承,其具有最強的抗傾覆能力,可提供最高加工精度與最大切削能力,透過特殊滾道形狀,讓YRTS推力向心滾珠軸承的摩擦水準更佳,且提升轉台軸承中的傾覆剛度。


舉例來說,針對內孔約325mm的標準轉台軸承,在100rpm時的摩擦力矩為90~100N-M,YRTS的摩擦力矩則可小於10N-M。因此,若每天固定工作7小時的話,YRTS可以節省耗能約800W或1,000歐元,將使得客戶在加工高品質產品時可降低成本。


另為了實現轉台最大可能的位置精度,若能將測量裝置越靠近檯面的受力變形最小,測量精度越佳,但又不可能將刻線劃在檯面上,且直徑越大的測量精度越高,所以將刻線劃在軸承外圈上是最好的選擇。


對此可選用帶有刻線和絕對式測量頭的絕對角度感應測量系統,目前已有廠商推出專利的人性化設計,安裝時僅須直接以螺絲釘將測量頭鎖入軸承外圈,即可快速裝配在轉台軸承上,毋須調整測量頭與磁柵的間隙,且很容易就能從轉台上取下測量頭。



圖2 : 新型態的轉台軸承系列,還包括可適用於所有應用工況的滾珠軸承。
圖2 : 新型態的轉台軸承系列,還包括可適用於所有應用工況的滾珠軸承。

由於絕對式測量系統在工具機突然停機重啟後,不必重新尋找參考點,工具機數控系統就會即時監測轉台的具體角度;當突然斷電時,能控制刀具自動遠離工件,以德系大廠舍弗勒的產品為例,其內部設計採用1Vss的類比信號傳輸,能相容於所有市面上工具機數控系統Siemens Drive-CliQ、Fanuc alpha、Heidenhain EnDat2.2等,對於選用不同數控系統的顧客非常有吸引力。目前舍弗勒的產品定位精度可以達到2arc sec,適合在轉盤和銑頭上應用。


傳動元件業者全力發展智慧技術

而傳動元件智慧化的趨勢,從目前主要的傳動元件業者的產品方向就可看出,他們在今年「2018 台北國際自動化工業大展」上就展示了一系列相關的技術與應用。


今年甫上市的傳動元件大廠全球傳動,就在今年的自動化大展中出了滾珠螺桿、滾珠花鍵、三軸機器人,以及結合滾珠螺桿及花鍵三合一功能產品。總經理李進勝指出,工業4.0根基於自動化系統,而自動化系統必先需要求足夠的精準性,智慧化才有其意義。而全球傳動除了持續提升產品的精度與多樣性外,今年來也積極投入智慧化傳動元件的設計。



圖3 : 全球傳動滾珠花鍵。(source:全球傳動)
圖3 : 全球傳動滾珠花鍵。(source:全球傳動)

另一家自動化傳動元件大廠高明鐵,也把主力放在自動化產品上,展出一系列高精度自動化產品,業務處國內業務部一課副課長張傳昌指出,該公司的產品以實用為最高設計準則。


張傳昌表示,高明鐵主要產品線包括微型滾珠螺桿、微型線性滑軌、交叉滾子軸承及聯軸器等自動化零組件;以及精密滑台、精密對位平台、工業臂滑台、電缸滑台、小型工業臂、電動夾爪等自動化模組產品,其廣泛應用於各種自動化製造產業,其中高達90%以上之零組件自製率,可確保產品品質及產品交期穩定;且自行開發生產專用機,提升加工速度及產品精度;同時還進行產品「驅控一體」,強化模組產品競爭力。


線性傳動元件大廠精浚科技也同樣看準智慧化趨勢,今年展出了自製的奈米級控制器,營運長黃伯仁指出,近年來智慧化成為全球製造業最重要的趨勢,而智慧化的基石世自動化,要達到自動化,合理化與標準化則是必要條件,該公司的產品除透過精密設計讓系統達到上述要求外,也與國際大廠包括Epson、KUKA等大廠合作,形成產業生態系,提供合理化與標準化產品。


黃伯仁進一步表示,線軌是自動化設備的關鍵元件,而隨著製程的精進,相關設備逐漸走向高精度與高效能,這些高階應用的設備需要同等級線軌產品,而精浚產品就可滿足相關要求。


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