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工具機狀態檢測方法進化中
讓生產製造不再失之毫釐
[作者 季平]   2022年04月27日 星期三 瀏覽人次: [2616]

由於工具機持續往高階多軸複合化方向發展,加工應用模式也隨著刀具、控制器機能不斷進步,工具機狀態檢測方法及數據分析方式也同步進化。


工業4.0浪潮下,工具機除了強化單機軟體輔助功能外,也需要加入智能元素,透過通訊界面與廠內設備共同協作生產。隨著「智慧製造」不斷推進,工具機也朝智慧化、自動化、聯網化、複合化等方向邁進,在產業、製程與服務方面推陳出新,以滿足客戶的不同需求。


工具機定位精度檢測技術

另一方面,隨著精密機械產業對成品精度要求越來越高,透過機台狀況預測加工品質成為重要課題。不過,工具機有不同的類型、規格、工作負載與精度需求,即使是CNC工具機,定位精度也會隨時間而產生誤差,萬一在零組件加工完成後才發現工具機有問題,需要付出的代價不小,因此,快速檢測及調整工具機性能成為重要環節。


以精度誤差來說,影響工具機加工精度誤差來源可分為結構誤差、動態誤差與靜態誤差,各種誤差累計直接影響工具機的加工性能,如有閃失,不僅造成工具機精度降低,也會縮短工具機的使用壽命。目前多使用Renishaw接觸式雙球桿(Double Ball Bar;DBB)量測法量測誤差,ISO 10791-6國際標準已規範三軸與五軸同動精度試驗,可採用精密圓球搭配位移感測器或DBB進行試驗。


以廣泛應用的數控工具機來說,判斷數控工具機品質好壞的關鍵在於精度,需要對精度進行定位以查看數控工具機是否真的符合品質要求。定位精度檢測包含直線運動定位精度檢測、直線運動重複定位精度檢測、直線運動原點返回精度檢測、直線運動反向誤差檢測、迴轉工作檯定位精度檢測、迴轉工作檯重複分度精度檢測及迴轉工作檯原點復歸精度檢測等技術。


由於機台老化時容易有結構損耗、頻寬改變、系統響應改變等現象,造成原本的補償係數不足,導致加工精度不足,目前已經可以透過虛擬系統模擬機台,透過改變參數的方式觀察及分析系統變動,改善伺服不匹配、軌跡誤差、背隙誤差等問題,而且持續往高階多軸複合化方向發展。


工具機狀態檢測方法進化中

財團法人精密機械研究發展中心(以下簡稱PMC)經理吳仲偉指出,工具機狀態檢測的目的主要是希望透過檢驗過程,發掘問題進而改善製程,提升產品品質及相對價值,定期追蹤機台精度也有助減少不良品產生,確保採購者權益並且減少驗收爭議。工具機檢測項目包含整機檢驗(檢驗標準如ISO、DIN、JIS、CNS等)、定位精度雷射檢驗及旋轉軸定位精度校驗、幾何精度雷射量測(如真直度、直角度、平面度)、循圓測試分析調整、工具機性能特性測試、機械動靜態幾何精度調校等。


由於工具機持續往高階多軸複合化方向發展,加工應用模式也隨著刀具、控制器機能不斷進步,工具機狀態檢測方法及數據分析方式也同步進化,如ISO 230-1幾何精度量測能利用6D雷射迅速量測工具機幾何誤差(圖1)。



圖1 : ISO 230-1幾何精度量測利用6D雷射迅速量測工具機幾何誤差。(source:精機中心)
圖1 : ISO 230-1幾何精度量測利用6D雷射迅速量測工具機幾何誤差。(source:精機中心)

吳仲偉進一步指出,工具機檢測大分三個面向-性能、功能與法規。性能面檢測能具體呈現工具機運轉表現,執行上最仰賴工具機核心技術,包含幾何精度(如運動直線度、定位精度等)或運轉狀態(如主軸振動、熱變位、切削能力等),相關項目及做法可參考如ISO、JIS、ASME等國際標準規範或地區標準規範。不少專業設備商也會開發對應的檢測設備,但在作業上仍需掌握好物理知識才能正確執行,提供專業的檢測報告。


功能面檢測與規格有關,多數視買賣雙方的契約內容而定,執行上多以動作確認方式進行,在自動化、工業4.0整合的年代,檢測工作變得更複雜,內容也更多元。


法規面檢測則與買賣雙方當地政府的規範有關,如安全、環保規定等。工具機需視不同規定找出相對的因應之道,因此,工具機廠商需時時留意最新法規,才能讓產品順利於當地銷售,如近期最新的歐盟碳稅議題就是需要密切注意的議題。


不論工具機如何智慧化,性能表現仍是使用者最關心的一環,隨著工具機持續往高階多軸複合化方向發展,加工應用模式隨著刀具、控制器機能不斷進步,檢測方法及數據分析方式也不斷進化。除了檢測性能表現,也能透過控制器的補償機能優化工具機的運轉表現,提高精度或加工效率。


用戶多半希望擁有智慧化應用以確保設備具有高可靠度、零無預警停機、智慧診斷等功能,這部分可以透過IoT、AI應用在機台上,以線上檢測方式掌握機台狀態,甚至能自動補償或者發出報警,等於將原有的核心技術應用範圍再擴大。


如五軸工具機透過ISO 10791-6進行同動精度的檢測,並且調整控制器參數以提高精度,相同的技術可以將量測設備從位移感測器改成接觸式探針(Touch probe),讓相同的量測循環以及數據分析數學模型搖身一變成為一項智慧功能,時時確保機台精度,如旋轉軸線上檢測系統就能快速分析旋轉軸精度與效能,並在線上執行參數修正(圖2)。



圖2 : 旋轉軸線上檢測系統能快速分析旋轉軸精度與效能並在線上進行參數修正。(source:renishaw)
圖2 : 旋轉軸線上檢測系統能快速分析旋轉軸精度與效能並在線上進行參數修正。(source:renishaw)

履歷追溯改善可靠度

吳仲偉指出,疫情加速數位化進程,工具機廠商除了努力提供客戶端智慧化產品功能以協助客戶數位轉型之外,本身也在努力數位轉型。為確保有能力提供客戶良好的產品品質,能夠快速地追溯生產歷程,不少工具機業者積極投入數位化檢測方案搭配數位生產履歷系統的做法。


過去生產檢測紀錄資料以紙本抄寫留存及人工抄寫為主,業者無法快速掌握與銷售、服務資訊有關的問題回饋或產品提升方案所需資料、統計數據等,自然無法快速調整及應用,除非是專案性質,針對某些特定項目投入人力,將資料鍵入電子檔案中,才有機會進行統計分析。這套運作模式留存了相當多的紙本履歷紀錄,長久下來佔去不少空間,而且查找不易。


數位化履歷系統建置後能快速達成生產履歷追溯、生產數據品質分析,第一時間獲得的資訊可以運用於提升銷售服務及產品品質,因為相關資料都存放於資料庫系統,可以自動產生出貨報表等,在非技術程序上也能提升效率。


2022年TIMTOS x TMTS國際工具機展展出的PMC MeSure數位化檢測解決方案就能有效整合數位量具、數位表單與生產履歷,達到生產履歷追溯的目的(圖3),進一步改善可靠度。國外指標大廠DMG MORI目前也在積極發展廠內數位化工程,開發相對應的系統TULIP,全球各廠區逐步上線中。



圖3 : PMC MeSure數位化檢測解決方案可整合數位量具、數位表單與生產履歷,有效達到生產履歷追溯的目的。(source:精機中心)
圖3 : PMC MeSure數位化檢測解決方案可整合數位量具、數位表單與生產履歷,有效達到生產履歷追溯的目的。(source:精機中心)

此外, PMC近年也積極協助相關產業在「設備與產線智動化」與「大數據蒐集」技術上持續累積研發與技術能量,如PMC的小五軸機台整合智慧排程搭配聯達(LEANTEC)六軸機器人手臂、新代(SYNTEC)雷射打標機、中和碁電 MOZI Vision Inspection System,展示彈性、快速客製化生產的「智慧型小型金屬製品生產系統」。


大數據上傳雲端後更需要機聯網「一指全面監控」的系統開發,「數位化檢測解決方案」即針對組裝量測儀器所測得的數據進行數位化擷取與資訊串聯,以圖表進行組裝數據分析,透過預測分析改善品質,協助現場組裝人員減少大量人為量測誤差,有助管理人員管控製程結果。


「智慧排程系統」的開發是透過可視化管理整廠稼動狀況與生產效能,重點式監控產線稼動狀況形成單機、整線、整廠智慧解決方案,管理橫跨6個地區(廠域),超過40台設備,排程時間可縮短至30分鐘內,稼動率提升至90%,整線工單準交率逾80%。


台灣的工具機狀態檢測技術

全球工具機產業已朝向多軸化發展,投入五軸工具機加工精度與機台空間精度的研究者越來越多,但台灣的試驗技術普遍停留在針對單一自由度或二個自由度的量測技術,如量規試驗幾何精度、雷射干涉儀試驗線性軸定位精度、角度分割儀試驗旋轉軸定位精度、接觸式雙球桿、DBB等試驗雙軸同動的真圓度及匹配誤差,但是在五軸工具機的同動精度及工具機空間精度試驗技術方面則較為落後,間接影響台灣五軸工具機品質。


觀察台灣工具機業者的發展,吳仲偉認為,若與全球知名品牌競爭,台灣業者近幾年維持在全球市佔前段,競爭優勢在於良好品質及滿足用戶需求,尤其台灣業者為了擺脫市場的低價競爭干擾,努力往高階、複合的方向前進,未來如果想要持續維持競爭力,一定要有相對應的研發及技術優勢。


從整機廠來看,靜態幾何精度檢測不能只有過往單一維度的面向,而是要以空間精度為指標,才能滿足複雜的多軸加工需求;動態檢測並非僅有單一元件的動態響應、振動檢測,而是要具備更貼近加工樣態的評估方式,讓用戶能具體掌握機台是否能滿足加工需求。


工業4.0帶動的智能工廠已成為工業趨勢,其中,雷射干涉儀將扮演超精密離線或線上量測要角。雷射干涉儀是以雷射波長為已知長度,利用邁克耳遜干涉系統測量位移的通用長度測量,可以廣泛應用於精密長度與角度的測量,如線紋尺、光柵、量塊、精密絲槓等,也可以搭配折射鏡、反射鏡等測量線性位置、速度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度,適合用來校正精密工具機或測量儀器。


受惠於零組件分工模式,各組件廠紛紛投入大量的檢測技術開發,以確保產品品質,使工具機的生產週期達到不入、不用、不出不良品的高品質境界。吳仲偉認為,更複雜的檢測方案實施需要仰賴技術的研發,透過研發單位持續投入高階檢測設備,陸續開發更全面、更細微的機台,如六個自由度的雷射干涉儀、雷射追蹤儀等,才能使檢驗數據獲得更為有效的應用,針對具體目標進行改善,而不再侷限於只是合乎規範的數值。


結語

台灣在工具機產業雖然規模不大,也不是工具機技術的主要領導者,但是只要強化調查研究,精準掌握市場需求,持續改善檢測技術,積極發展高階零組件並能掌握加工應用技術,提高產品附加價值,仍有機會成為全球高品質工具機的供應者。


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