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引進歐日系CNC數位分身
多軸複合加工提高生產效率
[作者 陳念舜]   2022年04月27日 星期三 瀏覽人次: [2997]

有別於過往談到數位分身(Digital twins)技術,往往都由CAD/CAM/PLM等PC商用軟體廠商主導,2022年TIMTOS x TMTS已可見到有工具機產業開始引進由CNC數控系統為核心的數位分身解決方案。其不僅用於更精準評估整線/廠自動化設備、夾治具實體動線,以防干涉或碰撞之外,甚至可協助單機在加工前便模擬加工路徑、最佳化程序,提升品質和生產效能,將有助於早日實現淨零碳排願景。


如東台精機公司(Tongtai)便為此整合了旗下集團資源,提出的數位轉型策略跟進現今數位分身與實體CNC數控系統更為緊密結合的虛實整合趨勢,以滿足當產品選擇更多、生命週期縮短,已造成製造業面臨從變種變量到大量客製化的彈性生產需求,必須能克服交貨期短與頻繁換線的挑戰,即使是單一首件(Lot One)也要能正確生產。


進而利用CPS虛實整合為核心,在IT階層橫跨產品生命週期PLM與價值鏈水平整合,並與OT階層製造垂直整合,以協助客戶陸續進入智慧製造的5個層次:聯網化、可視化、透明化、預測化、智慧化,滿足客戶需求與價值。


東台智慧製造解決方案 數位分身整合機邊運算平台

東台精機公司智慧技術本部協理曾文鵬進一步指出,其實工具機產業早在工業元宇宙概念問世之前,就已引進數位分身、虛實整合技術多年,東台也在2016、2017年開始投入研發。迄今出廠的全系列機種,幾乎都已完成建構數位分身,且支援歐日品牌控制器來協助客戶。


甚至能加入東台接近製程執行系統(MES)功能的TLM,涵括單機~整線自動化加工情境,持續產出良品。於工具機順利出貨後,配合客戶產線改變、升級需求,東台只須與手邊的數位分身互動,虛擬調適完成90%工作,再由國外客戶端完成最後10%的調校和測試作業即可。


在單機智慧化應用上,東台則利用4套自主開發的軟體:TiOPERATOR、TiHMI、TiMS,組成機邊運算智慧平台,分別在TiHMI善用自家多年累積的knowhow和自製感測器、DAQ系統等,建構App開發環境,讓使用者操作工具機就像智慧型手機一樣簡便如意,即使搭配較低階CNC控制器也能協同運作。


另因應現今電動車、風力發電、航太等新興產業需求,工具機必須變得更為彈性、複合化,透過集約工程在單機上一次完成車削和鑽孔、攻牙,省下時間、空間、治具。當客戶的多軸、複合機種正式投產前,即可透過TiMS數位分身模擬單機工藝的加工路徑、產出最佳化程式,並加以補點優化,預測工件表面品質是否翹曲、變形,或者須重新修改設計。


今年東台除了展示實機,也在現場發表TD系列車銑複合機的數位分身,強調只要一台筆電就能進行99%相符的加工模擬、干涉檢查及驗證。為此帶來首件加工的應用效益,是能確保實際加工成效、預測品質,進而大幅降低傳統工程開發時間,無縫接軌現場製程。量產加工上的應用效益,則可透過友善工單排程介面,優化產線稼動率;搭載深度影像系統,精準定位取物;再搭配線上量測系統,可用於監控及提升良品率。



圖1 : 今年TIMTOS x TMTS 2022東台除了展示實機,也在現場發表數位分身應用範例,強調只要一台筆電就能進行99%相符的加工模擬、干涉檢查及驗證。(攝影:陳念舜)
圖1 : 今年TIMTOS x TMTS 2022東台除了展示實機,也在現場發表數位分身應用範例,強調只要一台筆電就能進行99%相符的加工模擬、干涉檢查及驗證。(攝影:陳念舜)

歐日系控制器自適應切削 兼顧加工精度、效率與品質

雖然過往即有歐日系CNC數控系統大廠陸續引進自適應切削功能,如海德漢公司(HEIDENHAIN)即強調其提供業界最完整的智慧切削解決方案,各系列模組控制器的關鍵零組件包含軟、硬體,甚至提供驗證設備的建議與諮詢。


其中「動態效率(dynamic efficiency)」解決方案,可用來充分開拓工具機和刀具的潛能,無論是粗銑或是難切削材料加工時的重切削加工都能變得更有效率,提高切削力及材料移除率,因此降低及限制機台在切削時負載,將能更有效減少機台損耗,並延長刀具使用壽命。


進而提供了節省加工時間的切削策略,例如,主動式顫振抑制(ACC)功能,減少重切削時刀具顫振;適應性進給控制(AFC)功能,可維持最佳加工進給速率;擺線切削功能,係經由內建加工編程輕鬆達成其加工策略,並減輕粗銑溝槽時的刀具磨損,約提高了20%~25%材料移除率,大幅提升經濟效益。


動態精確(dynamic precision)解決方案,則是海德漢用來發揮工具機精度潛能的一系列控制功能,藉此補償工具機的動態偏差,同時提高加工進給速率、輪廓精度和表面品質,縮短工件移動時間,避免耗時二次加工。


今年海德漢也經由參展,發表用於設計及開發可靠製程的完整數據產品TNC7控制器;呈現編碼器劃世代開發突破,為客戶提供用於狀態監測(Condition Monitoring)、預測維護 (Predictive Maintenance),和其他有價值的評估資訊;以及虛實整合環境「Digital Shop Floor」,將持續扮演工具機製造廠商和終端用戶的創新合作夥伴,提供對應產品、技術和軟體解決方案來迎合市場發展。



圖2 : 海德漢公司向來強調其提供業界最完整的智慧切削解決方案,今年也發表用於設計及開發可靠製程的完整數據產品TNC7控制器。(source:news.heidenhain.com)
圖2 : 海德漢公司向來強調其提供業界最完整的智慧切削解決方案,今年也發表用於設計及開發可靠製程的完整數據產品TNC7控制器。(source:news.heidenhain.com)

三菱電機公司(Mitsubishi Electric)自2021年發表全新CNC控制器M800V/M80V系列(以下簡稱M8V)以來,不僅採用三菱專為CNC工具機開發的自製CPU,將高速高精度處理能力提升至前一代系列的2倍;透過全新的人機介面設計,可以觸控或滑拉手勢在畫面進行各種操作,提昇工作效率。當針對生產力提升時,利用M8V各項標準配備的高效功能,將能同時達成高品質加工、提升效率,以及縮短加工時間。


更重要的是,M8V系列控制器現還透過業界首創內建無線網路功能,讓使用者可不受時地限制,透過平板或智慧手機等其他無線設備來遠端監控工具機運行狀態及控制器畫面,提升機台檢修效率;並利用ioS或Android平台開放API,供業者發展多樣化APP;毋須特別佈置實體網路線,就能傳輸資料進行生產管理,既減少了線材成本,還可讓廠房空間更素潔。


藉此透過三菱NC Machine Tool Optimizer軟體與NC產品連線,建置智能化製造工廠及IoT環境,還能經過OPC UA 與 MTConnect等通信協定連線其他周邊產品,用來即時取得包含廠內工具機和其他FA周邊設備的稼動情報,進行大數據分析、統計等功能,為客戶的生產管理提出最佳解決方案。



圖3 : 三菱電機公司M8V系列控制器現還透過業界首創內建無線網路功能,讓使用者可不受時地限制,透過平板或智慧手機等其他無線設備來遠端監控工具機運行狀態及控制器畫面。(source:三菱電機)
圖3 : 三菱電機公司M8V系列控制器現還透過業界首創內建無線網路功能,讓使用者可不受時地限制,透過平板或智慧手機等其他無線設備來遠端監控工具機運行狀態及控制器畫面。(source:三菱電機)

西門子前瞻高效控制 藉數據創造無限價值

然而,有別於其他控制器品牌或由多個軟體在平台組成數位分身,東台在導入西門子SINUMERIK ONE數位原生控制器的RMVM功能之後,即可讓客戶在接單前預估循環時間(cycle time),準確率高達99%以上。並針對自動化加工單元(cell)設備,模擬刀庫、機器人單元換刀動作,或同步進行多機即時模擬(real time),將有效縮減實機測試驗證的時間與試錯成本,可離線進行改善評估,不致影響實際產線,得以放心用於教育及培訓學員,避免碰撞、毀損機台,以及縮短上手時間,要求首件即作好。


同時能提供刀具管理解決方案,讓客戶即使搭配中低階CNC控制器,也能執行負載監控功能,蒐集並連線顯示每條產線上的刀具與物料管理資訊,設定過載時間限制的上下閥值,一旦刀具破損、斷裂即示警,才能符合東台對於廣義自動化要求,持續自動產出良品。


CNC數控系統大廠西門子公司對此表示,歸功於近年來疫情加快了數位化腳步,西門子仍陸續在工業領域帶領業界克服工業4.0、數位轉型等挑戰,並引進最新高效控制系統、數位分身、邊緣運算、雲端應用等前瞻技術,利用數據創造無限價值,打造工具機產業生態系。


同時延續了從產品設計、執行生產與最佳化流程等不同階段的數位化概念,形成了完整的資料閉循環(Close Loop),無論是工具機製造或終端加工業者,都能藉此產出最佳機器或工件,近期也引進德國總部專家與客戶合作開發加工3偏心蝶閥新製程,克服傳統CAD/CAM軟體或FANUC控制器未能解決的難題,且符合成本效益。


西門子公司業務發展經理許壬己進一步指出,於2019年米蘭EMO率先發表的全球首款數位原生CNC控制器SINUMERIK ONE,率先與10家以上工具機製造廠商合作,強調能真正整合虛實機台,利用邊緣運算,蒐集、分析來自西門子或NSK、東培(TPI)等關鍵零組件廠商自有感測器的高頻資訊數據,成本也將逐步降低。


同時透過CNC控制器底層的物聯網開放式通訊協議,軟硬體整合,上傳資訊到MindSphere平台不同解決方案的強大軟、硬體,充份利用工具機製造廠商和終端加工業者資料,使之能不斷改進,形成產業knowhow,增加諸多NC新功能,卻未必要將大量數據上傳雲端,增加以流量計價成本。但最後西門子還是希望,將相關應用App都通過認證、商品化後銷售,來產生最大效益和生產力,縮短上市時間。


截至2021年已有28家廠商導入SINUMERIK ONE,開發20部虛實分身新機台。例如與永進機械合作數位化體驗,就先透過軟體打造虛擬工具機之後,在短短1.5個月內修改設計並通過驗證,才決定實際投產;自適應切削及刀具監控功能,還可在首次切削時透過AI機器學習,以便於再次加工時將切削條件最佳化,提升30%產能。


特別適用於現今缺工、漫長交期和場地限制,可對於代理商和End user快速提供切削建議,以及推廣其成功商業模式,取得客戶新訂單。許壬己說:「一開始客戶只想用來結合IoT建構戰情室,卻沒想到能至少提高15%效能,甚至停機一部設備也無損產能,期待未來能藉此更容易評估KPI,而加快產業數位轉型。」


與終端加工業者三隆齒輪合作,則滿足其希望追溯產線動態,主動找出生產瓶頸加以突破,而由西門子確保能快速連上雲端MindSphere,不必經過其他大量伺服器從中介接,在一天內就找出瓶頸,協助終端加工業者從設計、執行生產到最佳化,形成完整資料閉循環;另與微軟、亞馬遜合作,確保資安無虞。



圖4 : 截至2021年已有28家廠商導入西門子SINUMERIK ONE數位原生控制器,例如與永進機械合作數位化體驗,便在打造虛擬工具機之後,再將切削條件最佳化,提升30%產能。(攝影:陳念舜)
圖4 : 截至2021年已有28家廠商導入西門子SINUMERIK ONE數位原生控制器,例如與永進機械合作數位化體驗,便在打造虛擬工具機之後,再將切削條件最佳化,提升30%產能。(攝影:陳念舜)

掌握智造關鍵數據 實現淨零碳排願景

此外,面對近年來國內外淨零碳排趨勢,即使組裝生產一部工具機的製程本身排碳量不多,但是當工具機到了客戶手上運作時,卻可能相對耗電排碳,自然無法在這場零碳賽局中置身事外。因此,無論對於工具機製造或應用廠商而言,綠色工具機都攸關於轉型減碳契機,該如何透過智慧化,協助客戶有效進行碳盤查、實現碳中和,也是業者擴大差異化優勢的關鍵,可分別從以下4大面向觀察:


一、 避免過度設計,追求結構輕量化,藉此減少CNC數控系統馬達運作所消耗的電力、體積,在如今通膨情勢下,更有助於減少碳排及成本;


二、 促使製造廠商採用經過改良,更有效率及節能的零組件,也有助於減碳;


三、 透過AI智慧製造、數位分身預先模擬加工與調校,可確保上機後精準加工、零瑕疵一次到位,提升機台效率和精度,進而達到節能效果又不浪費;


四、 投資購置綠電、採用可循環回收材料,以減少產品碳足跡,至少率先實現碳中和,爭取未來換取碳權。


目前除了大型企業較有能力去盤整、計算整廠或公司碳足跡之外,西門子也可提供中小企業客戶計算零組件功耗、碳排所需介面,再讓客戶依自家演算法開發App進行熱補償。


惟若針對工具機加工過程耗能分析,則約有70~80%來自周邊自動化設備的馬達,整機耗能仍須由配電盤開始安裝智慧電表,或在重要零組件外接電表管控。不如機台本身CNC數控系統的伺服馬達轉換效率高、容易估算,而能如西門子很早就投入開發綠色工具機。


透過一鍵(One Touch)掌握機台耗能情況、碳足跡,切換節能模式;或找出造成瓶頸的零組件加以改善,如改用IE2~IE4等高效能非同步馬達,納入供應鏈減碳,在歐洲穩居領導者地位;甚至藉由自適應切削、數位分身技術來提高切削效率,加工首件即成功,率先響應碳中和概念。


海德漢也在2021年發表的環境保護宣言中,提到謹慎利用有限能源和地球資源是企業的基本責任,也會持續於製造生產步驟上與時俱進來達到此目標。為了要保證客戶能在使用產品20年內都能夠獲得維修零件,因此海德漢致力投資於現代、有效率且符合友善環境的設備、工作環境、R&D人員的保護和訓練,將主要研發、生產、後勤和行政活動都集中在德國總部,以確保能執行短距離和快速反應的流程,滿足半導體、電子產品或機械工業需求。


三菱則將「實現低碳社會」與「解決社會課題」作為兩大努力目標,其中在「實現低碳社會」部分致力減排,計畫在2050年達到整體價值鏈零碳排放量為目標,具體措施包括:以降低碳排放為產品設計重點,新產品推出時以比前機種降低1%的耗電量為目標;將年度營業額的0.15%,用於低碳社會的相關投資;使用三菱製造的電子零組件,使產品的使用效能最佳化,以降低能源浪費。


另外,在「解決社會課題」部分,三菱將之區分為「交通」、「生活」、「基礎建設」、「工業」的4個面向,並透過相對應的產品與技術,解決多樣化的社會課題。



圖5 : 在今年TIMTOS x TMTS已可見到,無論對於工具機製造或應用廠商而言,綠色工具機都攸關轉型減碳契機,也是業者擴大差異化優勢的關鍵。(攝影:陳念舜)
圖5 : 在今年TIMTOS x TMTS已可見到,無論對於工具機製造或應用廠商而言,綠色工具機都攸關轉型減碳契機,也是業者擴大差異化優勢的關鍵。(攝影:陳念舜)

結語

過去工具機產業致力發展智慧製造,包括機聯網、機邊軟體及視覺化系統監測用電、換算排碳等功能,還可輕鬆點擊,切換成低碳節能模式,如今也成了替客戶節能減碳的一大助力。目前布局最快的DMG MORI,不只在機台納入各種能耗分析、智慧節能設計,還結合自適應切削等軟體服務,甚至已推出了全球首批碳中和工具機。台灣工具機大廠也認為:「倘若這波沒辦法跟上的,可能會就此退出市場!」


至於加工業者減碳首要之務,就須要先掌握設備總合稼動率(OEE)等關鍵數據,並藉此整合機電軟硬體、系統,來推動組織變革。


**刊頭圖(source: imdcdn-w0vwwgyt12rypz.netdna-ssl.com)


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