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智慧轴承掌握工具机动态
利用远距长期监控健检
[作者 陳念舜]   2022年03月26日 星期六 浏览人次: [2271]

为了协助终端加工业者提升整体设备总合效率(OEE),达到零停机(Zero Downtime)的理想状态,近年来工具机制造厂商不仅分别透过自制,或结合关键零组件厂商进行异常状态示警,以达到联网化、可视化、透明化,即时维修更新之外;也开始加入内嵌式感测器,以长期监控实现预测化、智慧化愿景,而与刀具、机台最接近的轴承势将扮演最关键地位!


工具机大厂东台集团也在今年TIMTOS x TMTS以「智慧制造」为核心,整合集团资源展出「五化两新」等7大面向技术,共涵括了:智慧化、自动化、联网化、复合化、服务化、新产业及新制程,解决客户的痛点,进而协助客户进入智慧制造领域,发展包含多样自制感测器、物联网、大数据、人工智慧、智慧APP及数位管理等,来建构单机、整线生产系统之零件智慧加工平台。



图1 : 东台经过整合自制MEMS感测元件,以压低大规模长期监测成本,实现所有80馀种智慧化功能,从智慧制造底层开始练功。(摄影:陈念舜)
图1 : 东台经过整合自制MEMS感测元件,以压低大规模长期监测成本,实现所有80馀种智慧化功能,从智慧制造底层开始练功。(摄影:陈念舜)

综观东台提出的智慧解决方案中,即主要聚焦於制造执行系统(MES)以下领域,包括SCADA、CNC工具机硬软体、智慧感测器等,其中的智慧感测器包括:智慧刀把、加速规、电子水平仪、功率计、机上盒等,又以加速规最为重要,待掌握之後才能真正实现後续应用。


目前在东台TIMS整机健康监控过程里的「机台预兆保全」里,共分为5大健检项目:主轴轴承检测、结构水平检测、智慧夹放刀检测、控制单元检测、周边工站检测等,进而建立AI温升模型,得知形变、主轴伸长量後,进行热温升补偿来提高精度,自动持续生产良品。


但苦於传统加速规的价格较为昂贵,即使近来引进半导体技术的微机电(MEMS)型感测器较为便宜,却还须加入後续更贵的高速工业电脑(IPC)板卡、转换分析软体等,可能总体价格更高达数万元。东台则将之整合为单一MEMS元件,以监测3轴资讯并压低成本,实现所有80馀种智慧化功能,才能承受大规模长期监测、搜集,并输出多项温度与振动资讯,从智慧制造底层开始练功。


产研自主开发内嵌感测器 为工具机主轴检测加值

为了解决现今台厂从国外进囗工业感测器比例高达90%的困境,经济部也自2021年起透过科专计画,由工研院微系统中心开发力觉、振动、视觉等关键感测器技术,补强台厂在技术的缺囗。现今研发出的高解析度力感测器,可即时判断机台异常与刀具磨耗等情况,相较於国际产品具备尺寸小、刚性高,售价约为一半等优势,已经有超过10家工具机厂商将之导入应用於高阶工具机以及关键零组件等设备,年产量超过百台,产值超过20亿元。


包括可透过工研院开发具高刚性、薄型化以及高感测特性的力感测器,易整合於五轴加工机等设备内,直接侦测设备加工时的力量特徵并监测设备状态,可应用於轴承、主轴状态监控与健康预诊,提升设备可靠度与稳定性,协助台湾五轴工具机厂商智慧升级。


以主轴健康预诊系统量测主轴动态预压力,并搭配温度与振动特徵讯号撷取,建立线上量测、观察主轴轴承受力状态;透过智能诊断讯号监别技术,以可视化呈现主轴健康状态,提供使用者掌握主轴状态,即时侦测主轴异常状态,降低非预期停机损失,提升机台稼动率。量测结果更可作为未来主轴开发之可靠度升级之重要依据,打破过往主轴预压确认的常规方式无法量化之痛点。



图2 : 为了解决现今台厂从国外进囗工业感测器比例高达90%的困境,透过工研院开发具高刚性、薄型化以及高感测特性的力感测器,可应用於轴承、主轴状态监控与健康预诊(摄影:陈念舜)
图2 : 为了解决现今台厂从国外进囗工业感测器比例高达90%的困境,透过工研院开发具高刚性、薄型化以及高感测特性的力感测器,可应用於轴承、主轴状态监控与健康预诊(摄影:陈念舜)

台湾轴承专业制造厂东培工业(TPI)在今年TIMTOS x TMTS 2022也展出领先业界,自主开发的独家轴承失效判断系统,其搭载主轴用内嵌式感测环,系对外采购市面上新一代半导体制程MEMS感测元件,得以有效大幅降低成本。


再搭配东培自制高可靠度主轴精密轴承,构成智慧工具机关键核心元件,安装在距离轴承、刀把最近的端盖位置。可藉此直观取得较隹整合温度、振动等讯号品质,避免受到外在加工环境高温、油污及碰损,落实主轴预防保养与预知诊断。


此优於传统外接盒量测异常方式,将有助於客户长期监控、采集资讯,判断轴承受损位置;落实主轴预防保养与预知诊断、建立轴承健康指标,进而提前备料更换零组件,减少废料。


东培认为,当少子化社会已成为未来趋势,新一代年轻员工转型投入产业学习时间倍受压缩,很难再像过去苦学3年才出师。感测器则可扮演辅助整合资讯数位化的角色,将老师傅累积数十年的经验知识快速压缩量化,成为可供演算的逻辑程式,让使用者不必费心思考Raw Data从何得来的始末,就能快速实现数位转型。



图3 : 东培今年展出自主开发的独家轴承失效判断系统,其搭载主轴用内嵌式感测环,安装在距离轴承、刀把最近的端盖位置,可藉此直观取得较隹整合温度、振动等讯号品质。(摄影:陈念舜)
图3 : 东培今年展出自主开发的独家轴承失效判断系统,其搭载主轴用内嵌式感测环,安装在距离轴承、刀把最近的端盖位置,可藉此直观取得较隹整合温度、振动等讯号品质。(摄影:陈念舜)

NSK轴承协助数位转型 强调产品价值在於服务

NSK在台湾总代理商永和顺公司总经理陈百钧进一步指出,其实NSK也是最早从轴承起家,成为日本第一大厂後,再逐步扩及线性滑轨/螺杆、DD马达等产品。目前轴承仍占日本NSK营收95%;在台湾市场则占营收约85%,其馀10%~15%属於线性滑轨/螺杆等产品,在日系同级产品的市占率仅次於THK。


「在所有轴承品项里,又以精密轴承贡献营收占比达50%居多,应用的主要客户就是工具机及高速主轴等关键零组件厂商。」陈百钧表示,前者包括:综合加工中心机(Machine Center),用来高速轻切削加工智慧手机外壳的钻铣加工中心机(Tapping Center),但近年来面临中国大陆红色供应链威胁;车削加工机近年来比重渐增,可用来重切削加工电动车、航太业工件,台厂仍在精度方面保有优势。


例如现今电动车及再生能源产业里的离岸风力发电等新兴产业虽是未来主流趋势,但这些产业的加工材料日新月异,且加工效率的要求不断提升,重切削和超高速旋转需同时兼顾的条件下,轴承寿命成为急待解决的课题。


在今年TIMTSO x TMTS首度发表的ROBUSTDYNA系列轴承,便采用NSK独家具有优异耐热性和耐磨性的SHX航太等级钢材,因为刚性优於一般轴承钢,使之负载能力增加15%、寿命(额定动载荷)延长了3倍,符合现今高速重切削需求。



图4 : ROBUSTDYNA系列轴承采用NSK独家SHX航太等级钢材,使之负载能力增加15%、寿命延长了3倍,符合高速重切削需求。(source:永和顺)
图4 : ROBUSTDYNA系列轴承采用NSK独家SHX航太等级钢材,使之负载能力增加15%、寿命延长了3倍,符合高速重切削需求。(source:永和顺)

另因应近年来国际工业4.0潮流,身为日本第一大轴承厂商的NSK当然也不能缺席,客户可以透过NSK高性能的远端振动诊断设备「Bearing Doctor BD-2型」,直接在机器外部透过无线蓝牙测量和诊断出机器旋转时轴承的状态,再以手机App撷取显示资讯。


去年四月更偕同发那科公司(Fanuc)的开放平台FIELD system,共同推出轴承状态监测/诊断系统服务「ACOUS NAVI」,透过此系统搭配Fanuc的感测器,可以让机器设备经由智能化提早发现轴承的异常和故障,达到预测性维护,而非等到异常发生後追溯。


在台湾客户亦可上传NSK云平台,经由永和顺或日本原厂的专业团队代为分析,在台湾产出技术报告,以提高即时诊断、究责等时效。但陈百钧强调:「使用者最好还是搭配NSK轴承,提供原厂频谱等相关叁数资料判断,才能更为精准!」包括Fanuc也是NSK主力客户,将轴承普遍用於CNC工具机和机器人关节轴部马达。


未来该远端监控软硬体,也能延伸到离岸风机、轨道车辆等设备应用。希??藉由上述软硬兼施的完善解决方案,帮助客户达成产品所需的质量控制及数据收集分析,下一步也不排除与支撑座、电控、模组、系统等厂商深化垂直整合。


且从代理商的角度强调产品价值在於服务,如面临後疫时期国际供应链瓶颈,机械业关键零组件产业纷纷传出缺料、塞港、导致交期延挎或祭出涨价等措施,永和顺因为库存管理得宜,善用总代理比起分公司可大量囤货的优势,平时皆备有3个月库存量;且将订购系统直接与日本NSK连线,既掌握最新现品动态,直接空运急件来台之外,其他大部份产品仍仰赖海运进囗。导致2020年不像同业调降库存,反而逆势提高库存达9个月,趁这一波抢单受惠,2021年营收较2020年大幅成长30%,接近台湾工具机产业成长幅度。


约10年前永和顺便在华亚科学园区自建占地2,200坪大型物流中心统一发货,既符合轴承品项繁杂、要求保存空间低发尘和洁净保存的要求。今年底还将成立经日本NSK原厂指导成立的专业裁切室,以独立空调维持恒温作业,专门用来裁切线性滑轨,而非传统委外裁切模式;再经过量测设备及发泡填充物包材,来防止於搬运过程中碰撞而影响轴承精度、品质。


结语

因应近年来工具机持续朝向智慧化加值发展,又受到供应链瓶颈及客户提高库存备料需求,势将更为压缩原来可停机保修时间,主轴轴承健康指标及预知保养则是工具机智慧化的关键所在!工具机产业除了更应该加强整合既有智慧感测技术、系统整合技术、预测性维护、机台叁数监控与高度资通讯技术,以达到智慧化与弹性化制造目标。


进而迎合现今数位转型趋势,不能再像过去卖设备,只靠着人员及经验处理,而必须透过搜集、分析数据,也就是一般所称的整体设备总合效率(OEE),包括稼动率、产能效率、良品率都能随之提升,才能有效应对市场变化,克服少量多样的弹性生产、单件也可以生产的制造业挑战。


*刊头图(source:superiorspindle.com)


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