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工具机状态检测方法进化中
让生产制造不再失之毫厘
[作者 季平]   2022年04月27日 星期三 浏览人次: [2531]

由於工具机持续往高阶多轴复合化方向发展,加工应用模式也随着刀具、控制器机能不断进步,工具机状态检测方法及数据分析方式也同步进化。


工业4.0浪潮下,工具机除了强化单机软体辅助功能外,也需要加入智能元素,透过通讯界面与厂内设备共同协作生产。随着「智慧制造」不断推进,工具机也朝智慧化、自动化、联网化、复合化等方向迈进,在产业、制程与服务方面推陈出新,以满足客户的不同需求。


工具机定位精度检测技术

另一方面,随着精密机械产业对成品精度要求越来越高,透过机台状况预测加工品质成为重要课题。不过,工具机有不同的类型、规格、工作负载与精度需求,即使是CNC工具机,定位精度也会随时间而产生误差,万一在零组件加工完成後才发现工具机有问题,需要付出的代价不小,因此,快速检测及调整工具机性能成为重要环节。


以精度误差来说,影响工具机加工精度误差来源可分为结构误差、动态误差与静态误差,各种误差累计直接影响工具机的加工性能,如有闪失,不仅造成工具机精度降低,也会缩短工具机的使用寿命。目前多使用Renishaw接触式双球杆(Double Ball Bar;DBB)量测法量测误差,ISO 10791-6国际标准已规范三轴与五轴同动精度试验,可采用精密圆球搭配位移感测器或DBB进行试验。


以广泛应用的数控工具机来说,判断数控工具机品质好坏的关键在於精度,需要对精度进行定位以查看数控工具机是否真的符合品质要求。定位精度检测包含直线运动定位精度检测、直线运动重复定位精度检测、直线运动原点返回精度检测、直线运动反向误差检测、??转工作台定位精度检测、??转工作台重复分度精度检测及??转工作台原点复归精度检测等技术。


由於机台老化时容易有结构损耗、频宽改变、系统响应改变等现象,造成原本的补偿系数不足,导致加工精度不足,目前已经可以透过虚拟系统模拟机台,透过改变叁数的方式观察及分析系统变动,改善伺服不匹配、轨迹误差、背隙误差等问题,而且持续往高阶多轴复合化方向发展。


工具机状态检测方法进化中

财团法人精密机械研究发展中心(以下简称PMC)经理吴仲伟指出,工具机状态检测的目的主要是希??透过检验过程,发掘问题进而改善制程,提升产品品质及相对价值,定期追踪机台精度也有助减少不良品产生,确保采购者权益并且减少验收争议。工具机检测项目包含整机检验(检验标准如ISO、DIN、JIS、CNS等)、定位精度雷射检验及旋转轴定位精度校验、几何精度雷射量测(如真直度、直角度、平面度)、循圆测试分析调整、工具机性能特性测试、机械动静态几何精度调校等。


由於工具机持续往高阶多轴复合化方向发展,加工应用模式也随着刀具、控制器机能不断进步,工具机状态检测方法及数据分析方式也同步进化,如ISO 230-1几何精度量测能利用6D雷射迅速量测工具机几何误差(图1)。



图1 : ISO 230-1几何精度量测利用6D雷射迅速量测工具机几何误差。(source:精机中心)
图1 : ISO 230-1几何精度量测利用6D雷射迅速量测工具机几何误差。(source:精机中心)

吴仲伟进一步指出,工具机检测大分三个面向-性能、功能与法规。性能面检测能具体呈现工具机运转表现,执行上最仰赖工具机核心技术,包含几何精度(如运动直线度、定位精度等)或运转状态(如主轴振动、热变位、切削能力等),相关项目及做法可叁考如ISO、JIS、ASME等国际标准规范或地区标准规范。不少专业设备商也会开发对应的检测设备,但在作业上仍需掌握好物理知识才能正确执行,提供专业的检测报告。


功能面检测与规格有关,多数视买卖双方的契约内容而定,执行上多以动作确认方式进行,在自动化、工业4.0整合的年代,检测工作变得更复杂,内容也更多元。


法规面检测则与买卖双方当地政府的规范有关,如安全、环保规定等。工具机需视不同规定找出相对的因应之道,因此,工具机厂商需时时留意最新法规,才能让产品顺利於当地销售,如近期最新的欧盟碳税议题就是需要密切注意的议题。


不论工具机如何智慧化,性能表现仍是使用者最关心的一环,随着工具机持续往高阶多轴复合化方向发展,加工应用模式随着刀具、控制器机能不断进步,检测方法及数据分析方式也不断进化。除了检测性能表现,也能透过控制器的补偿机能优化工具机的运转表现,提高精度或加工效率。


用户多半希??拥有智慧化应用以确保设备具有高可靠度、零无预警停机、智慧诊断等功能,这部分可以透过IoT、AI应用在机台上,以线上检测方式掌握机台状态,甚至能自动补偿或者发出报警,等於将原有的核心技术应用范围再扩大。


如五轴工具机透过ISO 10791-6进行同动精度的检测,并且调整控制器叁数以提高精度,相同的技术可以将量测设备从位移感测器改成接触式探针(Touch probe),让相同的量测循环以及数据分析数学模型摇身一变成为一项智慧功能,时时确保机台精度,如旋转轴线上检测系统就能快速分析旋转轴精度与效能,并在线上执行叁数修正(图2)。



图2 : 旋转轴线上检测系统能快速分析旋转轴精度与效能并在线上进行叁数修正。(source:renishaw)
图2 : 旋转轴线上检测系统能快速分析旋转轴精度与效能并在线上进行叁数修正。(source:renishaw)

履历追溯改善可靠度

吴仲伟指出,疫情加速数位化进程,工具机厂商除了努力提供客户端智慧化产品功能以协助客户数位转型之外,本身也在努力数位转型。为确保有能力提供客户良好的产品品质,能够快速地追溯生产历程,不少工具机业者积极投入数位化检测方案搭配数位生产履历系统的做法。


过去生产检测纪录资料以纸本抄写留存及人工抄写为主,业者无法快速掌握与销售、服务资讯有关的问题回??或产品提升方案所需资料、统计数据等,自然无法快速调整及应用,除非是专案性质,针对某些特定项目投入人力,将资料键入电子档案中,才有机会进行统计分析。这套运作模式留存了相当多的纸本履历纪录,长久下来占去不少空间,而且查找不易。


数位化履历系统建置後能快速达成生产履历追溯、生产数据品质分析,第一时间获得的资讯可以运用於提升销售服务及产品品质,因为相关资料都存放於资料库系统,可以自动产生出货报表等,在非技术程序上也能提升效率。


2022年TIMTOS x TMTS国际工具机展展出的PMC MeSure数位化检测解决方案就能有效整合数位量具、数位表单与生产履历,达到生产履历追溯的目的(图3),进一步改善可靠度。国外指标大厂DMG MORI目前也在积极发展厂内数位化工程,开发相对应的系统TULIP,全球各厂区逐步上线中。



图3 : PMC MeSure数位化检测解决方案可整合数位量具、数位表单与生产履历,有效达到生产履历追溯的目的。(source:精机中心)
图3 : PMC MeSure数位化检测解决方案可整合数位量具、数位表单与生产履历,有效达到生产履历追溯的目的。(source:精机中心)

此外, PMC近年也积极协助相关产业在「设备与产线智动化」与「大数据搜集」技术上持续累积研发与技术能量,如PMC的小五轴机台整合智慧排程搭配联达(LEANTEC)六轴机器人手臂、新代(SYNTEC)雷射打标机、中和??电 MOZI Vision Inspection System,展示弹性、快速客制化生产的「智慧型小型金属制品生产系统」。


大数据上传云端後更需要机联网「一指全面监控」的系统开发,「数位化检测解决方案」即针对组装量测仪器所测得的数据进行数位化撷取与资讯串联,以图表进行组装数据分析,透过预测分析改善品质,协助现场组装人员减少大量人为量测误差,有助管理人员管控制程结果。


「智慧排程系统」的开发是透过可视化管理整厂稼动状况与生产效能,重点式监控产线稼动状况形成单机、整线、整厂智慧解决方案,管理横跨6个地区(厂域),超过40台设备,排程时间可缩短至30分钟内,稼动率提升至90%,整线工单准交率逾80%。


台湾的工具机状态检测技术

全球工具机产业已朝向多轴化发展,投入五轴工具机加工精度与机台空间精度的研究者越来越多,但台湾的试验技术普遍停留在针对单一自由度或二个自由度的量测技术,如量规试验几何精度、雷射干涉仪试验线性轴定位精度、角度分割仪试验旋转轴定位精度、接触式双球杆、DBB等试验双轴同动的真圆度及匹配误差,但是在五轴工具机的同动精度及工具机空间精度试验技术方面则较为落後,间接影响台湾五轴工具机品质。


观察台湾工具机业者的发展,吴仲伟认为,若与全球知名品牌竞争,台湾业者近几年维持在全球市占前段,竞争优势在於良好品质及满足用户需求,尤其台湾业者为了摆脱市场的低价竞争干扰,努力往高阶、复合的方向前进,未来如果想要持续维持竞争力,一定要有相对应的研发及技术优势。


从整机厂来看,静态几何精度检测不能只有过往单一维度的面向,而是要以空间精度为指标,才能满足复杂的多轴加工需求;动态检测并非仅有单一元件的动态响应、振动检测,而是要具备更贴近加工样态的评估方式,让用户能具体掌握机台是否能满足加工需求。


工业4.0带动的智能工厂已成为工业趋势,其中,雷射干涉仪将扮演超精密离线或线上量测要角。雷射干涉仪是以雷射波长为已知长度,利用迈克耳逊干涉系统测量位移的通用长度测量,可以广泛应用於精密长度与角度的测量,如线纹尺、光栅、量块、精密丝杠等,也可以搭配折射镜、反射镜等测量线性位置、速度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度,适合用来校正精密工具机或测量仪器。


受惠於零组件分工模式,各组件厂纷纷投入大量的检测技术开发,以确保产品品质,使工具机的生产周期达到不入、不用、不出不良品的高品质境界。吴仲伟认为,更复杂的检测方案实施需要仰赖技术的研发,透过研发单位持续投入高阶检测设备,陆续开发更全面、更细微的机台,如六个自由度的雷射干涉仪、雷射追踪仪等,才能使检验数据获得更为有效的应用,针对具体目标进行改善,而不再局限於只是合??规范的数值。


结语

台湾在工具机产业虽然规模不大,也不是工具机技术的主要领导者,但是只要强化调查研究,精准掌握市场需求,持续改善检测技术,积极发展高阶零组件并能掌握加工应用技术,提高产品附加价值,仍有机会成为全球高品质工具机的供应者。


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