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次世代工具機的發展動向與市場趨勢
更簡單、高精度的機上測量技術
[作者 盧傑瑞]   2021年03月08日 星期一 瀏覽人次: [1587]

隨著出生率和人口老齡化的下降,製造業中熟練老師傅的人數正在減少,也推動了工具機產業加速技術發展以及自動化,例如配備量測和人工智慧(AI)等先進功能,讓工具機實現高附加價值加工。


能夠在工具機之類的加工設備上,對加工件進行各種高精度測量,已經是目前技術開發的主流方向之一,例如作業前對加工件的位置和定位校準,加工後的尺寸、形狀,和表面粗糙度的測量等。由於測量的過程需要耗費很長時間,這對於操作技術人員的負擔相當繁重,如果為了節省時間,而不進行精確的測量,則會導致生產率的降低。因此,期望在將來能夠有更簡單、高精度的機上測量技術,來降低加工作業現場的勞動力和提高自動化,將是次世代工具機的主要發展趨勢。


與熟練技能人員相當的自動測量能力

在現場,為了穩定地保持高精度,長久以來一直嚴重依賴資深技術人員的經驗和直覺,但是隨著一批又一批老技術人員的陸續退休,取代熟練技能人員的先進製造技術已成為產業的重要問題(圖1)。



圖1 : 取代陸續的退休人員,已成為產業的重要問題。(source:Monoto)
圖1 : 取代陸續的退休人員,已成為產業的重要問題。(source:Monoto)

例如,大隈的沖壓模具透過的MCR-S技術,在Machining Center可以完成往返誤差小於0.5微米的高加工精度,來達到高熟練技師的能力水準,在前幾年是相當常見的手法。


大隈更進一步的,在同一個Machining Center可以不依賴熟練技術人員的情況下保持高精度,透過設備本身評估加工空間的精度,並指示應進行校準的時間,讓毫無經驗的作業人員,可以在最短45分鐘內輕鬆進行「精度穩定性確認」和「3D校準」。


此外,DMG森精機則是使用Nikkon的雷射掃描技術,開發了非接觸式測量系統。由於可以在工具機上進行微米級的測量(圖2)。這樣的功能下,無需將數據傳輸到特殊的測量設備上,甚至齒輪或渦輪葉片等,形狀複雜的大型加工品,也能可以在短時間內進行測量。



圖2 : 新一代工具機已可在機內進行微米級的測量。(source:Nikkan)
圖2 : 新一代工具機已可在機內進行微米級的測量。(source:Nikkan)

減輕操作人員負擔,更簡單的操作與全程自動化

面對陶瓷等容易碎裂的加工材料方面,測量的自動化也在不斷發展。牧野在2020年11月所發表的新一代設備中,內建了刀具形狀的測量功能。


傳統上,對於容易碎裂材料加工時,是由具有深厚經驗的技師來進行砂輪刀具測量和磨損控制。面對這樣的要求,牧野開發了電鍍砂輪的測量功能,可以自動測量砂輪形狀,並判定形狀的合格與否,並使這些製程達到自動化,來提高加工效率,以及砂輪工具的壽命和精度。


在高精度加工中,即使工具機能準確地進行作動,還是會因為受到切削刀具變形、磨損等影響,而不能依照原先設定進行加工。以往為了糾正誤差,都會先將加工件拆下,在三維測量機上測量精度後,再進行後續加工,但測量後再次上機時,工件的中心點會發生偏移,造成誤差。


為了實現更高的精度和效率,工具機測量的重要性日益增加。碌?產業(ROKU-ROKU)開發了一套名為 「COSMOS 」的系統,安裝在工具機上的同時,可以支援加工到三維測量、補償程式製作、後續加工的一貫作業,而無需拆卸工件,重新進行尺寸測量與校正。


傳統上,將使用機器人的自動化系統引入生產現場需要包括教學在內的專門知識,這已成為中小型企業的一大障礙。YAMAZAKI MAZAK的立式MC5軸機床設備透過自動化機制,將立式關節臂機器人、加工物體的儲料器(Stocker)、安全蓋和一個用於安全監控的掃描儀組合而成的加工機,可以自動執行加工物的裝卸,並且只要將必要的數據(例如運動模式和要加工的物體的形狀)輸入到系統中,就可以簡單地設定機器人運動程序。


由於不需要複雜的教學(使機器人記住運動),並且可以快速的讓操作人員容易熟悉習慣的CNC設備設定程序,即使從事金屬加工的中小型企業也可以輕鬆地進行操作。


錯誤發生的預測和修正

未來,人工智慧會更深入的應用在工具機,來取代對於技術工人的依賴。美捷科(YAMAZAKI MAZAK)的開發出了,可透過物聯網(IoT)遠端操控,且具有高度人工智慧的MAZATROL Smooth Ai電腦數控工具機,可以將設定加工程式所需的時間,從約30分鐘大幅縮短至2分鐘。並且透過對加工件的測量、資料等歷史記錄,進行深度學習,進而可以識別加工誤差的模式,自動地修正加工作業的數據資料,降低主軸的顫動振動。


捷太格特(JTEKT)計劃是透過命名為「TAKTICA」的基礎技術品牌,來增強製造能力,與其他業者一樣,希望能以AI來代替熟練的技術人員,目前已經有許多技術投入實際使用。


EDGE CHECKER是JTEKT所開發的一種可以確定刀具壽命,並將刀具使用到極限的技術。PROCESS SIGNPOST 則是最新開發的一項AI應用技術,透過這個機制,可以綜合考量機器設備、加工工具和加工件的特性,來提供最佳的加工條件。Load Checker(????????)是讓熟練的技術人員,透通過聲音等來判斷加工的負荷程度,並自動校正加工條件。


切屑引起的設備停止和加工缺陷的問題

近年來,出於節省勞動力、提高生產效率和改善工作環境等原因,越來越多的工廠不僅在生產現場導入了自動化系統,更進一步的關注在加工過程中,因為切屑引起的設備停止和加工缺陷的問題。


因此DMG森精機開發出了「AI Chip removal」技術,這是一種使用人工智慧的自動排除細屑的系統。可以分析機床加工過程中產生的切屑堆積,自動有效地清除,減少由於切屑引起的設備異常停工和加工缺陷,並可提高切割自動化系統的生產能力。


DMG森精機是利用內建AI能力,透過處理室中兩個高性能相機,所拍攝的影像來確定切屑的位置和數量(圖3)。並且根據沉積位置,設定最佳的清潔路徑,再利用電動冷卻劑噴嘴來有效進行清除切屑,防止切屑積聚在設備上,同時還支援觀測自動操作期間加工物的變化,再透過原始機器操作面板的螢幕上進行操作,更改清潔路線並可以移開任何地方。



圖3 : 自動排除切屑可確保工具機正常運轉與降低加工缺陷。(source:Nikkan)
圖3 : 自動排除切屑可確保工具機正常運轉與降低加工缺陷。(source:Nikkan)

2021全球市場規模將溫和恢復,將帶動擴廠投資

縱觀工具機產業的過去變化趨勢,從2012年到2019年之間,市場銷售總額反覆地上升和下降。根據日本經濟產業省對於金屬加工工具機的銷售額變化統計資料顯示,2019年金屬加工工具機的銷售額為11,189億日元,比上年(2018 )下降了13.7%。儘管銷售額連續第九年保持在1兆日元的範圍內,但三年來卻首次出現負值(圖4)。



圖4 : 金屬加工工具機的銷售額變化。(source:日本經濟產業省;智動化整理)
圖4 : 金屬加工工具機的銷售額變化。(source:日本經濟產業省;智動化整理)

工具機已經在世界各地的各業界廣泛的被使用,例如汽車、精密機械、飛機、IT產品,工業機械,和醫療設備等產業,因此極容易受到經濟的影響,再加上由於工具機訂單,與製造業資本投資趨勢成正比,因此「工具機訂單」常常被作為判斷經濟情況的主要指標之一。


近年來,工具機產業受到了2008年雷曼兄弟(Lehman)事件衝擊的影響,曾經一度急劇下跌,但隨著智慧手機、汽車和半導體等產業的需要,在2017年和2018年,連續第二年創下歷史新高。特別是智慧手機對於工具機開發上來說,有著特殊的規格需求性,因此各種新型號的訂單也呈現增加的態勢。另一方面,全球市場對智慧手機的需求,一直在上升與下降的區間內反覆波動。


雖然近年來智慧手機的需求,在全球市場表現出強勁的增長。但是由於中美之間貿易問題的增加,以及Covid-19在2020年對全球帶來相當大的衝擊,造成了對於工具機需求的低迷。因此從三大工具機公司的表現來看,2019年銷售額持平且同比下降,FANUC大幅度下降20.0%,牧田下降了1.7%,DMG森精機也下降1.0%。


工具機產業雖然面對著由於擔心中美貿易衝突的影響而出現需求疲軟,但另一方面,對於期待節省勞動力的設備、自動駕駛和5G的需求仍然很高。例如,高度發達的國家,在勞動力短缺和勞動力成本飆升的背景下,製造業和服務業對於工廠和現場機器人的需求正在增長。


而經濟快速增長的新興國家,也正逐步提升工廠的生產線自動化。而自動駕駛和5G方面對於工具機的需求,工具機業者也加緊腳步導入人工智慧和物聯網等下一代通信等新技術,讓相關產業的資本投資,有望在未來顯著增加對工具機的需求。


結語

由於新應用的到來與逐步復甦的經濟,因此工具機製造業者都已規劃新技術發展和增加產量。DMG森精機宣布,到2023年,將在其日本國內的生產能力提高30%。在印度,DMG森精機預計市場規模將超過中國,並且已經開始著手佈建30年來首次在印度開始生產機床的計畫。


而FANUC早在2019年5月就宣布將建立新的工具機工廠,該工廠能夠進行奈米級的精密模具加工。此外,FANUC為工廠擴展了IoT平台「現場系統」的功能,並開發了促進工廠應用製程的開發。還持續的進一步進行高度人工智慧的研究,並正在美國西海岸建立新工廠。


此外,美捷科(YAMAZAKI MAZAK)、不二越和CITIZEN時計的生產能力也在提高,並且每個製造商都開始積極投資,以期擴大商機。


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