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透過AI數控 讓每個人都能容易操作
高精度工具機的最高境界
[作者 盧傑瑞]   2021年05月03日 星期一 瀏覽人次: [424]

工具設備訂單量的增加,除了一部分是市場因素之外,最主要的推動力,就是讓設備更為聰明、操作性更為簡單。


根據日本工具機製造商協會一份市場調查報告統計,預計2021年日本的工具機產業訂單將繼續呈現恢復的狀態,甚至相當有可能超過2020年的訂單水準。截至2020年11月的單月統計,在2020年5月觸底的512億日圓後,就呈現反轉持續上升的趨勢,並從9月起一直保持在800億日圓以上。日本工具機製造商協會(JMTBA)會長,同時也是芝浦機械的會長飯村幸生表示,自2020年4月和5月觸底之後,訂單金額一直在上升中,認為2021年也將延續這樣的成長(圖1)。



圖1 : 日本工具機訂單統計。(source:日本工作機械工業會;智動化整理)
圖1 : 日本工具機訂單統計。(source:日本工作機械工業會;智動化整理)

這次的調查中,2021年1月至3月期間的工具機訂單預測指數DI (Diffusion Index;回答 「增加」數量的百分比減去回答「減少」的數量百分比),比2020年10月至12月期間的調查提高了24.3%,達到9.5%,是10年來第一次季度性增長,且該指數首次轉為正值。這是由於電子技術的進步、勞動力短缺和低碳排放化,預計需求將增長,而對加工過程的自動化和技術工人的機械化的需求也可能會越來越強烈。


高精度與高品質是市場差異化的關鍵技術

工具設備訂單量的增加,除了一部分是市場因素之外,刺激著加工設備市場規模的擴大最主要的推動力就是讓設備更為聰明,操作性更為簡單。透過各式加工設備不斷的智慧化,提升設備中各個模組的數位控制就變成相當重要的工作,再藉由提升模組的數位控制能力後,達到多方面的高度自動、高精度和高可靠度。


透過這次JIMTOF 2020的觀察,以下整理出了一些發展的重點。就像大隈社長家城淳表示,「我們將繼續加強任何人都能輕鬆使用的智慧技術。」,這是因為數位控制強化後,生產設備的各個能力也將隨之增加。


目前國際三大工具機展:歐洲EMO 與美國IMTS 和日本JIMTOF,對於工具機產業的技術和發展動向來說,都相當具指標性。但由於COVID-19的因素,繼美國芝加哥IMTS 2020之後,日本的JIMTOF 2020的實體展覽也被取消,轉為線上的方式向全世界提供最新的工具機產業動向。


用戶對工具機最重要的需求是,實現高精度、高效率的加工。雖然一般來說,同時實現這兩點是很困難的,但產業界似乎重新認識到,如果能同時實現這兩點,將會是工具機製造商強有力的差異化技術。


因此,這次的線上JIMTOF 2020,展出了許多具備機上測量功能,以及基於這些功能的修正加工、後續加工功能的工具機設備,例如透過採用觸摸式探頭、複製操作、影像類型等多種測量方法。這些方法是用來測量加工件的形狀,然後進行修正和後續加工,就像芝浦機械等部分廠商所展出可測量刀具形狀,並據此進行加工的刀具輪廓補償功能。這裡重要的是,這些補償技術是建立在工具機本身精度高、品質好的前提下,讓工具機的運動精度更高、更穩定。


利用數控能力與人工智慧 達到高精度加工

傳統上,在進行加工作業時,有很大程度都是依賴熟練技術人員的經驗和直覺,來保持穩定的高精度生產。但是隨著這些資深技術工人的陸續退休,愈來愈多的工廠就期待能有功能性更強大的設備來取代這些技能,這是目前加工業界一個相當重要的問題。


在大量的導入人工智慧後,會讓各種工具機設備提升能力進而擴大使用領域,同時在未來更期望取代資深的技術人員。例如MAZAK的Mazatrol Smooth Ai電腦數控(CNC)機床就配備了高度人工智慧,可將建立加工程式的時間從約30分鐘大幅減少到2分鐘,並且透過對加工件的測量資料歷史的深度學習,識別出加工誤差的模式,以及自動校正加工資料並抑制了主軸的顫動振動。


大隈2018年發表用於衝壓模具用的門型MC-MCR-S,就是追求高加工精度下的最新產品,往返步距可達到小於0.5微米。利用這樣的精度,可以消除必須對模具進行手工拋光的步驟,這在過去是很常見的做法。不過,除了提高精度外,大隈還利用高度數控機制為MC開發了一項新技術-「穩定的精度診斷功能」,使其能夠在不依賴熟練技術人員的情況下,仍舊可以保持高精確度。


此外,也允許設備自我評估加工空間的精度下,自動進行校準;也可以透過內建的「3D校準」能力,允許操作人員在45分鐘內就可以輕鬆完成設備的校準。2018年當時由於成本考量,大隈將這兩項功能設定為選購,不過在2020年11月發佈的最新MCR-BV中就被定為標準配備。


針對設備高精度的提升,DMG森精機也與NIKON合作開發了一種非接觸式測量系統,這個系統可以在機床上進行測量,而不需要特別使用特殊量測設備。該系統使用雷射照射,來測量達到微米單位的點群,甚至可以在短時間內測量大型複雜形狀的加工件,如大型齒輪和渦輪葉片。DMG森精機總裁森雅?表示,「我們可以在設備卡盤時,測量那些即使在3D中也難以測量的東西,同時還可以用於高精度的加工。」


對於工具機中的主軸熱位移補償功能來說,在過去往往被當作選配的套件,但現在已有與來愈多的數控(NC)設備已經導入人工智慧(AI),可以實現更精確的熱位移補償,包括MAZAK和TSUGAMI在內的許多業者,都已經將其功能作為標準配置。熱位移修正是根據相關元件的溫度測量值,來預測和修正熱位移,卻容易受到時間延遲和環境溫度變化的影響,為了彌補這些不足,就必須利用人工智慧來提高修正的準確性。


例如,村田機械和?澤鐵工所(Takisawa Machine)發表了能直接測量,和補償相關結構件熱位移的數控車床。雖然過去一直採用這種直接測量的方法,但如果能建立更合適的測量標準,將是一種更可靠的有效方法。


另一方面,為了高精度與抑制旋轉時出現誤差,牧野開發出了內建旋轉工作台的5軸加工中心(MC),它回到了工具機設計的基本原理,實現了高精度和高品質(圖2)。如圖2 (b)所示,工作台的旋轉軸被設計成傾斜45度,這樣可減少旋轉時的重心移動,從而增強運動特性。



圖2 : 工作台旋轉時,達到最小重心移動變化的結構。(source:日刊工業;智動化整理)
圖2 : 工作台旋轉時,達到最小重心移動變化的結構。(source:日刊工業;智動化整理)

針對在陶瓷等脆性材料加工的測量自動化,牧野也在脆性材料加工專用設備的eGrinder BG500 MC中增加了刀具形狀測量功能。在傳統的脆性材料加工中,砂輪工具的測量和磨損管理過程,都是由資深技術人員透過手工進行的,這一直是自動化的挑戰之一。


為了解決這個問題,牧野的電鍍砂輪測量功能,可以自動測量砂輪的形狀,並判斷形狀是否合格,從而使這些過程達到自動化的目標。牧野的桑島拓哉表示,這個新系統將可以實現「不依賴人類技能就可以進行刀具的測量」,來提高加工效率,增加砂輪刀具的壽命和精度。


超越無人駕駛的智慧工廠技術正在全面展開

從持續發展的先進製造業角度來看,過去一直被認為是「省人、省力、無人」的目標中,對於「省人」的這個需求,已經逐漸發現似乎不太實際。因此有些產學專家想把「省人、省力、無人」變更成「智慧工廠化」,並作為一個新的目標。這次JIMTOF 2020展會上,可以發現到為了實現這一目標,各大業者都積極的推廣了一些技術趨勢,包括:


1.製造現場各種作業的先進自動化;


2.製造現場的視覺化;


3.加強與製造生產線的互動可能性。


在生產線上,作業人員需要進行許多操作,例如加工參數與程式的建立、必要刀具的準備和管理、加工材料在托盤上的安裝、加工物件的裝卸入庫和出庫等,因此許多工程師不斷地努力,將這些操作使其高度自動化。因此許多工具機業者,已經開始提供自己的製程設計支援軟體,為自己的工具機進行程式設計,例如研磨過程比切削過程需要更多的設定工作,促使設備增加了各種許多設定操作的自動化,如平面、圓柱、無心等。此外,加工所需的刀具,和加工材料準備的支援軟體,也獲得到了強化。而針對加工物件方面,各工具機大廠正加強工具機的托盤儲存機構和儲存系統,並提供自己的管理系統。


另一方面,作業人員在設備加工過程中,所需要進行的各種操作也被高度的自動化,特別是導入機器人的協助。除了安裝和拆卸加工件外,現在還可以完成許多其他任務。就像大隈的Armroid機器人可以協助操作排除碎屑、抑制振動,甚至可以自行對設備進行清潔工作。


與過去一樣,「視覺化」技術的開發,也在工廠運轉條件、工廠設備(包括工具機、設備元件、加工技術以及各週邊設備)方面取得了進展。就像工具機與工具機之間、人與工具機及周邊設備之間的連接技術,是此次線上展覽最多的展出技術。透過各公司利用物聯網提供解決方案,以及軟體的連接技術等已經可以實現一定程度的互動能力,使得網路化技術也越來越重要。


視覺化方面,DMG森精機JIMTOF 2020發表了利用攝影鏡頭觀察碎屑的積累,利用AI來判斷積累的狀況,然後進行精準清潔的技術。此外,DMG森精機也展出許多以減輕各種維修任務工作量的相關技術。


在這次JIMTOF 2020的線上展覽上,有很多模組化工具機的展品,這些工具機可以靈活地連接成各個功能模組,形成生產線所需的設備平台。以光洋機械展出的設備為例(圖3)。這部立式磨床,透過模組化的工具機,可以構成了一條生產線,進行平面、內圓、外圓、端面、溝槽等各種磨削加工,而生產線上加工件的傳送,都是藉由機械手臂來完成。



圖3 : 透過單元模組所構成的立式磨切生產線。(source:日刊工業;智動化整理)
圖3 : 透過單元模組所構成的立式磨切生產線。(source:日刊工業;智動化整理)

結語

工業4.0的目標是實現單一產品的大量生產,但這方面的需求還是有限的,目前看來,實現高效率的多樣少量生產的技術還是被高度的關心和開發。


就像Brother Industries展出了一款多工處理機,該設備採用了車床的5軸多工結構作為MC基礎,主軸單元安裝在一個機座上,雖然這樣的形式是基於車床結構下來開發的,但事實上對於MC設備來說,這一點很獨特。


BUFFOLI (S&F)轉印設備(Transfer Machine)能夠快速且大量生產單一產品。在歐洲,有許多旋轉轉印設備製造商,透過在每個加工站(Station)加入5軸模組,來達到可以同時混合生產多個尺寸不同的加工件。


就如前述,這是因應未來對多樣化、小生產量需求將不斷增加下,有必要考慮能夠處理各個生產要求的工具機結構。同樣的目標,西鐵城機械也展出了一個由四個模組所組成的多加工站設備,如圖3所示,它可以讓加工件以三種不同的模式傳送進行,和BUFFOLI設備類似,是非常進行適應多樣化、高混合、小數量的生產應用。


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