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智慧軸承掌握工具機動態
利用遠距長期監控健檢
[作者 陳念舜]   2022年03月26日 星期六 瀏覽人次: [2682]

為了協助終端加工業者提升整體設備總合效率(OEE),達到零停機(Zero Downtime)的理想狀態,近年來工具機製造廠商不僅分別透過自製,或結合關鍵零組件廠商進行異常狀態示警,以達到聯網化、可視化、透明化,即時維修更新之外;也開始加入內嵌式感測器,以長期監控實現預測化、智慧化願景,而與刀具、機台最接近的軸承勢將扮演最關鍵地位!


工具機大廠東台集團也在今年TIMTOS x TMTS以「智慧製造」為核心,整合集團資源展出「五化兩新」等7大面向技術,共涵括了:智慧化、自動化、聯網化、複合化、服務化、新產業及新製程,解決客戶的痛點,進而協助客戶進入智慧製造領域,發展包含多樣自製感測器、物聯網、大數據、人工智慧、智慧APP及數位管理等,來建構單機、整線生產系統之零件智慧加工平台。



圖1 : 東台經過整合自製MEMS感測元件,以壓低大規模長期監測成本,實現所有80餘種智慧化功能,從智慧製造底層開始練功。(攝影:陳念舜)
圖1 : 東台經過整合自製MEMS感測元件,以壓低大規模長期監測成本,實現所有80餘種智慧化功能,從智慧製造底層開始練功。(攝影:陳念舜)

綜觀東台提出的智慧解決方案中,即主要聚焦於製造執行系統(MES)以下領域,包括SCADA、CNC工具機硬軟體、智慧感測器等,其中的智慧感測器包括:智慧刀把、加速規、電子水平儀、功率計、機上盒等,又以加速規最為重要,待掌握之後才能真正實現後續應用。


目前在東台TIMS整機健康監控過程裡的「機台預兆保全」裡,共分為5大健檢項目:主軸軸承檢測、結構水平檢測、智慧夾放刀檢測、控制單元檢測、周邊工站檢測等,進而建立AI溫升模型,得知形變、主軸伸長量後,進行熱溫升補償來提高精度,自動持續生產良品。


但苦於傳統加速規的價格較為昂貴,即使近來引進半導體技術的微機電(MEMS)型感測器較為便宜,卻還須加入後續更貴的高速工業電腦(IPC)板卡、轉換分析軟體等,可能總體價格更高達數萬元。東台則將之整合為單一MEMS元件,以監測3軸資訊並壓低成本,實現所有80餘種智慧化功能,才能承受大規模長期監測、蒐集,並輸出多項溫度與振動資訊,從智慧製造底層開始練功。


產研自主開發內嵌感測器 為工具機主軸檢測加值

為了解決現今台廠從國外進口工業感測器比例高達90%的困境,經濟部也自2021年起透過科專計畫,由工研院微系統中心開發力覺、振動、視覺等關鍵感測器技術,補強台廠在技術的缺口。現今研發出的高解析度力感測器,可即時判斷機台異常與刀具磨耗等情況,相較於國際產品具備尺寸小、剛性高,售價約為一半等優勢,已經有超過10家工具機廠商將之導入應用於高階工具機以及關鍵零組件等設備,年產量超過百台,產值超過20億元。


包括可透過工研院開發具高剛性、薄型化以及高感測特性的力感測器,易整合於五軸加工機等設備內,直接偵測設備加工時的力量特徵並監測設備狀態,可應用於軸承、主軸狀態監控與健康預診,提升設備可靠度與穩定性,協助台灣五軸工具機廠商智慧升級。


以主軸健康預診系統量測主軸動態預壓力,並搭配溫度與振動特徵訊號擷取,建立線上量測、觀察主軸軸承受力狀態;透過智能診斷訊號鑑別技術,以可視化呈現主軸健康狀態,提供使用者掌握主軸狀態,即時偵測主軸異常狀態,降低非預期停機損失,提升機台稼動率。量測結果更可作為未來主軸開發之可靠度升級之重要依據,打破過往主軸預壓確認的常規方式無法量化之痛點。



圖2 : 為了解決現今台廠從國外進口工業感測器比例高達90%的困境,透過工研院開發具高剛性、薄型化以及高感測特性的力感測器,可應用於軸承、主軸狀態監控與健康預診(攝影:陳念舜)
圖2 : 為了解決現今台廠從國外進口工業感測器比例高達90%的困境,透過工研院開發具高剛性、薄型化以及高感測特性的力感測器,可應用於軸承、主軸狀態監控與健康預診(攝影:陳念舜)

台灣軸承專業製造廠東培工業(TPI)在今年TIMTOS x TMTS 2022也展出領先業界,自主開發的獨家軸承失效判斷系統,其搭載主軸用內嵌式感測環,係對外採購市面上新一代半導體製程MEMS感測元件,得以有效大幅降低成本。


再搭配東培自製高可靠度主軸精密軸承,構成智慧工具機關鍵核心元件,安裝在距離軸承、刀把最近的端蓋位置。可藉此直觀取得較佳整合溫度、振動等訊號品質,避免受到外在加工環境高溫、油污及碰損,落實主軸預防保養與預知診斷。


此優於傳統外接盒量測異常方式,將有助於客戶長期監控、採集資訊,判斷軸承受損位置;落實主軸預防保養與預知診斷、建立軸承健康指標,進而提前備料更換零組件,減少廢料。


東培認為,當少子化社會已成為未來趨勢,新一代年輕員工轉型投入產業學習時間倍受壓縮,很難再像過去苦學3年才出師。感測器則可扮演輔助整合資訊數位化的角色,將老師傅累積數十年的經驗知識快速壓縮量化,成為可供演算的邏輯程式,讓使用者不必費心思考Raw Data從何得來的始末,就能快速實現數位轉型。



圖3 : 東培今年展出自主開發的獨家軸承失效判斷系統,其搭載主軸用內嵌式感測環,安裝在距離軸承、刀把最近的端蓋位置,可藉此直觀取得較佳整合溫度、振動等訊號品質。(攝影:陳念舜)
圖3 : 東培今年展出自主開發的獨家軸承失效判斷系統,其搭載主軸用內嵌式感測環,安裝在距離軸承、刀把最近的端蓋位置,可藉此直觀取得較佳整合溫度、振動等訊號品質。(攝影:陳念舜)

NSK軸承協助數位轉型 強調產品價值在於服務

NSK在台灣總代理商永和順公司總經理陳百鈞進一步指出,其實NSK也是最早從軸承起家,成為日本第一大廠後,再逐步擴及線性滑軌/螺桿、DD馬達等產品。目前軸承仍占日本NSK營收95%;在台灣市場則占營收約85%,其餘10%~15%屬於線性滑軌/螺桿等產品,在日系同級產品的市占率僅次於THK。


「在所有軸承品項裡,又以精密軸承貢獻營收占比達50%居多,應用的主要客戶就是工具機及高速主軸等關鍵零組件廠商。」陳百鈞表示,前者包括:綜合加工中心機(Machine Center),用來高速輕切削加工智慧手機外殼的鑽銑加工中心機(Tapping Center),但近年來面臨中國大陸紅色供應鏈威脅;車削加工機近年來比重漸增,可用來重切削加工電動車、航太業工件,台廠仍在精度方面保有優勢。


例如現今電動車及再生能源產業裡的離岸風力發電等新興產業雖是未來主流趨勢,但這些產業的加工材料日新月異,且加工效率的要求不斷提升,重切削和超高速旋轉需同時兼顧的條件下,軸承壽命成為急待解決的課題。


在今年TIMTSO x TMTS首度發表的ROBUSTDYNA系列軸承,便採用NSK獨家具有優異耐熱性和耐磨性的SHX航太等級鋼材,因為剛性優於一般軸承鋼,使之負載能力增加15%、壽命(額定動載荷)延長了3倍,符合現今高速重切削需求。



圖4 : ROBUSTDYNA系列軸承採用NSK獨家SHX航太等級鋼材,使之負載能力增加15%、壽命延長了3倍,符合高速重切削需求。(source:永和順)
圖4 : ROBUSTDYNA系列軸承採用NSK獨家SHX航太等級鋼材,使之負載能力增加15%、壽命延長了3倍,符合高速重切削需求。(source:永和順)

另因應近年來國際工業4.0潮流,身為日本第一大軸承廠商的NSK當然也不能缺席,客戶可以透過NSK高性能的遠端振動診斷設備「Bearing Doctor BD-2型」,直接在機器外部透過無線藍牙測量和診斷出機器旋轉時軸承的狀態,再以手機App擷取顯示資訊。


去年四月更偕同發那科公司(Fanuc)的開放平台FIELD system,共同推出軸承狀態監測/診斷系統服務「ACOUS NAVI」,透過此系統搭配Fanuc的感測器,可以讓機器設備經由智能化提早發現軸承的異常和故障,達到預測性維護,而非等到異常發生後追溯。


在台灣客戶亦可上傳NSK雲平台,經由永和順或日本原廠的專業團隊代為分析,在台灣產出技術報告,以提高即時診斷、究責等時效。但陳百鈞強調:「使用者最好還是搭配NSK軸承,提供原廠頻譜等相關參數資料判斷,才能更為精準!」包括Fanuc也是NSK主力客戶,將軸承普遍用於CNC工具機和機器人關節軸部馬達。


未來該遠端監控軟硬體,也能延伸到離岸風機、軌道車輛等設備應用。希望藉由上述軟硬兼施的完善解決方案,幫助客戶達成產品所需的質量控制及數據收集分析,下一步也不排除與支撐座、電控、模組、系統等廠商深化垂直整合。


且從代理商的角度強調產品價值在於服務,如面臨後疫時期國際供應鏈瓶頸,機械業關鍵零組件產業紛紛傳出缺料、塞港、導致交期延宕或祭出漲價等措施,永和順因為庫存管理得宜,善用總代理比起分公司可大量囤貨的優勢,平時皆備有3個月庫存量;且將訂購系統直接與日本NSK連線,既掌握最新現品動態,直接空運急件來台之外,其他大部份產品仍仰賴海運進口。導致2020年不像同業調降庫存,反而逆勢提高庫存達9個月,趁這一波搶單受惠,2021年營收較2020年大幅成長30%,接近台灣工具機產業成長幅度。


約10年前永和順便在華亞科學園區自建占地2,200坪大型物流中心統一發貨,既符合軸承品項繁雜、要求保存空間低發塵和潔淨保存的要求。今年底還將成立經日本NSK原廠指導成立的專業裁切室,以獨立空調維持恆溫作業,專門用來裁切線性滑軌,而非傳統委外裁切模式;再經過量測設備及發泡填充物包材,來防止於搬運過程中碰撞而影響軸承精度、品質。


結語

因應近年來工具機持續朝向智慧化加值發展,又受到供應鏈瓶頸及客戶提高庫存備料需求,勢將更為壓縮原來可停機保修時間,主軸軸承健康指標及預知保養則是工具機智慧化的關鍵所在!工具機產業除了更應該加強整合既有智慧感測技術、系統整合技術、預測性維護、機台參數監控與高度資通訊技術,以達到智慧化與彈性化製造目標。


進而迎合現今數位轉型趨勢,不能再像過去賣設備,只靠著人員及經驗處理,而必須透過蒐集、分析數據,也就是一般所稱的整體設備總合效率(OEE),包括稼動率、產能效率、良品率都能隨之提升,才能有效應對市場變化,克服少量多樣的彈性生產、單件也可以生產的製造業挑戰。


*刊頭圖(source:superiorspindle.com)


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