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齒輪螺桿加工機朝數位轉型

圖1 : 2016年上銀集團旗下邁萃斯精密公司趁勢推出首部台製CNC五軸同動傘齒輪切齒機,於外銷機種選配Siemens數控系統及自家對話式視窗軟體及刀庫,極具國際市場競爭力。(攝影:陳念舜)
圖1 : 2016年上銀集團旗下邁萃斯精密公司趁勢推出首部台製CNC五軸同動傘齒輪切齒機,於外銷機種選配Siemens數控系統及自家對話式視窗軟體及刀庫,極具國際市場競爭力。(攝影:陳念舜)

[作者 陳念舜]

經歷近年來數控技術的成熟發展,在工業4.0及數位分身潮流的推波助瀾下,即使傳統CNC數控系統於齒輪/螺桿加工亦非全無用武之地。包括國內外工具機等OEM設備製造廠商,也紛紛與歐系大廠Siemens、NUM結盟,開發客製化人機介面及模擬軟體,以支援齒輪/螺紋磨削專業加工機增效節能或數位轉型需求。

因應現今齒輪加工法、應用不斷推陳出新,台灣齒輪加工機製造廠商雖然早年便看好傘齒輪的技術門檻最高,較具競爭力,但經過這十餘年來努力之下,目前已真正商品化的CNC齒輪加工機包括滾齒、刮齒和磨齒等機種,卻都只侷限於加工圓柱齒輪,能加工傘齒輪者仍付之闕如,也無相關量測設備。未來勢必要在現有基礎上,整合齒輪刀具和工具機,並加強在傘齒輪刀具、插齒刀、拉齒刀,以及?力刮齒或滾插刀具等方面發展。

然而,過去因為傳統齒輪磨齒程序屬於特殊且困難的工藝,必須仰賴技術純熟人員,操作昂貴的歐系專用機種才能達成,直到2016年台灣國際工具機展(TMTS)上銀集團旗下邁萃斯精密公司,始趁勢推出首部台製CNC五軸同動傘齒輪切齒機,除了所加工的齒輪精度可達到德國標準DIN-4等級時,足以匹配電動車高轉速/功率馬達,也為齒輪製造業者帶來發展曙光,將主攻高端齒輪及特殊加工機領域,以提高競爭力。

同時強調除了關鍵零組件100%「MIT」台灣製造,搭配工業機器人可最多達到3天24hrs無人操作,且穩定生產的磨齒單元之外;並對於外銷機種選配Siemens數控系統及自家對話式視窗軟體及刀庫,售價僅約歐系同級機種1/3,極具國際市場競爭力。

Siemens發揮運動控制強項 協助導入數位分身轉型

台灣西門子公司指出,該公司在齒輪加工應用領域,主要可發揮SINUMERIK系列控制器在運動控制上的強項,提供加工系統所需耦合功能(Coupling function),包括同步、插補、電子齒輪(自定義曲線表/多級跟隨)等,皆可透過統一的操作與程式設計、一致的訓練和維護,確保達到最高的生產協同效應,現也持續與台灣齒輪加工機大廠邁萃斯、和大,以及上銀在導螺桿製造密切合作,以達到機械製造業者希望達成之特殊加工目的。

但西門子也坦言,由於齒輪/螺桿加工專用機廠商還是很重視齒型、模數設計等Domain knowhow,甚至還要搭配量測自動化設備,並非傳統CAD/CAM軟體或CNC數控系統能完全勝任,西門子則可提供這些機械製造業者,所需二次開發客製化人機介面(HMI)環境,終端使用者也不必擔心進入太複雜的環境編程,才能加工,西門子並將其HMI分為不同等級:

1.Easy Screen:基於西門子既有架構上另開視窗,輕易延伸人機畫面功能,連結客戶加工程式,但缺點是彈性應變能力較差。

2.Create MyHMI WinCC:讓客戶可利用西門子旗下自動化部門的WinCC系統環境,經過拖曳視窗內應用程式工具來開發客製化HMI,還可供外部其他系統整合商(SI)協助使用。

3.Create MyHMI/3GL:係因應大部份齒輪加工機大廠都會在Windows OS架構上開發獨有HMI,利用一般程式語言編輯之後,再與西門子HMI整合,所以機械廠內必須建立專業編程工程師團隊,將齒面設定、修整等功能都內建於數學函式資料庫,以快速形成加工程式。

例如工具機大廠DMG MORI集團,便搭配西門子控制器核心,支援近年來備受業界關注的強力刮削(Power Skiving)工法,將工件和刮削刀具設定一定角度並同步旋轉來生成齒輪,並解決了以往編程複雜,必須耗費大量時間創建的缺點。

如今操作員已可以通過對話式編程,快速設置齒數和角度參數,輕鬆為每個客戶創建最佳程序,同時檢查顯示於該公司CELOS控制器HMI的圖形,進而搭配DMG MORI五軸、車/銑複合加工中心機,單機進行正齒輪和外/內齒輪加工,大幅縮減加工時間及誤差。

由於目前許多齒輪加工的研發能量都還在學界,西門子也為了未來五軸、銑車複合機種製造廠商,可望進入齒輪加工領域而提早布局,盼建立泛用機的標準而降低門檻。

隨著近年來還有越來越多歐系齒輪加工專用機大廠,為了加值應用而開始推出整線/廠自動化Turnkey解決方案服務、導入數位分身(Digital Twins)等科技來驅動數位轉型。西門子也藉此引進自2019年問世的SINUMERIK ONE數位原生控制器,以提供機械製造廠商全數位開發環境。

既可納入具備機構、電控系統、軟體與加工應用knowhow的虛實客製化開發模組,在工程開發階段即導入彈性應用,以縮短打造新機流程,加快30%上市時間。待完成後產生標準車/銑工具機的3D模型,可供機械業加工測試及教育人才,並有效提高生產力,此概念最早也是源自滾齒專用機。

圖2 : 隨著近年來有越來越多歐系齒輪加工專用機大廠,為了加值應用而開始推出整線/廠自動化Turnkey解決方案服務、導入數位分身等科技來驅動數位轉型。(source:i.ytimg.com)
圖2 : 隨著近年來有越來越多歐系齒輪加工專用機大廠,為了加值應用而開始推出整線/廠自動化Turnkey解決方案服務、導入數位分身等科技來驅動數位轉型。(source:i.ytimg.com)

如今還能經西門子開放CNC數控系統SINUMERIK 840D sl與旗下NX MCD、機電一體化系統軟體連結,以提供機械廠加工並整合自動上下料、機上量測等機構及機電系統,已聯手約40家歐系大廠,都在同一平台完成Turnkey加工應用及二次開發HMI測試,約可縮短30~40%開發新機時間。

再加入2019年併購的OMATIVE自適應切削技術,將能陸續具備加工製程最佳化(ACM)、機台保護監控(VCM)、生產製程監控與改善(AVCM)等功能。不僅能藉此提升車/銑床加工效率最佳化、穩定製程,以提高生產力、品質和可用性,並維持於穩定加工負載下,縮短加工時間;針對Power Skiving/Gear Skiving特別耗損刀具的缺點,透過檢知刀具破損來延長刀具壽命;進而監控主軸負載,防護機台過載或碰撞,減少意外停機時間,現已逐漸受到航太、汽車製造業歡迎,用於滾/磨齒加工領域。

NUM引進軟硬體解決方案 輔助建立齒輪加工knowhow

至於瑞士齒輪加工專用機CNC控制器大廠NUM,也提出相關開放性軟硬體NUMgear解決方案,已完全整合到目前Flexium+控制系統中,並提供了互動式人機介面,客戶僅需經數小時培訓,便能輸入工具機、刀具、工件資料及定義加工過程,開始在滾齒機、創成磨齒/珩齒機、圓筒磨床上採用各種不同的方法來生產齒輪。

一般來說,滾齒和創成研磨的連續加工是最高效率的生產方式,搭載NUM數控系統的工具機加工的齒輪精度,最高可分別達到創成研磨DIN-1、滾齒DIN-3標準。還可以在磨削時,修改不同齒面(輪廓)。

台灣力盟公司業務經理吳松憲進一步指出,目前NUM與台灣工具機等OEM設備製造廠商的合作模式,除了對於未具備齒輪加工專業knowhow者,能利用NUM公司的Flexium+ CNC數控系統、電子齒輪箱等功能;並基於Flexium CAM 編輯器建立獨有客製化HMI,整合內/外徑研磨程式;還提供必要的研磨模擬技術,可供選擇提前於離線時,或在線上加工同時執行。若有其他已具備相關knowhow的工具機製造業者,則能選擇搭配不同品牌控制器,再自行開發專屬HMI與循環。

例如因應現今業界新興的緊湊型齒輪箱製造需求、高速精密的多軸同動工具機問世,即可透過NUMgear滾齒專用套裝軟體系列的Flexium+CNC平台,在同部機器上完成滾齒和刮削工作,能更快速且有效地製造任何尺寸的內/外齒輪,使得齒輪加工業者能在刀具空間受限於緊湊型齒輪箱時,在其中一軸滾削大齒輪,並為另一軸上的小齒輪提供動力。

該軟體還利用了Flexium+控制系統同時配備了高度靈活且功能強大的電子齒輪箱(EGB),直接整合到CNC內核,改善了精度和速度,使刀具速度可高達25,000rpm,提高了生產率。其中,多群組電子齒輪箱(MLEGB)的高速和精密特性,由使用者自定義齒輪箱中的任何軸,都可以成為另一個引導軸或跟隨軸、直線軸或旋轉軸,以增強靈活性;靈活地控制刀具的運動,甚至能在圓筒磨床上進行非圓型同動控制,打造出非圓齒輪及特殊的齒面形狀。

圖3 : 瑞士齒輪加工機CNC控制器大廠NUM,也提出相關開放性軟硬體NUMgear解決方案,已完全整合到目前Flexium+控制系統中,並提供了互動式人機介面。(source:num.com)
圖3 : 瑞士齒輪加工機CNC控制器大廠NUM,也提出相關開放性軟硬體NUMgear解決方案,已完全整合到目前Flexium+控制系統中,並提供了互動式人機介面。(source:num.com)

此外,由於NUMgear完全採用模組化設計,得以根據客戶需要,整合不同的使用者介面、專有技術和計算模組或其它進階功能,可任意在獨立工具機或公司聯網電腦的Windows系統上運行,也代表其可從移動設備或辦公室電腦上,對多台齒輪加工機校正,邁向工業 4.0。

當然,NUM也有自家數位分身解決方案,或者讓客戶選擇搭配外部3D模擬系統軟體商,提供VR工具與NUM控制器結合,又將前者分為:硬體迴路(Hardware in the Loop;HiL)、軟體迴路(Software in the Loop;SiL)兩種類型。

**刊頭圖(source:welter-zahnrad.de)

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