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刀具監測連網無遠弗屆 支援智慧工廠增效加值

圖1 : 終端加工業者從生產線設備連網開始,希望利用即時取得設備、零組件、刀具等狀態及運作過程並記錄留存。(source:news.mapal.com)
圖1 : 終端加工業者從生產線設備連網開始,希望利用即時取得設備、零組件、刀具等狀態及運作過程並記錄留存。(source:news.mapal.com)

【作者: 陳念舜】

面對現今國際通膨加劇與長期淨零碳排趨勢,除了工具機廠商不斷推陳出新機種,對於有意打造智慧工廠,利用廠內生產數據來增效減碳的加工業者而言,也紛紛針對耗材用量最大的刀具進行監測,除了可用來預診其壽命,以免損及生產效率和品質;或者因過度太早更換,而造成不必要的浪費,相關刀把及量/感測業者也發表各種無線聯網解決方案。

尤其隨著傳統燃油車輛快速朝向電動化推進,對於汽機車零組件、模具加工應用約貢獻其營收40%的工具機產業而言,雖是短期內訂單大減的危機,卻也可能是升級轉型的難得契機。業者除了推陳出新多款雷射、車銑複合、五軸等高階金屬切削/成型加工機種,搭配化繁為減工法,以克服輕量化材料的難切削特性;同時結合智慧自動化單元(Cell)、整線解決方案(Turnkey Solution),打造智慧工廠,以兼顧總體加工效率OEE與減碳(廢)需求,持續產出良品。

相關應用場景如下:

1.剎車盤智慧型生產系統,共整合車床、鑽孔攻牙機、量測與倉儲設備,以及3D感測裝置、工業機器人,同時結合遠端監控技術,3D即時仿削與干涉檢查、切削負載監控等功能,以及智慧型夾爪感測器、線上工件動平衡分析等自主技術。

2.鋁輪圈生產系統,因應多家廠商陸續推出整合工具機與工業機器人的汽車鋁輪圈自動化生產系統,台灣廠商也與學界合作導入自動虛擬量測技術,盼能進一步穩定加工品質;

3.汽車鈑金生產線,由於台灣廠商生產的沖床已供應諸多海內外汽車廠,用於生產車用鈑金,進而開發汽車鈑金縱列式生產線,納入包括拆垛送料機、清洗機、置中裝置、工業機器人及末端送料系統,以大幅提升生產效能。

終端加工業者為了迎合工業4.0智慧製造趨勢,也從生產線設備連網開始,希望利用即時取得生產線設備、零組件、刀具等狀態及運作過程並記錄留存;並導入熱補償功能、微潤滑切削工法等,以減少使用高耗能的傳統冷卻設備或冷卻切削液。進而結合專業知識、智慧診斷與決策,形成智能化生產系統,調節各項生產資源,減少不必要的浪費。

其中針對金屬切削必需的刀具無線監測功能,首要須具備3大重點,包含:準確識別、即時定位、有效資料交握。其中在準確識別的基礎上,早期須透過貼附或雷射雕刻QR code於刀把上,價格便宜但能記錄資訊有限、彈性低,仍須仰賴大量人工作業,且對於環境耐受度不佳,容易發生磨損等問題,所以目前刀把無線通訊系統主要分為:RFID、藍牙、WiFi module,支援各種連網通訊協定。

巴魯夫RFID解決方案 導入前端刀具管理數位化

德國百年企業巴魯夫公司(Balluff)進一步分析客戶導入RFID管理刀具的效益,除了有別於傳統手寫方式,容易造成錯/漏寫,或記錄遺失而不易管理;以及採用條碼時,容易遭受髒污、粉屑刮傷等,且只能讀取刀把資料,無法即時更新。目前透過RFID管理刀具,不僅可耐油污、粉塵環境,且能確保刀具資料不遺漏、可隨時複寫更新,易於管理領、用作業。

該公司從1921年生產感測器起家,到了2006逐步朝向工業網路領域發展,並利用旗下完整產品線優勢,推出以工業級RFID晶片模組為核心的智能刀具管理解決方案,導入製造業現場加工端流程。從而分別進行產品及刀具編碼,藉以方便識別,安全追蹤料件、儲存及隨時調出所有相關的刀具數據。

從客戶購入新刀具開始,便將RFID標籤黏附嵌入於刀把,並輸入所有刀具最新參數等資訊,對於在加工完成後造成的磨耗,進行刀具壽命控制,若經過現場人員憑經驗判斷毋須修邊研磨者,可直接送入刀具庫(室)。否則將回到刀具管理階段,由測刀儀取得經研磨修邊過後,改變的刀長、半徑等最新數據並覆寫到RFID 標籤,從而隨時更新資訊,讓使用者掌握真實刀具壽命和數量。

目前巴魯夫RFID系統主要可分為3部份,包含:處理器,採Ethernet TCP/IP介面,也適用IO-link、CC-link、ProfiNet等各種通信協定,能同時連結PLC和4個讀寫頭;讀寫頭,尺寸小至M16*55mm,使之安裝方便;資料編碼模組O10x4.5mm可如同電腦USB一般無限次讀取,並在30℃、70℃環境下編寫50萬~100萬次不等,以隨時更新資料。

圖2 : 巴魯夫強調,現今刀具管理系統除了以RFID硬體為監測核心之外,還須仰賴團隊合作,提供最佳解決方案。(source:pressebox.com)
圖2 : 巴魯夫強調,現今刀具管理系統除了以RFID硬體為監測核心之外,還須仰賴團隊合作,提供最佳解決方案。(source:pressebox.com)

當讀寫頭被置於機內(刀庫)上下兩端,對資料編碼模組進行非接觸讀寫時,為免受到金屬干擾而使用超低頻訊號,必須維持<2.5mm距離。甚至在客戶購入新機時,即須與工具機廠商協調,在內部加裝機構以推動讀寫頭靠近晶片。以及為因應客戶廠內工具機品牌繁雜,在多機整合環境,也可安排讀寫頭於機外讀寫刀具編程。

巴魯夫同時強調,現今刀具管理系統除了以RFID硬體為監測核心之外,還須仰賴團隊合作。包含由工具機廠商協助導入、交換資料;經過刀把廠商挖孔,以黏貼嵌入晶片並達到動平衡;對刀儀廠商,在刀具加工完成後量測,將更新研磨修邊後的參數資料寫入標籤;以及系統整合商協調提供最佳解決方案。

後端結合IO-link連網 掌握智慧工廠關鍵數據

針對現今一般智慧工廠內可能遍布大量感測器,必須有效減省配線,又能即時監控需求,巴魯夫也為此提供完整IO-link解決方案,支援目前所有通訊協定,不限於控制器品牌。且有別於傳統配線要求每顆感測器,都必須個別拉線回到DI模組,導致龐雜線路不便查找、維護,之後雖然提供集線盒將感測線路集中,再經單一線路回到DI模組,仍只有部份省配線效果。

如今,客戶可透過底層IO-link,將所有感測器模組都集中於主站Master模組,再經過單一通訊總線直接回傳上層PLC,得以方便維護、更新廠內大量感測器、設備的監控狀態,易於現場連網管理。

依巴魯夫指出,IO-link屬於一種非類比式的點對點通訊模式,得以即時蒐集數位/類比感測器狀態雙向溝通,雖然只要是該協會成員供應商都能支援。但該公司約有48%產品使用IO-link,尤其適用於大量感測器、設備場景,易於熱插拔而方便現場裝配及維修、遠距即時監控模組,執行預診保養、日常維運,在Profinet架構最多可擴展496個DI模組串聯,再接線回主站Master。

圖3 : 如今客戶可透過底層IO-link,將包含刀具等所有感測器模組都集中於主站Master模組,再經過單一通訊總線直接回傳上層PLC,易於現場連網管理。(source:balluff.com)
圖3 : 如今客戶可透過底層IO-link,將包含刀具等所有感測器模組都集中於主站Master模組,再經過單一通訊總線直接回傳上層PLC,易於現場連網管理。(source:balluff.com)

中小企業刀具監測 新增Zigbee選項

然而,卻也有台灣刀具廠商指出,經由導入RFID的環境耐受度佳,可重覆編寫資料重覆使用等優勢,雖能讓刀具生命管理概念,終於不再只是在資料庫中,可望而不可及的大量雲端數據。將大幅拉近管理資料與實際操作者的關係,讓使用者可透過簡單的實體讀取介面,如經過讀取頭觸碰,就能自動化取得大量有用資料。

但受到RFID本身被動的特性限制,目前僅適合貼附標籤嵌入刀具的金屬表面,導致標籤價格居高不下;且無法埋入感測器,主動回饋外在環境條件、工作狀態,以及後續智慧監控、加工反饋、即時定位等應用。

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2022.8月(第83期)5G智慧工廠
2022.8月(第83期)5G智慧工廠

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面對現今國際通膨加劇與長期淨零碳排趨勢,除了工具機廠商不斷推陳出新機種,對於有意打造智慧工廠,利用廠內生產數據來增效減碳的加工業者而言,也紛紛針對耗材用量最大的刀具進行監測,除了可用來預診其壽命,以免損及生產效率和品質;或者因過度太早更換,而造成不必要的浪費,相關刀把及量/感測業者也發表各種無線聯網解決方案。

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