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工業4.0與物聯網 引領智慧CNC數控技術趨勢

2018-05-08 16:38CTimes零組件

【作者: 王景新】

2018年5月(第36期)CNC數控系統
2018年5月(第36期)CNC數控系統
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要實現智慧製造的願景,數位化與電腦化是最關鍵的一環,而在精密製造領域也同樣如此,透過數位化和電腦化的數控工具機,將可依照已編程好的程式對任何產品和零部件直接進行加工了,而這就是「數控加工」。而數控加工廣泛應用在所有機械加工上,更是模具加工的重要發展趨勢。

從字面上看,「CNC」就是Computerized Numerical Control的縮寫,也就是電腦化的數位控制技術,是利用數位化的指令對工具機運動及加工過程進行控制的一種方法。運用數控技術的工具機,或者配備數控系統的工具機稱為數控工具機,其整個系統概略可分為:數控裝置、可編程控制器、主軸驅動器及進給裝置等。

圖1 : CNC數控技術涵蓋層面示意圖。(source:工研院)
圖1 : CNC數控技術涵蓋層面示意圖。(source:工研院)
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而要實現對工具機的控制,就需要用幾何邏輯來描述刀具和工件間的相對運動,以及用製程資訊來描述工具機加工必須具備的一些製程參數,例如:進給速度、主軸轉速、主軸正反轉、刀具轉換和冷卻液的開關等。

智慧、整合、多軸、機聯網四大趨勢

根據Gardner Research的研究數據顯示,2016年台灣維持全球第七大工具機生產國,產值37.13億美元,較2015年40.4億美元,負成長7.9%。同年台灣出口值達29億美元,為全球大五大出口國,出口比率達78%。目前國產工具機採用國產控制器,主要為放電加工機、磨床、具床等機型,由新代、寶元、台達電及舜鵬等支援。至於綜合加工機、車削中心等中高階工具機占比不到10%。

「智慧製造下CNC數控技術發展趨勢有智能加值軟體化、精密機械與工業手臂整合化、多軸多系統化、工業4.0機聯網化等四大趨勢。」工業技術研究院智慧機械科技中心智慧機械技術組組長孫金柱指出,工研院將協助廠商把握這四大趨勢,在CNC數控技術維持領先。

圖2 : 工業技術研究院智慧機械科技中心智慧機械技術組組長孫金柱執行CNC切削實...
圖2 : 工業技術研究院智慧機械科技中心智慧機械技術組組長孫金柱執行CNC切削實機操控。(攝影/王景新)
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採訪伊始,孫金柱迫不及待地介紹桌面上這兩個以五軸刀具中心點控制機能驗證產出的精巧葉片,由工研院研發的該工具機支援刀具中心點控制機能、S曲線加減速、自動轉角減速功能、相容於Fanuc G碼,G43.5,加工時間只要六分45秒,相較以往一個葉片須耗時兩三個小時,大幅縮短生產時間,並提高良率。

孫金柱解釋,Mazak、DMG MORI、Okuma等工具機大廠紛紛開發各式智能加值機能,讓使用者選用,驗證了智能加值軟體化是大勢所趨。「DMG MORI的CELOS,還有Okuma的Apps。」工研院自行研發的車銑複合機就導入了UI介面,讓各種參數一目了然,降低使用者門檻。

精密機械與工業手臂整合見諸日本Fanuc與德國西門子,均朝向精密機械與機器手臂整合控制。多軸多系統化可見Fanuc、三菱與西門子都將控制器的系統數與軸數同步向上提升,以因應CNC多軸自動車削中心等需求。「如Fanuc由10系統提升至15系統;西門子由10系統提升至30系統。」至於工業4.0機聯網化,孫金柱舉例,像Fanuc以FIELD System,Okuma以Smart Factory,提供智能化工廠控制解決方案。

CNC數控技術涵蓋層面包括智能化全數位中衛體系,整合伺服、SI、五軸組件、機器人、iCAM、線上量測等,提供產業智能控制total solution。孫金柱說,國際標準全數位架構,以製程系統、伺服與週邊國際標準介面,實現資料擷取、應用與交換無縫通信的控制架構。

航太級龍門五軸加工機正是產業推動成果案例,搭載進階智慧加值功能,加裝工研院智能化sensor模組,合作開發客製化功能軟體,「包括:加工顫振抑制、加工歷程記錄、健康預兆診斷等。」

國產EtherCAT數位控制器 開發智慧控制機能

此外,導入國產EtherCAT全數位控制器,開發智能控制機能,搭配龍馬內藏式主軸及正頻高響應CS主軸驅動器,完成高智能車銑複合加工機開發。顫振抑制系統、對話式程式、遠端監控、快速加工模擬等智能App嵌入EtherCAT全數位車削控制器。透過一層層的技術堆疊,成功打造出國產全數位高智能車銑複合加工機。

圖3 : 以前要花兩三小時完成的葉片,使用新機型不到七分鐘即可產出。(攝影/王景...
圖3 : 以前要花兩三小時完成的葉片,使用新機型不到七分鐘即可產出。(攝影/王景新)
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同時,工研院整合立式五軸加工機、6KW雷射源、送粉機、同軸噴粉加工頭、CAD/CAM軟體與雷射複合控制器,建置CNC五軸動態LMD試製平台,同時建立高效率與高品質LMD製程技術,可針對金屬元件與模具,進行3D表面披覆、二次加工強化及再生修補等功能,達到更耐磨、更抗蝕、壽命延長功效,甚至可直接成型製造高複雜、結構強且質輕的金屬零組件,彌補減法加工限制。

工研院並強調,其試製平台歡迎國內金屬模具、航太、鋼鐵、石化、機械五金等,產學研各界合作使用。工研院雷射與積層製造科技中心已引進全台首座6000瓦高功率雷射設備,於六甲院區建置雷射金屬沉積(LMD)3D列印試製平台,提供國內產業從設計、模擬分析與複合製程完整金屬3D列印整合驗證方案。

軟體方面,工研院研發的Vmx Host為一智能化App執行環境,提供感測通訊、控器通訊、大數據庫存取、操作日誌、ERP介面等底層服務,大幅簡化智能化軟體開發的技術門檻,用戶可自行開發專屬的人機介面風格。

孫金柱表示,CNC數控技術在智慧製造的布局重點應著重在工業4.0高階智動化控制平台。例如:高整合性開放式多軸多系統控制平台,具備三(五)軸與車銑控制核心,整合性伺服與Windows人機。無縫通信是以製程系統與週邊國際標準資訊介面,實現資料擷取、應用與交換無縫通信的控制架構。虛實整合控制部分,以精密控制核心整合加值軟體與感測器,實現虛體與線上雙回饋的虛實整合控制。

高智能單機與智動化系統控制平台也同等重要,整合製程化人機與智能控制應用Apps,實現單機智能化與系統彈性智動化的高階智能化控制平台,提供工具機、產業機械及工業robot等精密設備產業導入應用。

而在智慧化的趨勢下,工研院也將會持續研發高階控制器,推動智慧製程軟體、高荷重robot以及高階車、銑控制器自主,支援智慧製造示範場域建構。同時,針對航太、汽

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