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發展國產控制技術 打造智慧機械之關鍵里程碑

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國際知名的工具機大廠DMG MORI,對於機器保護控制、自動化調機、主軸監控、變轉速控制等等多項技術的研究著墨至深,期望打造更精良的智慧工具機。來源:DMG MORI

舉世各國致力促進生產與服務全面聯網,實現智慧製造,包括美國AMP、德國工業4.0、日本4.1J及中國製造2025,都是基於此目的催生的方案;台灣則啟動「智慧機械產業推動方案」,以創造製造業下一波新動能,如何加速開發智慧機械自主關鍵技術,實屬重大課題。

隨著蔡英文總統揭示五大創新產業政策方向,將智慧機械列為其中之一,經濟部也據此推動「智慧機械產業推動方案」,使得「智慧機械」躍為顯學,期以台灣精密機械及資通訊科技能量為基礎,導入智慧化相關技術,建構智慧機械產業新生態體系,使台灣成為全球智慧機械研發製造基地及終端應用領域整體解決方案提供者。

論及智慧機械產業推動方案,「技術深化、建立系統性解決方案」可謂一大重點,舉凡智慧型人機協同與機器視覺之機器人結合智慧機械產業應用,發展高階控制器、提高智慧機械利基型機種使用國產控制器比例,乃至打造台式工業物聯網科技,種種議題,皆成為產官學研各界著力的重心,旨在讓精密機械升級為智慧機械。

在這股浪潮引領下,環繞智慧機械主題的研討會、論壇與研習活動,無論舉辦頻率或深度,都較以往增加。舉例來說,台灣區工具機暨零組件工業同業公會於今年(2016)上半開始推啟動邁向工業4.0系列課程,也將智慧機械產品設計與開發(含智慧機械開發流程、智慧機械同步工程與協同開發、智慧機械開發流程的系統化描述等內容)、機電一體化概念設計,以及智慧機械3D建模與參數產品開發平台等等攸關智慧機械的題材,列為課程重點。

此外,積極投入精密機械製造系統、即時多工智慧控制、智慧感測系統、智慧產業應用與管理等研究計畫的中正大學前瞻製造系統頂尖研究中心(AIM-HI),也在2016年10月主辦「智慧機械暨國產控制器成果展」,現場展示電腦數值(CNC)控制器在串列通訊上的技術突破,及多項創新技術,一旦今後進入實際應用,可望顯著提高工具機產業的競爭力。

發展國產控制器  提升機械產業競爭力

眾所皆知,放眼全球,台灣工具機產業的表現堪稱亮眼,出口排名僅次於日本、德國、義大利等少數國家,穩定維持在前段班行列;然而由於控制器(可謂工具機的『心臟』)精度不及國外,致使業者必須長期向國外採購,假使國產控制器出現大幅進步,確實別具意義。

回顧CNC工具機源起,其實已逾一甲子時間,當時電腦及軟體工業尚不發達,因此CNC工具機這項結合電腦、控制技術的機械設備,稱得上最先進的產品。只可惜「小時了了、大未必佳」,隨著CNC工具機大量運用在機械加工業以來,多數廠商都僅側重工具機本身機械結構與控制效能的發展,重點包括結構剛性、主軸轉速、差補運算精度、進給速度及輪廓精度等項目,鮮少思考善用軟體技術來加速提升機器的效能與生產力。

直到90年代,包括車銑複合加工機、五軸工具機開始普及,使工具機功能的複雜度節節攀升,多數用戶愈來愈難以駕馭,未能將複雜功能轉換為極致生產力,才讓產業界警覺到整合軟體技術的必要性;於是包括DMG MORI、OKUMA與MAZAK等國際大廠,開始提倡智慧工具機概念,開發各種軟體以幫助用戶得以發揮工具機性能。從那時候起,國內外工具機廠商對於發展軟體技術,投入的力道愈來愈大。

如何讓工具機乃至其他機械設備邁向智慧化?專家認為,首要之務是建立感知能力,有此能力後,緊接著需要建立記憶、邏輯、判斷及決策等進階能力,等於像是一個人,擁有健全的大腦、感官知覺,此後再結合身體、手腳與神經,才足以匯聚完整能量。

綜上所述,要讓工具機具有智慧,CNC控制器無疑扮演關鍵角色,工具機廠商的開發者有必要對CNC控制器有更深入的瞭解,進而整合感測元件、神經傳導系統(通訊),才可望一步步實現目標;而在發展過程中,對於諸如DMG MORI、Okuma、Mazak或Mikron等全球工具機大廠之於智慧化技術的發展方向,亦須多加研究參考。

AIM-HI先進工具機研究中心主任蔡孟勳教授,完整彙集上述四大工具機大業者的智慧化技術發展方向,將之歸納為三大型態,第一是「智慧化操作管理、模擬與調機」,相關技術包含語音導航、稼動率管理、加工干涉模擬、自動化調機技術及CAD/CAM整合等項目。

其次是「智慧化加工與切削」,相關技術項目有切削顫振控制、主軸變轉速控制、平滑化轉角控制、自動動平衡、主動振動控制、熱變位控制、線上刀具磨耗監控等等;第三是「智慧化監控與安全防護」,相關技術涵蓋了智慧螺桿預壓偵測、多軸防碰撞、主軸監控、線上檢測與刀具壽命管理、生產履歷等項目。

綜觀前述技術,有部份僅需採用來自控制器及伺服的資訊,譬如碰撞、自動化調機、稼動率管理、生產履歷等等,另外也有需要借重外加感測器的項目,比方說主軸溫升、振動抑制、線上刀具磨耗、切削顫振偵測等等,至於需要使用到的感測器類型,則包括溫度感測器、加速規、音洩感測器或麥克風。

深入瞭解CNC控制器  堪稱首要任務

但不論獲取資訊的途徑為何,這些智慧化技術,多半需要仰賴CNC控制器加以實現,這也是蔡孟勳呼籲台灣開發者必須透徹理解CNC控制器的理由所在,才有助於將智慧化技術安裝於控制器之上。以台灣工具機廠商採用率最高的發那科(FANUC)控制器而論,假使期望將智慧化功能嵌入控制器內部,開發者可藉由Marco-executor與C executor撰寫程式,以便擷取伺服驅動訊號,接著搭配人機介面的開發,實現智慧化功能。

倘若開發者設定的發展項目,有必要透過外加感測器來實現,即需考量FANUC在於介面通訊上的封閉性,故需透過PLC數位I/O的模式,將外部感測訊號傳遞給CNC控制器,過程相對繁複,且未必所有情境都能適用,例如振動量測而需要使用高解析度(通常介於12~16 bits範圍)訊號,就不適合採行此類方式,此時若受限預算考量而無意採用FANUC專屬加速規,即需另尋突破之道。

可以考量的做法是,把智慧化功能與人機介面安裝在PC,由人機介面透過FANUC所提供的FOCAS函式庫,藉由網路連線到數值控制NC來採集所需資料,只是這般做法欠缺即時性,不妨考慮利用C executor先採集馬達伺服或外部感測器資料,接著儲存在記憶體,再透過FOCAS把資料回傳PC,藉以達到即時同步之目的。

縱使前述方式都需高度倚重深具電控與程式撰寫能力的工程師,才可望順利實現,難度可謂不低,但可喜的是,隨著台灣產學研各界的努力,有機會讓相關開發歷程化繁為簡,例如由工研院機械與系統研究所、精密機械研究發展中心(PMC)開發的VMX與SkyMars架構,即有助於快速建構遠端監控功能,而由機械所、PMC與上銀科技合力發展的技術成果、即植基於EtherCAT架構的控制卡,目前已可運用在研華寶元的控制器,同步擷取外部溫度、加速規訊號,以及伺服馬達資訊,並藉助研華寶元QUI Designer同步顯示主軸溫升與伺服馬達扭矩訊號,可謂重大突破。