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工业4.0与物联网 引领智慧CNC数控技术趋势
工研院四大技术助攻台湾业者

【作者: 王景新】2018年05月02日 星期三

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要实现智慧制造的愿景,数位化与电脑化是最关键的一环,而在精密制造领域也同样如此,透过数位化和电脑化的数控工具机,将可依照已编程好的程式对任何产品和零部件直接进行加工了,而这就是「数控加工」。而数控加工广泛应用在所有机械加工上,更是模具加工的重要发展趋势。


从字面上看,「CNC」就是Computerized Numerical Control的缩写,也就是电脑化的数位控制技术,是利用数位化的指令对工具机运动及加工过程进行控制的一种方法。运用数控技术的工具机,或者配备数控系统的工具机称为数控工具机,其整个系统概略可分为:数控装置、可编程控制器、主轴驱动器及进给装置等。



图1 : CNC数控技术涵盖层面示意图。(source:工研院)
图1 : CNC数控技术涵盖层面示意图。(source:工研院)

而要实现对工具机的控制,就需要用几何逻辑来描述刀具和工件间的相对运动,以及用制程资讯来描述工具机加工必须具备的一些制程叁数,例如:进给速度、主轴转速、主轴正反转、刀具转换和冷却液的开关等。


智慧、整合、多轴、机联网四大趋势

根据Gardner Research的研究数据显示,2016年台湾维持全球第七大工具机生产国,产值37.13亿美元,较2015年40.4亿美元,负成长7.9%。同年台湾出囗值达29亿美元,为全球大五大出囗国,出囗比率达78%。目前国产工具机采用国产控制器,主要为放电加工机、磨床、具床等机型,由新代、宝元、台达电及舜鹏等支援。至於综合加工机、车削中心等中高阶工具机占比不到10%。


「智慧制造下CNC数控技术发展趋势有智能加值软体化、精密机械与工业手臂整合化、多轴多系统化、工业4.0机联网化等四大趋势。」工业技术研究院智慧机械科技中心智慧机械技术组组长孙金柱指出,工研院将协助厂商把握这四大趋势,在CNC数控技术维持领先。



图2 : 工业技术研究院智慧机械科技中心智慧机械技术组组长孙金柱执行CNC切削实机操控。(摄影/王景新)
图2 : 工业技术研究院智慧机械科技中心智慧机械技术组组长孙金柱执行CNC切削实机操控。(摄影/王景新)

采访伊始,孙金柱迫不及待地介绍桌面上这两个以五轴刀具中心点控制机能验证产出的精巧叶片,由工研院研发的该工具机支援刀具中心点控制机能、S曲线加减速、自动转角减速功能、相容於Fanuc G码,G43.5,加工时间只要六分45秒,相较以往一个叶片须耗时两三个小时,大幅缩短生产时间,并提高良率。


孙金柱解释,Mazak、DMG MORI、Okuma等工具机大厂纷纷开发各式智能加值机能,让使用者选用,验证了智能加值软体化是大势所趋。「DMG MORI的CELOS,还有Okuma的Apps。」工研院自行研发的车铣复合机就导入了UI介面,让各种叁数一目了然,降低使用者门槛。


精密机械与工业手臂整合见诸日本Fanuc与德国西门子,均朝向精密机械与机器手臂整合控制。多轴多系统化可见Fanuc、三菱与西门子都将控制器的系统数与轴数同步向上提升,以因应CNC多轴自动车削中心等需求。「如Fanuc由10系统提升至15系统;西门子由10系统提升至30系统。」至於工业4.0机联网化,孙金柱举例,像Fanuc以FIELD System,Okuma以Smart Factory,提供智能化工厂控制解决方案。


CNC数控技术涵盖层面包括智能化全数位中卫体系,整合伺服、SI、五轴组件、机器人、iCAM、线上量测等,提供产业智能控制total solution。孙金柱说,国际标准全数位架构,以制程系统、伺服与周边国际标准介面,实现资料撷取、应用与交换无缝通信的控制架构。


航太级龙门五轴加工机正是产业推动成果案例,搭载进阶智慧加值功能,加装工研院智能化sensor模组,合作开发客制化功能软体,「包括:加工颤振抑制、加工历程记录、健康预兆诊断等。」


国产EtherCAT数位控制器 开发智慧控制机能

此外,导入国产EtherCAT全数位控制器,开发智能控制机能,搭配龙马内藏式主轴及正频高响应CS主轴驱动器,完成高智能车铣复合加工机开发。颤振抑制系统、对话式程式、远端监控、快速加工模拟等智能App嵌入EtherCAT全数位车削控制器。透过一层层的技术堆叠,成功打造出国产全数位高智能车铣复合加工机。



图3 : 以前要花两三小时完成的叶片,使用新机型不到七分钟即可产出。(摄影/王景新)
图3 : 以前要花两三小时完成的叶片,使用新机型不到七分钟即可产出。(摄影/王景新)

同时,工研院整合立式五轴加工机、6KW雷射源、送粉机、同轴喷粉加工头、CAD/CAM软体与雷射复合控制器,建置CNC五轴动态LMD试制平台,同时建立高效率与高品质LMD制程技术,可针对金属元件与模具,进行3D表面披覆、二次加工强化及再生修补等功能,达到更耐磨、更抗蚀、寿命延长功效,甚至可直接成型制造高复杂、结构强且质轻的金属零组件,弥补减法加工限制。


工研院并强调,其试制平台欢迎国内金属模具、航太、钢铁、石化、机械五金等,产学研各界合作使用。工研院雷射与积层制造科技中心已引进全台首座6000瓦高功率雷射设备,於六甲院区建置雷射金属沉积(LMD)3D列印试制平台,提供国内产业从设计、模拟分析与复合制程完整金属3D列印整合验证方案。


软体方面,工研院研发的Vmx Host为一智能化App执行环境,提供感测通讯、控器通讯、大数据库存取、操作日志、ERP介面等底层服务,大幅简化智能化软体开发的技术门槛,用户可自行开发专属的人机介面风格。


孙金柱表示,CNC数控技术在智慧制造的布局重点应着重在工业4.0高阶智动化控制平台。例如:高整合性开放式多轴多系统控制平台,具备三(五)轴与车铣控制核心,整合性伺服与Windows人机。无缝通信是以制程系统与周边国际标准资讯介面,实现资料撷取、应用与交换无缝通信的控制架构。虚实整合控制部分,以精密控制核心整合加值软体与感测器,实现虚体与线上双回??的虚实整合控制。


高智能单机与智动化系统控制平台也同等重要,整合制程化人机与智能控制应用Apps,实现单机智能化与系统弹性智动化的高阶智能化控制平台,提供工具机、产业机械及工业robot等精密设备产业导入应用。


而在智慧化的趋势下,工研院也将会持续研发高阶控制器,推动智慧制程软体、高荷重robot以及高阶车、铣控制器自主,支援智慧制造示范场域建构。同时,针对航太、汽机车、自行车与精密机械零件等产业建立金属加工示范产线,推动整合应用服务平台。


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