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CNC数控扩增应用 AIoT与客制化分向发展
 

【作者: 陳念舜】2019年04月18日 星期四

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图1 :  对於长期供应相关产业所需成型/切削加工设备为主的台湾工具机暨零组件厂商而言,唯有继续加速转型升级,方能使危机亦不失为转(单)契机。
图1 : 对於长期供应相关产业所需成型/切削加工设备为主的台湾工具机暨零组件厂商而言,唯有继续加速转型升级,方能使危机亦不失为转(单)契机。

历经过去一年来中美贸易战波及,虽然到了今(2019)年谈判已近尾声,但美国总统川普旋即又掀起与欧洲贸易战,将提高航太、汽车等产品进囗关税,使得全球制造业景气可说是「一波未平,一波又起」。对於长期供应相关产业所需成型/切削加工设备为主的台湾工具机暨零组件厂商而言,唯有继续加速转型升级,方能使危机亦不失为转(单)契机。


工研院产科中心产业分析师叶立纶在上一波中美贸易战即指出,虽然因此造成从2018年下半年开始,部份大陆终端产品供应链开始对於扩充产能态度保守,影响全球工具机消费市场的成长速度。惟若中美谈判结束之後,大陆仍将持续迈向制造强国之路,制造装备数位化为其提升竞争力的第一步,无论是待转型升级的传统产业或新兴业者都将增加CNC工具机需求。



图2 : 由於受到贸易战波及的国家,最终都会因此更加强内部先进制造技术与客制化应用的自主性,对於高端装备和自动化需求将有增无减。(source:oushinet.com)
图2 : 由於受到贸易战波及的国家,最终都会因此更加强内部先进制造技术与客制化应用的自主性,对於高端装备和自动化需求将有增无减。(source:oushinet.com)

叶立纶认为,目前大陆制造模式仍以停留於人力操纵设备加工和标准化程度低的生产流程居多,但为了因应未来产品制造数量与生产品质均一致要求提高的情况下,数位化制造技术与解决方案将会在当地新一轮工业革命中担任要角,数控系统也成为升级变革的首要目标。大陆制造业将循序透过数位化制造、资讯互连解决方案与智慧制造系统的3个阶段,提升其生产高附加价值产品的能力。


其中所需的智慧化机台,因受惠於过去大陆制造业扮演世界工厂的角色,部份大型企业已有相关数位化单机、自动化生产线与电脑整合制造(Computer Integrated Manufacturing, CIM)的运行经验,与德国、美国厂商的数位化与自动化水准相当。并为了进一步提升制造业的生产效率和品质,将开启大陆智慧化生产的需求,凌驾现今单机和生产线智慧功能的水准。


叶立纶表示,随着大陆业者逐渐朝向世界市场发展与加工技术深化,其所需智慧化功能的基本概念,将推进制造系统结合感测、资讯处理、推理与决策、虚拟真实等多重技术,并将之应用於产品设计与制造、制造系统效能监控与提升及制造系统维护等过程。


另为了进一步提升生产效率和制造品质,还须於CNC工具机的机械结构基础上,整合不同的加工功能与工艺技术,以根据终端制造产业的需求,融入工艺、工序、机台结构与功能等标的,创造出适合加工现场的高效率与高性能产品。


叶立纶指出,目前大陆所需的金属加工机械仍有部份属於专用机,主要用来协助终端应用产业加工特定的产品,而须能达到一般泛用机无法企及的加工方式和精度;且为了满足大批量客制化加工生产模式,强调每台专用机皆可为客户量身订作。


如此才可顺应当前全球少量多样的制造业型态及就业人囗数不断减少的制造环境,须在既有数位化单机、自动化生产单元及生产线的基础上,加入机器运作时所需的智慧化技术;并结合资通讯技术,整合工厂内部机器与设备系统的资讯、工人技术与知识及市场需求讯息等资源,发展符合下一代智慧工厂生产模式所需的可视化机台,及用来运行监控与管理功能的Turnkey解决方案。


对於台湾厂商而言,後者重点其实在於机台与自动化设备连线(M2M),正可经由提供大陆生产商所需单机、自动化产线Turnkey或单元(Cell)之际,携手产官学研合作。在既有坚实的资通讯(ICT)科技产业基础上,结合相关业者、工具机和自动化设备厂商,共同制订内部感测器与自动化设施,包含工业机器人、无人搬运车AGV和智慧化仓储设备等通讯协定,以迎接大陆市场接下来为了加速制造业转型升级,所衍生的先进制造技术、商业模式与智财商机。


机器公会整合资源 促国内外厂商加值交流

然而,由於目前台湾工具机暨零组件厂商多数仍属中小企业,售前研发、行销与售後维修服务能力相对有限,包含高阶CNC控制器、工业等级精密感测器等核心零组件都仰赖进囗,也成为业者扩增应用加值、提升国际竞争力的主要障碍。



图3 : 工研院也在今年TIMTOS 2019期间,共发表22项软硬体整合的智慧机械技术,图为工研院智慧机械科技中心主任陈来胜展示车削智动化加工控制技术。(source:工研院)
图3 : 工研院也在今年TIMTOS 2019期间,共发表22项软硬体整合的智慧机械技术,图为工研院智慧机械科技中心主任陈来胜展示车削智动化加工控制技术。(source:工研院)

根据台湾机器工业同业公会(TAMI)分析,随着智慧时代来临,已促使机械设备成本结构从目前电子电机零组件占比20~30%、机械零组件70~80%面临巨大改变,除了前者仍维持20~30%比重之外、後者降为40~50%,软体与智慧化装置增至30~40%。


机器公会为了推动台湾智慧机械产业,能於2025年顺利达成产值倍增为新台币2兆元愿景,而采行「万点繁星拱两兆」策略,期盼透过智慧机械及智慧制造双引擎,让台湾精密机械厂商转型成为智慧机械系统整合商(System Integration, SI)。


分别由智慧机械小组在3年内推广安装4,000台智慧机上盒(Smart Machine Box, SMB)、形成3,000家次会员应用机械云,并透过智慧制造小组,建立适合机械设备制造业的执行指导方针(Guideline)、智慧制造应用解决方案,由政府整合各式机台控制介面标准化,解决Fanuc、Siemens等不同国外品牌控制器无法沟通的问题。


再经过跨领域小组整合产官学研多方资源,如制订机器人共通标准的资讯模型(Information Model),使得所有国产控制器都能有相同语言,厂商可藉此快速整合人机协作、手势辨识、顺应指导、多机协调等高阶应用,或是制订自有特色的人机介面(HMI),以满足不同产业所需。


工研院带头领军 TIMTOS展现自主开发成果

台湾研发单位龙头工研院也在今年台北国际工具机展(TIMTOS 2019)期间,共发表22项软硬体整合的智慧机械技术,涵括从设计端到制造端,可提供热稳定、制程优化,整厂智造化与监控等全方位服务,让台湾厂商不必再花费庞大金额对外采购,还受制於人;且可让产线更智慧化、弹性化,以协助工具机业者抢攻全球工具机金字塔顶端市场,开拓智慧机械新蓝海。


工研院智慧机械科技中心主任陈来胜认为,面对全球少子高龄化社会趋势,产业迈入智慧制造不仅能有效??解缺工问题,将更能契合现今少量多样、大量客制化、短周期内生产的接单制造需求。智慧机械作为智慧制造相当重要的基础建设,除了在设备端加入智慧化感测技术,提供更稳定可靠的加工性能外,制程方面的软体加值也是不可或缺的一环。


如因应高阶精密制造需求,看好未来车铣复合或五轴加工的多轴应用需求。陈来胜认为,过去一些较为复杂的曲面加工,都须仰仗老经验的师傅透过不断「试错(Try Error)」的方式开发制程。如今,则可透过软体技术发展实现防碰撞侦测,避免刀具与工件、夹治具,甚至是机台相互碰撞,而这也是未来虚实整合系统切入的重点,即在加工前可先透过数位分身(Digital twins)模拟制程;或是透过预兆诊断系统,能让业者预知机台健康状态,清楚何时该维修或替换零件,得以提升设备稼动率,妥善规划生产排程。


今年工研院於TIMTOS首度对外亮相的「车削智动化加工控制技术」项目,便展示於技转厂商亦达精机提供的两部车床及一具工业机器人上,通过软体虚拟I/O沟通交握,得以经由单一工业机器人,服务两部车床上下料工作的自动化单元,取代过去以实体I/O线路沟通的工作站,降低系统配线复杂度及提升加工系统可靠度。现已成功应用於加工制造手工具,未来还可??导入金属零组件、模具加工等,大幅提升企业生产效率与降低成本。


且由於皆搭配工研院EtherCAT(乙太网控制自动化技术)全数位串列通讯伺服控制介面,进行伺服与I/O控制,取代传统类比式泛用型伺服控制,达到高响应、高精度与高同动性的加工控制效能。使之全数位车削中心控制器可提供3D快速加工模拟及即时防碰撞功能选项,有效提升加工安全性及可靠度。



图4 : 工研院同时携手各领域主要厂商组成「智慧制造联网数据加值产业联盟(SMDVA)」,左起:盟立自动化自动控制事业协理林财兴、工研院智慧机械科技中心主任陈来胜、清大动机系特聘教授宋震国、东台精机董事长严瑞雄、工研院机械所所长胡竹生、新代科技总经理蔡尤铿、研华工业物联网事业群??总经理蔡奇男、台达电智慧制造事业群经理郑有伦、工研院机械所??所长周大鑫、工研院机械所业务组长钟裕亮(source:工研院)
图4 : 工研院同时携手各领域主要厂商组成「智慧制造联网数据加值产业联盟(SMDVA)」,左起:盟立自动化自动控制事业协理林财兴、工研院智慧机械科技中心主任陈来胜、清大动机系特聘教授宋震国、东台精机董事长严瑞雄、工研院机械所所长胡竹生、新代科技总经理蔡尤铿、研华工业物联网事业群??总经理蔡奇男、台达电智慧制造事业群经理郑有伦、工研院机械所??所长周大鑫、工研院机械所业务组长钟裕亮(source:工研院)

同时展出ROBOT inside五轴同动控制器,具备自主开发的高阶五轴控制技术,包含:刀具中心点控制(TCP)、刀尖点平滑控制、倾斜面加工控制、刀具姿态控制(TPC)、工件设置误差量测与补偿、旋转轴机构误差量测与补偿、3D刀具半径补正、3D虚拟轴进退刀、3D切削模拟、3D干涉检查、精度学习控制、公差指定控制等。以及采取一键切换的图像化操作介面,可将铣削工具机与工业机器人的控制核心整合於一套控制器内,现已应用於上研机电公司、友嘉公司生产线。


进而透过工研院整合ERP(企业资源规划)、APS(先进规划与排程)、MES(制造执行系统)的智慧制造生产管理系统,结合资讯流与厂内物流资讯,掌控制造上的人机料法,不仅可让企业监控生产进度与品质状态,缩短人员排单时间;还能根据订单与工单状态,以排程引擎产出优化後的生产计画,达成生产排程最隹化与自动派工,现已获得台湾知名轮圈大厂青睐,应用於生产千万跑车轮圈。


智慧制造联网数据加值产业联盟 聚焦工具机联网远端监测

值得一提的是,当CNC控制器透过感测器撷取加工数据後,除了可透过工业物联网(IIoT)通讯协定,将部份资料上传云端之外;还能导入边缘运算、AI、大数据分析等技术,结合机械设备业者的领域知识(Domain Knowledge),发展出颤振抑制或温升热补偿等软体应用服务加值。


工研院藉此开发刀具寿命分析技术,希??藉由AI机器学习技术,时时刻刻为刀具健康状态把关,避免长期受到磨损,恐大幅降低生产精确度;若突然崩坏,还可能影响生产良率、直接冲击订单交期。该项技术仅须搜集正常运转状态数据建立模型,并交由历史数据自动决定最隹模型叁数;以及利用维修保养後的短时间讯号,自动更新模型,让生产管理者关注在刀具「逐渐转变为不健康的过程」,达到预知保养目的。


且在今年TIMTOS也携手各领域主要厂商组成「智慧制造联网数据加值产业联盟(SMDVA)」,共同展示推动智慧制造联网成果,包含工研院NIP平台和研华Wise Paas平台,以「智能化工具机软体整合标准」从远端联网监测现场厂商,如新代、台达等工具机控制器和机台,有利於加速其他厂商智慧生产。


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