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引进欧日系CNC数位分身
多轴复合加工提高生产效率

【作者: 陳念舜】2022年04月27日 星期三

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有别於过往谈到数位分身(Digital twins)技术,往往都由CAD/CAM/PLM等PC商用软体厂商主导,2022年TIMTOS x TMTS已可见到有工具机产业开始引进由CNC数控系统为核心的数位分身解决方案。其不仅用於更精准评估整线/厂自动化设备、夹治具实体动线,以防干涉或碰撞之外,甚至可协助单机在加工前便模拟加工路径、最隹化程序,提升品质和生产效能,将有助於早日实现净零碳排愿景。


如东台精机公司(Tongtai)便为此整合了旗下集团资源,提出的数位转型策略跟进现今数位分身与实体CNC数控系统更为紧密结合的虚实整合趋势,以满足当产品选择更多、生命周期缩短,已造成制造业面临从变种变量到大量客制化的弹性生产需求,必须能克服交货期短与频繁换线的挑战,即使是单一首件(Lot One)也要能正确生产。


进而利用CPS虚实整合为核心,在IT阶层横跨产品生命周期PLM与价值链水平整合,并与OT阶层制造垂直整合,以协助客户陆续进入智慧制造的5个层次:联网化、可视化、透明化、预测化、智慧化,满足客户需求与价值。


东台智慧制造解决方案 数位分身整合机边运算平台

东台精机公司智慧技术本部协理曾文鹏进一步指出,其实工具机产业早在工业元宇宙概念问世之前,就已引进数位分身、虚实整合技术多年,东台也在2016、2017年开始投入研发。迄今出厂的全系列机种,几??都已完成建构数位分身,且支援欧日品牌控制器来协助客户。


甚至能加入东台接近制程执行系统(MES)功能的TLM,涵括单机~整线自动化加工情境,持续产出良品。於工具机顺利出货後,配合客户产线改变、升级需求,东台只须与手边的数位分身互动,虚拟调适完成90%工作,再由国外客户端完成最後10%的调校和测试作业即可。


在单机智慧化应用上,东台则利用4套自主开发的软体:TiOPERATOR、TiHMI、TiMS,组成机边运算智慧平台,分别在TiHMI善用自家多年累积的knowhow和自制感测器、DAQ系统等,建构App开发环境,让使用者操作工具机就像智慧型手机一样简便如意,即使搭配较低阶CNC控制器也能协同运作。


另因应现今电动车、风力发电、航太等新兴产业需求,工具机必须变得更为弹性、复合化,透过集约工程在单机上一次完成车削和钻孔、攻牙,省下时间、空间、治具。当客户的多轴、复合机种正式投产前,即可透过TiMS数位分身模拟单机工艺的加工路径、产出最隹化程式,并加以补点优化,预测工件表面品质是否翘曲、变形,或者须重新修改设计。


今年东台除了展示实机,也在现场发表TD系列车铣复合机的数位分身,强调只要一台笔电就能进行99%相符的加工模拟、干涉检查及验证。为此带来首件加工的应用效益,是能确保实际加工成效、预测品质,进而大幅降低传统工程开发时间,无缝接轨现场制程。量产加工上的应用效益,则可透过友善工单排程介面,优化产线稼动率;搭载深度影像系统,精准定位取物;再搭配线上量测系统,可用於监控及提升良品率。



图1 : 今年TIMTOS x TMTS 2022东台除了展示实机,也在现场发表数位分身应用范例,强调只要一台笔电就能进行99%相符的加工模拟、干涉检查及验证。(摄影:陈念舜)
图1 : 今年TIMTOS x TMTS 2022东台除了展示实机,也在现场发表数位分身应用范例,强调只要一台笔电就能进行99%相符的加工模拟、干涉检查及验证。(摄影:陈念舜)

欧日系控制器自适应切削 兼顾加工精度、效率与品质

虽然过往即有欧日系CNC数控系统大厂陆续引进自适应切削功能,如海德汉公司(HEIDENHAIN)即强调其提供业界最完整的智慧切削解决方案,各系列模组控制器的关键零组件包含软、硬体,甚至提供验证设备的建议与谘询。


其中「动态效率(dynamic efficiency)」解决方案,可用来充分开拓工具机和刀具的潜能,无论是粗铣或是难切削材料加工时的重切削加工都能变得更有效率,提高切削力及材料移除率,因此降低及限制机台在切削时负载,将能更有效减少机台损耗,并延长刀具使用寿命。


进而提供了节省加工时间的切削策略,例如,主动式颤振抑制(ACC)功能,减少重切削时刀具颤振;适应性进给控制(AFC)功能,可维持最隹加工进给速率;摆线切削功能,系经由内建加工编程轻松达成其加工策略,并减轻粗铣沟槽时的刀具磨损,约提高了20%~25%材料移除率,大幅提升经济效益。


动态精确(dynamic precision)解决方案,则是海德汉用来发挥工具机精度潜能的一系列控制功能,藉此补偿工具机的动态偏差,同时提高加工进给速率、轮廓精度和表面品质,缩短工件移动时间,避免耗时二次加工。


今年海德汉也经由叁展,发表用於设计及开发可靠制程的完整数据产品TNC7控制器;呈现编码器划世代开发突破,为客户提供用於状态监测(Condition Monitoring)、预测维护 (Predictive Maintenance),和其他有价值的评估资讯;以及虚实整合环境「Digital Shop Floor」,将持续扮演工具机制造厂商和终端用户的创新合作夥伴,提供对应产品、技术和软体解决方案来迎合市场发展。



图2 : 海德汉公司向来强调其提供业界最完整的智慧切削解决方案,今年也发表用於设计及开发可靠制程的完整数据产品TNC7控制器。(source:news.heidenhain.com)
图2 : 海德汉公司向来强调其提供业界最完整的智慧切削解决方案,今年也发表用於设计及开发可靠制程的完整数据产品TNC7控制器。(source:news.heidenhain.com)

三菱电机公司(Mitsubishi Electric)自2021年发表全新CNC控制器M800V/M80V系列(以下简称M8V)以来,不仅采用三菱专为CNC工具机开发的自制CPU,将高速高精度处理能力提升至前一代系列的2倍;透过全新的人机介面设计,可以触控或滑拉手势在画面进行各种操作,提升工作效率。当针对生产力提升时,利用M8V各项标准配备的高效功能,将能同时达成高品质加工、提升效率,以及缩短加工时间。


更重要的是,M8V系列控制器现还透过业界首创内建无线网路功能,让使用者可不受时地限制,透过平板或智慧手机等其他无线设备来远端监控工具机运行状态及控制器画面,提升机台检修效率;并利用ioS或Android平台开放API,供业者发展多样化APP;毋须特别布置实体网路线,就能传输资料进行生产管理,既减少了线材成本,还可让厂房空间更素洁。


藉此透过三菱NC Machine Tool Optimizer软体与NC产品连线,建置智能化制造工厂及IoT环境,还能经过OPC UA 与 MTConnect等通信协定连线其他周边产品,用来即时取得包含厂内工具机和其他FA周边设备的稼动情报,进行大数据分析、统计等功能,为客户的生产管理提出最隹解决方案。



图3 : 三菱电机公司M8V系列控制器现还透过业界首创内建无线网路功能,让使用者可不受时地限制,透过平板或智慧手机等其他无线设备来远端监控工具机运行状态及控制器画面。(source:三菱电机)
图3 : 三菱电机公司M8V系列控制器现还透过业界首创内建无线网路功能,让使用者可不受时地限制,透过平板或智慧手机等其他无线设备来远端监控工具机运行状态及控制器画面。(source:三菱电机)

西门子前瞻高效控制 藉数据创造无限价值

然而,有别於其他控制器品牌或由多个软体在平台组成数位分身,东台在导入西门子SINUMERIK ONE数位原生控制器的RMVM功能之後,即可让客户在接单前预估循环时间(cycle time),准确率高达99%以上。并针对自动化加工单元(cell)设备,模拟刀库、机器人单元换刀动作,或同步进行多机即时模拟(real time),将有效缩减实机测试验证的时间与试错成本,可离线进行改善评估,不致影响实际产线,得以放心用於教育及培训学员,避免碰撞、毁损机台,以及缩短上手时间,要求首件即作好。


同时能提供刀具管理解决方案,让客户即使搭配中低阶CNC控制器,也能执行负载监控功能,搜集并连线显示每条产线上的刀具与物料管理资讯,设定过载时间限制的上下阀值,一旦刀具破损、断裂即示警,才能符合东台对於广义自动化要求,持续自动产出良品。


CNC数控系统大厂西门子公司对此表示,归功於近年来疫情加快了数位化脚步,西门子仍陆续在工业领域带领业界克服工业4.0、数位转型等挑战,并引进最新高效控制系统、数位分身、边缘运算、云端应用等前瞻技术,利用数据创造无限价值,打造工具机产业生态系。


同时延续了从产品设计、执行生产与最隹化流程等不同阶段的数位化概念,形成了完整的资料闭循环(Close Loop),无论是工具机制造或终端加工业者,都能藉此产出最隹机器或工件,近期也引进德国总部专家与客户合作开发加工3偏心蝶阀新制程,克服传统CAD/CAM软体或FANUC控制器未能解决的难题,且符合成本效益。


西门子公司业务发展经理许壬己进一步指出,於2019年米兰EMO率先发表的全球首款数位原生CNC控制器SINUMERIK ONE,率先与10家以上工具机制造厂商合作,强调能真正整合虚实机台,利用边缘运算,搜集、分析来自西门子或NSK、东培(TPI)等关键零组件厂商自有感测器的高频资讯数据,成本也将逐步降低。


同时透过CNC控制器底层的物联网开放式通讯协议,软硬体整合,上传资讯到MindSphere平台不同解决方案的强大软、硬体,充份利用工具机制造厂商和终端加工业者资料,使之能不断改进,形成产业knowhow,增加诸多NC新功能,却未必要将大量数据上传云端,增加以流量计价成本。但最後西门子还是希??,将相关应用App都通过认证、商品化後销售,来产生最大效益和生产力,缩短上市时间。


截至2021年已有28家厂商导入SINUMERIK ONE,开发20部虚实分身新机台。例如与永进机械合作数位化体验,就先透过软体打造虚拟工具机之後,在短短1.5个月内修改设计并通过验证,才决定实际投产;自适应切削及刀具监控功能,还可在首次切削时透过AI机器学习,以便於再次加工时将切削条件最隹化,提升30%产能。


特别适用於现今缺工、漫长交期和场地限制,可对於代理商和End user快速提供切削建议,以及推广其成功商业模式,取得客户新订单。许壬己说:「一开始客户只想用来结合IoT建构战情室,却没想到能至少提高15%效能,甚至停机一部设备也无损产能,期待未来能藉此更容易评估KPI,而加快产业数位转型。」


与终端加工业者三隆齿轮合作,则满足其希??追溯产线动态,主动找出生产瓶颈加以突破,而由西门子确保能快速连上云端MindSphere,不必经过其他大量伺服器从中介接,在一天内就找出瓶颈,协助终端加工业者从设计、执行生产到最隹化,形成完整资料闭循环;另与微软、亚马逊合作,确保资安无虞。



图4 : 截至2021年已有28家厂商导入西门子SINUMERIK ONE数位原生控制器,例如与永进机械合作数位化体验,便在打造虚拟工具机之後,再将切削条件最隹化,提升30%产能。(摄影:陈念舜)
图4 : 截至2021年已有28家厂商导入西门子SINUMERIK ONE数位原生控制器,例如与永进机械合作数位化体验,便在打造虚拟工具机之後,再将切削条件最隹化,提升30%产能。(摄影:陈念舜)

掌握智造关键数据 实现净零碳排愿景

此外,面对近年来国内外净零碳排趋势,即使组装生产一部工具机的制程本身排碳量不多,但是当工具机到了客户手上运作时,却可能相对耗电排碳,自然无法在这场零碳赛局中置身事外。因此,无论对於工具机制造或应用厂商而言,绿色工具机都攸关於转型减碳契机,该如何透过智慧化,协助客户有效进行碳盘查、实现碳中和,也是业者扩大差异化优势的关键,可分别从以下4大面向观察:


一、 避免过度设计,追求结构轻量化,藉此减少CNC数控系统马达运作所消耗的电力、体积,在如今通膨情势下,更有助於减少碳排及成本;


二、 促使制造厂商采用经过改良,更有效率及节能的零组件,也有助於减碳;


三、 透过AI智慧制造、数位分身预先模拟加工与调校,可确保上机後精准加工、零瑕疵一次到位,提升机台效率和精度,进而达到节能效果又不浪费;


四、 投资购置绿电、采用可循环回收材料,以减少产品碳足迹,至少率先实现碳中和,争取未来换取碳权。


目前除了大型企业较有能力去盘整、计算整厂或公司碳足迹之外,西门子也可提供中小企业客户计算零组件功耗、碳排所需介面,再让客户依自家演算法开发App进行热补偿。


惟若针对工具机加工过程耗能分析,则约有70~80%来自周边自动化设备的马达,整机耗能仍须由配电盘开始安装智慧电表,或在重要零组件外接电表管控。不如机台本身CNC数控系统的伺服马达转换效率高、容易估算,而能如西门子很早就投入开发绿色工具机。


透过一键(One Touch)掌握机台耗能情况、碳足迹,切换节能模式;或找出造成瓶颈的零组件加以改善,如改用IE2~IE4等高效能非同步马达,纳入供应链减碳,在欧洲稳居领导者地位;甚至藉由自适应切削、数位分身技术来提高切削效率,加工首件即成功,率先响应碳中和概念。


海德汉也在2021年发表的环境保护宣言中,提到谨慎利用有限能源和地球资源是企业的基本责任,也会持续於制造生产步骤上与时俱进来达到此目标。为了要保证客户能在使用产品20年内都能够获得维修零件,因此海德汉致力投资於现代、有效率且符合友善环境的设备、工作环境、R&D人员的保护和训练,将主要研发、生产、後勤和行政活动都集中在德国总部,以确保能执行短距离和快速反应的流程,满足半导体、电子产品或机械工业需求。


三菱则将「实现低碳社会」与「解决社会课题」作为两大努力目标,其中在「实现低碳社会」部分致力减排,计画在2050年达到整体价值链零碳排放量为目标,具体措施包括:以降低碳排放为产品设计重点,新产品推出时以比前机种降低1%的耗电量为目标;将年度营业额的0.15%,用於低碳社会的相关投资;使用三菱制造的电子零组件,使产品的使用效能最隹化,以降低能源浪费。


另外,在「解决社会课题」部分,三菱将之区分为「交通」、「生活」、「基础建设」、「工业」的4个面向,并透过相对应的产品与技术,解决多样化的社会课题。



图5 : 在今年TIMTOS x TMTS已可见到,无论对於工具机制造或应用厂商而言,绿色工具机都攸关转型减碳契机,也是业者扩大差异化优势的关键。(摄影:陈念舜)
图5 : 在今年TIMTOS x TMTS已可见到,无论对於工具机制造或应用厂商而言,绿色工具机都攸关转型减碳契机,也是业者扩大差异化优势的关键。(摄影:陈念舜)

结语

过去工具机产业致力发展智慧制造,包括机联网、机边软体及视觉化系统监测用电、换算排碳等功能,还可轻松点击,切换成低碳节能模式,如今也成了替客户节能减碳的一大助力。目前布局最快的DMG MORI,不只在机台纳入各种能耗分析、智慧节能设计,还结合自适应切削等软体服务,甚至已推出了全球首批碳中和工具机。台湾工具机大厂也认为:「倘若这波没办法跟上的,可能会就此退出市场!」


至於加工业者减碳首要之务,就须要先掌握设备总合稼动率(OEE)等关键数据,并藉此整合机电软硬体、系统,来推动组织变革。


**刊头图(source: imdcdn-w0vwwgyt12rypz.netdna-ssl.com)


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