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透过AI数控 让每个人都能容易操作
高精度工具机的最高境界

【作者: 盧傑瑞】2021年05月03日 星期一

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工具设备订单量的增加,除了一部分是市场因素之外,最主要的推动力,就是让设备更为聪明、操作性更为简单。


根据日本工具机制造商协会一份市场调查报告统计,预计2021年日本的工具机产业订单将继续呈现恢复的状态,甚至相当有可能超过2020年的订单水准。截至2020年11月的单月统计,在2020年5月触底的512亿日圆後,就呈现反转持续上升的趋势,并从9月起一直保持在800亿日圆以上。日本工具机制造商协会(JMTBA)会长,同时也是芝浦机械的会长饭村幸生表示,自2020年4月和5月触底之後,订单金额一直在上升中,认为2021年也将延续这样的成长(图1)。



图1 : 日本工具机订单统计。(source:日本工作机械工业会;智动化整理)
图1 : 日本工具机订单统计。(source:日本工作机械工业会;智动化整理)

这次的调查中,2021年1月至3月期间的工具机订单预测指数DI (Diffusion Index;回答 「增加」数量的百分比减去回答「减少」的数量百分比),比2020年10月至12月期间的调查提高了24.3%,达到9.5%,是10年来第一次季度性增长,且该指数首次转为正值。这是由於电子技术的进步、劳动力短缺和低碳排放化,预计需求将增长,而对加工过程的自动化和技术工人的机械化的需求也可能会越来越强烈。


高精度与高品质是市场差异化的关键技术

工具设备订单量的增加,除了一部分是市场因素之外,刺激着加工设备市场规模的扩大最主要的推动力就是让设备更为聪明,操作性更为简单。透过各式加工设备不断的智慧化,提升设备中各个模组的数位控制就变成相当重要的工作,再藉由提升模组的数位控制能力後,达到多方面的高度自动、高精度和高可靠度。


透过这次JIMTOF 2020的观察,以下整理出了一些发展的重点。就像大??社长家城淳表示,「我们将继续加强任何人都能轻松使用的智慧技术。」,这是因为数位控制强化後,生产设备的各个能力也将随之增加。


目前国际三大工具机展:欧洲EMO 与美国IMTS 和日本JIMTOF,对於工具机产业的技术和发展动向来说,都相当具指标性。但由於COVID-19的因素,继美国芝加哥IMTS 2020之後,日本的JIMTOF 2020的实体展览也被取消,转为线上的方式向全世界提供最新的工具机产业动向。


用户对工具机最重要的需求是,实现高精度、高效率的加工。虽然一般来说,同时实现这两点是很困难的,但产业界似??重新认识到,如果能同时实现这两点,将会是工具机制造商强有力的差异化技术。


因此,这次的线上JIMTOF 2020,展出了许多具备机上测量功能,以及基於这些功能的修正加工、後续加工功能的工具机设备,例如透过采用触摸式探头、复制操作、影像类型等多种测量方法。这些方法是用来测量加工件的形状,然後进行修正和後续加工,就像芝浦机械等部分厂商所展出可测量刀具形状,并据此进行加工的刀具轮廓补偿功能。这里重要的是,这些补偿技术是建立在工具机本身精度高、品质好的前提下,让工具机的运动精度更高、更稳定。


利用数控能力与人工智慧 达到高精度加工

传统上,在进行加工作业时,有很大程度都是依赖熟练技术人员的经验和直觉,来保持稳定的高精度生产。但是随着这些资深技术工人的陆续退休,愈来愈多的工厂就期待能有功能性更强大的设备来取代这些技能,这是目前加工业界一个相当重要的问题。


在大量的导入人工智慧後,会让各种工具机设备提升能力进而扩大使用领域,同时在未来更期??取代资深的技术人员。例如MAZAK的Mazatrol Smooth Ai电脑数控(CNC)机床就配备了高度人工智慧,可将建立加工程式的时间从约30分钟大幅减少到2分钟,并且透过对加工件的测量资料历史的深度学习,识别出加工误差的模式,以及自动校正加工资料并抑制了主轴的颤动振动。


大??2018年发表用於冲压模具用的门型MC-MCR-S,就是追求高加工精度下的最新产品,往返步距可达到小於0.5微米。利用这样的精度,可以消除必须对模具进行手工抛光的步骤,这在过去是很常见的做法。不过,除了提高精度外,大??还利用高度数控机制为MC开发了一项新技术-「稳定的精度诊断功能」,使其能够在不依赖熟练技术人员的情况下,仍旧可以保持高精确度。


此外,也允许设备自我评估加工空间的精度下,自动进行校准;也可以透过内建的「3D校准」能力,允许操作人员在45分钟内就可以轻松完成设备的校准。2018年当时由於成本考量,大??将这两项功能设定为选购,不过在2020年11月发布的最新MCR-BV中就被定为标准配备。


针对设备高精度的提升,DMG森精机也与NIKON合作开发了一种非接触式测量系统,这个系统可以在机床上进行测量,而不需要特别使用特殊量测设备。该系统使用雷射照射,来测量达到微米单位的点群,甚至可以在短时间内测量大型复杂形状的加工件,如大型齿轮和涡轮叶片。DMG森精机总裁森雅?表示,「我们可以在设备卡盘时,测量那些即使在3D中也难以测量的东西,同时还可以用於高精度的加工。」


对於工具机中的主轴热位移补偿功能来说,在过去往往被当作选配的套件,但现在已有与来愈多的数控(NC)设备已经导入人工智慧(AI),可以实现更精确的热位移补偿,包括MAZAK和TSUGAMI在内的许多业者,都已经将其功能作为标准配置。热位移修正是根据相关元件的温度测量值,来预测和修正热位移,却容易受到时间延迟和环境温度变化的影响,为了弥补这些不足,就必须利用人工智慧来提高修正的准确性。


例如,村田机械和?泽铁工所(Takisawa Machine)发表了能直接测量,和补偿相关结构件热位移的数控车床。虽然过去一直采用这种直接测量的方法,但如果能建立更合适的测量标准,将是一种更可靠的有效方法。


另一方面,为了高精度与抑制旋转时出现误差,牧野开发出了内建旋转工作台的5轴加工中心(MC),它回到了工具机设计的基本原理,实现了高精度和高品质(图2)。如图2 (b)所示,工作台的旋转轴被设计成倾斜45度,这样可减少旋转时的重心移动,从而增强运动特性。



图2 : 工作台旋转时,达到最小重心移动变化的结构。(source:日刊工业;智动化整理)
图2 : 工作台旋转时,达到最小重心移动变化的结构。(source:日刊工业;智动化整理)

针对在陶瓷等脆性材料加工的测量自动化,牧野也在脆性材料加工专用设备的eGrinder BG500 MC中增加了刀具形状测量功能。在传统的脆性材料加工中,砂轮工具的测量和磨损管理过程,都是由资深技术人员透过手工进行的,这一直是自动化的挑战之一。


为了解决这个问题,牧野的电镀砂轮测量功能,可以自动测量砂轮的形状,并判断形状是否合格,从而使这些过程达到自动化的目标。牧野的桑岛拓哉表示,这个新系统将可以实现「不依赖人类技能就可以进行刀具的测量」,来提高加工效率,增加砂轮刀具的寿命和精度。


超越无人驾驶的智慧工厂技术正在全面展开

从持续发展的先进制造业角度来看,过去一直被认为是「省人、省力、无人」的目标中,对於「省人」的这个需求,已经逐渐发现似??不太实际。因此有些产学专家想把「省人、省力、无人」变更成「智慧工厂化」,并作为一个新的目标。这次JIMTOF 2020展会上,可以发现到为了实现这一目标,各大业者都积极的推广了一些技术趋势,包括:


1.制造现场各种作业的先进自动化;


2.制造现场的视觉化;


3.加强与制造生产线的互动可能性。


在生产线上,作业人员需要进行许多操作,例如加工叁数与程式的建立、必要刀具的准备和管理、加工材料在托盘上的安装、加工物件的装卸入库和出库等,因此许多工程师不断地努力,将这些操作使其高度自动化。因此许多工具机业者,已经开始提供自己的制程设计支援软体,为自己的工具机进行程式设计,例如研磨过程比切削过程需要更多的设定工作,促使设备增加了各种许多设定操作的自动化,如平面、圆柱、无心等。此外,加工所需的刀具,和加工材料准备的支援软体,也获得到了强化。而针对加工物件方面,各工具机大厂正加强工具机的托盘储存机构和储存系统,并提供自己的管理系统。


另一方面,作业人员在设备加工过程中,所需要进行的各种操作也被高度的自动化,特别是导入机器人的协助。除了安装和拆卸加工件外,现在还可以完成许多其他任务。就像大??的Armroid机器人可以协助操作排除碎屑、抑制振动,甚至可以自行对设备进行清洁工作。


与过去一样,「视觉化」技术的开发,也在工厂运转条件、工厂设备(包括工具机、设备元件、加工技术以及各周边设备)方面取得了进展。就像工具机与工具机之间、人与工具机及周边设备之间的连接技术,是此次线上展览最多的展出技术。透过各公司利用物联网提供解决方案,以及软体的连接技术等已经可以实现一定程度的互动能力,使得网路化技术也越来越重要。


视觉化方面,DMG森精机JIMTOF 2020发表了利用摄影镜头观察碎屑的积累,利用AI来判断积累的状况,然後进行精准清洁的技术。此外,DMG森精机也展出许多以减轻各种维修任务工作量的相关技术。


在这次JIMTOF 2020的线上展览上,有很多模组化工具机的展品,这些工具机可以灵活地连接成各个功能模组,形成生产线所需的设备平台。以光洋机械展出的设备为例(图3)。这部立式磨床,透过模组化的工具机,可以构成了一条生产线,进行平面、内圆、外圆、端面、沟槽等各种磨削加工,而生产线上加工件的传送,都是藉由机械手臂来完成。



图3 : 透过单元模组所构成的立式磨切生产线。(source:日刊工业;智动化整理)
图3 : 透过单元模组所构成的立式磨切生产线。(source:日刊工业;智动化整理)

结语

工业4.0的目标是实现单一产品的大量生产,但这方面的需求还是有限的,目前看来,实现高效率的多样少量生产的技术还是被高度的关心和开发。


就像Brother Industries展出了一款多工处理机,该设备采用了车床的5轴多工结构作为MC基础,主轴单元安装在一个机座上,虽然这样的形式是基於车床结构下来开发的,但事实上对於MC设备来说,这一点很独特。


BUFFOLI (S&F)转印设备(Transfer Machine)能够快速且大量生产单一产品。在欧洲,有许多旋转转印设备制造商,透过在每个加工站(Station)加入5轴模组,来达到可以同时混合生产多个尺寸不同的加工件。


就如前述,这是因应未来对多样化、小生产量需求将不断增加下,有必要考虑能够处理各个生产要求的工具机结构。同样的目标,西铁城机械也展出了一个由四个模组所组成的多加工站设备,如图3所示,它可以让加工件以三种不同的模式传送进行,和BUFFOLI设备类似,是非常进行适应多样化、高混合、小数量的生产应用。


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