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次世代工具机的发展动向与市场趋势
更简单、高精度的机上测量技术

【作者: 盧傑瑞】2021年03月08日 星期一

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随着出生率和人囗老龄化的下降,制造业中熟练老师傅的人数正在减少,也推动了工具机产业加速技术发展以及自动化,例如配备量测和人工智慧(AI)等先进功能,让工具机实现高附加价值加工。


能够在工具机之类的加工设备上,对加工件进行各种高精度测量,已经是目前技术开发的主流方向之一,例如作业前对加工件的位置和定位校准,加工後的尺寸、形状,和表面粗糙度的测量等。由於测量的过程需要耗费很长时间,这对於操作技术人员的负担相当繁重,如果为了节省时间,而不进行精确的测量,则会导致生产率的降低。因此,期??在将来能够有更简单、高精度的机上测量技术,来降低加工作业现场的劳动力和提高自动化,将是次世代工具机的主要发展趋势。


与熟练技能人员相当的自动测量能力

在现场,为了稳定地保持高精度,长久以来一直严重依赖资深技术人员的经验和直觉,但是随着一批又一批老技术人员的陆续退休,取代熟练技能人员的先进制造技术已成为产业的重要问题(图1)。



图1 : 取代陆续的退休人员,已成为产业的重要问题。(source:Monoto)
图1 : 取代陆续的退休人员,已成为产业的重要问题。(source:Monoto)

例如,大??的冲压模具透过的MCR-S技术,在Machining Center可以完成往返误差小於0.5微米的高加工精度,来达到高熟练技师的能力水准,在前几年是相当常见的手法。


大??更进一步的,在同一个Machining Center可以不依赖熟练技术人员的情况下保持高精度,透过设备本身评估加工空间的精度,并指示应进行校准的时间,让毫无经验的作业人员,可以在最短45分钟内轻松进行「精度稳定性确认」和「3D校准」。


此外,DMG森精机则是使用Nikkon的雷射扫描技术,开发了非接触式测量系统。由於可以在工具机上进行微米级的测量(图2)。这样的功能下,无需将数据传输到特殊的测量设备上,甚至齿轮或涡轮叶片等,形状复杂的大型加工品,也能可以在短时间内进行测量。



图2 : 新一代工具机已可在机内进行微米级的测量。(source:Nikkan)
图2 : 新一代工具机已可在机内进行微米级的测量。(source:Nikkan)

减轻操作人员负担,更简单的操作与全程自动化

面对陶瓷等容易碎裂的加工材料方面,测量的自动化也在不断发展。牧野在2020年11月所发表的新一代设备中,内建了刀具形状的测量功能。


传统上,对於容易碎裂材料加工时,是由具有深厚经验的技师来进行砂轮刀具测量和磨损控制。面对这样的要求,牧野开发了电镀砂轮的测量功能,可以自动测量砂轮形状,并判定形状的合格与否,并使这些制程达到自动化,来提高加工效率,以及砂轮工具的寿命和精度。


在高精度加工中,即使工具机能准确地进行作动,还是会因为受到切削刀具变形、磨损等影响,而不能依照原先设定进行加工。以往为了纠正误差,都会先将加工件拆下,在三维测量机上测量精度後,再进行後续加工,但测量後再次上机时,工件的中心点会发生偏移,造成误差。


为了实现更高的精度和效率,工具机测量的重要性日益增加。碌?产业(ROKU-ROKU)开发了一套名为 「COSMOS 」的系统,安装在工具机上的同时,可以支援加工到三维测量、补偿程式制作、後续加工的一贯作业,而无需拆卸工件,重新进行尺寸测量与校正。


传统上,将使用机器人的自动化系统引入生产现场需要包括教学在内的专门知识,这已成为中小型企业的一大障碍。YAMAZAKI MAZAK的立式MC5轴机床设备透过自动化机制,将立式关节臂机器人、加工物体的储料器(Stocker)、安全盖和一个用於安全监控的扫描仪组合而成的加工机,可以自动执行加工物的装卸,并且只要将必要的数据(例如运动模式和要加工的物体的形状)输入到系统中,就可以简单地设定机器人运动程序。


由於不需要复杂的教学(使机器人记住运动),并且可以快速的让操作人员容易熟悉习惯的CNC设备设定程序,即使从事金属加工的中小型企业也可以轻松地进行操作。


错误发生的预测和修正

未来,人工智慧会更深入的应用在工具机,来取代对於技术工人的依赖。美捷科(YAMAZAKI MAZAK)的开发出了,可透过物联网(IoT)远端操控,且具有高度人工智慧的MAZATROL Smooth Ai电脑数控工具机,可以将设定加工程式所需的时间,从约30分钟大幅缩短至2分钟。并且透过对加工件的测量、资料等历史记录,进行深度学习,进而可以识别加工误差的模式,自动地修正加工作业的数据资料,降低主轴的颤动振动。


捷太格特(JTEKT)计划是透过命名为「TAKTICA」的基础技术品牌,来增强制造能力,与其他业者一样,希??能以AI来代替熟练的技术人员,目前已经有许多技术投入实际使用。


EDGE CHECKER是JTEKT所开发的一种可以确定刀具寿命,并将刀具使用到极限的技术。PROCESS SIGNPOST 则是最新开发的一项AI应用技术,透过这个机制,可以综合考量机器设备、加工工具和加工件的特性,来提供最隹的加工条件。Load Checker(????????)是让熟练的技术人员,透通过声音等来判断加工的负荷程度,并自动校正加工条件。


切屑引起的设备停止和加工缺陷的问题

近年来,出於节省劳动力、提高生产效率和改善工作环境等原因,越来越多的工厂不仅在生产现场导入了自动化系统,更进一步的关注在加工过程中,因为切屑引起的设备停止和加工缺陷的问题。


因此DMG森精机开发出了「AI Chip removal」技术,这是一种使用人工智慧的自动排除细屑的系统。可以分析机床加工过程中产生的切屑堆积,自动有效地清除,减少由於切屑引起的设备异常停工和加工缺陷,并可提高切割自动化系统的生产能力。


DMG森精机是利用内建AI能力,透过处理室中两个高性能相机,所拍摄的影像来确定切屑的位置和数量(图3)。并且根据沉积位置,设定最隹的清洁路径,再利用电动冷却剂喷嘴来有效进行清除切屑,防止切屑积聚在设备上,同时还支援观测自动操作期间加工物的变化,再透过原始机器操作面板的萤幕上进行操作,更改清洁路线并可以移开任何地方。



图3 : 自动排除切屑可确保工具机正常运转与降低加工缺陷。(source:Nikkan)
图3 : 自动排除切屑可确保工具机正常运转与降低加工缺陷。(source:Nikkan)

2021全球市场规模将温和恢复,将带动扩厂投资

纵观工具机产业的过去变化趋势,从2012年到2019年之间,市场销售总额反覆地上升和下降。根据日本经济产业省对於金属加工工具机的销售额变化统计资料显示,2019年金属加工工具机的销售额为11,189亿日元,比上年(2018 )下降了13.7%。尽管销售额连续第九年保持在1兆日元的范围内,但三年来却首次出现负值(图4)。



图4 : 金属加工工具机的销售额变化。(source:日本经济产业省;智动化整理)
图4 : 金属加工工具机的销售额变化。(source:日本经济产业省;智动化整理)

工具机已经在世界各地的各业界广泛的被使用,例如汽车、精密机械、飞机、IT产品,工业机械,和医疗设备等产业,因此极容易受到经济的影响,再加上由於工具机订单,与制造业资本投资趋势成正比,因此「工具机订单」常常被作为判断经济情况的主要指标之一。


近年来,工具机产业受到了2008年雷曼兄弟(Lehman)事件冲击的影响,曾经一度急剧下跌,但随着智慧手机、汽车和半导体等产业的需要,在2017年和2018年,连续第二年创下历史新高。特别是智慧手机对於工具机开发上来说,有着特殊的规格需求性,因此各种新型号的订单也呈现增加的态势。另一方面,全球市场对智慧手机的需求,一直在上升与下降的区间内反覆波动。


虽然近年来智慧手机的需求,在全球市场表现出强劲的增长。但是由於中美之间贸易问题的增加,以及Covid-19在2020年对全球带来相当大的冲击,造成了对於工具机需求的低迷。因此从三大工具机公司的表现来看,2019年销售额持平且同比下降,FANUC大幅度下降20.0%,牧田下降了1.7%,DMG森精机也下降1.0%。


工具机产业虽然面对着由於担心中美贸易冲突的影响而出现需求疲软,但另一方面,对於期待节省劳动力的设备、自动驾驶和5G的需求仍然很高。例如,高度发达的国家,在劳动力短缺和劳动力成本??升的背景下,制造业和服务业对於工厂和现场机器人的需求正在增长。


而经济快速增长的新兴国家,也正逐步提升工厂的生产线自动化。而自动驾驶和5G方面对於工具机的需求,工具机业者也加紧脚步导入人工智慧和物联网等下一代通信等新技术,让相关产业的资本投资,有??在未来显着增加对工具机的需求。


结语

由於新应用的到来与逐步复苏的经济,因此工具机制造业者都已规划新技术发展和增加产量。DMG森精机宣布,到2023年,将在其日本国内的生产能力提高30%。在印度,DMG森精机预计市场规模将超过中国,并且已经开始着手布建30年来首次在印度开始生产机床的计画。


而FANUC早在2019年5月就宣布将建立新的工具机工厂,该工厂能够进行奈米级的精密模具加工。此外,FANUC为工厂扩展了IoT平台「现场系统」的功能,并开发了促进工厂应用制程的开发。还持续的进一步进行高度人工智慧的研究,并正在美国西海岸建立新工厂。


此外,美捷科(YAMAZAKI MAZAK)、不二越和CITIZEN时计的生产能力也在提高,并且每个制造商都开始积极投资,以期扩大商机。


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