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CNC數控系統整合現場OT+IT技術 打造智能工廠內建硬核心
 

【作者: 陳念舜】   2021年04月29日 星期四

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相較於同級日系CNC數控系統大廠,三菱電機邁向工業4.0前期(2011~2020年


)已先挾其IT優勢推廣e-Factory Alliance理念,尋求落地合作夥伴。如今更可見於驅動數位優化與轉型階段(DX)成效,即將與歐系CNC數控系統大廠並駕其軀,落實從現場為起點的智慧製造趨勢。


目前所稱「數位轉型(Digital Transformation;DX)」的概念,其實最早始於2004年,由瑞典Umeo大學教授Eric Stoterman倡導,他認為:「IoT、AI技術不斷創新發展的結果,便是為了改變人們生活,朝著更好方向前進。」包含利用數位科技解決現場傳統的業務問題、改變企業營運模式,特別是在降低成本、增加顧客忠誠度與黏著度,提升消費者體驗方面。


衍生到了最新的製造業革命,則是利用新世代科技開創出智慧工廠,但同屬於日系CNC數控系統大廠三菱電機(Mitsubishi electric)卻指出,即使如今許多企業明知工業4.0的重要性,卻鮮少有能真正實踐者,主因在於導入智慧工廠會面臨各種複雜問題,讓人不知該從何著手,即是因為缺少了「人的知識(Human knowledge)」,也就是創新的來源。


三菱為此提出的解決方案,則是將之與機械自動化(Machine Automation)、數位化工程(Digital Engineering)三者結合,以產生全新價值與實用作法來實踐智慧工廠,稱之為「e-F@ctory」解決方案,也可說是針對FA設備的數位轉型,得以全面連結、支援並大幅改善生產效率,運用先進技術優化價值鏈,解決從生產現場改善、工廠營運到解決經營管理的難題。


該方案係利用以推動日本製造業發展的「KAIZEN(改善)」為基礎的逐步實現,強調從生產現場出發的製造革新,皆經過深入瞭解現場製程,靈活運用現有設備,讓生產現場達到最佳化;系統還能彈性因應生產製程的需要,執行階段性升級,讓工廠持續進化。


台灣三菱電機FA事業部副事業部長兼NC製造部部長溫福生認為:「這也要歸功於截至2021年,三菱電機已擁有長達百年的製造經驗與專業技術。」涵括從宇宙、能源、基礎建設到家庭電器等多樣事業領域累積的經營管理基礎,將隨著業務模式轉型,聚焦於4大領域:生活、工業、基礎建設和交通,進而整合集團內外力量,提供全面解決方案,加強技術與業務層面的協同進化。



圖1 : 台灣三菱電機FA事業部副事業部長兼NC製造部部長溫福生認為:「歸功於至今三菱電機已擁有百年的製造經驗與專業技術,得以整合集團內外力量,加強技術與業務層面的協同進化。」(攝影:陳念舜)
圖1 : 台灣三菱電機FA事業部副事業部長兼NC製造部部長溫福生認為:「歸功於至今三菱電機已擁有百年的製造經驗與專業技術,得以整合集團內外力量,加強技術與業務層面的協同進化。」(攝影:陳念舜)

三菱強調現場前置作業重要性 推動從真實世界改向網路空間改革

其中在工業領域,三菱根據日本經產省(經濟產業省)發表的20220年白皮書,分析現今製造業需求數位轉型(DX)的背景,主要是為了因應製造業在激烈變動時代須面臨的主要挑戰,包含:中美貿易磨擦的保護主義運動,導致地緣政治風險增加;極端氣候變化和自然災害、新冠病毒,以及破壞性的技術創新等。對此提出的戰略,則須藉著引進數位技術來加強企業轉型能力,組織應變的動態能力,才能藉此強化設計能力和速度、培育數位人才資源。


溫福生指出:「倘若只是單純採購數位化軟硬體,還稱不上真正的數位轉型,必須將數位化、數位優化技術逐步融入企業的所有領域。」他認為,由於產品在設計階段就已決定88%成本和品質,所以製造業應利用虛擬設計軟體跨部門整合,才能更快開發更好、成本更低產品,國家與企業應積極培養具有數理、數位科學及AI技能變得非常重要!


另依日本經濟團體連合會(經團連)最新報告,建議日本製造業現在該實施的戰略,是透過DX加強價值鏈協作,利用生產國特有的技術能力和專業知識,從目前將網路空間數據布建到現實世界的模式,改為將真實世界的現場經驗知識,用於網路空間改革。


三菱也呼應其構想,強調在生產加工現場包含前置準備工作的現場作業至為重要,所以於2003年發表的DX解決方案「e-F@ctory」不只以數位驅動,而是從現場底層FA設備為起點,再通過Edge Computing邊緣運算層平台「EDGECROSS」加入稼動及感測器情報後,由下往上延伸建構到IT系統層,藉此活用現場知識及先進技術,達成總體生產製造的最佳化。


邊緣運算平台上下串連 逐步實現智慧製造

目前三菱廠內的FA產品,共有:控制器設備、機電一體化、邊緣計算等軟硬體,並將CNC控制器(M80/M800系列),更新為薄型和扁平外觀設計、分割畫面的HMI介面,透過電容式觸控螢幕直觀操作,訴求更快、精準、平順與簡單;自主開發CNC專用Gate CPU,強化高速處理能力;以及在NC驅動器之間,通過更高傳輸速度的光纖通信,加快系統響應速度,而實現高速、高精度加工,將在客戶端使用的生命週期成本降至最低,也為加工現場帶來無限可能性和創新價值。為了透過FA綜合能力和開放合作,來提高生產效率,三菱針對工具機製造廠商(MTB)、End user提供完整解決方案,包含設備設計、生產加工、維護階段。


在設備設計階段,三菱電機特別成立e-F@ctory Alliance,現已吸引約1,000家夥伴企業加入;生產、加工階段支援客戶多種解決方案,於實際加工前讀取模型,並經過3D模擬快速檢驗加工程式、圖形、可視化工件外觀,以防止機械干涉、提升精修複雜形狀工件的品質。自動化支援解決方案,則是透過簡化機器人連接解決方案,可直接從CNC數控系統通過單條Ethernet網路線,取代大量I/O連接纜線;以及G-code同步操控機器人,有效減省學習專用PLC編程時間,或機器人專用HMI、教導盒等成本。


同時提出兩大AI應用解決方案,其中「熱位移補正」,係基於每部工具機內預先埋入環境感測器,檢測環境溫度和機械操作過程中的熱量,再經AI推估熱位移幅度,交由CNC控制器即時補正,以免加工精度飄移。「刀具磨損診斷」,則是利用三菱AI軟體「iQ Monozukuri」分析加工良品時的主軸馬達負載與電流變化特徵的大數據,可在發現異常時示警,避免刀片折斷或破損;進而分析加工缺陷趨勢及尺寸,立即判斷產品良窳,防止流出不良品;甚至可從刀具磨損狀況,分析其使用壽命並充份應用,減少浪費成本。



圖2 : 三菱強調在生產加工現場包含前置準備工作的現場作業至為重要,所以於2003年發表的DX解決方案「e-F@ctory」是從現場底層FA設備為起點,再通過邊緣運算層平台往上延伸到IT層,達成總體生產製造的最佳化。(source:三菱電機)
圖2 : 三菱強調在生產加工現場包含前置準備工作的現場作業至為重要,所以於2003年發表的DX解決方案「e-F@ctory」是從現場底層FA設備為起點,再通過邊緣運算層平台往上延伸到IT層,達成總體生產製造的最佳化。(source:三菱電機)

最後於維護階段,三菱不僅可通過高速閘道裝置(MELIPC)同步蒐集分析NC、伺服馬達、感測器等數據,且支援CC-Link、OPC-UA等多種通信網路標準介面,實現工具機物聯網化;接著上傳邊緣運算平台「Edgecross」分析應用,建構稼動監控解決方案「iQ NC Machine Tool Optimizer」,監控不同品牌、新舊FA設備,包含NC/PLC、機器人的稼動率資訊,或刀具和工件異常等,達成各種統計數據的可視化及產出報表。未來還能透過AI分析診斷來預測加工時間,改善現場生產流程及提高生產力;進而連結服務中心,快速回應遠端診斷結果。


溫福生進一步表示,尤其因為台灣工具機產業約80%外銷,強調重視使用者需求,設備製造廠商經常須要為了派員出差維修而耗費時間、成本。如今則可利用三菱e-F@ctory的「iQ Care Remote4U」雲平台,通過物聯網技術從遠端檢視工具機和CNC數控系統狀態,讓台灣工具機廠商只要取得平台許可證,即可無遠弗屆為客戶提供遠距服務來提高效率及降低成本,持續跟進軟體定義未來世界的趨勢,讓台灣廠商藉此開發高值化軟體,以最佳品質和成本,支援加工製造。


海德漢確保無縫數位整合 實踐現場智慧製造

身為最先提出工業4.0概念的宗主國,德國海德漢公司(HEIDENHAIN)數位工廠總監Martin Weickgenannt直接以該公司終端客戶位於捷克的NAFO公司工廠現場實際應用為例,說明海德漢除了扮演供應商的角色長期專注於研發生產量測設備、數位顯示裝置和CNC控制器,提供生產機台所需各類產品和工具之外,同時示範在該公司數位監控部門及CNC數控系統最新型態的技術應用成果。


Martin Weickgenannt表示,該公司向來致力於開發製程串聯與智慧化技術,期望協助客戶實現數位化流程,因此設立的數位工廠是專門針對製造業提供智能軟體與產品服務的最新業務領域,貼近使用者需求而提供全方位解決方案,期望透過無縫數位整合及生產流程自動化,為實踐智慧製造邁向更高層次。


例如在NAFO工廠分為3大部門,其中的「廠務經理」主要負責廠務統籌和管理工作,確保工廠能順利生產、加工金屬零組件;管控成本,規劃廠內須要採購機器、材料、軟硬體工具及聘用員工數量;提出正確報價策略,才能維持利潤又不失價格競爭力,最後在年終獲利。


「技術工程師」則負責廠內所有訂單的製程準備工作,針對廠務經理交付的大筆訂單分析現有生產資料,並安排適當生產製程,透過軟體縮短編程時間。最後促使「機台操作人員」能依正確使用程序,以確保廠房機台運行順暢。接下來才是執行零組件加工的最重要任務,須由團隊攜手合作,完成生產製造流程創造績效,利用最有效率方式優化,生產高質量產品。



圖3 : 透過海德漢PNC數控系統,以完整硬軟體供應商的解決方案提供自動化模組系統配套,以實現自動化加工生產程序。(source:storage.googleapis.com)
圖3 : 透過海德漢PNC數控系統,以完整硬軟體供應商的解決方案提供自動化模組系統配套,以實現自動化加工生產程序。(source:storage.googleapis.com)

然而,目前工廠主要遭遇的問題便是彼此商務流程之間的鏈結缺失,導致效率下滑。Martin Weickgenannt指出,例如廠務經理雖然手握訂單,以規劃安排所需機台、人力,卻無法從技術工程師取得資訊並精準計算、預測完成訂單所需加工時間,恐會影響產品最終價格、生產週期、稼動率等。現今市面上雖有軟體系統力求整合生產製造流程,但大部份工廠運作仍無法有效對接。


他強調:「海德漢的願景不只為客戶正在做的事提供產品,而是優化製程效率,逐步走向智慧製造趨勢,藉由整合製程鏈系統達到生產流程自動化!」例如技術工程師必須負責安排產品製程順序,縮短編程設計與模擬時間,以提高整體生產率。


海德漢便為此提供數位分身(Digital Twins)解決方案,打造可以完美複製廠內加工機台的編程工作站,並利用「維護管理員(Maintenance Manager)」來協助業者維護高精準數位模型、數據,創造如臨真實廠房裡測試驗證的體驗環境。得以在測試、編程階段,就能完美模擬出最終產品,更精確評估成本及報價,節省於真實機台上模擬加工所耗用的作業時間,符合廠務經理要求,且不必額外添購大量機台;進而更簡易、快速安排產品的製程順序,即時確認生產資訊的正確性。


機台操作人員的任務便是處理這些訂單,負責操作現場機台、設備,包含車/銑削加工所有模具、零組件製程並確保品質,海德漢也提供工程師及操作人員順暢合作的「任務管理員」解決方案系統化管理人員、機器、材料,令雙方完美協調並統整生產流程,只要先在系統上開立生產工單、排程,就能輕鬆、簡易靠一鍵完成訂單管理;同時調度和追蹤訂單處理狀況,有效率完成車/銑削流程。Martin Weickgenannt指出:「操作人員因此確信所得到的編程可完美運作,在製造流程上加工更精準、動態更順暢,且不會產生任何衝突;進而協助優化效能,以滿足實際生產需求。」


海德漢願景中的另一項元素,就是讓機台操作人員透過已行銷多年的「生產監控軟體(State Monitor)」集中評估工具機資料,能與工程師快速瀏覽機台狀態及監控稼動率,在特定時段採無人值守機台;同時鏈結操作人員與廠務經理間的商務流程,讓主管得知其表現良好,也提供廠務經理更有效率監控機台的自動化解決方案。


進而透過海德漢PNC數控系統,以完整硬軟體供應商的解決方案提供自動化模組系統配套,並通過標準介面直接交換數位資料,以實現自動化加工生產程序。包含:採取海德漢PNC 610直覺觸控介面操作,透過工具機熟悉的驅動系統元件、相容TNC控制器工具編程和設定。採開放式系統提供客製化解決方案,輕鬆創建PNC 610使用介面,透過python輕鬆修改PLC程式;由海德漢服務部門支援編程,使用「批次處理員(Batch Process Manager)」建立流暢生產製程,提高計畫和管理工序的靈活性,預先檢查刀具和工件,及早發現關鍵加工課題。


*刊頭圖(source:assets.new.siemens.com)


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