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高度人工智慧化的切削加工设备
日本透过感测器催生技术

【作者: 盧傑瑞】2018年02月07日 星期三

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作为现代加工产业最重要的基础技术莫过於切削车床加工,伴随着技术与需求的变化,切削加工技术也不得不跨入工业4.0的境界,来演进到智慧化切削车床加工的能力。以位居於先进工具母机开发大国的日本,虽然同样的感受到来自於市场对於自动加工技术的压力与要求,不过,在日本业界里还是持续地讨论着,对於切削车床领域而言,到底还需要什麽样的研发与进化,才能支撑着日本持续扮演着领先的角色。


日本业者相继退出开发更超精密细微技术行列

从过去10~20年之间,切削车床技术的历史来看,可以感受到技术不断的出现创新,不仅仅是精度的提升,自动化与多方向性也屡屡有着惊人的变化,例如,新一代材料的加工技术、低耗能高环保的加工技术、高效率的加工技术、高精度的加工技术、多轴车床设备、复合加工设备等,使之得以完成更复杂形状的加工能力等各方面都出现飞跃的进步。


10年前,产业对於工具母机的期待几??都着重在超精密细微加工的技术,事实上,这个期??也陆续地被实现,透过研究开发,更精密的设备零件、模具等制造技术一一的被开发出来,也由於这样,使得必须仰赖超精密细微形状不可的光学元件等等,就出现了爆炸性的成长。此外,在过去几??是不可能的金属材料的钻石切削研磨,现今也可以透过超音波振动的原理来实现(图1)。



图1 : 利用单结晶钻石工具,在镜面钢材上进行超高精细加工(显微镜摄影,右边的段差是1个微米)(资料来源:名古屋大学)
图1 : 利用单结晶钻石工具,在镜面钢材上进行超高精细加工(显微镜摄影,右边的段差是1个微米)(资料来源:名古屋大学)

不过,就如同日本业界所担心的,近几年来,可以发现到日本工具母机大厂都已逐渐的不再把重心放在开发出更超精密细微的加工设备,甚至有的业者更是已经陆续地退出这一个市场。相反的,可以发现日本各大工具母机业者,已经将研发方向朝向低成本化、缩短制造生产时间、以及高效率切削技术等等。


为了达到高效率切削技术的目标,需要多方面的配合,例如像高速切削、多轴同步加工、高压油压液等,各个领域的进步相互推动。不过,在这诸多发展和问题里,其中抖动的问题,仍旧是困扰着所有的切削加工设备开发者(图2)。



图2 : 由於加工时出现抖动情况的加工物出现失败品 (资料来源:名古屋大学)
图2 : 由於加工时出现抖动情况的加工物出现失败品 (资料来源:名古屋大学)

加工过程中不易克服的抖动现象

从过去直到现在高度生产成本的竞争下,伴随而来的结果就是不断地追求高效率技术,但是无论是加工设备技术以及工具技术出现飞跃性的发展,因为抖动问题所产生各种研发瓶颈的案例还是层出不穷,事实上,这也是预料之中的现象。


简单的说,会出现抖动现象是因为加工过程中和设备结构的相互性作用,所产生的不稳定现象(自励震动)。例如在利用铣刀进行加工时,所产生的震动,这是由於在刀刃前端的加工面所残留的起伏,而下一个刀刃再出现震动,导致切削的厚度就会出现变化,这样的现象就会不断的重复发生,此时就会产生切削力量的变化,而工具与被切削材料等就会出现加振效果,而所产生的震动就会和材料被切削的动作同步出现。这样的效果不断重复的出现下,震动和振幅就会持续增加而产生抖动的情况,这就是所谓的自励现象(图3)。



图3 : 出现抖动现象的Milling Process示意图 (资料来源:名古屋大学)
图3 : 出现抖动现象的Milling Process示意图 (资料来源:名古屋大学)

这样的震动一旦发生时,如果设备持续进行运作的话,在加乘的效应下,就会衍生出愈来愈大的震动,而出现更大的问题。此外,抖动和强制震动经常会被混淆,这两种情况是完全不一样的,各有各的处理与应对方式,方法完全不一样。


至於会出现抖动现象的原因,大部分是因为设备结构(零组件、设备本体等)的动作刚性不足所引起的,这个情况大多都会强化动作刚性来进行改善。如果改善的效果仍旧不隹的话,就必须尝试着朝向修改零组件、以及加工条件不可了。


但是,会产生抖动现象的原因是非常复杂的,这也是由於如何选定适切的零组件与加工条件是一件非常困难的事情,并非依靠经验就能够解决。抖动问题真正能够获得解决,一般来说都是需要依赖专用的仪器设备来进行量测(图4),再透过所获得的数据资料进一步的分析和检讨出解决的方法。


当然,这样的量测与分析工作还是需要依靠高度的专业知识与作业熟练度。不过,因为智慧化技术的进步,如果透过先进分析软体的话,或许也有可能一般技术人员就可以进行抖动改善工程。



图4 : 目前业界常用分析工具或软体来分析与稳定抖动现象 (资料来源:名古屋大学)
图4 : 目前业界常用分析工具或软体来分析与稳定抖动现象 (资料来源:名古屋大学)

从被量测的振动频率资料中,概算出最适合的主轴旋转速度,这在过去就经常被应用。但是目前已经更进一步的利用震动感测器来对加工中的进行异常震动感测与分析,并且能自动调整最隹的主轴旋转速度,而避免出现抖动现象。


这是目前对新一代加工设备,尤其是多轴车床设备进行开发设计时,吸引着各大业者相竞投入研发的趋势之一。相信在不久的将来,大多得车床设备都能具备有震动感测分析的能力,进而提高加工设备的生产效率。


工业4.0和物联网将工具母机设备推向高度智慧化

目前MC、NC等的工具母机设备,除了已经逐渐将震动感测作为基本的设备单元之外,面对无论是工业4.0或物联网,包括影像感测、温度感测等各式各样的感测单元也逐渐被整合到工具母机设备之中。因此,在未来工具母机的设备发展,感测器的应用与数据资料量暴增已经是不可避免的。


所以,在新一代的研削生产过程中,除了完成既定工作之外,在工业4.0或物联网的潮流下,如何从每一个简单的感测器所产生的资料数据中,抽离出高度价值性的资讯,进而再产生出新的附加利益,将会是另一个必须思考的方向(图5)。



图5 : 利用伺服资讯来进行即时监控 (资料来源:名古屋大学)
图5 : 利用伺服资讯来进行即时监控 (资料来源:名古屋大学)

伴随着感测器的增加,而在每个生产过程中获得一项项的宝贵纪录数据与分析资料,在日本已经有更先进的观念逐渐被重视,那就是观察者(Observer)技术。


例如,在工具加工设备的伺服系统方面,从马达的推力和移动物品的加速度数据,来推断外部离散力,进而决定伺服系统的功率,达到让工具母机设备有着更高的效率与更低的耗能。


更进一步的,透过将切削加工原理与观察者技术加以结合,在模式基础(Mold Base)下,就能够完成高度生产加工监视的目标。这个方法,是从各种工具母机设备伺服单元的内部资料,来计算推断外部离散力量,并根据已经被计算推断出来的外部离散力数据,再来决定工具与被加工物品之间的切削力和设备各伺服单元的功率传递。而这样的切削力与功率传递等数据的分析,就能再进一步量化成加工的高价值数据资料。例如,工具的磨耗量以及对抖动抑制的稳定控制(图6)。



图6 : 各种叁数的即时推估与分析(资料来源:名古屋大学)
图6 : 各种叁数的即时推估与分析(资料来源:名古屋大学)

这样的好处是,原本需要高度熟练的资深技工才能达到的能力,现在透过各种感测器所产生的数据,并且进一步的纪录和分析,除了能让资浅的作业技工也能够轻易地进行各种复杂且高难度的加工作业之外,更可以将这些数据有效的整合後,创造出更高智慧化的自动加工设备。


长久以来,台湾的关键感测模组大多仰赖国外进囗。面对工具母机高度智慧化潮流趋势下,目前台湾已经开始研发应用在工具母机上相关的感测器。最近工研院智慧微系统科技中心也发表了微型多轴振动感测器,内部整合宽频振动感测创新结构设计,与低杂讯读取及校正特用电路晶片,同时也可延长机具寿命,降低整体维护成本。


日本战略性革新创造计画带动智慧工具机

有监於工业生产各领域不断的数据数位化(工业4.0、物联网等),日本经济产业省开始讨论与制定方向,来面对20~30年之後,日本工具机产业未来需要解决的7大战略课题,包括:一、伴随着社会的数位化、软体化,所产生的高成本化;二、面对数位技术磨合、改善的商品化应对;三、取得生产技术、生产材料的革新;四、生产环境数位化、软体程式化的因应;五、专业人才质、量不足的因应;六、因应面临能源节省与减碳下的市场成长;七、风险管理。


其中取得生产技术、生产材料的革新,以及生产环境数位化、软体程式化的因应者两方面,目前日本内阁府所主导的战略性革新创造计画(Cross-ministerial Strategic Innovation Promotion Program, SIP)中,其中一项就是针对工具母机产业进行高度智慧化技术的研究,叁加者包括厌应大学、名古屋大学、东京工业大学、中村留精密工业、尼康(Nikkon)、日本Pmac…等,在产学合作的架构下,利用前述从各个感测器中所获得的宝贵数据,加以分析并且转换成可利用的资料,强化工具母机设备的智慧化与高自动化,为下一代智慧型多轴复合加工设备建立基础研发平台,实现Smart Factory里工具母机的高人工智慧、多轴复合等的技术能力。


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