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各式感测器已成为工具机设备的关键元件
 

【作者: 盧傑瑞】2018年11月14日 星期三

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最近5年来,日本新一代的工具机设备除了维持一贯的精度与高速之外,在控制与自我维护方面,出现相当大的开发变革性,各工具机大厂不仅仅朝向更多功能性化发展,同时也让工具机设备更聪明化与可通讯化。因此,相信高速化、高精度化、复合化、智慧化、开放化、并联驱动化、网路化、极端化、绿色化是将会是工具机设备发展的趋势和方向。


除了以复合化、多轴化、智能化为中心的技术,不断的推动工具机设备变得更优异之外,日本业者也开始在工具机设备内部增加线上量测能力。ISO230-1的规范,就是针对工具机设备的试验方法进行定义,而最近修正了部分的规范。


为了满足上述规范的定义,目前日本业者开始对工具机设备内部的设计,进行修正与能力提升,最大性能提升的部分就是量测的技术与元件。这其中最关键的系统与元件便是各种侦测能力的感测器,同时,也因为半导体制造、工具机设备、机器人等领域的市场需求持续成长,以及物流等非制造业的需求快速增加下,被视为导入与扮演IoT技术应用的关键零组件感测器,也就呈现了大幅度的成长。


另一方面,再加上少子化、高龄化所带来的人力不足和人事成本激增,以及市场对於产品生产的高精度要求和缩短生产时程方面,也都可以透过使用感测器来解决,因此,感测器也就成为各式新一代生产设备开发时,不可或缺的关键零件,更进一步的带动了工厂设备专用的各功能感测器市场快速扩大,以及更多方面应用的感测器被开发出来(图1)。



图1 : 各功能感测器市场快速扩大,以及更多方面应用的感测器被开发出来。(source:Leddar Tech)
图1 : 各功能感测器市场快速扩大,以及更多方面应用的感测器被开发出来。(source:Leddar Tech)

各种感测器逐渐成为工具机设备的关键元件之一

一般而言,工具机设备在进行加工作业时,需要面对各种形状或加工条件不同的加工对象物品,但是这些都需要透过资深的技师来进行控制或调整。当然,在导入人工智慧能力後的工具机设备,也需要让工具机设备具有加工物品的成像以及量测能力。


因此在IoT化和AI化的大环境趋动下,未来不仅仅工具机设备,甚至於连设备中的各个次系统单元,也都将透过各种感测能力发展独自的资讯系统架构,再从各式各样的感测器中取得各种数据来加以分析使用,使得如何藉由此一能力来提高生产能力。例如,经由设备上的影像感测器与震动感测器等元件,以及透过通讯网路和云端或伺服设备的AI能力,就能够将观测到车铣床用的立铣刀等消耗品的劣化,或加工品的数据,再加以分析判断,并且完成降低各种生产成本的目标。


透过感测器开发出切削残物检测与马达列化预测的技术

就像日立开发出在生产设备内建具有感测器的传动马达,可以透过感测系统预先分析出传动马达和系统相关消耗性零件的劣化程度与预先维护规划。


马达的部分,是采用现有的电流感测器,来推估出转子的位置,而并非采用一般使用位置感测器的设计。因此所发展的这款取代过去技术的非采用感测器控制技术,可以同时达到进行伺服马达控制以及多变量解析等等的分析,并且透过这项机制能更进一步的开发出伺服马达的劣化检测功能。


因此采用愈精密的伺服马达,即使需要相当轻微的负载变动,马达也可以满足控制的需要。利用这样的功能原理基础,可以透过软体来从伺服马达的驱动电流获得转子转数与Torque电流、励磁电流和转子位置等内部的资讯数据(图2)。



图2 : 日立利用感测器的检测传动马达转子 (source:日立制作所)
图2 : 日立利用感测器的检测传动马达转子 (source:日立制作所)

金泽工业大学的中野淳教授与鹰合大辅准教授,和O-M制作所合作,针对工具机设备的切削工作物,透过感测器和人工智慧技术,开发出可以检测缠绕在刀刃外表的切割粉末的技术。由於工具机设备在进行加工切割时,会不可避免的产生切割粉末或残馀物,在过去技术能力,因为无法侦测出切削残物,使得这些切割粉末或残馀物会包覆或残留在刀刃上造成加工不良,更严重的会使得工具机设备产生各种的故障。


此外,由於工作对象物材质、加工方式不同时,会出现体积或形状不同的切割残留物,因此,如何克服残留在刀刃上的加工馀物,并且加以排除,顺利的进行加工,长久以来一直是工具机设备业者、加工厂业者,以及关键零件业者所关注的问题,以及研发的方向。就像这次的技术合作业者O-M制作所,针对这一部分已经投注相当长的研发资源,透过和金泽工业大学的合作,利用感测器与AI技术开发出新一代具有切削残物检测能力的工具机设备,来降低设备的故障率与确保加工的顺利性(图3、图4)。



图3 : 刀刃被加工馀物包覆的状况(source:金泽工业大学)
图3 : 刀刃被加工馀物包覆的状况(source:金泽工业大学)

图4 : 透过感测器与AI分析与描绘出刀刃被加工馀物包覆,加工馀物可能性高的地方以颜色表示。(红色部分的准确率较高)(source:金泽工业大学)
图4 : 透过感测器与AI分析与描绘出刀刃被加工馀物包覆,加工馀物可能性高的地方以颜色表示。(红色部分的准确率较高)(source:金泽工业大学)

工厂设备专用的各功能感测器的市场仍旧维持大幅成长

在整体的工业用感测器领域里,机器人方面的应用才刚开始,所占的市场比例还不是很高,而相关的半导体制造、工具机设备、车用、建设等,都可以发现到市场成长幅度相当的大。在占据市场比例较多的半导体和显示器生产设备方面,根据日本半导体制造装置协会的出货统计,2017年度的市场规模达到了2兆5352亿日圆,而对於2018年度的市场规模,更是乐观的预估将会达到2兆7943亿日圆,持续维持了2兆日圆的市场规模。


和半导体制造设备市场一样呈现持续顺利成长的领域,便是工具机械的产业。根据日本工作机械工业会的统计数字来看,2017年的市场规模比起前一年度,大幅度的成长131.6%,市场规模达到了1兆6455亿日圆,这个数字已经又重新写下历史的新高点。工业会预估在2018年还是会持续维持这样的成长态势,市场规模将会成长到1兆7500亿日圆,预计将会再一次的打破在2017年所创下的市场规模历史新高点。


这是因为可以预期到包括以汽车产业、通讯设备、建设设备等等的市场核心产业,市场需求持续呈现旺盛的态势,这样的变化,已经使得工具机设备的交货期不断出现新订单交货期延长的窘境现象,同时也难以透过计划生产来消耗庞大的订单,与出货压力。


另一方面,根据日本电气制御机器工业会的统计,在2017年度(2017年4月~2018年3月)的检测用开关(Switch)的出货销售金额为1215亿日圆,这个数字比起2016年度(2016年4月~2017年3月)的市场规模几??呈现翻倍的成长,打破了过去最多是2位数的成长率,达到了111.8%的历史最高成长率。


在类型的部分,非接触式感测器的成长幅度,更是高於接触型的感测器,特别是可提供资料输出的类型产品,成长幅度高达115.7%。另一款成长率达到三位数的产品则是与安全保护相关的感测器,和前一个年度相比,成长幅度更是破纪录的来到124.8%。


工具机设备用感测器技术与应用现况

精度持续进步的光电感测器

在工业用的感测器产品类型中,占据市场比例最大的为光电感测器,例如LED或半导体雷射等光源性的非接触式感测器,主要是用来进行工作性(产品?零件)的有无确认。在技术方面则有穿透式、回归反射式以及扩散反射式等,而在精确度与性能方面,每一年可以发现到都会有大程度性的进步。穿透式感测器大多是应用在远距离的检测,而回归反射式的感测器,不必像穿透式感测器一样,需要在投射单元和受光单元都进行电路的设计,只需要在感测器的对面安置匹配的反射材料就可以了,这样一来,无论是在电路复杂度和安装的程序,都能够减少一半左右。


特别的是,反射式感测器的效能,以及成本降低方面都相当显着,另外在过去所苦恼的工作目标品的颜色变化,以及高倾斜角度的工作目标品、水、油等环境条件,对检测器的精准度所带来的影响,也大幅度获得改善。



图5 : 近几年来,反射式感测器的效能,以及成本降低方面都相当显着(source:BANNER)
图5 : 近几年来,反射式感测器的效能,以及成本降低方面都相当显着(source:BANNER)

光电感测器不断追求的是,如何能够更容易的使用自动调谐等功能,来提升自我的能力,另外,多点控制以及差动检测等时,能够精准掌控类比型态的受光量,以及类比型态输出的光纤式光电感测器。例如,最近在面对IoT与工业4.0化的市场竞争压力之下,让工具机设备拥有通讯能力,就是接下来新一代产品需要考量的设计与方向。


在这样的趋势下,PLC和通讯机制的能够集中进行各项设定,也就会变得相当重要。而当然每个业者所提供的光电感测器产品都具有自动感测修正功能,已经不仅仅只能进行光纤前端受到污染时,所造成的光量降低时进行自动修正感测器的感度,而不至於出现误判的结果,但是时间一久仍旧需要对感测器进行归零校正的工作。


目前新一代的光电感测器已经可以在进行光纤前端清洁後,感测器能够自动进行归零重设的动作,也无须再进行校正,可以省下相当多的停工校正时间,与相关生产成本。


另外,光电感测器中作为光源的LED,也会因为经年累月的使用下,出现出光量的衰减,面对这样的问题,感测器中也开始增加检测光量的单元,来确保不会因为元件的自我劣化时,使得工具机设备在进行各项检测或动作时,造成误判、资料输出错误,或出现各项的危险动作。


距离感测器已可以侦测超过数十毫米

多数的距离感测器(proximity sensor)都具有抗恶劣环境的能力,因此大多都能够在高温、高湿,甚至於水中使用,这是其他类型感测器所没有的特性。以目前的生产技术来看,直径约3毫米的超小型、全金属材质等的距离感测器,在市场上可以发现已经逐渐增加,并且也受到使用者的喜爱,当然也有金属与非金属混合材质的感测器产品。在侦测距离方面,大多的产品为数毫米到几十毫米,而超过数十毫米侦测距离的感测器产品,也陆续被开发出来(图6)。



图6 : 在市场上可以发现距离感测器已经逐渐受到使用者的喜爱 (source:Electrical Academia)
图6 : 在市场上可以发现距离感测器已经逐渐受到使用者的喜爱 (source:Electrical Academia)

以目前的研发技术与感测元件采用的方式来看,大多都是透过2次元的外型量测感测器,来实现对设备内部(In Line)的加工对象物品进行测量。具体的方式是利用投射宽度较大的半导体雷射对加工物品进行投射雷射光线,而照射在加工物品後所反射出来的雷射光,再利用感光耦合元件(Charge-coupled Device;CCD)来进行收光摄影,透过非接触式感测器来进行物品的断面量测,从摄影後的各种资料来形成物品形状的各种资料(Profile),进而瞬间计算出加工物品的断面型态(2次元形状),包括了高度、段差、宽度、位置、交点、倾斜等的数据。


而在面对更高精度或细微加工的工具机应用领域方面,担任微小物体检测用的高精度、低成本、操作或元件更为简化光电感测器的需求度呈现了急速性的成长,因此也形成了一个主流性的大市场。最近,这些光电感测器的研发技术,也开始朝向体积更小型化、检测距离更长化、恶劣使用环境的高度自我保护等的方向快速发展,例如50公尺的远距检测能力,以及IP69K高度防水防尘能力。


特别是抗污环境性强的应用方面,新一代的工具机设备等设计,也开始由原先采用接触式感测器变更使用非接触式的感测器,除了非接触式感测器本身的优点之外,在工具机产品内部结构设计时,可以有更大的空间弹性以及多样性。


以安全防护为应用的范围感测器

作为安全防护用的感测器,也逐渐在工具机设备中被采用,不过大多都是应用在进行侵入检测的防护,在市场上,依照应用的用途目的性,接触式型态与非接触式型态的感测器都有。


在这其中,安全光栅(Safety Light Curtain)感测器还可以透过软体来进行警示区域的设定,不过大多都被应用在机器人、无人搬运设备等上。随着技术与半导体元件的进步,安全光栅感测器无论在设计、安装、调整校正等方面,都已经大幅度简化了设置作业,另一方面,提升光照射的能力技术之下,使得大大减少了电路方面的设计与使用,也可以即使同时使用多个感测器,也不会出现光干涉的情况。使得采用这款感测器的产品,不再限於机器人或无人搬运设备,甚至於工具机设备也逐渐的导入使用。


由於机器人应用的扩大化,同样是进行距离或安全范围侦测,被称为范围感测器(Range Sensor)的应用也随之增加,范围感测器透过半导体雷射的光线投射,能够对有效范围内的障碍物进行侦测、判断和掌握,甚至於计算出距离,以目前的能力值来说,可以在自我为中心的270度视野范围内,对水平地面物进行感测。


针对这样的应用产品市场,大多是物流业者与大型工厂所需要AGV(无人搬运设备),利用感测器的能力,再搭配其他的控制系统,就能够实现自动化的搬运系统,在被定义的路线或轨道上,自行进行设定的搬运、行进等动作,而安全防护方面,就是依赖2D和3D的雷射感测器来对障碍物或运行轨迹进行比对和侦测。如果能够再搭配AI技术的话,更能够基於过去搬运的纪录,来决定最隹化的搬运路线行进和作业。


当然也有更长距离、更高感度侦测的感测器产品,不过这些就会被应用在例如立体停车场或隧道上,来对车辆的高度进行检测和进入管制等,大多是户外和交通领域,或更进一步的安全预防等领域。在这个领域里,如果能够大幅度提升影像资料和分辨准确能力,相信应用范围将会更加广阔。


**刊头图(source:METROL)


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