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高度人工智慧化的切削加工設備
日本透過感測器催生技術

【作者: 盧傑瑞】   2018年02月07日 星期三

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作為現代加工產業最重要的基礎技術莫過於切削車床加工,伴隨著技術與需求的變化,切削加工技術也不得不跨入工業4.0的境界,來演進到智慧化切削車床加工的能力。以位居於先進工具母機開發大國的日本,雖然同樣的感受到來自於市場對於自動加工技術的壓力與要求,不過,在日本業界裡還是持續地討論著,對於切削車床領域而言,到底還需要什麼樣的研發與進化,才能支撐著日本持續扮演著領先的角色。


日本業者相繼退出開發更超精密細微技術行列

從過去10~20年之間,切削車床技術的歷史來看,可以感受到技術不斷的出現創新,不僅僅是精度的提升,自動化與多方向性也屢屢有著驚人的變化,例如,新一代材料的加工技術、低耗能高環保的加工技術、高效率的加工技術、高精度的加工技術、多軸車床設備、複合加工設備等,使之得以完成更複雜形狀的加工能力等各方面都出現飛躍的進步。


10年前,產業對於工具母機的期待幾乎都著重在超精密細微加工的技術,事實上,這個期望也陸續地被實現,透過研究開發,更精密的設備零件、模具等製造技術一一的被開發出來,也由於這樣,使得必須仰賴超精密細微形狀不可的光學元件等等,就出現了爆炸性的成長。此外,在過去幾乎是不可能的金屬材料的鑽石切削研磨,現今也可以透過超音波振動的原理來實現(圖1)。



圖1 : 利用單結晶鑽石工具,在鏡面鋼材上進行超高精細加工(顯微鏡攝影,右邊的段差是1個微米)(資料來源:名古屋大學)
圖1 : 利用單結晶鑽石工具,在鏡面鋼材上進行超高精細加工(顯微鏡攝影,右邊的段差是1個微米)(資料來源:名古屋大學)

不過,就如同日本業界所擔心的,近幾年來,可以發現到日本工具母機大廠都已逐漸的不再把重心放在開發出更超精密細微的加工設備,甚至有的業者更是已經陸續地退出這一個市場。相反的,可以發現日本各大工具母機業者,已經將研發方向朝向低成本化、縮短製造生產時間、以及高效率切削技術等等。


為了達到高效率切削技術的目標,需要多方面的配合,例如像高速切削、多軸同步加工、高壓油壓液等,各個領域的進步相互推動。不過,在這諸多發展和問題裡,其中抖動的問題,仍舊是困擾著所有的切削加工設備開發者(圖2)。



圖2 : 由於加工時出現抖動情況的加工物出現失敗品 (資料來源:名古屋大學)
圖2 : 由於加工時出現抖動情況的加工物出現失敗品 (資料來源:名古屋大學)

加工過程中不易克服的抖動現象

從過去直到現在高度生產成本的競爭下,伴隨而來的結果就是不斷地追求高效率技術,但是無論是加工設備技術以及工具技術出現飛躍性的發展,因為抖動問題所產生各種研發瓶頸的案例還是層出不窮,事實上,這也是預料之中的現象。


簡單的說,會出現抖動現象是因為加工過程中和設備結構的相互性作用,所產生的不穩定現象(自勵震動)。例如在利用銑刀進行加工時,所產生的震動,這是由於在刀刃前端的加工面所殘留的起伏,而下一個刀刃再出現震動,導致切削的厚度就會出現變化,這樣的現象就會不斷的重複發生,此時就會產生切削力量的變化,而工具與被切削材料等就會出現加振效果,而所產生的震動就會和材料被切削的動作同步出現。這樣的效果不斷重複的出現下,震動和振幅就會持續增加而產生抖動的情況,這就是所謂的自勵現象(圖3)。



圖3 : 出現抖動現象的Milling Process示意圖 (資料來源:名古屋大學)
圖3 : 出現抖動現象的Milling Process示意圖 (資料來源:名古屋大學)

這樣的震動一旦發生時,如果設備持續進行運作的話,在加乘的效應下,就會衍生出愈來愈大的震動,而出現更大的問題。此外,抖動和強制震動經常會被混淆,這兩種情況是完全不一樣的,各有各的處理與應對方式,方法完全不一樣。


至於會出現抖動現象的原因,大部分是因為設備結構(零組件、設備本體等)的動作剛性不足所引起的,這個情況大多都會強化動作剛性來進行改善。如果改善的效果仍舊不佳的話,就必須嘗試著朝向修改零組件、以及加工條件不可了。


但是,會產生抖動現象的原因是非常複雜的,這也是由於如何選定適切的零組件與加工條件是一件非常困難的事情,並非依靠經驗就能夠解決。抖動問題真正能夠獲得解決,一般來說都是需要依賴專用的儀器設備來進行量測(圖4),再透過所獲得的數據資料進一步的分析和檢討出解決的方法。


當然,這樣的量測與分析工作還是需要依靠高度的專業知識與作業熟練度。不過,因為智慧化技術的進步,如果透過先進分析軟體的話,或許也有可能一般技術人員就可以進行抖動改善工程。



圖4 : 目前業界常用分析工具或軟體來分析與穩定抖動現象 (資料來源:名古屋大學)
圖4 : 目前業界常用分析工具或軟體來分析與穩定抖動現象 (資料來源:名古屋大學)

從被量測的振動頻率資料中,概算出最適合的主軸旋轉速度,這在過去就經常被應用。但是目前已經更進一步的利用震動感測器來對加工中的進行異常震動感測與分析,並且能自動調整最佳的主軸旋轉速度,而避免出現抖動現象。


這是目前對新一代加工設備,尤其是多軸車床設備進行開發設計時,吸引著各大業者相競投入研發的趨勢之一。相信在不久的將來,大多得車床設備都能具備有震動感測分析的能力,進而提高加工設備的生產效率。


工業4.0和物聯網將工具母機設備推向高度智慧化

目前MC、NC等的工具母機設備,除了已經逐漸將震動感測作為基本的設備單元之外,面對無論是工業4.0或物聯網,包括影像感測、溫度感測等各式各樣的感測單元也逐漸被整合到工具母機設備之中。因此,在未來工具母機的設備發展,感測器的應用與數據資料量暴增已經是不可避免的。


所以,在新一代的研削生產過程中,除了完成既定工作之外,在工業4.0或物聯網的潮流下,如何從每一個簡單的感測器所產生的資料數據中,抽離出高度價值性的資訊,進而再產生出新的附加利益,將會是另一個必須思考的方向(圖5)。



圖5 : 利用伺服資訊來進行即時監控 (資料來源:名古屋大學)
圖5 : 利用伺服資訊來進行即時監控 (資料來源:名古屋大學)

伴隨著感測器的增加,而在每個生產過程中獲得一項項的寶貴紀錄數據與分析資料,在日本已經有更先進的觀念逐漸被重視,那就是觀察者(Observer)技術。


例如,在工具加工設備的伺服系統方面,從馬達的推力和移動物品的加速度數據,來推斷外部離散力,進而決定伺服系統的功率,達到讓工具母機設備有著更高的效率與更低的耗能。


更進一步的,透過將切削加工原理與觀察者技術加以結合,在模式基礎(Mold Base)下,就能夠完成高度生產加工監視的目標。這個方法,是從各種工具母機設備伺服單元的內部資料,來計算推斷外部離散力量,並根據已經被計算推斷出來的外部離散力數據,再來決定工具與被加工物品之間的切削力和設備各伺服單元的功率傳遞。而這樣的切削力與功率傳遞等數據的分析,就能再進一步量化成加工的高價值數據資料。例如,工具的磨耗量以及對抖動抑制的穩定控制(圖6)。



圖6 : 各種參數的即時推估與分析(資料來源:名古屋大學)
圖6 : 各種參數的即時推估與分析(資料來源:名古屋大學)

這樣的好處是,原本需要高度熟練的資深技工才能達到的能力,現在透過各種感測器所產生的數據,並且進一步的紀錄和分析,除了能讓資淺的作業技工也能夠輕易地進行各種複雜且高難度的加工作業之外,更可以將這些數據有效的整合後,創造出更高智慧化的自動加工設備。


長久以來,台灣的關鍵感測模組大多仰賴國外進口。面對工具母機高度智慧化潮流趨勢下,目前台灣已經開始研發應用在工具母機上相關的感測器。最近工研院智慧微系統科技中心也發表了微型多軸振動感測器,內部整合寬頻振動感測創新結構設計,與低雜訊讀取及校正特用電路晶片,同時也可延長機具壽命,降低整體維護成本。


日本戰略性革新創造計畫帶動智慧工具機

有鑑於工業生產各領域不斷的數據數位化(工業4.0、物聯網等),日本經濟產業省開始討論與制定方向,來面對20~30年之後,日本工具機產業未來需要解決的7大戰略課題,包括:一、伴隨著社會的數位化、軟體化,所產生的高成本化;二、面對數位技術磨合、改善的商品化應對;三、取得生產技術、生產材料的革新;四、生產環境數位化、軟體程式化的因應;五、專業人才質、量不足的因應;六、因應面臨能源節省與減碳下的市場成長;七、風險管理。


其中取得生產技術、生產材料的革新,以及生產環境數位化、軟體程式化的因應者兩方面,目前日本內閣府所主導的戰略性革新創造計畫(Cross-ministerial Strategic Innovation Promotion Program, SIP)中,其中一項就是針對工具母機產業進行高度智慧化技術的研究,參加者包括慶應大學、名古屋大學、東京工業大學、中村留精密工業、尼康(Nikkon)、日本Pmac…等,在產學合作的架構下,利用前述從各個感測器中所獲得的寶貴數據,加以分析並且轉換成可利用的資料,強化工具母機設備的智慧化與高自動化,為下一代智慧型多軸複合加工設備建立基礎研發平台,實現Smart Factory裡工具母機的高人工智慧、多軸複合等的技術能力。


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