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齒輪螺桿加工機朝數位轉型
數控系統聯手設備製造加值

【作者: 陳念舜】   2021年10月05日 星期二

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經歷近年來數控技術的成熟發展,在工業4.0及數位分身潮流的推波助瀾下,即使傳統CNC數控系統於齒輪/螺桿加工亦非全無用武之地。包括國內外工具機等OEM設備製造廠商,也紛紛與歐系大廠Siemens、NUM結盟,開發客製化人機介面及模擬軟體,以支援齒輪/螺紋磨削專業加工機增效節能或數位轉型需求。


因應現今齒輪加工法、應用不斷推陳出新,台灣齒輪加工機製造廠商雖然早年便看好傘齒輪的技術門檻最高,較具競爭力,但經過這十餘年來努力之下,目前已真正商品化的CNC齒輪加工機包括滾齒、刮齒和磨齒等機種,卻都只侷限於加工圓柱齒輪,能加工傘齒輪者仍付之闕如,也無相關量測設備。未來勢必要在現有基礎上,整合齒輪刀具和工具機,並加強在傘齒輪刀具、插齒刀、拉齒刀,以及?力刮齒或滾插刀具等方面發展。


然而,過去因為傳統齒輪磨齒程序屬於特殊且困難的工藝,必須仰賴技術純熟人員,操作昂貴的歐系專用機種才能達成,直到2016年台灣國際工具機展(TMTS)上銀集團旗下邁萃斯精密公司,始趁勢推出首部台製CNC五軸同動傘齒輪切齒機,除了所加工的齒輪精度可達到德國標準DIN-4等級時,足以匹配電動車高轉速/功率馬達,也為齒輪製造業者帶來發展曙光,將主攻高端齒輪及特殊加工機領域,以提高競爭力。



圖1 : 2016年上銀集團旗下邁萃斯精密公司趁勢推出首部台製CNC五軸同動傘齒輪切齒機,於外銷機種選配Siemens數控系統及自家對話式視窗軟體及刀庫,極具國際市場競爭力。(攝影:陳念舜)
圖1 : 2016年上銀集團旗下邁萃斯精密公司趁勢推出首部台製CNC五軸同動傘齒輪切齒機,於外銷機種選配Siemens數控系統及自家對話式視窗軟體及刀庫,極具國際市場競爭力。(攝影:陳念舜)

同時強調除了關鍵零組件100%「MIT」台灣製造,搭配工業機器人可最多達到3天24hrs無人操作,且穩定生產的磨齒單元之外;並對於外銷機種選配Siemens數控系統及自家對話式視窗軟體及刀庫,售價僅約歐系同級機種1/3,極具國際市場競爭力。


Siemens發揮運動控制強項 協助導入數位分身轉型

台灣西門子公司指出,該公司在齒輪加工應用領域,主要可發揮SINUMERIK系列控制器在運動控制上的強項,提供加工系統所需耦合功能(Coupling function),包括同步、插補、電子齒輪(自定義曲線表/多級跟隨)等,皆可透過統一的操作與程式設計、一致的訓練和維護,確保達到最高的生產協同效應,現也持續與台灣齒輪加工機大廠邁萃斯、和大,以及上銀在導螺桿製造密切合作,以達到機械製造業者希望達成之特殊加工目的。


但西門子也坦言,由於齒輪/螺桿加工專用機廠商還是很重視齒型、模數設計等Domain knowhow,甚至還要搭配量測自動化設備,並非傳統CAD/CAM軟體或CNC數控系統能完全勝任,西門子則可提供這些機械製造業者,所需二次開發客製化人機介面(HMI)環境,終端使用者也不必擔心進入太複雜的環境編程,才能加工,西門子並將其HMI分為不同等級:


1.Easy Screen:基於西門子既有架構上另開視窗,輕易延伸人機畫面功能,連結客戶加工程式,但缺點是彈性應變能力較差。


2.Create MyHMI WinCC:讓客戶可利用西門子旗下自動化部門的WinCC系統環境,經過拖曳視窗內應用程式工具來開發客製化HMI,還可供外部其他系統整合商(SI)協助使用。


3.Create MyHMI/3GL:係因應大部份齒輪加工機大廠都會在Windows OS架構上開發獨有HMI,利用一般程式語言編輯之後,再與西門子HMI整合,所以機械廠內必須建立專業編程工程師團隊,將齒面設定、修整等功能都內建於數學函式資料庫,以快速形成加工程式。


例如工具機大廠DMG MORI集團,便搭配西門子控制器核心,支援近年來備受業界關注的強力刮削(Power Skiving)工法,將工件和刮削刀具設定一定角度並同步旋轉來生成齒輪,並解決了以往編程複雜,必須耗費大量時間創建的缺點。


如今操作員已可以通過對話式編程,快速設置齒數和角度參數,輕鬆為每個客戶創建最佳程序,同時檢查顯示於該公司CELOS控制器HMI的圖形,進而搭配DMG MORI五軸、車/銑複合加工中心機,單機進行正齒輪和外/內齒輪加工,大幅縮減加工時間及誤差。


由於目前許多齒輪加工的研發能量都還在學界,西門子也為了未來五軸、銑車複合機種製造廠商,可望進入齒輪加工領域而提早布局,盼建立泛用機的標準而降低門檻。


隨著近年來還有越來越多歐系齒輪加工專用機大廠,為了加值應用而開始推出整線/廠自動化Turnkey解決方案服務、導入數位分身(Digital Twins)等科技來驅動數位轉型。西門子也藉此引進自2019年問世的SINUMERIK ONE數位原生控制器,以提供機械製造廠商全數位開發環境。


既可納入具備機構、電控系統、軟體與加工應用knowhow的虛實客製化開發模組,在工程開發階段即導入彈性應用,以縮短打造新機流程,加快30%上市時間。待完成後產生標準車/銑工具機的3D模型,可供機械業加工測試及教育人才,並有效提高生產力,此概念最早也是源自滾齒專用機。



圖2 : 隨著近年來有越來越多歐系齒輪加工專用機大廠,為了加值應用而開始推出整線/廠自動化Turnkey解決方案服務、導入數位分身等科技來驅動數位轉型。(source:i.ytimg.com)
圖2 : 隨著近年來有越來越多歐系齒輪加工專用機大廠,為了加值應用而開始推出整線/廠自動化Turnkey解決方案服務、導入數位分身等科技來驅動數位轉型。(source:i.ytimg.com)

如今還能經西門子開放CNC數控系統SINUMERIK 840D sl與旗下NX MCD、機電一體化系統軟體連結,以提供機械廠加工並整合自動上下料、機上量測等機構及機電系統,已聯手約40家歐系大廠,都在同一平台完成Turnkey加工應用及二次開發HMI測試,約可縮短30~40%開發新機時間。


再加入2019年併購的OMATIVE自適應切削技術,將能陸續具備加工製程最佳化(ACM)、機台保護監控(VCM)、生產製程監控與改善(AVCM)等功能。不僅能藉此提升車/銑床加工效率最佳化、穩定製程,以提高生產力、品質和可用性,並維持於穩定加工負載下,縮短加工時間;針對Power Skiving/Gear Skiving特別耗損刀具的缺點,透過檢知刀具破損來延長刀具壽命;進而監控主軸負載,防護機台過載或碰撞,減少意外停機時間,現已逐漸受到航太、汽車製造業歡迎,用於滾/磨齒加工領域。


NUM引進軟硬體解決方案 輔助建立齒輪加工knowhow

至於瑞士齒輪加工專用機CNC控制器大廠NUM,也提出相關開放性軟硬體NUMgear解決方案,已完全整合到目前Flexium+控制系統中,並提供了互動式人機介面,客戶僅需經數小時培訓,便能輸入工具機、刀具、工件資料及定義加工過程,開始在滾齒機、創成磨齒/珩齒機、圓筒磨床上採用各種不同的方法來生產齒輪。


一般來說,滾齒和創成研磨的連續加工是最高效率的生產方式,搭載NUM數控系統的工具機加工的齒輪精度,最高可分別達到創成研磨DIN-1、滾齒DIN-3標準。還可以在磨削時,修改不同齒面(輪廓)。


台灣力盟公司業務經理吳松憲進一步指出,目前NUM與台灣工具機等OEM設備製造廠商的合作模式,除了對於未具備齒輪加工專業knowhow者,能利用NUM公司的Flexium+ CNC數控系統、電子齒輪箱等功能;並基於Flexium CAM 編輯器建立獨有客製化HMI,整合內/外徑研磨程式;還提供必要的研磨模擬技術,可供選擇提前於離線時,或在線上加工同時執行。若有其他已具備相關knowhow的工具機製造業者,則能選擇搭配不同品牌控制器,再自行開發專屬HMI與循環。


例如因應現今業界新興的緊湊型齒輪箱製造需求、高速精密的多軸同動工具機問世,即可透過NUMgear滾齒專用套裝軟體系列的Flexium+CNC平台,在同部機器上完成滾齒和刮削工作,能更快速且有效地製造任何尺寸的內/外齒輪,使得齒輪加工業者能在刀具空間受限於緊湊型齒輪箱時,在其中一軸滾削大齒輪,並為另一軸上的小齒輪提供動力。


該軟體還利用了Flexium+控制系統同時配備了高度靈活且功能強大的電子齒輪箱(EGB),直接整合到CNC內核,改善了精度和速度,使刀具速度可高達25,000rpm,提高了生產率。其中,多群組電子齒輪箱(MLEGB)的高速和精密特性,由使用者自定義齒輪箱中的任何軸,都可以成為另一個引導軸或跟隨軸、直線軸或旋轉軸,以增強靈活性;靈活地控制刀具的運動,甚至能在圓筒磨床上進行非圓型同動控制,打造出非圓齒輪及特殊的齒面形狀。



圖3 : 瑞士齒輪加工機CNC控制器大廠NUM,也提出相關開放性軟硬體NUMgear解決方案,已完全整合到目前Flexium+控制系統中,並提供了互動式人機介面。(source:num.com)
圖3 : 瑞士齒輪加工機CNC控制器大廠NUM,也提出相關開放性軟硬體NUMgear解決方案,已完全整合到目前Flexium+控制系統中,並提供了互動式人機介面。(source:num.com)

此外,由於NUMgear完全採用模組化設計,得以根據客戶需要,整合不同的使用者介面、專有技術和計算模組或其它進階功能,可任意在獨立工具機或公司聯網電腦的Windows系統上運行,也代表其可從移動設備或辦公室電腦上,對多台齒輪加工機校正,邁向工業 4.0。


當然,NUM也有自家數位分身解決方案,或者讓客戶選擇搭配外部3D模擬系統軟體商,提供VR工具與NUM控制器結合,又將前者分為:硬體迴路(Hardware in the Loop;HiL)、軟體迴路(Software in the Loop;SiL)兩種類型。


在「硬體迴路」中的數位分身代表一具實體控制器,可通過傳輸線接收來自安裝數位分身軟體的電腦傳送資訊,讓當前軟體版本與數位分生的虛擬模型交互執行,並經過3D視覺化顯示實體程式順序。「軟體迴路」的數位分身及虛擬控制器通信等整個功能均位於電腦上,適用於開發初期,連真正控制器都尚未產生的階段。


NUM也為此提供兩種控制用的數位分身版本,其一是「軟硬體迴路混合」方案,由Flexium+控制器整合PLC中的一個獨立機器模型,並使用預設組件來模擬單個機器元件,例如,感應器、主軸、氣缸等,Flexium NCK負責執行NC程式,並模擬機器各軸運動的位置數據。另一項是「硬體迴路方案」,NUM使用ISG-virtuos軟體,可使用實體控制器對自動化系統執行測試、調試和優化,並通過EtherCAT在分身與Flexium+控制器即時通信。


放眼齒輪加工前景 還須數位分身軟體加持

然而,在齒輪製造上,業者必須思考的是如何提高齒輪生產效率、精度,才能增加本身優勢?前者必須在刀具使用和加工技術上不斷鑽研精進,如採用滾齒或銑齒、捨棄式量產型刀具等。以內齒輪來說,可以採?力刮齒或滾插製程來提高生產效率;或者藉著近幾年鍛造技術的突破,以鍛造方法大量生產齒輪。後者則須在設計階段加強齒輪設計軟體的強度及廣度,在製造階段則以研磨為必要採取的製程。


台灣齒輪刀具製造商首推陸聯精密(邁萃斯精密前身),與和大工業CNC刮齒機和滾齒機行銷全球,惟論及這兩家廠商成功關鍵,皆與中正大學機械系教授馮展華密不可分,2000年初開始與陸聯和工研院機械所合作,結合產官學研的力量提出整合型計畫,研發CNC戟齒輪創成機及大型CNC成形砂輪磨齒機,並成功複製到和大開發CNC滾齒機。


且由於齒輪元件需要滿足空間嚙合理論,不管是設計或製造皆要大量的數學運算,因此各種輔助齒輪設計計算的軟體就應運而生。在圓柱齒輪方面,台灣廠商普遍使用由馮展華開發的齒輪設計軟體。至於傘齒輪若使用傳統加工機廠商提供的計算公式來設定製造所需的各項數據,既不方便且限制也多,不同批生產的傘齒輪也不具備互換性。



圖4 : 未來在齒輪製造上,業者必須思考的是如何提高齒輪生產效率、精度,分別在刀具使用和加工技術上不斷精進,同時於設計階段增加齒輪設計軟體的強度及廣度。(source:pbs.twimg.com)
圖4 : 未來在齒輪製造上,業者必須思考的是如何提高齒輪生產效率、精度,分別在刀具使用和加工技術上不斷精進,同時於設計階段增加齒輪設計軟體的強度及廣度。(source:pbs.twimg.com)

近期較先進的做法,則是採用齒輪量測專用機搭配不同量測軟體,便可以量測圓柱齒輪、傘齒輪、蝸桿蝸輪、滾齒刀、刮齒刀和插齒刀等,透過傘齒輪設計軟體來補正切齒機械設定,取代以往由齒印機來回整修的方式,可以很快經1~2次修正,就能非常精確生成齒輪,產品也具有互換性。


就有過去出身工研院體系,曾親身經歷台灣從自主開發齒輪加工機、刀具、軟體及PC-based控制器的過程,至今還投入開發諧波式減速機二次創業的業者便指出:「未來台灣齒輪加工產業要持續發展的關鍵,已不再只是單純採購硬體的軍備競賽,還希望能與設備製造廠商(Maker)共同開發。」


改為扮演終端加工業者的角色之後,他還是希望以相對容易溝通、掌握的台製外圓/刀具磨削、銑車複合機、滾/插齒加工機為主,再搭配德國蔡司、瑞士品牌量測設備、材料供應商,掌握核心關鍵能力。同時在投資軟體金額不比硬體少,用來建立內部不同齒型、輸出/入設計與對手區隔,從設計理論開始,逐步累積、建立數學函式資料庫。


接著利用自主開發HMI、軟體編程及CAE分析,再經過製造、委外熱處理回廠;最後進行金相、材質檢驗等程序比對,來確保與原始設計一致,符合客戶要求及穩定品質,也藉此博得客戶信賴,願意共同協力,跨足創新應用領域。


**刊頭圖(source:welter-zahnrad.de)


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