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技術趨勢
高效率切削加工模組 2017國產控制器團隊競賽 應用創意組冠軍
2018.02.15∣瀏覽數:719

以台灣機械產業現況來看,工具機與零組件產業占了相當大部分的產值,而工業機器人 與自動化產業則是未來相當重要的機械產業。近一年來,工具機業者受到日幣貶值的壓 力與韓國、中國大陸等工具機產業急起直追下,在業務銷售上承受相當大的壓力,也更 致力於產品升級。
文 ◆ 國立中正大學機械系教授 蔡孟勳 國立中正大學機械所博士班 黃泓緯、洪茂棋

在經濟部的「A+企業創新研發淬鍊計畫」 下,程泰、友嘉及台中精機等11家工具機大 廠與「設備主軸廠」的羅翌科技,透過工研院 輔導,成為台灣第一個「高值化航太級加工設 備」聯盟,此聯盟將透過漢翔航空工業進行航 太認證輔導,以提升國內工具機的等級。另 外由於ECFA協議中增列了2015 年後工具機 之數控系統須在一方或雙方加工生產者,才能 享有免關稅優惠,因此CNC控制器國產化也 必須加快腳步,對於控制器國產化,經濟部則 是透過主題式科專計畫補助研華寶元與台達電 等公司與東台、程泰、發得等廠商合作,將合 作廠商的主要暢銷機種安裝研華寶元或是台達 控制器,藉以強化國產控制器自主能量。除此 之外,進一步提升國產控制器之性能與提供加值化功能也是增加國產控制器競爭力另一種方 式。從近期的日本JIMTOF展以及德國 EMO展 中可以看到,工具機廠商如OKUMA、MAZAK 等皆致力於發展智能化加值功能與互聯網功 能;其他廠商也推出屬於自己的智能化感測器 與應用。如何協助國產控制器抑或是工具機廠 商在智能化加值服務及大數據收集與分析等方 面進行開發,使台灣工具機相關產業能以自主 開發之產品乘上這波工業4.0之浪潮乃是現階段 最重要的事。

國產控制器團隊競賽 參賽契機
為達到此目的,本團隊於去年競賽中先以建 立智能化資料擷取系統同步整合外部感測器訊 號與控制器訊號以作為後續智能化技術之策略基礎,並應用智能化調機方面等功能。而今年 欲更進一步切入加工應用方面之智能化功能。 市售的商用控制器在加工應用方面如提升加 工效率等機能仍是一片藍海,若需要如切削顫 振、適應性切削等應用機能,目前大多是再跟 其他控制器廠商如OMATIVE或MAL購買外掛 的軟體,以OMATIVE來說,其切削應用機能可 與控制器進行搭配使用但每一台機器需多出數 十萬的成本。若是MAL的Cutpro或Machpro則 是離線使用,且一套一年租年高達百萬。有鑑 於此,本專題期望開發出低成本之加工應用機 能,首先針對切削效率的提升進行適應性切削 的機能開發,若將機能內建在一般商用非國產 控制器中,受限於客製化人機的運算效能與外 部資料傳輸速度之限制,其效能與開發後的泛 用性便大大降低。因此選擇透過EtherCAT智能 化控制卡與國產控制器進行即時性資料交換, 且在國產控制器上建立監控畫面提供使用者操 作使監看目前加工情況並選擇是否要開啟適應 性切削機能,除了兼顧泛用性外,也可以確保 運算的效能及資料交換的即時性。

在去年的競賽中,本團隊針對單機智慧化所 必須的感測器擷取硬體及通訊韌體底層架構完 成並整合於一張智慧控制卡中,應用此硬體架 構下便可以實現多種智能化演算法則如適應性 切削、慣量估測或摩擦估測與補償或是進行的 機台狀態監控如監控目前稼動率、機台運轉情 形,甚至可量測監控主軸偏擺量等等。由於採用的是外掛式的智能化控制卡且購置成本低, 又可以與控制器同步通訊進行資料擷取與回 傳,並不會影響原先控制器的效能。本團隊選 擇適應性切削為第一個開發的技術原因在於其 所需要的訊號相對單純,且是相當具有實用性 的功能。簡而言之該技術是透過監控主軸負載 來調整平台的進給速度,但在實作上因為必須 了解並考慮實際應用上的加工條件設定(如考 慮刀具刃數、主軸轉速及工件材料等)才能讓 此技術具有泛用性與可行性,同時避免因切削 條件選擇不佳而在加工過程中產生顫振等問 題。而在實現適性性切削機能的過程中,為提 高技術之可行性與降低技術實現成本,因此不 採用動力計等昂貴之力量量測儀器進行切削力 的回授,而是使用主軸負載進行控制。但是主 軸負載並不如想像中單純,可能因為主軸轉速、刀具刃數及主軸驅動器及外界環境等造成 嚴重雜訊影響。為了得到與切削力相關的主軸 負載訊號以提供控制,我們必須對此主軸負載 訊號進行特別的訊號處理,以降低雜訊干擾並 且降低因訊號處理所造成訊號延遲,最後終達 成本團隊設定於國產控制器上實現適應性切削 的目標。

開發適應性切削機能 穩定的切削力控制
本團隊在此競賽中開發適應性切削機能,可 根據不同的加工條件動態地調整進給率,以達 到穩定的切削力控制。穩定的切削力除了可以 保護刀具之外也可縮短加工時間。圖1為本團隊 所開發之適應性控制的系統架構圖,應用的機 台為東台VC608三軸銑床,搭配國產研華寶元 控制器。適應性切削的精神在於調整進給率以 達到定切削力控制,但如何即時得到目前切削 負載並改變進給率乃是一大問題。由於國產之 研華寶元控制器使用的是EtherCAT通訊架構, 透過本團隊所開發的智慧控制卡能夠在與研華 寶元控制器同步取得所需要的主軸負載訊號以 及其他I/O訊號並同步調整進給率。為了設計適 應性進給率控制的演算法則,本團隊利用此硬 體架構進行了一連串的切削實驗進行強健性控 制法則設計,可在不同的切削條件下達到定負 載切削的目的。而在設計完控制器後,便將適 應性切削演算法則建立在本團隊所開發之智慧 控制卡上進行實驗。當機台在切削過程中,智慧控制卡會在每個cycle time從研華寶元控制器 取得主軸負載訊號,並判斷是否已開始進行切 削。當判斷進入切削後,便開始透過本團隊所 開發之適應性切削演算法以即時計算出一適當 的進給率,再藉由EtherCAT通訊將此控制訊號 送回至寶元控制器進行進給率調變,進而穩定 切削力。本團隊所開發之智慧擷取卡與演算法 之cycle time為一毫秒,因此能夠即時偵測切削 狀態,以達到即時調變進給率,穩定切削負載 以保護刀具或是提升加工效率。

為驗證本團隊所開發之適應性切削演算法則 之性能,在此使用兩種不同切深變化的工件進行切削實驗。一種為切深呈階梯狀變化的工 件,如圖2所示。另一種為切深呈連續變化的 工件,如圖4所示。圖3為步階工件的切削實驗 結果,此工件切深變化為3 mm,5 mm到10 mm,其中虛線為尚未開啟適應性切削的主軸負 載訊號,實線為開啟適應性切削控制的實驗結 果,水平虛線為我們所設定的主軸目標負載。 從圖3中可以發現未開啟控制時,經訊號處理過 的主軸負載呈階梯狀,意味著主軸負載會隨著 切深改變而等比例改變。而在開啟適應性切削 演算法則後,主軸負載會被控制在接近目標負 載值,意即在輕切削時提高進給率或是在重切 削時降低切削進給率,藉此穩定切削負載,且 可減少加工時間。在此實驗中可以發現加工時 間從36秒縮短至26秒,約降低了27.8%的加工時間。

而另一切削實驗為切削深度呈現連續變化的 工件,如圖4所示其最低切削深度為6 mm 而最 大切深為8 mm,切削期間切削深度除固定值外 也呈斜坡變化。從圖5的實驗結果可以發現,在 未進行控制時其主軸負載(藍色虛線)也與切削深 度成正比關係,而當開啟控制機能後當機台加工遭遇不同切削深度時,其進給速度會根據所 開發之演算法進行進給率調變,達到穩定的切 削負載。圖5中可以發現利用本團隊所開發之演 算法,不僅能夠有效控制切削負載在一個穩定 的負載值以達到保護刀具之餘,也能縮短加工的時間。