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智機專欄
金屬加工智能化與智慧彈性製造 產線
2021.05.07∣瀏覽數:147

金屬加工智能化
與智慧彈性製造產線


工研院智慧機械科技中心 智慧製造技術組 蔡淳宇、林豈臣、陳志明、彭達仁

近年來因智慧製造推動產業轉型,產業鏈中的生產型態已逐漸轉變,資訊化的信息傳遞、現場環境因素的掌握皆在智慧製造中是重要的環節,製造多元化以及智能化的問題成為主流。尤其近期面對疫情與人力的短缺挑戰,生產模式更需具備彈性之能力,並著重於產品品質的維持。有鑑於此,如何透過單機智能化、產線自動化與管理智慧化等方法,進行金屬加工智慧製造轉型便成為重要課題,透過智慧方案掌握加工核心自主能力,透過模組整合應用加速業者於全球工具機市場的佈局,共創國內工具機產業的新藍海。


工具機單機智能化應用於金屬加工

隨著工業4.0與智慧製造發展趨勢,以及消費者追求物以稀為貴的消費型態,單一產品多樣化的行銷模式成為市場主流,間接影響製造產業的生產模式。因此,製造產業逐步轉型為少量多樣與混線生產模式,加工效率與製造品質的要求漸漸提高,導致傳統倚靠人工打樣、監控與除錯的效率不足以應付客戶需求。為此,許多工具機大廠透過推出加工智能輔助軟體,提高加工效率,例如:在機台主軸安裝感測器,監測加工中的切削振動狀態,並透過解析及應用刀具與設備的最大動態容許負荷,協助加工者快速得到最佳的加工參數,並降低除錯與試誤的時間,且提升打樣效率與生產效率(圖1)。

以半導體設備零件(示意圖如圖2)加工為例,真空腔體零件在進行深槽加工時,因刀桿長度過長(直徑20mm、長度200mm),因此經常會發生加工振動過大,如圖3,造成工件表面品質不佳。為此,可以透過振動感測器(例如:加速規)量測主軸振動切削振動量,並設定振動管制界線,避免因切削振動過大影響表面品質。加工者也可以依照不同製程來調整振動管制界線,例如:在粗加工製程提高管制線,讓機台可以做高負載的加工,提升加工效率;或是在精加工時降低管制線,限制加工振動量,避免因加工振動過大造成工件表面品質下降。

除了上述提到的切削振動監控,要如何調整參數也是加工者難以輕易解決的一個課題,以往加工者在進行參數測試,往往是透過經驗法或試誤法來進行尋找參數,此舉花費大量時間與材料,然而在現今少量多樣,重視快速換線能力的生產模式下,已經不允許加工者用上述的方法搜索參數了。因此,可以導入加工參數智能決策軟體(如圖4),透過簡易的切削測試,結合切削振動量測與AI技術,快速分析主軸在不同轉速之下的動剛性並找出切削甜蜜點,降低加工振動、提升加工效率,大幅節省加工者測試參數的時間,在少量多樣的加工模式下快速取得最佳參數。



以模具加工為例,如圖5所示,加工者透過經驗法找出的加工參數為主軸轉速3,000 RPM,進給400 mm/min,加工時間約11小時,加工振動大,工件表面品質極差;透過加工參數智能決策軟體,將加工參數調整為主軸轉速2,700 RPM,進給2,000 mm/min,加工時間縮短至4小時,加工效率提升64%,且加工振動下降,表面品質大幅提升(Ra:2.6 μm → 1.2 μm)。


加工產線彈性自動∕智慧化

除了工具機的加工智能化,加工產線的彈性自動化也是解決少量多樣與混線生產模式的好方法,在混線生產的環境下,產線時常面臨更換加工產品的須求,而不同的產品在外型、尺寸、治具等方面皆不同,如此便造成生產時的物流管理、上下料與定位等的困難發生。以模具生產為例,產線可透過整合自動倉儲、AGV、輸送機、機械手臂、CNC、等硬體設備,搭配零點定位系統解決運送、上下料與工件定位等問題。結合雲端管理平台(MES系統、稼動率監控系統),完成多種模具彈性生產的排程、命令與管理,以符合現行少量多樣、彈性生產的製造環境。

自動化流程如圖6,首先將模具安裝於治具盤,送入自動倉儲系統等待加工,當要加工時,AGV車會將模具從自動倉儲運送至自動化工作站,再透過機械手臂將模具送入工具機中進行加工,待加工完成後再由機械手臂取出模具,透過AGV車送至下一個加工站或是送回倉儲。

此外,為節省工件上機後進行工件定位的時間,本案例使用零點定位系統與萬用治具盤進行模具裝夾,如圖7所示,每付模具在進入倉儲前便會裝上具有零點定位系統的治具盤,透過治具盤上的定位孔統一模具的位子,在利用零點定位系統固定於工具機上,確保加工原點不會發生偏移。

不同模具之間的加工排程與生產資訊則透過雲端管理平台進行管理(圖8),透過MES進行每個模具的排程時間與加工規劃,例如:粗加工、精加工與去毛邊等製程,並自動執行包含下達派車命令、進出料管理、工單/製令派送、品管標準等工作,本產線以AGV串連各工作站,透過EAP連結CNC、機械手臂、輸送機、送料盤,建立自動化生產流程(圖9)。同時,透過稼動率監控系統進行全場設備之稼動率、轉速(S)、進給(F)數據(含百分比調控) 之監控及記錄(圖10),除了可有效管理製程產能及現場人員之工作效率,亦可結合切削振動監控管理加工程式之品質,作為後續製程優化之參考依據。




金屬加工智慧製造轉型

工具機單機智能化是透過感測器與機邊運算系統,進行加工製程監控、分析與優化,可達成包含加工異常預警、機台預兆診斷、伺服參數調整、刀具磨耗監控與加工參數優化等功能,協助加工者提升生產效率與品質:加工產線彈性自動/智慧化技術則是透過自動倉儲、AGV、機械手臂與零點定位系統等自動化設備,結合APS、MES與稼動率監控等管理系統,進行全場彈性自動化生產,以符合現行少量多樣、彈性生產的製造環境。未來還可以結合機械雲以及5G技術,推動台灣金屬加工智慧製造進一步轉型。


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