支援智慧工廠(chǎng)增效加值 刀具監測連網(wǎng)無(wú)遠弗屆

面對現今國際通膨加劇與長(cháng)期凈零碳排趨勢，除了工具機廠(chǎng)商不斷推陳出新機種，對于有意打造智慧工廠(chǎng)，利用廠(chǎng)內生產(chǎn)數據來(lái)增效減碳的加工業(yè)者而言，也紛紛針對耗材用量最大的刀具進(jìn)行監測，除了可用來(lái)預診其壽命，以免損及生產(chǎn)效率和質(zhì)量；或者因過(guò)度太早更換，而造成不必要的浪費，相關(guān)刀把及量/感測業(yè)者也發(fā)表各種無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)解決方案。

尤其隨著(zhù)傳統燃油車(chē)輛快速朝向電動(dòng)化推進(jìn)，對于汽機車(chē)零組件、模具加工應用約貢獻其營(yíng)收40%的工具機產(chǎn)業(yè)而言，雖是短期內訂單大減的危機，卻也可能是升級轉型的難得契機。業(yè)者除了推陳出新多款雷射、車(chē)銑復合、五軸等高階金屬切削/成型加工機種，搭配化繁為減工法，以克服輕量化材料的難切削特性；同時(shí)結合智能自動(dòng)化單元（Cell）、整線(xiàn)解決方案（Turnkey Solution），打造智慧工廠(chǎng)，以兼顧總體加工效率OEE與減碳（廢）需求，持續產(chǎn)出良品。

相關(guān)應用場(chǎng)景如下：

1.剎車(chē)盤(pán)智能型生產(chǎn)系統，共整合車(chē)床、鉆孔攻牙機、量測與倉儲設備，以及3D感測裝置、工業(yè)機器人，同時(shí)結合遠程監控技術(shù)，3D實(shí)時(shí)仿削與干涉檢查、切削負載監控等功能，以及智能型夾爪傳感器、在線(xiàn)工件動(dòng)平衡分析等自主技術(shù)。

2.鋁輪圈生產(chǎn)系統，因應多家廠(chǎng)商陸續推出整合工具機與工業(yè)機器人的汽車(chē)鋁輪圈自動(dòng)化生產(chǎn)系統，臺灣廠(chǎng)商也與學(xué)界合作導入自動(dòng)虛擬量測技術(shù)，盼能進(jìn)一步穩定加工質(zhì)量；

3.汽車(chē)鈑金生產(chǎn)線(xiàn)，由于臺灣廠(chǎng)商生產(chǎn)的沖床已供應諸多海內外汽車(chē)廠(chǎng)，用于生產(chǎn)車(chē)用鈑金，進(jìn)而開(kāi)發(fā)汽車(chē)鈑金縱列式生產(chǎn)線(xiàn)，納入包括拆垛送料機、清洗機、置中裝置、工業(yè)機器人及末端送料系統，以大幅提升生產(chǎn)效能。

終端加工業(yè)者為了迎合工業(yè)4.0智能制造趨勢，也從生產(chǎn)線(xiàn)設備連網(wǎng)開(kāi)始，希望利用實(shí)時(shí)取得生產(chǎn)線(xiàn)設備、零組件、刀具等狀態(tài)及運作過(guò)程并記錄留存；并導入熱補償功能、微潤滑切削工法等，以減少使用高耗能的傳統冷卻設備或冷卻切削液。進(jìn)而結合專(zhuān)業(yè)知識、智能診斷與決策，形成智能化生產(chǎn)系統，調節各項生產(chǎn)資源，減少不必要的浪費。



 
圖1 : 終端加工業(yè)者從生產(chǎn)線(xiàn)設備連網(wǎng)開(kāi)始，希望利用實(shí)時(shí)取得設備、零組件、刀具等狀態(tài)及運作過(guò)程并記錄留存。（source：news.mapal.com）

其中針對金屬切削必需的刀具無(wú)線(xiàn)監測功能，首要須具備3大重點(diǎn)，包含：準確識別、立即尋址、有效數據交握。其中在準確識別的基礎上，早期須透過(guò)貼附或雷射雕刻QR code于刀把上，價(jià)格便宜但能記錄信息有限、彈性低，仍須仰賴(lài)大量人工操作，且對于環(huán)境耐受度不佳，容易發(fā)生磨損等問(wèn)題，所以目前刀把無(wú)線(xiàn)通信系統主要分為：RFID、藍牙、WiFi module，支援各種連網(wǎng)通訊協(xié)議。

巴魯夫RFID解決方案　導入前端刀具管理數字化
德國百年企業(yè)巴魯夫公司（Balluff）進(jìn)一步分析客戶(hù)導入RFID管理刀具的效益，除了有別于傳統手寫(xiě)方式，容易造成錯/漏寫(xiě)，或記錄遺失而不易管理；以及采用條形碼時(shí)，容易遭受臟污、粉屑刮傷等，且只能讀取刀把數據，無(wú)法實(shí)時(shí)更新。目前透過(guò)RFID管理刀具，不僅可耐油污、粉塵環(huán)境，且能確保刀具數據不遺漏、可隨時(shí)復寫(xiě)更新，易于管理領(lǐng)、用作業(yè)。

該公司從1921年生產(chǎn)傳感器起家，到了2006逐步朝向工業(yè)網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域發(fā)展，并利用旗下完整產(chǎn)品線(xiàn)優(yōu)勢，推出以工業(yè)級RFID芯片模塊為核心的智能刀具管理解決方案，導入制造業(yè)現場(chǎng)加工端流程。從而分別進(jìn)行產(chǎn)品及刀具編碼，藉以方便識別，安全追蹤料件、儲存及隨時(shí)調出所有相關(guān)的刀具數據。

從客戶(hù)購入新刀具開(kāi)始，便將RFID標簽黏附嵌入于刀把，并輸入所有刀具最新參數等信息，對于在加工完成后造成的磨耗，進(jìn)行刀具壽命控制，若經(jīng)過(guò)現場(chǎng)人員憑經(jīng)驗判斷毋須修邊研磨者，可直接送入刀具庫（室）。否則將回到刀具管理階段，由測刀儀取得經(jīng)研磨修邊過(guò)后，改變的刀長(cháng)、半徑等最新數據并覆寫(xiě)到RFID 標簽，從而隨時(shí)更新信息，讓用戶(hù)掌握真實(shí)刀具壽命和數量。

目前巴魯夫RFID系統主要可分為3部份，包含：處理器，采Ethernet TCP/IP接口，也適用IO-link、CC-link、ProfiNet等各種通信協(xié)議，能同時(shí)連結PLC和4個(gè)讀寫(xiě)頭；讀寫(xiě)頭，尺寸小至M16*55mm，使之安裝方便；數據編碼模塊O10x4.5mm可如同計算機USB一般無(wú)限次讀取，并在30℃、70℃環(huán)境下編寫(xiě)50萬(wàn)~100萬(wàn)次不等，以隨時(shí)更新數據。



 
圖2 : 巴魯夫強調，現今刀具管理系統除了以RFID硬件為監測核心之外，還須仰賴(lài)團隊合作，提供最佳解決方案。（source：pressebox.com）

當讀寫(xiě)頭被置于機內（刀庫）上下兩端，對數據編碼模塊進(jìn)行非接觸讀寫(xiě)時(shí)，為免受到金屬干擾而使用超低頻訊號，必須維持<2.5mm距離。甚至在客戶(hù)購入新機時(shí)，即須與工具機廠(chǎng)商協(xié)調，在內部加裝機構以推動(dòng)讀寫(xiě)頭靠近芯片。以及為因應客戶(hù)廠(chǎng)內工具機品牌繁雜，在多機整合環(huán)境，也可安排讀寫(xiě)頭于機外讀寫(xiě)刀具編程。

巴魯夫同時(shí)強調，現今刀具管理系統除了以RFID硬件為監測核心之外，還須仰賴(lài)團隊合作。包含由工具機廠(chǎng)商協(xié)助導入、交換數據；經(jīng)過(guò)刀把廠(chǎng)商挖孔，以黏貼嵌入芯片并達到動(dòng)平衡；對刀儀廠(chǎng)商，在刀具加工完成后量測，將更新研磨修邊后的參數數據寫(xiě)入卷標；以及系統整合商協(xié)調提供最佳解決方案。

后端結合IO-link連網(wǎng)　掌握智能工廠(chǎng)關(guān)鍵數據
針對現今一般智慧工廠(chǎng)內可能遍布大量傳感器，必須有效減省配線(xiàn)，又能實(shí)時(shí)監控需求，巴魯夫也為此提供完整IO-link解決方案，支持目前所有通訊協(xié)議，不限于控制器品牌。且有別于傳統配線(xiàn)要求每顆傳感器，都必須個(gè)別拉線(xiàn)回到DI模塊，導致龐雜線(xiàn)路不便查找、維護，之后雖然提供集線(xiàn)盒將感測線(xiàn)路集中，再經(jīng)單一線(xiàn)路回到DI模塊，仍只有部份省配線(xiàn)效果。

如今，客戶(hù)可透過(guò)底層IO-link，將所有傳感器模塊都集中于主站Master模塊，再經(jīng)過(guò)單一通訊總線(xiàn)直接回傳上層PLC，得以方便維護、更新廠(chǎng)內大量傳感器、設備的監控狀態(tài)，易于現場(chǎng)連網(wǎng)管理。

依巴魯夫指出，IO-link屬于一種非模擬式的點(diǎn)對點(diǎn)通訊模式，得以實(shí)時(shí)搜集數字/模擬傳感器狀態(tài)雙向溝通，雖然只要是該協(xié)會(huì )成員供貨商都能支持。但該公司約有48%產(chǎn)品使用IO-link，尤其適用于大量傳感器、設備場(chǎng)景，易于熱插入而方便現場(chǎng)裝配及維修、遠距實(shí)時(shí)監控模塊，執行預診保養、日常維運，在Profinet架構最多可擴展496個(gè)DI模塊串聯(lián)，再接線(xiàn)回主站Master。



 
圖3 : 如今客戶(hù)可透過(guò)底層IO-link，將包含刀具等所有傳感器模塊都集中于主站Master模塊，再經(jīng)過(guò)單一通訊總線(xiàn)直接回傳上層PLC，易于現場(chǎng)連網(wǎng)管理。（source：balluff.com）

中小企業(yè)刀具監測　新增Zigbee選項
然而，卻也有臺灣刀具廠(chǎng)商指出，經(jīng)由導入RFID的環(huán)境耐受度佳，可重復編寫(xiě)數據重復使用等優(yōu)勢，雖能讓刀具生命管理概念，終于不再只是在數據庫中，可望而不可及的大量云端數據。將大幅拉近管理數據與實(shí)際操作者的關(guān)系，讓用戶(hù)可透過(guò)簡(jiǎn)單的實(shí)體讀取接口，如經(jīng)過(guò)讀取頭觸碰，就能自動(dòng)化取得大量有用資料。

但受到RFID本身被動(dòng)的特性限制，目前僅適合貼附標簽嵌入刀具的金屬表面，導致卷標價(jià)格居高不下；且無(wú)法埋入傳感器，主動(dòng)回饋外在環(huán)境條件、工作狀態(tài)，以及后續智慧監控、加工反饋、立即尋址等應用。

且其必須仰賴(lài)人工近距離幾乎碰觸，才能讀取數據，即使將讀寫(xiě)頭安裝在機臺上，仍為了避免受到干擾而采用超低頻訊號，導致局限于極近的感測距離才能讀入資料；特殊頻段用卷標的價(jià)格更高，且無(wú)法立即回饋任意刀把信息。

反觀(guān)在控制應用領(lǐng)域，還有如微型Zigbee無(wú)線(xiàn)通信模塊配套的協(xié)議語(yǔ)言，由于在基礎通訊協(xié)議的設計上，原本就考慮一對千點(diǎn)以上溝通，而實(shí)行循多重路徑的跳點(diǎn)通訊（multi-hop），比起Wi-Fi和藍牙在設備自動(dòng)化的應用上更為成熟。

且Zigbee溝通僅專(zhuān)注于感應和控制，所以傳遞的訊息量很??；不用一直常開(kāi)設備，比起WiFi、藍牙更為省電，硬件裝置價(jià)格也最低，而壓低成本；支持先進(jìn)加密標準AES（Advanced Encryption Standard），所以只要設置得宜也會(huì )有極高安全性，專(zhuān)用于M2M設備間溝通。

臺灣刀具廠(chǎng)商益挺企業(yè)在今（2022）年工具機研究發(fā)展創(chuàng )新產(chǎn)品競賽獲獎的WSN智能刀具管理系統，便分為4大單元：Zigbee End device刀把；WSN Gateway串聯(lián)PLC整合各機臺刀把數據；WSN Master Gateway，整合廠(chǎng)區所有刀具數據；以及控制器PLC，針對各大品牌CNC控制器，開(kāi)放傳統MODBUS TCP/RTU、UART或網(wǎng)絡(luò )通訊功能，用于刀具管理數據庫與刀庫控制器傳輸及交握數據。

其中智能無(wú)線(xiàn)刀把，系采用智能工廠(chǎng)較適用的雙向通訊微型Zigbee無(wú)線(xiàn)通信模塊，適用于BT40、HSK63等型式的ISO標準刀把。其建構刀把的IoT網(wǎng)絡(luò )，具有低耗電、低成本、可支持大量網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)和多種網(wǎng)絡(luò )拓樸模式，快速、可靠、安全。益挺進(jìn)一步分析Zigbee與RFID刀把差異，包括：

1.Zigbee為主動(dòng)通訊，在傳輸距離、速度、穩定度上都有優(yōu)勢，傳輸距離依機臺配置需求一般設定于1.5m內，RFID僅為2mm。

2.雙向一對多架構，只要在接受器天線(xiàn)囊括的場(chǎng)型內刀把可以主動(dòng)傳輸定位與狀態(tài)變化，不必像RFID須定點(diǎn)逐一掃描刀把，也可對大量刀把批次廣播改變其行為。以此能更實(shí)時(shí)取得刀把信息。反觀(guān)RFID則須定點(diǎn)逐一掃描刀把，當刀把未依SOP經(jīng)過(guò)此定點(diǎn)時(shí)，即便刀把在機臺內也無(wú)從得知。

3.主動(dòng)帶電設計讓刀把模塊經(jīng)過(guò)嵌入傳感器，以增加主動(dòng)性智能化功能。本模塊內嵌溫度、G-sensor、Gyro共三種傳感器，可導入應用如刀把被移動(dòng)、掉落、沖擊時(shí)，由傳感器觸發(fā)通訊模塊，主動(dòng)聯(lián)系系統更新?tīng)顟B(tài)及應變；或是在加工時(shí)，使用傳感器監控切削穩定性，用于維護預警。刀把也可以自我檢測電量等狀態(tài)訊號，隨時(shí)告知系統養護等需求。

4. 選用Zigbee芯片作為高度整合解決方案，僅需很少外部組件，且所選用低成本組件，可支持快速、價(jià)格實(shí)惠的節點(diǎn)構建。有別于RFID卷標須選用工業(yè)級特殊頻率規格，導致價(jià)格受限。因為采取雙向通訊而不必選用特殊規格接收器，所以可選用一般嵌入式系統單版外加通訊模塊，在合宜天線(xiàn)設計下，即是可通用的接收器，相較于指針大廠(chǎng)售價(jià)，通訊模塊可節省40%、接收器節省25%價(jià)格。

Renishaw藍光雷射設定系統　協(xié)助提升加工精度和效率


 

圖4 : Renishaw業(yè)界首發(fā)的NC4+ Blue 藍光雷射刀具設定系統，適用于量測O0.03mm的極小刀具，重復精度精度可達到±0.5μm，確保一次就加工出合格工件。（攝影：陳念舜）

精密量測設備大廠(chǎng)Renishaw也在今年TIMTOS x TMTS 2022展出新世代的自動(dòng)化制程監控解決方案，可于加工現場(chǎng)經(jīng)由Equator多功能檢具系統快速量測多種不同工件，且立即判斷進(jìn)入下一個(gè)加工步驟的零組件是否合格，為質(zhì)量實(shí)時(shí)把關(guān)，大幅降低生產(chǎn)成本及時(shí)間壓力。

同時(shí)搭配使用智能制程控制（IPC）軟件，在CNC制造過(guò)程中實(shí)現全自動(dòng)刀具補正值更新，更有效了解刀具壽命，并設定使用者定義的刀具磨耗警告限制，支持備用刀具；進(jìn)而持續監控并調整加工作業(yè)，全面提高生產(chǎn)效益。

Renishaw用于刀具設定的測頭通常安裝于機臺工作臺或支架上，稱(chēng)為刀具設定系統。其中非接觸式系統使用雷射，執行弧形和線(xiàn)性輪廓檢測及監控刀刃狀態(tài)；并以穿過(guò)雷射刀束的刀具作為觸發(fā)器來(lái)自動(dòng)設定刀具，縮短了循環(huán)時(shí)間。新一代業(yè)界首發(fā)的NC4+ Blue 藍光雷射刀具設定系統，藍光比起傳統紅光雷射的波長(cháng)更短，得可改善衍射效應、優(yōu)化激光束幾何形態(tài)，適用于量測O0.03mm的極小刀具，并將接刀量測誤差降至最低，當跨距較小時(shí)的重復精度精度可達到±0.5μm，將有助于提升機加工的精度和效率，確保一次就加工出合格工件。

結語(yǔ)
從以上案例可見(jiàn)，盡管目前刀具監測在倉儲、加工、維護時(shí)，透過(guò)系統性妥善管理至關(guān)重要，包括TDM、Zoller等單一套刀具管理軟件動(dòng)輒上百萬(wàn)，卻還不包括可真正落實(shí)數字化刀具搭配模塊與機臺設備，難以在臺灣找到一套能涵括從工具、加工、管理層面系統化全方位串連的產(chǎn)品；即使搭載如硬件廠(chǎng)商Balluff系統的加工業(yè)者，也需要有一定的垂直整合能力，才可依其應用有效串連。

但對于臺灣高彈性、群聚型的加工業(yè)者而言，過(guò)于龐大或分散的多頭系統，很難切中使用者需求，反而筑起很高的門(mén)坎。大多數廠(chǎng)商由于缺乏軟硬件高度整合能力，無(wú)法為此投入宛如二次開(kāi)發(fā)的大筆研發(fā)經(jīng)費與人力；加上一般自動(dòng)化系統整合商，與傳產(chǎn)制造業(yè)本身Domain knowledge內涵也有落差。

終端加工業(yè)者即使都意識到，唯有對刀具進(jìn)行有效數字化管理，才能真正達到高質(zhì)量、高效能生產(chǎn)，但未來(lái)仍須加強跨域整合刀具、感測組件、工具機、系統整合商等專(zhuān)業(yè)知識，才能真正突破臺灣廠(chǎng)商邁向現代化制造的瓶頸！


 
圖5 : 終端加工業(yè)者未來(lái)仍須加強跨域整合刀具、感測組件、對刀儀、工具機及系統整合商等專(zhuān)業(yè)知識，才能真正突破臺灣廠(chǎng)商邁向現代化制造的瓶頸?。╯ource：i.ytimg.com）