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机械资讯 710期

何谓智慧机械(工具机篇)

文/蔡孟勋
中正大学机械系 教授

前言

在阐述何谓"智慧机械"之前,我们先了解"智慧"的定义也许更能说明如何达到智慧机械的目标。根据维基百科中对于智慧的定义来看,"智慧"是高等生物所具有的基于精神器官一种高级的综合能力,包含有感知、知识、记忆、理解、联想、情感、逻辑、辨别、计算、分析、判断、文化、中庸、包容、决定等多种能力。
与高等生物相比,机械要达到智慧化,第一步要具有感知的能力,然后才能进一步建立记忆、逻辑、判断与决策等能力。过去以来大部分工具机并没有很好的感知能力,而台湾工具机厂商对于工具机的大脑CNC控制器的了解也相对不足,因此要达成智慧机械的目标相对困难。因此本文希望透过解析工具机与控制器之间的关系来说明在发展智慧机械过程中所可能面对的问题以及必需开发的技术。

工具机系统架构

如图1所示,如果把工具机当成一个人来看,电脑数值(CNC)控制器的角色就是人的头脑,马达和驱动器就如同一个人的手、脚,结构就如同身体,感测器就像人的感官知觉如同听觉与触觉等,而通讯就如同神经般将知觉传回给大脑进行判断与决策。如果工具机能感知外界的讯号如位置、温度、震动、声音等,就能使工具机适应外界的变化做出较佳的决策,这样相对地工具机就会有更高的价值。

如何使工具机的头脑变聪明,就必须透过感知与学习的智能化技术。过去在工具机方面,由于主要的感知元件来自马达与平台的位置如编码器与光学尺,而这些讯通常各家控制器厂商有其沟通之介面,因此在与外界讯号的通讯整合方面并不容易。尤其是当工具机安装了很多感测元件时,通讯也就是人的神经传导系统就变得很重要。在这方面将有赖于工具机通讯标准化的目标是否够达成。

智慧机械的范畴

为了了解智慧机械的范畴,首先必须探讨世界各大工具机厂所开发之智能化功能,才能进一步分析以及建立符合台湾工具机业者之智慧机械。表一所示为DMG MORI,Okuma,Mazaka,Mikron等四家工具机大厂所具有之智能化功能。其中DMG MORI的CELOs系统,乃是以手机的APP概念出发,透过应用程式的概念将加工任务、流程和机器参数进行完整的管理、存档和视觉化,并能够与CAD\CAM应用联网,也能够相容于PPs系统和ERP系统。目前台湾有几家工具机厂也以类似的概念开发智能化技术。
如果将表1的技术分类,可分为下列几类:
-智能化操作管理、模拟与调机:语音导航、稼动率管理、加工干涉模拟、自动化调机技术、CAD\CAM整合。
-智能化加工与切削:切削颤振控制、主轴变转速控制、平滑化转角控制、自动动平衡、主动振动控制、热变位控制、线上刀具磨耗监控等。
-智能化监控与安全防护:包含智慧螺杆预压侦测、多轴防碰撞、主轴监控、线上检测与刀具寿命管理、稼动率管理、生产履历等。
以上的技术有些需要透过外加感测器,如主轴温升、振动抑制、线上刀具磨耗、切削颤振侦测等需要加装温度、加速规、声泄或是麦克风等感测器,但是有些智能化功能只需要控制器与伺服的资讯,如防碰撞、自动化调机、稼动率管理、生产履历等,因此在开发智能化功能时,必须先厘清所需的资讯以及如何取得此资讯的途径。

发展智慧机械所必须面对的问题

如同前面所提到的,有些智能化技术必须安装感测器有些并不需要外加感测器,不过不管何种形式,这种技术大都必须透过CNC控制器来实现,因此开发智慧机械的第一步就是须了解工具机的大脑-CNC控制器,才能将智能化技术安装于控制器上。
以台湾工具机厂商最常用的FANUC控制器为例,在开发智能化功能时可以有三种安装方式。如果希望将智能化功能内嵌FANUC控制器上可以透过Marco-executor以及C executor撰写程式来撷取伺服驱动讯号,并透过开发人机介面来完成智能化功能,但是由于FANUC控制器在介面通讯方面相对封闭,因此如果所开发的智能化功能需要外部感测器讯号时,通常必须通过PLC数位IO的方式传递给CNC控制器,这种方式通常为较繁琐,而且不适合感测器数目较多或是需要高解析度(12~16 bits)讯号,如振动讯号等,当然使用FANUC专属的加速规也可以整合到控制器中,但是价格乃一大考量。
另一种方式乃是PC+NC的方式,也就是将智能化功能以及人机操作介面安装在PC上,此人机操作介面乃是透过FANUC所提供的FOCAS library以网路线连接到NC来撷取所需要的资料,这种方式弹性较大,乃是目前台湾工具机厂开发智能化功能主要采用的方式,但是方式无法达到即时性,因此如果所开发智能化功能需要同步撷取外部感测器的资料以及马达伺服资料,那么这种方式将是个问题。解决方法之一,是可以透过C executor先撷取马达伺服资料如位置、速度或是扭矩资料,并储存于记忆体中,然后再透过FOCAS将资料传回PC。以上两种方式都需要具有电控与程式撰写能力的工程师来进行。
另一个困难点在于感测元件的规格以及电路设计,由于工具机的感测元件并非如3C民生产品有那么大的需求量,因此投入开发的业者不多,以加速规的设计来看,微机电(MEMS)感测器非常便宜,但是通常规格无法满足业者的需求,例如颤振抑制通常量测的频宽通常必须为20Hz-5KHz,但是一般微机电加速规并无法达到此规格,使用传统压电式加速规虽然可以满足,但是价格并不便宜。因此在开发智能化功能时对于感测器的规格需求必须要相当明确。
另一个问题在于感测器电路设计,以温度感测为例,thermocouple与PT100为常用的感测器,而且价格便宜,但是目前国内学界所用的感测器电路大都采用国家仪器(NI)之讯号撷取(DSP)卡,这种方式除了价格昂贵外,并不容易与CNC控制器整合,而且工具机的工作环境必须考虑到杂讯、电磁干扰等问题,因此在设计电路上必须更为谨慎。
第三个困难点乃是技术整合问题,以自动化调机技术为例,调机技术所必须了解的不只是CNC控制器参数,最重要的是整机动态。也就是说自动化调机不只牵涉到控制技术而是整机整合性技术,能做到自动化调机必需了解CNC插补器设计、伺服控制以及机台特性,例如插补器参数中所设定之最大加速度、加加速度(jerk)等都与机台结构动刚性有关,伺服参数的增益、摩擦与背隙补偿参数等都与传动系统有关。
因此如果智能化的目标是希望能达到插补、伺服以及加工参数最佳化,那么就必须建立所谓的虚实融合系统(Cyber Physical System, CPS),也就是在工件在加工制造之前,能透过模拟分析软体来计算加工工件之表面轮廓精度、表面粗度,这样就能获致加工时间短、精度高与加工效率佳的产品,目前全世界在这方面比较成熟的技术只有德国西门子。但是西门子所提出的技术并未包含热变位、几何误差与主轴偏摆等效应,更重要的是此模拟系统只能应用于安装西门子控制器的工具机。

发展智慧机械的方法与目标

针对以上的问题,目前笔者与国内多位学者在科技部计画支持下正在进行多项技术整合,希望能够尽快突破开发门槛,以帮助国内工具机厂商开发其专属之智能化功能。针对控制器人机介面的问题,目前透过机械所与PMC所开发的VMX与SkyMars架构来快速建立远端监控之智能化功能。透过C executor来撷取FANUC伺服驱动讯号以及外部讯号同步则正在进行。
另外与上银合作开发具有EtherCAT架构之智能化控制卡,目前已可以在研华宝元控制器上同步撷取伺服马达的资讯以及外部温度、加速规的讯号。而透过研华宝元QUI designer可以同步显示主轴升温以及伺服马达扭矩的讯号,我们期待以EtherCAT为通讯协定的传输模式能成为不同元件如伺服驱动器、数位IO与感测器之间通讯的标准,这样不但在讯号同步、配线以及资讯传递上面,将能更有效率。
在感测器的放大电路上,目前完成一多功能讯号撷取卡的设计,此撷取卡能够同步整合thermocouple,PT100与PT1000等温度感测器、以及ICP型式加速规、MEMS加速规等振动讯号,经由此撷取卡在同步量测讯号后,可以透过撷取卡的通讯介面与智能化控制卡连结,最后由智能化控制卡将外部讯号与伺服驱动器讯号传回CNC控制器。
在技术整合方面,在科技部先进制造技术专案下,研究团队整合了包含CAD\CAM、结构动态、热变位、CNC控制器、切削、量测以及主轴技术等国内专家学者共同开发一套多物理动态模拟系统,透过这些技术希望能实现虚拟制造的目标,未来期待能进一步将这些技术应用在如切削颤振控制、主动振动控制、热变位控制、线上刀具磨耗监控等功能。

结论

智慧机械乃是智慧制造的前哨战,而智慧工具机乃是智慧机械相当重要的一环,智慧工具机乃是由CNC控制器、感测器、智能化螺杆、智能化主轴等元件所构成,当具备智能化功能后,智慧工具机将具有感知、判断、计算与决策等能力,能够监测自身的状态,进行自我管理与预知保养,也会根据自身的特性、加工工法、工件载重与材料性质,自我设定最佳化控制与加工参数,并且预知加工件的品质,我们最后的目标希望能设计出具有自我检测能力,并能够达到高速、高加工品质以及高可靠度之智慧工具机。
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