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机械资讯 731期
弹性混线金属加工4.0产线建置

文/粘芳绫，林俊村
精密机械研究发展中心 机械设计部
关键字：工业4.0、混线生产制造、故障预警、智慧联网

传统金属模具加工作业中，工件上下料及刀具更换等工作需仰赖人力，使得人力成本提高、生产效率降低。

市面上虽有工具机自动上下料解决方案，但若单纯导入自动化流程，无法满足金属模具制造业者少量多样的需求，频繁的换线将使自动化生产效率打折，需有更智慧化的制程指派机能，提升产值与生产效率。因金属模具加工作业是属于典型的少量多样化生产，一般工具机的刀库存量无法满足所有模具生产所需的刀具数量，需要更有效的刀库管理机制，方能配合其多样的生产需求。

前言

根据台湾经济研究院于2017年10月制造业景气概况显示，台湾制造业受惠于国际景气稳健复苏，加以全球智慧制造趋势，海外机械及扩厂需求畅旺，带动并提升整体机械设备业景气表现。如何抢下全球机械市场的大饼，台湾制造业的转型需求刻不容缓。
在快速变动的消费市场下，工业价值链已被重新定义，包括制造者的生产力、对市场反应的速度、品质等都是关键。未来面对客户不同的需求，制造业者必须透过产品跟整个价值链的数位自动化，建置虚实整合系统，虚拟和实体世界将更紧密的整合。工厂在生产个别产品上亦需比今日更有弹性，才能于产业竞争中存活，脱颖而出。
根据2016中小企业白皮书针对国内各级企业所做的「制造业未来希望产品销售时能加强提供之项目」调查结果，可看出对客户提供产品的技术顾问服务以及依客户需求提供一系列的设备整合服务，已是各业者最迫切加强的项目。面对日韩等国产业竞争日益激烈情况下，国内设备业者无不积极思考如何强化与下游制造业的连结，进一步发展具有差异化、高价值之产品与服务，以满足制造业客户需求，共创双赢。

市场概况及竞争力分析

依财政部关税总局统计，2017年1~10月工具机累计出口金额达27.1亿美元，较2016年同期成长15.2%。而台湾工具机出口前十大国家依出口金额排序为：中国(含香港)、美国、土耳其、德国、泰国、越南、印度、南韩、俄罗斯、荷兰，如图1所示。
我国工具机产业发展在政府与业者的长期努力之下，与日本、德国、义大利等先进国家已逐渐缩小差距，但对如何透过服务加值，提升产业附加价值，亟须业者与相关研发机构持续投入发展，尤其在工资高涨、大陆产品低价竞争、国内能源、原物料缺乏的压力之下，又必须面对韩元与日圆的贬值冲击，提升我国工具机产品之附加价值，扩大与下游制造业者连结与应用，已成为未来发展趋势。
金属模具是我国重要的制造业领域之一，金属模具制造属于典型的少量多样产品加工，年产值超过新台币400亿元。过去模具业者可以靠精微化的加工技艺来争取订单。但在加工设备及制程技术精进之外，面对少量多样的模具市场需求，提升模具作业的产能是未来制胜关键，因此业者希望除了加工设备提供之外，能进一步提供系统化解决方案，协助克服金属模具弹性制造上的难题。以国内大10大工具机制造业者协鸿工业为例，目前面临问题如下:
1. 金属模具加工主要仰赖人力作业，包括机台操作、上下料以及机台刀库备刀更换等，人力成本相对提高。
2. 市面上有工具机自动上下料解决方案，但还需考量金属模具制造少量多样的产品需求，避免频繁的换线及杂乱无管理的排程。
3. 一般工具机的刀库存量无法满足所有多样模具产品所需的刀具数量，面对产线上不同产品，需要更有效之刀库管理机制，方能满足多样模具生产需求。
4. 在一人多机之生产情境中，除机台资讯监视、NC程式上下载、警报讯息等远端联网监控功能外，如何在设备失效前进行预警维护，是系统能否顺畅运作的关键课题。
本文将详细介绍，导入跨平台联网、混线生产制造、巨量资料与虚实整合系统技术提升服务能量，并实际引导制造业者协鸿工业，朝向高效率、高客制化及设备整合化迈进，同时展示模具制造业者由上而下的产线串连升级，强化国内整体产业竞争力。

弹性混线金属加工4.0产线建置

弹性混线金属模具加工4.0产线配置如下图2所示，主要项目包含一台六轴机器人、六台工具机、一台供料自动化，建置完成后未来亦可针对产线生产需求进行工具机与机器手臂走行轴的延伸扩充。表1为本案之规格说明，已包含所有硬体设备的需求评估。
另外，本案建置的软体技术包含跨平台联网技术、虚实系统整合技术与巨量资料库，同时藉由虚实系统分析已取得系统健康状况与手臂减速机寿命预测，将针对各项技术内容在以下章节详细介绍。

技术说明

一、跨平台机联网
跨平台间资讯联网建置，包含智慧机器人、工具机、备料供料系统，系统架构如图3所示，各单机设备均建置基础云端系统联网功能，设备间可以即时资讯传递。在工具机联网通信技术部分主要利用控制器厂商提供对控制器操控的函式库，于远端的PC上开发可应用在机台操作便利性或功能上作附加价值提升的软体。利用该函式库发展出多样的技术服务，其主要特性包含机台资讯监视、NC程式上下载、警报讯息、Alarm简讯发送、机台家动率等。CNC工具机联网通信技术具有内建共通功能，此介面能使不同厂牌的控制器及设备整合在一起，让使用者开发应用程式时，不需要再学习各控制器的程式用法。
在机械手臂部分，经由Ethernet通讯界面与机器人控制器联网，控制器将机器手臂各轴电流与转速讯号传输至虚实系统与大数据资料库中进行决策分析。
二、虚实系统整合
虚实整合部分主要是藉由跨平台联网技术应用，将各设备端大数据资料给记录起来(ex：负载电流值监测)，建立机台巨量资料库，便于进行各机台状态的健康预诊分析(如图4)。
机械人部分，主要建置关键数据资料库，包含机械手臂各轴电流、各轴转速等资讯，经由马达电流转矩关系式与减速机寿命公式进行机器人减速机寿命预测。在工具机部分，透过SkyMars技术将各机台控制器联网，收集各机台关键参数建立工具机巨量资料库，并透过该资料库进行机台预警讯息、生产统计资讯、机台预诊保养与主轴热温升补偿等功能。
三、巨量资料库分析
透过SkyMars跨平台联网技术取得各设备端重要资讯，加工设备(CNC机台)的负载电流、负载百分比、马达温度这三项资料特征，于机台某些关键零组件损坏的状况下，其上升或衰减的趋势具有一致性；例如当轴承损坏，会造成转动不顺畅、阻力增加，马达会需要利用更大的动力或功率来推动，相对来说就会造成负载电流与负载百分比的增加，马达的温度也会跟着升高，因此藉由该资讯以利分析机台状态与进行后处理决策，包含温升补偿、健康状态监视等功能。机器人组成架构中，减速机为一重要关键零组件，若机器人减速机损坏，将严重影响机器人精度与性能，因此减速机寿命监测极为重要，本案在机器人端建立巨量资料库包含各轴转速与电流等资讯，作为机器人减速机寿命预诊依据(如图6)。
四、混线生产制造
混线生产制造非大量生产，硬体端规划统一标准工件托盘与刀具托盘，每张工单对应特定的工件托盘与刀具托盘，来生产单一工件或是小批量数量。
软体端上位系统透过一维条码进行供料备料与刀仓刀具管理，机器人则负责托盘上下料与更换刀具，原先传统的单人单机作业，改由一人负责整体系统，提升人均产值与少量多样化之生产能力。
为符合协鸿工业的模具产线需求，可同时进行三种以上模具工件生产，能自动上下料、自动交换刀具，交换时间10分钟内完成(以五把刀为基准)。
派工系统依据工单自动将加工程式下载至工具机端，稼动率70%以上，在刀具寿命管理，可记录刀具剩余寿命，准确率达80%。
● 供料备料管理
以人工将胚料加工件放置于托盘(图9)，经由人机资料点选，送料系统将依据工单与制程资讯加载于物料托盘上的一维条码，因此机械手臂移动至送料台夹持托盘时，便可自动辨识托盘需要移载的加工机位置，而机械手臂便依据托盘资讯执行剧本档指令来完成上料动作。当机械手臂将托盘移动入料至工具机端后，工具机端亦必须经由一维条码再次确认来料托盘资讯是否为该站加工物件，确认完成后工具机再经由联网系统下载加工程式，并于加工完成加工后针对感应条码标记，并同时传递讯号给供料系统，即时掌握加工制程状态，系统架构图如图8所示。
● 刀仓刀具管理
本案藉由上位系统管理刀具，并记录每把刀具使用寿命，以便人员进行刀具更换。其中，人员依据工单资讯进行预先备刀任务。使用统一刀具托盘，实际外观如图11，每一刀具托盘可放置9套BT40刀具，托盘下方有特定一维条码，方便上位系统进行刀具管理工作，并藉由机械手臂进行刀具托盘上下料，将特定加工需要的刀把依序换置刀仓内。

技术成果

弹性混线金属模具加工4.0产线配置主要分为四大系统，上位派工系统、送料系统、机器人系统及工具机系统。以下将针对上位派工系统、送料系统与机器人系统做细部成果说明。
上位派工系统是透过PMC开发的跨平台联网软体(SKYMARS)，分别对工具机系统，送料系统，机械人系统做上位控制。多样订单可转换成工单，人员只需手持条码机将对应工单的刀盘及料盘条码扫描至送料系统内，由上位系统做最佳排程。
上位系统主要功能:
1. 上位电脑为PC-BASE介面之工业用电脑，可针对不同品牌控制器进行沟通联网功能，监控产线与分配派工程序及工件如图13及图14所示。
2. 上位系统远端遥控，指定手臂执行特定剧本。
3. 上位系统具有工具机暖机程式，监视机台状态，可进行工具机内部参数修改，并将加工程式下载到工具机端，如图15所示。
4. 机台重大资料(如：负载电流值资讯，温升监测等)为大数据资料库，利于日后机台诊断分析用途。
5. 送料系统由上位电脑透过控制轴卡以网路方式进行远端IO模组控制，进而支配气压元件及变频器等设定，如图16所示。
在送料系统部分，人员根据工单备料及备刀，利用手持条码机如图17，将所需料盘及刀盘扫描至系统中，以便送料系统可以辨识。
送料系统将料盘与刀盘送出后，出料端会设计一固定条码装置，再次确认抓取料盘与刀盘是否与工单资讯吻合，防止错误料件送入工具机中。另外，送料系统在出料输送带末端有一转换站，让需要翻面二次加工工件可以再进入入料输送带上。
机器人系统如图20所示，包含一个六轴机械手臂，移动轴及移动轴料架，主要功能是进行工件上下料与刀具上下料，加工胚料锁固于快换系统料盘上，机器人直接抓取料盘，送入工具机中进行加工。在刀具上下料部分，机械手臂会依据工单资讯将原有工具机上的刀具下刀至刀盘中，机器人从送料系统抓取刀盘与料盘，放置于机械手臂移动轴料架上，移动至对应的工具机前方，将每支刀具上到工具机主轴上，完成加工前入料及上刀程序。此外，机器人系统可藉由skyrobot技术，撷取机器人运转参数进行各轴减速机寿命预估(如图22)。

总结

本系统主要采用协鸿已量产之硬轨加工中心机Power Center PRO-1000，可缩短模具加工制程前所需时间的10%，同时也减少人力成本，所需人力由6人缩减为1人，人均生产力估计提升500%。
在未导入本案之智动化产线前，原人力成本每年约420万(机台操作人员70万*6)，导入后人力成本降至100万(系统维护工程人员100万*1)，预估降低每年320万元的人力成本。
本系统开发可促进下游金属加工业者进行产线升级投资，除系统购置成本外，尚需搭配厂房改善、新聘人员以及自动化周边等投资，估计每一条弹性混线金属加工产线可带动3,000万以上之新增投资。
最后，今(2017)年也与国内模具加工业者玖合模具合作，实机应用与调校。同年配合计画推动办公室公开展示与广宣，同步提供「弹性混线金属加工4.0产线建置」服务，如图23。
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