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机械资讯 733期

工具机智慧化技术动向
—工程设计的自动化及切削加工模拟的活用—

作者/白濑 敬一
翻译/蔡淑芬 大阪台湾机械服务中心

1.前言

云端电脑(Cloud Computer)、物联网(IoT)、人工智慧(AI)、深度学习(Deep Learning)等成为热门话题时,在制造业中,只要提到德国的工业4.0(Industry 4.0)、美国的工业网际网路联盟ICC (Industrial Internet Consortium),焦点便着重在物联网智慧制造(smart manufacturing)。在日本机器人革命主导权(Initiative)协议会、产业价值链主导权(Industrial Value Chain Initiative)企业联盟中,也正朝向实现智慧制造(Smart Manufacturing)努力中。
另外,日本提倡的社会5.0 (Society 5.0)中,定义了超智慧社会的实现目标,「对必要的人,在必要的时候,提供必要的商品及服务,可以对应社会中各式各样细微的需要,包括提高对人服务的品质,超越年龄、性别、地区、言语等各种差异的限制,让这个社会可以变得更有朝气及更让人快意生活的社会。 」
但是,在日本的制造业中,因为少子化及高龄化的问题,使得直接面临了从业人员的减少、以及熟练技能者的退休等窘境。然而,在工业产品的制造中,生产形式从大量生产到单品生产(客制化生产),产品寿命相对变得比较短,零件的形状、加工过程也变得相对繁杂。如图1所示,机械加工用的NC程式NC Program的制作,其中自动化设置的劳力一直在增加,但设置的人力资源却仍然在减少。由于人力资源的不足,也影响到自动化的实现。为了补救人力资源不足的问题,也要致力于从工具机到生产设备的高度智慧化及自主化的实现。

2.以NC程式(NC program)作为机械加工指令的问题点

在机械加工的自动化中,如图2所示的步骤,虽然是以NC程式完成机械加工,但是NC程式只能输入工具机的动作指令,而无法传达工具机加工产品的设计资讯、加工资讯等相关讯息。因此,以现行的NC程式作为机械加工指令,有以下难以解决的问题。
(1) 因为无法传达工具机加工产品的设计资讯、加工资讯等相关讯息,也限制了智慧化及自主化的达成。举例来说,NC程式在接收到亮丽光滑的加工指令后进行加工,但不是设计完成的加工形状指令,所以NC程式便只能用推估的方式进行产品形状的加工。又加上不清楚加工产品所使用的材料、使用的刀具等,使得工具机对加工状况无法清楚地掌握。
(2) 因为是以NC程式作成的时间点决定工具机的使用,所以无法直接改变工具机的使用来做生产计画的变更。
(3) 因为是以NC程式作成的时间点决定工具机的使用,所以在刀具还没有准备好之前是无法进行加工。
(4) 因为是以NC程式作成的时间点决定切削条件、刀具加工的流程,所以也无法使得加工状况的切削条件优化、控制加工流程等。

3.透过CAD/CAM/CNC的合作带动工具机智慧化及自主化

为了解决上述目前所存在的问题,有关加工产品的设计资讯、加工资讯等达到工具机需求是很重要的。可以达到这个目的的方法是经由CAD/CAM/CNC的合作,如图3所示为资讯传达的流程图。
和现行的方式最大的不同是,①工具机可以知道加工产品的设计资讯、加工资讯。②透过CAM和CNC的合作,工具机的轴配置、动态特性考量刀具加工流程。由于在现行的方式下,刀具加工流程的决定,无法将工具机的轴配置、动态特性考量进来,CNC可以先读取刀具加工流程讯息,以便回避急速的加速或减速。另外并非预先给予刀具加工流程的指令,但如果可以在加工过程中,逐步给予刀具加工流程的指令,如此亦能对应加工状况,使得有优化的切削条件、及控制加工的流程等,这样便能完全实现新智慧化及自主化功能了。
笔者基于以上的考量,进行有关工具机的刀具加工流程计算、控制加工流程,及实现可能的自主型、智慧型NC工具机的研究。
这个创新的工具机已被日本内阁府主导的策略性创新创造计画(SIP)/创新性设计生产技术所采纳,研究开发专案为“CAM/CNC整合之创新性工具机的智慧化及机械加工技术的高度化”。如图4所示,为以实用化为目标的试用工具机的配置。图中的数位仿形铣床DCM(Digital Copy Milling)的操作加工的重点是一边复制实物模型,一边控制工具机的动作,在要开始进行加工产品的CAD模型之仿形加工的同时,在过程中计算出刀具路径。当将产品和材料的CAD模型讯息传给工具机后,便可以轻易地如3D列印一样进行产品加工,而无需事先准备NC程式。
工具机加工的步骤为:①产品模型的选择、②工作模式的选择、③工程设计、④加工开始,在这4个步骤中,加工中的CNC画面及加工实例如图5所示。相关的动画可连结以下网址:https://www.youtube.com/watch?v=rz5TNkONRS 这个试用机在2015年的EMO、2016年的IMTS、JIMTOF中展示过。

4.反映加工技巧(know-how)的工程设计之自动化

笔者在上述自主化、智慧化NC工具机的研究中,采用了工程设计的自动化。如果可以实现工程设计的自动化,便能自动完成NC程式(NC Program)的加工程式。即使是使用目前的NC工具机,也可能让NC加工程式的工作量减少。然而,若采用传统的程式演算(Algorithm)达到工程设计的自动化,技术人员想要的加工顺序、想决定的切削条件等,可能会有困难。也就是说,程式演算即使可以达到某个技术人员的想法,但可能无法让工程设计的结果多样化,要让其他技术人员也满意的加工顺序、或不能决定切削条件等问题,便成为重要的课题。因此,目前挑战的是透过技术人员对CAM操作的过程相关资料的收集、累积,分析各操作者的加工技巧,学习工程设计并反映在自动化。
加工顺序如图6所示,由材料形状、产品形状的3次元CAD模型算出的加工除去领域,将其分割得到的各加工领域之图示。加工顺序的决定着重在各加工领域的“加工特征(Feature)”(机械加工特有的形状特征)。技术员依照以往的CAM操作学习经验决定各个加工特征(Feature)的加工顺序。另外,即使是决定好了加工特征(Feature),技术员也会依自己学习到的技巧,包括加工特征(Feature)的几何学相关资料的收集,对收集后资料的分析判断,例如决定大体积的加工顺序、由右到左的顺序等,这就是所谓技术员的加工技巧学习。学习后的经验,依照加工特征(Feature)的优先顺序、几何学等资料,如图7所示决定加工工程形式流程,从中也反映出技术员在各加工领域的加工技巧,也自动产生其中的加工顺序。这种方法的特色是不必询问技术员加工工程设计的目的及方针,而是从CAM的操作履历中学习加工的技巧,这种可以反应学习结果的加工工程设计,相当具有多样性及柔软性。
加工顺序决定后,依据加工特征(Feature)决定加工条件。加工条件是技术员依照过去操作CAM的NC程式(NC program)时,决定后的加工特征(Feature)所使用的刀具、刀具路径、切削条件等加工条件,累积成为加工案例资料库。因此,可以在资料库找寻加工特征(Feature),包括位置、体积、形状等几何学相关的资料,以符合和类似新加工案例的加工特征(Feature)。如图8所示,找出最符合新加工案例的加工特征(Feature),如此便能有最合适的加工条件,也能自动决定出其加工条件。如上所述,可以自动决定加工顺序及加工条件,是利用了CAM功能中NC程式(NC program)自动作成的功能。

5.模拟切削加工的应用

以NC程式作为机械加工指令的问题点,在前述文章中举出了工具机无法掌握的加工状况。工具机为了能够掌握加工状况,以加工产品的形状、材质、使用中的刀具等资料为基础,应用模拟切削加工可以得到效果。工具机的冲突回避技术,可以利用模拟的过程中找出冲突,若可以进一步善用模拟切削加工,依据模拟的结果作为判断加工状况的适当与否、适应性控制等,便能达到工具机高度智慧化。
笔者也以掌握工具机加工状况的方法,正在开发以端铣刀(end mill)加工为主的模拟切削加工。此模拟切削加工中,加工物是适用立体模型(Voxel model),以端铣刀(end mill)刀片切除立体模型所检测出的加工形状变化,同时加上计算的结果,根据不断变化的切削厚度计算加工过程中的切削力和切削扭力(torque)。立体模型是将3D形状表示为微小立方体的模型,这需要大量的记忆体才能表现出物体形状的细节,但另一方面,此模型也具有可以表现形状及处理形状的特点。
切削加工模拟器的执行画面如图9所示,在这个案例中,图形左侧表示的是具有凹槽及小洞的加工物经由端铣刀(end mill)加工时的形状变化,以及在图形右侧是随着时间变化的计算得到的切削力图表。
接下来,将以加工异常检测及适应性控制作为模拟活用实例。如图10所示为加工异常检测,是以切削加工模拟器计算切削扭力(Torque),并和主轴马达扭力相比较后,判断有无加工异常。随着使用刀具、切削条件、加工状况的变化,若只以主轴马达扭力大小(临界值的设定),做为加工异常有无的判断是有困难的,但如果透过模拟的结果,因为可以提供对应的使用刀具、切削条件、加工状况变化等判断基准,所以加工异常检出的判断就变得容易了。
适应性控制如图11所示,经由切削加工模拟器计算所得到的切削扭力及切削力可以维持恒定,因此可以用来做适应性控制。适应性控制之所以不普及,是因为在工具机上安装测量切削力的动力计是不实际的,但如果是使用模拟结果,就不需要安装动力计。在图11为假想模仿加工系统(DCM)及组合构造图,若以NC程式先进行模拟加工,即使是目前的NC工具机也可以做到适应性控制,如此便可以避免因为超载引起的刀具损坏的加工故障问题。

6.高度切削加工模拟之实现

笔者虽然长久以来一直进行端铣刀(end mill)加工的切削加工模拟的研究,但为了能更了解加工现象,需要有更高度的模拟技术支援。在上述所介绍的切削加工模拟是刀具为刚体(不变形)的前提下静态切削力的预测。笔者目前开发的立体模型的切削加工模拟器,如图12所示,透过切削加工模拟的多目的、多用途利用,扩展了使用功能,使得可以用更小的立体进行动态分析。透过降低空间分辨和时间分辨率的情况下进行动态分析时,如图13所示,出现在加工表面的切削痕迹和表面粗糙度,可以分析加工过程中的振动现象。
到目前为止的切削加工模拟中,是透过刀具与切削物的关系来预测切削力,但加工时的切削力是作用于工具机的结构上、刀具进给驱动系统及主轴驱动系统。但由于工具机的振动、刀具进给速度、主轴回转数等是会随时变动,因此必须要有能够考量这些相互作用的切削加工模拟技术。
笔者在图14所表示的是,把可以进行动态分析的切削力模型、能够表现工具机和刀具进给驱动系统的工具机模型、以及可以表现主轴驱动系统动态特性的主轴驱动系统模型,整合进行了组合模拟。组合模拟中,刀具刀片的轨迹,(1)计算切削力模型中的切削扭力(Torque)及切削力。(2)计算工具机模型中的刀具及切削物的相对位置,进一步再计算主轴驱动系统模型中的刀具回转角度,其中每隔一小段时间交互重覆计算(1)和(2)。因此,考虑到切削力对刀具的动态运动的影响,及刀具的动态运动对切削力的影响,此两者的组合效果可以用来预测切削力。
切削力的测量结果及组合模拟的结果,在不考虑工具机、驱动系统的动态特性的切削力模拟结果如图15所示的比较图。结果显示的是重切削加工条件的案例,因为工具机振动及切削力的交互作用,明显产生切削力波形的混乱。本文章中介绍的高度切削加工模拟,对于加工中切削力的混乱、异常振动发生原因的探讨、异常振动的抑制方法、以及工具机的构造、控制系统的设计方式的探讨等,可以提供帮助。

7.结语

工业4.0的目标是追求在智慧工厂中可能达到高度智慧化及自主化,如工具机可以自己决定加工工程及加工条件。但是,以现行的NC程式作为机械加工指令,因为无法传达工具机加工产品的设计资讯、加工资讯等相关讯息,以致于工具机的智慧化及自主化也受到了限制。文章中所提到的CAD/CAM/CNC的合作,是工具机在加工过程中,可以将设计资讯、加工资讯等加以应用,使加工品质可以得到控制的重要概念。此外,应用工程设计的自动化、切削加工模拟,可以弥补生产现场人力资源不足的问题,如此也成为可以实现工具机的智慧化及自主化的关键。
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