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机械资讯 765期

加工高度化的机械要素暨周边技术
从要素周边技术来看工具机的进化

编译/许熟珍
会务开发组 台湾机械东京服务中心

1 前言

以往,工具机的进化解释是从平面性、由右边到左边等,扩展到要素 周边技术范围广泛 多定义解释。现今工具机已进入到3D的世界,日新月异变化中,技术及安全性问题受到重视。本文将探讨工具机的进化发展,并且探讨支援工具机的冷却装置、工具机构造的新材料、工具机的要素技术、IoT化防止病毒感染对策技术及AM‧TO‧3D扫描技术。

2 无止境的加工要求与工具机的进化

以金属加工为开发目的的工具机历史,可追溯到产业革命期间1759年John Wilkinson开发镗床开始的。之后,为了应对无止境的加工要求(图1※印),及制作重厚长度大的制品,各国相继地开发车床、铣床等多种类的手动操作工具机。
1952年NC铣床,1958年加工中心机接连地被开发,自动化迅速地加快脚步。另外,除了切削 研磨加工以外,放电加工 雷射加工机喷射水等的特殊加工工具机也纷纷地开发出来,加工型态也跟着扩大。由于这些工具机的诞生,轻薄短小的制品制作也能够以迅速,低成本制造。进入情报通信时代,比先前一代的自动化更加进化,这个时代专长于多品种少量制造的FMS (Flexible Manufacturing System),高生产性的四联杆机构( Parallel link及线性马达(Linear Motor) 驱动的高速工具机 通过型仓库(TC),加工复杂形状制品的复合加工机,5轴加工机也都陆陆续续被开发出来。从这个时期开始,革新的语言普遍地被引用,因此,许多的工业制品被强烈地要求要达到高品味化,因此,加工复杂形状制品的复合加工机及5轴加工机,成为很普遍的工具机。
工具机从NC进化到CNC,再进化到OPENNC 工具机。随着Windows的普及,工具机成为CNC化,工具机也因为每个制造商独自开发的程式,所以能够执行许多各种独创的加工。
现今,工具机进入AI化,可以实现容易、便宜、迅速的加工制造。由于工具机OPEN化,不只是公司内部机械之间,布局在世界的生产管理部,以及工具机制造商可以互相通信,传达生产状况、请求修理等情报,而且这些情报往来都可以自动处理。如此,情报通信变的更容易 更迅速。这就是IoT 的世界,IoT 的普及可说是为OPEN NC 工具机开发铺路。
在工具机历史的另一面─情报通信时代。CAD与CAE同时利用在强度功能计算,可说是非常方便的设计工具,普遍被采用。经由CAD & CAE 进行最佳设计(TO等)后,从3D印列机 AM输出。通过这些机器输出,一瞬间制品就完成。3D印列机及AM,可以说是实现更上一层革新的重要机器之一。

3 支援工具机冷却装置的进化及今后的问题点

如图1所示从以前到现在,多数的工具机同时面临的问题点是热及振动,特别是热的强制冷却装置的冷冻机,在工具机的周边机器中可说是最重要的装置。
图2是关东精机株式会社的液温自动调整机,它可以适应高温环境 (采用低GWP冷媒及高省能源功能) 受到很高的评价,在「第21次臭氧层保护,地球温暖化防止大奖」得到「审查委员会特别奖」。
最近的技术动向是,与以往一样除了应对高精度、高效率化外,再加上以下项目:
①为了配合工程集约及高能率化为目的的复合加工机的发展,1台的冷冻机有多处的独立散热出口,可以调节温度的多回路方式的液温自动调整装置已制品化。
②配合制造业的智慧化,IoT化,液温自动调整装置的运转状况及各种温度,压力等的数据及异常情报等,必须要以远距离控制方式适时的(timely)跟工具机制造商发信,如此可以实现工具机的远距离控制的维修及预防保养等。
③应对地球温室暖化等的环境问题,采用温暖化系数低的自然冷媒及GWP冷媒,及装有省能源的逆变器(inverter)的冷冻机。
京都议定书及巴黎协定上,签署有关抑制气候变动的多国间的国际协定,大会呼吁全世界的国家削减造成地球温暖化原因的温室效应气体,并且制造持续可能性 环境保护的制品,在工具机上有关环境保护的ISO,JIS规格也都依规定制定章程。由以上的动向来看,将来的工具机的进化可望会有新的发展。

4 工具机进化的新材料

在工具机构造材料方面所要求的是,可以列举出要高速、容易做高精度加工、材料费要便宜、材料供给安定等、表1是配合工具机的进化,列举出对工具机构造有效的新材料的热的 机械的特性。这个表已经把目前使用过的材料割舍,再从金属系、混凝土复合材料系、陶瓷系、FRP系、塑胶类系、金属陶瓷复合材料系、玻璃系等材料中有关工具机的研究 开发等资料上有使用实绩的材料整理出来的。
M2052(控制振动)、Mn-Cu合金(控制振动)、控制振动钢板(控制振动)、高张力钢(轻量化、振动对策)、铝合金NE12-T6(轻量、高刚性 低热传导率) 等等都有标明。
在表1中Wilkinson开发镗床时这些材料在当时几乎不存在,可以推测工具机的进化的原因之一,是因为新素材被开发出来的。另外,由于CAE的开发及普及,在工具机的设计阶段,进行工具机关联的零件采用时,必定经过详细的调查表1所列举的新素材的强度 功能等后才采用,这也是工具机为何能起爆革新的进化原因之一。
这些材料之中,采用混凝土复合材料系的材料,将所希望的杨氏模数,密度,线膨张率,比热,热传导率结合,成为1个固体的具现化的技术已经开发完成,也就是说,有可能世界上只有一个材料适用于工具机。依这样的观点,混凝土复合材料系的材料种类,可说是无法数尽。
图3是利用这个技术制作的3D倾斜功能构造材料(其目的是想做出拥有多彩多样特性的制品)。有关FRP系材料特性,是使用CAD & CAE去制作FRP简易构造模型,可以用计算去决定想要的FRP特性规格,这样可以贡献在工具机轻量化等开发。
图4是使用一个方向推定模式及角度层推定模式,计算纤维方向角度θ跟线膨张率关系的结果。这样就很容易开发不会变形的FRP,可以使用在工具机结构材料上。如此,混凝土复合材料系和FRP系材料,可以把所希望的复数物理性值结合成1个固体,同时可以具现化,MO(Material Optimization材料特性最适化)的技术持续地进化,不久的将来会成为支援工具机进化的技术。

5 工具机进化的要素技术

5-1 AI & IoT
现今的情报通信时代,也就是众人所知的IT技术AI、IoT。经由CNC化、工具机内藏的电脑,工具机本身可以迅速 容易进行AI化,OPEN NC工具机,在IoT普及之前就存在着,现在牢牢地与IoT的「T」结合一体。另外,与DNC(电脑统合控制)、 FMC(Fixed and Mobile Convergence固定移动融合)、 FTL(flexible transfer line)、CIM(电脑统合生产)等的工具机关联的自动化技术也总称为「IoT」。
图5是着者举出适用于工具机进化的AI技术的实例(2).(3)。AI是,多元次性、非线形性的大数据 (big data)用Neural Network、MT(Mahalanobis Taguchi 马氏距离)等的方式处理,这些的因果关系明确地证明,可以适用于控制方面。
这种工具机是用Neural Network处理机械构造温度的时间变化,及热变形的关系的大数据(big data),这些因果关系搭载在CNC工具机的电脑里,工具机运转时机械本身连续地测量温度,然后根据这些结果去计算热变形,引用既有的工具机的磨损补正功能进行热变形补正。
构筑后的Neural Network,只是转换成代数式再内藏到CNC工具机,使用的开发费用只有6个构造温度测量用装置而已,相较起来便宜。经由AI化,工具机已经进化到不需要考虑热变形问题对策了。
OKUMA(株)正在开发,只要输入工具刀数,会自动取得工具回转数及颤振数据进行解析,在很短时间就可以考虑复数振动模式,可以控制最适当的主轴回转数的系统工具机。此外,举出实施工具机的智能化的制造商实例,如图6所示,高松机械工业开发监视主轴单位(承轴)状态的「Smart Health Monitoring System」。这是工具机将预测与维护有关联的重要「会导致故障的数据」可视化,这是从感测器测量到的特征量去组合成特征空间进行判断。
IoT化伴随病毒对策技术随着工具机的进化,危机管理受到重视。危机管理的对象是,平时的性能 精度、振动、地震、水害、停电、通信障碍、未经授权入侵。有关安全对策,企业都有进行多方的调查,现在,工具机的进化防止事故 弊病 风险等发生的准备支援体制非常受到重视。

6 结语

2019年欧洲的EMO展示会上,许多来至韩国,中国,台湾制的各种功能及操作方式的工具机汇集一堂。另一方面,如上面所述,为了实现革新的制品具体化,AM的多用化也持续地发展。今后,为了满足更上一层的加工要求,除了需要3D的要素 周边技术支援外,也要考虑制作永续型制品及投入环境保护措施,让工具机的进化日日加速进行。
(资料来源:月刊机械と工具—特集 加工を高度化する机械要素 ・ 周辺技术,页P8〜13,田辺郁男)
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