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机械资讯 777期
工具机状态即时侦测之智能化解决方案

文/叶建南
工研院智慧微系统科技中心

一、前言

在全球智慧制造与工业4.0的发展趋势，以及未来航太与汽车需求，将带动高阶工具机与其关键感测器的成长，全世界工具机市场需求预测将以6.55%的年复合成长(2016年~2020年)。此波的成长动能主要是来自于工业4.0以及中高阶产品(航太与汽车)的市场需求，为满足上述成长动能所需之技术需求，全球工具机与关键零组件制造大厂皆投入大量资源于智慧制造与工业4.0的研究与开发，预期具备加工侦测状态与制造分析预测能力之智慧化工具机将是未来的市场趋势。另由于资讯科技与网路技术的迅速发展，电子诊断已在工具机设备扮演中重要角色，且常见于高阶复合加工机上，其透过网路远端连结机台，执行控制、操作、规划、性能监测、资讯搜集与分析，错误诊断与维护的功能。工具机设备制造业不只重视精实制造的逻辑，未来更必须软硬兼具，才能提升产品的附加价值，且同时满足少量多样的弹性生产以及品质的要求，各国大厂透过特用感测系统技术、大数据分析及AI智能化控制补偿技术，提升生产良率与效能抢占未来高附加价值的智动化工具机市场。

二、工具机刀把加工切削趋势分析技术

全球工具机市场对智慧刀把的需求，因高性能切削刀具具有更高产量与高精度产品的需求不断增加，智慧刀把高成本且国内厂商现阶段无自主感测器研发能量，如何提升产业研发能力与降低成本，将是国内工具机产业是否升级高阶智能化的关键之一。
工研院开发具专利性内嵌入柱体型力感测器，尺寸：D=8mm、L=20mm，如图一所示，且与刀把整合已完成专利布局之具有多轴解耦/高灵敏度的刀把结构，利用创新分层设计且配合主动式感测机制，来提升感测特性降低耦和效应。
另也建置完成刀把多轴力测试平台，提供一稳定的校正力系统，并搜集力量感测器所产生之讯号，进行感测器校正，图二所示为刀把测试平台的测试结果，当施加单一轴负载时，其他轴向的解耦输出情形。在大数据累积下进行加工切削趋势分析，可知刀具寿命其实必须是动态的方式输出，才能够准确地从千变万化的加工环境因素中分析出可优化的关键方向，甚至可快速地降低加工成本，并大幅降低提早换刀或断刀带来的成本。

三、工具机轴承异常预诊分析技术

工具机核心零组件之一轴承，目前无有效的监控预警系统即时回馈与警示，例如轴承信号因运转产生之振动包括许多频率成分，无法直接由时域判读；当设备机台，轴承工作在不恰当的工作切削条件，轴承受力与振动可能会发生瞬间过大，无法检出；老化损伤历程经由数据繁多，未经适当信号处理，易造成失误。且工具机振动模态多而质重，若额外建置治具来模拟机台的运作所产生的力量，将无法有效地重现真实工具机的受力特性与振动行为。
工研院开发高强度薄型力感测器，如图三所示，采用并联式双端支撑弹簧结构设计方式，提升结构强度，并降低感测器厚度，提升与工具机轴承之整合性，避免整合于工具机时因感测器刚性不足而影响加工精度并增加感测器之可整合性。在电路设计方面，将采用拟静态压电读取电路技术，透过电荷取样与电荷消除技术达到类静态低频之讯号读取，并藉由高频宽OP-AMP搭配讯号回馈机制达到高频讯号读取。在力感测器测试验证技术方面，依据国际标准组织ISO 376建置标准测试平台，如图四所示，此测试系统力量范围为0~20k且非线性度0.12%，此自动化力量测试平台，藉由参考荷重模组与步进马达的输出作回授控制，来达到此测试平台之精准荷重验证输出，有效提升测试速度并降低测试成本。

四、工具机进给系统监控技术

进给系统为工具机加工精度主要关键，如何让此进给系统智慧化是下世代线性滑轨与滚珠螺杆的目的，目前只可以透过振动讯号(如特征频率)处理分析，间接估算滑轨与滚珠预压情况且需要透过复杂讯号处理运算时间，而且振动讯号容易受到工具机其他结构的干扰(振动源不一定来自于进给系统)，将可能造成误判与精准度不佳的情况。此工具机关键主件之线性滑轨与滚珠螺杆系统可广泛应用于工具机、半导体设备、智慧自动化机械、医疗器材、机器人与绿电等产业。
工研院开发用于双螺帽滚珠螺杆之一体式的力感测结构，图五所示，避免结构组装或加工公差，造成感测器输出不稳定与组装工序增加，另也采用弹性支撑结构设计，克服感测器与螺帽的组配公差与研磨问题才能安装于螺帽中。在单帽滚珠螺杆方面利用螺丝型设计方式，可将此螺丝型力感测器直接锁付安装于螺帽内，而达到滚珠螺杆内滚珠的预压情况，如图六所示。
工研院也建置滚珠螺杆测试平台同时进行感测器的测试以及智慧螺杆的性能与健康诊断等测试验证，如图七所示，可即时显示滚珠螺杆的预压与温度，并可透过感测器判断滚珠螺杆的预压失效功能与异常警示。

五、结论

因全球工业4.0之发展趋势，工具机如何异常监控与预诊是让高阶工具机产业升级的重要因素，所以必须让工具机各关键零组件(如：刀把、轴承、进给系统与其他组件)达到自我监控的能力，经由整体加工状态的资讯串连整合，实现即时监控、数据分析、异常资讯搜集、耗材寿命状况、维修保养履历等功能，并透过大数据的分析，持续优化加工与生产制程，提早预警准备，达到制造可视化、制造预测化、快速反应市场、变种变量客制化等。最终将做到耗材与加工机寿命的管理，确保高精度与高可靠度的产线，除了提升产品品质，更能减少停机提升生产效率并减少无效库存，达到全自动化之生产线，提升竞争力、生产力及利润。
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