(特别企划)

EMO'03控制器发展趋势

                                                                                工研院机械所 数值控制部

                                                                                陈进辉 陈嘉斌

关键词：

电脑数值控制器    Computer Numerical Controller

        高速加工                High Speed Machining

摘要

        EMO展为世界三大工具机展之一，其它有美国IMTS展与日本JIMTOF展，从这次的EMO展，可以看到高速加工、Windows介面、数位化驱动器介面、e化服务与PC-BASED架构皆有更新的发展；而线切割机是近年来国内厂商发展之重点，在本次展览中，有关操作自动化、工业安全标准化、高速加工与微细加工也有新的技术发表。接下来，就从高速切削控制器技术和线切割加工控制器技术两方面分别探讨控制器的发展。

高速切削控制器技术

高速切削加工机已是EMO展普及化的产品技术，目前厂商逐步将研发重心放在开发控制器各种加值功能，以提高控制器的附加价值。这次义大利米兰的EMO展控制器的占有率仍然是以SIEMENS、FANUC和HEIDENHAIN的控制器为主。综合参展会场上的控制器资讯，可以分成下列六个主题讨论控制器的发展趋势。

一、高速高精度的切削

所谓的高速高精度的切削就是切削的速度快、节省加工时间及高精度的轮廓路径控制。为了达到更精密控制的目的，除了控制器本身的资料处理速度要更快，轮廓路径规划和插值控制要更精细之外，还要配合适当的马达、马达驱动器和高解析度的编码器才能实现。目前FANUC 30i 系列的控制器有所谓的奈米控制(Nano-Control)，控制精度可以达到0.001μm的等级。图一和图二为奈米控制方块图，图三为奈米控制与非奈米控制表面效果比较图。MITSUBISHI ELECTRIC 700系列控制器也可以达到0.01μm以上的精度。

       

                                图一 FANUC servo的Nano-control + HRV方块图

 

                                图二 FANUC Spindle的Nano-control + HRV方块图

 

   

图三 FANUC Nano-control结果比较图

二、数位化的驱动器介面

数位化真的是一个不可逆的趋势，继SERCOS和FROFIBUS之后，MITSUBISHI也在一年前推出SCCNET介面的驱动器，今年又推出更快的MACH NET来配合最新的700系列控制器，如图四。驱动器介面数位化不但可以节省配线，同步特性高，能即时取得驱动器的资讯，还可以线上取得与修改驱动器的参数值，达到完全控制驱动器的目的。

 

           

图四MITSUBISHI 700系列控制器                     图五 彩色图形化人机介面

三、人机介面

人机介面是操作机台，了解机台情况的重要元件，目前人机介面的发展可以说是受视窗(Windows)作业系统和视窗软体的影响有很大的改变。尤其在SIEMENS 840D使用Windows 98的人机介面大受欢迎之后，展览会场上大多数的控制器使用Windows的人机介面，图五为彩色图形化人机介面。

控制器在整合简单的CAD/CAM之后，可以显示加工程式的Solid图形，可以显示加工的情况。大多数的控制器都有图形对话输入程式的功能，辅助撰写加工程式，有的控制器可以画出简单的3D图形，然后直接加工。

四、e化的服务

随着资讯科技的发达，乙太网路(Ethernet)的应用是日益扩大，利用乙太网路进行机台的远端监控是普遍的应用。透过远端监控功能可以监控远端的机台，进行错误诊断及简单的维护，而且接收资讯的介面工具有PC、PDA和手机等等。SIEMENS更透过网路进行线上的训练，直接教导使用者如何操作机台，图六为SIEMENS远端监控的DM图片与架构。

在会场中，日本MARZAK更以一台PC远端监控会场所有的机台的情况，形同整厂整线的连线监控。最后，这次参展的控制器中，也有有支援OPC标准的控制器，OPC是一个最新的、国际性的资料交换规格。

 

 

        图六 SIEMENS远端监控DM图片与架构

 

五、PC-BASED控制器

在这次参展中，PC-BASED控制器好像有愈来愈多，愈来愈受重视了，SIEMENS也在840D的型录中提到840Di是可选用的PC-BASED控制器。在展出中的PC-BASED控制器可以分成两大类，一是单CPU的架构，一是双CPU的架构。德国的PA(POWER AUTOMATION)是使用单CPU架构，CPU的速度达3G Hz，作业系统为Windows 2000，使用PA Real Time Kernel，图七为PA的控制器架构。在双CPU架构方面，例如的控制器，使用两颗CPU，运动控制核心的CPU速度大约在1.8G Hz左右。

 

   

                                图七 PA的单CPU控制器的架构图

       

随着技术的发展，可以预期CPU与IC会越做越快，价钱会越来越便宜，功能会愈做愈强，PC-BASED控制器的稳定性也会日益增加，所以PC-BASED控制器的应用仍然值得期待。

六、未来的方向

高速高精度一直是控制器的发展目标，未来也会是如此。不过随着时代改变，狭义的控制器已不能满足需求，势必有更多的周边整合和应用。在追求奈米等级的控制和友善的操作介面之外，数位化和e化服务也是增加控制效能的重点项目。

 

线切割加工控制器技术

一、技术发展趋势

非传统加工包括放电加工、线切割加工、雷射加工等等。国内在放电加工机方面占有率很高，投入许多研究，尤其线切割加工技术更是目前努力发展的重点。本文将针对线切割加工(WEDM)技术趋势大致可归纳为：

1.操作自动化之要求，如：Machining Expert System(加工专家系统)、AWT(自动穿线)、控制器与CAD程式整合以减少加工前制作业等。

2.工业安全标准化要求很高，如CE(磁核检验标章)规格之本体外观设计；在环境保护与能源节省目标上Agie提出可增加消耗材寿命之电源技术。

3.高速加工：加工速度达500mm2/min以上技术愈来愈普及，比去年JIMTOF`02展只有Mitsubishi一家推出高速WEDM，今年有Agie跟进与Sodick超前540mm2/min展示。

4.微细加工：今年在Agie展出型号AgieCut Vertex可做20um细线加工，并且可进行双线式自动穿线。底下就此次展中对各家WEDM控制器发展技术做整理。

二、产品实例介绍

1.Sodick

现场展出如图八所示之具有新型Q3vic解决方案之控制器，可将3D CAD资料读入控制器，利用所谓的”3D LQ”控制，如图九所示针对被加工物形状分析，依据最后需要得到表面粗糙度，做加工参数最佳化处理，在制程中减少因为操作者因加工经验的不足，所造成加工成品精度与面粗度不良问题，故在操作上强调便利性与高效率。在加工控制方面，今年展出动态能量控制(Active Power Control)功能，可在速度与粗糙度要求中挑选最佳能量条件进行加工，特别针对段差工件或转角控制。

 

          

       图八 Q3vic控制器                                 图九 Q3vic解决方案

 

2.Fanuc

今年展出新型ROBOCUTα-0PiB机台，在加工控制方面具有三项功能A. Discharge Pulse Control功能：可侦测铜线与工件间之放电状态来控制加工速度，使得放电密度可均一，并且提高20%之加工速度。B. AI 转角控制：利用切割路径前馈控制，减少因线径挠曲造成之转角过切现象，如下两图所示，图十为未控制之加结果，图十一为加入控制后之结果，结果可大幅减少转角过切误差。

 

 

 

 

 


                                 图十 未控制结果       图十一 加入控制结果

 

C. AI workpiece thickness adaptive control：如图十二法则示意图为侦测被加工物之厚度变化，当厚度变化时则调整加工条件，以维持加工之稳定性，并且避免断线现象之发生。进而提高30%加工速度。

 

 

 

 

 

 

                图十二 厚度侦测                                          图十三 比较图

 

3.Agie

今年展出型号AgieCut Process控制器，具有”Dynamic Corner Control”功能，如图十三为以超过400 mm2/min速度加工后，有加控制功能与没有控制时之工件变化形比较情况。此功能之特点在高速加工时，减少工件之变形，更可达到高速加工之实用性。

4.ONA

今年如图十四展出编号AE 300，为欧洲西班牙的WEDM厂商，控制器功能相当齐全，有自动穿线装置，并且在控制器方面具有Window版本之控制器。今年展出加工控制能力，以厚度400mm工件粗割与修细各一刀，可达到每面上中下误差可在9μm内，相同切割制程在厚度200mm工件，每面上中下误差可在5μm内。

                         

                        图十四 AE 300                                图十五 Windows控制器

 

5.CDM ROVELLA

为义大利放电厂商，WEDM产品功能相当齐全，有自动穿线功能，新型控制器为Window2000环境，可以与CAD同时存在，操作功能相当完整。但是在放电电源方面技术，Ra值达0.5μm，最高切割速度达250mm2/min。图十五为使用Windows控制器的机台。

三、未来的方向

此次在EMO`03国内共有四家WEDM厂参展，在产品功能方面与Agie、Charmilles、Sodick、Fanuc、Mitsubichi等大厂仍有努力的空间，但是与CDM ROVELLA、ONA等厂在放电技术与控制器技术上，国内WEDM厂仍具有相当优势，所以国内WEDM厂若能在欧洲市场比较重视的主题上，如专家系统、AWT(自动穿线)、CE规格上加强，相信可以顺利进入此市场。