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德系控制器滿足產業高效數位化需求
融入Digital twins兼顧加工與製造

【作者: 陳念舜】   2023年07月24日 星期一

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歷經COVID-19疫情之後,台灣工具機產業除了延續數位轉型腳步,以協助自身與終端加工業克服由來已久的缺工挑戰之外;未來還須同時維持產品在面對國內外節能低碳壓力下的競爭力,CNC數控系統將是關鍵,近年來也可見到諸多工具機大廠採用德系品牌。


延續自疫情過後的數位轉型腳步,台灣工具機產業在2022年聯合舉行的TIMTOS x TMTS期間,便有整機廠開始展現與歐日系CNC數控系統廠商在數位分身(Digital twins)硬軟體技術上合作的成果。並在今(2023)年正式回歸實體形式的台北國際工具機展(TIMTOS 2023),面臨國內外碳稅/費壓力更逼近一年之際,導入德系品牌控制器,進一步擴散其成熟應用,以協助上下游產業鏈加速跨越減碳門檻。


如今包括加工性能、二氧化碳足跡、數位化等,都是現今工具機產業裡OEM設備製造廠商(Maker)與終端加工使用者(End User)之間共同的熱門話題,希望其生產的機器能在最短時間內,移除更多材料的高效生產;同時利用最低閒置時間,達到更高的機械利用率及加工品質,於高度自動化量產的首件階段就能產出最佳結果。



圖1 :  2023年正式回歸實體形式的台北國際工具機展(TIMTOS 2023),又有整機廠積極導入歐日系品牌控制器,進一步協助上下游產業鏈跨越減碳門檻。(攝影:陳念舜)
圖1 : 2023年正式回歸實體形式的台北國際工具機展(TIMTOS 2023),又有整機廠積極導入歐日系品牌控制器,進一步協助上下游產業鏈跨越減碳門檻。(攝影:陳念舜)

西門子數位原生控制器 貫通工具機產業鏈上下游應用

尤其是國際工業4.0趨勢的重要推手西門子公司(Siemens)推廣數位化多年,如今製造業更因為能源、缺工、永續等話題討論熱烈,且墊高成本而迫不及待,期望經由數位化解決方案來克服目前環境面臨的諸多挑戰;工具機廠商也盼在原製程中導入數位化來打造永續工具機,從而精進加工技術,提供節能落地解決方案,藉以提升效率及縮短週期時間。


其中導入的數位分身概念,更同時適用於業界設備製造廠商、終端加工應用客戶,最終都是為了產出產品,所以必須要透過數位化管控生產方式和流程,而不能只靠老師傅經驗。此不僅有別於前者傳統開發機器的連續流程,必須先經過設計製圖及開木模、組裝電(數)控系統完成後,才能以實機驗證是否開發成功;後者也希望量產首件即成功,否則若過程中有環節出錯,就必須要浪費時間從頭開始。


西門子進一步分析,現今智能化應用時代對應的工具機產業需求,製造加工流程已從辦公室PC產生程式到現場施工,進而回饋到CAD/CAM修改及優化,過去相當仰賴老師傅經驗。如今則面臨必須導入新技術來吸引新晉人才,以數據驅動智能學習,協助持續優化生產,藉以延續台灣第三大兆元產業、機械之母的重要地位。



圖2 : 現今智能化應用時代對應的工具機產業需求,製造加工流程已從辦公室PC產生程式到現場施工,進而回饋到CAD/CAM修改及優化。(source:industrialmachinerydigest.com)
圖2 : 現今智能化應用時代對應的工具機產業需求,製造加工流程已從辦公室PC產生程式到現場施工,進而回饋到CAD/CAM修改及優化。(source:industrialmachinerydigest.com)

西門子為此推出全世界首台數位原生CNC控制器Sinumerik One,則除了提升效率外,讓工具機產業持續改進生產;還能無縫銜接數位分身虛實整合資訊並享受其優勢,因實現軟體模擬而蒐集大量數據資料,讓使用機台更為簡便。至今已導入台灣30家整機廠的高階機種,約有90%原來使用上一代Sinumerik 840D高階機種的老客戶已平順完成系統轉移,從而提升加工生產力。進而將之區分為如下3大技術領域:


(1) 虛擬化及邊緣運算技術,包含AMW工件數位分身(Analyze MyWorkpiece / Toolpath)、工具機數位分身(Create MyVirtual Machine+RMVM, Run MyVirtual Machine;CMVM)、邊緣運算以智能化切削優化技術(Adaptive Control and Monitoring Suite;ACM Suite),通用於機台製造和終端加工業者。


藉此導入關鍵數位化軟體,並輔佐老師傅經驗,進行有系統性的科學分析,快速找出及排除問題、優化整體製程。且從設計階段開始減少未來量產錯誤,將大幅簡化加工生產及製造流程,最終達到量產首件即成功,可有效減少廢料及能源成本,提升產能。。


(2) 高頻數據邊緣運算,深度利用ACM製造過程數據執行Deep learning,協助使用者提高產量和能源使用效率;


(3) 低頻數據雲端整合,透過低頻撈取感測器資訊,再主動連結供應商,強化連結供應鏈體系服務。


西門子進一步指出,AMW係基於目前產業面臨的挑戰,包括:工件品質問題未知、執行過程中更改G-code、控制器插補參數的影響難以可視化;以及真實切削時遭遇的摩擦、結構老化等物理現象,該如何在穩定過程中找到優化潛力?目前生產過程品質與產能的優化流程,已不僅止於廠內機台應用,更多的是在前端工程師耗時整合,通過即時評估新設備的概念,快速對應新市場需求。


因此須經由協同工程作業,縮短開發時間,至少先經過數位產出,優化加工製程的速度和品質,從而利用NX於CAD/CAM軟體編程、模擬為基礎,降低商業風險時間;透過可視化分析G-code參數優化路徑並輸出切削程式,以提高生產過程品質與產能,或將路徑轉換為3D表面渲染視覺直觀反饋,以初步瞭解可能的切削品質變化是否符合預期,並縮短設置時間,提升零件品質。甚至利用AMW改良現場,識別不穩定或不正確的刀具路徑,藉可視化分析來避免有缺陷的程式。


當使用者首次輸出NC加工程式時,即可透過CMVM+Edge賦予的「可視化」能力進行生產模擬,顯示分析CNC方向/刀具路徑分配不均勻的具體變化;再經由AMW回饋品質,在未正式生產前即不斷優化切削工法和允差值。


接著使用機台數位分身軟體,透過Edge自動擷取虛實兩端資料,並搭配NCK控制器核心碼的加減速等動態響應,加以平滑化、提高表面品質;經由同步工程強化產品發展,而更為精確納入結構因素後,於電腦上模擬,防止實機運動干涉、碰撞。


其產品優勢在於可使用PC離線排除故障,並以不同視圖同步分析工件相關數據,例如.stl、NC程式與切削速度;進而快速辨識NC程式的錯誤、比較程式與實際NC路徑,都經過整合數據分析與可視化應用,進而由數位分身預知工件加工缺陷,改善製程與成本。


且有別於過去須由CAD/CAM產生切削路徑後,容易產生導溝路徑的轉折點,如今則可經過搜尋後排除,避免因此過切,縮短加工測試驗證流程、有效驗證程式品質;進而透過刀具路徑平滑化,提升五軸加工的表面品質。


接著結合實機上的SINUMERIK控制器的強大高速高精運動性能,以及SINUKERIK Advanced Surface或Top Surface切削控制技術實現切削優化。藉此使用數位化軟體的優化成果,業者即可以不必再反覆調機、改參數,確保從第一次加工開始,就獲得正確的工件,減少廢料及成本。


實際生產時,則以智能軟體(ACM Suite+Tool Monitoring)自適應切削及監控技術優化製程,具有類似Machine Learning/Deep Learning人工智慧功能,學習製程切削特徵,挖掘優化的潛力,輔助運動控制並提升加工速度,或保護機台與刀具而延長使用壽命,提升效率及能源使用率。


透過AC Suite(Adaptive Control Suite)的動態即時優化進給功能,將可在客戶首次加工時,即採用CNC控制器學習模式自主完成;並在過程中蒐集所有切削力(N-m)、負載等資訊,以便後續加工量產時優化進給,改進加工工藝,提高能源效率。使之於加工期間時時記錄負載與程式關係,即時監控當前切削情況與切削力變化,並自動將進給速度調整到最佳,即利用固定扭力而產生不同的切削速度改善加工製程,而不必使用者費心操作,估計將能提升約10~20%效率,縮短加工時間。


將可實現短時間內最高負載、最短切削時間,降低機器能耗之外,再透過影像專家在機器前進行適應性調變,在節能方面還有助於延長刀具壽命,時時監測主軸感測器,以即時real time在損及刀具前停機,藉此減少每部機器加工每個加工件的基本負載功耗。倘若檢測到切削力過載時,ACM就會降低進給率,並觸發警報以停機;或偵測到刀具破裂,以防止後續損害,延長刀具壽命及線上保護機台。數位產出即可優化加工時間,利用現有場地設備將生產率穩定提高5%~40%。


最終以數位服務為基礎,產生新商業模式。實現數位企業在數據驅動型產業中,持續改進產品和生產。目前產業面臨的另一項挑戰是如何大幅增加工具機競爭力,但投入及磨合新設備與零件,需要相當長時間,以達到預期產出。


如今,透過SINUMERIK ONE控制器與CMVM數位產出,可將新設備啟動時間從12週縮減到3週,新零件上線的首次正確運行率可達到99%。因此,得以在工程開發階段即導入彈性應用,達到縮短開發流程,有別於傳統連續性開發流程。透過數位分身進行敏捷開發,以提升工程平行開發與驗證作業。



圖3 : 透過SINUMERIK ONE控制器與CMVM數位產出,得以在工程開發階段即導入彈性應用,透過數位分身進行敏捷開發,以提升工程平行開發與驗證作業。(攝影:陳念舜)
圖3 : 透過SINUMERIK ONE控制器與CMVM數位產出,得以在工程開發階段即導入彈性應用,透過數位分身進行敏捷開發,以提升工程平行開發與驗證作業。(攝影:陳念舜)

對於機械廠則能縮短50%工程開發時間,利用機械廠數位分身的虛擬3D模型,銜接使用者的數位分身,即可取得首次正確加工結果,提升其專業形象。產業挑戰在於如何提升既有設備的產能以長保競爭力,當安裝新軟體後,設備將保持原樣,且與新設備對比的差距正在穩步增加,必須通過合理且可衡量的投資回報率提高加工輸出。


目前在台灣導入CMVM(Create MyVirtual Machine)虛擬工具機分身技術的廠商,也已超過10家,藉此縮短機台開發時程,讓所有部門同步起跑。一旦於此軟體工具環境內發現錯誤,也可即時修正而提升開發效率,並減少不必要的成本。


另一項數位分身軟體功能為Run MyVirtual Machine,以藉此協助客戶在PC上處理CNC訓練和程式設計,讓各家工具機廠商的應用部門不必再耗時釐清從CAD/CAM產出程式路徑到post後處理加工的品質符合預期,或等到實機驗證時才找出問題的準備工作,避免在加工或產生程式過程中碰撞,進而提供更快更好的諮詢服務,縮短加工時間並提高能源效率。現在還能透過Mcenter為機器數據和狀態創造了最大透明度,與系統整合軟體針對單一產線到單機提高OEE數據奠定了最佳基礎,減少停機時間與提高生產中的能源效率。


海德漢TNC7控制器 提升效能以兼顧永續需求

另一家德商海德漢公司(HEIDENHAIN)的核心價值,則在於如何更好、更合理地利用資源,促使工具機具備更有經濟效益的解決方案來追求極致效能,在提升產能、製程可靠度和資源利用率同時,降低永續性與系統的總持有成本(TCO)和碳足跡。並透過該公司推出的編碼器、光學尺、探針、刀具破損檢測器可為機台性能最佳化與真實世界接軌,開拓了更多可能。


即使過去因台灣工具機產業銷往中國大陸市場產品,大多以入門或小型標準機種為主,近年來飽受地緣政治波及和當地生產設備性能提升影響。但海德漢則鎖定高階機種應用,所受到影響的幅度較小,在今年三月舉行的TIMTOS也可見海德漢高層親自來訪台灣多家工具機客戶,就雙邊未來合作進行交流,並持續投入研發高階機種,關注該公司產品的數位化功能於工具機產業的最新應用。


例如現今針對航太零件的加工需要大量移除材料,並以產出零件所需的時間計算加工費用,如何提高效率便是對於加工業者極重要的課題,海德漢的Optimize Contour Milling功能即可針對此類加工需求;半導體零件加工則強調高精度優勢,利用海德漢五軸控制器搭配光學尺的解決方案,即可協助業者達成此項需求。



圖4 : 2023年三月TIMTOS也可見海德漢公司高層親自來訪台灣多家工具機客戶,關注新世代CNC控制器TNC7等產品的數位化功能於工具機產業的最新應用。(攝影:陳念舜)
圖4 : 2023年三月TIMTOS也可見海德漢公司高層親自來訪台灣多家工具機客戶,關注新世代CNC控制器TNC7等產品的數位化功能於工具機產業的最新應用。(攝影:陳念舜)

適於近期推出新世代CNC控制器TNC7,為工具機使用者與製造廠商,帶來更多元完整的編程循環操作、智慧量測功能,以及圖形化6D工件與夾治具輔助設置等組裝機台的全新方式,無論是在編程、機台設定或者工件量測的當下,皆可提供最大限度的彈性。


經過符合操作直覺化、任務導向化趨勢與自定義介面設計顯示內容,重新打造與使用者之間的互動性,促使生產現場製程更為輕鬆、快速且可靠的新功能,以達到最大產出目標,包括諸多大廠也推出配置新一代TNC7的五軸工具機。


使用者可藉此從簡單易上手的機台工作設定流程開始,執行可靠的銑削加工過程,直到工件去毛邊為止的超高效率。只須透過TNC7量測功能,即可在量測過程中移動旋轉軸,逐步校準並快速完成量測各種複雜形狀、毛坯或預先加工過的工件;同時結合6D圖形化工件功能,快速輔助設置任何複雜不規則夾治具、工件,讓加工者不再需要記得每個工序必須對應執行的量測功能,開啟了新應用方式的可能性。


對於使用新一代進階擺線切削功能(OCM)的加工者而言,就可以藉此儲存多組不同循環與刀具的組合參數,執行內建精加工與去毛邊的循環,或在進行凸島與凹槽加工時自動規劃最佳切銷策略,讓用戶可以更有效率、可靠的切削參數加工,以實現更高產量與更少刀具磨耗的條件下,銑削加工更多樣工件。


海德漢還提供了具有最佳化光學元件的新一代LC光學尺與RCN角度編碼器,擁有高畫質的最佳化感測元件新設計,使之減低了對壓縮空氣供給正壓的需求,即使在有液體汙染或霧氣的場合中,編碼器/光學尺仍能良好運行應用;並通過省略密封空氣濾淨系統,降低了機台最多達99%二氧化碳足跡與系統成本,享有全閉迴路位置量測帶來的好處。


並經由在海德漢編程站上的模擬數位模型,又稱為數位分身(Digital twin),可提供與生產現場實機相同的運動模型定義、參數及功能。讓使用者得以在辦公室進行設計、編程與模擬作業,省下須用實機設計、模擬與程式偵錯的時間,並提升製程可靠度與生產效率。已在TIMTOS 2023期間搭配工具機合作夥伴,展示增加製程可靠度(Process reliability)的相關新功能,避免錯誤無效加工所產生的廢料,增加不必要的碳排放,進而達到增效減碳的目標,獲得客戶的高度肯定與關注。


目前海德漢數位工廠還為整個生產製造鏈環境提供打造360度零死角,且完整數位化的單一來源解決方案與服務。用來蒐集CNC機台實際運行的數據,以及NC程式、PLC訊號運行及刀具資訊分析進行數位化呈現,以即時監控管理生產狀態的StateMonitor軟體,發掘機台所有潛能,產生實際需求刀具的清單,且可支援FANUC控制系統的FOCAS通訊格式。


且在網路串連監控不同建築、生產地點機器的基礎上,由PlantMonitor跨場域監控軟體分析來自多組StateMonitor的生產數據,為TNC7製程監控透明化,提供額外的製程可靠度保障,讓使用者應對變更及製程最佳化的能力更完善,用戶彈性地應對突發性生產計劃變更,以及輕鬆計算加工時間和成本。


進而推出兩款新軟體工具:JobManager可用於派工管理規劃,用來有效預估投產時間、零件製造與運輸時間、交期,進而掌握及提升機台利用率。透過PartCalculator輕鬆管理製造時間和預估加工成本,使用者僅須輸入材料與生產數量,即使在分析階段也能報價。


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