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传动系统朝向AI自我预先维护机制技术发展
因应智慧化制造潮流

【作者: 盧傑瑞】2018年09月14日 星期五

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在IoT化和AI化的趋势下,未来不仅仅生产设备,甚至於连设备中的各个次系统单元,也都将发展独自的资讯系统架构。


因此伴随着IoT的扩大应用,可以从各式各样的生产设备中取得各种数据来加以分析使用,使得如何藉由此一能力来提高工厂的生产能力,与业务效率的改善相关技术也相当受到关注。例如,对於生产设备来说,被安装在设备上的影像感测器与震动感测器等元件,再透过设备的通讯网路和後端伺服设备的AI运算机制,就能够将观测到车铣床用的立铣刀等消耗品的劣化数据加以分析判断,并且完成降低各种生产成本的目标。


就传动用马达来看,包括伺服马达以及自动化加工生产设备等应用,整体市场持续呈现成长的态势,而电动汽车的应用方面,虽然市场成长并不如预期快速,但因为能源和环境的问题,成长的幅度有加快的现象。


就趋势而言,伺服马达以及自动化加工生产设备等应用方面,由於不断的被追求更精细的加工能力,以及更高的生产效率,因此包含轨迹等的位置确认准确度和反应速度提升的技术都持续的研发中,因此也不断地提高感测器和马达的效率,使得在研发方面已经不得不面对,传统数位控制理论临界能力上现实的问题,而必须转而导入更新,例如人工智慧或物联网的观念技术。


自动化生产市场需求不断增加 各业者积极扩产传动相关元件

在市场前景方面,由於人力不足以及薪资成本持续的上升,将机器人导入生产线已经是全球各大工厂的趋势,因此也带动了作为传动系统中核心单元伺服马达出货的急速成长(图1)。



图1 : 由於人力不足及薪资成本持续的上升,将机器人导入生产线已经是全球各大工厂的趋势。(source:富士通)
图1 : 由於人力不足及薪资成本持续的上升,将机器人导入生产线已经是全球各大工厂的趋势。(source:富士通)

根据日本电机工业会(JEMA)的统计,日本各大电机大厂对於自动化设备用的伺服马达的生产情况,仍旧维持高产能的状态,各家业者持续扩充生产能力来满足市场的需求。


三菱电机的伺服马达营业额大幅成长了20%,产品别方面,由於小型机种的需求仍旧维持强劲,因此不只营业额增加,连出货的数量也跟着增加,因此负责生产小型伺服马达的名古屋制作所、中国常熟工厂的产能都已经达到满载。另一家伺服马达安川电机,营业额也同样成长了25~30%,位於??玉县入间市的东京工厂和中国的沈阳工厂也达到满产能的情况。


因为手机、相机、车用相关应用持续扩大,使得半导体、OLED等销售量的增加,因此相关生产设备用的伺服马达订单也出现大幅度成长。根据日本工作机械工业会的统计,2018年1~6月的累计销售金额比去年(2017)同期增加了26.1%达到9640亿日圆。


对於市场需求的不断增加,三菱电机和安川电机也分别投入资金进行扩厂的计画。三菱电机预计投入44亿日圆,同时在名古屋与常熟的工厂导入最新的生产设备,将月产能提高到48万台(伺服马达26万台,伺服放大器22万台),产能比原先增加了70%。


安川电机社长:透过感测获得生产设备各种数据能力的技术是未来趋势

安川电机已经在沈阳工厂进行1.4万平方米扩建第三工厂的工程,而且将导入可视化观念的生产管理系统,并且可以和东京工厂的「Solution Factory」进行连结,达到全球生产资讯共享的目标。对於传动用伺服马达的前景,安川电机社长小笠原浩曾经在受访时认为,就现今全球伺服马达市场而言,并没有销售情况不好的区域市场,特别是在美国半导体、中国的智慧型手机、家电产品、一般性自动化设备的需求推动下,具有低耗电能力的逆变器,更是呈现高成长的态势。


而在产业用机器人部分,由於欧美日等市场的汽车制造业稳定成长,加上中国除渐浮现的劳动人力不足和工资上涨双重压力下,对於工厂的自动化、智慧化、和低人力化的生产方案和设备需求,持续有着强烈的需求。在这样的背景下,伺服类型产品与机器人的市场近几年呈现大幅度的成长,相信在未来的25年内,都能够有持续成长的机会(图2)。



图2 : 安川电机小笠原社长接受日本媒体访问时表示,伴随伺服类型产品与机器人的市场近几年呈现大幅度的成长,相信在未来的25年内,逆变器和伺服马达都能够有持续成长的机会。(source:安川电机)
图2 : 安川电机小笠原社长接受日本媒体访问时表示,伴随伺服类型产品与机器人的市场近几年呈现大幅度的成长,相信在未来的25年内,逆变器和伺服马达都能够有持续成长的机会。(source:安川电机)

而在技术趋势部分,小笠原社长表示,机器人、自动化设备、输送设备等的生产线产品,安川电机持续投入大量的研发资源,开发出能够掌握生产设备各种数据资料的新一代逆变器和伺服马达。另一方面,并且透过各种感测器,例如,能够掌握生自动化设备热变位的温度感测器等,来收集伺服类型产品的各种资料,并且透过物联网的网路机制,将资料传送到後端的处理平台。因此,研发着眼的并非只有工厂或生产线而已,而是已经深入到收集机器人和设备的次系统或各机构单元模组的各项资料。


日立利用内建具有感测器完成预先维护功能

因此,并非只有立铣刀等消耗品可以透过这项技术机制达到预先了解损耗,甚至连担任设备传动的动力来源的伺服马达,也开始内建此一技术能力。


日立开发出在生产设备内建具有感测器的传动马达,可以透过感测系统预先分析出传动马达和系统相关消耗性零件的劣化程度与预先维护规划。


这项技术是透过掌握马达的驱动电流、马达转动次数、和Torque电流等数据资料,来感测分析出生产设备内的消耗性零件使用状态。在马达的部分,则是采用现有的电流感测器,再配合分析软体,来推算出马达使用寿命与现状。因此透过这一项机制可以达到降低生产设备的消耗成本与停机时间成本(图3)。



图3 : 日立开发出透过掌握马达的驱动电流、马达转动次数、和Torque电流等数据资料,来感测分析出生产设备内的消耗性零件使用状态。(source:日立)
图3 : 日立开发出透过掌握马达的驱动电流、马达转动次数、和Torque电流等数据资料,来感测分析出生产设备内的消耗性零件使用状态。(source:日立)

这是利用内建在马达内部的感测机构,来推估出转子的位置,而并非采用一般使用位置感测器的设计,因此所发展的这款取代过去技术的非采用感测器控制技术,可以同时达到进行伺服马达控制及多变量解析等分析,并且透过这项机制能更进一步的开发出伺服马达的劣化检测功能。


对於生产设备或机器手臂等来说,为了达到高精度的控制目的,几??都是采用可进行高精度动作的伺服马达,因此采用愈精密的伺服马达,即使需要相当轻微的负载变动,马达也可以满足控制的需要。因此利用这样的功能原理基础,可以透过软体来从伺服马达的驱动电流获得转子转数与Torque电流、励磁电流和转子位置等的内部资讯数据。


安川电机针对滚珠螺杆利用AI开发出预防维护功能

对於传动系统而言,滚珠螺杆是精密线性传动与定位系统的重要元件,对於运动性能影响相当大,由於滚珠螺杆的定位精度高、寿命长和可做高速正逆向的传动及变换传动等特性,因具上述特性,滚珠螺杆已成为近来精密科技产业及精密机械产业的定位及测量系统上的重要零组件之一。因此,一旦滚珠螺杆出现失效的状态,就会直接导致整部设备停机,甚至於对内部结构造成伤害。


事实上,会造成滚珠螺杆的失效原因有相当多,包括无预压或预压不足、扭转位移太大、轴承选用不当、轴承安装不当、螺帽座或轴承座刚性不足、螺帽座或轴承座组装不当、支撑座的表面平行度或平面度超公差、马达与滚珠螺杆结合不当、轴承安装不当、异物进入钢珠轨道、??流管凹陷或断裂、滚珠螺杆肩部断裂…..等。


其中,螺杆肩部断裂、??流管凹陷或断裂等,都可以透过保养维护的制度来进行检查或更换,避免因为零件损坏对整部设备造成难以弥补的损伤。但是,在零件凹陷或断裂方面,除非是有经验的技师,否则,相当难在现象发生的初期就能发现,并且推测出可继续使用的时间。


因此滚珠螺杆的失效,会对整个传动系统造成如此大的影响,在预防维护的部分就成了各大业者的研发方向。针对这样的需求,安川电机就开发出了可以预防滚珠螺杆失效的人工智慧分析机制,只需要透过监控和分析伺服马达的Torque波形就能够进行异常检测,提早发现与纪录(图4)。



图4 : 安川电机利用监控和分析伺服马达的Torque波形就能够进行滚珠螺杆异常检测(source:日本Itmedia)
图4 : 安川电机利用监控和分析伺服马达的Torque波形就能够进行滚珠螺杆异常检测(source:日本Itmedia)

这项技术,可以适用在各种制造设备的滚珠螺杆上,利用人工智慧的分析技术机制,在取得来自於伺服马达的Torque波形资料,在搭配比对Torque指令之後,就能够分辨出正常、负荷、摩擦、齿隙(backlash)等的状态特徵。因为对於使用滚珠螺杆传动系统的设备而言,摩擦的增加、负荷的增减,以及齿隙等状况,伴随着设备长时间的使用,会让这些问题持续累积,而形成传动系统损坏因子。当损坏因子累积的一个程度後,就会影响到生产的良率、速度及品质。


因此,安川电机可以透过所研发的「Cube-IX」技术,只要取得伺服马达的Torque波形资料後,就能够检测出滚珠螺杆这些微小的变化,并且加以分析,来防治滚珠螺杆突然失效而导致设备停机或损坏的麻烦。


利用感测器与数学式化技术克服工作轴内部共振

无论是机器手臂或自动生产设备等,在工作手臂或工作轴的关节进行运作时,都需要克服所出现微小震动的问题,并且加以消除。马达所带动的传动轴,当进行摇动、停止等的瞬间,都会出现微小震动,当然,这也会和传动轴的材质、重量、长度等有关,而出现不同频率的微小震动,更进一步的出现共振现象,而导致机器人或自动生产设备工作轴内部的感测器,出现杂讯以及无法感应到正确的位置。


厌应义塾大学理工学部对此问题,将传达出来的震动波加以数学式化(mathematical expressions),藉由这样的理论,可以对马达等的驱动力进行微调整,即使出现消除多驱动点震动的情况时也能够予以消除,这样一来,就可以达到机器人的精密控制,以及生产线上计量器震动的消除(图5)。



图5 : 将共振的波动方程式予以数学式化,进行时间差调整,就能消除共振的问题。(source:厌应义塾大学)
图5 : 将共振的波动方程式予以数学式化,进行时间差调整,就能消除共振的问题。(source:厌应义塾大学)

在此,将共振的波动方程式予以数学式化,当动作开始时,震动波或入射到传动轴或工作轴里,然後将震波传递到传动轴最前端,这时,由於入射波和反射波的位相出现位移而发生共振的情况。如果能对入射波和反射波的时间差进行调整,就能够反转位相,进而消除共振的问题。


基於这个控制理论,也可以更进一步的消除具有多驱动点机器手臂前端的共振困扰,由於马达的控制周期是有限度的,因此透过这个方法,理论上可以消除所有的共振问题。


**刊头图(source:BAUMA)


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