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各式感測器已成為工具機設備的關鍵元件
 

【作者: 盧傑瑞】   2018年11月14日 星期三

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最近5年來,日本新一代的工具機設備除了維持一貫的精度與高速之外,在控制與自我維護方面,出現相當大的開發變革性,各工具機大廠不僅僅朝向更多功能性化發展,同時也讓工具機設備更聰明化與可通訊化。因此,相信高速化、高精度化、複合化、智慧化、開放化、並聯驅動化、網路化、極端化、綠色化是將會是工具機設備發展的趨勢和方向。


除了以複合化、多軸化、智能化為中心的技術,不斷的推動工具機設備變得更優異之外,日本業者也開始在工具機設備內部增加線上量測能力。ISO230-1的規範,就是針對工具機設備的試驗方法進行定義,而最近修正了部分的規範。


為了滿足上述規範的定義,目前日本業者開始對工具機設備內部的設計,進行修正與能力提升,最大性能提升的部分就是量測的技術與元件。這其中最關鍵的系統與元件便是各種偵測能力的感測器,同時,也因為半導體製造、工具機設備、機器人等領域的市場需求持續成長,以及物流等非製造業的需求快速增加下,被視為導入與扮演IoT技術應用的關鍵零組件—感測器,也就呈現了大幅度的成長。


另一方面,再加上少子化、高齡化所帶來的人力不足和人事成本激增,以及市場對於產品生產的高精度要求和縮短生產時程方面,也都可以透過使用感測器來解決,因此,感測器也就成為各式新一代生產設備開發時,不可或缺的關鍵零件,更進一步的帶動了工廠設備專用的各功能感測器市場快速擴大,以及更多方面應用的感測器被開發出來(圖1)。



圖1 : 各功能感測器市場快速擴大,以及更多方面應用的感測器被開發出來。(source:Leddar Tech)
圖1 : 各功能感測器市場快速擴大,以及更多方面應用的感測器被開發出來。(source:Leddar Tech)

各種感測器逐漸成為工具機設備的關鍵元件之一

一般而言,工具機設備在進行加工作業時,需要面對各種形狀或加工條件不同的加工對象物品,但是這些都需要透過資深的技師來進行控制或調整。當然,在導入人工智慧能力後的工具機設備,也需要讓工具機設備具有加工物品的成像以及量測能力。


因此在IoT化和AI化的大環境趨動下,未來不僅僅工具機設備,甚至於連設備中的各個次系統單元,也都將透過各種感測能力發展獨自的資訊系統架構,再從各式各樣的感測器中取得各種數據來加以分析使用,使得如何藉由此一能力來提高生產能力。例如,經由設備上的影像感測器與震動感測器等元件,以及透過通訊網路和雲端或伺服設備的AI能力,就能夠將觀測到車銑床用的立銑刀等消耗品的劣化,或加工品的數據,再加以分析判斷,並且完成降低各種生產成本的目標。


透過感測器開發出切削殘物檢測與馬達列化預測的技術

就像日立開發出在生產設備內建具有感測器的傳動馬達,可以透過感測系統預先分析出傳動馬達和系統相關消耗性零件的劣化程度與預先維護規劃。


馬達的部分,是採用現有的電流感測器,來推估出轉子的位置,而並非採用一般使用位置感測器的設計。因此所發展的這款取代過去技術的非採用感測器控制技術,可以同時達到進行伺服馬達控制以及多變量解析等等的分析,並且透過這項機制能更進一步的開發出伺服馬達的劣化檢測功能。


因此採用愈精密的伺服馬達,即使需要相當輕微的負載變動,馬達也可以滿足控制的需要。利用這樣的功能原理基礎,可以透過軟體來從伺服馬達的驅動電流獲得轉子轉數與Torque電流、勵磁電流和轉子位置等內部的資訊數據(圖2)。



圖2 : 日立利用感測器的檢測傳動馬達轉子 (source:日立製作所)
圖2 : 日立利用感測器的檢測傳動馬達轉子 (source:日立製作所)

金澤工業大學的中野淳教授與鷹合大輔准教授,和O-M製作所合作,針對工具機設備的切削工作物,透過感測器和人工智慧技術,開發出可以檢測纏繞在刀刃外表的切割粉末的技術。由於工具機設備在進行加工切割時,會不可避免的產生切割粉末或殘餘物,在過去技術能力,因為無法偵測出切削殘物,使得這些切割粉末或殘餘物會包覆或殘留在刀刃上造成加工不良,更嚴重的會使得工具機設備產生各種的故障。


此外,由於工作對象物材質、加工方式不同時,會出現體積或形狀不同的切割殘留物,因此,如何克服殘留在刀刃上的加工餘物,並且加以排除,順利的進行加工,長久以來一直是工具機設備業者、加工廠業者,以及關鍵零件業者所關注的問題,以及研發的方向。就像這次的技術合作業者O-M製作所,針對這一部分已經投注相當長的研發資源,透過和金澤工業大學的合作,利用感測器與AI技術開發出新一代具有切削殘物檢測能力的工具機設備,來降低設備的故障率與確保加工的順利性(圖3、圖4)。



圖3 : 刀刃被加工餘物包覆的狀況(source:金澤工業大學)
圖3 : 刀刃被加工餘物包覆的狀況(source:金澤工業大學)

圖4 : 透過感測器與AI分析與描繪出刀刃被加工餘物包覆,加工餘物可能性高的地方以顏色表示。(紅色部分的準確率較高)(source:金澤工業大學)
圖4 : 透過感測器與AI分析與描繪出刀刃被加工餘物包覆,加工餘物可能性高的地方以顏色表示。(紅色部分的準確率較高)(source:金澤工業大學)

工廠設備專用的各功能感測器的市場仍舊維持大幅成長

在整體的工業用感測器領域裡,機器人方面的應用才剛開始,所佔的市場比例還不是很高,而相關的半導體製造、工具機設備、車用、建設等,都可以發現到市場成長幅度相當的大。在佔據市場比例較多的半導體和顯示器生產設備方面,根據日本半導體製造裝置協會的出貨統計,2017年度的市場規模達到了2兆5352億日圓,而對於2018年度的市場規模,更是樂觀的預估將會達到2兆7943億日圓,持續維持了2兆日圓的市場規模。


和半導體製造設備市場一樣呈現持續順利成長的領域,便是工具機械的產業。根據日本工作機械工業會的統計數字來看,2017年的市場規模比起前一年度,大幅度的成長131.6%,市場規模達到了1兆6455億日圓,這個數字已經又重新寫下歷史的新高點。工業會預估在2018年還是會持續維持這樣的成長態勢,市場規模將會成長到1兆7500億日圓,預計將會再一次的打破在2017年所創下的市場規模歷史新高點。


這是因為可以預期到包括以汽車產業、通訊設備、建設設備等等的市場核心產業,市場需求持續呈現旺盛的態勢,這樣的變化,已經使得工具機設備的交貨期不斷出現新訂單交貨期延長的窘境現象,同時也難以透過計劃生產來消耗龐大的訂單,與出貨壓力。


另一方面,根據日本電氣制御機器工業會的統計,在2017年度(2017年4月~2018年3月)的檢測用開關(Switch)的出貨銷售金額為1215億日圓,這個數字比起2016年度(2016年4月~2017年3月)的市場規模幾乎呈現翻倍的成長,打破了過去最多是2位數的成長率,達到了111.8%的歷史最高成長率。


在類型的部分,非接觸式感測器的成長幅度,更是高於接觸型的感測器,特別是可提供資料輸出的類型產品,成長幅度高達115.7%。另一款成長率達到三位數的產品則是與安全保護相關的感測器,和前一個年度相比,成長幅度更是破紀錄的來到124.8%。


工具機設備用感測器技術與應用現況

精度持續進步的光電感測器

在工業用的感測器產品類型中,佔據市場比例最大的為光電感測器,例如LED或半導體雷射等光源性的非接觸式感測器,主要是用來進行工作性(產品?零件)的有無確認。在技術方面則有穿透式、回歸反射式以及擴散反射式等,而在精確度與性能方面,每一年可以發現到都會有大程度性的進步。穿透式感測器大多是應用在遠距離的檢測,而回歸反射式的感測器,不必像穿透式感測器一樣,需要在投射單元和受光單元都進行電路的設計,只需要在感測器的對面安置匹配的反射材料就可以了,這樣一來,無論是在電路複雜度和安裝的程序,都能夠減少一半左右。


特別的是,反射式感測器的效能,以及成本降低方面都相當顯著,另外在過去所苦惱的工作目標品的顏色變化,以及高傾斜角度的工作目標品、水、油等環境條件,對檢測器的精準度所帶來的影響,也大幅度獲得改善。



圖5 : 近幾年來,反射式感測器的效能,以及成本降低方面都相當顯著(source:BANNER)
圖5 : 近幾年來,反射式感測器的效能,以及成本降低方面都相當顯著(source:BANNER)

光電感測器不斷追求的是,如何能夠更容易的使用自動調諧等功能,來提升自我的能力,另外,多點控制以及差動檢測等時,能夠精準掌控類比型態的受光量,以及類比型態輸出的光纖式光電感測器。例如,最近在面對IoT與工業4.0化的市場競爭壓力之下,讓工具機設備擁有通訊能力,就是接下來新一代產品需要考量的設計與方向。


在這樣的趨勢下,PLC和通訊機制的能夠集中進行各項設定,也就會變得相當重要。而當然每個業者所提供的光電感測器產品都具有自動感測修正功能,已經不僅僅只能進行光纖前端受到汙染時,所造成的光量降低時進行自動修正感測器的感度,而不至於出現誤判的結果,但是時間一久仍舊需要對感測器進行歸零校正的工作。


目前新一代的光電感測器已經可以在進行光纖前端清潔後,感測器能夠自動進行歸零重設的動作,也無須再進行校正,可以省下相當多的停工校正時間,與相關生產成本。


另外,光電感測器中作為光源的LED,也會因為經年累月的使用下,出現出光量的衰減,面對這樣的問題,感測器中也開始增加檢測光量的單元,來確保不會因為元件的自我劣化時,使得工具機設備在進行各項檢測或動作時,造成誤判、資料輸出錯誤,或出現各項的危險動作。


距離感測器已可以偵測超過數十毫米

多數的距離感測器(proximity sensor)都具有抗惡劣環境的能力,因此大多都能夠在高溫、高濕,甚至於水中使用,這是其他類型感測器所沒有的特性。以目前的生產技術來看,直徑約3毫米的超小型、全金屬材質等的距離感測器,在市場上可以發現已經逐漸增加,並且也受到使用者的喜愛,當然也有金屬與非金屬混合材質的感測器產品。在偵測距離方面,大多的產品為數毫米到幾十毫米,而超過數十毫米偵測距離的感測器產品,也陸續被開發出來(圖6)。



圖6 : 在市場上可以發現距離感測器已經逐漸受到使用者的喜愛 (source:Electrical Academia)
圖6 : 在市場上可以發現距離感測器已經逐漸受到使用者的喜愛 (source:Electrical Academia)

以目前的研發技術與感測元件採用的方式來看,大多都是透過2次元的外型量測感測器,來實現對設備內部(In Line)的加工對象物品進行測量。具體的方式是利用投射寬度較大的半導體雷射對加工物品進行投射雷射光線,而照射在加工物品後所反射出來的雷射光,再利用感光耦合元件(Charge-coupled Device;CCD)來進行收光攝影,透過非接觸式感測器來進行物品的斷面量測,從攝影後的各種資料來形成物品形狀的各種資料(Profile),進而瞬間計算出加工物品的斷面型態(2次元形狀),包括了高度、段差、寬度、位置、交點、傾斜等的數據。


而在面對更高精度或細微加工的工具機應用領域方面,擔任微小物體檢測用的高精度、低成本、操作或元件更為簡化光電感測器的需求度呈現了急速性的成長,因此也形成了一個主流性的大市場。最近,這些光電感測器的研發技術,也開始朝向體積更小型化、檢測距離更長化、惡劣使用環境的高度自我保護等的方向快速發展,例如50公尺的遠距檢測能力,以及IP69K高度防水防塵能力。


特別是抗污環境性強的應用方面,新一代的工具機設備等設計,也開始由原先採用接觸式感測器變更使用非接觸式的感測器,除了非接觸式感測器本身的優點之外,在工具機產品內部結構設計時,可以有更大的空間彈性以及多樣性。


以安全防護為應用的範圍感測器

作為安全防護用的感測器,也逐漸在工具機設備中被採用,不過大多都是應用在進行侵入檢測的防護,在市場上,依照應用的用途目的性,接觸式型態與非接觸式型態的感測器都有。


在這其中,安全光柵(Safety Light Curtain)感測器還可以透過軟體來進行警示區域的設定,不過大多都被應用在機器人、無人搬運設備等上。隨著技術與半導體元件的進步,安全光柵感測器無論在設計、安裝、調整校正等方面,都已經大幅度簡化了設置作業,另一方面,提升光照射的能力技術之下,使得大大減少了電路方面的設計與使用,也可以即使同時使用多個感測器,也不會出現光干涉的情況。使得採用這款感測器的產品,不再限於機器人或無人搬運設備,甚至於工具機設備也逐漸的導入使用。


由於機器人應用的擴大化,同樣是進行距離或安全範圍偵測,被稱為範圍感測器(Range Sensor)的應用也隨之增加,範圍感測器透過半導體雷射的光線投射,能夠對有效範圍內的障礙物進行偵測、判斷和掌握,甚至於計算出距離,以目前的能力值來說,可以在自我為中心的270度視野範圍內,對水平地面物進行感測。


針對這樣的應用產品市場,大多是物流業者與大型工廠所需要AGV(無人搬運設備),利用感測器的能力,再搭配其他的控制系統,就能夠實現自動化的搬運系統,在被定義的路線或軌道上,自行進行設定的搬運、行進等動作,而安全防護方面,就是依賴2D和3D的雷射感測器來對障礙物或運行軌跡進行比對和偵測。如果能夠再搭配AI技術的話,更能夠基於過去搬運的紀錄,來決定最佳化的搬運路線行進和作業。


當然也有更長距離、更高感度偵測的感測器產品,不過這些就會被應用在例如立體停車場或隧道上,來對車輛的高度進行檢測和進入管制等,大多是戶外和交通領域,或更進一步的安全預防等領域。在這個領域裡,如果能夠大幅度提升影像資料和分辨準確能力,相信應用範圍將會更加廣闊。


**刊頭圖(source:METROL)


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