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技術通報 285期_自動化機械通往智慧化之路 2022.05.03

自動化機械通往智慧化之路-2021台中自動化機械暨智慧製造展

文 / 財團法人精密機械研究發展中心－工具機產業發展處

　　工商時報舉辦自動化機械展超過30 年，是與中部機械業一起共同成長的好夥伴；2021 台中自動化機械暨智慧製造展從12月10 日起，一連四天在臺中國際展覽館中心登場，是今年年中COVID-19 疫情再一次爆發後，國內首檔大型實體自動化機械展。

　　隨著歐美經濟復甦、東協市場解封，加上台幣回穩、運費下滑，2021 前三季機械設備出口值為242.12 億美元、年增29.2%；以新台幣計價為6,799.22 億元、年增21.5%，創歷史同期新高，顯示國際市場正逐漸復甦，對設備的剛性需求穩定成長。2022 年機械產業獲利可望會比今年好。貿易戰、疫情雖讓機械產業吃盡苦頭，卻也促使機械產業加速轉型，因應智慧製造、少量多樣發展趨勢，走向複合化、智慧化、自動化的多方面需求，是機械產業所需要做出的改變。藉由自動化機械暨智慧製造展之舞台整合法人研究機構、產業界、學術界之研發能量與軟實力，突破機械產業困境，提升產業競爭力。
展覽以自動化機械與智慧製造兩大主題相互呼應，展出的項目有金屬加工機械區、自動化控制與傳動暨檢測設備區 、產業機械暨相關設備區、智慧製造專區 、倉儲運搬物流設備區、五金工具暨零組件區 等六大主題專區。展場中，精密機械研究發展中心(PMC) 以智慧製造解決方案之概念為主軸，打造智慧生產管理系統與智慧機械系統兩大智慧化專區，呈現智慧製造下運作模式，讓PMC 成為業者邁向智慧機械之最佳合作夥伴。



▊ 智能化主軸跑合監控模組，輕鬆監測主軸品質

　　從一開始工業革命到現在工業4.0 甚至近年來流行智慧物聯網工具機技術提升到另一個境界，從早期工具機作為車床、銑床、沖床等工業工具，到以雲端為基礎物聯網平台架構，透過機台上智能化主軸將相關感測器海量數據進行蒐集分析處理，甚至結合特徵值及演算法進行主軸健康度的評估，進而提高加工品質與穩定性，減少不良品。其中智能化主軸在內部安裝溫度感知器、加速規與非接觸式位移計等感測器，其中溫度感知器與加速規安裝於靠近主軸前端軸承位置以利檢測主軸軸承，避免主軸因溫升與振動過大而毀損。亦可利用溫度感知器建立主軸溫度分佈模型，或安裝非接觸式位移計檢測主軸心軸旋轉件之熱伸長，做到主軸溫升熱補償動作，提高機床加工精度。

1. 智能化主軸監控功能對主軸的溫度、振動與熱位移等狀況進行自我監控，可預防主軸故障減少停機時間。
2. 智能化熱位移補償功能對主軸溫升熱位移進行補償，以獲得長期穩定的加工精度。
3. 智能化振動防止功能動態振動監控可大幅度抑制高速主軸因加工或不明原因造成振動過大，影響高速切削加工精度。
另外，主軸單體上透過溫度、振動、位移計三種感知器智能化主軸跑合監控量測，透過進階可調式高加減速法則依實際需求進行設定，另一種溫度梯度演算法則適用於內藏油氣/ 霧潤滑主軸監控，在尚未達到溫度上限時提早監測斜率角度進而保護主軸停止運轉。




▊ 組裝幾何精度數位化檢測分析

　　隨著工業智慧製造發展機械產業也需要數位轉型，而在進行數位轉行前最重要的是，將數位資料進行應用與處理，現今精密量儀多為數位式，具有數據輸出接口和功能，可以透過電腦和設備進行連線讀取數值，再進行後續數據處理。PMC 開發人機介面軟體，透過溝通協議原理，利用藍芽轉換RS232 裝置連線數位量表讀取數值，達到無線量測儀器數值，且不受到儀器軟體限制，實現多種類設備數據收集，以符合目前精密機械數位組裝發展需求。

　　數位智慧幾何精度量測系統，目的為優化量測過程及快速轉換數位化資料做判斷，一套由小型雷射測距儀、具數據輸出量測設備、無線傳輸裝置組合量測系統，將量測設備連接無線傳輸裝置，利用電腦讀取數據，搭配雷射測距儀取代規劃量測點過程，僅需輸入要測量的距離點，移動待測物到達設定的距離點後無線讀取設備數值，將所有量測結束後記錄數據匯出圖表，同時計算出誤差值。此量測系統可以
減少量測步驟，加快數據數位化速度，可以應用於工具機幾何精度量測及組裝。



▊ 組裝幾何精度數位化檢測分析

　　機械加工領域中，切削刀具的革新進化，能協助加工產業的應用與效能向上提升，其中，切削刀具的幾何設計與製程理論( 鈍化、拋光、塗層) 為首要探討內容，然而，國內切削技術直至今日尚缺乏切削刀具產品的第三方驗證能量，讓業者無法透過直接且客觀的檢測數值與效能測試覺察產品優勢，亦可藉此提升產品品質而堆高價值。

　　PMC 於103 年投入精密切削領域，逐步建置技術如：超音波藍寶石切削、低溫切削鈦合金技術、難切削複合材技術與監測刀具壽命異常等技術外，此外更引進國內外軟硬體設備，如切削動力計、智慧刀把、CutPro 軟體等設備，並整合入原有的檢測能量中，提升對業者技術服務之能量。

　　刀具開發過程中，可能會有幾何設計、原棒材選用、鈍化、鍍層等製程的改變，為協助刀具業者縮短刀具開發時程、以數據化、可視化方式呈現刀具各種幾何設計或製成修改下的性能差異，於切削實驗過程中，架設切削動力計與智慧刀把，如圖五所示。並與機台伺服連線，擷取馬達電流訊號，再經由影像量測儀檢驗並記錄刀具刃口磨耗值，藉此評估測試訊號、刀具磨耗與刀具幾何設計或不同製程之相互關係。藉由訊號的解析，將不同刀具於相同切削條件下的差異，以數據化，可視化的方式呈現，如馬達電流、三軸向的力量、彎矩變化，如圖六所示。

　　更可將彎矩以極座標方式呈現，探討刀刃之變化，如圖七所示，藉由實際切削測試與數據分析，明確告知廠商差異性，使得廠商於刀具設變或製程修改更有依據與方向，縮短開發時程，並且提供更穩定切削性能更優越之刀具，提升整體競爭力。



▊ 智慧生產管理系統再進化- 邁向智慧機械

　　於後疫情時代因商業模式轉變與供應鏈重新定位，因應而起之數位轉型議題也於各產業領域沸沸揚揚地被討論與推廣，承載著中小企業者對數位升級後的展望願景。
　　PMC 工具機發展處於工廠製造資訊暨智慧化管理服務上提供系列產品架構如下圖所示，紫色方塊為PMC 自行研發之產品，黃色區塊可與第三方單位合作，且PMC 產品係參考坊間ERP 之生產資訊介面而制定規格以便後續系統整合；換言之，使用者可沿用既有的ERP 服務與PMC 提供的服務模組整合。其中，此架構分成3 階層討論分別為財務層、資料層與設備層。

(i) 財務層係根據會計系統八大循環進行評估，藉此勾財務報表與產線運作的對價關係，亦可透過異質資料整合方式即時彙整產線稼動與非稼動資訊，以便即時排除生產問題與精算成本等衍生服務，同時亦可
整合供應鏈管理(SCM) 與客戶關係管理(CRM) 服務，除了聚焦產工廠線優化內部體質外，且透過水平整合掌握外部資源聚焦企業上下游生產鏈，SCM 服務用於即時掌握供應商進度與制定處理機制避免延遲生產與交貨，CRM 服務用於提供數位行銷平台與數位接單服務，藉此提供接單能量與客戶滿意度。

(ii) 資料層用於資訊整合應用協助使用者決策，故定義為數位決策服務工具，由4 個服務模組構成且各模組可根據使用者需求自行選購，以期藉由數位決策服務工具解決產線管理問題，例如: 杜絕人、機、料
的生產浪費、優化產能與管理品質、最大化生產效能等。

(iii) 設備層用於即時且正確取得產線所有資源的運作狀態與性能，可透過PMC SkyMars聯網服務技術完成設備IoT 服務，亦可達到倉儲系統管理確實掌握產線物流狀況等服務。


　　綜觀全球嚴峻的製造業市場競爭形勢及國內機械產業發展現況，機械智慧轉型為全球產業發展潮流與競爭利器，順應時勢，發展新商業模式的能力將是致勝的關鍵，智慧轉型勢在必行，產業導入智慧機械，建構智慧生產線，透過雲端及網路與終端使用者快速連結，提供大量客製化之產品，形成聯網製造服務體系。PMC 呼應智慧機械發展趨勢，

　　以智慧系統、智慧零組件與智慧軟體三大主軸打造創新服務協助業者整合工廠生產資源，不僅提升生產製造排程的彈性與生產進度監控，還可滿足現今客製化少量多樣的趨勢，成為產業智慧機械最佳合作夥伴。期能國內產業在這一波來勢洶洶的轉型升級浪潮中，重塑台灣產業競爭力。
   
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