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金属加工智能化与智慧弹性数控制造产线

时间:2021-05-16     作者:山东万汇数控机床有限公司【原创】

近年来因智慧制造推动产业转型,产业链中的生产型态已逐渐转变,资讯化的信息传递、现场环境因素的掌握皆在智慧制造中是重要的环节,制造多元化以及智能化的问题成为主流。尤其近期面对疫情与人力的短缺挑战,生产模式更需具备弹性之能力,并着重于产品品质的维持。有鉴于此,如何透过单机智能化、产线自动化与管理智慧化等方法,进行金属加工智慧制造转型便成为重要课题,透过智慧方案掌握加工核心自主能力,透过模组整合应用加速业者于全球数控机床市场的布局,共创国内数控机床产业的新蓝海。


数控机床单机智能化应用于金属加工

随着工业4.0与智慧制造发展趋势,以及消费者追求物以稀为贵的消费型态,单一产品多样化的行销模式成为市场主流,间接影响制造产业的生产模式。因此,制造产业逐步转型为少量多样与混线生产模式,加工效率与制造品质的要求渐渐提高,导致传统倚靠人工打样、监控与除错的效率不足以应付客户需求。为此,许多数控机床大厂透过推出加工智能辅助软体,提高加工效率,例如:在机台主轴安装感测器,监测加工中的切削振动状态,并透过解析及应用刀具与设备的最大动态容许负荷,协助加工者快速得到最佳的加工参数,并降低除错与试误的时间,且提升打样效率与生产效率(图1)。

以半导体设备零件(示意图如图2)加工为例,真空腔体零件在
数控铣床进行深槽加工时,因刀杆长度过长(直径20mm、长度200mm),因此经常会发生加工振动过大,如图3 ,造成工件表面品质不佳。为此,可以透过振动感测器(例如:加速规)量测主轴振动切削振动量,并设定振动管制界线,避免因切削振动过大影响表面品质。加工者也可以依照不同制程来调整振动管制界线,例如:在粗加工制程提高管制线,让机台可以做高负载的加工,提升加工效率;或是在精加工时降低管制线,限制加工振动量,避免因加工振动过大造成工件表面品质下降。

除了上述提到的切削振动监控,要如何调整参数也是加工者难以轻易解决的一个课题,以往加工者在进行参数测试,往往是透过经验法或试误法来进行寻找参数,此举花费大量时间与材料,然而在现今少量多样,重视快速换线能力的生产模式下,已经不允许加工者用上述的方法搜索参数了。因此,可以导入加工参数智能决策软体(如图4),透过简易的切削测试,结合切削振动量测与AI技术,快速分析
立式加工中心主轴在不同转速之下的动刚性并找出切削甜蜜点,降低加工振动、提升加工效率,大幅节省加工者测试参数的时间,在少量多样的加工模式下快速取得最佳参数。



以模具加工为例,如图5所示,加工者透过经验法找出的加工参数为主轴转速3,000 RPM,进给400 mm/min,加工时间约11小时,加工振动大,工件表面品质极差;透过加工参数智能决策软体,将加工参数调整为主轴转速2,700 RPM,进给2,000 mm/min,加工时间缩短至4小时,加工效率提升64%,且加工振动下降,表面品质大幅提升(Ra: 2.6 μm → 1.2 μm)。


加工产线弹性自动∕智慧化

除了数控机床的加工智能化,加工产线的弹性自动化也是解决少量多样与混线生产模式的好方法,在混线生产的环境下,产线时常面临更换加工产品的须求,而不同的产品在外型、尺寸、治具等方面皆不同,如此便造成生产时的物流管理、上下料与定位等的困难发生。以模具生产为例,产线可透过整合自动仓储、AGV、输送机、机械手臂、CNC、等硬体设备,搭配零点定位系统解决运送、上下料与工件定位等问题。结合云端管理平台(MES系统、稼动率监控系统),完成多种模具弹性生产的排程、命令与管理,以符合现行少量多样、弹性生产的制造环境。

自动化流程如图6,首先将模具安装于治具盘,送入自动仓储系统等待加工,当要加工时,AGV车会将模具从自动仓储运送至自动化工作站,再透过机械手臂将模具送入
数控铣床中进行加工,待加工完成后再由机械手臂取出模具,透过AGV车送至下一个加工站或是送回仓储。

此外,为节省工件上机后进行工件定位的时间,本案例使用零点定位系统与万用治具盘进行模具装夹,如图7所示,每付模具在进入仓储前便会装上具有零点定位系统的治具盘,透过治具盘上的定位孔统一模具的位子,在利用零点定位系统固定于数控机床上,确保加工原点不会发生偏移。

不同模具之间的加工排程与生产资讯则透过云端管理平台进行管理(图8),透过MES进行每个模具的排程时间与加工规划,例如:粗加工、精加工与去毛边等制程,并自动执行包含下达派车命令、进出料管理、工单/制令派送、品管标准等工作,本产线以AGV串连各工作站,透过EAP连结CNC、机械手臂、输送机、送料盘,建立自动化生产流程(图9)。同时,透过稼动率监控系统进行全场设备之稼动率、转速(S)、进给(F)数据(含百分比调控)之监控及记录(图10),除了可有效管理制程产能及现场人员之工作效率,亦可结合切削振动监控管理加工程式之品质,作为后续制程优化之参考依据。




金属加工智慧制造转型

数控机床单机智能化是透过感测器与机边运算系统,进行加工制程监控、分析与优化,可达成包含加工异常预警、机台预兆诊断、伺服参数调整、刀具磨耗监控与加工参数优化等功能,协助加工者提升生产效率与品质:加工产线弹性自动/智慧化技术则是透过自动仓储、AGV、机械手臂与零点定位系统等自动化设备,结合APS、MES与稼动率监控等管理系统,进行全场弹性自动化生产,以符合现行少量多样、弹性生产的制造环境。未来还可以结合机械云以及5G技术,推动我国金属加工智慧制造进一步转型。

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