支援智慧工廠增效加值 刀具監(jiān)測連網(wǎng)無遠弗屆

面對現(xiàn)今國際通膨加劇與長期凈零碳排趨勢，除了工具機廠商不斷推陳出新機種，對于有意打造智慧工廠，利用廠內(nèi)生產(chǎn)數(shù)據(jù)來增效減碳的加工業(yè)者而言，也紛紛針對耗材用量最大的刀具進行監(jiān)測，除了可用來預(yù)診其壽命，以免損及生產(chǎn)效率和質(zhì)量；或者因過度太早更換，而造成不必要的浪費，相關(guān)刀把及量/感測業(yè)者也發(fā)表各種無線聯(lián)網(wǎng)解決方案。

尤其隨著傳統(tǒng)燃油車輛快速朝向電動化推進，對于汽機車零組件、模具加工應(yīng)用約貢獻其營收40%的工具機產(chǎn)業(yè)而言，雖是短期內(nèi)訂單大減的危機，卻也可能是升級轉(zhuǎn)型的難得契機。業(yè)者除了推陳出新多款雷射、車銑復(fù)合、五軸等高階金屬切削/成型加工機種，搭配化繁為減工法，以克服輕量化材料的難切削特性；同時結(jié)合智能自動化單元（Cell）、整線解決方案（Turnkey Solution），打造智慧工廠，以兼顧總體加工效率OEE與減碳（廢）需求，持續(xù)產(chǎn)出良品。

相關(guān)應(yīng)用場景如下：

1.剎車盤智能型生產(chǎn)系統(tǒng)，共整合車床、鉆孔攻牙機、量測與倉儲設(shè)備，以及3D感測裝置、工業(yè)機器人，同時結(jié)合遠程監(jiān)控技術(shù)，3D實時仿削與干涉檢查、切削負載監(jiān)控等功能，以及智能型夾爪傳感器、在線工件動平衡分析等自主技術(shù)。

2.鋁輪圈生產(chǎn)系統(tǒng)，因應(yīng)多家廠商陸續(xù)推出整合工具機與工業(yè)機器人的汽車鋁輪圈自動化生產(chǎn)系統(tǒng)，臺灣廠商也與學(xué)界合作導(dǎo)入自動虛擬量測技術(shù)，盼能進一步穩(wěn)定加工質(zhì)量；

3.汽車鈑金生產(chǎn)線，由于臺灣廠商生產(chǎn)的沖床已供應(yīng)諸多海內(nèi)外汽車廠，用于生產(chǎn)車用鈑金，進而開發(fā)汽車鈑金縱列式生產(chǎn)線，納入包括拆垛送料機、清洗機、置中裝置、工業(yè)機器人及末端送料系統(tǒng)，以大幅提升生產(chǎn)效能。

終端加工業(yè)者為了迎合工業(yè)4.0智能制造趨勢，也從生產(chǎn)線設(shè)備連網(wǎng)開始，希望利用實時取得生產(chǎn)線設(shè)備、零組件、刀具等狀態(tài)及運作過程并記錄留存；并導(dǎo)入熱補償功能、微潤滑切削工法等，以減少使用高耗能的傳統(tǒng)冷卻設(shè)備或冷卻切削液。進而結(jié)合專業(yè)知識、智能診斷與決策，形成智能化生產(chǎn)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)各項生產(chǎn)資源，減少不必要的浪費。



 
圖1 : 終端加工業(yè)者從生產(chǎn)線設(shè)備連網(wǎng)開始，希望利用實時取得設(shè)備、零組件、刀具等狀態(tài)及運作過程并記錄留存。（source：news.mapal.com）

其中針對金屬切削必需的刀具無線監(jiān)測功能，首要須具備3大重點，包含：準確識別、立即尋址、有效數(shù)據(jù)交握。其中在準確識別的基礎(chǔ)上，早期須透過貼附或雷射雕刻QR code于刀把上，價格便宜但能記錄信息有限、彈性低，仍須仰賴大量人工操作，且對于環(huán)境耐受度不佳，容易發(fā)生磨損等問題，所以目前刀把無線通信系統(tǒng)主要分為：RFID、藍牙、WiFi module，支援各種連網(wǎng)通訊協(xié)議。

巴魯夫RFID解決方案　導(dǎo)入前端刀具管理數(shù)字化
德國百年企業(yè)巴魯夫公司（Balluff）進一步分析客戶導(dǎo)入RFID管理刀具的效益，除了有別于傳統(tǒng)手寫方式，容易造成錯/漏寫，或記錄遺失而不易管理；以及采用條形碼時，容易遭受臟污、粉屑刮傷等，且只能讀取刀把數(shù)據(jù)，無法實時更新。目前透過RFID管理刀具，不僅可耐油污、粉塵環(huán)境，且能確保刀具數(shù)據(jù)不遺漏、可隨時復(fù)寫更新，易于管理領(lǐng)、用作業(yè)。

該公司從1921年生產(chǎn)傳感器起家，到了2006逐步朝向工業(yè)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域發(fā)展，并利用旗下完整產(chǎn)品線優(yōu)勢，推出以工業(yè)級RFID芯片模塊為核心的智能刀具管理解決方案，導(dǎo)入制造業(yè)現(xiàn)場加工端流程。從而分別進行產(chǎn)品及刀具編碼，藉以方便識別，安全追蹤料件、儲存及隨時調(diào)出所有相關(guān)的刀具數(shù)據(jù)。

從客戶購入新刀具開始，便將RFID標簽黏附嵌入于刀把，并輸入所有刀具最新參數(shù)等信息，對于在加工完成后造成的磨耗，進行刀具壽命控制，若經(jīng)過現(xiàn)場人員憑經(jīng)驗判斷毋須修邊研磨者，可直接送入刀具庫（室）。否則將回到刀具管理階段，由測刀儀取得經(jīng)研磨修邊過后，改變的刀長、半徑等最新數(shù)據(jù)并覆寫到RFID 標簽，從而隨時更新信息，讓用戶掌握真實刀具壽命和數(shù)量。

目前巴魯夫RFID系統(tǒng)主要可分為3部份，包含：處理器，采Ethernet TCP/IP接口，也適用IO-link、CC-link、ProfiNet等各種通信協(xié)議，能同時連結(jié)PLC和4個讀寫頭；讀寫頭，尺寸小至M16*55mm，使之安裝方便；數(shù)據(jù)編碼模塊O10x4.5mm可如同計算機USB一般無限次讀取，并在30℃、70℃環(huán)境下編寫50萬~100萬次不等，以隨時更新數(shù)據(jù)。



 
圖2 : 巴魯夫強調(diào)，現(xiàn)今刀具管理系統(tǒng)除了以RFID硬件為監(jiān)測核心之外，還須仰賴團隊合作，提供最佳解決方案。（source：pressebox.com）

當讀寫頭被置于機內(nèi)（刀庫）上下兩端，對數(shù)據(jù)編碼模塊進行非接觸讀寫時，為免受到金屬干擾而使用超低頻訊號，必須維持<2.5mm距離。甚至在客戶購入新機時，即須與工具機廠商協(xié)調(diào)，在內(nèi)部加裝機構(gòu)以推動讀寫頭靠近芯片。以及為因應(yīng)客戶廠內(nèi)工具機品牌繁雜，在多機整合環(huán)境，也可安排讀寫頭于機外讀寫刀具編程。

巴魯夫同時強調(diào)，現(xiàn)今刀具管理系統(tǒng)除了以RFID硬件為監(jiān)測核心之外，還須仰賴團隊合作。包含由工具機廠商協(xié)助導(dǎo)入、交換數(shù)據(jù)；經(jīng)過刀把廠商挖孔，以黏貼嵌入芯片并達到動平衡；對刀儀廠商，在刀具加工完成后量測，將更新研磨修邊后的參數(shù)數(shù)據(jù)寫入卷標；以及系統(tǒng)整合商協(xié)調(diào)提供最佳解決方案。

后端結(jié)合IO-link連網(wǎng)　掌握智能工廠關(guān)鍵數(shù)據(jù)
針對現(xiàn)今一般智慧工廠內(nèi)可能遍布大量傳感器，必須有效減省配線，又能實時監(jiān)控需求，巴魯夫也為此提供完整IO-link解決方案，支持目前所有通訊協(xié)議，不限于控制器品牌。且有別于傳統(tǒng)配線要求每顆傳感器，都必須個別拉線回到DI模塊，導(dǎo)致龐雜線路不便查找、維護，之后雖然提供集線盒將感測線路集中，再經(jīng)單一線路回到DI模塊，仍只有部份省配線效果。

如今，客戶可透過底層IO-link，將所有傳感器模塊都集中于主站Master模塊，再經(jīng)過單一通訊總線直接回傳上層PLC，得以方便維護、更新廠內(nèi)大量傳感器、設(shè)備的監(jiān)控狀態(tài)，易于現(xiàn)場連網(wǎng)管理。

依巴魯夫指出，IO-link屬于一種非模擬式的點對點通訊模式，得以實時搜集數(shù)字/模擬傳感器狀態(tài)雙向溝通，雖然只要是該協(xié)會成員供貨商都能支持。但該公司約有48%產(chǎn)品使用IO-link，尤其適用于大量傳感器、設(shè)備場景，易于熱插入而方便現(xiàn)場裝配及維修、遠距實時監(jiān)控模塊，執(zhí)行預(yù)診保養(yǎng)、日常維運，在Profinet架構(gòu)最多可擴展496個DI模塊串聯(lián)，再接線回主站Master。



 
圖3 : 如今客戶可透過底層IO-link，將包含刀具等所有傳感器模塊都集中于主站Master模塊，再經(jīng)過單一通訊總線直接回傳上層PLC，易于現(xiàn)場連網(wǎng)管理。（source：balluff.com）

中小企業(yè)刀具監(jiān)測　新增Zigbee選項
然而，卻也有臺灣刀具廠商指出，經(jīng)由導(dǎo)入RFID的環(huán)境耐受度佳，可重復(fù)編寫數(shù)據(jù)重復(fù)使用等優(yōu)勢，雖能讓刀具生命管理概念，終于不再只是在數(shù)據(jù)庫中，可望而不可及的大量云端數(shù)據(jù)。將大幅拉近管理數(shù)據(jù)與實際操作者的關(guān)系，讓用戶可透過簡單的實體讀取接口，如經(jīng)過讀取頭觸碰，就能自動化取得大量有用資料。

但受到RFID本身被動的特性限制，目前僅適合貼附標簽嵌入刀具的金屬表面，導(dǎo)致卷標價格居高不下；且無法埋入傳感器，主動回饋外在環(huán)境條件、工作狀態(tài)，以及后續(xù)智慧監(jiān)控、加工反饋、立即尋址等應(yīng)用。

且其必須仰賴人工近距離幾乎碰觸，才能讀取數(shù)據(jù)，即使將讀寫頭安裝在機臺上，仍為了避免受到干擾而采用超低頻訊號，導(dǎo)致局限于極近的感測距離才能讀入資料；特殊頻段用卷標的價格更高，且無法立即回饋任意刀把信息。

反觀在控制應(yīng)用領(lǐng)域，還有如微型Zigbee無線通信模塊配套的協(xié)議語言，由于在基礎(chǔ)通訊協(xié)議的設(shè)計上，原本就考慮一對千點以上溝通，而實行循多重路徑的跳點通訊（multi-hop），比起Wi-Fi和藍牙在設(shè)備自動化的應(yīng)用上更為成熟。

且Zigbee溝通僅專注于感應(yīng)和控制，所以傳遞的訊息量很?。徊挥靡恢背ｉ_設(shè)備，比起WiFi、藍牙更為省電，硬件裝置價格也最低，而壓低成本；支持先進加密標準AES（Advanced Encryption Standard），所以只要設(shè)置得宜也會有極高安全性，專用于M2M設(shè)備間溝通。

臺灣刀具廠商益挺企業(yè)在今（2022）年工具機研究發(fā)展創(chuàng)新產(chǎn)品競賽獲獎的WSN智能刀具管理系統(tǒng)，便分為4大單元：Zigbee End device刀把；WSN Gateway串聯(lián)PLC整合各機臺刀把數(shù)據(jù)；WSN Master Gateway，整合廠區(qū)所有刀具數(shù)據(jù)；以及控制器PLC，針對各大品牌CNC控制器，開放傳統(tǒng)MODBUS TCP/RTU、UART或網(wǎng)絡(luò)通訊功能，用于刀具管理數(shù)據(jù)庫與刀庫控制器傳輸及交握數(shù)據(jù)。

其中智能無線刀把，系采用智能工廠較適用的雙向通訊微型Zigbee無線通信模塊，適用于BT40、HSK63等型式的ISO標準刀把。其建構(gòu)刀把的IoT網(wǎng)絡(luò)，具有低耗電、低成本、可支持大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和多種網(wǎng)絡(luò)拓樸模式，快速、可靠、安全。益挺進一步分析Zigbee與RFID刀把差異，包括：

1.Zigbee為主動通訊，在傳輸距離、速度、穩(wěn)定度上都有優(yōu)勢，傳輸距離依機臺配置需求一般設(shè)定于1.5m內(nèi)，RFID僅為2mm。

2.雙向一對多架構(gòu)，只要在接受器天線囊括的場型內(nèi)刀把可以主動傳輸定位與狀態(tài)變化，不必像RFID須定點逐一掃描刀把，也可對大量刀把批次廣播改變其行為。以此能更實時取得刀把信息。反觀RFID則須定點逐一掃描刀把，當?shù)栋盐匆繱OP經(jīng)過此定點時，即便刀把在機臺內(nèi)也無從得知。

3.主動帶電設(shè)計讓刀把模塊經(jīng)過嵌入傳感器，以增加主動性智能化功能。本模塊內(nèi)嵌溫度、G-sensor、Gyro共三種傳感器，可導(dǎo)入應(yīng)用如刀把被移動、掉落、沖擊時，由傳感器觸發(fā)通訊模塊，主動聯(lián)系系統(tǒng)更新狀態(tài)及應(yīng)變；或是在加工時，使用傳感器監(jiān)控切削穩(wěn)定性，用于維護預(yù)警。刀把也可以自我檢測電量等狀態(tài)訊號，隨時告知系統(tǒng)養(yǎng)護等需求。

4. 選用Zigbee芯片作為高度整合解決方案，僅需很少外部組件，且所選用低成本組件，可支持快速、價格實惠的節(jié)點構(gòu)建。有別于RFID卷標須選用工業(yè)級特殊頻率規(guī)格，導(dǎo)致價格受限。因為采取雙向通訊而不必選用特殊規(guī)格接收器，所以可選用一般嵌入式系統(tǒng)單版外加通訊模塊，在合宜天線設(shè)計下，即是可通用的接收器，相較于指針大廠售價，通訊模塊可節(jié)省40%、接收器節(jié)省25%價格。

Renishaw藍光雷射設(shè)定系統(tǒng)　協(xié)助提升加工精度和效率


 

圖4 : Renishaw業(yè)界首發(fā)的NC4+ Blue 藍光雷射刀具設(shè)定系統(tǒng)，適用于量測O0.03mm的極小刀具，重復(fù)精度精度可達到±0.5μm，確保一次就加工出合格工件。（攝影：陳念舜）

精密量測設(shè)備大廠Renishaw也在今年TIMTOS x TMTS 2022展出新世代的自動化制程監(jiān)控解決方案，可于加工現(xiàn)場經(jīng)由Equator多功能檢具系統(tǒng)快速量測多種不同工件，且立即判斷進入下一個加工步驟的零組件是否合格，為質(zhì)量實時把關(guān)，大幅降低生產(chǎn)成本及時間壓力。

同時搭配使用智能制程控制（IPC）軟件，在CNC制造過程中實現(xiàn)全自動刀具補正值更新，更有效了解刀具壽命，并設(shè)定使用者定義的刀具磨耗警告限制，支持備用刀具；進而持續(xù)監(jiān)控并調(diào)整加工作業(yè)，全面提高生產(chǎn)效益。

Renishaw用于刀具設(shè)定的測頭通常安裝于機臺工作臺或支架上，稱為刀具設(shè)定系統(tǒng)。其中非接觸式系統(tǒng)使用雷射，執(zhí)行弧形和線性輪廓檢測及監(jiān)控刀刃狀態(tài)；并以穿過雷射刀束的刀具作為觸發(fā)器來自動設(shè)定刀具，縮短了循環(huán)時間。新一代業(yè)界首發(fā)的NC4+ Blue 藍光雷射刀具設(shè)定系統(tǒng)，藍光比起傳統(tǒng)紅光雷射的波長更短，得可改善衍射效應(yīng)、優(yōu)化激光束幾何形態(tài)，適用于量測O0.03mm的極小刀具，并將接刀量測誤差降至最低，當跨距較小時的重復(fù)精度精度可達到±0.5μm，將有助于提升機加工的精度和效率，確保一次就加工出合格工件。

結(jié)語
從以上案例可見，盡管目前刀具監(jiān)測在倉儲、加工、維護時，透過系統(tǒng)性妥善管理至關(guān)重要，包括TDM、Zoller等單一套刀具管理軟件動輒上百萬，卻還不包括可真正落實數(shù)字化刀具搭配模塊與機臺設(shè)備，難以在臺灣找到一套能涵括從工具、加工、管理層面系統(tǒng)化全方位串連的產(chǎn)品；即使搭載如硬件廠商Balluff系統(tǒng)的加工業(yè)者，也需要有一定的垂直整合能力，才可依其應(yīng)用有效串連。

但對于臺灣高彈性、群聚型的加工業(yè)者而言，過于龐大或分散的多頭系統(tǒng)，很難切中使用者需求，反而筑起很高的門坎。大多數(shù)廠商由于缺乏軟硬件高度整合能力，無法為此投入宛如二次開發(fā)的大筆研發(fā)經(jīng)費與人力；加上一般自動化系統(tǒng)整合商，與傳產(chǎn)制造業(yè)本身Domain knowledge內(nèi)涵也有落差。

終端加工業(yè)者即使都意識到，唯有對刀具進行有效數(shù)字化管理，才能真正達到高質(zhì)量、高效能生產(chǎn)，但未來仍須加強跨域整合刀具、感測組件、工具機、系統(tǒng)整合商等專業(yè)知識，才能真正突破臺灣廠商邁向現(xiàn)代化制造的瓶頸！


 
圖5 : 終端加工業(yè)者未來仍須加強跨域整合刀具、感測組件、對刀儀、工具機及系統(tǒng)整合商等專業(yè)知識，才能真正突破臺灣廠商邁向現(xiàn)代化制造的瓶頸！（source：i.ytimg.com）