发展国产控制技术 打造智能机械之关键里程碑
- DIGITIMES企划
-
举世各国致力促进生产与服务全面联网，实现智能制造，包括美国AMP、德国工业4.0、日本4.1J及国内制造2025，都是基于此目的催生的方案；台湾则启动「智能机械产业推动方案」，以创造制造业下一波新动能，如何加速开发智能机械自主关键技术，实属重大课题。
随着蔡英文总统揭示五大创新产业政策方向，将智能机械列为其中之一，经济部也据此推动「智能机械产业推动方案」，使得「智能机械」跃为显学，期以台湾精密机械及资通讯科技能量为基础，导入智能化相关技术，建构智能机械产业新生态体系，使台湾成为全球智能机械研发制造基地及终端应用领域整体解决方案提供者。
论及智能机械产业推动方案，「技术深化、建立系统性解决方案」可谓一大重点，举凡智能人机协同与机器视觉之机器人结合智能机械产业应用，发展高端控制器、提高智能机械利基型机种使用国产控制器比例，乃至打造台式工业物联网科技，种种议题，皆成为产官学研各界着力的重心，旨在让精密机械升级为智能机械。
在这股浪潮引领下，环绕智能机械主题的研讨会、论坛与研习活动，无论举办频率或深度，都较以往增加。举例来说，台湾区工具机暨零组件工业同业公会于今年(2016)上半开始推启动迈向工业4.0系列课程，也将智能机械产品设计与开发(含智能机械开发流程、智能机械同步工程与协同开发、智能机械开发流程的系统化描述等内容)、机电一体化概念设计，以及智能机械3D建模与参数产品开发平台等等攸关智能机械的题材，列为课程重点。
此外，积极投入精密机械制造系统、实时多工智能控制、智能传感系统、智能产业应用与管理等研究计划的中正大学前瞻制造系统顶尖研究中心(AIM-HI)，也在2016年10月主办「智能机械暨国产控制器成果展」，现场展示电脑数值(CNC)控制器在串行通讯上的技术突破，及多项创新技术，一旦今后进入实际应用，可望显着提高工具机产业的竞争力。
发展国产控制器 提升机械产业竞争力
众所皆知，放眼全球，台湾工具机产业的表现堪称亮眼，出口排名仅次于日本、德国、意大利等少数国家，稳定维持在前段班行列；然而由于控制器(可谓工具机的『心脏』)精度不及国外，致使业者必须长期向国外采购，假使国产控制器出现大幅进步，确实别具意义。
回顾CNC工具机源起，其实已逾一甲子时间，当时电脑及软件工业尚不发达，因此CNC工具机这项结合电脑、控制技术的机械设备，称得上最先进的产品。只可惜「小时了了、大未必佳」，随着CNC工具机大量运用在机械加工业以来，多数厂商都仅侧重工具机本身机械结构与控制效能的发展，重点包括结构刚性、主轴转速、差补运算精度、进给速度及轮廓精度等项目，鲜少思考善用软件技术来加速提升机器的效能与生产力。
直到90年代，包括车铣复合加工机、五轴工具机开始普及，使工具机功能的复杂度节节攀升，多数用户愈来愈难以驾驭，未能将复杂功能转换为极致生产力，才让产业界警觉到整合软件技术的必要性；于是包括DMG MORI、OKUMA与MAZAK等国际大厂，开始提倡智能工具机概念，开发各种软件以帮助用户得以发挥工具机性能。从那时候起，国内外工具机厂商对于发展软件技术，投入的力道愈来愈大。
如何让工具机乃至其他机械设备迈向智能化？专家认为，首要之务是建立感知能力，有此能力后，紧接着需要建立记忆、逻辑、判断及决策等进阶能力，等于像是一个人，拥有健全的大脑、感官知觉，此后再结合身体、手脚与神经，才足以汇聚完整能量。
综上所述，要让工具机具有智能，CNC控制器无疑扮演关键角色，工具机厂商的开发者有必要对CNC控制器有更深入的了解，进而整合传感元件、神经传导系统(通讯)，才可望一步步实现目标；而在发展过程中，对于诸如DMG MORI、Okuma、Mazak或Mikron等全球工具机大厂之于智能化技术的发展方向，亦须多加研究参考。
AIM-HI先进工具机研究中心主任蔡孟勳教授，完整汇集上述四大工具机大业者的智能化技术发展方向，将之归纳为三大型态，第一是「智能化操作管理、模拟与调机」，相关技术包含语音导航、稼动率管理、加工干涉模拟、自动化调机技术及CAD/CAM整合等项目。
其次是「智能化加工与切削」，相关技术项目有切削颤振控制、主轴变转速控制、平滑化转角控制、自动动平衡、主动振动控制、热变位控制、在线刀具磨耗监控等等；第三是「智能化监控与安全防护」，相关技术涵盖了智能螺杆预压侦测、多轴防碰撞、主轴监控、在线检测与刀具寿命管理、生产履历等项目。
综观前述技术，有部份仅需采用来自控制器及伺服的信息，譬如碰撞、自动化调机、稼动率管理、生产履历等等，另外也有需要借重外加传感器的项目，比方说主轴温升、振动抑制、在线刀具磨耗、切削颤振侦测等等，至于需要使用到的传感器类型，则包括温度传感器、加速规、音泄传感器或麦克风。
深入了解CNC控制器 堪称首要任务
但不论获取信息的途径为何，这些智能化技术，多半需要仰赖CNC控制器加以实现，这也是蔡孟勳呼吁台湾开发者必须透彻理解CNC控制器的理由所在，才有助于将智能化技术安装于控制器之上。以台湾工具机厂商采用率最高的发那科(FANUC)控制器而论，假使期望将智能化功能嵌入控制器内部，开发者可藉由Marco-executor与C executor撰写程序，以便撷取伺服驱动信号，接着搭配人机界面的开发，实现智能化功能。
倘若开发者设定的发展项目，有必要透过外加传感器来实现，即需考量FANUC在于界面通讯上的封闭性，故需透过PLC数码I/O的模式，将外部传感信号传递给CNC控制器，过程相对繁复，且未必所有情境都能适用，例如振动量测而需要使用高分辨率(通常介于12~16 bits范围)信号，就不适合采行此类方式，此时若受限预算考量而无意采用FANUC专属加速规，即需另寻突破之道。
可以考量的做法是，把智能化功能与人机界面安装在PC，由人机界面透过FANUC所提供的FOCAS函式库，藉由网络连线到数值控制NC来采集所需数据，只是这般做法欠缺实时性，不妨考虑利用C executor先采集马达伺服或外部传感器数据，接着储存在存储器，再透过FOCAS把数据回传PC，藉以达到实时同步之目的。
纵使前述方式都需高度倚重深具电控与程序撰写能力的工程师，才可望顺利实现，难度可谓不低，但可喜的是，随着台湾产学研各界的努力，有机会让相关开发历程化繁为简，例如由工研院机械与系统研究所、精密机械研究发展中心(PMC)开发的VMX与SkyMars架构，即有助于快速建构线上监控功能，而由机械所、PMC与上银科技合力发展的技术成果、即植基于EtherCAT架构的控制卡，目前已可运用在研华宝元的控制器，同步撷取外部温度、加速规信号，以及伺服马达信息，并藉助研华宝元QUI Designer同步显示主轴温升与伺服马达扭矩信号，可谓重大突破。
