整合型車間加工刀具管理解決方案

前言
中美貿易戰以來製造國生態改變，製造業回流已開發國家，繼此疫情爆發影響，高度依賴人工管理的製造業又是一次衝擊，促使去人工成分的車間數位管理應用需求大幅增加。刀把管理在製造業中只要有工具機使用就有管理需求，且刀把使用數量隨產線擴張與產品多樣性提昇呈倍數成長，統計數據表明，在1900年時人們普遍使用高速鋼刀具，那時刀具用於加工的時間可以達到90%左右，用於管理的時間僅有10%。隨著技術的不斷發展，到1997年，人們普遍使用的是鍍層硬質合金刀片，切削速度得到大幅度的提高。加工時間的減少和刀具品種的多樣化使得刀具管理的時間增加到了85%。過去需要透過精確的SOP、深度的人員訓練、繁複人工才達到基本的管理，但即時性、資料可交換性、準確性都很難達到最佳化，才會有人提出智能化管理。在市面相關產品的比較與客戶拜訪中發現，刀具管理通常帶有強烈的流程信息，需要配合精實管理SOP操作。國內業者中小企業即使同為模具製造，生產類型差異極大，對於刀具應用真正在意的數據需求也都不同。
為解決企業以上問題，有效的刀具管理為極其迫切及必要，刀具管理的目的是為了確保刀具能適時地出現在合適的機械設備中，使機械設備不因缺乏刀具而閒置；架構應串聯生產排序、刀具倉儲、刀具設定、刀具運送、刀具識別、刀具檢測以及刀具預測(壽命/備份/歸類/精度補償)。透過刀具管理系統之建置，不僅能減少浪費，降低成本，更能增加作業的彈性，確保產品品質。[1]
刀具管理技術趨勢發展
目前發展刀具管理的相關廠商主要可分為三個面向，具有深厚加工製造應用技術的刀具商或SI，數位倉儲、對刀儀或是工具機整機製造的設備商，與以數位標籤為主力產品發展分散式管理的IoT供應商。第一個類型在工具管理方面具有相對先進的管理系統和管理經驗，如刀具管理系統中最廣為人知的Sandvik子公司tdm systems其所開發之刀具管理軟體TDM[2]整合數個系統模組。其發展核心為豐富的刀具元件商業資料庫，從零件、庫存、切削參數、刀具壽命、工廠營運管理等方面對刀具進行全方位的管理。除了管理系統方便，並整合著名之AutoTAS軟體，提供對切削刀具、量具、夾具整個壽命週期的控制，囊括從採購、統計與報告、刀具室管控和品質管制，整合從設計到製造的全過程。該軟體之開發強勢在於系統性的刀具參數管理，由資料庫就可系統性的查詢與直接試車應用，透過科學化數據性的參考資料取代傳統經驗取向參數調整。
但刀具廠商為主的獨立資料通常有刀具品牌限制，近年除了刀具廠商自主建置資料庫外，各大整機製造商(如DMG MORI、MAZAK等)，刀具設定儀器商(如ZOLLER、KROMI)，或數位倉儲設備商亦紛紛投入該領域之建置與研究。其核心為機械設備本身衍伸至多系統軟硬體資料整合，其中比較著名的為ZOLLER提供的Tool Management System(TMS)[3]。基本功能同於上述TDM軟體之刀具管理系統，但對於製程優化軟體的串聯或其他加值功能著墨較少。以實際在產線端應用的設備為基礎，應用識別標籤(一維、二維條碼、電子標籤)之嵌入，將設備有效數據最大化利用，使刀具管理應用更貼近使用者工作操作。
在刀具管理中IoT供應商所扮演的角色較傾向於工具提供商而非車間系統整合商，如Balluff、TURCK等公司，於刀具中嵌入無線射頻辨識(Radio Frequency Identification，RFID)晶片設備，推出高可靠度且多頻段切換的近場通訊RFID刀具系統。通過無線射頻識別技術與刀具資料標準化，如編號、尺寸或刀具壽命資訊都可以通過RFID系統與刀具硬體連結，具有一定程度的可靠性，且資料可隨時調用。快捷地監測刀具的入庫和流出、精確地管理刀具及其參數，大大提高刀具的管理效率，防止加工時裝錯刀具或忘記裝刀具的情況發生。所有與刀具相關的資料以近場通訊的方式儲存在RFID記憶體中，在加工過站時定點讀取或複寫，此為分散式管理。分散式管理具有不需要資料庫維護與車間聯網的優點，其應用較直覺但RFID資料空間有限，只能在範圍內取得資料，不利於車間整線管理。此類IoT供應商通常會與SI廠或整機廠合作，回到開發刀管軟體建立中央資料庫式管理，在刀具移動、裝載作業時基於數位標籤硬體觸發即時更新資料庫。在現代化加工過程中，可以保證刀具的最大利用率和設備的最長運行時間。
隨著自動化生產的建置與深化，刀具管理如何被應用在自動化生產中成為近來發展的焦點。目前機械人常於加工自動化負責上下料作業，換線時也可以使用治具交換盤與原點定位系統不須停機，但如果遇到需要更換刀具仍仰賴人工維護。其中自動化門檻之一為組刀，組刀動作繁瑣自動化不易，有人提出以熱燒結刀把進行自動化組刀，而其他類型的刀把仍未有較佳解決方案。刀具管理系統通知人工組備刀放置於交換盤或數位刀倉中，再由機器人取用進行量刀、工具機上下刀，是目前刀具管理處理人員與自動化協作較常見方法。如Cellro的Toolchanger[4]是一個外部存儲刀組的數位倉儲，在有限占地面積中存儲SK、HSK、BT、CAPTO等多樣化刀具類型，前方置刀口有RFID感測器由人員取放刀組後做分散式管理，另一側則為機器人刀具取放介面。