CNC智能化人機介面開發

摘要：在台灣工業全力邁向智慧機械的過程中，CNC控制器扮演了相當重要的角色，以目前國內在工具機智能化方面的研究來看，理論與實務方面已經有相當不錯的水準，但是將智能化功能真正實現於CNC控制器上，並透過人機畫面的開發來達到友善的操作環境，乃是實現智慧機械一個相當重要的環節。本文主要以國產研華寶元控制器為載具，探討在開發智能化人機介面時所需要的工具，其中包含人機畫面開發軟體QUI Designer、動態連結檔開發與遠端監控程式ReCon的介紹，透過本文，我們期待未來能有更多的產學研的專家投入智能化功能的開發，以協助台灣產業達到智慧機械的目標。

Abstract: The government aims to forge Taiwan into a global manufacturing hub for intelligent machinery and the CNC controller plays an important role. Taiwan has obtained significant achievements in research and practice of the intelligent machine tools. However, the implementation of intelligent mechanism on CNC controller and the development of friendly Human Machine Interface (HMI) are still important targets to be achieved. In this paper, a CNC controller made by Advantech LNC Technology was used as a testing bed. The design tools include HMI development software, QUI designer, integration of dynamic link library (DLL), and the remote monitoring program ReCon. We expect that more experts will join the development of Intelligent HMI used on CNC to push Taiwan CNC industry forward.

關鍵詞：CNC控制器、人機介面、智慧機械

Keywords：CNC Controller,Human Machine Interface (HMI), Intelligent Machine

前言
自德國提出工業4.0的概念後，一波波工業革命的浪潮席捲而來，台灣無可避免地也必須提出相對應的方案，其中智慧機械因應而生。所謂智慧機械的定義與範疇很廣，以目前政府對外主要的公佈文件來看，智慧機械乃是整合各種智慧技術元素，使其具備故障預測、精度補償、自動參數設定與自動排程等智慧化功能，並具備提供Total Solution及建立差異化競爭優勢之功能[1]。其範疇包含建立設備整機、零組件、機器人、物聯網、大數據、網實系統（cyber physical system , CPS）、感測器等產業。由於智慧機械的範疇如此廣泛，大部分技術也並非筆者之專長，因此本文將聚焦於單機智慧化的部分，這部分過去也有很多文章論述。因此為了避免重複，本文將以如何達到智慧機械其中一個重要的環節來進行說明，也就是智能化人機介面的開發。

首先要了解智慧機械，可能先從“非智慧機械”說起。以工具機而言，為何國產工具機還不能稱為智慧機械呢? 如圖1所示，當工具機需要進行加工工件時，如iPhone 7的外殼時。首先設計者透過CAD與CAM軟體產生加工路徑，此路徑乃是一個由G code所組成的NC加工程式，此加工程式輸入到CNC之後開始加工，由CNC到加工之間包含很多資訊如插補器、伺服驅動、傳動、結構到刀具。然而大部分製程工程師只是注意加工過程，並不知道真正加工時，發生問題時所可能造成的原因。這些問題包含是否會有熱溫升所產生的熱變位、結構振動所產生的紋路、刀具磨耗程度、刀具是否斷裂、加工是否發生顫振、隨著加工時間工件變輕時加工品質是否會改變、是否可能撞機等。要回答這些問題，不只是靠經驗而已，而是必須透過量測或是感測器的回授才能使機械具有智慧，並避免上述的事情發生。

如果類比成一個人，“CNC控制器”對於機械如同“大腦”之人一般，驅動軸如同手腳，那麼工具機缺乏的是人的感官，包含視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺等，機器影像如同視覺，麥克風如同聽覺，溫度計以及加速規如同人的觸覺，但是除了感官之外，另外很重要的一點是神經傳導，如何將感覺傳送回大腦，也就是加速規或是溫度訊號如何傳回工具機的CNC控制器乃是相當重要的一環。神經傳導在工具機上稱為通訊，通訊就必須有通訊協定，這也就是筆者在2008年開始研究EtherCAT的原因[2]，如果馬達驅動器內部的資訊如位置、速度、電流以及感測器所量測的溫度、加速度、影像等，不能即時以及正確地傳回CNC控制器，那麼大腦如何做出正確的判斷來進行溫度補償、防止撞機、顫振抑制、刀具斷裂停機等智能化功能呢? 這方面EtherCAT通訊協定也許提供了一個可能的方案。如圖2所示，只要CNC控制器支援EtherCAT的通訊協定（主站），那麼只要選用的驅動器也遵循EtherCAT通訊協定（從站），那麼過去許多CNC控制器廠商必須搭配自家驅動器的障礙就可能被打破。以本文討論的研華寶元控制器MC6800為例，由於新款的CNC控制器支援EtherCAT通訊協定，因此他可以搭配Yaskawa EtherCAT type的驅動器或是Panasonic EtherCAT type的驅動器，而不需要額外在主站外加專屬的通訊卡，而且他也可以搭配EtherCAT type的主軸驅動器，如英國CT主軸驅動器或是變頻器，這樣的搭配除了具有相當大的彈性外，其實最重要的應用之一乃是智能化功能的開發。