國產全數位智慧化車銑複合加工中心機開發

摘要：本開發以全數位通訊界面及高階多軸控制之國產個人電腦控制器（PC-based controller）為基礎，搭配具備振動偵測及多位點溫度監控之內藏式智能主軸與高解析度回授之CS （C-axis control by spindle motor）主軸驅動器，進行國產全數位智慧化車銑複合加工機之整合開發，期能符合工業4.0 整合式系統架構，以因應國內工具機高速性能及多樣性之需求。同時亦利用個人電腦控制器開放式平台之特性，整合其他加值智能模組，將對話式加工程式編輯、遠端監控、加工時間預估及快速加工擬等加值智能模組，補足高階車銑複合加工機智能化輔助功能之缺口。透過本開發之成功案例建構國內同業於全數位系統應用信心。進一步可協助扎根中高等級工具機之全國產化之供應鏈與國際產業技術水準銜接。

Abstract: The project was based on a domestic PC-based controller, which features full-digital communication interfaces and multitasking control. Equipped with the smart built-in motor spindle with vibration detection, multi-point temperature monitoring, and high-resolution feedback CS spindle driver, the domestic full-digital intelligent multitasking turning center was integrated and developed. Additionally, its full-digital communication interface, which is able to conform to the integrated system architecture for Industry 4.0, meets the need of high speed performance and diversity of machine tools. By taking the advantage of open platform of PC-based controller, many modules were added to fill out the gap of the intelligent assisting features toward high-end machine tools, such as chatter suppression, conversational editing, remote monitoring, machining time estimation and quick machining simulation. Through the success of this project, the confidence level was increased for domestic industry to build up the full-digital systems. Furthermore, the project helped to build the foundation for supply chains of fully-domestic high-end machine tools and made domestic controllers more competitive in the global competition.

關鍵詞：車銑複合加工中心機、內藏式主軸、CS主軸驅動器

Keywords：Multitasking Turning Center, Built-in Motor Spindle, CS Spindle Driver

開發目的
縱觀歷年國內各大工具機展，眾多廠商所展出之高階多軸工具機，代表台灣國內專業的CNC（computer numerical control）車銑複合加工機製造廠商對於多軸複合加工機之機械設計製造、市場實務應用經驗及完整之機電整合已具備相當的能力。然而於展場中發現，高階多軸複合工具機其關鍵模組幾乎全搭配國外大廠之產品，諸如多軸CNC控制器，高階內藏式主軸及其相關之主軸驅動模組[1]。有鑑於此，本開發目的著重於高階多軸複合加工機之巿場競爭力、中堅企業高值活化及生產力4.0的基礎能量提升，預計導入國產全數位控制介面、智能主軸系統及智慧機台模組三者同時達到產品全面數位化的目標，依此軟硬體功能的提升，推進產品朝智慧製造的方向前進，讓客戶能有更多智能化功能的選擇與應用。總體開發之核心著重於整合全數位機電核心與關鍵模組之搭配，其目的為達成自主研發與高值活化之標的。假以時日當可突破國際大廠對於關鍵模組的壟斷，減少國外進口的依賴度，進而減少國內工具機的整體開發成本，提高其市場競爭力。

產品標的設定
1. 國產全數位控制器導入
真正高階多軸控制器的取得十分不易，價格居高不下更是影響銷售的主因。以日系控制器為例，含選配加值功能價格高達100萬以上（7軸型-單刀塔雙主軸車銑複合加工機），佔整機成本居高不下，致使台灣高階多軸工具機的競爭力相對較弱。有鑑於此，在整個產業環境迫切需求下，國產控制器已於國內法人單位與學術研發單位的合作，經歷多年的研發與效能驗證下，其高速高精之多軸控制技術已可與國際大廠並駕而驅。因此，整合國內自製之高階控制器與多軸加工機之製造以達成熟運用之契機。發揮國產個人電腦控制器的開放介面之優點，結合企業應用經驗及產品特色，進一步透過服務化加值使整機售價大幅提昇，一舉突破國產中高階多軸設備之銷售市場限制，讓我國工具機產業建構更完整的產業價值鏈並獲得更大的產業效益。

2. 智能化內藏式主軸
日本與歐洲的工具機廠大都已經全面採用內藏式主軸，但台灣卻仍受限於控制器之限制，內藏式馬達的採購成本居高不下。縱使內藏式馬達的製造成本比一般馬達便宜，但是控制器廠商仍不願意降價給台灣的工具機廠。至使台灣工具機廠只能繼續用皮帶式主軸或是直結式主軸，一直無法將國產工具機升級到高性能的內藏式主軸機款。為了突破馬達與編碼器被壟斷的困境，本開發案擬自主開發全國產自製之內藏式主軸並嵌入國產加速度規與溫度感知器，最後再與國產主軸馬達驅動器及控制器整合，達到完全國產化的智慧型主軸系統，以實際的產品證明國產零組件整合後可以創造高性能高可靠度的主軸。

3. 全數位CS主軸驅動器
現行國內之車銑複合工具機其控制系統皆由國外把持，國內雖然已有相應之控制器系統，但仍無法擴增市場佔有率，其中一關鍵因素，國內無法提供高性能主軸驅動器可執行車銑複合製程加工中之CS軸加工應用。為解決上述問題，本開發內容核心項目之一為進行主軸驅動器自主開發。本案的高頻寬響應的CS主軸驅動器，其主要目標為與上控端採用高速的串列通信，提高驅動器速度頻寬響應為100 Hz來提升命令的頻寬；結合高解析度編碼器（20 bits/rev以上）回授控制，期能達到車銑複合工具機所需要的CS軸功能。此外針對目前市場趨勢對全數位控制的要求，提出全數位乙太網控制自動化技術（ethernet control automation technology, EtherCAT）之數位通訊界面主軸驅動器規格，可使國內控制系統性能與價格比提昇到更高一層次。歷