高階工具機智能多軸控制技術

摘要：工具機加工的前置作業包含刀具掛置、調機、NC程式的規劃，到產生成品後的製程驗證，這些過程往往需要大量的人力及經驗，因此有許多人為的不確定因素，並且於時間、人力成本上佔有很大比例，為節省時間、人力成本，排除人為不確定因素提高可靠度，藉由各項智能應用模組來取代傳統需仰賴大量人工及經驗之加工事前、事後準備工作，達成高階控制器智能化加值，透過提高機台可靠度來提升產業的競爭力，本文針對高階工具機智能多軸控制技術進行說明與介紹。
Abstract：The preparations for machine tool machining process are labor-intensive; including tool setting, machine tuning, NC programs planning, and products quality verification, need someone with experience or skill to deal with those procedures. Human error is inevitable; the only man who makes no mistake is one who never does anything. Hence, to make the preparations easier is necessary. The intelligent control technology is composed of many intelligent application modules. The preliminary work will be replaced by this technology to reduce human errors, increase machining quality, improve reliability of machine tools, achieve the value-added intelligent high-end controllers and enhance the competitiveness of the industry. This article will describe and introduce the intelligent multi-axis control technology for high-end machine tools.

關鍵詞：智能控制技術、電腦數值控制器、五軸工具機
Keywords：Intelligent control technology, Computer numerical controller, Five-axis machine tools

前言
工具機控制器作為衡量一個國家裝備製造業發展水準的重要標誌，五軸控制器為戰略性核心技術，而五軸同動以上高階數控系統更被視作國際戰略物資，根據Gardner Research研究指出，2020年全球機床消費量為668億美元。統計研究顯示，印度的高度成長之原因乃為經濟改革發展策略「印度製造」，及美中貿易戰讓供應鏈轉移。而根據Technavio (Infiniti Research Ltd.)的研究，以終端用戶(汽車、精密工程、交通運輸等)的需求統計與分析，指出到2022年全球工具機市場將增長超過400億美元。近來國際工具機大廠，因應未來工業4.0發展潮流，紛紛開發自有的智能加值模組，以提升機台操作友善性、加工效能及可靠度等，並提升產品附加價值，今年工具機廠受疫情與中美貿易影響，生產基地與供應鏈思維和過去已大不相同，以東南亞為第二生產基地和短供應鏈與自主供應鏈的興起，為台灣工具機創造機會。
本文將探討高階工具機智能多軸控制技術，針對國外控制器大廠，介紹面對工業4.0智慧製造所積極發展的智慧化功能，如五軸高速度高精度等智慧機能和多軸動態精度控制等技術，改善機台的切削精度與性能，持續深化高精度切削控制技術；接著再介紹工研院針對高階智能控制技術的研發狀況，以五軸加工條件最佳化模組透過三種智能加工控制模式(速度/精度/粗糙度)，讓使用者因應不同加工製程(如：粗加工、半精加工、精加工等)或加工素材進行簡易調整，協助使用者減少其負擔達到提升生產效率，適應性位置技術所改善大型機台的重心變化問題，適應性速度效率調控技術根據主軸負載狀況或切削深度，調變進給速率與主軸轉速，優化機台加工的效率。
國際智能多軸控制技術發展現況
五軸工具機控制器是國外頂尖控制器大廠致力開發的高階數控系統，也是五軸工具機的關鍵價值核心，廣泛應用於航太、生醫、綠能與汽車產業零配件等複雜五軸模具加工應用。接下來將介紹國際控制器廠商於智能多軸控制的發展狀況。
1.SIEMENS
SIEMENS先進表面加工Advanced Surface及Top Surface等智慧路徑控制功能[1][2]，達成最高的表面品質、精密度與速度的相互配合。透過最佳化的「預讀控制」演算法，產生完美的表面品質；壓縮程序確保精密的輪廓及加工速度；智慧型抑制震動功能，可減少機台機械系統承受的壓力，提供平滑的加速及減速，延長機台的使用壽命。
2.Heidenhain
HEIDENHAIN推出動態精度控制解決方案[3]，補償機台的動態偏差，確保工件輪廓高精度和表面高品質並且能同時提高加工速度。達到不犧牲速度、精度和表面品質的狀況下完成加工目標。HEIDENHAIN推出動態效率控制解決方案，充分開拓機台和刀具潛能，讓重切削加工更有效率。因降低及限制機台在切削時的負載，有效減少機台損耗並提升刀具壽命，滿足重切削加工需求，如粗銑加工或難切削材料加工時所需要的大切削力及高材料移除率。
智能多軸控制技術
上述章節介紹國外大廠對於智能多軸控制器的技術發展方向，五軸加工除了插補路徑控制的精準外，加工過程的動態性能也是關鍵因素，因此發展智能適應性精度與效率控制，深化五軸高速高精高平滑度加工機能，以提升控制器在精密機械的價值。
此章節中針對工研院所研發的五軸工具機智能控制技術進行詳細介紹。控制技術包含：智能決策五軸加工條件最佳化模組，集合工研院累積的高階技術精華，基於預讀與加速度限制進行前加減速規劃，考量五軸空間狀態與輪廓路徑完成3D輪廓曲線插補，提供高速、高精與高平滑三種加工模式，讓使用者因應不同製程或加工素材進行簡易調整，讓控制器計算最佳控制參數，減少使用者負擔達到提升生產效率；適應性位置加工精度調控技術，依據機台空間中不同位置進行迴路增益參數最佳化調變，克服懸臂型機台在重心變化時造成的機構變形；適應性速度加工效率調控技術，自動依照主軸負載針對使用者在重切削時自動降低進給速度以保護主軸軸承或刀具，而在輕切削時自動提高進給速度以縮短加工時間，解決主軸負載過高所導致軸承損毀或刀具壽命減少，或低進給速度保守加工導致加工時間變長等問題；適應性力矩限制控制技術，依照龍門架上機構位置變化計算平台兩邊馬達所承載重量大小與變化量，將求得負載大小與變化量等資訊計算後對馬達進行補償，達到兩馬達力矩輸出誤差限制在5%以內，改善機台同動控制時因輸出力矩誤差導致位置與速度不匹配以損毀機台的狀況。
1.智能決策五軸加工條件最佳化模組
工具機加工複雜形狀的工件時(如：航太和發電用大型零組件)，這些零件的樣式種類繁多，零件外型的精準度甚至影響其使用壽命與運作效率，由於表面為多階曲線所構成，所以需要將成品的表面保持在極高標準。智能決策五軸加工條件最佳化模組流程示意圖，如圖1所示。在最佳化的零件加工中，可根據使用者的需求挑選高速度、高精度與高平滑三種加工模式，讓使用者因應粗加工、粗精加工、精加工等不同製程或不同的工件素材進行簡易調整，前加減速規劃以預視功能讀取使用者的設定進行規劃，將公差參數管理的相關機能，平滑參數、輪廓誤差及向心加速度限制的機能建立一關係模組。

圖1 智能決策五軸加工條件最佳化模組流程示意圖