高階工具機智能加值軟體發展與應用

摘要：工具機是衡量一個國家精密機械製造業水準的重要標誌，而工具機控制器為工具機的大腦，更是其關鍵核心技術，其中五軸同動控制器並具有國防戰略價值。任何精密製造業都能在生產流程中，發現工具機的存在。但是在工具機應用與調整，現今還是非常仰賴有經驗的老師傅，以試誤法進行設定與調整。這也導致機台的加工效率與生產受到操作者經驗的影響與限制，無法發揮機台的最佳效率。而依賴經驗傳承，也讓人才培訓須花費較多的時間。因此如何將老師傅的經驗轉變成智能加值軟體，來協助業者補足經驗不足的問題，並提升加工生產效率就極為重要。本文將針對工具機智能加值軟體之發展與應用進行說明與介紹。
Abstract：The machine tool is an important symbol to measure the level of a country's precision machinery manufacturing industry, and the machine tool controllers are the brains and key core technologies of the machine tools. Among them, the five-axis synchronous controller has national defense strategic value. Any precision manufacturing industry can find the existence of machine tools in the production process. However, the applications and adjustments of machine tools are still depended on the experienced masters to set and adjust by trial and error and cause the processing efficiency and production of machine to be affected and limited by the operator's experience, and the optimal efficiency of the machine cannot be reached. Relying on experience inheritance also requires more time for personnel training. Therefore, how to transform the experience of the master into intelligent value-added software to help the industry make up for the lack of experience and improve the processing efficiency is extremely important. This article will describe and introduce the development and application of machine tool intelligent value-added software.

關鍵詞：智能加值軟體、自動伺服匹配、CNC工具機
Keywords：Intelligent value-added application software, Automatic servo matching , CNC machine tools

前言
依據台灣機械工業同業公會針對台灣工具機進出口分析，從2021年1~9月台灣工具機出口總額高達19億7千多萬美元，相較去年成長了24.8%，其中金屬切削工具機就佔據16億4千多萬美元的出口額，另外台灣工具機進口也有高達7億4千多萬美元，金屬切削工具機也佔據80%的進口額，相較去年成長55.8%。以2021年1~9月所統計台灣工具機進出口總額都相較去年成長>20%，也代表工具機在台灣具有相對的需求。
受疫情影響人們的生活習慣發生改變，工具機產業中也發生不小幅度的變化，於受全球矚目的第四大工具機展2021台北國際工具機展，以線上展覽方式呈現在大家眼前，展覽中國內外指標工具機產業者齊聚缐上呈現最新產品，可發現展覽內容偏向整合更多的自動化、客製化、智慧化等相關模組，國際指標中皆往減少人力需求及節能方向邁進，在未來應用情境中，透過物聯網(Internet of Things，IoT)技術服務平台蒐集用戶端資訊，將其資料解析、監控、診斷與篩選，藉由數位化的資料融合真實和虛擬分析數據，提供生產端自主決策與品質優化高值化服務。
本文先以國際大廠所開發的智能加值軟體進行介紹，一探國外指標大廠所提供的智能化服務，了解應用廠商所遇到的問題以及軟體所提供的解決方案，如何以一套從規劃、生產到監控的加值軟體，濃縮多年加工所需的經驗，有效補足新人經驗缺乏問題；接下來將介紹工研院對於高階工具機智能加值軟體的發展近況，針對工具機最為棘手的機台碰撞與同動的伺服調機問題，開發整合式切削模擬與防碰撞功能，於事前與加工中進行機台防碰撞保護，開發多軸匹配自動調機功能，解決伺服調機參數不匹配導致加工精度無法提高的情況；最後針對工研院高階工具機智能加值軟體應用，介紹如何透過扭力的訊號，監控刀具壽命進行管理，以及如何輸入期望達到的轉角誤差與循圓誤差，以多軸同動調機智能軟體自行運算控制器參數，解決使用者調機時經驗不足的問題。
國際智能加值軟體發展趨勢
工具機業者最初只提供單一機台的商品，在後續應用上還是需依靠經驗豐富的師傅去排除問題或是修改加工參數等，但隨著工具機產業的發展，從原本只販售機台漸漸跨足到加值軟體的服務，成為一套可從規劃、生產到監控的完整解決方案，將多年經驗濃縮至加值軟體中，有效補足新人經驗缺乏問題，也取代過去只能使用試誤法的方式有效節省時間的浪費，接下來會針對國際大廠所開發的智能軟體進行介紹。
1.CELOS、MAZAK智能軟體介紹
CELOS為DMG MORI於2013年開始研發，所提供的加值軟體包含生產、規劃、監控及服務等，可提供一套完整的解決方案，並且可應用於搭配西門子、海德漢和MAPP系統的DMG機台，CELOS也提供PC版本可讓使用者在辦公室透過電腦對機台進行生產規劃、生產準備與監控等操作，達到數位化的工作流程可有效增加機台使用率及提升生產效率。CELOS所提供的加值軟體，依照製程步驟可分成規劃、準備、生產、監控與服務5大區塊27款加值APP軟體[1]。截至目前為止CELOS分別在各大區塊中提供至少4項以上的加值軟體給予使用者應用，也提供2013年後CELOS軟體的更新服務，讓軟體能夠維持在最新版本，以利使用者方便使用。
MAZAK開發多項智能加值軟體以協助使用者應用，其加值軟體可在不同加工流程中提供協助，首先MAZAK於生產方面提出防止震動控制與熱變位控制功能，協助加工時有效抑制機台震動及補償熱變位誤差，以提升加工精度，MAZAK藉由智能軟體提升生產效率及精度，也針對機台監控與保養提出智能軟體增加其附加價值，如:防止干涉功能以保護及避免機台發生撞機的風險，語音導航功能可使用口語方式對控制器下達指令，主軸監控與保養監控功能可預防機台突然故障進而影響產線生產效率等[2]，上述智能軟體的開發都是針對機台控制、保護與監控有關，但MAZAK也提供周邊智能軟體的開發如：2項CAD/CAM軟體、4項MT connect Apps等，幫助使用者可直接進行3D顯示與編輯及周邊設備通訊連接。
2. OKUMA智能軟體介紹
日本具有100多年歷史的OKUMA大隈株式會社，為數控工具機製造商，生產各種數控工具機，並自行製造數控系統OSP數控裝置，具有工具機機構設計研發的能力與機電整合技術。其新一世代的智能化CNC OSP控制器，提供多種友善的操作人機介面與系統，包括：圖形化操作介面、加工管理應用程式、ECO管理監控、熱補償、加工導航、加工資料圖形化顯示、切削計算器...等。圖形化操作介面，顯示簡潔且必要的加工狀態，以及快速查詢的功能按鍵[3]。OKUMA與其協力廠商也共同開發多項加值軟體，在App Store上軟體會經過檢驗與認證，其主要分成OKUMA原廠認證、其他協力廠商認證與未認證的三種型式，在功能歸類上也區分成自動化、工業物聯網、CAD/CAM、量測、遠程警報、安全與工具7項分類，加總全部Apps數量高達42項功能，項目多元也增加OKUMA智能軟體的多樣性與附加性。