基於EtherCAT通訊切削監控與刀具管理實現

摘要：對於金屬切削工具機來說，刀具為必要的耗材，輕微的刀具損耗會影響加工精度，初步可透過二次加工進行修正，但嚴重的刀具損耗，可能會造成工件報銷，當加工的成品越複雜、應用價值更高，此時刀具損耗帶來的損失則將越嚴重，不僅浪費了前期加工的時間、物料成本，甚至造成妥善率提升的困難，無法精進生產流程，以致無法接獲更多的訂單，此時切削監控功能則變得更加重要。本篇研究利用EtherCAT通訊技術，傳遞高速的監控資料，達成低延遲且不須額外感測器的切削監控技術，並結合刀具管理；透過刀具的管控，協助業者監控工件品質。
Abstract：For metal-cutting machines, tools are necessary consumables, and slight tool wear will affect the machining accuracy, which can be corrected initially by finishing, but serious tool wear may cause damage to the workpiece. When the application value is higher, and the loss caused by tool wear will be more serious, not only wastes time and increases material cost of pre-processing, but also makes it difficult to improve the availability rate. Unable to improve the production process caused more orders cannot be received. The cutting monitoring function becomes more important at this time. In this study, the EtherCAT communication technology is used to transmit high-speed monitoring data to achieve low-latency cutting monitoring. It does not require additional sensors to combine with tool management. It can help process operators to improve the quality of workpiece by cutting monitoring and tool management.

關鍵詞：EtherCAT通訊、切削監控、刀具管理
Keywords：EtherCAT communication, Cutting monitoring, Tool management

前言
傳統加工機的加工方式，可分為車削、銑削、鑽削與磨削...等，加工時因刀具與工件接觸而發生磨損或斷裂；刀具的缺陷會導致加工零件的表面產生紋路、精度損失或者工件或機器的損害，切削監控對於加工業者來說非常重要；因應台灣的缺工問題，政府加速台灣產業轉型，政府提岀5+2產業創新計畫，導入智慧機械、綠色科技...等，智慧機械於切削工具機，常透過即時監控的技術，將加工資訊數據化，提醒加工者提前更換刀具，降低實施所需的人力、損耗的工件材料、刀具以及維護的損失。
切削常發生的切削異常現象如刃口積屑緣(Build-Up-Edge, BUE)、斷刀(Cutter Breakage) 與刀具磨損(Tool Wear)。不合適的切削條件，容易發生切削異常，導致工件及刀具毀損；或者隨著切削次數的增加，刀具逐漸磨損，影響工件表面粗糙度與精度；提前更換刀具，容易造成刀具使用成本增加與更換刀具的頻率上升，透過切削監控可偵測切削時的異常狀況。
刀具的磨損分為三個階段：初期磨損、正常磨損和劇烈磨損階段，若刀具在劇烈磨損階段，切削量增大，切削溫度升高，磨損量急劇上升，透過切削監控，避免刀具於第三階段切削過久而造成刀片無預警崩裂。切削監控區分為直接與間接的檢測方式，直接檢測，大多使用探針進行接觸式檢測；間接檢測，使用視覺或者加工時的振動、力量、溫度或聲音等特徵來量測。直接檢測，需要軸向靜止才可進行量測，會拖慢整體的加工時程；間接檢測，透過加工時量測，不須要軸向靜止，但量測時需要感測器，以及避免環境雜訊的影響。Jemielniak等人[1]，使用超聲波及切削力感測器，擷取特徵信號，用於監控微量銑削，於車床的平台，研究學者使用振動感測器，分析訊號與表面粗糙度之間的關係[2]；但使用感測器監控，使得硬體成本增加，而Pengju Ma等人[3]，透過監控軸向電流的變化，不須增加額外的感測器成本，又可達到監控的目的，此方法可提供給一般使用者低成本、快速又有效的監控方式。
本研究為探討無感測器切削監控(Sensorless Cutting Monitoring)功能，使用EtherCAT 通訊技術，讀取伺服驅動器與變頻器的扭力負載值，當刀具磨損或切削力不足，切削時，馬達需要提供更多的扭力。透過軸向扭力負載增加的方式，達成切削監控的目的。本研究分為三個部分，第一部分介紹EtherCAT 通訊架構，並建構即時監控應用。第二部分介紹建立於車銑複合控制器的切削監測功能，觀察加工時的負載波形。第三部分介紹切削監控與刀具管理，使用三種不同的監控方法建構刀具管理功能。
EtherCAT通訊系統
EtherCAT是一種即時乙太網路技術，由Beckhoff Automation所提出，為針對有即時連線需求的自動化技術軟硬體所設計。此技術主要聚焦在縮短週期時間，使得每個節點接收及傳送資料的時間小於1微秒，同時具備低抖動(通訊循環週期的抖動遠小於1 µs)的特性，以達成精確同步，此外，此通訊架構可能透過網路傳輸各節點間資料並降低硬體成本。
EtherCAT網路的主裝置端是唯一可主動傳送通訊框架的節點，其它的節點只能依序往下傳遞。此架構可避免非預期的延遲，並確保即時傳訊的能力，基本的運作原理是EtherCAT網路上的主裝置端(Master)所傳送的特定位址的廣播訊息，會通過網路上所有的節點，而網路上所有的從屬(Slave)裝置會以飛速傳輸(Processing on the fly)的形式，改善頻寬的低利用率引發的網路整體性能下降的問題，讀取從主站送出的特定位址的廣播訊息後，透過這個拓撲傳送到下一個節點的資料中，插入要送出的資料。
EtherCAT的從屬端則使用EtherCAT從屬控制器(EtherCAT Slave Controller, ESC)，在整個傳輸流程中，使用快速處理通訊框架的資料，讓網路的效能可預測，並可確保從屬裝置的獨立性。應用EtherCAT時，需要傳遞的配置訊息和應用訊息都放在過程資料物件 (Process Data Object, PDO)和服務資料物件 (Service Data Object, SDO)裡面。PDO和SDO的通訊區別在於PDO屬於過程數據，即單向傳輸，每次通訊時間都會傳輸相同的過程數據；SDO屬於服務數據，需指定接收節點的地址(Node-ID)，並等待接收節點的回應，SDO需要一次以上的通訊時間才可獲得，故需重複且即時的資訊會使用過程資料物件。
加工時的切削監測
刀具於長時間切削工件從鋒利的刀刃而磨損，與鋒利的刀具相比，磨損的刀具加工相同的工件，需要更大的切削力。切削力為刀具在切削時磨損的一個信號。當使用鑽削的加工方式，加工大尺寸的孔洞時，未發現刀具已磨損，容易造成刀具生成大量的磨擦熱，使得刀具溫度過高而融化，導致機器停機；或者因刀具品質與切削中的異常狀況造成刀具斷裂，若能透過監控提前發現刀具損壞，藉由警報，提醒使用者於損壞前更換刀具，降低停機所造成的損失，並可提升機台的稼動率，故切削監控系統可協助加工業者，進行切削品質的把關。