支援智慧工厂增效加值 刀具监测连网无远弗届

面对现今国际通膨加剧与长期净零碳排趋势，除了工具机厂商不断推陈出新机种，对于有意打造智慧工厂，利用厂内生产数据来增效减碳的加工业者而言，也纷纷针对耗材用量最大的刀具进行监测，除了可用来预诊其寿命，以免损及生产效率和质量；或者因过度太早更换，而造成不必要的浪费，相关刀把及量/感测业者也发表各种无线联网解决方案。

尤其随着传统燃油车辆快速朝向电动化推进，对于汽机车零组件、模具加工应用约贡献其营收40%的工具机产业而言，虽是短期内订单大减的危机，却也可能是升级转型的难得契机。业者除了推陈出新多款雷射、车铣复合、五轴等高阶金属切削/成型加工机种，搭配化繁为减工法，以克服轻量化材料的难切削特性；同时结合智能自动化单元（Cell）、整线解决方案（Turnkey Solution），打造智慧工厂，以兼顾总体加工效率OEE与减碳（废）需求，持续产出良品。

相关应用场景如下：

1.剎车盘智能型生产系统，共整合车床、钻孔攻牙机、量测与仓储设备，以及3D感测装置、工业机器人，同时结合远程监控技术，3D实时仿削与干涉检查、切削负载监控等功能，以及智能型夹爪传感器、在线工件动平衡分析等自主技术。

2.铝轮圈生产系统，因应多家厂商陆续推出整合工具机与工业机器人的汽车铝轮圈自动化生产系统，台湾厂商也与学界合作导入自动虚拟量测技术，盼能进一步稳定加工质量；

3.汽车钣金生产线，由于台湾厂商生产的冲床已供应诸多海内外汽车厂，用于生产车用钣金，进而开发汽车钣金纵列式生产线，纳入包括拆垛送料机、清洗机、置中装置、工业机器人及末端送料系统，以大幅提升生产效能。

终端加工业者为了迎合工业4.0智能制造趋势，也从生产线设备连网开始，希望利用实时取得生产线设备、零组件、刀具等状态及运作过程并记录留存；并导入热补偿功能、微润滑切削工法等，以减少使用高耗能的传统冷却设备或冷却切削液。进而结合专业知识、智能诊断与决策，形成智能化生产系统，调节各项生产资源，减少不必要的浪费。



 
图1 : 终端加工业者从生产线设备连网开始，希望利用实时取得设备、零组件、刀具等状态及运作过程并记录留存。（source：news.mapal.com）

其中针对金属切削必需的刀具无线监测功能，首要须具备3大重点，包含：准确识别、立即寻址、有效数据交握。其中在准确识别的基础上，早期须透过贴附或雷射雕刻QR code于刀把上，价格便宜但能记录信息有限、弹性低，仍须仰赖大量人工操作，且对于环境耐受度不佳，容易发生磨损等问题，所以目前刀把无线通信系统主要分为：RFID、蓝牙、WiFi module，支援各种连网通讯协议。

巴鲁夫RFID解决方案　导入前端刀具管理数字化
德国百年企业巴鲁夫公司（Balluff）进一步分析客户导入RFID管理刀具的效益，除了有别于传统手写方式，容易造成错/漏写，或记录遗失而不易管理；以及采用条形码时，容易遭受脏污、粉屑刮伤等，且只能读取刀把数据，无法实时更新。目前透过RFID管理刀具，不仅可耐油污、粉尘环境，且能确保刀具数据不遗漏、可随时复写更新，易于管理领、用作业。

该公司从1921年生产传感器起家，到了2006逐步朝向工业网络领域发展，并利用旗下完整产品线优势，推出以工业级RFID芯片模块为核心的智能刀具管理解决方案，导入制造业现场加工端流程。从而分别进行产品及刀具编码，藉以方便识别，安全追踪料件、储存及随时调出所有相关的刀具数据。

从客户购入新刀具开始，便将RFID标签黏附嵌入于刀把，并输入所有刀具最新参数等信息，对于在加工完成后造成的磨耗，进行刀具寿命控制，若经过现场人员凭经验判断毋须修边研磨者，可直接送入刀具库（室）。否则将回到刀具管理阶段，由测刀仪取得经研磨修边过后，改变的刀长、半径等最新数据并覆写到RFID 标签，从而随时更新信息，让用户掌握真实刀具寿命和数量。

目前巴鲁夫RFID系统主要可分为3部份，包含：处理器，采Ethernet TCP/IP接口，也适用IO-link、CC-link、ProfiNet等各种通信协议，能同时连结PLC和4个读写头；读写头，尺寸小至M16*55mm，使之安装方便；数据编码模块O10x4.5mm可如同计算机USB一般无限次读取，并在30℃、70℃环境下编写50万~100万次不等，以随时更新数据。



 
图2 : 巴鲁夫强调，现今刀具管理系统除了以RFID硬件为监测核心之外，还须仰赖团队合作，提供最佳解决方案。（source：pressebox.com）

当读写头被置于机内（刀库）上下两端，对数据编码模块进行非接触读写时，为免受到金属干扰而使用超低频讯号，必须维持<2.5mm距离。甚至在客户购入新机时，即须与工具机厂商协调，在内部加装机构以推动读写头靠近芯片。以及为因应客户厂内工具机品牌繁杂，在多机整合环境，也可安排读写头于机外读写刀具编程。

巴鲁夫同时强调，现今刀具管理系统除了以RFID硬件为监测核心之外，还须仰赖团队合作。包含由工具机厂商协助导入、交换数据；经过刀把厂商挖孔，以黏贴嵌入芯片并达到动平衡；对刀仪厂商，在刀具加工完成后量测，将更新研磨修边后的参数数据写入卷标；以及系统整合商协调提供最佳解决方案。

后端结合IO-link连网　掌握智能工厂关键数据
针对现今一般智慧工厂内可能遍布大量传感器，必须有效减省配线，又能实时监控需求，巴鲁夫也为此提供完整IO-link解决方案，支持目前所有通讯协议，不限于控制器品牌。且有别于传统配线要求每颗传感器，都必须个别拉线回到DI模块，导致庞杂线路不便查找、维护，之后虽然提供集线盒将感测线路集中，再经单一线路回到DI模块，仍只有部份省配线效果。

如今，客户可透过底层IO-link，将所有传感器模块都集中于主站Master模块，再经过单一通讯总线直接回传上层PLC，得以方便维护、更新厂内大量传感器、设备的监控状态，易于现场连网管理。

依巴鲁夫指出，IO-link属于一种非模拟式的点对点通讯模式，得以实时搜集数字/模拟传感器状态双向沟通，虽然只要是该协会成员供货商都能支持。但该公司约有48%产品使用IO-link，尤其适用于大量传感器、设备场景，易于热插入而方便现场装配及维修、远距实时监控模块，执行预诊保养、日常维运，在Profinet架构最多可扩展496个DI模块串联，再接线回主站Master。



 
图3 : 如今客户可透过底层IO-link，将包含刀具等所有传感器模块都集中于主站Master模块，再经过单一通讯总线直接回传上层PLC，易于现场连网管理。（source：balluff.com）

中小企业刀具监测　新增Zigbee选项
然而，却也有台湾刀具厂商指出，经由导入RFID的环境耐受度佳，可重复编写数据重复使用等优势，虽能让刀具生命管理概念，终于不再只是在数据库中，可望而不可及的大量云端数据。将大幅拉近管理数据与实际操作者的关系，让用户可透过简单的实体读取接口，如经过读取头触碰，就能自动化取得大量有用资料。

但受到RFID本身被动的特性限制，目前仅适合贴附标签嵌入刀具的金属表面，导致卷标价格居高不下；且无法埋入传感器，主动回馈外在环境条件、工作状态，以及后续智慧监控、加工反馈、立即寻址等应用。

且其必须仰赖人工近距离几乎碰触，才能读取数据，即使将读写头安装在机台上，仍为了避免受到干扰而采用超低频讯号，导致局限于极近的感测距离才能读入资料；特殊频段用卷标的价格更高，且无法立即回馈任意刀把信息。

反观在控制应用领域，还有如微型Zigbee无线通信模块配套的协议语言，由于在基础通讯协议的设计上，原本就考虑一对千点以上沟通，而实行循多重路径的跳点通讯（multi-hop），比起Wi-Fi和蓝牙在设备自动化的应用上更为成熟。

且Zigbee沟通仅专注于感应和控制，所以传递的讯息量很小；不用一直常开设备，比起WiFi、蓝牙更为省电，硬件装置价格也最低，而压低成本；支持先进加密标准AES（Advanced Encryption Standard），所以只要设置得宜也会有极高安全性，专用于M2M设备间沟通。

台湾刀具厂商益挺企业在今（2022）年工具机研究发展创新产品竞赛获奖的WSN智能刀具管理系统，便分为4大单元：Zigbee End device刀把；WSN Gateway串联PLC整合各机台刀把数据；WSN Master Gateway，整合厂区所有刀具数据；以及控制器PLC，针对各大品牌CNC控制器，开放传统MODBUS TCP/RTU、UART或网络通讯功能，用于刀具管理数据库与刀库控制器传输及交握数据。

其中智能无线刀把，系采用智能工厂较适用的双向通讯微型Zigbee无线通信模块，适用于BT40、HSK63等型式的ISO标准刀把。其建构刀把的IoT网络，具有低耗电、低成本、可支持大量网络节点和多种网络拓朴模式，快速、可靠、安全。益挺进一步分析Zigbee与RFID刀把差异，包括：

1.Zigbee为主动通讯，在传输距离、速度、稳定度上都有优势，传输距离依机台配置需求一般设定于1.5m内，RFID仅为2mm。

2.双向一对多架构，只要在接受器天线囊括的场型内刀把可以主动传输定位与状态变化，不必像RFID须定点逐一扫描刀把，也可对大量刀把批次广播改变其行为。以此能更实时取得刀把信息。反观RFID则须定点逐一扫描刀把，当刀把未依SOP经过此定点时，即便刀把在机台内也无从得知。

3.主动带电设计让刀把模块经过嵌入传感器，以增加主动性智能化功能。本模块内嵌温度、G-sensor、Gyro共三种传感器，可导入应用如刀把被移动、掉落、冲击时，由传感器触发通讯模块，主动联系系统更新状态及应变；或是在加工时，使用传感器监控切削稳定性，用于维护预警。刀把也可以自我检测电量等状态讯号，随时告知系统养护等需求。

4. 选用Zigbee芯片作为高度整合解决方案，仅需很少外部组件，且所选用低成本组件，可支持快速、价格实惠的节点构建。有别于RFID卷标须选用工业级特殊频率规格，导致价格受限。因为采取双向通讯而不必选用特殊规格接收器，所以可选用一般嵌入式系统单版外加通讯模块，在合宜天线设计下，即是可通用的接收器，相较于指针大厂售价，通讯模块可节省40%、接收器节省25%价格。

Renishaw蓝光雷射设定系统　协助提升加工精度和效率


 

图4 : Renishaw业界首发的NC4+ Blue 蓝光雷射刀具设定系统，适用于量测O0.03mm的极小刀具，重复精度精度可达到±0.5μm，确保一次就加工出合格工件。（摄影：陈念舜）

精密量测设备大厂Renishaw也在今年TIMTOS x TMTS 2022展出新世代的自动化制程监控解决方案，可于加工现场经由Equator多功能检具系统快速量测多种不同工件，且立即判断进入下一个加工步骤的零组件是否合格，为质量实时把关，大幅降低生产成本及时间压力。

同时搭配使用智能制程控制（IPC）软件，在CNC制造过程中实现全自动刀具补正值更新，更有效了解刀具寿命，并设定使用者定义的刀具磨耗警告限制，支持备用刀具；进而持续监控并调整加工作业，全面提高生产效益。

Renishaw用于刀具设定的测头通常安装于机台工作台或支架上，称为刀具设定系统。其中非接触式系统使用雷射，执行弧形和线性轮廓检测及监控刀刃状态；并以穿过雷射刀束的刀具作为触发器来自动设定刀具，缩短了循环时间。新一代业界首发的NC4+ Blue 蓝光雷射刀具设定系统，蓝光比起传统红光雷射的波长更短，得可改善衍射效应、优化激光束几何形态，适用于量测O0.03mm的极小刀具，并将接刀量测误差降至最低，当跨距较小时的重复精度精度可达到±0.5μm，将有助于提升机加工的精度和效率，确保一次就加工出合格工件。

结语
从以上案例可见，尽管目前刀具监测在仓储、加工、维护时，透过系统性妥善管理至关重要，包括TDM、Zoller等单一套刀具管理软件动辄上百万，却还不包括可真正落实数字化刀具搭配模块与机台设备，难以在台湾找到一套能涵括从工具、加工、管理层面系统化全方位串连的产品；即使搭载如硬件厂商Balluff系统的加工业者，也需要有一定的垂直整合能力，才可依其应用有效串连。

但对于台湾高弹性、群聚型的加工业者而言，过于庞大或分散的多头系统，很难切中使用者需求，反而筑起很高的门坎。大多数厂商由于缺乏软硬件高度整合能力，无法为此投入宛如二次开发的大笔研发经费与人力；加上一般自动化系统整合商，与传产制造业本身Domain knowledge内涵也有落差。

终端加工业者即使都意识到，唯有对刀具进行有效数字化管理，才能真正达到高质量、高效能生产，但未来仍须加强跨域整合刀具、感测组件、工具机、系统整合商等专业知识，才能真正突破台湾厂商迈向现代化制造的瓶颈！


 
图5 : 终端加工业者未来仍须加强跨域整合刀具、感测组件、对刀仪、工具机及系统整合商等专业知识，才能真正突破台湾厂商迈向现代化制造的瓶颈！（source：i.ytimg.com）