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以經濟實惠的自動主軸校準與顫振量測解決方案提升CNC工具機加工精度

2017/11/30

專案簡介

提高生產數量與產品品質始終是製造業努力追求的目標,工業4.0更勾勒出智慧製造的美好願景,促使製造業視為是重要生產設備的CNC工具機也得因應趨勢不斷地精益求精。而工具機製造商在積極改善自家機器性能並提升加工精度以符合客戶需求的過程中,機器校準正確與否是影響加工精度的重要因素之一。但一直以來製造業都是靠累積多年經驗的老師傅來進行機器校準,工廠每日必須先以這種傳統作法來檢查設備才能正式開工;如果該廠需要製造的產品種類較多,每一次產線調整時還得再次為機器重新設定與校準。如此不科學的作業模式既繁瑣又費時,一旦作業程序有所疏失就會發生加工精度失準的問題。

另一項影響加工品質的元兇則是顫振。當CNC工具機在進行快速或深度切削時非常容易產生顫振,由於其乃屬於較輕微的高頻振動,因此通常都較難被人所察覺,但此一現象不僅會降低工件的加工精度,若未能即早發現則惡性循環下必將損壞刀具、主軸、軸承等重要零組件。因此,要如何儘早發現顫振以防止問題持續惡化向來都是令設備製造商頭痛但卻又必須解決的問題。   為了減少校準時間並提高加工精度,設備製造商可以利用感測技術來協助自家工具機完成自動校準與即時監測的工作。然而,要為早已開發完成的CNC工具機導入新功能,又要避免大幅更動機台的現有設計,設備製造商必須先克服機箱空間有限與雜訊干擾等問題,同時還要妥善控管開發成本,以免新功能的花費過高而稀釋了企業獲利並影響產品之市場競爭力。研華為CNC工具機提供的主軸校準與顫振量測解決方案能以小尺寸、易安裝、免插介面卡、快速開發與驗證等特色解決上述種種問題,從而讓設備製造商能以經濟實惠的方案順利完成新功能。

專案需求

擁有超過五十年工具機研發與生產經驗的某家台灣加工中心機製造廠商以優異的製造技術與對高品質的堅持讓該公司生產的工具機深受國際知名大廠的肯定。而身為世界級領導品牌的這家工具機製造廠商,其不僅持續開發高技術含量的機型,也從現有客戶所碰到的問題著手來優化加工中心機的功能。近來,為了解決由老師傅校準所衍生的不確定性問題並降低機台顫振影響加工品質,該公司決定在現有CNC工具機台內加入主軸校準與顫振量測的功能,期能以一致性的校準與自動化監測打造出更高效的加工設備。 由於是在現有的CNC工具機中增加新功能而非設計一台全新的機型,該設備製造廠商需要的是易於整合的解決方案,像是:硬體尺寸與安裝方式需配合現有機箱所剩不多的空間;以工規等級的平板電腦作為機台的人機控制介面;以USB外接模組取代插介面卡之方式來完成資料的收集;資料擷取模組必須有足夠的解析度與採樣率以快速取得所需資料;避免資料採集過程中受到環境訊號之干擾而影響所收集資料的正確性;提供模組連接IEPE感測器。此外,該公司還提出軟體開發工具與客制化服務的需求以縮短專案開發時間,讓新的CNC工具機可以早日投入市場。

系統概述

研華以10.4吋的無風扇平板電腦PPC-3100搭配資料擷取模組USB-4716、IEPE訊號處理模組ADAM-3017、以及軟體開開發工具DAQNavi所提供的自動監測解決方案可滿足CNC工具機製造商的種種需求。透過USB-4716搭配ADAM-3017來連接IEPE感測器,作為操控平台的PPC-3100即能取得振動資訊,藉此實現主軸校準與顫振量測的功能。   提供16位元解析度、採樣率可達200 kS/s的USB-4716是一款掌上型、採導軌式安裝之隨插即用資料擷取模組,其能直接透過USB埠來傳送所採集的資料;而且無需額外接電源線,僅靠USB埠供電即可運作,因此可省去拆開電腦機殼安裝介面卡的麻煩,或者像是此專案採用的是無法加裝介面卡的平板電腦也非常適合以此模組來收集資料。研華還小幅修正USB-4716使其具備了電阻電容濾波器(R-C filter)功能來擷取特定頻率範圍內的訊號,藉此去除不必要之雜訊以確保傳送正確資料供系統分析。而ADAM-3017則是負責連接IEPE感測器的訊號處理模組,透過其內建的4或10 mA可讓系統順利取得IEPE感測器的訊號,而所支援的訊號放大和抗混疊濾波功能則確保擷取之信號不會受到雜訊干擾。   軟體方面,DAQNavi是針對研華的資料擷取產品而設計的軟體開發套件,使用者可以透過易於使用的操作介面來快速建立資料擷取及控制系統。此外,該軟體還提供了像是特殊設計的直覺式精靈、現成的應用範本與範例程式碼、無需撰寫程式即能進行組態設定及功能測試、函式庫與公用程式等多種好用的功能,藉此可協助系統設計工程師更快地完成應用程式的開發。

專案導入

  • PPC-3100:內建Intel® Atom™ D2550處理器之10.4吋工業級平板電腦
  • USB-4716:200 kS/s傳輸流量、16位元解析度、16通道之多功能資料擷取USB模組
  • ADAM-3017:IEPE訊號處理模組
  • DAQNavi :研華DAQ產品之軟體開發工具

結論

不論是全新設計的工具機或在現有機台進行功能改造,擁有眾多產品線的研華都能針對客戶需求規劃出最適合的自動監測解決方案。以此專案的設備製造業為例,該公司多年來已採用研華各式各樣的產品以便導入智能應用並提升機器性能,這一回其原本想要大幅更動機台來新增主軸校準與顫振量測的功能,但這樣的作法既會增加開發成本、也會讓新機器難以達到Time-to-Market的目標。   所幸,透過研華專業經驗豐富的專案經理仔細評估後,推薦該公司改採能隨插即用的資料擷取模組與IEPE訊號處理模組,僅小幅修改USB-4716 硬體電路,因而讓其無需重新設計機台就能以具成本效益的方式來新增所需功能,而且收集來的資料還能成為設備製造商日後導入預防保養等智慧管理與維護應用時的參考資料,讓其CNC工具機不僅提升了加工精度,更能讓機器變聰明以增加生產效率。