面對現(xiàn)今國際通膨加劇與長期淨(jìng)零碳排趨勢，除了工具機(jī)廠商不斷推陳出新機(jī)種，對於有意打造智慧工廠，利用廠內(nèi)生產(chǎn)數(shù)據(jù)來增效減碳的加工業(yè)者而言，也紛紛針對耗材用量最大的刀具進(jìn)行監(jiān)測，除了可用來預(yù)診其壽命，以免損及生產(chǎn)效率和品質(zhì)；或者因過度太早更換，而造成不必要的浪費(fèi)，相關(guān)刀把及量/感測業(yè)者也發(fā)表各種無線聯(lián)網(wǎng)解決方案。
尤其隨著傳統(tǒng)燃油車輛快速朝向電動化推進(jìn)，對於汽機(jī)車零組件、模具加工應(yīng)用約貢獻(xiàn)其營收40%的工具機(jī)產(chǎn)業(yè)而言，雖是短期內(nèi)訂單大減的危機(jī)，卻也可能是升級轉(zhuǎn)型的難得契機(jī)。業(yè)者除了推陳出新多款雷射、車銑複合、五軸等高階金屬切削/成型加工機(jī)種，搭配化繁為減工法，以克服輕量化材料的難切削特性；同時結(jié)合智慧自動化單元（Cell）、整線解決方案（Turnkey Solution），打造智慧工廠，以兼顧總體加工效率OEE與減碳（廢）需求，持續(xù)產(chǎn)出良品。
相關(guān)應(yīng)用場景如下：
1.剎車盤智慧型生產(chǎn)系統(tǒng)，共整合車床、鑽孔攻牙機(jī)、量測與倉儲設(shè)備，以及3D感測裝置、工業(yè)機(jī)器人，同時結(jié)合遠(yuǎn)端監(jiān)控技術(shù)，3D即時仿削與干涉檢查、切削負(fù)載監(jiān)控等功能，以及智慧型夾爪感測器、線上工件動平衡分析等自主技術(shù)。
2.鋁輪圈生產(chǎn)系統(tǒng)，因應(yīng)多家廠商陸續(xù)推出整合工具機(jī)與工業(yè)機(jī)器人的汽車鋁輪圈自動化生產(chǎn)系統(tǒng)，臺灣廠商也與學(xué)界合作導(dǎo)入自動虛擬量測技術(shù)，盼能進(jìn)一步穩(wěn)定加工品質(zhì)；
3.汽車鈑金生產(chǎn)線，由於臺灣廠商生產(chǎn)的沖床已供應(yīng)諸多海內(nèi)外汽車廠，用於生產(chǎn)車用鈑金，進(jìn)而開發(fā)汽車鈑金縱列式生產(chǎn)線，納入包括拆垛送料機(jī)、清洗機(jī)、置中裝置、工業(yè)機(jī)器人及末端送料系統(tǒng)，以大幅提升生產(chǎn)效能。
終端加工業(yè)者為了迎合工業(yè)4.0智慧製造趨勢，也從生產(chǎn)線設(shè)備連網(wǎng)開始，希望利用即時取得生產(chǎn)線設(shè)備、零組件、刀具等狀態(tài)及運(yùn)作過程並記錄留存；並導(dǎo)入熱補(bǔ)償功能、微潤滑切削工法等，以減少使用高耗能的傳統(tǒng)冷卻設(shè)備或冷卻切削液。進(jìn)而結(jié)合專業(yè)知識、智慧診斷與決策，形成智能化生產(chǎn)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)各項(xiàng)生產(chǎn)資源，減少不必要的浪費(fèi)。
| 圖1 : 終端加工業(yè)者從生產(chǎn)線設(shè)備連網(wǎng)開始，希望利用即時取得設(shè)備、零組件、刀具等狀態(tài)及運(yùn)作過程並記錄留存。（source：news.mapal.com） |
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其中針對金屬切削必需的刀具無線監(jiān)測功能，首要須具備3大重點(diǎn)，包含：準(zhǔn)確識別、即時定位、有效資料交握。其中在準(zhǔn)確識別的基礎(chǔ)上，早期須透過貼附或雷射雕刻QR code於刀把上，價格便宜但能記錄資訊有限、彈性低，仍須仰賴大量人工作業(yè)，且對於環(huán)境耐受度不佳，容易發(fā)生磨損等問題，所以目前刀把無線通訊系統(tǒng)主要分為：RFID、藍(lán)牙、WiFi module，支援各種連網(wǎng)通訊協(xié)定。
巴魯夫RFID解決方案 導(dǎo)入前端刀具管理數(shù)位化
德國百年企業(yè)巴魯夫公司（Balluff）進(jìn)一步分析客戶導(dǎo)入RFID管理刀具的效益，除了有別於傳統(tǒng)手寫方式，容易造成錯/漏寫，或記錄遺失而不易管理；以及採用條碼時，容易遭受髒污、粉屑刮傷等，且只能讀取刀把資料，無法即時更新。目前透過RFID管理刀具，不僅可耐油污、粉塵環(huán)境，且能確保刀具資料不遺漏、可隨時複寫更新，易於管理領(lǐng)、用作業(yè)。
該公司從1921年生產(chǎn)感測器起家，到了2006逐步朝向工業(yè)網(wǎng)路領(lǐng)域發(fā)展，並利用旗下完整產(chǎn)品線優(yōu)勢，推出以工業(yè)級RFID晶片模組為核心的智能刀具管理解決方案，導(dǎo)入製造業(yè)現(xiàn)場加工端流程。從而分別進(jìn)行產(chǎn)品及刀具編碼，藉以方便識別，安全追蹤料件、儲存及隨時調(diào)出所有相關(guān)的刀具數(shù)據(jù)。
從客戶購入新刀具開始，便將RFID標(biāo)籤黏附嵌入於刀把，並輸入所有刀具最新參數(shù)等資訊，對於在加工完成後造成的磨耗，進(jìn)行刀具壽命控制，若經(jīng)過現(xiàn)場人員憑經(jīng)驗(yàn)判斷毋須修邊研磨者，可直接送入刀具庫（室）。否則將回到刀具管理階段，由測刀儀取得經(jīng)研磨修邊過後，改變的刀長、半徑等最新數(shù)據(jù)並覆寫到RFID 標(biāo)籤，從而隨時更新資訊，讓使用者掌握真實(shí)刀具壽命和數(shù)量。
目前巴魯夫RFID系統(tǒng)主要可分為3部份，包含：處理器，採Ethernet TCP/IP介面，也適用IO-link、CC-link、ProfiNet等各種通信協(xié)定，能同時連結(jié)PLC和4個讀寫頭；讀寫頭，尺寸小至M16*55mm，使之安裝方便；資料編碼模組O10x4.5mm可如同電腦USB一般無限次讀取，並在30℃、70℃環(huán)境下編寫50萬~100萬次不等，以隨時更新資料。
| 圖2 : 巴魯夫強(qiáng)調(diào)，現(xiàn)今刀具管理系統(tǒng)除了以RFID硬體為監(jiān)測核心之外，還須仰賴團(tuán)隊(duì)合作，提供最佳解決方案。（source：pressebox.com） |
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當(dāng)讀寫頭被置於機(jī)內(nèi)（刀庫）上下兩端，對資料編碼模組進(jìn)行非接觸讀寫時，為免受到金屬干擾而使用超低頻訊號，必須維持<2.5mm距離。甚至在客戶購入新機(jī)時，即須與工具機(jī)廠商協(xié)調(diào)，在內(nèi)部加裝機(jī)構(gòu)以推動讀寫頭靠近晶片。以及為因應(yīng)客戶廠內(nèi)工具機(jī)品牌繁雜，在多機(jī)整合環(huán)境，也可安排讀寫頭於機(jī)外讀寫刀具編程。
巴魯夫同時強(qiáng)調(diào)，現(xiàn)今刀具管理系統(tǒng)除了以RFID硬體為監(jiān)測核心之外，還須仰賴團(tuán)隊(duì)合作。包含由工具機(jī)廠商協(xié)助導(dǎo)入、交換資料；經(jīng)過刀把廠商挖孔，以黏貼嵌入晶片並達(dá)到動平衡；對刀儀廠商，在刀具加工完成後量測，將更新研磨修邊後的參數(shù)資料寫入標(biāo)籤；以及系統(tǒng)整合商協(xié)調(diào)提供最佳解決方案。
後端結(jié)合IO-link連網(wǎng) 掌握智慧工廠關(guān)鍵數(shù)據(jù)
針對現(xiàn)今一般智慧工廠內(nèi)可能遍布大量感測器，必須有效減省配線，又能即時監(jiān)控需求，巴魯夫也為此提供完整IO-link解決方案，支援目前所有通訊協(xié)定，不限於控制器品牌。且有別於傳統(tǒng)配線要求每顆感測器，都必須個別拉線回到DI模組，導(dǎo)致龐雜線路不便查找、維護(hù)，之後雖然提供集線盒將感測線路集中，再經(jīng)單一線路回到DI模組，仍只有部份省配線效果。
如今，客戶可透過底層IO-link，將所有感測器模組都集中於主站Master模組，再經(jīng)過單一通訊總線直接回傳上層PLC，得以方便維護(hù)、更新廠內(nèi)大量感測器、設(shè)備的監(jiān)控狀態(tài)，易於現(xiàn)場連網(wǎng)管理。
依巴魯夫指出，IO-link屬於一種非類比式的點(diǎn)對點(diǎn)通訊模式，得以即時蒐集數(shù)位/類比感測器狀態(tài)雙向溝通，雖然只要是該協(xié)會成員供應(yīng)商都能支援。但該公司約有48%產(chǎn)品使用IO-link，尤其適用於大量感測器、設(shè)備場景，易於熱插拔而方便現(xiàn)場裝配及維修、遠(yuǎn)距即時監(jiān)控模組，執(zhí)行預(yù)診保養(yǎng)、日常維運(yùn)，在Profinet架構(gòu)最多可擴(kuò)展496個DI模組串聯(lián)，再接線回主站Master。
| 圖3 : 如今客戶可透過底層IO-link，將包含刀具等所有感測器模組都集中於主站Master模組，再經(jīng)過單一通訊總線直接回傳上層PLC，易於現(xiàn)場連網(wǎng)管理。（source：balluff.com） |
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中小企業(yè)刀具監(jiān)測 新增Zigbee選項(xiàng)
然而，卻也有臺灣刀具廠商指出，經(jīng)由導(dǎo)入RFID的環(huán)境耐受度佳，可重覆編寫資料重覆使用等優(yōu)勢，雖能讓刀具生命管理概念，終於不再只是在資料庫中，可望而不可及的大量雲(yún)端數(shù)據(jù)。將大幅拉近管理資料與實(shí)際操作者的關(guān)係，讓使用者可透過簡單的實(shí)體讀取介面，如經(jīng)過讀取頭觸碰，就能自動化取得大量有用資料。
但受到RFID本身被動的特性限制，目前僅適合貼附標(biāo)籤嵌入刀具的金屬表面，導(dǎo)致標(biāo)籤價格居高不下；且無法埋入感測器，主動回饋外在環(huán)境條件、工作狀態(tài)，以及後續(xù)智慧監(jiān)控、加工反饋、即時定位等應(yīng)用。
且其必須仰賴人工近距離幾乎碰觸，才能讀取資料，即使將讀寫頭安裝在機(jī)臺上，仍為了避免受到干擾而採用超低頻訊號，導(dǎo)致侷限於極近的感測距離才能讀入資料；特殊頻段用標(biāo)籤的價格更高，且無法立即回饋任意刀把資訊。
反觀在控制應(yīng)用領(lǐng)域，還有如微型Zigbee無線通訊模組配套的協(xié)議語言，由於在基礎(chǔ)通訊協(xié)定的設(shè)計(jì)上，原本就考慮一對千點(diǎn)以上溝通，而採行循多重路徑的跳點(diǎn)通訊（multi-hop），比起Wi-Fi和藍(lán)牙在設(shè)備自動化的應(yīng)用上更為成熟。
且Zigbee溝通僅專注於感應(yīng)和控制，所以傳遞的訊息量很??；不用一直常開設(shè)備，比起WiFi、藍(lán)牙更為省電，硬體裝置價格也最低，而壓低成本；支援先進(jìn)加密標(biāo)準(zhǔn)AES（Advanced Encryption Standard），所以只要設(shè)置得宜也會有極高安全性，專用於M2M設(shè)備間溝通。
臺灣刀具廠商益挺企業(yè)在今（2022）年工具機(jī)研究發(fā)展創(chuàng)新產(chǎn)品競賽獲獎的WSN智慧刀具管理系統(tǒng)，便分為4大單元：Zigbee End device刀把；WSN Gateway串聯(lián)PLC整合各機(jī)臺刀把資料；WSN Master Gateway，整合廠區(qū)所有刀具資料；以及控制器PLC，針對各大品牌CNC控制器，開放傳統(tǒng)MODBUS TCP/RTU、UART或網(wǎng)路通訊功能，用於刀具管理資料庫與刀庫控制器傳輸及交握資料。
其中智慧無線刀把，係採用智慧工廠較適用的雙向通訊微型Zigbee無線通訊模組，適用於BT40、HSK63等型式的ISO標(biāo)準(zhǔn)刀把。其建構(gòu)刀把的IoT網(wǎng)路，具有低耗電、低成本、可支援大量網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)和多種網(wǎng)路拓樸模式，快速、可靠、安全。益挺進(jìn)一步分析Zigbee與RFID刀把差異，包括：
1.Zigbee為主動通訊，在傳輸距離、速度、穩(wěn)定度上都有優(yōu)勢，傳輸距離依機(jī)臺配置需求一般設(shè)定於1.5m內(nèi)，RFID僅為2mm。
2.雙向一對多架構(gòu)，只要在接受器天線囊括的場型內(nèi)刀把可以主動傳輸定位與狀態(tài)變化，不必像RFID須定點(diǎn)逐一掃描刀把，也可對大量刀把批次廣播改變其行為。以此能更即時取得刀把資訊。反觀RFID則須定點(diǎn)逐一掃描刀把，當(dāng)?shù)栋盐匆繱OP經(jīng)過此定點(diǎn)時，即便刀把在機(jī)臺內(nèi)也無從得知。
3.主動帶電設(shè)計(jì)讓刀把模組經(jīng)過嵌入感測器，以增加主動性智能化功能。本模組內(nèi)嵌溫度、G-sensor、Gyro共三種感測器，可導(dǎo)入應(yīng)用如刀把被移動、掉落、衝擊時，由感測器觸發(fā)通訊模組，主動聯(lián)繫系統(tǒng)更新狀態(tài)及應(yīng)變；或是在加工時，使用感測器監(jiān)控切削穩(wěn)定性，用於維護(hù)預(yù)警。刀把也可以自我檢測電量等狀態(tài)訊號，隨時告知系統(tǒng)養(yǎng)護(hù)等需求。
4. 選用Zigbee晶片作為高度整合解決方案，僅需很少外部元件，且所選用低成本元件，可支持快速、價格實(shí)惠的節(jié)點(diǎn)構(gòu)建。有別於RFID標(biāo)籤須選用工業(yè)級特殊頻率規(guī)格，導(dǎo)致價格受限。因?yàn)閽袢‰p向通訊而不必選用特殊規(guī)格接收器，所以可選用一般嵌入式系統(tǒng)單版外加通訊模組，在合宜天線設(shè)計(jì)下，即是可通用的接收器，相較於指標(biāo)大廠售價，通訊模組可節(jié)省40%、接收器節(jié)省25%價格。
Renishaw藍(lán)光雷射設(shè)定系統(tǒng) 協(xié)助提升加工精度和效率
| 圖4 : Renishaw業(yè)界首發(fā)的NC4+ Blue 藍(lán)光雷射刀具設(shè)定系統(tǒng)，適用於量測O0.03mm的極小刀具，重複精度精度可達(dá)到±0.5μm，確保一次就加工出合格工件。（攝影：陳念舜） |
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精密量測設(shè)備大廠Renishaw也在今年TIMTOS x TMTS 2022展出新世代的自動化製程監(jiān)控解決方案，可於加工現(xiàn)場經(jīng)由Equator多功能檢具系統(tǒng)快速量測多種不同工件，且立即判斷進(jìn)入下一個加工步驟的零組件是否合格，為品質(zhì)即時把關(guān)，大幅降低生產(chǎn)成本及時間壓力。
同時搭配使用智慧製程控制（IPC）軟體，在CNC製造過程中實(shí)現(xiàn)全自動刀具補(bǔ)正值更新，更有效了解刀具壽命，並設(shè)定使用者定義的刀具磨耗警告限制，支援備用刀具；進(jìn)而持續(xù)監(jiān)控並調(diào)整加工作業(yè)，全面提高生產(chǎn)效益。
Renishaw用於刀具設(shè)定的測頭通常安裝於機(jī)臺工作臺或支架上，稱為刀具設(shè)定系統(tǒng)。其中非接觸式系統(tǒng)使用雷射，執(zhí)行弧形和線性輪廓檢測及監(jiān)控刀刃狀態(tài)；並以穿過雷射刀束的刀具作為觸發(fā)器來自動設(shè)定刀具，縮短了循環(huán)時間。新一代業(yè)界首發(fā)的NC4+ Blue 藍(lán)光雷射刀具設(shè)定系統(tǒng)，藍(lán)光比起傳統(tǒng)紅光雷射的波長更短，得可改善衍射效應(yīng)、優(yōu)化雷射光束幾何形態(tài)，適用於量測O0.03mm的極小刀具，並將接刀量測誤差降至最低，當(dāng)跨距較小時的重複精度精度可達(dá)到±0.5μm，將有助於提升機(jī)加工的精度和效率，確保一次就加工出合格工件。
結(jié)語
從以上案例可見，儘管目前刀具監(jiān)測在倉儲、加工、維護(hù)時，透過系統(tǒng)性妥善管理至關(guān)重要，包括TDM、Zoller等單一套刀具管理軟體動輒上百萬，卻還不包括可真正落實(shí)數(shù)位化刀具搭配模組與機(jī)臺設(shè)備，難以在臺灣找到一套能涵括從工具、加工、管理層面系統(tǒng)化全方位串連的產(chǎn)品；即使搭載如硬體廠商Balluff系統(tǒng)的加工業(yè)者，也需要有一定的垂直整合能力，才可依其應(yīng)用有效串連。
但對於臺灣高彈性、群聚型的加工業(yè)者而言，過於龐大或分散的多頭系統(tǒng)，很難切中使用者需求，反而築起很高的門檻。大多數(shù)廠商由於缺乏軟硬體高度整合能力，無法為此投入宛如二次開發(fā)的大筆研發(fā)經(jīng)費(fèi)與人力；加上一般自動化系統(tǒng)整合商，與傳產(chǎn)製造業(yè)本身Domain knowledge內(nèi)涵也有落差。
終端加工業(yè)者即使都意識到，唯有對刀具進(jìn)行有效數(shù)位化管理，才能真正達(dá)到高品質(zhì)、高效能生產(chǎn)，但未來仍須加強(qiáng)跨域整合刀具、感測元件、工具機(jī)、系統(tǒng)整合商等專業(yè)知識，才能真正突破臺灣廠商邁向現(xiàn)代化製造的瓶頸！
| 圖5 : 終端加工業(yè)者未來仍須加強(qiáng)跨域整合刀具、感測元件、對刀儀、工具機(jī)及系統(tǒng)整合商等專業(yè)知識，才能真正突破臺灣廠商邁向現(xiàn)代化製造的瓶頸！（source：i.ytimg.com） |
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