面對(duì)現(xiàn)今國(guó)際通膨加劇與長(zhǎng)期淨(jìng)零碳排趨勢(shì)，除了工具機(jī)廠商不斷推陳出新機(jī)種，對(duì)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(duì)耗材用量最大的刀具進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(cè)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(dòng)化推進(jìn)，對(duì)於汽機(jī)車零組件、模具加工應(yīng)用約貢獻(xiàn)其營(yíng)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(jí)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(shí)結(jié)合智慧自動(dòng)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(chǎng)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(cè)與倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備，以及3D感測(cè)裝置、工業(yè)機(jī)器人，同時(shí)結(jié)合遠(yuǎn)端監(jiān)控技術(shù)，3D即時(shí)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(cè)器、線上工件動(dòng)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(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)，臺(tái)灣廠商也與學(xué)界合作導(dǎo)入自動(dòng)虛擬量測(cè)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(tái)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(shì)，也從生產(chǎn)線設(shè)備連網(wǎng)開始，希望利用即時(shí)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(rùn)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(shí)、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(shí)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）

其中針對(duì)金屬切削必需的刀具無線監(jiān)測(cè)功能，首要須具備3大重點(diǎn)，包含：準(zhǔn)確識(shí)別、即時(shí)定位、有效資料交握。其中在準(zhǔn)確識(shí)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(jià)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(duì)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(guó)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(cuò)/漏寫，或記錄遺失而不易管理；以及採(cǎi)用條碼時(shí)，容易遭受髒污、粉屑刮傷等，且只能讀取刀把資料，無法即時(shí)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(shí)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(cè)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(shì)，推出以工業(yè)級(jí)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(chǎng)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(shí)別，安全追蹤料件、儲(chǔ)存及隨時(shí)調(diào)出所有相關(guān)的刀具數(shù)據(jù)。

從客戶購(gòu)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(duì)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(chǎng)人員憑經(jīng)驗(yàn)判斷毋須修邊研磨者，可直接送入刀具庫(kù)（室）。否則將回到刀具管理階段，由測(cè)刀儀取得經(jīng)研磨修邊過後，改變的刀長(zhǎng)、半徑等最新數(shù)據(jù)並覆寫到RFID 標(biāo)籤，從而隨時(shí)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(cǎi)Ethernet TCP/IP介面，也適用IO-link、CC-link、ProfiNet等各種通信協(xié)定，能同時(shí)連結(jié)PLC和4個(gè)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(shí)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(cè)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）

當(dāng)讀寫頭被置於機(jī)內(nèi)（刀庫(kù)）上下兩端，對(duì)資料編碼模組進(jìn)行非接觸讀寫時(shí)，為免受到金屬干擾而使用超低頻訊號(hào)，必須維持<2.5mm距離。甚至在客戶購(gòu)入新機(jī)時(shí)，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(dòng)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(shí)強(qiáng)調(diào)，現(xiàn)今刀具管理系統(tǒng)除了以RFID硬體為監(jiān)測(cè)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(dòng)平衡；對(duì)刀儀廠商，在刀具加工完成後量測(cè)，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(duì)現(xiàn)今一般智慧工廠內(nèi)可能遍布大量感測(cè)器，必須有效減省配線，又能即時(shí)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(cè)器，都必須個(gè)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(cè)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(cè)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(cè)器、設(shè)備的監(jiān)控狀態(tài)，易於現(xiàn)場(chǎng)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(duì)點(diǎn)通訊模式，得以即時(shí)蒐集數(shù)位/類比感測(cè)器狀態(tài)雙向溝通，雖然只要是該協(xié)會(huì)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(cè)器、設(shè)備場(chǎng)景，易於熱插拔而方便現(xiàn)場(chǎng)裝配及維修、遠(yuǎn)距即時(shí)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(gè)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(cè)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(chǎng)連網(wǎng)管理。（source：balluff.com）

中小企業(yè)刀具監(jiān)測(cè)　新增Zigbee選項(xiàng)

然而，卻也有臺(tái)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(shì)，雖能讓刀具生命管理概念，終於不再只是在資料庫(kù)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(jiǎn)單的實(shí)體讀取介面，如經(jīng)過讀取頭觸碰，就能自動(dòng)化取得大量有用資料。

但受到RFID本身被動(dòng)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(jià)格居高不下；且無法埋入感測(cè)器，主動(dòng)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(shí)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(tái)上，仍為了避免受到干擾而採(cǎi)用超低頻訊號(hào)，導(dǎo)致侷限於極近的感測(cè)距離才能讀入資料；特殊頻段用標(biāo)籤的價(jià)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(duì)千點(diǎn)以上溝通，而採(cǎi)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(dòng)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小；不用一直常開設(shè)備，比起WiFi、藍(lán)牙更為省電，硬體裝置價(jià)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(huì)有極高安全性，專用於M2M設(shè)備間溝通。

臺(tái)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(jìng)賽獲獎(jiǎng)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(tái)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(duì)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(kù)與刀庫(kù)控制器傳輸及交握資料。

其中智慧無線刀把，係採(cǎi)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(dòng)通訊，在傳輸距離、速度、穩(wěn)定度上都有優(yōu)勢(shì)，傳輸距離依機(jī)臺(tái)配置需求一般設(shè)定於1.5m內(nèi)，RFID僅為2mm。

2.雙向一對(duì)多架構(gòu)，只要在接受器天線囊括的場(chǎng)型內(nèi)刀把可以主動(dòng)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(duì)大量刀把批次廣播改變其行為。以此能更即時(shí)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(shí)，即便刀把在機(jī)臺(tái)內(nèi)也無從得知。

3.主動(dòng)帶電設(shè)計(jì)讓刀把模組經(jīng)過嵌入感測(cè)器，以增加主動(dòng)性智能化功能。本模組內(nèi)嵌溫度、G-sensor、Gyro共三種感測(cè)器，可導(dǎo)入應(yīng)用如刀把被移動(dòng)、掉落、衝擊時(shí)，由感測(cè)器觸發(fā)通訊模組，主動(dòng)聯(lián)繫系統(tǒng)更新狀態(tài)及應(yīng)變；或是在加工時(shí)，使用感測(cè)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(cè)電量等狀態(tài)訊號(hào)，隨時(shí)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(jià)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(jí)特殊頻率規(guī)格，導(dǎo)致價(jià)格受限。因?yàn)閽?cǎi)取雙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(jià)，通訊模組可節(jié)省40%、接收器節(jié)省25%價(jià)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(cè)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）

精密量測(cè)設(shè)備大廠Renishaw也在今年TIMTOS x TMTS 2022展出新世代的自動(dòng)化製程監(jiān)控解決方案，可於加工現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)由Equator多功能檢具系統(tǒng)快速量測(cè)多種不同工件，且立即判斷進(jìn)入下一個(gè)加工步驟的零組件是否合格，為品質(zhì)即時(shí)把關(guān)，大幅降低生產(chǎn)成本及時(shí)間壓力。

同時(shí)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(dòng)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(cè)頭通常安裝於機(jī)臺(tái)工作臺(tái)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(cè)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(dòng)設(shè)定刀具，縮短了循環(huán)時(shí)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(zhǎng)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(cè)O0.03mm的極小刀具，並將接刀量測(cè)誤差降至最低，當(dāng)跨距較小時(shí)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(cè)在倉(cāng)儲(chǔ)、加工、維護(hù)時(shí)，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(dòng)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(tái)設(shè)備，難以在臺(tái)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(duì)於臺(tái)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(dòng)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(shí)到，唯有對(duì)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(cè)元件、工具機(jī)、系統(tǒng)整合商等專業(yè)知識(shí)，才能真正突破臺(tái)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(cè)元件、對(duì)刀儀、工具機(jī)及系統(tǒng)整合商等專業(yè)知識(shí)，才能真正突破臺(tái)灣廠商邁向現(xiàn)代化製造的瓶頸！（source：i.ytimg.com）

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