MAGAZINE
刊物內容

回列表

陸聯精密的智慧型齒輪機械

摘要"

說到陸聯精密的智慧機械發展歷程,就要先來談談齒輪這個常見的機械元件。齒輪是一個可以參數化的元件,以幾個參數(模數、壓力角、螺旋角、齒數等)即可完全定義一個齒輪。它又是一個帶一點”數學”的元件,需要一些幾何運算來分析其齒形、接觸率、嚙合干涉等問題。

關鍵詞:陸聯精密、智慧機械、齒輪、CNC控制器、虛實整合、工具機、傘齒輪、工業4.0

圖1   開放式CNC架構

 

在1993年以前,台灣齒輪業的齒輪刀具都要仰賴進口,交期長且價格高昂。政府有鑒於齒輪是機械工業關鍵性元件,因此經由工研院引進歐洲齒輪刀具設計製造之技術及設備,之後衍生成立陸聯精密,一家專門設計製造各式齒輪刀具的機械廠。齒輪刀具的生產是極少量多樣化的”單件流”生產型態,因此陸聯精密從一開始就開發專屬軟體,以應付每天大量的設計分析案件,以及每站製程所需之NC程式。專屬軟體之開發平台,從早期的工作站到後來的個人電腦,逐漸走入Wintel平台(微軟Windows加上Intel PC架構),所以到後來衍生出之新產品,齒輪磨床,也是在每台工具機上面配備一台工業級個人電腦,執行陸聯自行開發之齒輪加工程式,即所謂的開放式CNC架構(如圖1)。操作者將齒輪參數輸入於齒輪加工軟體,程式即計算並繪出齒輪外形及一些重要分析檢查的參數(如齒厚、漸開線啟始徑等),並模擬修砂路徑以確認是否有過切或干涉現象。然後操作者設定粗磨/精磨趟數、各趟磨程之砂輪線速、切深、進給等切削條件後,齒輪加工軟體即自動產生NC程式,傳送至CNC控制器執行。加工期間,齒輪加工軟體還可以透過呼叫CNC控制器的函式庫,將即時的機械座標、目前程式行號、警報訊息等顯示於整合畫面當中。

開放式CNC架構搭載智慧機械發展平台

相較於其他齒輪磨床競爭者在CNC控制器上開發齒輪加工軟體,陸聯的開放式CNC架構享有許多好處。首先,Wintel平台不管是開發工具或是硬體規格,都比CNC控制器豐富許多。軟體開發工具如微軟VisualStudio,俱有龐大的.NET函式庫及元件可用。例如開發用滑鼠拖拉縮放齒輪圖形之人機介面,在這樣的平台就很容易達成。而CNC控制器所提供之程式語法指令,相對貧乏且不易除錯。個人電腦長久以來的發展符合摩爾定律(註一),其硬體效能日新月異。而CNC控制器之硬體規格之演進,相對保守,五至十年才有新世代控制器的推陳出新。此外,在Windows環境下,有許多好用的軟體資源都變成陸聯機台的附加價值。舉例來說,在十幾年前當SkyPE等免費通訊軟體還沒有很流行的時代,陸聯精密有些機台賣至印度、土耳其等國家。當機台發生問題時,請客戶將網路線插上機台的個人電腦。透過Internet,遠在數千公里以外的台灣原廠工程師就可以耳機麥克風與客戶打免費的越洋電話,並能即時操控機台畫面及鍵盤滑鼠。就這樣不用等待辦理簽證及千里迢迢搭機至客戶工廠,彈指之間幫客戶解決問題。這著實令當年許多客戶驚豔不已。
註一:英特爾(Intel)創始人之一戈登·摩爾(Gordon Moore)於1960年代提出積體電路上可容納的電晶體數目,約每隔兩年便會增加一倍。意即更多的電晶體將使電腦效能更快更便宜

虛實整合取代複雜機構

虛實整合(Cyber-Physical Fusion)是實現智慧製造的一個重要的元素,隨著越來越多的資訊數位化、可視化,軟體功能越來越強大、電腦硬體及網際網路越來越高速,能夠將實體的製造系統在虛擬的數位世界中建構虛擬模型,然後用這虛擬模型進行模擬分析、決策與優化。例如工具機在實際加工切削前,可以用3D視圖模擬NC程式會不會撞車、切出來的工件是什麼形狀;工廠設施規劃、生產排程,都可以用電腦模型來分析動作流程、平衡瓶頸限制;大到整個供應鏈或整個產品生命週期,都可用數位的虛擬模型串接起來。陸聯精密的傘齒輪加工機也是一個另類的虛實整合應用。齒輪的創成加工原理是在機台上架設一對互相嚙合的齒輪組,用切削刀具或是砂輪取代其中一個齒輪的一齒或數齒,被加工件為另一個齒輪。藉由機台的多軸運動使這對齒輪進行嚙合運動,尚未成形或精度不好的被加工件嚙合過程中,就會有材料與高精度的刀具干涉,經由刀刃的切削運動將這些偏離理想齒形的材料去除,留下來的就是齒輪的設計尺寸。為了讓機台能達成各式規格齒輪的嚙合運動,早期的齒輪加工機必需設計複雜的機構。其中,傘齒輪又是各類齒輪中最複雜的。圖2為美國Gleason公司之傘齒輪加工機結構,包含許多傾斜台、偏心軸、搖台等機構,以設定傘齒輪的大小徑、減速比、軸交角、軸心距等,以及空間中傘齒輪嚙合運動軌跡。

 

圖2   美國Gleason公司之傘齒輪加工機結構(圖片來源美國專利US3192831)

 


陸聯精密的LVC-100/LVG-100傘齒輪加工機將這複雜機構以解析幾何的數學工具在電腦中建構數位的虛擬模型,藉由座標轉換將複雜機構的刀具與工件的相對運動關係,轉換至泛用型五軸加工機的座標系。除了求解出對應的五軸同動加工路徑之外,還能事先模擬出完成品之嚙合齒印,預做路徑之調整修正,使齒印位於理想區域。此外,還能將工件齒面量測所得之拓普點座標資料輸入軟體中,可在畫面上顯示齒面誤差(如圖3),接著軟體就會計算新的加工路徑與產生新的NC程式機械設定來補正齒面誤差,達到閉迴圈之加工系統(如圖4)。

 

圖3   傘齒輪加工軟體之齒形誤差顯示及加工路徑補正計算

 

圖4   陸聯精密閉迴圈之智慧製造系統

 

物件導向程式架構利於系統之開發及維護在開發軟體之初,常因架構沒有規劃好,沒有全盤思考未來完整功能之格局,以致功能越加越多時,程式碼疊層架屋,牽一髮動全身。往往在大改版或換不同人來維護時,將舊版全部打掉重練。後來改採物件導向方式撰寫程式,先將共通的功能抽象化,將之與存放屬性的變數寫在一起封裝成一個類別。以齒輪軟體為例,先定義一個名為rack(齒條)的類別,具有模數、壓力角、齒高、齒頂導角等屬性,以及計算(回應)齒形、齒厚的功能(函式)。然後再經由繼承這共通父類別來開發特化的子類別。例如開發一個名為gear的特化子類別,繼承自rack(以rack為基底),加入節徑、螺旋角等額外的屬性,並改寫齒形、齒厚的計算函式。Gear可以再被繼承特化為bevelGear、cycloidGear、shaperCutter等。如此一來,若要修改共通的部份,只要在父類別修改,所有參照到的子子孫孫都同時更新。若要在某特化後的類別增加/修改屬於該類別專屬功能,就只修改在該封裝類別,不會影響其他類別。
陸聯精密的機台面對不同市場或不同的應用領域,必需採用不同廠牌的CNC控制器。因各家NC程式語法有相當程度的差異,要連線取得即時CNC資訊的通訊協定也不相同。藉由物件導向之程式架構,將屬於加工流程的邏輯判斷盡量在齒輪軟體中執行,盡量減少使用CNC控制器中的巨集指令,讓NC指令單純化。當要轉移至另一廠牌的CNC控制器時,只要改寫末端NC程式產生器,及底層通訊連線的通道,即可輕鬆快速移轉/支援不同廠牌的CNC 控制器。

智慧機械的下一步——類神經網路的應用

上述齒輪磨軟體所處理的問題是屬於可以建立明確的數學模型,經由疊代解析求解。但在機械製造領域,有更多的問題是無法建立明確的數學模型,例如有經驗的老師傅在決定最佳切削參數時,要綜合考慮刀具及工件的材質、形狀、治具結構強度、最終精度及表面粗度要求等。若將這類問題建立數學或是電腦模型,將會是浩大工程,要不就是簡化的模型不具實用性。人工智慧的一個分支—類神經網路,就很適合用來解決這方面的問題。類似於統計學的迴歸分析一樣,先定義一個未知係數(權重)的網路,將多組已知解代入這網路。類神經網路的機制會調整網路係數,就像人腦的學習過程。之後當給予任意組合的輸入值,網路即可回應適當正確的解值。這類的應用多屬需要大量運算的型態,不同於一般規則型疊代求解運算(每一迴圈運算需上一迴圈之結果來做為下一迴圈運算的輸入值),類神經網路的數值如同多維陣列,可以對陣列中各元素同時獨立運算。圖形加速器(Graphic Process Unit, GPU)就很適合處理這類運算。一般電腦或行動裝置的CPU規格為4核心或8核心,代表該CPU同一時間可處理4或8個執行緒。而GPU則是擁有上千個小型核心,只要將類神經網路的數值陣列指派至GPU核心,就可以比一般CPU高出數百倍的速度完成運算工作。

結語

這二年來政府、學界及業界皆大力鼓吹推展工業4.0,許多資源投入相關研究開發。這股風潮也造成許多研究開發只為了符合工業4.0遠大願景的一部份,而沒有考量到實務上還有許多基本功能應該要優先做到。例如在機台上加裝一些昂貴的感測器,以酷眩的人機界面展示出來,好像做到資訊可視化,但卻未能(或是不知道如何)將資訊分析轉化為有用的知識,如此就變成為了工業4.0而工業4.0。雖然科技進展的腳步越來越快,市場的競爭是越來越激烈,唯有從客戶的利益為出發點,先思考開發這新功能是不是能為客戶帶來利益,才不會盲目投入無用的研究開發。

READ MORE BACK TO LIST