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從智慧化生產線應用及管理服務勾勒金屬切削資源服務樣態

摘要"

於全球工業製造領域之盛強國家始於2011年推動智慧製造相關計畫,旨在提升製造能力創造就業機會,藉此解決全球競爭下所面臨製造危機和人口老化等問題,例如: 美國AMP計畫、德國工業4.0計畫、中國製造2025計畫、日本工業4.1J計畫、臺灣智慧機械計畫等國家級政策布局。而智慧製造係指建立智慧生產線需具備高效率、高品質、客製化特徵,提供少量多樣生產型態服務之製造服務體系。其中,智慧生產線之整體服務管理方案需從營業單位、資材單位、製造單位與會計單位提供多元化管理服務,其目的在於協助快速回覆交期、監控與優化產線資源運作、最佳化產線資源(機械、人力、刀具、治具)任務自動配置、產品之生產成本分析與改善等支援服務。本文聚焦以智慧化生產線應用及管理服務為基礎,勾勒金屬切削資源管理之服務樣態,分別從四個面向探討(1)智慧生產線與機器設備發展之關係、(2)機器設備與金屬切削資源之關係、(3)生產製造命令單(客戶需求)與金屬切削資源之關係、(4)金屬切削資源服務樣態與效益,進而解析金屬切削資源管理服務對於台灣現況產業導入智慧製造布局之關鍵性與重要性。

關鍵詞:生產資源管理、刀具管理、刀具履歷、製程能力分析、品質檢驗

全球產業現況與遠端分流工作(零接觸)服務樣態

近年來全球製造業市場因產業變遷快速、勞動人口結構改變(如:高齡化、勞動力減少、少子化)等因素,市場需求由大量生產訂單轉變為批量多樣與客製化訂單,於2018年全球市場面臨美中貿易戰影響,以及2019年COVID-19等不可抗力因素的衝擊,造成全球工業生產量能顯著萎縮,使得全球生產製造體系斷鏈。於2011年起各國紛紛將生產模式轉型為自動化智慧製造生產,從德國「工業4.0」、美國「先進製造夥伴計畫」(AMP)、中國「中國製造2025」、南韓「製造業創新3.0」與日本「工業4.1J啟動實驗」,由此可知,世界各製造大國紛紛針對智慧製造發展趨勢推出各自的產業發展策略,藉由此創新策略與發展智慧化技術使得自動化能量再升級進而更達到智慧化生產的樣態。由此可知,因應全球化製造生產的變革,提升國家製造產業的價值與競爭力,藉此開創高性能、高可靠度之智慧化產線設備能力俾利滿足產業需求已勢在必行(圖1)。
同時,臺灣市場需求也從量產訂單轉向少量多樣、批量生產訂單,且面臨國際匯率波動與國際市場動盪,導致我國設備製造商(Maker)之機械產品出口之高性價比優勢衰退;另一方面,少量多樣高度客製化且短交期之生產型態,亦同步造成終端使用者(End-User)生產線面臨龐大金流與交期壓力(圖2)。因此,本文於第一面向(智慧生產線與機器設備發展)探討如何因應快速變化的市場趨勢,藉由技術深化建立系統性解決方案以及開發智慧機械自主關鍵技術、零組件及應用服務,使用情境可落實於開發高階複合加工機同時整合刀具倉儲系統,完成24小時不間斷工作且可滿足零接觸遠端工作服務,最終進行整線輸出提升競爭優勢;於第二面向(機器設備與金屬切削資源關係)探討,終端場域導入數位轉型後其可操作性與生產效益,使用情境可落實於管理者即時取得設備與切削刀具資源狀態,即可遠端指示現場人員操作製程方式避免人為失誤。換言之,技術發展需以整合「智慧化」、「自動化」、「工序整合」為首要目標進而發展與導入智慧化生產線之設備運作與配置,藉此協助產業完成數位轉型與開發堆高值自動化產線設備。

智慧製造於產線資源之數位
轉型關鍵與優勢

從COVID-19後疫情時代迄今,加工生產線面臨缺工(分流工作)或是缺料而中斷生產窘境,導致供應鏈斷鏈狀況日漸險峻。然而,現況目標鎖定全工時持續加工以利維持產能,則生產線之相關設備如車銑複合加工設備需操作人員不定期更換刀把資源。其中,智慧製造其目的於智慧機械基礎上整合各種智慧技術元素,使其具備故障預測、精度補償、自動參數設定與自動排程等智慧化功能,並具備提供Total Solution及建立差異化競爭優勢之功能。藉此,從第三面向(生產製造命令單與金屬切削資源關係)與第四面向(金屬切削資源服務樣態與效益)共同探討如何提升智慧生產線使其具備高效率、高品質、客製化特徵,俾利適用於少量多樣生產型態服務之製造服務體系。其中,智慧化生產線整體服務管理方案需從營業單位、資材單位、製造單位與會計單位提供多元化管理服務,其目的在於協助快速回覆交期、監控與優化產線資源運作、最佳化產線資源(機械、人力、刀具、治具)任務配置、生產成本分析與改善等支援服務。故本文以智慧化生產線應用及管理服務為基礎,勾勒金屬切削資源管理之服務樣態,進而解析金屬切削資源管理服務對於產業現況導入智慧製造數位轉型之關鍵性與重要性。
首先,物聯網技術可協助使用人員無論於何時何地皆可於任何具備網路的載具即時掌握產線現況,俾利快速協助管理階層人員決策與管理智慧化生產線。其中,本文盤點金屬切削刀具相關資源主要管理功能如下列7項: (1)新品入庫檢驗 (給定唯一碼採RFID或QRCode登錄)、(2)裝配綁定 (用於管理於生產設備之安裝、卸除、歸還、維護等)、(3)缺料申購(用於管理新品訂購單與缺料提示)、(4)所在地管理(庫存狀態和位置管理作為刀具資源執行分類管理之用)、(5)績效管理(各種使用紀錄資訊檢索)、(6)使用履歷追蹤功能(各種刀具資源對應之加工參數追朔管理)、(7)管理業務(主控全域金屬切削刀具資源之相關數據維運管理)。此外,針對CNC工具機之金屬切削刀具資源管理之於機工人員,所需面臨的課題任務與相對應解決辦法逐一點檢,如下列所述。

 

 

綜整上述,本文彙整刀具管理服務方案展開之合作服務關係,例如: 當業務接收訂單後製造命令單成立後,製造單位與物料單位需準備相對應之金屬切削刀具資源,同時針對各把切削刀具資源進行履歷追蹤管理,藉此提升智慧生產線使其具備高效率、高品質、客製化特徵,俾利適用於少量多樣生產型態服務之製造服務體系(圖3)。
其中,金屬切削刀具資源發展過程(圖4)於傳統上採用紙本管理刀把(刀具)資源管理聚焦於低於安全水位即購買刀把相關資源,但卻忽略刀把相關資源可能散落於廠區或是生產線某處,甚至實務上發生因加工需求而裝配刀把放置於刀具倉儲過久而生鏽狀況,但機工人員無從得知已完成備刀而另尋刀具資源進行綁定。因此,精密機械研究發展中心提出一套刀具倉儲智慧化管理系統可用於呈現所有刀把使用歷程、刀具倉儲資源高效管理與刀具壽命可用率服務,藉此協助管理者可依據產線需求調配與決策(圖5)。
精密機械研究發展中心提出一套刀具壽命監測服務方案可分為二種型態(1)單一路徑及(2)複雜路徑。殘餘刀具壽命可用率估測功能旨在探討各把刀具監測剩餘使用時間,用於協助管理者選用刀具進行加工時之參考依據,進而協助人員決策判斷這些資源是否足夠負荷加工時數。此功能具線上刀具估測狀態能力的刀具狀態預診模組,可線外量測刀具磨耗的刀具磨耗檢測模組,支援刀具使用之決策分析服務等。藉由加工前對加工程式碼進行受力分析,同時採用感測器架設於設備同步收集加工中相關訊號,進而進行資料擷取與萃取並進行模型建立。更進一步,預期將可降低刀具成本,達到穩定加工品質之目標,綜合上述說明此刀具磨耗之平均絕對百分比誤差(MAPE)達15%以下,其係根據ISO3685標準作為判斷依據,預期將可有效提升刀具使用率。

金屬切削製程之加工品質檢驗服務方案

於金屬切削製程中,各把刀具因應製程需求而選用且搭配相對應之加工參數,其加工製程參數優化攸關加工品質與加工效率,故本文鎖定於蒐集機工人員於加工後量測的品質檢驗數據蒐集與分析,進而反饋給研發單位關於刀具壽命限制與製程切削時間之關係、刀具選用與加工製程之關係,以及CAM切削模擬與TMS刀具管理服務之關係。精密機械研究發展中心提供一套金屬加工品質檢驗服務方案(圖6),機工人員(使用者)可於加工生產完後進入品檢階段進行人員資訊登錄,同時登錄選用的量具資訊,最後挑選或由系統提示該道工程(製程)需要檢驗之相關項目。當加工物件之量測品質數值符合公差時,系統將依照途程資訊(routing)自動拋轉資訊至下一道製程,且即時紀錄加工品質與相關數值;反之,當加工物件之量測品質超出公差範圍時,系統出現警示並同步知會該員的主管尋求支援。換言之,本方案除了可紀錄量測品質數值的相關資訊,亦可同步採用品檢資訊回饋至加工參數優化與刀具選用推薦。...更多內容,請見《機械新刊》雜誌

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