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日本工具機大展JIMTOF2018 展後特報

摘要"

上銀科技教育基金會 2018 JIMTOF 大學生見學團報告
組別:第五組
姓名/學校系所/推薦教授
廖彥朋/國立交通大學機械工程學系/廖英皓
洪櫧鈞/國立臺灣科技大學機械工程學系/郭俊良
林羿寬/臺北城市科技大學電機工程系/沈混源
林子勛/國立臺灣師範大學機電工程學系/陳順同
洪裕權/逢甲大學機械與電腦輔助工程學系/楊世宏

關鍵詞:日本工具機大展、JIMTOF2018、IHI、HIWIN、FANUC、MAZAK、OPM Laboratory、HP

前言

JIMTOF 大學生見學團為上銀科技教育基金會所舉辦,需具備由台灣智慧自動化與機器人協會(TAIROA)主辦之自動化工程師-Level 1(含)以上合格或機器人工程師(初階)以上合格才能夠報名甄選。由全台多所機械、自動化相關大學系所內篩選出其中傑出學生,才能代表上銀、台灣的旗幟過海,前往日本參訪,這次參觀內容包含參訪日本 IHI 實際工廠生產產線、JIMTOF 第 29 屆日本國際工具機展、感受日本文化等,希望可以藉此機會學習日本工具機發展走勢、文化成長、職業態度,讓我們來自台灣的大學生們能夠效仿學習,並希望能夠將所看到日本對各個方面的堅持與態度的理念帶回台灣,並使其在台灣機械界開始慢慢萌芽,由我們開始改變並成長,讓台灣的機械產業開始慢慢向下扎根,為台灣機械產業帶來更有競爭力的未來。JIMTOF 大學生見學團舉辦的宗旨是為了鼓勵青年學生修習精密機械及製造領域並增進機械相關科系大學生之國際視野,而今年的 JIMTOF 大學生見學團參訪時間從 2018 年 11 月 1 日至 2018 年 11 月 5 日為止。
世界三大展之一的日本 JIMTOF 展是各家廠商展示出他們的研發成果,與互相競爭的殿堂,本次 JIMTOF 展場規模包含約 5500 個來自世界各地的攤位,參展規模達到了約 49,500m2,每家廠商無不使出渾身解數,不僅有大量自動化、CNC 相關工具機展出,鍛造機械/工具機配件/特殊鋼刀具/超硬刀具/鑽石、CBN 刀具/磨削砂輪/齒輪、齒輪設備/油壓、空壓、水壓機器/精密測量儀器/光學測量儀器/測試儀器/控制設備以及相關軟體(CAD、CAM 等)/其他與工具機有關的環境相關機器設備、機器、材料、產品、技術以及資訊,參觀人次超過 10 萬人。

IHI

參觀工具機展前日,先拜訪了 IHI公司。IHI(Ishikawajima-Harima Heavy Industries)公司跨足航空、機械、環境、社會等工程,是一間將 21 世紀面臨的環境、能源、產業和社會基礎中的諸多難題逐一解決, 帶給地球和人類富裕、安全和安心的全球性企業集團,他們的經營理念為透過技術革新促進社會發展,而人才正是他們最大且唯一的財產。其主要的業務領域有「航空、宇宙與防衛領域」、「資源、能源與環境領域」、「產業系統與機械業務領域」與「社會基礎設施和海洋設施領域」,他們也將 HIWIN 的線性馬達與線性滑軌應用在其主動式的制震裝置。
這次所有參觀內容主要建構在 2016 年土耳其 Osman Gazi 跨海大橋的設計,Osman Gazi 大橋位在土耳其,其使用 IHI 所設計之減震裝置,橋梁採用 H 型斜張橋,需對 H 型斜張橋風洞測試,來測試哪一部位的震動大,並在橋梁上方三分之一處裝設減震裝置,一柱兩台,共八台的減震裝置來預防橋梁過度晃動。
首先我們去參觀 IHI 的風洞實驗室,看到了不同的風速對橋梁所造成的擾動及流體形式, 因為各種高層建築、橋梁都會面臨到一個問題就是風速,所以需要在實驗室中進行橋梁的風洞測試,模擬一年四季所吹的風,判斷是否有設計不完善的地方需改善的地方,並且選擇最佳地方放置其主動式的減震設備。
緊接著參觀了耐久性及結構破壞試驗,因為平時我們所使用的道路,每天有成千上萬的車子行駛,長時間下來道路的受損程度會增加,尤其大卡車行駛時,更容易減少道路的使用壽命,所以 IHI 利用連桿機構推動滾輪,再利用油壓來產生重力增加滾輪的負重,並且進行往復來回測試兩百萬次,用以模擬橋面在預期的負載下持續受到壓應力所造成的破壞,過程中在路面下方等距裝設感測器來收集內部硬度的資料,及時接收震動等資訊,並回傳至系統作儲存,了解橋面目前狀態。測試完成的路面將其切割並觀察其破裂面呈現由上往下之斷裂面,其實驗測試可了解不同材料所做的道路之破壞程度,並找尋更好之材料來減緩路面之破裂情形發生。
而在道路耐壓測試中,我們被分成好幾個小組,進到測試裝置下方,解說人員與我們一起蹲在下方,不厭其煩的向我們解說,令我們十分敬佩。
最後我們參觀的是震動模擬的實驗室,將 IHI 開發的主動式制震設備架設到結構件上,在下方施以如同地震般的震動以檢視制震效果,雖說當天沒有這樣展示,但我們有在會議室體驗到含制震器的模型,結果一目瞭然,震動的衰減十分迅速,馬上就能停止震動。制震裝置裝在哪裡也是有學問的,都要先透過測試,所以風洞測試是非常重要的一環,位置的正確性,不僅能大幅地含抑制震動還能減少不必要的浪費。IHI 公司當天所展示的設備是為了抑制風吹的震動,所以當遇到強烈地震造成的大幅度震動時,較無抑制力,但對於餘震還是有影響力的。在此說明一 下 2 種制震裝置的種類:


被動式的制震裝置的運作原理為利用重物的慣性力來衰減共振波動,能藉由加裝馬達,將其性能提升,不需電力即可達到減震的效果,但缺點是只有單一方向制震,著名的案例為台北 101 內的阻尼器。
主動式的制震裝置可以對應多種振幅,但需要電力供應,透過線性馬達驅動,多個方向只要一台裝置就夠,缺點是跳電時只能依靠內部的電池驅動,而主動式若電力系統供電異常,則無法使用,因此需設置不斷電系統來維持電力穩定的輸出。主動式減震機構則與 HIWIN 上銀科技合作,利用上銀科技所提供的線性馬達與線性滑軌再加上緩衝器來達到減少振幅的產生,且同時裝設兩個減震設備則可以對應彎曲與扭曲時所產生的振幅,而其減震設備用於高層建築、橋梁主塔等,對於強烈地震時無法產生效果,但可以減少約百分之五十的餘震,減少建築物的搖晃
程度。


因此,許多大型橋梁、水庫閘門和高樓大廈等都使用了 IHI 公司的結合鋼結構、感測器、隔震地板裝置與制震裝置,在建築設施的防災裡扮演了非常重要的角色。
經由這次的導覽,看到了許多實驗器材也看到了日本人對專業的堅持,對每個工程、步驟一絲不苟,都值得我們學習。

JIMTOF

2018 TOKYO BIG SIGHT JIMTOF 的會場規模非常大,而我們當天第一個前往參觀的公司正是 HIWIN 上銀科技股份有限公司,在此簡短介紹一下參觀完令人印象深刻的產品。

HIWIN

1. 十字型線性滑軌
以前各廠商所設計之滑軌只有水平方向,若需達成 X,Y 兩軸同時運作,則需將兩組滑軌組合,組合容易造成體積過大,料件所需移動的距離將增加,成本也相對應的增加,但藉由 HIWIN 所改良的十字型滑軌,將整體滑軌體積減少,將滑軌高度降低,減少物體移動之距離,能夠更接近工件,更能提升整體結構剛性,使整體工作效率提升,增加產品快速生產。


2. 滾珠導螺桿精度壽命檢測


任何產品使用至一段時間後,其整體功能略其下降精度也會稍微偏移,每工作至一定的工作量也需要上油做潤滑的動作來維持系統的溫度,避免產生熱,而滾珠 導螺桿整體設備也需要定期更換,但使用者卻不知何時需要更換,往往等到設備已經發生異常,才請設備廠商維修,容易造成危險。而藉由此感測設備的研發,可以檢測使用者的當下之狀況,潤滑油是否需增加,預壓不足導致導螺桿與基座所產生背隙是否過大,震動過大判斷是否撞機,溫度是否過高,將這些資料抓至控制器做計算並且分成紅,黃,綠三種顏色來判斷設備的使用壽命,避免發生設備危險的狀況,而使用廠商可以立即判斷是否需購買維修設備,避免造成設備的囤積,值得一提的是目前的感測器連接是採用有線的,若能解決雜訊干擾的問題,透過無線感測器和獵能器結合,相信在 IOT 智慧製造能有更大的突破。
後來我們往東區尋找能夠量測圓弧精度的產品,但現場展場上有英文人才的人少之又少我們盡量以最簡單的單字來表達我們所需要的產品,但最後還是無功而返,而在第四天我們先做好功課,去現場找尋相關廠商,也得到許多的收穫。而在看展過程中看到有刀具的廠商在介紹他們自己所改良的刀具,但我們沒有學習刀具方面相關材料與使用技術,所以對於他們所說的專業術語了解較少,也導致自己收穫較少,當天最印象深刻的是 DMG 廠所展示的加工機,不再是我們以往所看到由一位技術員來操作,而是結合手臂與生產線的概念,將加工機設計成四個空間,每一個空間只做一件事情,並且手臂藉由滑軌來做移動將料件放置在不同的加工空間加工,加工完成並馬上自動檢測是否有問題,若發生有問題,馬上做相關的補救措施,來達到即時量測的功能。而且我們也對於 DMG 整體設備設計安全也相當佩服,因當工作窗口要打開時,手臂會先到位,並且手臂後方也會設計防護門,且手臂離開時會先將加工機的工作門關閉手臂才會移動,目的是為了防止作業員受傷,除了增加產品的生產速度,也相對的提升設備整體安全係數。

FANUC

該公司所展示世界最大搬運功能的機械手臂展示,看到重物緩緩移動,也深深吸引我的注意,在搬運重物的過程中,要能夠精準的到達指定地點,需要有良好的控制,也有效地展現 FANUC 的控制性能。自動化的時代,機械手臂是不可或缺的,不管是上下料、裝配、清洗與檢查等等,都運用到機械手臂,許多廠商的機械手臂也都使用 FANUC,FANUC 標榜高可靠性、高生產效率以及高通用性,且公司遍及全球,能夠及時提供該地區技術的協助以及維修的處理,且當天展示的機械手臂,是全展覽館最大的,無人不被此所吸引。

OKUMA


而 OKUMA 透過 ECM 和 SCM 功能使工廠的產量最大化,除了 OKUMA 本身的機台之外,也可連接其他機器的功能,再利用機器管理儀表盤監控機器,隨時顯示機器的運轉狀態,並能記錄切削時不當操作的數據,除此之外,工具使用了預測性的維護,縮短機器的停止時間,並將以上種種數據連接各公司開放式網路系統,實現了智慧工廠。
我們都知道溫度會讓工具機變形,這對於精密加工機來說是不允許的,尤其是愈大台的工具機更為嚴重,所以許多家廠商都有熱變位補正,將工具機內添設溫度感測器,進行溫度補正機台誤差,讓加工出來的工件精度又更高。

MAZAK

在 3D 列印的部分,我們看到了金屬 3D 列印與尼龍 3D 列印,金屬 3D 列印在 MAZAK的設備上有三種主要應用:
1. 用來填補精度異常部分,實現再次切削的可能, 以減少廢品產生。
2. 易干涉區域先部分切削,填補易碰撞區域之後再進行二次切削。
3.工件表面複合性材質填充,提高表層硬度及耐磨性,省去舊有表面硬化之工程。

 

應用2 五軸加工葉輪之葉片切削時 易發生干涉情 形,先行切削根部,再運用 金屬列印填補末端葉片,進行二次切削

 

應用3 耦合器的耦合區表面易承受衝擊,運用金屬 3D 列印之技術,在表層附著約 1.4mm厚的高速鋼材(hss),提高硬度及強度!

 

 

OPM Laboratory  

而金屬 3D 列印的第四種用途,我們在 OPM Laboratory 這間公司的攤位得到解答,他們將金屬 3D 列印應用在塑膠射出模具的開發!塑膠射出模具在量產塑膠件時,花最多時間的是在保壓及冷卻過程,而如何讓產品穩定不翹曲,冷卻能力非常重要。傳統的塑膠模具在水路設計上受限於製造技術而較為單調,僅有由槍鑽產生的垂直交錯孔來傳送冷卻液,工件若稍微複雜些,水路的冷卻效果將會下降,而利用 3D 列印就能有效克服這樣的缺陷,模具內的水路要多複雜、多靠近熱區,都能一一實現,使生產精度及效率皆能有效提升!


OPM Laboratory 開發的金屬 3D 列印機 OPM 250 L 結合 CNC 銑床,列印完立即切削達到所需精度,與 Mazak AM 系列有以下差異:
 OPM 250 L 採用 SLA 的列印方式,在粉床上進行雷射熔融燒結,針對水路及一般結構進行建模,再搭配最高轉速 45000RPM 的高速主軸及線性馬達,實現高速高精的加工,將最終輪廓完成!

HP

而我們在惠普(HP)的攤位上看到了尼龍的 3D 列印,該設備運用的是 3DP(三維粉末黏結)的技術,其中一軸在床台上鋪上印製材質的粉末(尼龍),形成粉床,另一軸在欲成型區域噴塗上黏著劑(Fusing Agent),輪廓周圍噴塗上精確劑(Detailing Agent),緊接著以強光照射,黏著劑與尼龍粉末黏結並層層堆疊,周圍的精確劑能在黏著過程中使表面輪廓精確與平滑化,提高成品之精度與表面狀態。
展示設備:
HP Jet Fusion 3D 4200
使用材質:
HP 3D High Reusability PA 12
印製特點:
1. FDM 的 3D 列印技術在 X-Y 平面上的抗拉強度最佳,在 Z 軸向抗拉強度最弱,因此列印方向與強度有關,而使用 HP Jet Fusion 3D 4200 搭配 HP 3D High Reusability PA 12 在 X,Y,Z 三軸向的抗拉強度將會一致,皆為 48Mpa,因此任一方向皆可列印。
2. 印製完即為產品(精度高、表面品質佳),可實際用於生產,且一次可印製多個零件,生產效率高
3. 未硬化之粉末即為支撐材,印製完可回收率達 80%,相對於 FDM 印製方法更為節省材料
4. 印製之產品能夠具有色彩


量測儀器

而線上量測儀器我們去參觀了 MARPOSS 及 ACCRETECH,這兩間都有使用 IN PROCESS gauge,在研磨加工過程中,將測頭持續與工件接觸,施以約 1.5N 的接觸力,當研磨直徑達到當初設定的標準(MASTER ZERO)時,即停止研磨,有效降低工件的不良率,尤其是設備因溫升造成的尺寸變異都能有效避免,且能維持整批工件的尺寸一致性!


在 MARPOSS 的攤位我們還看到一台雷射掃描的量測設備,用雷射將桿件的輪廓掃描一遍,將輪廓利用電腦呈現出來,除了能量測傳統的直徑、角度、段差距離,若選配旋轉軸,還可量測真圓度、圓筒度、同心度等形狀公差,而工件的取放也能搭配機械手臂進行自動上料檢測,這對自動化的產線有很大的幫助,尤其是心軸類的零件!


最後我們參觀了 ZYGO 的量測設備,他們利用雷射干涉的原理,針對工件表面進行量測,能夠顯示出工件表面的起伏狀況進而取得平面度。雷射干涉儀是將雷射打入分光稜鏡,部分穿透部分折射,折射的光線經由基準鏡反射傳回接收器;穿透的光線由量測鏡反射傳回接收器,依據傳回的兩光波進行相位的判斷,相位相同則增強波紋,反之則減弱,進而得知量測距離變化,也因為雷射光的波長大概數百奈米,因此利用雷射干涉量測能得到極高精度。

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