數位化刀具管理方案

文◆工研院智慧機械科技中心智慧製造技術組智慧製造試營運部吳柏勳研究員、廖孟秋副研究員、黃少谷經理、李建毅研發經理

台灣在精密零件加工生產能力上非常卓越，台灣加工業又以中小企業居多，為提升生產效率會導入自動化進行升級，這些多屬於設備智能化升級。但生產過程中刀具除了扮演重要角色外，更是貫穿整個生產流程，從整個生命週期來看，跨越生管、設計、製造、倉儲，各工作點均涉及外部硬體與軟體交握。所以需要有一個系統進行刀具管理，不僅可以有效控管刀具庫存，更可最佳化排程分配刀具，優化生產流程，進而達到節省人力之效益與成本控管。本文探討如何以刀具管理為核心搭配周邊硬體與上層軟體協作，對刀具進行標準化、系列化管理，並由基礎刀具擴展至AOI刀具識別防錯、AOI刀具磨耗檢測等加值技術，來提升刀具最大效益。

刀具管理發展趨勢

製造業在經過這波中美貿易戰與疫情影響，造成部分高度依賴人工管理之製造模式受到衝擊，促使工廠數位化管理轉型應用需求大幅增加。製造業中只要有機台加工就會需要刀具管理，且刀具管理需求依據不同生產型態有所不同，像是精密模具或大型加工件，其加工時間長，用於刀具管理時間短，但二次加工代工生產，工件種類繁多，其加工時間短，要管理之刀具種類眾多，所以刀具管理時間長。這些都需要透過標準作業程序、人員訓練與繁複人工介入才能達到之基礎管理，在即時性、精確性與資料交換性上都稍嫌不足，所以才逐漸發展成智能化管理系統。

刀具使用貫穿整個生產流程從一開始生產設計、製造，到最後的倉儲管理等，都帶著豐富流程資訊，所以針對不同應用領域，對於刀具應用真正在意之數據需求也都不同。在學術上刀具管理定義為製造資源之利用率維持在可接受水準下，確保正確刀具能適時地出現在合適之機械設備的能力，所以刀具管理目的是為確保刀具能適時地出現在正確之機械設備上，而使機械設備不會因缺乏刀具而閒置。刀具管理應串聯生產排程、刀具倉儲、刀具量測與設定、刀具運送、刀具識別、刀具檢測與刀具壽命預測等機能，來確保生產品質。

由Sandvik集團統計之數據發現在加工生產過程中16%計畫作業停止是由於缺乏刀具造成，30%-60%是刀具庫存量不再掌控之中，20%是加工師傅花時間在刀具尋找上，40%-80%是管理人員花時間在尋求適合刀具上。由此可看出，刀具在現代精密零件加工企業中所佔比重很大，而目前管理現況卻讓刀具部分成為企業之加工能力瓶頸，限制企業核心競爭力。國外很多研究也早已注意到這個問題，為使發表了大量論文並開發相應刀具管理系統軟體。尤其近年來，刀具管理系統技術得到大幅發展。國外發展較為成熟刀具管理系統商用軟體主要有：美國刀具供應商Cincinnati Milacron、英國CTMS公司的CYMS(Commodity & Tool ManagementServices)、德國TDM Systems GmbH公司開發的TDM(Tool Data Management)Systems、瑞典Sandvik公司商用刀具管理軟體Auto-TAS等，所以依據廠商屬性分之，目前刀具管理相關廠商主要分為三類，以加工製造應用技術為主的刀具商或系統整合商、數位標籤為主的IoT供應商、以及工具機整機的設備商。製程應用為主的刀具商或系統整合商在加工製造上有較多刀具管理實務與應用經驗，如刀具管理系統中最知名Sandvik子公司TDM Systems GmbH，其所開發之刀具管理軟體TDM整合數個系統模組，可以從刀具零件、庫存、切削參數、刀具壽命、工廠營運管理等方面對刀具進行全方位的管理。

為管理系統方便，並整合母公司Sandvik之Auto-TAS軟體，提供對切削刀具、量具、夾具整個製造生命週期的控制，涵蓋了採購、統計與報告、刀具室的管控和品質管理，整合從設計到製造的全部過程。此軟體透過刀具數據和圖形化的創成與編輯、刀具專業技術和三維圖形整合到CAM規劃中，以及在生產線組織完整的刀具週期等三大核心能力，在刀具管理領域具領導地位。

刀具商為主之刀具管理系統在刀具品牌支援上受限，有鑑於此各大機械整機廠(如DMG MORI、MAZAK等)，刀具設定儀器商(如ZOLLER、TRIMOS等)，數位倉儲設備商都紛紛投入發展與建置。其核心為機械設備本身衍伸至多系統軟硬體資料整合，其中比較著名為ZOLLER提供的TMS(ToolManagement System)。基本功能與上述TDM軟體之刀具管理系統相同，但對於製程優化軟體等加值功能的串聯較少著墨，而是以實際在產線端應用的設備為基礎，應用識別標籤(一維、二維條碼、電子標籤)，將設備有效數據最大化利用，使刀具管理應用更貼近使用者工作操作。

在刀具管理中IoT供應商注重於工具提供而非系統的整合，如Balluff、TURCK等公司，於刀具中嵌入無線射頻辨識(RadioFrequency Identification, RFID)晶片設備，推出高可靠度且多頻段切換的短距離通訊RFID刀具系統。通過無線射頻識別技術與刀具資料標準化，如編號、尺寸或刀具壽命資訊都可以通過RFID系統與刀具硬體連結，具有一定程度可靠性，且資料可隨時調用。快速地監控刀具入庫和流出、精確地管理刀具及其參數，大大提高刀具管理效率，防止加工時裝錯刀具或忘記裝刀具情況發生。所有與刀具相關的資料以短距離通訊的方式儲存在RFID記憶體中，在加工過站時定點讀取或複寫，此為分散式管理。分散式管理具有不需要資料庫維護與產線聯網的優點，其應用較直覺但RFID資料空間有限，只能在範圍內取得資料，不利於工廠整線管理。此類IoT供應商通常會與SI廠或整機廠合作，回到開發刀具管理軟體建立中央資料庫式管理，在刀具移動、裝載作業時基於數位標籤硬體觸發即時更新資料庫。在現代化加工過程中，可以保證刀具最大利用率和設備最長運行時間。

刀具管理機能

數位化刀具管理方案主要目的是協助企業在進行機械製造時，對刀具運用技術或其相關活動進行管理，透過管理進而達到有效控制成本。傳統刀具管理是透過人工登記方式，對刀具進行數量統計、領取、登記、選用與保管等，不只是需要人力去實現每項業務，也消耗大量時間在過多流程上，導致效率無法提升。工研院發展之刀具管理系統其基本核心為刀具資料流通，會以刀組應用資訊資料庫為主，主要為刀具資訊的設定、顯示、紀錄傳遞媒介，軟體結構同圖1所示可包含系統數據、加工參數應用、庫存資料、工具聯網、製程文件、作業統計、資料查找等項目。

刀具管理透過統一管理介面統整使用者進行管理、讀寫器基本參數設置、識別刀具、刀具資料庫管理等基本功能，為後續刀具壽命管理等加值軟體建置基礎。

使用者權限管理

使用者管理最基本的功能就是決定哪些人員能夠操作系統且對其進行資訊的增、修、刪、減等。一般會針對使用者登錄人員合法權限群組配分可操作功能範圍，搭配使用帳密或識別證卡等方式登入，這就保證刀具管理系統的安全，同時便於對刀具、刀片倉等系統的管理。

讀寫器基本參數設置

廠區刀具智能管控首要三個要項分別為：1.準確的識別、2.即時性的定位、3.有效的資料交握。數位定位識別靠的是使用RFID無線射頻標籤或QR code標籤，讀取數位ID作為刀組存取過站確認，於過站後由中央系統主導上傳下載應用信息至設備上。傳統的方法為雷射雕刻二維碼於刀把上，金屬表面需要使用特殊讀取器否則反光導致識別困難，且條碼本身環境耐受度不佳會有磨損等問題造成應用領域受限。而RFID成為環境耐受度佳且運作穩定的選擇，資訊較為彈性並可自動化的做法，重複使用、可自帶資料，缺點為標籤本身價格高。近期也有廠商發展出可以長期使用的貼附式條碼標籤，具容易讀取、抗汙損、貼附性佳、價格合理等優點。

刀具識別

當數位標籤到達無線射頻的識別範圍時，顯示介面就會顯示識別到刀具的各項參數資訊，透過與各種主系統的交握，隨時掌握、紀錄與檢測刀具的狀態以及刀具在系統中確實位置，以增進刀具管理之效率與準確性，避免刀具和主系統刀具資訊不匹配；另一方面減輕操作者的負擔。可以避重大危及機台本身之傷害，如掉刀、撞機等所引起不利生產之情況發生。

刀具資料庫管理

在刀具資料庫管理方面，刀具資料庫系統需包含以下功能：(1)刀具登錄：包括資料建立、修改、領取與繳回；(2)刀具查詢：包括供應商查詢、使用及切削條件、庫存數量、機器持有、所在位置；(3)採購登錄：包括採購單建立、修改、入庫登錄、供應商資料建立、修改；(4)採購查詢：包括個別採購、年月採購、年月入庫、尚未入庫等。配合刀具室地圖，可協助管理者快速找到刀具放置位置，省去找尋時間。

量刀儀

對產線直接人員而言精準量測刀具只是個開始，數位傳輸使量刀儀與生產的每一站無縫交換刀具資料，從工作準備到CNC加工機中，一致性的可靠資料、μm級的高精度刀具數據，這是網路化製造關鍵性的一步。

AOI(Auto-Optical Inspection)刀具識別防錯

當生產線在換線或置換時，需要人為確認刀位認知，有時因為疏失造成刀具位置放錯誤導致撞刀。所以需要在刀庫上安裝可識別的感測元件，進行刀具外型識別，確認刀具的正確性，避免撞機導致的停機維修時間。其功能模組主要透過刀庫在旋轉至交換區時，除透過RFID tag瞭解刀具資訊外，也透過影像即時拍攝，進行刀具外型識別，如車刀、銑刀⋯等，更進一步比對刀長、刀徑尺寸等視覺應用（如圖2）。

AOI刀具磨耗檢測

金屬切削過程中，刀具的健康狀態影響加工品質，目前加工產線都以人為判斷並提前換刀的策略，此作法往往會造成刀具浪費。因此透過AOI刀具磨耗檢測技術，可有效控制加工品質與提高生產效率，其係搭配工具機刀庫系統來執行檢測任務，當每次刀具交換回到刀庫檢測區時，影像擷取模組會擷取出刀具的端面影像，搭配影像分析方法進行刀具端面與刀腹磨耗之檢測（如圖3）。

國內外刀具管理系統

國外也出現不少商用刀具管理軟體，其中較具代表性的有：

(1)英國C T M S 公司的刀具管理系統(CYMS)：

它由一系統軟體模組組成，可配置16個終端，分別設置在刀具庫、刀具設定室、量測室、供應室等，各終端直接與中心數據庫連結，整個系統的作用可以概括為：改善刀具的存取時間及控制發送在外的刀具數量；不斷更新刀具庫的庫存資訊，直接用刀具預調量測數據以調定刀具；提供刀具購置提醒資訊；提刀具用途分析報告。

(2)美國Cincinnati Milacron公司的刀具系統軟體包括下列五大機能：

刀具庫零件管理、機台設備刀具分派、刀具的調度與搬運、刀具檢測、刀具的資訊處理。

(3)德國Delkel開發的 Tool Manager輔助刀具管理系統：

適合於加工單元、彈性製造系統甚至整個工廠的刀具監控、追蹤管理。其軟體功能包括：刀具的庫存；刀架配置的優化；刀具裝配安排；各零件刀具的需求；刀具壽命管理。

(4)瑞典Sandvik子公司的商用刀具管理軟體TDM Systems：

可使刀具管理實現自動化。該系統能監控刀具從有效地點進入刀具庫，直到機台設備上的整個加工過程。它能保證在開始加工一批新的加工件時，預先對刀具做合理的準備，並對刀具的狀態和加工過程進行監測。此系統能發現刀具的臨界磨耗狀態和確保刀具庫存量的合理性，大大提高生產的彈性和可靠性以及設備的利用率。該系統可在各加工階段優化與刀具管理組成有關的各種因素，進而縮短準備、結束時間，減少工廠刀具存放量，提高刀具的使用壽命。

國內現有的刀具管理軟體：

運算與管理，功能單一，主要解決刀具的庫存管理以及領出、歸還等簡單的動態管理。進階一點的會配合智能刀具庫、刀具管理系統、智能刀具車等軟硬體解決方案，但也只針對刀具方面。目前缺少的部分是刀具與前端的CAD、CAM等CNC製造商業軟體串接，以及與後端的倉儲、ERP等企業資源相關軟體整合，這樣刀具管理資訊才能會與整個生產週期息息相關，協助企業才能從生產製造面到經營管理面都升級轉型。

結論

刀具管理方案之導入，對企業原本的生產流程一定會有衝突，困難點在標準操作流程與人員觀念要落實，所以刀具管理流程一定要能彈性調整。工研院數位化刀具管理方案能夠協助企業在生產過程中的刀具、夾具和量具進行整體的流程化管理，並通過實時追蹤刀具的採購、出入庫、校準等過程，來最大限度延長刀具壽命與極大化利用從研發、生管到生產必須共同分享刀具應用數據。有基礎的刀具數據的管理與建置，就可通過對刀具壽命的預測，為生產製造工藝提供決策支援，配合工研院數位化刀具管理方案AOI刀具識別防錯、AOI刀具磨耗檢測等技術，豐富刀具管理的內容，增強了刀具管理系統在企業的適用性，實現刀具多環節管理與企業其他系統的資訊共享和交互，最終目標為活化製造生命週期資訊流動提升刀具性能，進而提高工廠的生產力。

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