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第15屆工具機「研究發展創新產 品」競賽 得獎作品大追擊(上)
2022.03.17∣瀏覽數:376

第15屆工具機「研究發展創新產品」競賽得獎作品大追擊(上)
綜合加工機 x CNC車床及其加工單元

整理編輯采宏科技有限公司 蘇春維

全球經歷了兩年多的COVID-19疫情襲擊,終於在2022年露出曙光了,於這後疫情時代重要的時刻,由台灣工具機暨零組件工業同業公會、台灣機械工業同業公會及外貿協會共同舉辦的「TIMTOS×TMTS 2022」工具機聯展,於2月21日~26日一連六天,假台北南港展覽館一、二館盛大展出,同時本次展覽亦為全球2022年首發的國際工具機展。

「TIMTOS × TMTS 2022」進行第15屆工具機「研究發展創新產品」競賽,於開展前每一家參展並參加競賽的廠商,皆以開始競賽的各項活動。本競賽共分為四種競賽類型,分別為「綜合加工機及其加工單元類」、「CNC車床及其加工單元類」、「其他數控工具機及其加工單元類」、「數值控制工具機關鍵零組件類」,最終於參賽作品中選出「所有參賽產品,得綜合評選出智慧工具機及其加工單元或零組件特別獎」。

參加競賽廠商更是投入相當多資源,以爭取最佳成績。在經歷初選與複選結果共有36家廠商38件作品進入選最後決選。開展之後正式進入決選評分的階段,參與評分的委員均是工具機產業的先進與專家。評分時參賽廠家皆發揮出各機台的最大性能、特性與獨特之專利,以展現與眾不同的技術。各公司無不卯足全力、竭盡所能的把機台優勢傳達給評審委員們,在經過評審委員依創新性、智慧化與實用性、結構精度與品質、市場性、經濟性、審美性等分項給予分數,最終選出特優獎一台,各類型機台均選出優勝與佳作數台,如表一所示。




特優獎

本屆特優獎由永進機械工業股份有限公司推出的『UV650-FlexCell多軸化智慧智造單元』獲得,如圖一所示。本項產品同時獲得「所有參賽產品,得綜合評選出智慧工具機及其加工單元或零組件特別獎」之特別獎,可謂是本屆參賽廠商推出產品最大亮點之一。

近年來隨著物聯網與大數據等數位科技的快速崛起,工業4.0議持續發酵,工具機的發展模式也從單機設備演化到智慧製造生產體系,永進機械智慧製造發展模式以「智慧自動化」、「智慧設備」、「智慧管理」三大要素來為客戶創造新的價值,極力爭取高階工具機市場,並助客戶產業轉型,打造智慧工廠。以多年累積的經驗,打造出符合客戶需求的性價比最高的產品,故研發出此款『UV650-FlexCell多軸化智慧智造單元』,結合自製『iProsMX智慧生產系統』、『智慧自動化中控系統』、『i_Direct 智慧管理系統』呈現軟硬體、虛實整合智慧製造概念,達到高效率、高品質、高精度加工,提高生產產能,縮短開發時程,提高競爭力。

以「智動化」、「操作簡單」、「安機快速」為訴求,搭配周邊功能採樂高積木推疊概念,在最小的佔地面積,依不同的JobShop需求,展現「擴充靈活性」,及機台與自動化操作介面整合在同一個介面平台的「All in one」設計,並加入智慧管理系統,採用微服務架構(Micro Service)、雲地共生架構,每個功能模組可符合不同產業的需求。


智慧化控制系統持續追求創新的理念,其中包括自行研發平台功能:1.iCube資料處理平台,收集關鍵資訊包含振動、電流等相關資料處理分析,配合智慧化軟體進行設備監控與預知保養,建立一套完整智慧化系統,使設備達到零停機的可靠度。2.iPros MX智能化生產作業系統,打造多功能智慧機械,提升設備作業人員生產流程效率。系統中具有八項智能化功能,分別為「智慧遠距開機/暖機功能」、「智慧診斷功能」、「工單排程顯示管理功能與單機線上報工功能」、「加工智慧計算機」、「數位化資訊顯示與製程紀錄」、「單機智慧管理」、「智慧維護保養功能」、「遠距診斷服務功能」,智能化功能可讓使用者有智慧化與實用性操作感受,並運用智慧化技術從事生產製造。

在本單元同時具有智慧管理系統,透過物聯網的技術,從接單到出貨流程提供相對應的模組功能,串連工廠生產線上所有製造設備軟/硬體,如各種CNC控制器和機器類型,進行遠端監控及管理,達到可視化;接著取其運作資訊,得知設備稼動率與總和效率等數據,讓管理者監控和管理工廠,掌握即時生產狀態,快速找出並突破生產過程中瓶頸,優化生產效率。系統中具有五項功能,分別為「設備監控管理系統」、「電子化報工」、「品質管制系統」、「在製品生產管理系統」、「自動化監控系統」。可讓生產管理更快速、更確實。

機台鑄件結構剛性部分,透過FEA分析,頭部鑄件、鞍座移動件具有高剛性、輕量化、低變形結構設計;配置高扭力、高精度五軸工作台旋轉工作台採φ650mm大盤徑設計,提供客戶較大工件或夾治具的安裝範圍,五軸搖籃採下鎖式固定減少移動件對旋轉軸軸線誤差的影響;三軸皆採用高剛性加長型滑塊滾柱線軌並搭配動件輕量化設計;自行研發24,000rpm內藏式主軸使用油氣潤滑/軸套冷卻,搭配振動與位移溫度SENSOR,可有效提升切削效能與刀具壽命大幅降低主軸熱變位與工件精度穩定的提升。在自動化生產下,機台裝置治具功能與零點定位系統在搭配機械手臂系統,可進行更具有彈性的生產製程更換,提高機台在自動化模組應用的靈活度。

在軟體介面設計上,採用人性的人機介面,搭配直觀、簡約的圖形化設計,使功能與操作具有良好的適配性關係,帶給使用者前所未有的操作感受和互動體驗。




 綜合加工機及其加工單元類 
優等獎―慶鴻機電


慶鴻機電工業股份有限公司推出的競賽產品『HM1080L-高速雕銑加工機』獲得綜合加工機及其加工單元優等獎,如圖二所示。該產品同時獲得「所有參賽產品,得綜合評選出智慧工具機及其加工單元或零組件特別獎」之佳作獎。慶鴻機電已將放電加工機、線切割機及高速加工中心機採線性馬達並量產,為了使高速加工中心機更上一層樓,慶鴻投入研發,開發出HM1080L-高速雕銃加工機,動柱式結構不會因工件重量影響驅動特性,採自製高推力線性馬達,並搭載永磁同步主軸(PMSM)可增加加工穩定度,希望能帶動國內高精密工具機線馬化量產,期能打響國內市場,並行銷全世界。

本開發機台,使用多項自行開發之軟硬體,並獲得多項專利。1.自製開發線性馬達陣列式刀庫,採用自行開發刀庫管理系統,滿足航太加工多刀數使用需求,刀庫內可先預先進行選刀配合自動交換裝置使用減少刀具交換時間,[專利申請案號:HP-1853號]。2.高推力線性馬達,無接觸磨擦,避免採用螺桿驅動使用一段時間後產生的磨損、背隙問題而影響加工精度。線馬驅動方式可確保永遠不會產生背隙,達成高精度、高效率、高穩定性與使用壽命長等優點,[專利新型第M532690號]。3.加工中心機之主軸,線性馬達,加工油箱所使用的冷卻,整合由一台冷卻機控制循環,並改善主軸熱伸長不穩定情形,提高加工精度以及穩定度,[專利新型第M557162號]。搭載公司自行開發之5軸同步CNC控制器,軟、硬體皆為自行研發。

配有專為慶鴻智慧高速加工機APP系統的CIAS HMC軟體,為可透過雲端的全方位物聯網模組內有:1.管理模組;2.智能加工模組;3.節能及溫度管理模組;4.耗材及保養模組,所有資訊可經由手機監控。電控系統(含控制器),經由模組化概念設計,可於機台異常或故障時,自動發出ALARM信息通知進行快速換修。透過手機於遠端監看耗電量,加工速度方便客戶瞭解機台加工狀況,做有效之工作及能源管理。自我診斷能力,搭配遠端監控技術,即時分析各機台使用狀況,也可利用手機傳送機台使用訊息,提高工作效率與方便性。本機亦可選配前門自動開啟裝置,可視需要搭載機械手臂,達成自動化加工與智慧製造。

採用高剛性動柱結構設計,經3D模擬與FEM(有限元素分析)最佳化設計分析,可使機構精度能夠控制在有效範圍內,且各部位機構能得到完整的支撐,進而使機構不變形提高加工精度。可搭載線上自動量測功能,不需卸載加工物就能夠獲得加工尺寸,減少加工物重複搬運與校正工時、提高成品精度。

本機台最獨特之設計,以採用MIT台灣本土生產的零組件、材料為考量,最重要電控箱內的控制器,為五軸同步PC BASED CNC控制器,軟、硬體、線性馬達、電子組件,全由慶鴻關係企業舜鵬科技公司自行研發生產,線性馬達為自行研發產品,成本只為進口貨的一半以內,製造及未來維護成本大幅降低,搭配變頻式主軸冷卻系統,可將溫度控制在±0.5°C並減少客戶端15%用電(目前能源政策下極為重要的一環),提供高效能的冷卻能力外,亦減少用電與熱源產生。落實本土研發、製造之精神。符合人體工學的操作面板,易學、易操作之人機介面,親和性高及清晰簡明,對話式視窗系統、有加工圖形及軌跡顯示、專家系統、加工資料庫系統,達到人性化與人因工程之思維。


佳作獎―仕元機械


仕元機械股份有限公司推出『ML15-銑車複合加工機』於綜合加工機及其加工單元獲得佳作,如圖三所示。仕元機械投入複合化工具機的開發,此類複合化工具機主要的發展訴求,是結合多部機器之加工工序於一部機器上,藉由複合加工的特性,達到一次裝夾即可由素材加工至成品,以提昇加工效率及精度。

具可變換刀臂配合之外部定位車刀刀座設計與銑床專用控制器內建立車刀車削功能之技術,可突破現有銑車複合機之瓶頸,使此類型刀庫與刀頭分離,刀庫可承載60把刀,可連續對工件完成銑車複合加工作業。於熟悉的銑床控制器及CAD/CAM軟體的操作環境下,執行本機台的銑車複合功能,提高使用者的接受度,與產品的競爭優勢。在CAD/CAM系統下整合建構,具有工作軸向定義、加工工序定義等功能,亦包含繪圖、編輯功能、3維立體圖建構、2D與3D尺寸標註、支援各式圖檔之雙向轉換、實體參數繪圖。

本機台開發內建於機座內部的CS2與A軸複合模組,並以動柱式結構驅動刀具主軸X、Y、Z三軸移動,建構成五軸的銑車複合機結構。工作主軸以油壓鬆夾機構夾持工件,夾持力不會因刀具切削力而退轉,夾持力穩定,工件不鬆動。並具有震動小、加工精度高且穩定、加工速率高的特性,可應用於機械、汽機車、家電、模具、航太產業...等小型工件之銑車複合加工作業,應用十分範圍廣。

鮮明的配色打破以往機械冷硬的形象,螢光綠圖樣綻放效果,象徵開創未知嶄新世界,圓滑導角搭配流利線條設計,整機佔地面積小、簡潔有個性,後方廢料清理運區均能有極佳的動線規劃,是名符其實的小而美設備。


佳作獎―凱柏精密


凱柏精密機械股份有限公司的產品『NU630多軸加工中心機』,獲得綜合加工機及其加工單元獲得佳作,如圖四所示。專注在研發與生產「中高階」以上CNC工具機,也深入客戶端了解實際需求且符合公司的核心價值進行開發機的研發,並將產品規劃出數種產品線齊全的配置。堅持做出高品質產品,提供專業即時的貼心服務,同時提升自我技術能力,配合Al、5G與數位化整合之智慧運用製程的來臨,進行產品開發,滿足客戶需求。

本機開發為一立臥五軸/五面之加工中心機,是以最短力流結構配置為主要設計概念,讓質輕高剛動件驅動於高穩定性之三軌定柱機台專利結構上,具有長期精度穩定性。搭配高剛性立臥旋轉頭,使刀尖點能夠快速切換相位,可進行高加減速與複雜的五軸/五面加工,減少多次夾持並提高加工精度之優異性能,適合應用在航太、能源部件、汽車工程、機械工程和模具製造等諸多行業。

智慧機械遠端監控暨整合化管理系統(Campro IIoT System),自行研發ERP,加入智慧製造概念,發展出智慧化系統,設置感測器監測,即時偵測和預知零件維修歷程,降低故障率。智慧機械物聯網技術方面,有智慧化、自動化、客製化、即時化、可視化、數據化。智慧軟體面向,自行研發自動量儀、自動輸入資料庫系統,取代紙筆作業。各項智慧化功能,可大大提供加工廠的生產效率,同步簡化維護作業,達到減少人力成本和縮短作業時間,提高產值和效益。熱對策方面,結構採取熱對稱+熱移除方式,使熱變形議題降至最小。同步式防屑罩+排屑裝置,可以確保在高快速位移和加減速頻繁使用無虞,且結合自動排屑裝置(不需外加動力源)可滿足工作24/7的需求。換刀系統,結合機台量身設計規畫,不受限標準刀庫,在加工同步取刀及更換預備刀,可依需求擴充刀具,同時具有多用途工作台可以配合不同工序和工件形狀進行加工。

凱柏秉持「以人為本」企業精神,採全面優化,打造友善安全的工作環境。運用人體工學設計於控制面板、前門、門把位置,以提供最佳操作方式。一體式設計,對於防屑性及防水性較佳,與鈑金外罩搭配容易,減少組裝誤差值。耐用性佳,且在高速時可維持平穩,不影響加工精度,具有優異的防水、防油效果。凱柏精機與客戶緊密互動,將客戶需求詳細紀錄並內部討論,每次的機台開發都能滿足客戶迫切需求,創造CP值。


佳作獎―高鋒工業


高鋒工業股份有限公司的『五軸加工中心機CV-400U+自動化』,獲得綜合加工機及其加工單元獲得佳作,如圖五所示。高鋒在本系列加工機產品線已有良好的發展,且規格上也陸績因應市場需求,開發出符合客戶需求的機台。三軸提升五軸所帶來的加工效益,確保工件品質同時提高生產效率。為了適應多面體、多曲面複雜外型加工需求,五軸同動功能,完成所有的加工程序,可避免工件在不同機台之間多次裝夾產生的位置精度誤差。

可選用高速油氣內藏主軸,採用碳纖維材質水套冷卻,降低熱變位與減輕質量,油氣主軸管線採用垂直進氣增加效率性,最高轉速可達20,000rpm。第四軸馬達管線包覆在鞍座下方,增加美觀,並減少管路積屑問題。靜態平面轉換通過3+2軸工具機加工定義空間中的旋轉工作平面,可以任意編程2D或3D加工操作;迴轉軸旋轉到加工平面垂直於刀具軸的位置進行加工,加工過程中平面保持固定。

鑄件經有限元素分析,使機台在高速切削時的動態剛性表現優。底座採用對稱性設計,每個腳墊皆為三點支撐,強化機台穩定度。三軸採用高剛性高精密滾柱線軌,搭配高動負荷的中空冷卻滾珠螺桿,有效提升軸向剛性、壽命及熱穩定性。美學設計,機台外觀採黑、灰、紅色系搭配,黑灰色調暗況穩重,看起來簡易大方,且輕微髒汙不易顯現,搭配象徵高鋒形象紅色及LED燈飾點綴,帶有多層次及科技感。

目前市場對於航太、汽車、高精密醫療設備、國防等產業有著高度需求,隨著五軸加工機製造技術成熟,高鋒自主研發加工機搭配協作機器人整合,可大大降低客戶端的人力成本,並有效節省廠房空間。透過機器人手臂的智慧控制整合優化生產程,使其更為節能有效率、更具智慧化,最終產品可達到極精確的品質,提高客戶競爭力。高鋒願景是要成為全球主要高階工具機的供應商,瞄準全球市場並以自有品牌KAFO立式五軸加工機搭配機器手臂智慧整合方式切入市場。


 CNC車床及其加工單元類 
佳作獎―永詮機器


永詮機器工業股份有限公司,如圖六所示。參賽作品『LLS-M智慧重型多軸複合切削機』,獲得CNC車床及其加工單元類佳作獎。巨型多軸複合切削中心機LLS-M系列為針對離岸綠能風機大型零組件、國防工業及重工業開發之機台,提供切削工件直徑2600mm,長度10m,重量達40公噸之高效率的加工解決方案,同時涵蓋車削、銑削、四軸同動銑削等加工方式,符合未來先進產線加工趨勢。

本次參賽作品結合客戶需求,開發切削穩定性智慧評估模組。建置IoT雲端平台功能,操作者可透過遠端或直接在控制器中,監控機台加工狀態,於雲端平台功能中,包含切削穩定性智慧評估模組,將刀具的幾何定義、加工參數、切削力係數與頻率響應函數(FRF)合併計算,得到機台對應的切削穩態圖(Stability Lobes)。結構分析利進行機台結構靜態與動態剛性進行模擬分析,應用拓撲優化分析減少結構模組材料,同時維持結構模組與整機之靜剛性並增加其動剛性,得到最佳化設計(TopologOptimtzation)之優化與輕量化的結構模組與整機設計,使安全承受力由30噸提升至40、50、60噸最大載重變形量,最佳優化效益達30.5%。

以獨立控制操作箱,快速便捷移動,並改變傳統操作箱與防濺門整合之不便利性。高壓沖屑裝置,前後鐵屑輸送機,減少除屑勞動工時。結構剛性的滿足重負載及高剛性材質的切削,外型簡約美觀。

少量多樣的客制化產品,在市場定位銷售、產品設計、生產製程 技術及售後服務所需的相關的技術都是面臨嚴厲的挑戰。針對高附加價值產業的多軸複合切削中心機市場有其穩定的需求,其相對進入技術門檻較高,但獲利及市場的品牌建立後的穩定度也相對較好。


佳作獎―凱柏精密


凱柏精密機械股份有限公司推出另一參賽作品,『NT-2510SM CNC車銑複合機』獲得CNC車床及其加工單元類佳作獎,如圖七所示。NT系列,在產品上做了許多突破設計,例如模組化設計,提高生產彈性,減少製造成本及流程,本車床產品為一單動力刀塔車統複合機,配12刀位動力刀塔與正副主軸,可在單一機台上完成工件正反二面之加工程序,達成一機多工之效能,並具備棒材送料機與工件輸送帶自動化、門型機械手自動化及關節式機械手臂自動化,增加客戶產值及效益與創造客戶價值自動化應用。

機台優化配置:預測和模擬產品形態,規劃以最大加工空間、最小佔地面積,使廠房能放置更多產品。CAE應用於開發面:評估產品製造可行性,提升設計彈性空間,縮短時間和降低成本。本得獎作品具有與綜合加工機類『NU630多軸加工中心機』得獎之作品相同之智慧化模組功能(於此不再介紹)。

主軸頭採熱對稱性結構設計,輕量化且具有良好熱傳導分布。最佳跨距與高剛性結構設計,提供優異強度與精度。導入模組化設計,可彈性搭配各種周邊設備,有效提供市場多樣化的加工需求。藍色為企業色;銀色來自於機台護罩顏色,同時應用於產品設計。通訊標準化設計,支持工具機國際通訊標準MTConnect(Umati/OPC UA為基礎的工具機通訊協定),機台隨插即用功能,物理零件轉換成數位數據,讓機台資訊透明化。


佳作獎―偉詳工業


偉詳工業股份有限公司產品『WVT-190CNC立式車床』,獲得CNC車床及其加工單元類佳作獎,如圖八所示。偉詳工業致力產出高精度、高剛性的加工設備應用於生產線,以持續供應汽車零件一階(Tier 1),生產工廠的各項需求。有鑑於中小型多樣化市場需求,應用於高強度難切削材質的加工,並同時兼顧簡易操作、即時訊息顯示、快速換刀與自動工件交換系統提升效率,縮短加工時程應用。佔地面積小,更易於佈置客需的產線,本產品WVT-190 CNC立式車床為此而生。

改善櫛式刀塔不利於複雜工序的缺點,與塔式刀塔換刀時程久的缺點,匯整兩者優劣後,創設同時可納入圓周及徑向排列刀座,讓刀塔在最佳換刀效率的設定安排下,自由的進行旋轉換刀與櫛式換刀,進而極度的縮短刀塔非加工時間,以利提升整體工作效率與生產力。

為大數據應用超提前部署,操作箱設置觸控螢幕,操作直覺,學習曲線短,成為工業4.0趨勢中不可或缺的設備。可將單機訊號與生產線訊息即時顯示。進階為作圖形監控、簡化故障排除步驟;以及設置不同現場SOP提示頁面,防止操作錯誤;匯整單機稼動率與各部位耗材更換數據,簡易釋出有效資料,亦可納入ERP系統。

擁有獨特高剛性結構,專為高硬度工件加工設計。具備優異的穩定性與可靠度,依照長期工程驗證的結構數據,設計開發出高精度與品質的設備。可搭配可程式AWC(AutoWorkpiece Changer)自動上下料功能,降低待機時間、提升產出、並降低成本。窄面寬設計,不只可減少操作者移動空間,加快生產節拍,並且大幅縮減占地面積,提升廠房使用率。

以上得獎產品皆是各廠家精心設計開發出來,無論在智慧功能性、結構穩定性、操作便捷性、耗能優化性、佔地縮小性等等,以提供終端使用者最佳解決方案的選項之一。下期將繼續介紹其他數控工具機及其加工單元類、數值控制工具機關鍵零組件類獲獎作品。

 

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