智慧刀具提升CNC機台設備新勢力

機械為工業之母，而智慧機械更是製造業轉型升級的重要環節之一，在如何有效做好CNC刀具管理？、CNC刀具管理，如何提高OEE、縮短製造週期？中我們可以知道，若有以合適的方法進行刀具收納，監控管理，能幫助我們降低CNC設備機台加工的故障率，提高機台稼動率，甚至是避免發生意外事件導致設備損壞、人員受傷。

而想要能夠減少製造過程中的浪費、降低環境耗損、降低營運成本、提高工廠生產效率、最重要的要訣便是「預防」，只要做到即時監控品質受損與崩、斷刀的預知，便可以減少碳排放，同時達到環境永續的效果。

但在很多CNC加工現場內還是會發生一種情形；明明企業主們已經將刀具進行數位系統化的管理：用合適的刀具櫃做收納、也以數位監控系統軟體協助設備穩定運行，但還是無法讓刀具像人一樣，能夠有觸覺，可以感受到外在環境的影響，並將這些「觸覺」形成數據資料，讓現場人員能夠即時掌控與調整。那麼，CNC加工現場還有哪些痛點令企業主們感到棘手無解呢？一起接著往下看吧！

CNC加工現場問題百百種

刀具監測困難點

1.無法監控刀具壽命導致工件毀損：過去經常會依靠經驗或是過往參數去判斷刀具壽命，但準確率卻非常不一定，很多時候為了確保不損壞工件，會低估刀具的使用壽命，造成刀具成本提高；或是高估使用時間而造成工件毀損，效益下降。

2.無法檢測盲孔的加工品質：很多時候在加工時，會遇到工件内具有各種形狀和深度且不導通的孔（盲孔），若只以傳統現有感測器檢測，操作人員無法從圖示的數據資料判辨出是哪一個孔洞有問題。

3.超精微加工讓感測器失靈：若是操作一般體積較大的刀具，資深師傅還可以用聽的來辨別是否崩、斷刀，但很多加工是以精微刀做加工，鑽孔最小只有0.2，操作過程中刀子有沒有斷掉都不知道，更是無法用聽的或是依靠經驗去判別刀具使用狀況。

4.攻牙後螺牙品質檢測不出：每次鑽孔時都會有板式，牙絞進去後排穴槽排出麻花捲，必須要對稱不能卡屑，不然會二次咬牙造成品質下降，即便工件完成後要進行檢測，品管也只能拿螺絲出來鎖一鎖，無法有效進行品檢。

5.手動紀錄耗時費力又易出錯：無論是手寫還是利用EXCEL記錄切削的數據資料、感受，都有可能會因為人為因素而導致數據資料出錯，且無法及時傳遞資訊及調整刀具設備。

耗費人力、時間成本試錯

傳統切削的試錯方式是在接到訂單後，進行「試加工」，再向客戶回報是否為所需的理想品質，力求完善，接著再不斷找出問題點並修改參數、治具。但在試加工時會引發以下幾點問題：

1.主觀認知使製程並非最快最好

2.浪費的試製時間，增加隱性成本

3.外包（浪費成本，需稽核外部品管）

4.更動設計後再回到試加工迴圈。

通過上面這幾項問題點我們可以知道：如果要提升設備總合效率OEE，其中一點是要先能夠得知刀具精準的數據資料，但在切削加工的過程一直都是變化多端，只靠操作人員的經驗去判斷刀具壽命與加工品質，不僅無法正確掌握實際情況，也可能會增加大量成本，因此需要刀具準確的數據資料，並將其數位化、即時化，才能讓師傅更直覺化（輕易看懂數據資料）的操作，但到底該怎麼做才能做到智慧監控刀具的即時情況呢？

如何將刀具智慧化？

智慧化便是透過IoT物聯網讓設備上網，利用即時數據將設備智慧化，提升設備運行效能和生產能力，以CNC加工來說就是要先做到將IoT物聯網與「機械觸覺」感測應用導入工具機械、切削加工中，在刀把加裝感測器讓刀具有感知、觸覺，感測器可以感知環境、蒐集外在訊號，再即時傳遞到數據資料平台上，達到真正準確的趨勢及預知分析。

智慧刀把應用帶來新效益

智慧刀把運作原理

在主軸或刀把上的結構以360度環週佈滿密集的感測元件，每個感測元件可回饋刀具所受任何方向施加的彎矩力（Bending moment）、軸向力（Axial force）、扭力（Torsion）及溫度，由非常多密集的感測點形成在一個可視化的極座標靶圖（Polar Plot）上，並透過無線通訊方式將數據傳出，可以即時監測並蒐集準確數據資料後，回饋給操作者進行分析與應用。

智慧刀把應用優勢與特點

1.銑削力視覺化，操作者一看就懂：以極座標的方式呈現，刀子在切銷時，每轉一圈刃會切四次，切削力量越大，在坐標上越往外擴，只要有一個刃不是對稱的，操作者便可以知道刀具有問題。

2.磨削力視覺化，振動雜訊一目了然：如果磨削力穩定，感測器測出來的藍色點狀訊號圖便會呈現完整圓形，座標會在中心點，藍色的線會越來越細；磨削力不穩定的話，便不會呈現完整圓形，不僅可以即時監控磨削力的情形，沙輪的品質也可以被記錄下來。

3.高靈敏度感測器，超精微加工也不怕：小於1N的切削的力量感測，感測器靈敏度最小可達到眼睛不可視的範圍，可以知道精微刀的四個刃是如何逐漸增長；鑽孔最小做到0.2的精微孔，解決超精微刀斷刀無人知的困擾。

4.資料可再造性高且能繼承模型資料：資料重現性100%，可自由設定校正值或是原始值，資料跟著刀具走，也不需個別的機床重新建模。

5.可視化即時處理分析邁向工業4.0：所有刀具動態變化等物理表現，皆透過PCbase與控制器協定通訊完美回授，將傳統工具機提升至智慧製造的等級。

6.隨時監控刀具切削時壽命狀態：即便參數、治具、工件、工具機、刀子品牌相同，每一把刀具的壽命卻不會一樣，這是因為刀具本身品質的關係，因此可以利用感測器以對的方向、用法來監測刀具切削力量，監控並預測刀具使用狀況和壽命。

智慧刀把應用效益

◎切削加工即時監測，合併不同產線

1.斷刀預防發展到面粗預防：即時瞭解加工狀態，避免出現斷刀或工件面粗（表面粗度）品質不佳，而導致不良品產出。

2.快速優化製程與計算效益：監控的即時性，隨時掌握加工過程中的品質或刀具壽命漸變，能在不良品產生前即時回饋，甚至清楚計算生產成本，藉此改善製程與提升生產過程中的目標效益。

3.實現24／7不停機切削生產：CNC加工多數以產出為主要目標，只要設備還能運轉，就不會停機，時常導致品質逐漸變異，並產生惡性循環，最終使生產成本不斷提升。透過感測端媒合方案，針對不同機台進行調整，在生產過程中監控重點刀具及設備，從中降低停機與維護產生的成本、提升量產的穩定性。

4.車銑攻磨鑽中兼顧加工品質及切削壽命：產線上會遇到非常多加工方法，而每一種方法都取決於各種設備獨有的機械特性，因此難以對所有製程做整合。利用智慧刀把可以針對任何的切削型態，做到高度智慧化，輕易掌握每段製程的切削品質與壽命。

智慧刀把應用案例分享

機台邁入智慧化關鍵

利用智慧刀把作為Tool control center（TCC）的智慧化主軸，在系統內就像APP一樣，可以看到刀子每一個刃的狀況，鎖住那一台機器切削下去工件的面數到多少就到多少，大部分應用在汽車廠及航太加工廠。

改善汽車引擎加工時盲孔背鏜刀等問題

◎以引擎為例

傳統加工問題：在汽車廠內是以引擎為主，尤其是缸內直噴的引擎，由於渦輪要增壓進去因此精密度要高、密封程度要很好。但進行鏜刀加工時，只要有一點白邊就會出很大問題，引擎會有火舌竄出。

傳統品檢問題：過去用背鏜刀時，是以數量去判定刀具壽命，並以人力進行全檢：用內視鏡照加工地方，每一個工件都照，不僅耗費許多人力，且所有工件要到最終品檢才知道品質好不好，刀具設備是否需要調機。

智慧刀把應用：利用智慧刀把聯網，達成在加工時便可以進行整個品質監控，刀具、時間、停機、不良品成本皆下降。

減少二氧化碳排放量：透過智慧刀把的應用，不僅直接減少人力、物料和設備的等待閒置時間，也間接降低了電力使用量，達到減少溫室氣體排放的效益，而這也是邁向ESG的重要一步。

◎以渦輪為例

傳統加工問題：渦輪軸件轉速高所以刀具機台的穩定度顯得非常重要，因此變動的數值要在公差帶上，但是刀具會損耗、公差帶會往上走、內徑會往下走，因此數值很難控制在公差內。

智慧刀把應用：精準控制切削的力量，如果力量不對的話控制器會反控它，讓力量拉回來，永遠控制在精度上，而刀子太過毛的話便會提示要進行換刀。

智慧化後虛實整合

◎以航太產業為例

製造渦輪的其中一塊小葉片時，把每一個切削力打在坐標系的點上，形成3D虛擬的航太葉片，由圖可以知道刀具力量分布在哪、有沒有用對力量？若工具機有異常震動，都可以在數位軟體平台中反映出。

以CNC加工產業來說，想做到的便是提升產品質、減少浪費、降低成本等來提高生產效益，甚至是減少製造過程中不必要的溫室氣體排放，達到環境永續。

因此無論使用哪一的刀具、工具機，只要提升工具機切削品質、機械設備數據資料的品質，便能提升產品品質。想要工件品質好，首先要控制好刀具的狀況，透過智慧刀把上的感測器蒐集數據，做到即時監控品質受損與斷刀預知，並針對製程進行分析與優化，才能達到智慧製造的要件，並有效率地達到ESG的目標。

參考資料：馬森科技