整合型車間加工刀具管理解決方案

作者:

廖孟秋、陳志明、李建毅

刊登日期:2021/10/28

摘要:台灣中小企業在製造上具有卓越加工能力,對於智慧製造導入需求首重於生產效率提升及節省人力的協作作業。近年來ERP、MES、CAD/CAM等數位輔助工具在各廠中盛行,但其中詢問度高卻難以整合之一為刀具管理系統,困難點在於SOP確立常與人員習知作業衝突,單套式刀具管理軟體對於不同類型的工廠製造管理缺乏友善套用。刀具使用生命週期跨越生管、設計、製造、倉儲,各工作點均涉及外部硬體與軟體交握。本文探討如何以刀具管理為核心階段性整合周邊硬體與上層軟體協作。對刀具進行標準化、系列化管理,提升刀具最大利用率,進而逐步實現智慧製造遠景。
Abstract:Taiwan’s Small and Medium Enterprises (SMEs) have excellent processing capability in manufacturing. For the introduction of intelligent manufacturing, the first priority is to improve production efficiency and save manpower. In recent years, digital auxiliary tools such as ERP, MES, and CAD/CAM become popular in various factories. However, it is hard to integrate the tool management systems even with high inquiries. The difficulty is that the formulation of SOPs often conflicts with tasks that operators are familiar with. A single set of tool management software is not convenient for handling different types of manufacturing systems. The tool life cycle spans production management, design, manufacturing, and warehousing, and at each work point involves the handshaking of external hardware and software. This article discusses how to integrate peripheral hardware and software collaboration through tool management as the core. Standardize and serialize tools for management to maximum the utilization of tools.
關鍵詞:刀具管理、工具生命週期、物聯網
Keywords:Tool management , Tool life cycle, Internet of things, IoT

前言
中美貿易戰以來製造國生態改變,製造業回流已開發國家,繼此疫情爆發影響,高度依賴人工管理的製造業又是一次衝擊,促使去人工成分的車間數位管理應用需求大幅增加。刀把管理在製造業中只要有工具機使用就有管理需求,且刀把使用數量隨產線擴張與產品多樣性提昇呈倍數成長,統計數據表明,在1900年時人們普遍使用高速鋼刀具,那時刀具用於加工的時間可以達到90%左右,用於管理的時間僅有10%。隨著技術的不斷發展,到1997年,人們普遍使用的是鍍層硬質合金刀片,切削速度得到大幅度的提高。加工時間的減少和刀具品種的多樣化使得刀具管理的時間增加到了85%。過去需要透過精確的SOP、深度的人員訓練、繁複人工才達到基本的管理,但即時性、資料可交換性、準確性都很難達到最佳化,才會有人提出智能化管理。在市面相關產品的比較與客戶拜訪中發現,刀具管理通常帶有強烈的流程信息,需要配合精實管理SOP操作。國內業者中小企業即使同為模具製造,生產類型差異極大,對於刀具應用真正在意的數據需求也都不同。
為解決企業以上問題,有效的刀具管理為極其迫切及必要,刀具管理的目的是為了確保刀具能適時地出現在合適的機械設備中,使機械設備不因缺乏刀具而閒置;架構應串聯生產排序、刀具倉儲、刀具設定、刀具運送、刀具識別、刀具檢測以及刀具預測(壽命/備份/歸類/精度補償)。透過刀具管理系統之建置,不僅能減少浪費,降低成本,更能增加作業的彈性,確保產品品質。[1]
刀具管理技術趨勢發展
目前發展刀具管理的相關廠商主要可分為三個面向,具有深厚加工製造應用技術的刀具商或SI,數位倉儲、對刀儀或是工具機整機製造的設備商,與以數位標籤為主力產品發展分散式管理的IoT供應商。第一個類型在工具管理方面具有相對先進的管理系統和管理經驗,如刀具管理系統中最廣為人知的Sandvik子公司tdm systems其所開發之刀具管理軟體TDM[2]整合數個系統模組。其發展核心為豐富的刀具元件商業資料庫,從零件、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。除了管理系統方便,並整合著名之AutoTAS軟體,提供對切削刀具、量具、夾具整個壽命週期的控制,囊括從採購、統計與報告、刀具室管控和品質管制,整合從設計到製造的全過程。該軟體之開發強勢在於系統性的刀具參數管理,由資料庫就可系統性的查詢與直接試車應用,透過科學化數據性的參考資料取代傳統經驗取向參數調整。
但刀具廠商為主的獨立資料通常有刀具品牌限制,近年除了刀具廠商自主建置資料庫外,各大整機製造商(如DMG MORI、MAZAK等),刀具設定儀器商(如ZOLLER、KROMI),或數位倉儲設備商亦紛紛投入該領域之建置與研究。其核心為機械設備本身衍伸至多系統軟硬體資料整合,其中比較著名的為ZOLLER提供的Tool Management System(TMS)[3]。基本功能同於上述TDM軟體之刀具管理系統,但對於製程優化軟體的串聯或其他加值功能著墨較少。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)之嵌入,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供應商所扮演的角色較傾向於工具提供商而非車間系統整合商,如Balluff、TURCK等公司,於刀具中嵌入無線射頻辨識(Radio Frequency Identification,RFID)晶片設備,推出高可靠度且多頻段切換的近場通訊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,具有一定程度的可靠性,且資料可隨時調用。快捷地監測刀具的入庫和流出、精確地管理刀具及其參數,大大提高刀具的管理效率,防止加工時裝錯刀具或忘記裝刀具的情況發生。所有與刀具相關的資料以近場通訊的方式儲存在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車間聯網的優點,其應用較直覺但RFID資料空間有限,只能在範圍內取得資料,不利於車間整線管理。此類IoT供應商通常會與SI廠或整機廠合作,回到開發刀管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,可以保證刀具的最大利用率和設備的最長運行時間。
隨著自動化生產的建置與深化,刀具管理如何被應用在自動化生產中成為近來發展的焦點。目前機械人常於加工自動化負責上下料作業,換線時也可以使用治具交換盤與原點定位系統不須停機,但如果遇到需要更換刀具仍仰賴人工維護。其中自動化門檻之一為組刀,組刀動作繁瑣自動化不易,有人提出以熱燒結刀把進行自動化組刀,而其他類型的刀把仍未有較佳解決方案。刀具管理系統通知人工組備刀放置於交換盤或數位刀倉中,再由機器人取用進行量刀、工具機上下刀,是目前刀具管理處理人員與自動化協作較常見方法。如Cellro的Toolchanger[4]是一個外部存儲刀組的數位倉儲,在有限占地面積中存儲SK、HSK、BT、CAPTO等多樣化刀具類型,前方置刀口有RFID感測器由人員取放刀組後做分散式管理,另一側則為機器人刀具取放介面。

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