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面對(duì)當(dāng)今國(guó)際通貨膨脹和長(zhǎng)期凈零碳排放趨勢(shì)，除了工具機(jī)制造商不斷推出新品種外，對(duì)于打算建設(shè)智能工廠、利用工廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)提高效率和減碳的加工業(yè)人員，也對(duì)耗材最大的工具進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，除了預(yù)測(cè)其使用壽命外，以避免損害和生產(chǎn)效率和質(zhì)量；或過早更換，造成不必要的浪費(fèi)，各種無線網(wǎng)絡(luò)解決方案也由相關(guān)刀柄各種無線網(wǎng)絡(luò)解決方案。

特別是隨著傳統(tǒng)燃油車輛向電氣化的快速發(fā)展，雖然是短期內(nèi)訂單大幅下降的危機(jī)，但也可能是汽車零部件和模具加工應(yīng)用貢獻(xiàn)40%左右收入的難得機(jī)遇。除了推陳出多種高階金屬切割/成型加工機(jī)種，如雷射、車銑復(fù)合、五軸等，運(yùn)營(yíng)商將復(fù)雜性與減工方法相結(jié)合，以克服輕質(zhì)材料的難切割特性；同時(shí)，結(jié)合智能自動(dòng)化單元（Cell）、整線解決方案（Turnkey Solution），建設(shè)智能工廠，兼顧整體加工效率OEE持續(xù)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，滿足減碳(廢)需求。

相關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景如下：

1.制動(dòng)盤智能生產(chǎn)系統(tǒng)集成了車床、鉆孔攻牙機(jī)、測(cè)量和存儲(chǔ)設(shè)備，以及3D3.結(jié)合遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，感知裝置和工業(yè)機(jī)器人D實(shí)時(shí)仿真干涉檢查、切割負(fù)載監(jiān)控等功能，以及智能爪傳感器、在線工件動(dòng)平衡分析等獨(dú)立技術(shù)。

2.鋁輪圈生產(chǎn)系統(tǒng)，由于許多制造商推出了集成工具機(jī)和工業(yè)機(jī)器人的汽車鋁輪圈自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)，臺(tái)灣制造商也與學(xué)術(shù)界合作引進(jìn)了自動(dòng)虛擬測(cè)量技術(shù)，希望進(jìn)一步穩(wěn)定加工質(zhì)量；

3.汽車鈑金生產(chǎn)線，由于臺(tái)灣制造商提供了許多國(guó)內(nèi)外汽車工廠，用于生產(chǎn)汽車鈑金，然后開發(fā)汽車鈑金垂直生產(chǎn)線，包括堆放給料機(jī)、清洗機(jī)、裝置、工業(yè)機(jī)器人和終端給料系統(tǒng)，以大大提高生產(chǎn)效率。

為了迎合行業(yè)4.0智能制造的趨勢(shì)，終端加工業(yè)也從生產(chǎn)線設(shè)備連接開始，希望實(shí)時(shí)獲得生產(chǎn)線設(shè)備、部件、刀具的狀態(tài)和運(yùn)行過程，記錄和保留；并引入熱補(bǔ)償功能、微潤(rùn)滑切割方法，減少傳統(tǒng)冷卻設(shè)備或冷卻切割液的高能耗。結(jié)合專業(yè)知識(shí)、智能診斷和決策，形成智能生產(chǎn)系統(tǒng)，調(diào)整各種生產(chǎn)資源，減少不必要的浪費(fèi)。




圖1 : 終端加工業(yè)從生產(chǎn)線設(shè)備連接開始，希望實(shí)時(shí)獲取設(shè)備、部件、刀具等狀態(tài)和運(yùn)行過程，并記錄保留。（source：news.mapal.com）

對(duì)于金屬切割所需的刀具無線監(jiān)控功能，必須具備準(zhǔn)確識(shí)別、立即尋址、有效數(shù)據(jù)交握三個(gè)重點(diǎn)。在準(zhǔn)確識(shí)別的基礎(chǔ)上，必須在早期通過粘貼或雷射雕刻QR code在刀柄上，價(jià)格便宜，但信息記錄有限，彈性低。它仍然依賴于大量的人工操作，并且由于環(huán)境耐受性差，容易磨損。因此，目前刀柄無線通信系統(tǒng)主要分為：RFID、藍(lán)牙、WiFi module，支持各種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。

巴魯夫RFID解決方案 數(shù)字化導(dǎo)入前端刀具管理
巴魯夫是德國(guó)百年公司（Balluff）進(jìn)一步分析客戶導(dǎo)入RFID管理工具的好處不同于傳統(tǒng)的手寫方法，容易造成錯(cuò)誤/遺漏，或遺失記錄而不易管理；而且在使用條形碼時(shí)，容易被污垢屑劃傷，只能讀取刀柄數(shù)據(jù)，不能實(shí)時(shí)更新。目前透過RFID管理刀具不僅能承受油污和粉塵環(huán)境，還能保證刀具數(shù)據(jù)不遺漏，隨時(shí)復(fù)制更新，易于管理和操作。

公司從1921年開始生產(chǎn)傳感器，到2006年逐步向工業(yè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，并利用其完整的產(chǎn)品線優(yōu)勢(shì)推出工業(yè)級(jí)RFID芯片模塊是智能心的智能刀具管理解決方案，引入制造業(yè)現(xiàn)場(chǎng)加工端流程。為了便于識(shí)別、安全跟蹤材料、存儲(chǔ)和隨時(shí)調(diào)出所有相關(guān)的工具數(shù)據(jù)，分別編碼產(chǎn)品和工具。

從顧客購(gòu)買新刀具開始，就會(huì)RFID標(biāo)簽粘附嵌入刀柄，輸入所有刀具的最新參數(shù)等信息，控制加工后造成的磨損。如果現(xiàn)場(chǎng)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷不需要修邊，可以直接送到刀庫(kù)(室)。否則，將回到刀具管理階段。測(cè)刀儀獲取研磨邊緣后刀長(zhǎng)、半徑等最新數(shù)據(jù)，并將其復(fù)制到RFID 隨時(shí)更新信息，讓用戶掌握真實(shí)刀具的使用壽命和數(shù)量。

目前巴魯夫RFID系統(tǒng)可分為處理器、采礦三部分Ethernet TCP/IP也適用于接口IO-link、CC-link、ProfiNet其他通信協(xié)議可以同時(shí)連接PLC四個(gè)讀寫頭；讀寫頭，尺寸小到M16*55mm，安裝方便；數(shù)據(jù)編碼模塊O10x4.5mm就像計(jì)算機(jī)一樣USB一般無限讀取，30次℃、70℃隨時(shí)更新數(shù)據(jù)，在環(huán)境中編寫50萬~100萬次。




圖2 : 巴魯夫強(qiáng)調(diào)，除了現(xiàn)在的刀具管理系統(tǒng)，RFID除了監(jiān)控的核心，硬件還必須依靠團(tuán)隊(duì)合作來提供最好的解決方案。（source：pressebox.com）

讀寫頭放置在機(jī)器(刀庫(kù))的上下兩端，非接觸讀寫數(shù)據(jù)編碼模塊時(shí)，必須保持超低頻信號(hào)，以避免金屬干擾<2.5mm距離。即使客戶購(gòu)買新機(jī)器，也必須與工具機(jī)制造商協(xié)調(diào)，并在內(nèi)部安裝機(jī)構(gòu)，以促進(jìn)讀寫頭靠近芯片。由于客戶工廠工具機(jī)品牌復(fù)雜，在多機(jī)集成環(huán)境中，也可以安排讀寫頭在機(jī)器外讀寫刀具編程。

巴魯夫還強(qiáng)調(diào)，除了現(xiàn)在的刀具管理系統(tǒng)RFID硬件是監(jiān)控的核心，但也依賴于團(tuán)隊(duì)合作。包括工具機(jī)制造商協(xié)助導(dǎo)入和交換數(shù)據(jù)；通過刀挖制造商，粘貼嵌入芯片，實(shí)現(xiàn)動(dòng)平衡；對(duì)于刀具制造商，在刀具加工完成后進(jìn)行測(cè)量，更新研磨邊緣的參數(shù)數(shù)據(jù)寫入標(biāo)記；系統(tǒng)集成器協(xié)調(diào)提供最佳解決方案。

后端結(jié)合IO-link連網(wǎng) 掌握智能工廠關(guān)鍵數(shù)據(jù)
巴魯夫還為一般智能工廠提供了完整的傳感器，可能遍布大量傳感器，必須有效減少配線，實(shí)時(shí)監(jiān)控需求IO-link支持當(dāng)前所有通信協(xié)議的解決方案不限于控制器品牌。與傳統(tǒng)布線要求每個(gè)傳感器不同，必須單獨(dú)拉回DI模塊，導(dǎo)致搜索和維護(hù)復(fù)雜線路不方便，然后提供集線盒集中感知線路，然后通過單線返回DI模塊仍然只有部分省份的配線效果。

如今，客戶可以透過底層IO-link，所有傳感器模塊都集中在主站Master模塊通過單通信總線直接返回上層PLC，廠內(nèi)大量傳感器設(shè)備的監(jiān)控狀態(tài)維護(hù)更新方便，現(xiàn)場(chǎng)連網(wǎng)管理方便。

依巴魯夫指出，IO-link它是一種非模擬點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模式，可以實(shí)時(shí)收集數(shù)字/模擬傳感器狀態(tài)的雙向通信，盡管協(xié)會(huì)成員供應(yīng)商可以支持。但該公司約有48%的產(chǎn)品使用IO-link，特別適用于大量傳感器和設(shè)備場(chǎng)景，易于熱插入，便于現(xiàn)場(chǎng)組裝和維護(hù)，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊，預(yù)診維護(hù)和日常維護(hù)Profinet最多可擴(kuò)展496個(gè)架構(gòu)DI模塊串聯(lián)，然后連接回主站Master。




圖3 : 現(xiàn)在客戶可以穿過底層IO-link，所有傳感器模塊，如刀具，都集中在主站Master模塊通過單通信總線直接返回上層PLC，易于現(xiàn)場(chǎng)連網(wǎng)管理。（source：balluff.com）

中小企業(yè)刀具監(jiān)測(cè) 新增Zigbee選項(xiàng)
然而，一些臺(tái)灣刀具制造商指出，通過導(dǎo)入RFID環(huán)境耐受性好，可重復(fù)編寫數(shù)據(jù)重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，雖然可以使刀具生命管理的概念，但最終不再僅僅是在數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以達(dá)到大量的云數(shù)據(jù)。它將大大縮小管理數(shù)據(jù)與實(shí)際操作人員之間的關(guān)系，使用戶可以通過簡(jiǎn)單的物理讀取接口自動(dòng)獲得大量有用的數(shù)據(jù)，如讀取頭觸摸。

但受到RFID本身的被動(dòng)特性限制只適用于嵌入刀具金屬表面的標(biāo)簽，導(dǎo)致標(biāo)簽價(jià)格高；不能埋入傳感器，積極反饋外部環(huán)境條件、工作狀態(tài)、后續(xù)智能監(jiān)控、加工反饋、立即搜索等應(yīng)用。

它必須依靠人工近距離接觸來讀取數(shù)據(jù)取數(shù)據(jù)。即使將讀寫頭安裝在機(jī)器上，仍然使用超低頻信號(hào)，以避免干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)僅限于極近的感知距離；特殊頻段的卷標(biāo)價(jià)格較高，不能立即反饋任何刀把信息。

另一方面，控制應(yīng)用領(lǐng)域也有微型Zigbee支持無線通信模塊的協(xié)議語言，由于在基本通信協(xié)議的設(shè)計(jì)中，最初考慮了一對(duì)100點(diǎn)以上的通信，并實(shí)施了多路徑的跳點(diǎn)通信（multi-hop），比起Wi-Fi藍(lán)牙在設(shè)備自動(dòng)化中的應(yīng)用更加成熟。

且Zigbee溝通只注重感應(yīng)和控制，所以傳遞的信息量很小；與設(shè)備相比，無需始終打開設(shè)備WiFi、藍(lán)牙省電，硬件裝置價(jià)格最低，成本降低；支持先進(jìn)的加密標(biāo)準(zhǔn)AES（Advanced Encryption Standard），因此，只要設(shè)置得當(dāng)，就會(huì)有很高的安全性M2M設(shè)備間溝通。

今天(2022)臺(tái)灣省刀具廠益挺企業(yè)工具機(jī)研發(fā)創(chuàng)新產(chǎn)品競(jìng)賽獲獎(jiǎng)WSN智能刀具管理系統(tǒng)分為四個(gè)單元：Zigbee End device刀把；WSN Gateway串聯(lián)PLC整合各臺(tái)刀柄數(shù)據(jù)；WSN Master Gateway，整合工廠所有刀具數(shù)據(jù)和控制器PLC，針對(duì)各大品牌CNC控制器，開放傳統(tǒng)MODBUS TCP/RTU、UART或用于刀具管理數(shù)據(jù)庫(kù)和刀庫(kù)控制器傳輸和交握數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)通信功能。

其中，智能無線刀柄采用雙向通信微型，更適合智能工廠Zigbee適用于無線通信模塊BT40、HSK63等型式的ISO標(biāo)準(zhǔn)刀把。其建造刀把IoT網(wǎng)絡(luò)，功耗低，成本低，可以支持大量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和各種網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展模式，快速、可靠、安全。益挺進(jìn)一步分析Zigbee與RFID刀柄的差異包括：

1.Zigbee為了主動(dòng)通信，在傳輸距離、速度和穩(wěn)定性方面具有優(yōu)勢(shì)。根據(jù)機(jī)器配置要求，傳輸距離一般設(shè)置在1.5m內(nèi)，RFID僅為2mm。

2.雙向一對(duì)多架構(gòu)，只要刀柄能主動(dòng)傳輸定位和狀態(tài)變化，包括接收器天線，就不必像RFID必須定點(diǎn)逐一掃描刀柄，也可以改變大量刀柄批次廣播的行為。為了更實(shí)時(shí)地獲取刀柄信息。RFID當(dāng)?shù)侗�未按�?guī)定掃描時(shí)，必須逐一定點(diǎn)掃描刀柄SOP在這個(gè)定點(diǎn)之后，即使刀柄在機(jī)臺(tái)內(nèi)也無法知道。

3.主動(dòng)帶電設(shè)計(jì)允許刀把模塊嵌入傳感器中，以增加主動(dòng)智能功能。模塊內(nèi)嵌溫度，G-sensor、Gyro當(dāng)?shù)侗�移�?dòng)、脫落、沖擊時(shí)，傳感器觸發(fā)通信模塊，主動(dòng)聯(lián)系系統(tǒng)更新狀態(tài)和應(yīng)變，或使用傳感器監(jiān)控切割穩(wěn)定性，維護(hù)預(yù)警。刀柄還可以自行檢測(cè)電量等狀態(tài)信號(hào)，并隨時(shí)通知系統(tǒng)維護(hù)等需求。

4. 選用Zigbee芯片作為一種高度集成的解決方案，只需要少量的外部組件，并選擇低成本的組件，可以支持快速、實(shí)惠的節(jié)點(diǎn)建設(shè)。有別于RFID工業(yè)級(jí)特殊頻率規(guī)格必須選擇卷標(biāo)，導(dǎo)致價(jià)格有限。由于采用雙向通信，不需要選擇特殊規(guī)格的接收器，可以選擇一般嵌入式系統(tǒng)單版加通信模塊。在合適的天線設(shè)計(jì)下，它是一個(gè)通用接收器。與指針廠的價(jià)格相比，通信模塊可以節(jié)省40%和25%的價(jià)格。

Renishaw藍(lán)光雷射設(shè)置系統(tǒng) 協(xié)助提高加工精度和效率

芯片采購(gòu)網(wǎng)專注于整合國(guó)內(nèi)外授權(quán)IC代理商現(xiàn)貨資源，芯片庫(kù)存實(shí)時(shí)查詢，行業(yè)價(jià)格合理，采購(gòu)方便IC芯片，國(guó)內(nèi)專業(yè)芯片采購(gòu)平臺(tái)。

圖4 : Renishaw業(yè)界首發(fā)的NC4 Blue 藍(lán)光雷射刀具設(shè)置系統(tǒng)適用于測(cè)量O0.03mm極小刀具的重復(fù)精度可以達(dá)到±0.5μm，確保合格工件一次加工。(攝影:陳念舜)

精密測(cè)量設(shè)備大廠Renishaw也在今年TIMTOS x TMTS 2022年展示了新一代自動(dòng)化工程監(jiān)控解決方案，可通過加工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處理Equator多功能檢測(cè)系統(tǒng)快速測(cè)量各種不同的工件，并立即判斷進(jìn)入下一步的部件是否合格，實(shí)時(shí)檢查質(zhì)量，大大降低生產(chǎn)成本和時(shí)間壓力。

同時(shí)，使用智能制程控制（IPC）軟件，在CNC在制造過程中，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)刀具更新，更有效地了解刀具壽命，設(shè)置用戶定義的刀具磨損警告限制，支持備用刀具；然后繼續(xù)監(jiān)控和調(diào)整加工操作，全面提高生產(chǎn)效率。

Renishaw用于刀具設(shè)置的測(cè)頭通常安裝在工作臺(tái)或支架上，稱為刀具設(shè)置系統(tǒng)。其中，非接觸式系統(tǒng)采用雷射，進(jìn)行弧線輪廓檢測(cè)和監(jiān)控刀片狀態(tài)，并自動(dòng)設(shè)置刀具作為觸發(fā)器，縮短循環(huán)時(shí)間。新一代產(chǎn)業(yè)首發(fā)NC4 Blue 藍(lán)光雷射刀具設(shè)置系統(tǒng)，藍(lán)光波長(zhǎng)短于傳統(tǒng)紅光雷射，可改善衍射效應(yīng)，優(yōu)化激光束幾何形狀，適用于測(cè)量O0.03mm當(dāng)跨度較小時(shí)，重復(fù)精度精度可以達(dá)到極小的刀具，并將刀具測(cè)量誤差降到最低±0.5μm，將有助于提高機(jī)器加工的精度和效率，確保合格工件一次加工。

結(jié)語
從以上案例可以看出，雖然在倉(cāng)儲(chǔ)、加工和維護(hù)過程中，但通過系統(tǒng)妥善管理刀具監(jiān)控至關(guān)重要，包括TDM、Zoller等待一套刀具管理軟件動(dòng)輒上百萬，但還不包括數(shù)字刀具搭配模塊和機(jī)器設(shè)備的真正實(shí)施，很難在臺(tái)灣找到一套系統(tǒng)、全方位的產(chǎn)品，包括工具、加工和管理；即使是硬件制造商Balluff該系統(tǒng)的加工業(yè)者，也需要具備一定的垂直整合能力，才能根據(jù)其應(yīng)用有效地串聯(lián)起來。

然而，對(duì)于臺(tái)灣高彈性、集群的加工業(yè)來說，過于龐大或分散的多頭系統(tǒng)很難滿足用戶的需求，而是建立了很高的門檻。由于缺乏高度的軟硬件集成能力，大多數(shù)制造商無法投資于二次開發(fā)HelixSemiconductors代理研發(fā)資金和人力；加上一般的自動(dòng)化系統(tǒng)集成商，以及傳輸制造業(yè)本身Domain knowledge內(nèi)涵也有差距。

即使終端加工業(yè)人員意識(shí)到，只有有效的數(shù)字管理刀具，才能真正實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效的生產(chǎn)，但未來仍需加強(qiáng)跨域集成刀具、感知組件、工具機(jī)、系統(tǒng)集成商等專業(yè)知識(shí)，真正突破臺(tái)灣制造商進(jìn)入現(xiàn)代制造的瓶頸！



圖5 : 未來，終端加工業(yè)人員仍需加強(qiáng)跨域刀具、感知組件、刀具儀、工具機(jī)、系統(tǒng)集成商等專業(yè)知識(shí)的整合，真正突破臺(tái)灣制造商向現(xiàn)代制造的瓶頸！（source：i.ytimg.com）