以經濟實惠的自動主軸校準與顫振量測解決方案提升CNC工具機加工精度
zhizao jixie
研華科技
項目簡介：
提高生產數量與產品品質始終是制造者努力追求的目標，工業4.0更勾勒出智能制造的美好愿景，推動制造業中舉足輕重的CNC工具機產業不斷精益求精。而工具機制造商在積極改善自家機器性能并提升加工精度以符合客戶需求的過程中，機器校準正確與否是影響加工精度的重要因素之一。
傳統制造業靠累積多年經驗的技工師傅進行機器校準，工廠每日必以此種傳統作法來檢查設備才能正式開工。如果該廠需要制造的產品種類較多，每一次產線調整時還得再次為機器重新設定與校準。如此不科學的作業模式既繁瑣又費時，一旦作業程序有所疏忽，就會發生加工精度失準的問題。
另一項影響加工質量的元兇則是顫振。當CNC工具機在進行快速或深度切削時非常容易產生顫振，由于其屬于較輕微的高頻振動，因此通常都較難被人所察覺，但此現象不僅會降低工件的加工精度，且若未能即早發現，惡性循環下必將損壞刀具、主軸、軸承等重要零組件。因此，要如何盡早發現顫振以防止問題持續惡化向來都是令設備制造商頭痛但卻又必須解決的問題。
為了減少校準時間并提高加工精度，設備制造商可以利用感測技術來協助自家工具機完成自動校準與實時監測的工作。然而，要為早已開發完成的CNC工具機導入新功能，又要避免大幅更動機臺的現有設計，設備制造商必須先克服機箱空間有限與噪聲干擾等問題，同時還要妥善管控開發成本，以免新功能的花費過高而降低企業獲利并削弱其市場競爭力。研華為CNC工具機提供的主軸校準與顫振量測解決方案能以小尺寸、易安裝、免插適配卡、快速開發與驗證等特色解決上述種種問題，從而讓設備制造商能以經濟實惠的方案順利完成新功能。
項目需求：
擁有超過五十年工具機研發與生產經驗的某臺灣加工中心機制造廠商以優異的制造技術和對高質量的堅持使得該公司生產的工具機深受國際知名大廠的肯定。而身為世界級領導品牌的這家工具機制造廠商，其不僅持續開發高技術含量的機型，也從現有客戶所遇到的問題著手來優化加工中心機的功能。近來，為了解決由資深技工校準所衍生的不確定性問題，并降低機臺顫振影響加工質量，該公司決定在現有CNC工具機臺內加入主軸校準與顫振量測的功能，希望能以一致性的校準與自動化監測打造出更高效的加工設備。
由于是在現有的CNC工具機中增加新功能而非設計一臺全新的機型，因此該設備制造廠商需要的是易于整合的解決方案，像是：硬件尺寸與安裝方式需配合現有機箱所剩不多的空間；以工規等級的平板計算機作為機臺的人機控制接口；以USB外接模塊取代插適配卡的方式來完成數據的收集；數據采集模塊必須有足夠的分辨率和采樣率以快速取得所需資料；避免數據采集過程中受到環境訊號之干擾而影響所收集數據的正確性；提供模塊連接IEPE傳感器。此外，該公司還提出軟件開發工具與客制化服務需求以縮短項目開發時間，讓新的CNC工具機可以早日投入市場。
系統概述：
研華以10.4寸的無風扇平板計算機PPC-3100搭配數據采集模塊USB-4716、IEPE訊號處理模塊ADAM-3017、以及軟件開發工具DAQNavi所提供的自動監測解決方案以滿足CNC工具機制造商的種種需求。通過USB-4716搭配ADAM-3017來連接IEPE傳感器，作為操控平臺的PPC-3100即能取得振動信息，借此實現主軸校準與顫振量測的功能。
提供16位分辨率、采樣率可達200 kS/s的USB-4716是一款掌上型、導軌式安裝的即插即用數據擷取模塊，能直接透過USB端口傳送所采集的數據；且無需額外接電源線，僅靠USB端口即可供電運作，因此可省去拆開計算機機殼安裝適配卡的麻煩，或者像是此項目采用的是無法加裝適配卡的平板計算機也非常適合以此模塊來收集數據。研華還小幅修正USB-4716使其具備了電阻電容濾波器（R-C filter）功能來采集特定頻率范圍內的訊號，借此去除不必要的噪聲以確保傳送正確數據供系統分析。而ADAM-3017則是負責連接IEPE傳感器的訊號處理模塊，通過其內建的4或10 mA激勵電流可讓系統順利取得IEPE傳感器的訊號，而所支持的訊號放大和抗混迭濾波功能則確保采集的信號不會受到噪聲干擾。
軟件方面，DAQNavi是針對研華的數據采集產品而設計的軟件開發工具包，使用者可以通過易于使用的操作接口來快速建立數據采集及控制系統。此外，該軟件還提供了像是特殊設計的直覺式精靈、現成的應用模板與范例程序代碼、無需撰寫程序即能進行組態設定及功能測試、函數庫與公用程序等多種便捷功能，借此可協助系統設計工程師更快地完成應用程序的開發。
專案導入：
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Product |
Description |
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PPC-3100 |
內建Intel® Atom™ D2550處理器之10.4寸工業級平板計算機 |
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USB-4716 |
200 kS/s傳輸流量、16位分辨率、16通道的多功能數據擷取USB模塊 |
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ADAM-3017 |
IEPE訊號處理模塊 |
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DAQNavi |
研華DAQ產品之軟件開發工具 |
系統架構圖：
結論：
不論是全新設計的工具機或是在現有機臺進行功能改造，擁有眾多產品線的研華都能針對客戶需求規劃出最適合的自動監測解決方案。以此項目的設備制造業為例，該公司多年來一直采用研華多款產品以便導入智能應用并提升機器性能，這一次其原本想要大幅變動機臺來新增主軸校準與顫振量測的功能，但這樣的作法既會增加開發成本、也會讓新機器難以達到Time-to-Market的目標。
所幸，通過研華專業且經驗豐富的項目經理仔細評估后，推薦該公司采用能即插即用的數據采集模塊與IEPE訊號處理模塊，僅小幅修改USB-4716 硬件電路，便可實現無需重新設計機臺就能以低成本高效益的方式來新增所需功能，而且收集來的數據還能成為設備制造商日后導入預防保養等智能管理與維護應用時的參考數據，讓其CNC工具機不僅提升了加工精度，更能讓機器更加智能以增加生產效率。
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