機械設備IIoT 智慧感測生態系建立及發展

作者: 陳弘真、吳名清

台灣以具有完整的機械設備產業生態系而聞名全球,其中超過13000家的設備業者,完整及豐富的產業聚落,以及從零組件單元,模組化產品到整機製造,自動化整合的多元客製化及服務能力,更是全球少見的水平整合,上下聯結的範例。近年來,各廠商也持續發展智慧製造及智慧機械相關數位化功能,以提升產品的附加價值,從不同的面向,逐步邁向工業4.0。
然而,智慧化功能往往需要整合從硬體設計及製造,電子電路設計及控制軟體,到雲端系統的上下串聯,加上不同領域的應用domain know-how才能完成,推動的難度著實不低。因此,各設備廠商及自動化整合業者,均致力整合軟體技術,並打造雲服務,以提升附加價值。
此外,由於智慧化功能往往需要各種不同種類的感測器,以取得製程及環境的數據,並發展對應的分析軟體,以萃取出有價值的資訊。雖然智慧化設備需要許多的感測器,但目前工業用感測器及其應用在台灣仍不夠成熟,技術門檻及單價也過高,造成許多智慧機械的推展難以突破,資料分析技術也不易累積。

CNC設備感測器需求及缺口

以常見的CNC工具機(車銑床)設備為例,一台設備中,除了運動控制用的馬達編碼器,以及常見的各類光電開關外,為了加強整機或零組件的智慧化,經常還需要搭配以下各類的感測器:
1.主軸應用:包含加速度規(用以偵測刀具異常或破損,主軸軸承異常,刀具裝夾不順,主軸動平衡異常,加工顫振.等),溫度計(主軸熱伸長量測),渦電流計(主軸及刀具伸長量測)
2.馬達應用:包含加速度規(馬達異常偵測及壽命預測),溫度計(馬達線圈保護)
3. 螺桿應用:包含加速度規(螺桿異常偵測及壽命預測),渦電流計或位置感測器(軸向位移補償),溫度計(軸向熱伸長補償)
4. 液壓及潤滑應用:壓力感測器(液壓泵,或末端壓力感知),流量計(管路漏油,末端流量異常檢知),加速度規(泵浦或待潤物異常振動)
5. 其他應用:加速規或Hall sensor(機台防撞檢知)
唯有透過感測器的裝設和應用,才能收集各類資料,讓各組件創造多元的資訊,進而達到智慧預診及生產管理優化的目的。近年來,許多關於智慧預測與診斷系統(Prediction Diagnosis Performance System, PDPS)的研究,均基於以上的架構。如圖1所示。

 

圖1 PDPS架構
圖1 PDPS架構

 

然而以上所述的感測器,由於需符合工業等級使用,目前多選用國外廠商的的產品。例如加速規市面上可能選用PCB,SDI,ST,SAFRAN等廠商,但也面臨到以下問題:
1.性價比:單顆sensor配合轉換模組動輒3~5萬,且此為純硬體平台,還需考量分析軟體等成本,對於設備廠商而言,若要出貨標配安裝,價值鏈往往不容易被客戶所接受。
2.平台開放性:許多軟體的特徵計算,需要感測器或控制器配合,開放部分算力進行邊緣計算,才容易達到高度整合。但目前以市售產品而言,sensor經過放大電路或轉換模組轉為數位訊號後,還需要透過機邊電腦進行模型特徵及後處理計算,資料開放及整合性均多有不足。

文章轉載自機械工業雜誌網站

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