為了協(xié)助終端加工業(yè)者提升整體設(shè)備總合效率（OEE），達到零停機（Zero Downtime）的理想狀態(tài)，近年來工具機製造廠商不僅分別透過自製，或結(jié)合關(guān)鍵零組件廠商進行異常狀態(tài)示警，以達到聯(lián)網(wǎng)化、可視化、透明化，即時維修更新之外；也開始加入內(nèi)嵌式感測器，以長期監(jiān)控實現(xiàn)預(yù)測化、智慧化願景，而與刀具、機臺最接近的軸承勢將扮演最關(guān)鍵地位！
工具機大廠東臺集團也在今年TIMTOS x TMTS以「智慧製造」為核心，整合集團資源展出「五化兩新」等7大面向技術(shù)，共涵括了：智慧化、自動化、聯(lián)網(wǎng)化、複合化、服務(wù)化、新產(chǎn)業(yè)及新製程，解決客戶的痛點，進而協(xié)助客戶進入智慧製造領(lǐng)域，發(fā)展包含多樣自製感測器、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智慧、智慧APP及數(shù)位管理等，來建構(gòu)單機、整線生產(chǎn)系統(tǒng)之零件智慧加工平臺。
| 圖1 : 東臺經(jīng)過整合自製MEMS感測元件，以壓低大規(guī)模長期監(jiān)測成本，實現(xiàn)所有80餘種智慧化功能，從智慧製造底層開始練功。（攝影：陳念舜） |
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綜觀東臺提出的智慧解決方案中，即主要聚焦於製造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）以下領(lǐng)域，包括SCADA、CNC工具機硬軟體、智慧感測器等，其中的智慧感測器包括：智慧刀把、加速規(guī)、電子水平儀、功率計、機上盒等，又以加速規(guī)最為重要，待掌握之後才能真正實現(xiàn)後續(xù)應(yīng)用。
目前在東臺TIMS整機健康監(jiān)控過程裡的「機臺預(yù)兆保全」裡，共分為5大健檢項目：主軸軸承檢測、結(jié)構(gòu)水平檢測、智慧夾放刀檢測、控制單元檢測、周邊工站檢測等，進而建立AI溫升模型，得知形變、主軸伸長量後，進行熱溫升補償來提高精度，自動持續(xù)生產(chǎn)良品。
但苦於傳統(tǒng)加速規(guī)的價格較為昂貴，即使近來引進半導(dǎo)體技術(shù)的微機電（MEMS）型感測器較為便宜，卻還須加入後續(xù)更貴的高速工業(yè)電腦（IPC）板卡、轉(zhuǎn)換分析軟體等，可能總體價格更高達數(shù)萬元。東臺則將之整合為單一MEMS元件，以監(jiān)測3軸資訊並壓低成本，實現(xiàn)所有80餘種智慧化功能，才能承受大規(guī)模長期監(jiān)測、蒐集，並輸出多項溫度與振動資訊，從智慧製造底層開始練功。
產(chǎn)研自主開發(fā)內(nèi)嵌感測器 為工具機主軸檢測加值
為了解決現(xiàn)今臺廠從國外進口工業(yè)感測器比例高達90%的困境，經(jīng)濟部也自2021年起透過科專計畫，由工研院微系統(tǒng)中心開發(fā)力覺、振動、視覺等關(guān)鍵感測器技術(shù)，補強臺廠在技術(shù)的缺口。現(xiàn)今研發(fā)出的高解析度力感測器，可即時判斷機臺異常與刀具磨耗等情況，相較於國際產(chǎn)品具備尺寸小、剛性高，售價約為一半等優(yōu)勢，已經(jīng)有超過10家工具機廠商將之導(dǎo)入應(yīng)用於高階工具機以及關(guān)鍵零組件等設(shè)備，年產(chǎn)量超過百臺，產(chǎn)值超過20億元。
包括可透過工研院開發(fā)具高剛性、薄型化以及高感測特性的力感測器，易整合於五軸加工機等設(shè)備內(nèi)，直接偵測設(shè)備加工時的力量特徵並監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，可應(yīng)用於軸承、主軸狀態(tài)監(jiān)控與健康預(yù)診，提升設(shè)備可靠度與穩(wěn)定性，協(xié)助臺灣五軸工具機廠商智慧升級。
以主軸健康預(yù)診系統(tǒng)量測主軸動態(tài)預(yù)壓力，並搭配溫度與振動特徵訊號擷取，建立線上量測、觀察主軸軸承受力狀態(tài)；透過智能診斷訊號鑑別技術(shù)，以可視化呈現(xiàn)主軸健康狀態(tài)，提供使用者掌握主軸狀態(tài)，即時偵測主軸異常狀態(tài)，降低非預(yù)期停機損失，提升機臺稼動率。量測結(jié)果更可作為未來主軸開發(fā)之可靠度升級之重要依據(jù)，打破過往主軸預(yù)壓確認(rèn)的常規(guī)方式無法量化之痛點。
| 圖2 : 為了解決現(xiàn)今臺廠從國外進口工業(yè)感測器比例高達90%的困境，透過工研院開發(fā)具高剛性、薄型化以及高感測特性的力感測器，可應(yīng)用於軸承、主軸狀態(tài)監(jiān)控與健康預(yù)診（攝影：陳念舜） |
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臺灣軸承專業(yè)製造廠東培工業(yè)（TPI）在今年TIMTOS x TMTS 2022也展出領(lǐng)先業(yè)界，自主開發(fā)的獨家軸承失效判斷系統(tǒng)，其搭載主軸用內(nèi)嵌式感測環(huán)，係對外採購市面上新一代半導(dǎo)體製程MEMS感測元件，得以有效大幅降低成本。
再搭配東培自製高可靠度主軸精密軸承，構(gòu)成智慧工具機關(guān)鍵核心元件，安裝在距離軸承、刀把最近的端蓋位置。可藉此直觀取得較佳整合溫度、振動等訊號品質(zhì)，避免受到外在加工環(huán)境高溫、油污及碰損，落實主軸預(yù)防保養(yǎng)與預(yù)知診斷。
此優(yōu)於傳統(tǒng)外接盒量測異常方式，將有助於客戶長期監(jiān)控、採集資訊，判斷軸承受損位置；落實主軸預(yù)防保養(yǎng)與預(yù)知診斷、建立軸承健康指標(biāo)，進而提前備料更換零組件，減少廢料。
東培認(rèn)為，當(dāng)少子化社會已成為未來趨勢，新一代年輕員工轉(zhuǎn)型投入產(chǎn)業(yè)學(xué)習(xí)時間倍受壓縮，很難再像過去苦學(xué)3年才出師。感測器則可扮演輔助整合資訊數(shù)位化的角色，將老師傅累積數(shù)十年的經(jīng)驗知識快速壓縮量化，成為可供演算的邏輯程式，讓使用者不必費心思考Raw Data從何得來的始末，就能快速實現(xiàn)數(shù)位轉(zhuǎn)型。
| 圖3 : 東培今年展出自主開發(fā)的獨家軸承失效判斷系統(tǒng)，其搭載主軸用內(nèi)嵌式感測環(huán)，安裝在距離軸承、刀把最近的端蓋位置，可藉此直觀取得較佳整合溫度、振動等訊號品質(zhì)。（攝影：陳念舜） |
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NSK軸承協(xié)助數(shù)位轉(zhuǎn)型 強調(diào)產(chǎn)品價值在於服務(wù)
NSK在臺灣總代理商永和順公司總經(jīng)理陳百鈞進一步指出，其實NSK也是最早從軸承起家，成為日本第一大廠後，再逐步擴及線性滑軌/螺桿、DD馬達等產(chǎn)品。目前軸承仍占日本NSK營收95%；在臺灣市場則占營收約85%，其餘10%~15%屬於線性滑軌/螺桿等產(chǎn)品，在日系同級產(chǎn)品的市占率僅次於THK。
「在所有軸承品項裡，又以精密軸承貢獻營收占比達50%居多，應(yīng)用的主要客戶就是工具機及高速主軸等關(guān)鍵零組件廠商。」陳百鈞表示，前者包括：綜合加工中心機（Machine Center），用來高速輕切削加工智慧手機外殼的鑽銑加工中心機（Tapping Center），但近年來面臨中國大陸紅色供應(yīng)鏈威脅；車削加工機近年來比重漸增，可用來重切削加工電動車、航太業(yè)工件，臺廠仍在精度方面保有優(yōu)勢。
例如現(xiàn)今電動車及再生能源產(chǎn)業(yè)裡的離岸風(fēng)力發(fā)電等新興產(chǎn)業(yè)雖是未來主流趨勢，但這些產(chǎn)業(yè)的加工材料日新月異，且加工效率的要求不斷提升，重切削和超高速旋轉(zhuǎn)需同時兼顧的條件下，軸承壽命成為急待解決的課題。
在今年TIMTSO x TMTS首度發(fā)表的ROBUSTDYNA系列軸承，便採用NSK獨家具有優(yōu)異耐熱性和耐磨性的SHX航太等級鋼材，因為剛性優(yōu)於一般軸承鋼，使之負(fù)載能力增加15%、壽命（額定動載荷）延長了3倍，符合現(xiàn)今高速重切削需求。
| 圖4 : ROBUSTDYNA系列軸承採用NSK獨家SHX航太等級鋼材，使之負(fù)載能力增加15%、壽命延長了3倍，符合高速重切削需求。（source:永和順） |
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另因應(yīng)近年來國際工業(yè)4.0潮流，身為日本第一大軸承廠商的NSK當(dāng)然也不能缺席，客戶可以透過NSK高性能的遠(yuǎn)端振動診斷設(shè)備「Bearing Doctor BD-2型」，直接在機器外部透過無線藍牙測量和診斷出機器旋轉(zhuǎn)時軸承的狀態(tài)，再以手機App擷取顯示資訊。
去年四月更偕同發(fā)那科公司（Fanuc）的開放平臺FIELD system，共同推出軸承狀態(tài)監(jiān)測/診斷系統(tǒng)服務(wù)「ACOUS NAVI」，透過此系統(tǒng)搭配Fanuc的感測器，可以讓機器設(shè)備經(jīng)由智能化提早發(fā)現(xiàn)軸承的異常和故障，達到預(yù)測性維護，而非等到異常發(fā)生後追溯。
在臺灣客戶亦可上傳NSK雲(yún)平臺，經(jīng)由永和順或日本原廠的專業(yè)團隊代為分析，在臺灣產(chǎn)出技術(shù)報告，以提高即時診斷、究責(zé)等時效。但陳百鈞強調(diào)：「使用者最好還是搭配NSK軸承，提供原廠頻譜等相關(guān)參數(shù)資料判斷，才能更為精準(zhǔn)！」包括Fanuc也是NSK主力客戶，將軸承普遍用於CNC工具機和機器人關(guān)節(jié)軸部馬達。
未來該遠(yuǎn)端監(jiān)控軟硬體，也能延伸到離岸風(fēng)機、軌道車輛等設(shè)備應(yīng)用。希望藉由上述軟硬兼施的完善解決方案，幫助客戶達成產(chǎn)品所需的質(zhì)量控制及數(shù)據(jù)收集分析，下一步也不排除與支撐座、電控、模組、系統(tǒng)等廠商深化垂直整合。
且從代理商的角度強調(diào)產(chǎn)品價值在於服務(wù)，如面臨後疫時期國際供應(yīng)鏈瓶頸，機械業(yè)關(guān)鍵零組件產(chǎn)業(yè)紛紛傳出缺料、塞港、導(dǎo)致交期延宕或祭出漲價等措施，永和順因為庫存管理得宜，善用總代理比起分公司可大量囤貨的優(yōu)勢，平時皆備有3個月庫存量；且將訂購系統(tǒng)直接與日本NSK連線，既掌握最新現(xiàn)品動態(tài)，直接空運急件來臺之外，其他大部份產(chǎn)品仍仰賴海運進口。導(dǎo)致2020年不像同業(yè)調(diào)降庫存，反而逆勢提高庫存達9個月，趁這一波搶單受惠，2021年營收較2020年大幅成長30%，接近臺灣工具機產(chǎn)業(yè)成長幅度。
約10年前永和順便在華亞科學(xué)園區(qū)自建占地2,200坪大型物流中心統(tǒng)一發(fā)貨，既符合軸承品項繁雜、要求保存空間低發(fā)塵和潔淨(jìng)保存的要求。今年底還將成立經(jīng)日本NSK原廠指導(dǎo)成立的專業(yè)裁切室，以獨立空調(diào)維持恆溫作業(yè)，專門用來裁切線性滑軌，而非傳統(tǒng)委外裁切模式；再經(jīng)過量測設(shè)備及發(fā)泡填充物包材，來防止於搬運過程中碰撞而影響軸承精度、品質(zhì)。
結(jié)語
因應(yīng)近年來工具機持續(xù)朝向智慧化加值發(fā)展，又受到供應(yīng)鏈瓶頸及客戶提高庫存?zhèn)淞闲枨螅瑒輰⒏鼮閴嚎s原來可停機保修時間，主軸軸承健康指標(biāo)及預(yù)知保養(yǎng)則是工具機智慧化的關(guān)鍵所在！工具機產(chǎn)業(yè)除了更應(yīng)該加強整合既有智慧感測技術(shù)、系統(tǒng)整合技術(shù)、預(yù)測性維護、機臺參數(shù)監(jiān)控與高度資通訊技術(shù)，以達到智慧化與彈性化製造目標(biāo)。
進而迎合現(xiàn)今數(shù)位轉(zhuǎn)型趨勢，不能再像過去賣設(shè)備，只靠著人員及經(jīng)驗處理，而必須透過蒐集、分析數(shù)據(jù)，也就是一般所稱的整體設(shè)備總合效率（OEE），包括稼動率、產(chǎn)能效率、良品率都能隨之提升，才能有效應(yīng)對市場變化，克服少量多樣的彈性生產(chǎn)、單件也可以生產(chǎn)的製造業(yè)挑戰(zhàn)。
*刊頭圖（source:superiorspindle.com）
