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中下游数控与设备业者各显神通
塑胶成型机械融合智慧工控元素

【作者: 陳念舜】2021年08月03日 星期二

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因应这一波节能减碳、循环经济浪潮迎面而来,对於塑橡胶机械业者而言,除了持续加强与国内外关键零组件厂商结盟,加快数位转型脚步之外;数控系统厂商也趁势推出包含控制器、二次开发平台等完整解决方案,与设备制造、终端加工业者合作搜集数据,不断提高效能,降低营运成本。


尤其是传统塑橡胶成型产业机械因为与终端消费市场紧密关联,应用领域包罗万象,所投入开发智慧制造的路径,更难一概而论,亟须IT资讯科技、电控元件大厂提供客制化支援。


新任台湾机械工业同业公会(TAMI)新任理事长一职的凤记国际机械董事长魏灿文身为台湾第一大塑胶押出机制造商,加上出身於电机系的背景,让他从30年前接班凤记成立新厂时即导入电脑化观念。


魏灿文进一步指出,数位转型除了有赖於企业解决前述管理问题之外,其次是在技术上,必须随着数位化不断累积人才,甚至能自行编程、开发软体,按照客户指定语法,才能搏得客户肯定买单。例如2020年2月疫情爆发时,凤记便交出有史以来最大一笔塑胶押出机订单,金额超过5,000万美金(新台币1.5亿元),於单机上共使用了27具马达,分装在17个40尺货柜。



图1 : 凤记国际机械董事长魏灿文指出,数位转型除了有赖於企业解决前述管理问题之外,其次是在技术上,必须随着数位化不断累积人才,才能搏得客户肯定下单并通过验收。(摄影:陈念舜)
图1 : 凤记国际机械董事长魏灿文指出,数位转型除了有赖於企业解决前述管理问题之外,其次是在技术上,必须随着数位化不断累积人才,才能搏得客户肯定下单并通过验收。(摄影:陈念舜)

「即使当时遭遇疫情,导致厂商无法来台验收,仍让美国客户先依合约精神提出规格清单、标准,凤记再於美方时间,透过视讯直播机器从生产到测试阶段,最後顺利通过验收。」魏灿文坦言,其实在远距交货过程中并不轻松,凤记也是凭藉过去自身累积的丰富制造经验,10馀年前便开始与国内外IPC大厂合作,无论是在提供智慧机械的规格、精度及生产速度、维修服务能量都不逊於人,得以满足超前时代的需求,获得国外客户肯定。


台达智慧节能解决方案 协助塑胶机械业者创造差异化优势

今年适逢成立50周年的台达(Delta Electronics, Inc.)除了陪伴台湾塑橡胶机械制造/加工业者一路走过工业2.0自动化~3.0数位化时代,满足消费者每天食衣住行育乐都会应用到的种种塑胶产品需求。即使是在目前因应疫情加快工业4.0、数位转型脚步,台达也提供业者所需智慧节能解决方案,在竞争越来越激烈的国际市场上提升生产效能,进而塑造客制化、差异化优势。


台达机电事业群技术发展处行业开发经理王义昕首先指出,在现今占有塑胶成型市场比例最高的射出(注塑)成型机,共涵括塑胶原料、模具、射出机等部位,在传统油压驱动机种系透过感应式马达及定量泵、P/Q伺服比例控制阀来驱动液压油缸,执行每个成型阶段动作。


但缺点也在於其液压油量常供过於求或无法精准控制时,溢出油料必须回流到油箱,导致供输动力虽稳定、低成本,却高度耗能而不环保;过程中精度和效能经过层层传递削弱,且频繁开/关阀件震动也容易磨损模具、增加噪音;因油温提高而加速老化,必须放大散热系统和定期调整加料马达、更换皮带,而提高保修难度,导致目前市占率每况愈下。


王义昕表示,现今市场主流已是经改良的油电复合动力机种,台达也提供所需智慧节能解决方案,在提升产能同时达到最隹节能效果。其除了保留油泵以输出油压驱动为主,还改用变频器、永磁伺服马达增(减)速来取代阀件,主动控制压力/油量;搭配压力感测器,经过闭??路而快速响应,控制精准又高效,用多少才给多少动力,得以在耗电极低的保压、冷却阶段越长,节能更明显可达75%以上,缩减冷却器体积并维持高效动力。



图2 : 台达提供油电复合动力机种所需的智慧节能解决方案,不仅提升产能同时达到最隹节能效果。(source:台达)
图2 : 台达提供油电复合动力机种所需的智慧节能解决方案,不仅提升产能同时达到最隹节能效果。(source:台达)

且由於采用台达PLC-based专用控制器,容易上手操作,可利用所提供的完整核心程式码及二次开发平台,融入设备制造/终端加工业者自有独特工艺编程;采用变频器直驱加料(轴)马达来满足低速高扭力需求,藉此多工同动来缩短制程周期,提高产能15%以上。台达还可透过机械厂改机,降低成本并塑造差异化优势。


此外,台达也针对目前市占率居次,却可能是未来主流的全电射出机提供解决方案,由於经过伺服马达执行所有成型阶段动作,比起油电射出机重覆精度高、响应周期短,较不受液压油物理限制及传递动力路径、时间过长影响。由於塑胶属於非牛顿流体,剪切力越大其流动性越高,所以高射速射枪适合生产薄壁产品(流程路径/壁厚比>150);且因为制程中不致产生油气,特别适用於洁净生产医材、3C宅经济等高精密薄壁产品;若配合一模多穴模具,还可有效提升产能。另外,也能满足慢速稳定的射出制程,避免透明厚件塑胶制品的喷流痕迹,在长时间的保压及冷却阶段亦能展现优异的节能效果。


王义昕表示,该方案系采取台达专用PC-based控制器及分散式架构,以主机直接驱动射胶、锁模、顶出、加料共4轴专用2~74kW伺服马达,搭配自制背压感测器(Load Cell),以及校模/射座马达及控制模组、温度控制模组,执行锁模防撞、射压抑制等;进而通过机联网操控机器人、远距调校叁数,以实现高响应、精准VP控制;搭配二次平台开发应用,支援立/卧式、双射枪等各式射出成型机。


其除了搭配自制Load Cell已选择最隹安装角度,取得正确数据外;还有别於市面上将讯号放大成类比电压形式後,经过长距离传送到驱动器,容易造成干扰,而是先在短距离内经过ADC MCU晶片转换成为数位讯号後,再通过RS-485传送到更远距离的驱动器;并为了防止其中铜镍合金受到环境温度影响,Load Cell还可透过软体进行0~100℃温度补偿,让信号曲线更为精确。


另由於不必像现行市面上集中式架构,将所有资讯都集中在控制器,再逐一命令各轴伺服马达的方式既慢又累,而是希??藉由台达自制产品优势,充分授权、专业分工,实现一机多工应用。让各轴马达分别执行动作及运动控制功能,并在驱动器内建完成工艺曲线编程,得以挑战更严格的工艺要求。


因为上位控制器仅负责下指令,不会占用系统太大通讯频宽、速度,响应速度时间<2ms及速度压力控制周期62.5μs,可有效缩短制程周期,提高产能,比起油电射出机约节能45~65%;产品稳定性及良率俱隹,变异系数低将大幅提升成品良率。还有多馀效能可连结机器人、辅机、中央供料系统,执行预测诊断功能、智能注塑监控平台DIAeBox等加值服务。



图3 : 针对现今市场主流的油电复合动力机种,台达也提供完整智慧节能解决方案架构。(source:台达)。
图3 : 针对现今市场主流的油电复合动力机种,台达也提供完整智慧节能解决方案架构。(source:台达)。

值得一提的是,面对现今已成红海的塑胶成型产业环境里,机械厂还应利用Domain knowledge,结合独特工艺技术,开发出更富有差异性特色的客制化人机介面或控制器,才能保持足够竞争力。却因为台湾中小企业少有能自主开发编程的团队,又担心泄密,想要找到愿意协助客制化的IT系统厂商所费不赀,或至少须先掌握一定批量规模订单,恐不利於竞争。


台达也为此推出免费的二次开发平台,在PC-based控制器架构上,提供使用者熟悉的PLC+HMI介面、流程控制成套模版程式及原始码,以自行掌控从上层流程控制到底层伺服闭环控制程式设计,足以保障自身产业工艺,自主开发应用程式;进而搜集大数据,打造差异化规格,携手台湾在地产业升级打国际杯。


如目前在两岸已有成功案例的半电(油电+全电)塑胶射出机解决方案,即利用台达比起外商更贴近在地市场,展现客制化情境应用能力,同时满足智慧节能需求。得以善用控制器一机多工及二次开发功能,灵活弹性调配需大吨数锁模力的油电方案,包括油压驱动一般开/关模、顶针动作,加工成型汽车保险杆、栈板;以及要求高精高速、稳定、洁净生产的全电方案,经伺服马达驱动射胶及加料动作,适用於3C、医材产品。


针对在塑胶成型机产业占比居次的挤(押)出成型机市场,又可分为塑胶片材胶板机、吹袋(膜)机等,前者主要可用来加工成型目前因宅经济话题热议的食品餐盒包材,後者则受各国限塑政策影响,而有转型加值必要的塑胶袋产品。


台达也基於押(挤)出机的连续生产特性,取代传统挤出机、计量泵、冷却轮到收卷完成的独立控制系统,而是改用开放式通讯架构,透过工业电脑、智慧机上盒及设备联网平台DIALink串联上位资讯系统,在制造管理可视化平台DIAMMP电子看板/工业图控系统DIAView上可视化监控,以实现IIoT智慧物联网趋势。


同时利用台达产品高度自制率优势,可经过Ethernet分别连结PLC、变频器开/闭环控制,驱动大马力押出主机马达和加料、成型、定型、涂料、张力收卷马达;以及多通道温控器搭配HMI,执行料管、滚轮等各区温控,不像过去单点式温控器有更新率过慢问题。


挤出吹袋(膜)机则由旋转模头、收卷机、挤出机组成,台达解决方案除了同样采用开放式通讯架构,利用工业无线网路撷取旋转模头温控器资讯後,缩短调校时间,再分别经过多通道温控器搭配HMI执行各区温控,以变频器驱动大马力押出/风车伺服马达;PLC为控制核心,搭配变频器驱动风环旋转,与伺服驱动系统的引取轮&夹轮,前/後收轮,以及收卷机伺服驱动系统的前/後收轮&夹轮。


待确保稳定张力收卷後,上传信号到PLC+HMI,在编程软体内建资料交换表,不必另行编写通讯指令。因此得以节能20%以上、缩小体积20~40%,确保精准扭力稳定出料,降低运作噪音;甚至可超频运作混合二次再生料生产,或在必要时提高产能赶进度。


王义昕表示,台达还为此特别推出智能注塑监控平台DIAeBox,藉由可视化Web介面、大数据分析平台、系统整合、现场应用等功能,实现数位化监控品质与生产管理应用,满足生产/设备/品质管理者需求,着手解决传统塑胶射出成型制程困境;进而优化生产效率,克服营运成本居高不下的痛点,可分别针对业者目前遭遇的生产流程、问题分析、经营成本、功能需求等领域,提供所需应用功能。


总结来说,台达在塑橡胶领域的发展始终秉持为客户解决实际痛点的精神,不仅发挥产品自制率高的优势,更藉由串联软硬体系统以提供高整合度的解决方案,帮助台湾客户打造数位化体质、提升全球产业竞争力,实践「创变智造新未来」的承诺。


富强鑫以工法为核心 力推IMF智慧工厂系统


图4 : FCS推出的智慧制造工厂系统iMF 4.0,不分射出机品牌皆可使用,使生产管理者掌握即时生产状态,达到生产异常快速对策的管理目的。(source:富强鑫)
图4 : FCS推出的智慧制造工厂系统iMF 4.0,不分射出机品牌皆可使用,使生产管理者掌握即时生产状态,达到生产异常快速对策的管理目的。(source:富强鑫)

但对於富强鑫精密工业公司(FCS)技研体系经理林宗彦而言,终端客户目前在工业4.0发展所面临的窘境,仅局限数据的收集,却对生产数据如何运用与判读鲜少投入心力,导致无法监别出生产效率低落与成本过高的原因,使得推广智慧化、数位转型极为辛苦。惟因近年来汇损、原物料价格??涨危机,或许也是终端客户压迫供应链转型加值契机,愿意分享、监控制程中即时关键数据来找出可能的瑕疵,减少品质异常的风险。


林宗彦进一步指出:「工业4.0的确是台湾近代工业的潮流,智慧化、数位转型却不仅是数据的收集与交换!」FCS除了早在2009年便开始投入相当多的资源,藉着产学合作开发设备和先进射出成型产品技术,也有监於现今市面上的电控、系统整合厂商(System Integrator)因为对於细分化产业知识缺乏,导致在实务上虽协助终端客户搜集了大量数据,却不知该如何应用?未来在数据转换与运用上须与产业专家合作,否则无法单独成为重要推手。


2014年FCS开始与法人、客户合作,并融入该公司累积40多年的专家经验,提供客户端感测器、IT系统架构、编程等硬软硬体规划,以及数据运用、判读的教育训练,形成完整的工业4.0解决方案,定位成为客户的外部研发单位,进而推出智慧制造工厂系统iMF 4.0。


该系统以生产周期时间(Cycle time)管理为发展基础,导入模具管理、机台管理与材料管理的观念;经过OPC国际通讯协定,不分射出机品牌皆可使用,得以即时显示整体设备效率(Overall Equipment Effectiveness;OEE),针对生产过程等异常讯息原因统计与解析,并协助终端客户的生产管理者掌握即时生产状态,快速拟定改善对策,先让生产顺畅,提高稼动率、良率,接着才是进行线上品质监别、监控,逐步实现人工智慧情境。


此外,FCS延续自2009年以来与法人单位、学校、终端客户合作,进行密切的数据整合运用,持续发展相关技术,企图引领并将智慧制造的技术落地生根。林宗彦表示,近年射出成型产业人才锐减,加上COVID-19疫情影响,人员移动不易,导致原本的管理模式骤变,跨国企业的管理者亟需跨厂域管理的需求,远端作业的确可以强力辅助,增加管理效益。


**刊头图(source:富强鑫)


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