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金屬加工如何滿足「少量多樣」訂單需求?台達伺服沖床解決方案克服生產難題

可滿足市場多樣化需求、快速反應客戶訂單的「少量多樣」生產模式,逐漸成為製造業的重要營運策略。要讓此生產模式順利運作,在金屬加工產線中扮演關鍵角色的沖床就必須克服眾多問題,首先是沖壓的速度、加速度與位置都必須可控;其次是馬達輸出扭矩必須可調整;最後是必須有多種曲線以因應不同成型需求。「伺服沖床就是最佳解答,」台達機電事業群應用技術中心總監吳清敏說。

吳清敏解說,「沖床」的原理,是透過施加壓力,讓模具內的板材產生形變,以達到所需的形狀,「現在手機、家電、汽車、醫材,甚至是飛機、衛星等,需要改變金屬型態的物體,大多都會用到沖床。」沖床的運作方式,則是使用馬達帶動飛輪轉動,儲存能量,再經由離合器和滑塊將動能傳遞給模具。沖床除了成形功能外,還可以進行裁切、深拉、擠壓、鉚接和鍛造等不同的加工方式。此設備的優勢是可以連續生產,生產效率比 CNC 金屬切削或鑄造更高。

伺服沖床的產速可增加 50%

常見的沖床種類可分為「機械沖床」與「伺服沖床」兩大類型。在機構面,機械沖床使用飛輪儲能,由馬達帶動飛輪驅動滑塊進行沖壓;伺服沖床則將馬達連接到齒輪組,無需飛輪,控制馬達的扭矩和轉速帶動滑塊沖壓,因此整體機構更簡潔,保養難度也更低。若加工程序需進行三次沖壓,一般機械沖床可能需要使用三套模具來完成;而伺服沖床僅須單台沖床就能一次沖壓成形,大幅縮減加工次數。此外,伺服沖床還有單機多工序優勢,相較於需要使用多組設備來完成各自工序的機械沖床,伺服沖床可在單一沖壓曲線內設計三個工序對應沖壓動作,不僅節省設備成本,也能提升單位時間生產量。吳清敏根據長年經驗評估,伺服沖床的產速可增加 50%,「整體而言,無論是可控制性、彈性、效率和維運成本,伺服沖床都比傳統機械沖床更具優勢,也更適合應用於少量多樣生產模式。」

吳清敏進一步表示,伺服沖床已逐漸成為沖床領域主流機種,台達善用多年深耕機電領域經驗所打造的伺服沖床解決方案,則因高整合性、高效率、高成本效益等優勢,廣受國內外沖床業者青睞,目前已有多家知名廠商導入。

「台達伺服沖床解決方案有五大特色,包括完整電控方案、可規劃沖壓曲線、曲線最佳化、直接驅動方案、能源管理,」吳清敏先介紹電控方案,此方案整合台達旗下的變頻器、轉矩馬達、主動式前端、電容模組、PLC/PAC 控制器、人機介面、雲端路由器等產品,在運作過程中,人機介面可即時顯示滑塊位置和加工次數;可儲存不同沖壓曲線的 PLC 接收人機介面的動作模式後,再驅動變頻器帶動馬達控制位置,並接收曲軸感測器回傳的數據計算滑塊位置,讓沖壓動作更精準有效率。

老師傅的專業可儲存在 PLC 控制器中

台達 PLC 控制器已內建五條沖壓曲線,亦開放給使用者自行規劃建置不同曲線。操作人員可因應不同沖壓工件,快速在人機介面選擇執行對應的曲線。此特點不僅能大幅強化生產彈性,讓產線滿足少量多樣生產需求,還能解決製造業的專業傳承問題。吳清敏解釋,不同工件對應的沖壓動作資訊,過去都留在老師傅身上,「這些只能意會難以言傳的『眉角』,如今可數據化為沖壓曲線,儲存在台達的 PLC 控制器中,成為製造業者可傳承的資產。」而且之後的操作人員還可以依據自己的操作經驗持續微調,讓沖壓曲線愈來愈精確且符合產品需求。

伺服沖床無需使用飛輪,直接由馬達連接齒輪組帶動滑塊進行沖壓,因此運作更穩定、噪音更低。

而伺服沖床直接驅動的機構無需使用飛輪,直接由馬達連接齒輪組帶動滑塊進行沖壓,因此運作更穩定、噪音更低,架構也更緊湊。台達的直接驅動方案採用了自家的重負載高階向量型變頻器 CH2000,具有 150% 60 秒、200% 3 秒的優異過載能力,支援感應、永磁和磁阻馬達,內建安全停車 STO SIL 2 功能,並支援 EtherCAT 通訊和 EtherNet/IP。轉矩馬達則選用台達的 MSD 系列伺服馬達,無框、輕量化的設計,可減輕機台負重,具 300% 的高過載轉矩能力,滿足瞬間高輸出的應用需求,直驅設計不僅散熱性能良好,還能延長產品壽命,搭配台達的變頻器使用,可以讓轉速範圍更廣泛,滿足極端過轉速應用需求。

降低電網需求容量 50% 以上

節能近年成為全球金屬加工機台業者的設計重點,對此台達特別在伺服沖床解決方案中導入主動式前端 AFE 2000,協助機台業者克服能源挑戰。吳清敏指出,AFE 可降低瞬間尖峰負載所帶來的能源需求,減少對電網的衝擊和需求容量。相較於同等噸數的傳統伺服沖床設備,使用 AFE 方案可以降低電網需求容量 50% 以上。

以 400 噸的伺服沖床為例,沒有 AFE 方案的沖床,其能量直接依賴電網供應,電網容量需求超過1,000 kW。採用 AFE 方案的沖床,能量由 AFE 和電容模組調整,電網容量需求可降低超過 90%。此外,AFE 方案還控制電容模組的能源流,減少前端大容量變壓器等設備的需求,進一步降低高電力系統的建置成本。

「除了上述產品特色外,台達伺服沖床解決方案的另一優勢,是更貼近市場需求。」吳清敏提到,使用者可在台達快速選型軟體平台 DIASelector 中,輸入需求噸數、回升電力、用電量等數據,軟體平台就可提供初步選型參考,協助機台業者快速打造沖床。多樣工業網路通訊與生產數據收集,搭配可視化軟體,則可滿足智慧製造即時監控、產品參數管理、生產履歷紀錄、設備故障預測等要求。目前台達伺服沖床解決方案已被應用於汽車零配件、電子產品機殼沖壓等領域,「未來我們會持續強化功能與服務,協助客戶打造高效能、高成本效益的沖床機台。」