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如何運用 MES 提升智慧機械設備稼動率?

author by 曾文光
關鍵字:MES智慧機械機台故障預測整體設備效率OEE稼動率車銑加工機金屬加工SPCCNC

整體設備效率(Overall Equipment Effectiveness;以下簡稱 OEE)是生產過程中評量生產設施有效運作的重要指數,在系統中要確保生產設備能將 OEE 有效執行,機台故障的預測及其零配件管理都需要藉由不同的資料擷取與分析。

運用 MES 智能化設備故障預測

資通電腦 ciMes(Computer Integrated Manufacturing Execution System;製造執行系統)能在設備故障預測的進行過程中,運用機台狀態與參數監控、機台感測元件(如機台震動分析、量測數據分析)等系統設計作為機台故障預測,以及零配件分析的應用。機台故障預測分析應用架構如下:

機台故障預測與刀具壽命分析應用架構圖
機台故障預測與刀具壽命分析應用架構圖

機台故障預測資料來源分析(車銑加工機)

  • 機台故障預測資料來源

    分析方法及工具
  • 機台狀態及參數監控

    規格上下限管制、on-Line SPC(Statistical Process Control;統計製程控制)
  • 機台感知元件

    規格上下限管制、on-Line SPC
  • 機台震動分析

    刀具顫振分析
  • 品質反饋

    規格上下限管制、on-Line SPC

機台故障預測可依據故障預測結果觸發保養、維修、調校、更換等作業,以維持機台設備的正常運作性。

金屬加工機台設備故障預測、分析工具及方法

金屬加工機台(如五軸加工機、車銑複合機)的故障預測分析方法及工具,除了運用了刀具顫振穩定圖(Stability Lobe Diagram;SLD)的震動分析方法,來預測與分析最常見的 CNC 工具機(Computer Numerical Control;電腦數值控制)常發生的顫振、刃口積削、斷刀等故障,故障預測與分析,MES 系統也會運用 SPC 監控機台加工參數與品質反饋的量測資訊,來補強透過震動分析與控制器訊號監控的故障預測,刀具顫振穩定圖及 SPC 分析應用可透過下圖更清楚的瞭解。

刀具顫振穩定圖自動化分析模組應用
刀具顫振穩定圖自動化分析模組應用
刀具顫振穩定圖模組求得 SLD
刀具顫振穩定圖模組求得 SLD
資料來源:屏科大振動噪音實驗室

SPC 分析應用

主要機台參數 SPC 規則 可能故障原因 採取作業
主軸轉速
  • 轉速上、下限管制
  • 轉速連續 N 點持續上升或下降
  • 轉速連續 N 點交互移動
  • 刃口積削
  • 切削深度
  • 機台參數
  • 刀具保養
  • 加工位置調校
  • 機台參數調校
進給率
  • 進給率上、下限管制
  • 進給率連續 N 點持續上升或下降
  • 轉速連續 N 點交互移動
  • 切削深度
  • 機台參數
  • 刀具保養
  • 機台參數調校
主軸負載電流
  • 負載電流上、下限管制
  • 負載電流連續 N 點持續上升或下降
  • 負載電流連續 N 點交互移動
  • 顫振
  • 刃口積削
  • 機台參數
  • 刀具保養
  • 機台參數調校

機台參數 SPC 分析與故障預測分析表(1)

品質反饋資料 SPC 規則 可能故障原因 採取作業
外觀(毛邊、粗糙度) 不良原因 N 點持續上升
  • 刃口積削
  • 機台參數
  • 刀具保養
  • 機台參數調校
量測(精度誤差) 精度誤差連續 N 點持續上升或下降
  • 刃口積削
  • 切削深度
  • 機台參數
  • 刀具保養
  • 加工位置調校
  • 機台參數調校

機台參數 SPC 分析與故障預測分析表(2)

SPC 的應用可以透過 On-Line SPC 之管控,在機台參數值有微小偏移之前,運用統計手法即時發現並發出警訊,採取即時的補救措施例如:修正機台參數值,或是通知系統扣留機台、轉換狀態進行設備保養,讓產品在未超出品質規格之前,將品質拉回穩定曲線,SPC 示意如下:

SPC
SPC 示意圖

SPC 八大分析規則

  • 超過管制圖的上下限。
  • 連續 N 點在同一側。
  • 連續 N 點持續上升或下降。
  • 連續 N 點交互移動。
  • 連續 N 點在 N 個標準差之內。
  • N 點中有 M 點在上下兩側 X 個標準差之外。
  • 連續 N 點在兩側,但是在 X 個標準差之內沒點。

SPC 應用情境說明

某生產機台預防保養週期為 30 天,目前已生產 11 天,SPC 監控資料如下圖,監控數值超過上限。當超過規格上限線時,將扣留生產機台並取得機台生產參數、生產配方進行分析,找出問題發生的原因並及時進行處置,後續也將提出改善計畫。以上述生產機台為例,分析後發現機台零件老化導致機台參數偏移,所以提早進行設備保養、更換零件,後續則提出縮短設備保養週期之計畫,如下 SPC 超出規格流程示意圖。

SPC
SPC 監控示意圖
SPC 執行、分析、原因、處置、改善
SPC 超出規格流程示意圖

在智能化設備故障預測的應用上,可藉由不同的資料及資訊收集、分析與預測,適時發出預測性與預防性的維護、更換、調校提醒或警示,及早避免設備不良造成損耗,有效提升智慧機械設備稼動能力並提升生產效率。

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