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面對當今國際通貨膨脹和長期凈零碳排放趨勢，除了工具機制造商不斷推出新品種外，對于打算建設智能工廠、利用工廠生產數據提高效率和減碳的加工業人員，也對耗材最大的工具進行了監測，除了預測其使用壽命外，以避免損害和生產效率和質量；或過早更換，造成不必要的浪費，各種無線網絡解決方案也由相關刀柄各種無線網絡解決方案。

特別是隨著傳統燃油車輛向電氣化的快速發展，雖然是短期內訂單大幅下降的危機，但也可能是汽車零部件和模具加工應用貢獻40%左右收入的難得機遇。除了推陳出多種高階金屬切割/成型加工機種，如雷射、車銑復合、五軸等，運營商將復雜性與減工方法相結合，以克服輕質材料的難切割特性；同時，結合智能自動化單元（Cell）、整線解決方案（Turnkey Solution），建設智能工廠，兼顧整體加工效率OEE持續生產優質產品，滿足減碳(廢)需求。

相關應用場景如下：

1.制動盤智能生產系統集成了車床、鉆孔攻牙機、測量和存儲設備，以及3D3.結合遠程監控技術，感知裝置和工業機器人D實時仿真干涉檢查、切割負載監控等功能，以及智能爪傳感器、在線工件動平衡分析等獨立技術。

2.鋁輪圈生產系統，由于許多制造商推出了集成工具機和工業機器人的汽車鋁輪圈自動化生產系統，臺灣制造商也與學術界合作引進了自動虛擬測量技術，希望進一步穩定加工質量；

3.汽車鈑金生產線，由于臺灣制造商提供了許多國內外汽車工廠，用于生產汽車鈑金，然后開發汽車鈑金垂直生產線，包括堆放給料機、清洗機、裝置、工業機器人和終端給料系統，以大大提高生產效率。

為了迎合行業4.0智能制造的趨勢，終端加工業也從生產線設備連接開始，希望實時獲得生產線設備、部件、刀具的狀態和運行過程，記錄和保留；并引入熱補償功能、微潤滑切割方法，減少傳統冷卻設備或冷卻切割液的高能耗。結合專業知識、智能診斷和決策，形成智能生產系統，調整各種生產資源，減少不必要的浪費。




圖1 : 終端加工業從生產線設備連接開始，希望實時獲取設備、部件、刀具等狀態和運行過程，并記錄保留。（source：news.mapal.com）

對于金屬切割所需的刀具無線監控功能，必須具備準確識別、立即尋址、有效數據交握三個重點。在準確識別的基礎上，必須在早期通過粘貼或雷射雕刻QR code在刀柄上，價格便宜，但信息記錄有限，彈性低。它仍然依賴于大量的人工操作，并且由于環境耐受性差，容易磨損。因此，目前刀柄無線通信系統主要分為：RFID、藍牙、WiFi module，支持各種網絡通信協議。

巴魯夫RFID解決方案 數字化導入前端刀具管理
巴魯夫是德國百年公司（Balluff）進一步分析客戶導入RFID管理工具的好處不同于傳統的手寫方法，容易造成錯誤/遺漏，或遺失記錄而不易管理；而且在使用條形碼時，容易被污垢屑劃傷，只能讀取刀柄數據，不能實時更新。目前透過RFID管理刀具不僅能承受油污和粉塵環境，還能保證刀具數據不遺漏，隨時復制更新，易于管理和操作。

公司從1921年開始生產傳感器，到2006年逐步向工業網絡發展，并利用其完整的產品線優勢推出工業級RFID芯片模塊是智能心的智能刀具管理解決方案，引入制造業現場加工端流程。為了便于識別、安全跟蹤材料、存儲和隨時調出所有相關的工具數據，分別編碼產品和工具。

從顧客購買新刀具開始，就會RFID標簽粘附嵌入刀柄，輸入所有刀具的最新參數等信息，控制加工后造成的磨損。如果現場人員根據經驗判斷不需要修邊，可以直接送到刀庫(室)。否則，將回到刀具管理階段。測刀儀獲取研磨邊緣后刀長、半徑等最新數據，并將其復制到RFID 隨時更新信息，讓用戶掌握真實刀具的使用壽命和數量。

目前巴魯夫RFID系統可分為處理器、采礦三部分Ethernet TCP/IP也適用于接口IO-link、CC-link、ProfiNet其他通信協議可以同時連接PLC四個讀寫頭；讀寫頭，尺寸小到M16*55mm，安裝方便；數據編碼模塊O10x4.5mm就像計算機一樣USB一般無限讀取，30次℃、70℃隨時更新數據，在環境中編寫50萬~100萬次。




圖2 : 巴魯夫強調，除了現在的刀具管理系統，RFID除了監控的核心，硬件還必須依靠團隊合作來提供最好的解決方案。（source：pressebox.com）

讀寫頭放置在機器(刀庫)的上下兩端，非接觸讀寫數據編碼模塊時，必須保持超低頻信號，以避免金屬干擾<2.5mm距離。即使客戶購買新機器，也必須與工具機制造商協調，并在內部安裝機構，以促進讀寫頭靠近芯片。由于客戶工廠工具機品牌復雜，在多機集成環境中，也可以安排讀寫頭在機器外讀寫刀具編程。

巴魯夫還強調，除了現在的刀具管理系統RFID硬件是監控的核心，但也依賴于團隊合作。包括工具機制造商協助導入和交換數據；通過刀挖制造商，粘貼嵌入芯片，實現動平衡；對于刀具制造商，在刀具加工完成后進行測量，更新研磨邊緣的參數數據寫入標記；系統集成器協調提供最佳解決方案。

后端結合IO-link連網 掌握智能工廠關鍵數據
巴魯夫還為一般智能工廠提供了完整的傳感器，可能遍布大量傳感器，必須有效減少配線，實時監控需求IO-link支持當前所有通信協議的解決方案不限于控制器品牌。與傳統布線要求每個傳感器不同，必須單獨拉回DI模塊，導致搜索和維護復雜線路不方便，然后提供集線盒集中感知線路，然后通過單線返回DI模塊仍然只有部分省份的配線效果。

如今，客戶可以透過底層IO-link，所有傳感器模塊都集中在主站Master模塊通過單通信總線直接返回上層PLC，廠內大量傳感器設備的監控狀態維護更新方便，現場連網管理方便。

依巴魯夫指出，IO-link它是一種非模擬點對點通信模式，可以實時收集數字/模擬傳感器狀態的雙向通信，盡管協會成員供應商可以支持。但該公司約有48%的產品使用IO-link，特別適用于大量傳感器和設備場景，易于熱插入，便于現場組裝和維護，遠程實時監控模塊，預診維護和日常維護Profinet最多可擴展496個架構DI模塊串聯，然后連接回主站Master。




圖3 : 現在客戶可以穿過底層IO-link，所有傳感器模塊，如刀具，都集中在主站Master模塊通過單通信總線直接返回上層PLC，易于現場連網管理。（source：balluff.com）

中小企業刀具監測 新增Zigbee選項
然而，一些臺灣刀具制造商指出，通過導入RFID環境耐受性好，可重復編寫數據重復使用等優點，雖然可以使刀具生命管理的概念，但最終不再僅僅是在數據庫中，可以達到大量的云數據。它將大大縮小管理數據與實際操作人員之間的關系，使用戶可以通過簡單的物理讀取接口自動獲得大量有用的數據，如讀取頭觸摸。

但受到RFID本身的被動特性限制只適用于嵌入刀具金屬表面的標簽，導致標簽價格高；不能埋入傳感器，積極反饋外部環境條件、工作狀態、后續智能監控、加工反饋、立即搜索等應用。

它必須依靠人工近距離接觸來讀取數據取數據。即使將讀寫頭安裝在機器上，仍然使用超低頻信號，以避免干擾，導致數據僅限于極近的感知距離；特殊頻段的卷標價格較高，不能立即反饋任何刀把信息。

另一方面，控制應用領域也有微型Zigbee支持無線通信模塊的協議語言，由于在基本通信協議的設計中，最初考慮了一對100點以上的通信，并實施了多路徑的跳點通信（multi-hop），比起Wi-Fi藍牙在設備自動化中的應用更加成熟。

且Zigbee溝通只注重感應和控制，所以傳遞的信息量很��；與設備相比，無需始終打開設備WiFi、藍牙省電，硬件裝置價格最低，成本降低；支持先進的加密標準AES（Advanced Encryption Standard），因此，只要設置得當，就會有很高的安全性M2M設備間溝通。

今天(2022)臺灣省刀具廠益挺企業工具機研發創新產品競賽獲獎WSN智能刀具管理系統分為四個單元：Zigbee End device刀把；WSN Gateway串聯PLC整合各臺刀柄數據；WSN Master Gateway，整合工廠所有刀具數據和控制器PLC，針對各大品牌CNC控制器，開放傳統MODBUS TCP/RTU、UART或用于刀具管理數據庫和刀庫控制器傳輸和交握數據的網絡通信功能。

其中，智能無線刀柄采用雙向通信微型，更適合智能工廠Zigbee適用于無線通信模塊BT40、HSK63等型式的ISO標準刀把。其建造刀把IoT網絡，功耗低，成本低，可以支持大量的網絡節點和各種網絡擴展模式，快速、可靠、安全。益挺進一步分析Zigbee與RFID刀柄的差異包括：

1.Zigbee為了主動通信，在傳輸距離、速度和穩定性方面具有優勢。根據機器配置要求，傳輸距離一般設置在1.5m內，RFID僅為2mm。

2.雙向一對多架構，只要刀柄能主動傳輸定位和狀態變化，包括接收器天線，就不必像RFID必須定點逐一掃描刀柄，也可以改變大量刀柄批次廣播的行為。為了更實時地獲取刀柄信息。RFID當刀柄未按規定掃描時，必須逐一定點掃描刀柄SOP在這個定點之后，即使刀柄在機臺內也無法知道。

3.主動帶電設計允許刀把模塊嵌入傳感器中，以增加主動智能功能。模塊內嵌溫度，G-sensor、Gyro當刀柄移動、脫落、沖擊時，傳感器觸發通信模塊，主動聯系系統更新狀態和應變，或使用傳感器監控切割穩定性，維護預警。刀柄還可以自行檢測電量等狀態信號，并隨時通知系統維護等需求。

4. 選用Zigbee芯片作為一種高度集成的解決方案，只需要少量的外部組件，并選擇低成本的組件，可以支持快速、實惠的節點建設。有別于RFID工業級特殊頻率規格必須選擇卷標，導致價格有限。由于采用雙向通信，不需要選擇特殊規格的接收器，可以選擇一般嵌入式系統單版加通信模塊。在合適的天線設計下，它是一個通用接收器。與指針廠的價格相比，通信模塊可以節省40%和25%的價格。

Renishaw藍光雷射設置系統 協助提高加工精度和效率

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圖4 : Renishaw業界首發的NC4 Blue 藍光雷射刀具設置系統適用于測量O0.03mm極小刀具的重復精度可以達到±0.5μm，確保合格工件一次加工。(攝影:陳念舜)

精密測量設備大廠Renishaw也在今年TIMTOS x TMTS 2022年展示了新一代自動化工程監控解決方案，可通過加工現場進行處理Equator多功能檢測系統快速測量各種不同的工件，并立即判斷進入下一步的部件是否合格，實時檢查質量，大大降低生產成本和時間壓力。

同時，使用智能制程控制（IPC）軟件，在CNC在制造過程中，實現自動刀具更新，更有效地了解刀具壽命，設置用戶定義的刀具磨損警告限制，支持備用刀具；然后繼續監控和調整加工操作，全面提高生產效率。

Renishaw用于刀具設置的測頭通常安裝在工作臺或支架上，稱為刀具設置系統。其中，非接觸式系統采用雷射，進行弧線輪廓檢測和監控刀片狀態，并自動設置刀具作為觸發器，縮短循環時間。新一代產業首發NC4 Blue 藍光雷射刀具設置系統，藍光波長短于傳統紅光雷射，可改善衍射效應，優化激光束幾何形狀，適用于測量O0.03mm當跨度較小時，重復精度精度可以達到極小的刀具，并將刀具測量誤差降到最低±0.5μm，將有助于提高機器加工的精度和效率，確保合格工件一次加工。

結語
從以上案例可以看出，雖然在倉儲、加工和維護過程中，但通過系統妥善管理刀具監控至關重要，包括TDM、Zoller等待一套刀具管理軟件動輒上百萬，但還不包括數字刀具搭配模塊和機器設備的真正實施，很難在臺灣找到一套系統、全方位的產品，包括工具、加工和管理；即使是硬件制造商Balluff該系統的加工業者，也需要具備一定的垂直整合能力，才能根據其應用有效地串聯起來。

然而，對于臺灣高彈性、集群的加工業來說，過于龐大或分散的多頭系統很難滿足用戶的需求，而是建立了很高的門檻。由于缺乏高度的軟硬件集成能力，大多數制造商無法投資于二次開發HelixSemiconductors代理研發資金和人力；加上一般的自動化系統集成商，以及傳輸制造業本身Domain knowledge內涵也有差距。

即使終端加工業人員意識到，只有有效的數字管理刀具，才能真正實現高質量、高效的生產，但未來仍需加強跨域集成刀具、感知組件、工具機、系統集成商等專業知識，真正突破臺灣制造商進入現代制造的瓶頸！



圖5 : 未來，終端加工業人員仍需加強跨域刀具、感知組件、刀具儀、工具機、系統集成商等專業知識的整合，真正突破臺灣制造商向現代制造的瓶頸！（source：i.ytimg.com）