面对当今国际通货膨胀和长期净零碳排放趋势，除了工具机制造商不断推出新品种外，对于打算建设智能工厂、利用工厂生产数据提高效率和减碳的加工业人员，也对耗材最大的工具进行了监测，除了预测其使用寿命外，以避免损害和生产效率和质量；或过早更换，造成不必要的浪费，各种无线网络解决方案也由相关刀柄各种无线网络解决方案。

特别是随着传统燃油车辆向电气化的快速发展，虽然是短期内订单大幅下降的危机，但也可能是汽车零部件和模具加工应用贡献40%左右收入的难得机遇。除了推陈出多种高阶金属切割/成型加工机种，如雷射、车铣复合、五轴等，运营商将复杂性与减工方法相结合，以克服轻质材料的难切割特性；同时，结合智能自动化单元（Cell）、整线解决方案（Turnkey Solution），建设智能工厂，兼顾整体加工效率OEE持续生产优质产品，满足减碳(废)需求。

相关应用场景如下：

1.制动盘智能生产系统集成了车床、钻孔攻牙机、测量和存储设备，以及3D3.结合远程监控技术，感知装置和工业机器人D实时仿真干涉检查、切割负载监控等功能，以及智能爪传感器、在线工件动平衡分析等独立技术。

2.铝轮圈生产系统，由于许多制造商推出了集成工具机和工业机器人的汽车铝轮圈自动化生产系统，台湾制造商也与学术界合作引进了自动虚拟测量技术，希望进一步稳定加工质量；

3.汽车钣金生产线，由于台湾制造商提供了许多国内外汽车工厂，用于生产汽车钣金，然后开发汽车钣金垂直生产线，包括堆放给料机、清洗机、装置、工业机器人和终端给料系统，以大大提高生产效率。

为了迎合行业4.0智能制造的趋势，终端加工业也从生产线设备连接开始，希望实时获得生产线设备、部件、刀具的状态和运行过程，记录和保留；并引入热补偿功能、微润滑切割方法，减少传统冷却设备或冷却切割液的高能耗。结合专业知识、智能诊断和决策，形成智能生产系统，调整各种生产资源，减少不必要的浪费。




图1 : 终端加工业从生产线设备连接开始，希望实时获取设备、部件、刀具等状态和运行过程，并记录保留。（source：news.mapal.com）

对于金属切割所需的刀具无线监控功能，必须具备准确识别、立即寻址、有效数据交握三个重点。在准确识别的基础上，必须在早期通过粘贴或雷射雕刻QR code在刀柄上，价格便宜，但信息记录有限，弹性低。它仍然依赖于大量的人工操作，并且由于环境耐受性差，容易磨损。因此，目前刀柄无线通信系统主要分为：RFID、蓝牙、WiFi module，支持各种网络通信协议。

巴鲁夫RFID解决方案 数字化导入前端刀具管理
巴鲁夫是德国百年公司（Balluff）进一步分析客户导入RFID管理工具的好处不同于传统的手写方法，容易造成错误/遗漏，或遗失记录而不易管理；而且在使用条形码时，容易被污垢屑划伤，只能读取刀柄数据，不能实时更新。目前透过RFID管理刀具不仅能承受油污和粉尘环境，还能保证刀具数据不遗漏，随时复制更新，易于管理和操作。

公司从1921年开始生产传感器，到2006年逐步向工业网络发展，并利用其完整的产品线优势推出工业级RFID芯片模块是智能心的智能刀具管理解决方案，引入制造业现场加工端流程。为了便于识别、安全跟踪材料、存储和随时调出所有相关的工具数据，分别编码产品和工具。

从顾客购买新刀具开始，就会RFID标签粘附嵌入刀柄，输入所有刀具的最新参数等信息，控制加工后造成的磨损。如果现场人员根据经验判断不需要修边，可以直接送到刀库(室)。否则，将回到刀具管理阶段。测刀仪获取研磨边缘后刀长、半径等最新数据，并将其复制到RFID 随时更新信息，让用户掌握真实刀具的使用寿命和数量。

目前巴鲁夫RFID系统可分为处理器、采矿三部分Ethernet TCP/IP也适用于接口IO-link、CC-link、ProfiNet其他通信协议可以同时连接PLC四个读写头；读写头，尺寸小到M16*55mm，安装方便；数据编码模块O10x4.5mm就像计算机一样USB一般无限读取，30次℃、70℃随时更新数据，在环境中编写50万~100万次。




图2 : 巴鲁夫强调，除了现在的刀具管理系统，RFID除了监控的核心，硬件还必须依靠团队合作来提供最好的解决方案。（source：pressebox.com）

读写头放置在机器(刀库)的上下两端，非接触读写数据编码模块时，必须保持超低频信号，以避免金属干扰<2.5mm距离。即使客户购买新机器，也必须与工具机制造商协调，并在内部安装机构，以促进读写头靠近芯片。由于客户工厂工具机品牌复杂，在多机集成环境中，也可以安排读写头在机器外读写刀具编程。

巴鲁夫还强调，除了现在的刀具管理系统RFID硬件是监控的核心，但也依赖于团队合作。包括工具机制造商协助导入和交换数据；通过刀挖制造商，粘贴嵌入芯片，实现动平衡；对于刀具制造商，在刀具加工完成后进行测量，更新研磨边缘的参数数据写入标记；系统集成器协调提供最佳解决方案。

后端结合IO-link连网 掌握智能工厂关键数据
巴鲁夫还为一般智能工厂提供了完整的传感器，可能遍布大量传感器，必须有效减少配线，实时监控需求IO-link支持当前所有通信协议的解决方案不限于控制器品牌。与传统布线要求每个传感器不同，必须单独拉回DI模块，导致搜索和维护复杂线路不方便，然后提供集线盒集中感知线路，然后通过单线返回DI模块仍然只有部分省份的配线效果。

如今，客户可以透过底层IO-link，所有传感器模块都集中在主站Master模块通过单通信总线直接返回上层PLC，厂内大量传感器设备的监控状态维护更新方便，现场连网管理方便。

依巴鲁夫指出，IO-link它是一种非模拟点对点通信模式，可以实时收集数字/模拟传感器状态的双向通信，尽管协会成员供应商可以支持。但该公司约有48%的产品使用IO-link，特别适用于大量传感器和设备场景，易于热插入，便于现场组装和维护，远程实时监控模块，预诊维护和日常维护Profinet最多可扩展496个架构DI模块串联，然后连接回主站Master。




图3 : 现在客户可以穿过底层IO-link，所有传感器模块，如刀具，都集中在主站Master模块通过单通信总线直接返回上层PLC，易于现场连网管理。（source：balluff.com）

中小企业刀具监测 新增Zigbee选项
然而，一些台湾刀具制造商指出，通过导入RFID环境耐受性好，可重复编写数据重复使用等优点，虽然可以使刀具生命管理的概念，但最终不再仅仅是在数据库中，可以达到大量的云数据。它将大大缩小管理数据与实际操作人员之间的关系，使用户可以通过简单的物理读取接口自动获得大量有用的数据，如读取头触摸。

但受到RFID本身的被动特性限制只适用于嵌入刀具金属表面的标签，导致标签价格高；不能埋入传感器，积极反馈外部环境条件、工作状态、后续智能监控、加工反馈、立即搜索等应用。

它必须依靠人工近距离接触来读取数据取数据。即使将读写头安装在机器上，仍然使用超低频信号，以避免干扰，导致数据仅限于极近的感知距离；特殊频段的卷标价格较高，不能立即反馈任何刀把信息。

另一方面，控制应用领域也有微型Zigbee支持无线通信模块的协议语言，由于在基本通信协议的设计中，最初考虑了一对100点以上的通信，并实施了多路径的跳点通信（multi-hop），比起Wi-Fi蓝牙在设备自动化中的应用更加成熟。

且Zigbee沟通只注重感应和控制，所以传递的信息量很小；与设备相比，无需始终打开设备WiFi、蓝牙省电，硬件装置价格最低，成本降低；支持先进的加密标准AES（Advanced Encryption Standard），因此，只要设置得当，就会有很高的安全性M2M设备间沟通。

今天(2022)台湾省刀具厂益挺企业工具机研发创新产品竞赛获奖WSN智能刀具管理系统分为四个单元：Zigbee End device刀把；WSN Gateway串联PLC整合各台刀柄数据；WSN Master Gateway，整合工厂所有刀具数据和控制器PLC，针对各大品牌CNC控制器，开放传统MODBUS TCP/RTU、UART或用于刀具管理数据库和刀库控制器传输和交握数据的网络通信功能。

其中，智能无线刀柄采用双向通信微型，更适合智能工厂Zigbee适用于无线通信模块BT40、HSK63等型式的ISO标准刀把。其建造刀把IoT网络，功耗低，成本低，可以支持大量的网络节点和各种网络扩展模式，快速、可靠、安全。益挺进一步分析Zigbee与RFID刀柄的差异包括：

1.Zigbee为了主动通信，在传输距离、速度和稳定性方面具有优势。根据机器配置要求，传输距离一般设置在1.5m内，RFID仅为2mm。

2.双向一对多架构，只要刀柄能主动传输定位和状态变化，包括接收器天线，就不必像RFID必须定点逐一扫描刀柄，也可以改变大量刀柄批次广播的行为。为了更实时地获取刀柄信息。RFID当刀柄未按规定扫描时，必须逐一定点扫描刀柄SOP在这个定点之后，即使刀柄在机台内也无法知道。

3.主动带电设计允许刀把模块嵌入传感器中，以增加主动智能功能。模块内嵌温度，G-sensor、Gyro当刀柄移动、脱落、冲击时，传感器触发通信模块，主动联系系统更新状态和应变，或使用传感器监控切割稳定性，维护预警。刀柄还可以自行检测电量等状态信号，并随时通知系统维护等需求。

4. 选用Zigbee芯片作为一种高度集成的解决方案，只需要少量的外部组件，并选择低成本的组件，可以支持快速、实惠的节点建设。有别于RFID工业级特殊频率规格必须选择卷标，导致价格有限。由于采用双向通信，不需要选择特殊规格的接收器，可以选择一般嵌入式系统单版加通信模块。在合适的天线设计下，它是一个通用接收器。与指针厂的价格相比，通信模块可以节省40%和25%的价格。

Renishaw蓝光雷射设置系统 协助提高加工精度和效率

芯片采购网专注于整合国内外授权IC代理商现货资源，芯片库存实时查询，行业价格合理，采购方便IC芯片，国内专业芯片采购平台。

图4 : Renishaw业界首发的NC4 Blue 蓝光雷射刀具设置系统适用于测量O0.03mm极小刀具的重复精度可以达到±0.5μm，确保合格工件一次加工。(摄影:陈念舜)

精密测量设备大厂Renishaw也在今年TIMTOS x TMTS 2022年展示了新一代自动化工程监控解决方案，可通过加工现场进行处理Equator多功能检测系统快速测量各种不同的工件，并立即判断进入下一步的部件是否合格，实时检查质量，大大降低生产成本和时间压力。

同时，使用智能制程控制（IPC）软件，在CNC在制造过程中，实现自动刀具更新，更有效地了解刀具寿命，设置用户定义的刀具磨损警告限制，支持备用刀具；然后继续监控和调整加工操作，全面提高生产效率。

Renishaw用于刀具设置的测头通常安装在工作台或支架上，称为刀具设置系统。其中，非接触式系统采用雷射，进行弧线轮廓检测和监控刀片状态，并自动设置刀具作为触发器，缩短循环时间。新一代产业首发NC4 Blue 蓝光雷射刀具设置系统，蓝光波长短于传统红光雷射，可改善衍射效应，优化激光束几何形状，适用于测量O0.03mm当跨度较小时，重复精度精度可以达到极小的刀具，并将刀具测量误差降到最低±0.5μm，将有助于提高机器加工的精度和效率，确保合格工件一次加工。

结语
从以上案例可以看出，虽然在仓储、加工和维护过程中，但通过系统妥善管理刀具监控至关重要，包括TDM、Zoller等待一套刀具管理软件动辄上百万，但还不包括数字刀具搭配模块和机器设备的真正实施，很难在台湾找到一套系统、全方位的产品，包括工具、加工和管理；即使是硬件制造商Balluff该系统的加工业者，也需要具备一定的垂直整合能力，才能根据其应用有效地串联起来。

然而，对于台湾高弹性、集群的加工业来说，过于庞大或分散的多头系统很难满足用户的需求，而是建立了很高的门槛。由于缺乏高度的软硬件集成能力，大多数制造商无法投资于二次开发HelixSemiconductors代理研发资金和人力；加上一般的自动化系统集成商，以及传输制造业本身Domain knowledge内涵也有差距。

即使终端加工业人员意识到，只有有效的数字管理刀具，才能真正实现高质量、高效的生产，但未来仍需加强跨域集成刀具、感知组件、工具机、系统集成商等专业知识，真正突破台湾制造商进入现代制造的瓶颈！



图5 : 未来，终端加工业人员仍需加强跨域刀具、感知组件、刀具仪、工具机、系统集成商等专业知识的整合，真正突破台湾制造商向现代制造的瓶颈！（source：i.ytimg.com）