^
top
2019 IEKTopics|智慧製造 改善傳統工業運作新解方

全球經濟貿易秩序翻轉 新科技應用成為決勝關鍵

從全球貿易秩序的發展觀察,製造業欲藉由跨國生產成本不對等,而進行的投資布局,將難以為繼;人力問題、製造基地、資通訊技術、資料科學、能源需求、國家政策等等,皆讓製造業不斷面臨各種挑戰。因應生產效能與製程品質的提升,必需要有對策投入。

對於產值突破兆元的機械產業來說,機械金屬加工在中下游的供應鏈扮演著重要角色,像是手工具、水五金等製品。台灣機械金屬加工製造業,從過去到現在,以優質的原材料、專利布局、產品的品質、符合國際檢驗標準和售後服務,創造了競爭優勢。但是今天有中兩大隱憂值得關注:一是、技術人才斷層,基層人員多靠外藉勞工支撐;二是訂單和價格控制權掌握在國際品牌業者的手中。

新科技應用成為決勝關鍵

 

AI、大數據、機器人 讓製造業場域再進化

在技術人才斷層與成品價格控制權掌握在國際品牌業者手中的隱憂下,從導入機器人的自動化到運用人工智慧發展精密製造技術,將是機械金屬加工製造業的演變情境。

技術應用與發展會聚焦在一、拋光工藝技術優化,自動化技術將機械金屬工件拋出有如工匠手藝的法絲紋;二、利用數據進行智慧決策,克服製程中機械金屬工件的表面瑕疵,縮短檢測工時並降低至幾乎為零。

情境的演變就是工業機器人的技能化。機器人擁有加工技藝,可從事複雜的工作。未來工業機器人將逐漸進化成為具有擬人的檢知、推理、決策的功能,進而達成機器人系統之技能化,以完成大多數目前由工匠執行的技藝性精密工作。藉由感測,有效彙集來自週邊環境或設備的大量資料,善用這些數據,在猶如真實世界化身的電腦裡執行有如實際生產製造的對稱性活動。

 

上銀科技水手計畫 成為精密機械產業推手

機械金屬加工工件由於產品的不同,其尺寸大小、形狀及重量差異甚大,需要各種不同的機台設備進行加工作業,主要加工製程大多由車、銑、沖、磨床等工具機搭配人力處理作業而完成。

以現今的機械金屬加工製造業來看,技術人員多憑領域知識與經驗Trial and Error進行研發,平均1~2個月就需要依照客戶的特殊規格需求,進行新規格產品的製造,並由非常資深且經驗十足的師傅主導,結構較複雜的產品通常需執行實驗多達10次以上,研發時間快則數天,慢則一、兩個月。

近年因智慧製造趨勢,工具機廠商已發展出結合工業機器人上下料,進一步地則要進行整廠智動化系統的建置。

上銀科技股份有限公司,主要從事精密滾珠螺桿及線性傳動元件研製,公司未來的策略之一是要將原本單獨提供零組件的發展模式升級到系統件的提供。2019年,上銀提出「水手計畫」,透過新科技服務帶動傳統產業的智造與轉型,與4家台灣機械廠商,隴鈦銅器、勝泰衛材、銳泰精密、伯鑫工具進行合作,建置水五金與手工具智慧製造生產線,提供機械金屬加工製造業導入智慧製造的新科技服務。

 

發掘原有產業缺口 導入新科技打造一條龍服務

首先在工廠自動化方面,透過機器人將工件的移轉串聯起來,穩定生產的品質,減緩人力勞動的辛苦。再來是建置製造執行系統,連結工廠自動化的所有設備,從生產開始到產品完成,統合控管產品在生產線上的各種即時資訊,將工廠生產的即時資料回應於報表,建構完整的生產履歷,並透過分析數據,做出更精準的生產排程。接著,將製造執行系統連結產品管理系統,建構網宇工廠環境,讓產品在開發階段就可以在電腦模擬生產狀態,並與設計資料庫連結,實現產品從設計、製造到品質的全面性管理。

隴鈦銅器、勝泰衛材、銳泰精密、伯鑫工具等四家業者在上銀水手計畫主導下,依循系統建構智慧製造生產線。水手計畫的精神在於工廠自動化的設備透過中繼站統一連結到雲端,而製造執行系統和產品管理系統都架設在私有雲上,改善原有產線生產技術的缺點。

這個新科技服務方案讓四家工廠的良率、人均產值提昇,交期、生產週期減少,我們觀察到已逐漸顯現出兩大優勢,一是能因應少量多樣的生產模式;二是經營者能有正確即時的生產數據來參考,做出正確決策。

上銀將原本單獨提供零組件的發展模式升級到系統件的提供,集合整個機械金屬加工產業鏈上的知識為業者提供加值服務,透過提供服務的方式參與到客戶的生產場景中,解決客戶生產場景中的隱性風險、浪費和焦慮。

 

工研院以CPS助攻 提高水五金產業發展動能

台灣目前水五金相關廠商約500家,以出口為主,供應全球50%以上的水龍頭。每年產值達新台幣500億以上。從上游原料、中游製造、下游產品,早已在台灣中部形成一個典形的產業聚落。

在製造過程中,可分為鑄造、沖壓、研磨、拋光、組裝等步驟,其中研磨、拋光製程需使用大量人力作業。由於研拋作業環境,噪音、粉塵嚴重,因此難以吸引從事此製程的作業人力。此外,研拋者的熟練度會影響水龍頭研拋的效率和品質,加上新進員工至少需要6個月以上的訓練,且缺少系統性的方法,研拋加工的技術並無法有效傳承。

因此,透過智慧製造優化水五金製程是產業的需求,我們看到龍頭廠商導入國外工業機器人進行製程的自動化;但是現今的國內外各品牌工業機器人若要研拋少量多樣,外型高度不確定的水龍頭工件,將面臨極大挑戰。因為使用機器人進行水龍頭研拋之前,需針對每款水龍頭教點,現今每一款水龍頭的教點平均需耗時14個工作天。

另外,每批水龍頭鑄造歪模的因素會造成水龍頭的尺寸上有些許的不同。在研磨同批不同款的水龍頭之前,必須微調機器人的研磨路徑,這將再花費2個工作天。而機器人長時間研磨下,會使得機器人的精度偏移,還有砂帶磨耗、接觸輪磨耗,會使得工件產生表面瑕疵。

所以如何降低使用機器人的操作門檻、降低機器人研拋的教點時間、克服機器人精度偏移的問題,是這個產業導入以機器人為核心的智慧製造所面臨的挑戰。

工研院2030未來情境

 

結合自動化升級服務 CPS機器人大幅提高生產良率

工研院協助台灣水五金產業進行研磨製程的自動化升級,透過研發CPS(Cyber-Physical System)網宇實體系統機器人技術來解決上述的挑戰;其整合感測器、通訊,與控制器等軟硬體,透過計算,自動生成機器人研拋程式,利用通訊網路把完整的研拋資訊即時傳送至機器人,再透過感測器記錄加工路徑,最佳化研拋作業程序。

工研院已展現研發成果,業者只要將水五金工件的3D模型檔案載入,只需24小時就可完成機器人的路徑教點,這讓原本研磨一個工件的時間可從10分 鐘降低至4分鐘半。工研院透過高精度控制器、自動生成教點軟體的研發,搭載國內外品牌機器人,展現人類工藝的智慧移轉,不但加值也強化了機器人應用於水五金製程的競爭力。

工研院發展工匠工藝傳承數位化技術,以新科技服務克服了機器人研磨調機的冗長時間與師傅的依賴,將原本抽象的工匠技術轉換為具體工序之輸入參數,嫁接傳統與未來,提升機器人的工藝價值,帶動傳統產業升級。

 

智慧製造 成為傳產製造業服務競爭力的關鍵指標

未來國內機械金屬加工製造業者為了與中國大陸、東南亞國家的品牌產品做出市場區隔,一定會致力開發高單價產品,提高產品特殊性、功能性和整體設計感,以提高產品附加價值。

拋光工藝技術優化與利用數據進行智慧決策,就是讓未來的電腦成為一個AI虛擬工程師,這位工程師擁有像人類一樣的拋光工藝技術與具備利用數據進行智慧決策的能力,他不只具有工匠的技藝,也且有工匠的精神,隨著產業智慧化轉型需求的增溫,透過技術人員與AI分身工程師雙腦協作的賦能,轉型成為具有服務價值的代工業者,並在轉型的過程中解決勞缺、成本上漲、複雜外型、產品生命週期縮短與高階生產技術等問題。

智慧製造助力重現工匠技藝,對科技解決方案提供者來說,透過讓各種軟體和應用程式被建構在一個無縫連接的系統,把各個自動化孤島串接,連接的實體工業系統,將能夠分析各個實體元件、機台、設備,並讓它們彼此可互相溝通。未來的科技解決方案提供者不能只是某個單一產品的提供者,亦要能做系統整合的新科技服務者。

工研院CPS智慧移轉系統架構

 

IEKView

從全球貿易新秩序的發展觀察,藉由跨國生產成本不對等而進行的投資布局,未來將難以為繼。歐美推行「製造業回流」、「再工業化」、「工業4.0」,亞洲的中國大陸、日本、南韓也紛紛以政策強化製造技術的升級,希望創造出新的經濟發展模式。這些作為不但帶動工業自動化的快速發展;其內涵亦融合了物聯網、雲端運算和大數據等新世代資通訊技術的智慧製造。運用AI讓機器具有等同人類的行為能力與思維意識,可以執行如人手之技能化工作,完成專業人力進行的技藝性精密工作。人類工藝智慧移轉系統,在猶如真實世界化身的電腦裡執行有如實際生產製造的對稱性活動,提昇生產效能。智慧製造的目的就是要樹立生產系統的價值,逐步讓製造業者發展出生產優化、數據聯結、因應大量客製化的能耐。