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擘划智慧制造未来蓝图
客制化+人机共工

【作者: 王明德】2018年01月18日 星期四

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工业4.0带起的智慧制造浪潮,席卷了这几年的制造业,国内外自动化设备厂商也纷纷积极布局,经过过去几年各设备厂商的市场教育,2017年整体市场开始有启动迹象,就有台湾工业电脑厂商指出,之前的制造设备销售多是从现场的设备工程师与采购着手,由基层往上审核,但从2017年开始有一些案例是决策阶层直接交办厂方导入智慧制造系统,由此可以看出,智慧化概念虽未普及,但的确已开始有动静。


智慧化制造案例不断

就之前几年的发展来看,目前已有多家厂商导入工业4.0系统,成为业界的示范案例,在所有案例中,西门子的Amberg厂房应该是最为人熟悉,Amberg工厂中,工具机厂中每条生产线上的控制器,通过产品代码控制它们自身的制造过程,告知生产设备它们的要求及下一步工序,产品与生产设备的密切通讯使产线上的每台控制器都不一样。



图1 : 西门子的Amberg工业4.0工厂采用该公司的智慧化制造系统,成为全球知名的智慧工厂示范案例。(Source:Siemens)
图1 : 西门子的Amberg工业4.0工厂采用该公司的智慧化制造系统,成为全球知名的智慧工厂示范案例。(Source:Siemens)

在汽车领域,也已经有厂商建置智慧化系统,汽车制造的自动化程度向来位於市场领先群,智慧化系统的导入速度也较其他产业更快,汽车制造多采用混线生产,也就是每条产线不会只生产同一车款、颜色的产品,现在BMW更导入客制化生产概念,其生产线的弹性制造能力已经到可以让顾客在车子进入生产线的6天前,就可要求变更设计与配备的程度,因而同一条产线出厂的汽车,没有任何一辆是完全一模一样;且同一条产线可在不需要停止运作的情况下,随时加入不同车款的生产。


相同的客制化模式也在制鞋业和服饰业发生,爱迪达就以3D列印个人鞋款,透过大量客制化提升产品附加价值,并从「大量客制化」到「个性化」,采用3D列印技术生产运动鞋,未来顾客只要走进爱迪达的门市,在跑步机上跑几步,爱迪达就能快速获取足部特徵及各项数据,为顾客打造一双量身定做的运动鞋,大陆青岛红领的C2M,则是服饰业的智慧制造代表,红领集团建立了个性化设计的服装数据库,并透过数据驱动的智慧工厂,提供客户平价、快速可取得的个性化服饰,大陆工厂从以往的B2C模式走向C2B/C2M模式,建立客户可自行挑选产品部件的个性化生产资料数据库、或精准对接供需方需求的平台,进行以客户需求为起点的少量多样生产。


CPS解决客制化难题

从上面的几个案例,可以看出未来制造业的重要发展趋势,首先是消费性产品已逐渐走向一定程度的客制化制造,顾客对产品的主导性增加,造成需求导向(demand driven)的生产方式兴起,少量多样以及客制化的产品发展成为趋势,多数研发机构都认为,此一趋势的速度将会加快,未来商品种类式样繁多,但传统的制造方式恐怕已无法应付如此多样化的需求,而智慧制造讲求产业纵横向乃至於整个生态系统的整合,因而不再是单向模式的制造,而是透过上下串连整个供应链来藉此提升效率,并藉由虚实整合优化企业运作,解决以往客制化所遭遇的复杂度提高问题,同时进一步缩短交期。


客制化制程的系统需求在於灵活、易於即时调整的高弹性特色,工业4.0应用的CPS(Cyber-Physical System, 网宇实体系统)的特点,透过装置感测器取得各种数据;再连结网路,使设备、产品与人可互通讯息;进一步分析远端或近端的数据,使在地的操作单元更加灵活自主,CPS 的概念同时也应用於模组化设计的生产设备,使得生产线的可重构性大为提高,自主性与易重构性形成灵活且可即时回应的制造系统,正是转型为大量客制化所必须的条件。


另一个趋势则是整体制造环境将迈向以人为本的思考方向,以欧美大厂为例,现在早已不再只是研究於怎麽开发成无人工厂,反而更聚焦於人跟机器间该如何互动与搭配才能有效提升效率,在未来的工厂中,工业机器人将会扮演重要角色,设置於产线中的机械手臂,与作业人员共工的机率相当高,因此如何避免人员为机械所伤,就成为重要设计。


人机共工需强化安全设计


图2 : 人与工业机器人共工将会是制造现场的未来样貌,其设计必须在效率与安全中取的平衡。(Source:GTSPIRIT)
图2 : 人与工业机器人共工将会是制造现场的未来样貌,其设计必须在效率与安全中取的平衡。(Source:GTSPIRIT)

目前的机械手臂发展可分为线性手臂、SCARA手臂、关节多轴机械手臂等,其应用各有不同,线性手臂与SCARA手臂多用於体积较小、重量较轻的零组件组装,关节式多轴手臂则有依其设计,分为小、中、大、重型等4种区别,20kg以下为小型、20kg~60kg为中型、60kg~300kg为大型、300kg以上为大型,由於关节式多轴机械手臂的抓取物有一定重量,且产线效率要求下,动作速度都相当快,重力加速度所产生质量相当大,若与人体发生碰撞,极容易受伤,因此中、大、重型关节是多轴机械手臂,都会使用围篱作业人员区隔,避免发生碰撞。


目前机器手臂围篱可分为实体与光栅两种,实体围篱以金属制成隔板或网状,阻绝人、物的进入,光栅顾名思义就是以光线隔绝,这两类架构都会与机械手臂链接,若有人强行进入,机械手臂会即时停止动作,以防误伤人体。


现在机械手臂的安全设计考量,除了确保正常操作的安全外,不正常操作时的安全也需纳入,因为伤害多为不正常操作,像是之前台湾南部曾经发生机械手臂动作後,工作人员才发现抹布挂在上面,情急之下进入拿取结果受伤,不管是正常操作或不正常操作,机械手臂在动作时都必须要有一定的标准化流程,才能确保安全,至於非正常操作的安全设计,这必须由设备内部设计着手,内部设计包括「安全??路」与「安全元件」的建构,这类安全设计与过去设备的思维不同,以往的设计思维是当机械手臂出现异常後,立刻出警报,通知前端有异常发生,安全??路与安全元件的作法,则是机械手臂在动作时,??路会随时间手臂状态。


除了客制化生产与人机共工之外,智慧制造还有多种新趋势,AI就是其一,不过AI在智慧制造系统的导入排程属於最後阶段,必须在所有基础建置都完备後才会导入,就目前看来,前眠所叙的两大趋势,是制造业近期将会发生的趋势,台湾经济向来倚赖外销出囗,必须面对来自全球的竞争,在智慧化浪潮下,各国厂商的动作都已加速进行,台湾厂商也必须积极面对此一趋势,以确保本身竞争力。


**刊头图片(Source: MHI Solutions)


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