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齒輪加工奠基 支援開發輕量化機器人
聚焦生產線彈性與多樣化生產

【作者: 陳念舜】   2020年10月30日 星期五

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面對現今台灣製造業對於精微傳動元件的需求,除了源自於可供擴建新廠的土地、人力等「五缺」所限,必須藉此節約生產線空間並強化彈性之外,還同時促成了工業機器人產業的輕量化七軸、協作型機種成為主流,甚至可與無人搬運車整合。對於所需關鍵零組件的一體化驅控模組、諧波減速機等陸續問世,奠基上游的齒輪加工產業重要性更不言而喻。


尤其因應終端消費者習慣不斷求新求變,導致市面上產品數量大增、生命週期也越來越短,對於加工製造業者而言,必須為此迎接從少樣多量化、多樣少量化,進階到大批量客製化需求,可在彈性自動化生產線上扮演關鍵角色的工業機器人功能,也有別於傳統只是搬運取放(Pick & Place),或取代3k工作,還是望能迎合廠內多元化應用與生產模式。


例如自動化程度較高的汽車製造業,便不再只停留在傳統大批量生產時代,而須面臨每輛新車可能有上千項零組件必須拆解、分析、驗證,甚至要多於實際生產的時間,所以勢必大幅提高彈性,從生產線(line production)改為小型單元(Small Working Cell),當來料位置不固定時省下夾治具成本,才能滿足客製化、快速換模生產需求。


加上原本即有各自的領域知識及要求高度彈性,耗費最多人力的傳產和電子代工業,則因為缺工而逐步引進智慧機械,卻未必找得到適合的系統整合商(SI)協同規劃,只能尋求簡單、易用的解決方案,於最短時間內完成佈署、具備大批量客製化交貨能力,才能在未來景氣快速反轉的第一時間搶下短/急單。



圖1 : 協作式機器人近幾年成長速度優於傳統工業機器人,預估到2027年市占率可望達到29%。(source:interact analysis)
圖1 : 協作式機器人近幾年成長速度優於傳統工業機器人,預估到2027年市占率可望達到29%。(source:interact analysis)

其中協作型機器人(Cobot)因為可與人類員工共享空間、分配工作,將較危險、勞累、重覆性高的工作交由機器人協同工作,人類則負責較需要彈性作業;甚至因為體型更輕,得以搭配無人搬運車(AGV),組成自主移動式機器人(Autonomous Mobile Robot;AMR)四處移動,確保符合ISO 10218-1/TS 15066/EN 13849-1等國際安全規範,並減少工廠重新佈線的困擾,重要性正持續被國內外使用者肯定。


包含日本工業機器人大廠FANUC今(2020)年推出的最新機種CRX-10iA系列,也屬於六軸協作型機器人,強調更安全、快速、簡易操作,具備非常敏感的「接觸停止」功能,只要感受到1~2kgf異常施力,就會即時停止(紅燈);強調其採取手拉式直覺教導的操作感,會比同業更為輕盈;同時利用高度整合力/觸覺的驅控系統及配置區域安全感測器(Area sensor),使得CRX-10iA可在接近人體的「協?模式(綠燈)/手拉教導(閃綠燈)」,切換降速,以及「非協?模式(黃燈)」,採取比一般協作型機器人更快運行速度2,000mm/sec。



圖2 : 工研院近期推出新型七軸驅控整合式關節機器人,模組化關節能依照不同應用來變化軸數,執行更多工的類人化作業。(souce:工研院)
圖2 : 工研院近期推出新型七軸驅控整合式關節機器人,模組化關節能依照不同應用來變化軸數,執行更多工的類人化作業。(souce:工研院)

工研院近期也不斷推陳出新七軸驅控整合式關節機器人,具備輕量化,單臂總重15kg;高精度,重現性0.02mm;以及驅控模組化等優勢,不僅比起傳統六軸機種的軸數多,荷重比0.3的動作靈活自由又穩定,模組化關節還能依照不同應用來變化軸數,克服傳統機器人無法彈性調整臂長及構型的缺點,執行更多工的類人化作業,以因應日趨複雜的製造需求。


表1.工研院前三代系列驅控整合式關節機器人比較表:

 

第三代(七軸)

第二代(六軸)

第一代(六軸)

特色

僅有I-type/N-type兩種關節模組,單位重量的扭力輸出較第一代增加約30%,搭配七自由度設計提供更高的作業彈性,適合工業與服務型機器人應用。

分為L-type/I-type/N-type不同關節機構改良後,具備體積小與輕量化優勢,可搭配組成高精度協作型機器人。

採取L-type構型,經自主開發馬達、減速機、驅動器、控制器等關鍵零組件,可達成工業應用要求精度。

重複精度

±0.02mm

±0.02mm

±0.02mm

荷重比

總重15kg、荷重約5kg,荷重比0.3。

總重12kg、荷重約5kg,荷重比0.41。

總重10.6公斤、荷重約5kg,荷重比0.47。

自由度

7

6

6

應用領域

結合AI人工智慧、與夾具等,機器人可做更多輕工業加工、家居服務與生醫照護的工作。

可應用在工業生產、機器人教育訓練、DIY市場等領域。

可應用在工業生產、機器人教育訓練、DIY市場等領域。


諧波式減速機成核心 齒輪加工能力為成敗關鍵

關於輕量化機器人必不可缺少的高階關鍵零組件「諧波式減速機」,為1955年首先由美國C.W.Messer博士發明之後,因充份利用金屬的彈性力學,使得齒輪傳動同時嚙合齒數達總齒數30%,達成極高定位精度,在導入日本隔年開始量產後,世人不斷改良沿用至今。


該減速機不僅體積小、重量輕,而節約空間;具備高轉矩負荷、高剛性及低背隙,達成優良的定位和旋轉精度等特性,方便客戶組裝與搭配,將馬達高速運轉的動力,透過輸入軸上的齒輪嚙合,傳遞至輸出軸,以降低轉速並增加轉矩。由於齒輪的齒數比就是傳動比高,使之能提供同尺寸下多種減速比選擇,依客戶需求製作專屬樣式,現已被廣泛應用於機器人自動化與檢測設備等要求定位精度準確的控制機構;。


目前在台灣既有東培工業公司(TPI)善用多年來累積專業製造滾珠軸承的能量,成功開發出TD諧和式減速機,主要結構僅有:波形產生器、撓性齒杯、環齒剛輪、交叉滾柱軸承,容易組裝,即可達到1:50~1:120高減速比。其中波形產生器還包含薄型軸承,由於齒型模數小、嚙合齒數多,使之可產生較大轉矩及實現高迴轉、定位精度,實現小型輕量化結構設計;撓性齒杯,則受惠於其具備自主研發齒形能力,採用FEM技術分析齒對嚙合及齒面接觸應力最佳化設計,具備高抗拉強度及承受韌性變形等特點。


同時建立從鍛造、車削、研磨組立、鋼珠及零配件等一條龍方式生產優勢,更為此添購歐系高階插齒機、滾齒機和日系量測儀器;初期便與精密機械研發中心(PMC)合作進行動態跑合測試,自主開發可同時記錄、分析軸承溫升和振動數據的軟體程式,從而具備完整的研發、製造、品檢能量,掌握可為自動化產業客戶提供標準及客製化能力的關鍵技術;再經過客戶現場實測確認後,開發出足以媲美日系同級剛性、精度和壽命的產品。目前東培工業除了導入自家智能化工廠使用之外,也持續對外促銷,提供業界開發輕量化、協作型機種之用。


上銀集團(HIWIN)多年來對於線軌/滾珠螺桿、機器人等核心產品技術持續精益求精,


繼2015年併購台灣齒輪研磨工具機大廠邁萃斯公司(MATRIX)以來,終於能掌握製造機器人關鍵零組件的諧波減速機專用加工設備,直接與歐日系大廠在同一起點競爭,得以提升機器人結構設計能力,加快上市布局,以克服過去日本產官方不許輸出加工機器人相關設備及刀具限制,或導致成本大增而失去競爭力。


對於邁萃斯公司而言,則能享有上銀集團自製零組件成本較低、及全球布建完整行銷通路之優勢,藉此導入上銀旗下大銀微系統開發的直驅(DD)馬達,解決過去仰賴外購大功率輸出伺服馬達帶動螺桿的缺憾,期許未來能實現控制器、驅動、傳動元件全國產化目標,也帶動台灣廠商跟進,提升五軸加工機競爭力。2018年還與英國百年螺?磨床大廠Matrix協同設計研發,結合Matrix的豐富研發及生產經驗,與邁萃斯的精密製程與創新能力,提供客戶優質的專業服務。



圖3 : 上銀集團繼2015併購台灣齒輪研磨工具機大廠邁萃斯公司以來,終於能掌握製造諧波減速機專用加工設備,以提升機器人結構設計能力,加快上市布局。(攝影/陳念舜)
圖3 : 上銀集團繼2015併購台灣齒輪研磨工具機大廠邁萃斯公司以來,終於能掌握製造諧波減速機專用加工設備,以提升機器人結構設計能力,加快上市布局。(攝影/陳念舜)

到了今年初由上銀集團總裁卓永財正式接手治理公司後,更延續去年親自帶領上銀科技主要幹部駐廠,從源頭開始利用結構、有限元素分析等電腦輔助技術,逐步改良全系列機種和製程等問題,以確保性能和品質穩定,預估今年底即可達到國際DIN 4精密加工標準,明年將推出新款齒輪研磨工具機。看好未來受惠於汽車電動化趨勢,對於連結電動車馬達的減速齒輪研磨精度要求更高,將促使齒輪產業加速升級,才能搶進新興電動車產業鏈。


值得一提的是,人生第二度創業的盟英科技公司總經理陳士端則因為出身工研院機械所,且在首度創業成立陸聯公司,便是少數甚早採用國產PC-Based控制器、介面的背景下,習慣與台灣上中游產業鏈共享資源,讓他轉而投入開發諧波式減速機之後,便採取不同於國內外同業堅壁清野的模式,導致新進業者開發成本居高不下,而希望建立一個類似於台積電的開放創新生態系。


包含由該公司釋出開發諧波式減速機的Domain knowledge之後,選擇與台灣上中游材料、設備製造廠商技術密切合作,開發精微加工專用的切齒機、滾齒機、插齒機,產品可直接達到DIN 4等級,既減縮盟英科技開發成本及上市時間,還能帶領供應鏈夥伴共同升級,跨足高精密加工領域。同時與終端客戶協作開發客製化減速機,以提供一體成型、圓滑精美外觀的工業/服務型輕巧機器人所需所需末端、腕部關節,可與大陸競爭對手在標準品的紅海區隔。


盟英科技具備工研院投資、技轉的背景,可自主掌握人才優勢,目前該公司內部工程師群主要來自於工研院過去開發驅控模組一體化結構中的諧波減速機團隊。陳士端說:「當時機器人減速機市場約80%屬於可承受較高荷重的RV(擺線式)機種,只有15%屬諧波式機種,卻是工研院發展較為成熟的技術,而由盟英科技率先導入開發後,也正好迎合現今20kg以下輕量化協作型/SCARA機器人主流,主要供應台灣工業/服務機器人、運搬自動化設備廠商打樣製造,以及半導體設備維修等服務來不斷創新加值。」



圖4 : 盟英科技希望採行類似台積電的生態系模式,既輔導上游設備、材料廠商,開發專用於加工諧波減速機的切齒機、滾齒機、插齒機,同時與下游等機器人製造廠商合作。(source:盟英科技)
圖4 : 盟英科技希望採行類似台積電的生態系模式,既輔導上游設備、材料廠商,開發專用於加工諧波減速機的切齒機、滾齒機、插齒機,同時與下游等機器人製造廠商合作。(source:盟英科技)

聞但他也指出,由於諧波式減速機問世65年來,引進生產的國內大廠層出不窮,結構設計其實大同小異,該公司的核心優勢主要在於減速機內部細節的外觀、齒形設計及輸出/入效能,足符合客製化需求,並直接提供日本、瑞士、大陸等專業刀具製造大廠,打造專屬刀具,以及從理論基礎開始建立CNC控制器的數學函式資料庫。


以及長期穩定的精度及可靠度品質,從草創初期便先購足瑞士量檢測儀器、德國蔡司三次元量床等,完善製程中每一步驟的檢測程序,包含從源頭開始的CAD/CAE電腦輔助設計、有限元素分析驗證,甚至是熱處理過後的材質、金相檢驗設備等,都能確保與原始設計比對無誤,所投資軟硬體的經費其實不輸加工設備。


未來盟英科技除了銷售產品及Domain knowledge組成的全方位解決方案之外,還希望能整合投資夥伴新代、盟立的控制器、馬達及驅動系統、感測器等關鍵零組件,預計最快可在2021年正式量產。


**刊頭圖(source:powertransmissionworld.com)


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