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擘劃智慧製造未來藍圖
客製化+人機共工

【作者: 王明德】   2018年01月18日 星期四

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工業4.0帶起的智慧製造浪潮,席捲了這幾年的製造業,國內外自動化設備廠商也紛紛積極布局,經過過去幾年各設備廠商的市場教育,2017年整體市場開始有啟動跡象,就有台灣工業電腦廠商指出,之前的製造設備銷售多是從現場的設備工程師與採購著手,由基層往上審核,但從2017年開始有一些案例是決策階層直接交辦廠方導入智慧製造系統,由此可以看出,智慧化概念雖未普及,但的確已開始有動靜。


智慧化製造案例不斷

就之前幾年的發展來看,目前已有多家廠商導入工業4.0系統,成為業界的示範案例,在所有案例中,西門子的Amberg廠房應該是最為人熟悉,Amberg工廠中,工具機廠中每條生產線上的控制器,通過產品代碼控制它們自身的製造過程,告知生產設備它們的要求及下一步工序,產品與生產設備的密切通訊使產線上的每台控制器都不一樣。



圖1 : 西門子的Amberg工業4.0工廠採用該公司的智慧化製造系統,成為全球知名的智慧工廠示範案例。(Source:Siemens)
圖1 : 西門子的Amberg工業4.0工廠採用該公司的智慧化製造系統,成為全球知名的智慧工廠示範案例。(Source:Siemens)

在汽車領域,也已經有廠商建置智慧化系統,汽車製造的自動化程度向來位於市場領先群,智慧化系統的導入速度也較其他產業更快,汽車製造多採用混線生產,也就是每條產線不會只生產同一車款、顏色的產品,現在BMW更導入客製化生產概念,其生產線的彈性製造能力已經到可以讓顧客在車子進入生產線的6天前,就可要求變更設計與配備的程度,因而同一條產線出廠的汽車,沒有任何一輛是完全一模一樣;且同一條產線可在不需要停止運作的情況下,隨時加入不同車款的生產。


相同的客製化模式也在製鞋業和服飾業發生,愛迪達就以3D列印個人鞋款,透過大量客製化提升產品附加價值,並從「大量客製化」到「個性化」,採用3D列印技術生產運動鞋,未來顧客只要走進愛迪達的門市,在跑步機上跑幾步,愛迪達就能快速獲取足部特徵及各項數據,為顧客打造一雙量身定做的運動鞋,大陸青島紅領的C2M,則是服飾業的智慧製造代表,紅領集團建立了個性化設計的服裝數據庫,並透過數據驅動的智慧工廠,提供客戶平價、快速可取得的個性化服飾,大陸工廠從以往的B2C模式走向C2B/C2M模式,建立客戶可自行挑選產品部件的個性化生產資料數據庫、或精準對接供需方需求的平台,進行以客戶需求為起點的少量多樣生產。


CPS解決客製化難題

從上面的幾個案例,可以看出未來製造業的重要發展趨勢,首先是消費性產品已逐漸走向一定程度的客製化製造,顧客對產品的主導性增加,造成需求導向(demand driven)的生產方式興起,少量多樣以及客製化的產品發展成為趨勢,多數研發機構都認為,此一趨勢的速度將會加快,未來商品種類式樣繁多,但傳統的製造方式恐怕已無法應付如此多樣化的需求,而智慧製造講求產業縱橫向乃至於整個生態系統的整合,因而不再是單向模式的製造,而是透過上下串連整個供應鏈來藉此提升效率,並藉由虛實整合優化企業運作,解決以往客製化所遭遇的複雜度提高問題,同時進一步縮短交期。


客製化製程的系統需求在於靈活、易於即時調整的高彈性特色,工業4.0應用的CPS(Cyber-Physical System, 網宇實體系統)的特點,透過裝置感測器取得各種數據;再連結網路,使設備、產品與人可互通訊息;進一步分析遠端或近端的數據,使在地的操作單元更加靈活自主,CPS 的概念同時也應用於模組化設計的生產設備,使得生產線的可重構性大為提高,自主性與易重構性形成靈活且可即時回應的製造系統,正是轉型為大量客製化所必須的條件。


另一個趨勢則是整體製造環境將邁向以人為本的思考方向,以歐美大廠為例,現在早已不再只是研究於怎麼開發成無人工廠,反而更聚焦於人跟機器間該如何互動與搭配才能有效提升效率,在未來的工廠中,工業機器人將會扮演重要角色,設置於產線中的機械手臂,與作業人員共工的機率相當高,因此如何避免人員為機械所傷,就成為重要設計。


人機共工需強化安全設計


圖2 : 人與工業機器人共工將會是製造現場的未來樣貌,其設計必須在效率與安全中取的平衡。(Source:GTSPIRIT)
圖2 : 人與工業機器人共工將會是製造現場的未來樣貌,其設計必須在效率與安全中取的平衡。(Source:GTSPIRIT)

目前的機械手臂發展可分為線性手臂、SCARA手臂、關節多軸機械手臂等,其應用各有不同,線性手臂與SCARA手臂多用於體積較小、重量較輕的零組件組裝,關節式多軸手臂則有依其設計,分為小、中、大、重型等4種區別,20kg以下為小型、20kg~60kg為中型、60kg~300kg為大型、300kg以上為大型,由於關節式多軸機械手臂的抓取物有一定重量,且產線效率要求下,動作速度都相當快,重力加速度所產生質量相當大,若與人體發生碰撞,極容易受傷,因此中、大、重型關節是多軸機械手臂,都會使用圍籬作業人員區隔,避免發生碰撞。


目前機器手臂圍籬可分為實體與光柵兩種,實體圍籬以金屬製成隔板或網狀,阻絕人、物的進入,光柵顧名思義就是以光線隔絕,這兩類架構都會與機械手臂鏈接,若有人強行進入,機械手臂會即時停止動作,以防誤傷人體。


現在機械手臂的安全設計考量,除了確保正常操作的安全外,不正常操作時的安全也需納入,因為傷害多為不正常操作,像是之前台灣南部曾經發生機械手臂動作後,工作人員才發現抹布掛在上面,情急之下進入拿取結果受傷,不管是正常操作或不正常操作,機械手臂在動作時都必須要有一定的標準化流程,才能確保安全,至於非正常操作的安全設計,這必須由設備內部設計著手,內部設計包括「安全迴路」與「安全元件」的建構,這類安全設計與過去設備的思維不同,以往的設計思維是當機械手臂出現異常後,立刻出警報,通知前端有異常發生,安全迴路與安全元件的作法,則是機械手臂在動作時,迴路會隨時間手臂狀態。


除了客製化生產與人機共工之外,智慧製造還有多種新趨勢,AI就是其一,不過AI在智慧製造系統的導入排程屬於最後階段,必須在所有基礎建置都完備後才會導入,就目前看來,前眠所敘的兩大趨勢,是製造業近期將會發生的趨勢,台灣經濟向來倚賴外銷出口,必須面對來自全球的競爭,在智慧化浪潮下,各國廠商的動作都已加速進行,台灣廠商也必須積極面對此一趨勢,以確保本身競爭力。


**刊頭圖片(Source: MHI Solutions)


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