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全面布局智慧機械 提升台灣工具機競爭力
 

【作者: 王明德】   2019年02月20日 星期三

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德國在2012年提出工業4.0後,各國政府迅速跟進,包括美國的「AMP」(先進製造夥伴計畫)、中國的「中國製造2015」等,都是與智慧製造相關的政策,台灣在2016年也隨之推出生產力4.0,後期將政策聚焦在機械領域上,在5+2產業創新計劃中,納入智慧機械,讓台灣的工具機與精密機械產業先達到智慧機械目標,之後再延伸出智慧製造。


工具機是台灣少數完全自力發展技術的產業,其技術與德、日、義等國雖有落差,不過從整體產業面來看,仍屬於前段班。2010年前後是台灣工具機的高峰期,後來大陸業者迅速追上,在標準型機台展開價格戰,此後台灣廠商開始往客製化市場發展,如今接單生產的客製化機台已成為台灣工具機的主要業績,而為使自身產品有更高附加價值,智慧化布局是台灣必走之路。


圖1 : 工具機是台灣少數完全自力發展技術的產業,其技術與德、日、義等國雖有落差,不過從整體產業面來看,仍屬於前段班。(攝影/王明德)
圖1 : 工具機是台灣少數完全自力發展技術的產業,其技術與德、日、義等國雖有落差,不過從整體產業面來看,仍屬於前段班。(攝影/王明德)

智慧機械雖然是近兩年才出現的名詞,不過工具機智慧化在1990年就已被提起,當時主要是各廠商為提升操作效能,發展出各種單機輔助軟體功能,而這次工業4.0所衍生出的智慧機械,除了進一步強化單機軟體輔助功能外,還加入各類感測與通訊等IT元件,擷取機台零部件數據,提升設備稼動率。


工具機智慧化3階段

工具機與IT技術的結合有3個階段,第1階段始於1952年,當時美國麻省理工學院試將伺服機構裝於立銑床上,實驗成功後為赫柏公司(Alfred Herbert LTD)採用,成為全世界第一台NC機器,後來CNC迅速普及至機械加工領域,工具機本身的機械與控制性能等技術也不斷創新,像是結構剛性、主軸轉速、進給速度、差補運算精度、輪廓精度等,不過軟體技術在此一階段的發展並未跟上。


第2階段是1990年五軸加工機與車銑複合機逐漸普及,工具機的功能漸趨複雜,在使用不易之下,機台產能難以徹底發揮,軟體的重要性開始浮現,在此期間各大廠推出智慧工具機,透過特定軟體提升工具機效能,雖然已有各種操作安全防護、加工效能提升、診斷監控等功能,不過整體來說仍以單機為主。


第3個階段就是工業4.0帶動的智慧機械,歐、美、日大廠已率先投入資源發展相關技術,在政府的政策輔導下,台灣工具機廠商也積極轉型。就技術面來看,這次的智慧機械與1990年的智慧化工具機內涵不同,這波智慧機械主要是透過CPS(虛實整合系統)、物聯網等技術架構,達到智慧化願景。


其中CPS是針對製造系統的不同面向建立各種虛擬模型,並建立虛擬與真實物理系統之互動介面,物聯網則是建立各式設備內部的物件網路,共享物件彼此的資訊,透過物件間的資訊分享,並且將資訊連接到背景分析的數據中心,可以進行物件的管理與控制。


工研院扮演技術領頭羊

從研發機構的布局來看,台灣的工具機技術向來以工研院為領頭羊,檯面大廠都與其有一定程度的合作,因此工研院的研發也成為台灣工具機的重要驅動力量。有鑑於台灣廠商在軟體技術的不足,工研院近期針對工具機軟體推出智慧化軟體架構VMX,此架構依循MTCoonect-OPC UA協定,可讓機台連接上國際標準的工業物聯網,解決了現在產業生態中,工具機控制器各有自訂的規範,造成機電整合上困擾。


目前工研院的軟體系統還包含了防碰撞、切削力學導向自動刀具路徑優化、切削顫振迴避、稼動率監控與主軸振動監控等,這些技術都解決了台灣工具機現正遇到的問題,其中防碰撞系統以具彈性及擴充性的外掛式模組,發展防碰撞功能,可對應一般單機應用情境,避免人為或自動製造過程的不適當碰撞發生。


切削力學導向自動刀具路徑優化技術,可以依照加工機台的動力特性及使用者需求條件,調整製程程式的參數,將負載過高之加工程式優化,達到保護高價零組件,不致損壞加工產品、刀具、機台。


切削顫振迴避技術則可避免加工製程中工件與刀具之間產生相對的振動,解決工件因表面粗糙度使切削力與振動量發生不穩定的振盪,進而造成銑削系統的不穩定問題。此種在切削過程中由自身引起的自激振動,稱之為顫振(Chatter)。


稼動率監控則以直覺性的圖表呈現出加工與非加工情況,並有效結合行動顯示裝置,達成隨時隨地皆能快速掌握廠線生產狀況,提升管控反應效率。主軸振動監控軟體功能包含記錄、分析振動訊號,以提供VMX進行資料蒐集,進一步提供予工業4.0中之大數據分析之用。


5+2產業創新計劃全力支援智慧機械


圖2 : 工業4.0掀起智慧製造浪潮,各國政府與廠商紛紛大舉投入。(source:Medium)
圖2 : 工業4.0掀起智慧製造浪潮,各國政府與廠商紛紛大舉投入。(source:Medium)

再觀察政府布局,政府在2016年底所制定的「5+2產業創新計劃」中,已將智慧機械列為其一,並將台中市訂為智慧機械之都,積極推展智慧機械相關發展,提升台灣工具機產業之整體價值鏈,協助產業升級,加快邁向工業4.0的腳步。


台灣是全球機械產業大國,2017年的出口值達到256億美元,創歷年新高;機械產值估計約新台幣1.1兆元,年增11%,成為台灣繼半導體、面板後的第三個兆元產業,總統蔡英文在2018年的台北國際智慧機械暨智慧製造展中,也指出智慧機械是政府提倡代表產業,未來將朝向擴大資源整合、擴大培育高階技術人才、提高設備國產化比重三個方向,建構台灣工業4.0產業實力。


為強化台灣慧機械產業發展動能,台中市府與中央政府在2016年起以台中作為推動智慧機械示範據點,推動成立產官學研相關產業平台,共同成立智慧機械推動辦公室推動智慧製造,促使產業用地通過等,而經濟部與工研院攜手,在台中精密機械園區打造智慧製造試驗場域,今年也已經揭牌啟動「全球智慧機械發展中心」,將協助中部地區企業跨入智慧化門檻,讓台灣的機械產業從單機出口模式,升級為高附加價值之智慧製造系統整廠整線輸出,達到連結在地、連結未來及連結國際。


除了在台中設立智慧機械辦公室與發展中心外,經濟部的智慧機械政策也從2018年起展開5年計畫,預計推動9,000台以上機器安裝SMB(Smart Machine Box),讓業者的設備可立即實現聯網功能,以進行機器連線及收集生產資料,讓生產管理變成可視化、生產排程優化,透過設備智慧化功能,將同時提升產品的精度、品質、效率以及可靠度,增加業者的競爭力。


被稱為機械母機的工具機,是評估國力的重要指標,近年的智慧化概念已是全球工具機產業的既定趨勢,台灣工具機產業在標準型市場面對大陸業者的追趕,高階市場又面臨德、日廠商的技術壓力,台灣廠商必須緊密結合官學研等各界力量,在技術層面完整布局,方能強化競爭力,走出自己的路。


**刊頭圖(source:Spaleck)


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