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全面布局智慧机械 提升台湾工具机竞争力
 

【作者: 王明德】2019年02月20日 星期三

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德国在2012年提出工业4.0后,各国政府迅速跟进,包括美国的「AMP」(先进制造伙伴计画)、中国的「中国制造2015」等,都是与智慧制造相关的政策,台湾在2016年也随之推出生产力4.0,后期将政策聚焦在机械领域上,在5+2产业创新计划中,纳入智慧机械,让台湾的工具机与精密机械产业先达到智慧机械目标,之后再延伸出智慧制造。


工具机是台湾少数完全自力发展技术的产业,其技术与德、日、义等国虽有落差,不过从整体产业面来看,仍属于前段班。 2010年前后是台湾工具机的高峰期,后来大陆业者迅速追上,在标准型机台展开价格战,此后台湾厂商开始往客制化市场发展,如今接单生产的客制化机台已成为台湾工具机的主要业绩,而为使自身产品有更高附加价值,智慧化布局是台湾必走之路。


图1 : 工具机是台湾少数完全自力发展技术的产业,其技术与德、日、义等国虽有落差,不过从整体产业面来看,仍属於前段班。(摄影/王明德)
图1 : 工具机是台湾少数完全自力发展技术的产业,其技术与德、日、义等国虽有落差,不过从整体产业面来看,仍属於前段班。(摄影/王明德)

智慧机械虽然是近两年才出现的名词,不过工具机智慧化在1990年就已被提起,当时主要是各厂商为提升操作效能,发展出各种单机辅助软体功能,而这次工业4.0所衍生出的智慧机械,除了进一步强化单机软体辅助功能外,还加入各类感测与通讯等IT元件,撷取机台零部件数据,提升设备稼动率。


工具机智慧化3阶段

工具机与IT技术的结合有3个阶段,第1阶段始于1952年,当时美国麻省理工学院试将伺服机构装于立铣床上,实验成功后为赫柏公司(Alfred Herbert LTD)采用,成为全世界第一台NC机器,后来CNC迅速普及至机械加工领域,工具机本身的机械与控制性能等技术也不断创新,像是结构刚性、主轴转速、进给速度、差补运算精度、轮廓精度等,不过软体技术在此一阶段的发展并未跟上。


第2阶段是1990年五轴加工机与车铣复合机逐渐普及,工具机的功能渐趋复杂,在使用不易之下,机台产能难以彻底发挥,软体的重要性开始浮现,在此期间各大厂推出智慧工具机,透过特定软体提升工具机效能,虽然已有各种操作安全防护、加工效能提升、诊断监控等功能,不过整体来说仍以单机为主。


第3个阶段就是工业4.0带动的智慧机械,欧、美、日大厂已率先投入资源发展相关技术,在政府的政策辅导下,台湾工具机厂商也积极转型。就技术面来看,这次的智慧机械与1990年的智慧化工具机内涵不同,这波智慧机械主要是透过CPS(虚实整合系统)、物联网等技术架构,达到智慧化愿景。


其中CPS是针对制造系统的不同面向建立各种虚拟模型,并建立虚拟与真实物理系统之互动介面,物联网则是建立各式设备内部的物件网路,共享物件彼此的资讯,透过物件间的资讯分享,并且将资讯连接到背景分析的数据中心,可以进行物件的管理与控制。


工研院扮演技术领头羊

从研发机构的布局来看,台湾的工具机技术向来以工研院为领头羊,台面大厂都与其有一定程度的合作,因此工研院的研发也成为台湾工具机的重要驱动力量。有鉴于台湾厂商在软体技术的不足,工研院近期针对工具机软体推出智慧化软体架构VMX,此架构依循MTCoonect-OPC UA协定,可让机台连接上国际标准的工业物联网,解决了现在产业生态中,工具机控制器各有自订的规范,造成机电整合上困扰。


目前工研院的软体系统还包含了防碰撞、切削力学导向自动刀具路径优化、切削颤振回避、稼动率监控与主轴振动监控等,这些技术都解决了台湾工具机现正遇到的问题,其中防碰撞系统以具弹性及扩充性的外挂式模组,发展防碰撞功能,可对应一般单机应用情境,避免人为或自动制造过程的不适当碰撞发生。


切削力学导向自动刀具路径优化技术,可以依照加工机台的动力特性及使用者需求条件,调整制程程式的参数,将负载过高之加工程式优化,达到保护高价零组件,不致损坏加工产品、刀具、机台。


切削颤振回避技术则可避免加工制程中工件与刀具之间产生相对的振动,解决工件因表面粗糙度使切削力与振动量发生不稳定的振荡,进而造成铣削系统的不稳定问题。此种在切削过程中由自身引起的自激振动,称之为颤振(Chatter)。


稼动率监控则以直觉性的图表呈现出加工与非加工情况,并有效结合行动显示装置,达成随时随地皆能快速掌握厂线生产状况,提升管控反应效率。主轴振动监控软体功能包含记录、分析振动讯号,以提供VMX进行资料搜集,进一步提供予工业4.0中之大数据分析之用。


5+2产业创新计画全力支援智慧机械


图2 : 工业4.0掀起智慧制造浪潮,各国政府与厂商纷纷大举投入。 (source:Medium)
图2 : 工业4.0掀起智慧制造浪潮,各国政府与厂商纷纷大举投入。 (source:Medium)

再观察政府布局,政府在2016年底所制定的「5+2产业创新计划」中,已将智慧机械列为其一,并将台中市订为智慧机械之都,积极推展智慧机械相关发展,提升台湾工具机产业之整体价值链,协助产业升级,加快迈向工业4.0的脚步。


台湾是全球机械产业大国,2017年的出口值达到256亿美元,创历年新高;机械产值估计约新台币1.1兆元,年增11%,成为台湾继半导体、面板后的第三个兆元产业,总统蔡英文在2018年的台北国际智慧机械暨智慧制造展中,也指出智慧机械是政府提倡代表产业,未来将朝向扩大资源整合、扩大培育高阶技术人才、提高设备国产化比重三个方向,建构台湾工业4.0产业实力。


为强化台湾慧机械产业发展动能,台中市府与中央政府在2016年起以台中作为推动智慧机械示范据点,推动成立产官学研相关产业平台,共同成立智慧机械推动办公室推动智慧制造,促使产业用地通过等,而经济部与工研院携手,在台中精密机械园区打造智慧制造试验场域,今年也已经揭牌启动「全球智慧机械发展中心」,将协助中部地区企业跨入智慧化门槛,让台湾的机械产业从单机出口模式,升级为高附加价值之智慧制造系统整厂整线输出,达到连结在地、连结未来及连结国际。


除了在台中设立智慧机械办公室与发展中心外,经济部的智慧机械政策也从2018年起展开5年计画,预计推动9,000台以上机器安装SMB(Smart Machine Box),让业者的设备可立即实现联网功能,以进行机器连线及收集生产资料,让生产管理变成可视化、生产排程优化,透过设备智慧化功能,将同时提升产品的精度、品质、效率以及可靠度,增加业者的竞争力。


被称为机械母机的工具机,是评估国力的重要指标,近年的智慧化概念已是全球工具机产业的既定趋势,台湾工具机产业在标准型市场面对大陆业者的追赶,高阶市场又面临德、日厂商的技术压力,台湾厂商必须紧密结合官学研等各界力量,在技术层面完整布局,方能强化竞争力,走出自己的路。


**刊头图(source:Spaleck)


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