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工業機器人Give you a hand
扮演智慧製造推手

【作者: 王明德】   2015年12月25日 星期五

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相對於消費性產品,機械業的技術變動速度向來緩慢,不過進入21世紀後,年產業環境變化快速,連動影響機械產業,尤其是人力成本日漸高昂,且中國企業快速崛起,以往仰賴低廉人力的台灣產業競爭力逐漸流失,在加上3C產品生命週期縮短,消費者自我意識抬頭,傳統的少樣多量製造模式已不敷現在所需,多樣多量成為是廠主流,在此態勢下,廠商對自動化乃至於智慧化生產系統的需求越來越高,這也是這幾年工業機器人的導入速度加快的主因之一。


新世代製造系統則強調須具有少量多樣或多樣少量之彈性,以及增加視覺與力覺等感測元件,提供反饋功能,進而協助人類提升工作效率和作業員的水準。

製造業初期導入自動化系統,主要是為大量生產時,取代人力不及或不願的工作,如3K(髒kitanai、辛苦kitsui、危險kikem)產業等,多年來自動化技術不斷提昇,導入智慧概念後,新世代製造系統則強調須具有少量多樣或多樣少量之彈性,以及增加視覺與力覺等感測元件,提供反饋功能,進而協助人類提升工作效率和作業員的水準,從單純加工進化到管理、維修機器人或自動化設備。


可視為運動控制一環 機器人成取代人力首選

此外,目前把工業機器人整合到生產線上,也是運動控制系統發展的趨勢之一,以工業機器人的分類來看,目前在系統上應用的主流則是以四軸或六軸的關節型機器人為主,由於在產線上的占用面積小,但可運動的範圍大,在靈活度及使用彈性上,成為自動化廠商的主要選擇;主要以歐美與日本起家的關節型機器人,其發展具有時空背景,主要應用在像是汽車廠等高髒污、高危險等環境;此外,由於工業機器人的作動一致性高,只要作動設定正確,即可成為取代人力的首選。


導入工業機器人的目的,主要還是來自於產線規劃的目的,由於工業機器人在某些程度上可以降低產線所需要的面積,加上它可以進行較複雜的作動,也可以減少相關附屬機台需求的建置成本,對設備商與使用者來說,導入工業機器人可在建置系統上節省部分的成本,在某些部分上亦可提升產線的效能,但當工業機器人加入運動控制系統規劃中,將讓運動控制系統產生不同的發展。


簡單來說,工業機器人基本上就是「複雜」而「多軸」的運動控制,相較於一般的三維運動控制來說,工業機器人所需要的運算式,絕對是複雜而多重,很多時候工業機器人的製造商,必須將這些複雜的控制邏輯「包」在獨立的控制器中,由於工業機器人主要仍以自有的模組進行控制為主,與傳統由控制器來送訊息給馬達要求作動的作法,有相當程度的不同。


工業機器人與目前自動化廠商透過整合泛用型控制器軟硬體,進行機構設計及行為設計的模式有些不同,由於使用者自行設計工業機器人的軟硬體及行為作動的難度較高,因此與運動控制主要的做法,仍是透過通訊整合工業機器人與產線的互動,透過模組式的整合導入傳統運動控制的生產線上,因此的確存在一些挑戰。


由於工業機器人的作動設計已經固定,在產能調整上缺乏彈性,靈活度因此降低,代價也跟著增加,因此導入工業機器人的應用,多以常態化及量大的工作需求為主。


圖1 : 目前在系統上應用工業機器人的主流則是為四軸與六軸的關節型機器人。(Source: Dunbar Systems)
圖1 : 目前在系統上應用工業機器人的主流則是為四軸與六軸的關節型機器人。(Source: Dunbar Systems)

工業機器人與傳統運動控制最大的不同,在於整合度問題,以終端使用者的角度來看,相較於運動控制系統仍需要進行與應用環境間的整合規畫,整合度較高的工業機器人當然較受使用者的青睞;但相對來說,以設備商的角度來看,同樣由於它的整合度「太高」,對於應用的發展彈性當然較為弱勢,


針對工業機器人的應用侷限,業者指出,以目前的技術,機器還是只適合應用於部份製程,,像是精細加工或是陣列加工等需要產能的部分,仍會是應用運動控制設計,工業機器人的主要應用環境,應該仍是在取代人力的面向為主,本來不會應用人力進行加工的部分,應用工業機器人可能也無法產生效率。


整合度挑戰需要克服 如何更接近人是問題

對設備的擴充來說,由於工業機器人的作動設計已經固定,在產能調整上缺乏彈性,靈活度因此降低,代價也跟著增加,因此導入工業機器人的應用,多以常態化及量大的工作需求為主,業者指出,未來在工業機器人設計上,如何讓它「更接近人」的運作模式,將會是發展的重要課題,此外,由於在系統同步上需要更穩定的互動,運動控制與工業機器人、視覺及感測器等其他裝置的整合,在通訊介面上將會是自動化廠商下一階段面臨的重要課題。


另外也有業者認為,相較於傳統封閉式的控制邏輯,如果透過Softmotion的技術來取代原有的封閉式控制器,將有助於與運動控制系統的完整整合,透過邏輯演算,可以協助工業機器人與運動控制系統開發完整的同動的邏輯處理,但此一趨勢仍在發展當中,前提必須是Softmotion更被市場所接受。


過去20年,日本企業在人工成本攀高後,也積極轉往自動化生產;但後來發現,在生產少量多樣的繁複產品時良率偏低,也證實完全自動化生產仍不可行。


圖2 : 人與機器手臂的和諧共工是目前工業機器人的設計重點。(Source: ICRA 2014)
圖2 : 人與機器手臂的和諧共工是目前工業機器人的設計重點。(Source: ICRA 2014)

德國機械設備製造商聯合會(VDMA)就曾指出,基於現今產品日益趨向微型化,需在輕薄短小的空間裡擁有強大功能;不論是高科技或消費性產品,都希望藉自動化技術提供100%零缺陷的產品品質,提升產品價格;所以更強調應藉由彈性生產系統因應動態市場需求,改變生產技術,以縮短產品上市時間。


無法完全取代人力 現階段以人機混線為主

美國也希望在此後金融危機時代,憑藉技術革新「振興製造業」,減輕人力成本的限制,徹底改變「美國製造」的命運,從而打敗「中國製造」,成為「再工業化」戰略的主要方向之一,美國總統歐巴馬在上次選舉時,就將美國前瞻製造業夥伴關係策略(AMP)作為競選政策議題之一,規劃在4年間投入5~10億美元落實,包括稅負優惠措施與「就業回國法案」,藉此彌補企業因遷移生產業務返美而產生的成本,並協助美國製造業掌握國際競爭的優勢條件,確保美國「在地創新,在地製造」的優質能耐,最終為美國人帶來高薪資的就業機會。預估兩岸產業供應鏈將因此受到波及,尤其是與美國技術創新和3C出口市場有最直接關係的科技產業。


中國大陸則在國務院常務會議最新通過的「關於促進外貿穩定增長的若干意見」裡,提出妥善應對貿易摩擦、增加進口先進技術設備及關鍵零組件等8大項政策措施。



圖3 : 多數精密且工序繁複的製程,仍需倚靠人的雙手進行,因此無人的全面自動化願景然能實現,中國大陸的人力生產線仍有其存在價值。 (Source: 南方早報)
圖3 : 多數精密且工序繁複的製程,仍需倚靠人的雙手進行,因此無人的全面自動化願景然能實現,中國大陸的人力生產線仍有其存在價值。 (Source: 南方早報)

此外,不論是高科技或一般產品,都能藉自動化技術大幅改善產品品質,提升產品價格;於人與機械互動過程裡,越複雜的生產流程與需要越簡單的操作,皆須藉助直覺式設計,但這時問題來了,因為包括iPhone、iPad、NB個個都需要成千上百道工序,至今仍須仰賴一個個生產線的工人,把數百個零部件組裝起來,要想全部由機械人代勞,絕對是不可能的任務。


過去20年,日本企業在人工成本攀高後,也積極轉往自動化生產;但後來發現,在生產少量多樣的繁複產品時良率偏低,也證實完全自動化生產仍不可行,以鴻海為例,在CPU插槽、機殼拋光等單一關鍵零部件,確實可以仰賴機器手臂,精準度確實很高;但以鴻海現今主要的各個代工產品而言,都牽涉到複雜的組裝流程時,恐怕還是需要大陸民工的粗壯手臂。


就市場觀察可以發現,業者普遍認為目前台灣的產業用機器人市場需求,仍以IC產業為主,包括在平面顯示器、半導體產業的生產製程中,以無塵室設備應用為主,集中於玻璃基板∕晶圓之製程間取放與搬運;太陽能產業使用機器手臂,以取放電池、單∕多晶矽晶圓;在電子零件組裝業應用也備受重視,尤其在工資預期上漲壓力下,該領域的系統組裝機器人應用潛力大。


國內外研究機構看好電子電機產業用機器人的應用機會,係來自於以下產品需求特性與製造能力提升的挑戰:產品多種少量所導致彈性生產需求、產品生命週期持續縮短、技術人力缺乏及工資上漲速度快、上市時間壓縮、更專業、精密與複雜的製造流程、品質更穩健可靠度更高之製程要求、綠能與環境規範的要求。


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