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工业机器人Give you a hand
扮演智慧制造推手

【作者: 王明德】2015年12月25日 星期五

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相对于消费性产品,机械业的技术变动速度向来缓慢,不过进入21世纪后,年产业环境变化快速,连动影响机械产业,尤其是人力成本日渐高昂,且中国企业快速崛起,以往仰赖低廉人力的台湾产业竞争力逐渐流失,在加上3C产品生命周期缩短,消费者自我意识抬头,传统的少样多量制造模式已不敷现在所需,多样多量成为是厂主流,在此​​态势下,厂商对自动化乃至于智慧化生产系统的需求越来越高,这也是这几年工业机器人的导入速度加快的主因之一。


新世代制造系统则强调须具有少量多样或多样少量之弹性,以及增加视觉与力觉等感测元件,提供反馈功能,进而协助人类提升工作效率和作业员的水准。

制造业初期导入自动化系统,主要是为大量生产时,取代人力不及或不愿的工作,如3K(脏kitanai、辛苦kitsui、危险kikem)产业等,多年来自动化技术不断提升,导入智慧概念后,新世代制造系统则强调须具有少量多样或多样少量之弹性,以及增加视觉与力觉等感测元件,提供反馈功能,进而协助人类提升工作效率和作业员的水准,从单纯加工进化到管理、维修机器人或自动化设备。


可视为运动控制一环机器人成取代人力首选

此外,目前把工业机器人整合到生产线上,也是运动控制系统发展的趋势之一,以工业机器人的分类来看,目前在系统上应用的主流则是以四轴或六轴的关节型机器人为主,由于在产线上的占用面积小,但可运动的范围大,在灵活度及使用弹性上,成为自动化厂商的主要选择;主要以欧美与日本起家的关节型机器人,其发展具有时空背景,主要应用在像是汽车厂等高脏污、高危险等环境;此外,由于工业机器人的作动一致性高,只要作动设定正确,即可成为取代人力的首选。


导入工业机器人的目的,主要还是来自于产线规划的目的,由于工业机器人在某些程度上可以降低产线所需要的面积,加上它可以进行较复杂的作动,也可以减少相关附属机台需求的建置成本,对设备商与使用者来说,导入工业机器人可在建置系统上节省部分的成本,在某些部分上亦可提升产线的效能,但当工业机器人加入运动控制系统规划中,将让运动控制系统产生不同的发展。


简单来说,工业机器人基本上就是「复杂」而「多轴」的运动控制,相较于一般的三维运动控制来说,工业机器人所需要的运算式,绝对是复杂而多重,很多时候工业机器人的制造商,必须将这些复杂的控制逻辑「包」在独立的控制器中,由于工业机器人主要仍以自有的模组进行控制为主,与传统由控制器来送讯息给马达要求作动的作法,有相当程度的不同。


工业机器人与目前自动化厂商透过整合泛用型控制器软硬体,进行机构设计及行为设计的模式有些不同,由于使用者自行设计工业机器人的软硬体及行为作动的难度较高,因此与运动控制主要的做法,仍是透过通讯整合工业机器人与产线的互动,透过模组式的整合导入传统运动控制的生产线上,因此的确存在一些挑战。


由于工业机器人的作动设计已经固定,在产能调整上缺乏弹性,灵活度因此降低,代价也跟着增加,因此导入工业机器人的应用,多以常态化及量大的工作需求为主。


图1 : 目前在系统上应用工业机器人的主流则是为四轴与六轴的关节型机器人。 (So​​urce: Dunbar Systems)
图1 : 目前在系统上应用工业机器人的主流则是为四轴与六轴的关节型机器人。 (So​​urce: Dunbar Systems)

工业机器人与传统运动控制最大的不同,在于整合度问题,以终端使用者的角度来看,相较于运动控制系统仍需要进行与应用环境间的整合规画,整合度较高的工业机器人当然较受使用者的青睐;但相对来说,以设备商的角度来看,同样由于它的整合度「太高」,对于应用的发展弹性当然较为弱势,


针对工业机器人的应用局限,业者指出,以目前的技术,机器还是只适合应用于部份制程,,像是精细加工或是阵列加工等需要产能的部分,仍会是应用运动控制设计,工业机器人的主要应用环境,应该仍是在取代人力的面向为主,本来不会应用人力进行加工的部分,应用工业机器人可能也无法产生效率。


整合度挑战需要克服如何更接近人是问题

对设备的扩充来说,由于工业机器人的作动设计已经固定,在产能调整上缺乏弹性,灵活度因此降低,代价也跟着增加,因此导入工业机器人的应用,多以常态化及量大的工作需求为主,业者指出,未来在工业机器人设计上,如何让它「更接近人」的运作模式,将会是发展的重要课题,此外,由于在系统同步上需要更稳定的互动,运动控制与工业机器人、视觉及感测器等其他装置的整合,在通讯介面上将会是自动化厂商下一阶段面临的重要课题。


另外也有业者认为,相较于传统封闭式的控制逻辑,如果透过Softmotion的技术来取代原有的封闭式控制器,将有助于与运动控制系统的完整整合,透过逻辑演算,可以协助工业机器人与运动控制系统开发完整的同动的逻辑处理,但此一趋势仍在发展当中,前提必须是Softmotion更被市场所接受。


过去20年,日本企业在人工成本攀高后,也积极转往自动化生产;但后来发现,在生产少量多样的繁复产品时良率偏低,也证实完全自动化生产仍不可行。


图2 : 人与机器手臂的和谐共工是目前工业机器人的设计重点。 (So​​urce: ICRA 2014)
图2 : 人与机器手臂的和谐共工是目前工业机器人的设计重点。 (So​​urce: ICRA 2014)

德国机械设备制造商联合会(VDMA)就曾指出,基于现今产品日益趋向微型化,需在轻薄短小的空间里拥有强大功能;不论是高科技或消费性产品,都希望借自动化技术提供100%零缺陷的产品品质,提升产品价格;所以更强调应藉由弹性生产系统因应动态市场需求,改变生产技术,以缩短产品上市时间。


无法完全取代人力现阶段以人机混线为主

美国也希望在此后金融危机时代,凭借技术革新「振兴制造业」,减轻人力成本的限制,彻底改变「美国制造」的命运,从而打败「中国制造」,成为「再工业化」战略的主要方向之一,美国总统欧巴马在上次选举时,就将美国前瞻制造业伙伴关系策略(AMP )作为竞选政策议题之一,规划在4年间投入5~10亿美元落实,包括税负优惠措施与「就业回国法案」,借此弥补企业因迁移生产业务返美而产生的成本,并协助美国制造业掌握国际竞争的优势条件,确保美国「在地创新,在地制造」的优质能耐,最终为美国人带来高薪资的就业机会。预估两岸产业供应链将因此受到波及,尤其是与美国技术创新和3C出口市场有最直接关系的科技产业。


中国大陆则在国务院常务会议最新通过的「关于促进外贸稳定增长的若干意见」里,提出妥善应对贸易摩擦、增加进口先进技术设备及关键零组件等8大项政策措施。



图3 : 多数精密且工序繁复的制程,仍需倚靠人的双手进行,因此无人的全面自动化愿景然能实现,中国大陆的人力生产线仍有其存在价值。 (So​​urce: 南方早报)
图3 : 多数精密且工序繁复的制程,仍需倚靠人的双手进行,因此无人的全面自动化愿景然能实现,中国大陆的人力生产线仍有其存在价值。 (So​​urce: 南方早报)

此外,不论是高科技或一般产品,都能借自动化技术大幅改善产品品质,提升产品价格;于人与机械互动过程里,越复杂的生产流程与需要越简单的操作,皆须借助直觉式设计,但这时问题来了,因为包括iPhone、iPad、NB个个都需要成千上百道工序,至今仍须仰赖一个个生产线的工人,把数百个零部件组装起来,要想全部由机械人代劳,绝对是不可能的任务。


过去20年,日本企业在人工成本攀高后,也积极转往自动化生产;但后来发现,在生产少量多样的繁复产品时良率偏低,也证实完全自动化生产仍不可行,以鸿海为例,在CPU插槽、机壳抛光等单一关键零部件,确实可以仰赖机器手臂,精准度确实很高;但以鸿海现今主要的各个代工产品而言,都牵涉到复杂的组装流程时,恐怕还是需要大陆民工的粗壮手臂。


就市场观察可以发现,业者普遍认为目前台湾的产业用机器人市场需求,仍以IC产业为主,包括在平面显示器、半导体产业的生产制程中,以无尘室设备应用为主,集中于玻璃基板∕晶圆之制程间取放与搬运;太阳能产业使用机器手臂,以取放电池、单∕多晶矽晶圆;在电子零件组装业应用也备受重视,尤其在工资预期上涨压力下,该领域的系统组装机器人应用潜力大。


国内外研究机构看好电子电机产业用机器人的应用机会,系来自于以下产品需求特性与制造能力提升的挑战:产品多种少量所导致弹性生产需求、产品生命周期持续缩短、技术人力缺乏及工资上涨速度快、上市时间压缩、更专业、精密与复杂的制造流程、品质更稳健可靠度更高之制程要求、绿能与环境规范的要求。


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