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布局产业机器人 台湾机会与挑战何在?
 

【作者: 王明德】2018年08月23日 星期四

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受到中国大陆产业结构改变、美国制造业回归本土等因素影响,近来台湾传统3C代工业「竞争力」大不如前。其既已无法仅靠着过去在海外逐廉价劳力而居,凭借「人口红利」弥补代工组装相对微薄的获利模式,吸引国外买主,智慧制造成为台厂求生必经之路。并随着新一代智慧型手机、平板电脑问世,出现多样大批量生产的「机海战术」;直到现今品牌业者纷纷压缩产品上市时程,不断推出更趋多样、平价化的中低阶机种,以符合新兴市场的消费者需求,对于如工业机器人等自动化设备的弹性、速度要求也与日俱增。甚至在部份应用领域上,可发现生产线改为全用机器人或人机协同作业,其实比用人更符合成本效益。


政府与民间携手 提升竞争实力

过去因为自动化产业经常伴随着大量生产的民生基础工业而起,欧、美、日等国业者皆拜当地钢铁、石化、纺织、航太、汽车等产业所赐,发展脚步较快且成熟。但相对较晚兴起的3C产业则为了降低成本,而将大多数产品的代工生产、组装等制程委由亚洲地区的台湾、东南亚、大陆业者,或直接设置海外生产基地,促使台商于3C产业自动化发展掌握相对优势,如鸿海甚至可望在未来美国制造业回归本土之际,扮演关键角色。


行政院行政院近年来推动的「智慧机械」政策,也有别于上世纪80年代第一次生产自动化阶段,仅为了因应当时标准化、大量生产的需求,取代人力所不及的工作,如3K(脏kitanai、辛苦kitsui、危险kikem)等产业。从90年代至21世纪初的产业自动化及电子化发展,以逐级提升业者工厂自动化、电脑整合制造能力为主,解决接下多样少量的代工订单后,须频繁修改设备制程、控制程式,增加时间、人力的成本,进而提高产品良率,但这与智慧机械仍有差异。



图1 : 机械人与工具机等生产设备组成连续生产线,可减少人力需求。(Source: Schneider Electric )
图1 : 机械人与工具机等生产设备组成连续生产线,可减少人力需求。(Source: Schneider Electric )

传统自动化是大量生产型,导致如印刷、纺织、饮料等产品的客制化成本高,3C产品则要求多样少量化,且强调特殊及差异化,又须用自动化生产,所以希望加入视觉定位、力觉控制系统,以达到弹性自动化生产,兼顾个性及差异化需求。


自动化迈向下一步智慧化

新的作业内容已从以往单纯的上下料、搬运等重覆性工作,扩及运转范围应能避开人员,进行精密高速之组装、加工(研磨、抛光、去毛边)、检验等。并因此加入机器视觉辨识,则让业者上下料前不必预先分检、排放整齐;强化力量控制,即便机器人夹爪不像人手灵活,也能取放任何形状的物品,不必担心组装挠性工件时出错。


足以因应现今智慧手机、平板电脑等消费电子产品个个都需要成千上百道工序,才能组装完成内部数百个零部件;加上代工厂商势必大批量生产,要想全部由机械人代劳而投资的金额与时间,恐怕所费不赀。且从技术上分析,也难以快速加工或组装产品上越来越多特别软(线缆)、小(螺丝)或细(电容)的工件。


加强系统整合 降低人力成本

配合目前工业自动化系统已从固定式Rigid(Fixed)、可程式(Programmable)、弹性(Flexible)自动化系统不断演进,年产量则依序自50,000件以上、10,000~20,000件、10~500件缩减,对弹性化程度要求递增。机器人除了陆续衍生出X-Y type、水平/垂直轴及平行结构等多款专用机种,更进一步从单机朝机器人为核心之「作业单元(Robot Workcells)」发展。



图2 : 机器手臂早期是为了因应当时标准化、大量生产的需求,取代人力所不及的工作。 (Source: Raconteur)
图2 : 机器手臂早期是为了因应当时标准化、大量生产的需求,取代人力所不及的工作。 (Source: Raconteur)

即利用系统整合技术,使机械人与工具机等生产设备组成连续生产线,以减少人力需求,包括透过视觉辨识与定位技术辅助作业,进行工件之2D/3D定位,使机器人可直接夹取工件;经由腕部加装的力量感测器(Force sensor),感测力量并回馈控制,使机器人可沿着曲面研磨或抛光加工。同时掌握高灵敏度电流感测转换力觉技术,能以马达灵敏的电流感应技术回馈电流讯号变化,转换为力量感测技术。此外,机器人加入机电整合应用时,控制器或系统亦须足以满足多轴同步控制需求,可进行多机器人协同工作。


产业结构变化 产业机器人需求上扬

产业机器人在国际上发展已20年以上,也培育出不少欧、美、日系大厂来瓜分市场。经济部当时则有鉴于大多数国外业者均随着汽车等重工业发展,开发所需大型工件,但台湾厂商最大利基是拥有发达的3C产业,且以往在产线上需依赖庞大人力,尤以后段组装制程为最,包括插件、锁固螺丝、卡榫扣件组装,以及去毛边、抛光等作业。因此外移到中国大陆、越南等地,利用其廉价人力资源,衍生出绵长供应链。


但到了后期开始感受到大陆产业结构变化,遭遇各省调涨薪资;加上20年来当地「一胎化」政策导致人力来源越来越稀少,家长也过度保护孩子的结果,使得合格人力日益短缺,冲击3C产业链,导入自动化也变得更为重要。


现今许多台厂在大陆接单后,因缺工导致开工率可能只有7~8成,无法100%消化手上订单。只能就现有人力采三班制轮班,负担加重造成工作条件不佳、人员更易流动,反而形成恶性循环,当需求由人工转向自动化,须导入以产业机器人为核心之自动化技术,便形成机器人产业的蓝海。



图3 : 近来台湾传统3C代工业「竞争力」大不如前,已无法仅靠着过去在海外逐廉价劳力而居。(Source: The Business Times)
图3 : 近来台湾传统3C代工业「竞争力」大不如前,已无法仅靠着过去在海外逐廉价劳力而居。(Source: The Business Times)

但机器人除了因成本考量,不可能取代全部人力;目前也只是希望弥补缺口,不至于扩大劳工失业率。包括工研院在内的台湾产研机构为因应产业需求,近年来逐渐由服务型机种转向,开发多款产业机器人,希望在未来5年内,可以自动化弥补人力缺口。


3C大厂与设备制造业者应用现况

目前国内3C业制造大厂正崴、仁宝、光宝、鸿海、广达,与设备制造业上银、台励福等均和实验室密切合作,获许多大厂广为采用,业者也积极申请科专、成立研发联盟或签约协同研发技术,已成为台湾机器人产业重要的自主技术来源。


由于3C业者未来若无法自行掌握自动化核心技术,许多制程将可能因此外泄,也方便后续自行保养、维修,使得许多企业希望能逐步由内部人员掌控,却不是现有组织就能满足,而必须投入很多资源。目前工研院已对此提供共用技术,但后续如何应用?也和内部制程有很大关系。


因机器人毕竟只是一种基本工具,未来若想扩大市场,应用技术将是重要发展方向,该实验室也正积极开发3C产业各种后段组装应用领域。如目前业界主要遭遇的难题是系统整合技术,必须搭配如上下料、视觉定位、力觉控制、夹爪等周边自动化系统整合,完成使用者要求的工作,才是发展Robot Workcells应用技术重点。


过去用人力组装时,虽然也会搭配周边自动化系统,但因为人具有较高作业弹性、因应问题的能力强,系统整合较为简单、低成本。所以导入智慧自动化制程后,周边系统还要重新设计、修改、开发,才能符合机器人的性能限制,使运作更为顺畅。业者认为,智慧自动化的系统与传统自动化最大差别在于,产业导入可程式控制的机器人后,使用者与工程师能透过Robot language编辑想要的动作,模拟不同领域应用。有别于以往纯机构设计,只能靠凸轮、气压缸的固定动作模式。


此外,企业也必须对内部进行大改造,确保制程合理化、零件标准化,以符合自动化要求。否则,零件若不标准,将造成自动化系统庞大负担,业者应要求上游提供标准化零组件;制程合理化则涉及前端产品设计便要纳入Design Automation概念,配合机器人作业形态、操作模式,以降低后段制造、组装阶段自动化成本。借此带动产业链上下游同步改善,对于使用者或供应者,都是重新建置产业链的商机。


**刊头图(Source: Sastra Robotics)


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