工業(yè)4.0技術(shù)逐漸成熟　智慧工廠落實全憑業(yè)者決心

　　工業(yè)4.0是近來廣受討論的議題，工業(yè)自動化領(lǐng)域的各大廠商也已陸續(xù)推出可真實應(yīng)用在智慧工廠的各種解決方案。不過，在本屆自動化展上，許多廠商都透露，雖然技術(shù)已經(jīng)不是實現(xiàn)工業(yè)4.0的最大障礙，但制造業(yè)者能否順利導(dǎo)入，關(guān)鍵恐怕還是主事者的決心。

　　2016年臺北國際工業(yè)自動化大展熱鬧登場，各大工業(yè)巨頭都利用這個機會展示其工業(yè)4.0軟硬體解決方案，五花八門的機器手臂更是展場的目光焦點。表面上來看，工業(yè)4.0從概念走向落實，似乎只差最后一哩路。然而，這最后一哩路牽涉到設(shè)備投資、投資報酬率計算、商業(yè)模式轉(zhuǎn)型等更復(fù)雜的議題，制造業(yè)者得非常小心翼翼地走下去。

　　西門子/博世大秀智慧工廠全套解決方案

　　引領(lǐng)工業(yè)4.0浪潮的兩大德國工業(yè)集團(tuán)--博世力士樂(Bosch Rexroth)與西門子(Siemens)，在本屆工業(yè)自動化展中都展示其展示最新的工業(yè)4.0解決方案。其中，博世在現(xiàn)場展示了一條工業(yè)4.0概念型生產(chǎn)線，藉由RFID來引導(dǎo)待組裝的產(chǎn)品，在整條生產(chǎn)線上進(jìn)行各種加工處理。博世力士樂工廠自動化協(xié)理陳俊隆表示，藉由RFID的引導(dǎo)，該生產(chǎn)線可以穿插生產(chǎn)不同產(chǎn)品，不用改線或換線，具備極佳的彈性。

　　除了彈性化之外，該生產(chǎn)線上每個工站上的設(shè)備都具備資料搜集能力，例如螺絲旋轉(zhuǎn)圈數(shù)、插件的插入角度等，并自動將其納入產(chǎn)品的生產(chǎn)履歷中，以確保制造商可以對產(chǎn)品的品質(zhì)進(jìn)行完整追蹤。此外，若生產(chǎn)線上有些工序需要人為介入，相關(guān)設(shè)備也具有非常智慧化的防呆功能。例如鎖螺絲這道工作，如果作業(yè)人員拿錯螺絲，工站上的電動螺絲起子就會停止動作，并告訴作業(yè)人員對應(yīng)的錯誤訊息，以避免人員作業(yè)時把不正確的螺絲硬鎖在產(chǎn)品上，造成產(chǎn)品損壞。

　　陳俊隆透露，這次自動化展所展示的自動化組裝生產(chǎn)線只是簡單的概念展示，實際上，這種自動化組裝生產(chǎn)線可以非常龐大而復(fù)雜。若制造業(yè)者有興趣導(dǎo)入，博世會先從價值流分析著手，先幫制造業(yè)者分析產(chǎn)能的瓶頸所在，再根據(jù)業(yè)主的預(yù)算推薦適合的作法，以確保制造業(yè)者的投資都能用在刀口上。

　　西門子在這次工業(yè)自動化展中，則是把工業(yè)軟體、自動化設(shè)備、工業(yè)通訊、驅(qū)動技術(shù)及資訊安全與服務(wù)等核心概念分成各個專區(qū)進(jìn)行展示，而數(shù)位工廠則是貫串其各大展示區(qū)的共同主軸。

　　也由于數(shù)位工廠的核心在于軟體，因此西門子的展場上雖然隨處可見各種工業(yè)化設(shè)備硬體，但實際上，西門子攤位上最有看頭的，其實是西門子在軟體系統(tǒng)領(lǐng)域的全方位實力。西門子的各種工業(yè)自動化解決方案，都可以與其數(shù)位企業(yè)軟體套件(Digital Enterprise Software Suite)結(jié)合應(yīng)用。

　　該套件以協(xié)同合作平臺Teamcenter為主，可為用戶建構(gòu)出虛擬的智慧工廠模型，未來還將逐步實現(xiàn)產(chǎn)品生命周期管理(PLM)、制造執(zhí)行系統(tǒng)/制造操作管理(MES/MOM)及全方位整合自動化(TIA)的無縫整合，提供ㄧ致性的資料管理、符合全球的標(biāo)準(zhǔn)，與統(tǒng)一的硬體與軟體介面。

　　全新的TIA Portal 可提供完整的數(shù)位自動化功能的存取，藉由數(shù)位化工作流程、整合式的編輯平臺、透明的操作方式，確保在設(shè)計、銷售與設(shè)備的規(guī)劃架構(gòu)的可靠度，縮短上市時間及提高生產(chǎn)力。

　　臺灣西門子數(shù)位工廠與制程工業(yè)暨驅(qū)動科技事業(yè)部總經(jīng)理鄭智峰(圖1)表示，若純就技術(shù)角度來看，要實現(xiàn)工業(yè)4.0或數(shù)位工廠，已經(jīng)沒有太大的障礙。但工業(yè)4.0是一個制造業(yè)的全面變革，導(dǎo)入之前的前期評估非常關(guān)鍵。制造業(yè)者必須對自己的需求跟商業(yè)模式的未來發(fā)展有清晰的概念，才能讓相關(guān)投資發(fā)揮預(yù)期的成效。

　　工業(yè)4.0帶來轉(zhuǎn)型壓力工業(yè)電腦改頭換面

　　工業(yè)4.0改變制造業(yè)，同時也改變了工業(yè)自動化廠商的產(chǎn)品設(shè)計理念。隨著各種致動/驅(qū)動設(shè)備、控制器與感測單元越來越智慧化，甚至可以在現(xiàn)場自動針對情況做出判斷，傳統(tǒng)上在工業(yè)控制系統(tǒng)中扮演大腦角色的工業(yè)電腦，除了必須在系統(tǒng)中尋找新的定位外，產(chǎn)品設(shè)計理念也開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)變。例如工業(yè)電腦將變得更省電、更小巧，而且更容易掛載或與其他設(shè)備整合。

　　研華工業(yè)自動化事業(yè)群副總經(jīng)理張仁杰(圖2)表示，在工業(yè)4.0浪潮的影響下，可以預(yù)見的是，未來生產(chǎn)線上的每一樣設(shè)備都會具備某種資料采集或是感應(yīng)周遭環(huán)境的功能，并由此衍生出能自主判斷狀況、做出回應(yīng)的各種智慧型工業(yè)設(shè)備。

　　在分散式智慧架構(gòu)的發(fā)展趨勢確立后，現(xiàn)有的工業(yè)電腦設(shè)備將因而面臨轉(zhuǎn)型壓力。舉例來說，以往為了對整個工業(yè)自動化系統(tǒng)發(fā)號施令，工業(yè)電腦必須具備很強的運算效能，因此必須在設(shè)備體積上做出妥協(xié)。然而，在各種工業(yè)設(shè)備變得更聰明，懂得如何應(yīng)對各種狀況后，工業(yè)電腦如果還繼續(xù)追求運算效能，很可能會面臨英雄無用武之地的窘境。

　　有鑒于此，張仁杰認(rèn)為，未來部分工業(yè)電腦將會面臨轉(zhuǎn)型壓力，必須要朝更輕薄短小、更省電的方向發(fā)展，而非一味追求高效能。有一種可能性是工業(yè)電腦將退居第二線，成為把資料轉(zhuǎn)傳到后臺IT系統(tǒng)的中介站，也可能是在不同設(shè)備、系統(tǒng)間扮演仲裁、協(xié)調(diào)的角色。

　　針對這類應(yīng)用情境，工業(yè)電腦必須具備靈活、廣泛的I/O支援能力，可以串接各種系統(tǒng)，而且最好體積小巧，可以很輕松地掛載在各種設(shè)備上，或是多部電腦堆疊，以支援不同應(yīng)用。舉例來說，研華月前發(fā)表一款新型單板電腦，只有手掌大小，但支援USB、乙太網(wǎng)與Wi-Fi等通訊介面，而且可以多臺堆疊起來，支援更多I/O，或是掛在顯示器后面，實現(xiàn)數(shù)位看板應(yīng)用。

　　張仁杰認(rèn)為，這種小型化的工業(yè)電腦，將會是工業(yè)電腦業(yè)界的破壞性創(chuàng)新。在工業(yè)自動化系統(tǒng)的終端裝置越來越智慧化的情況下，工業(yè)電腦必須要跟著適應(yīng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。

　　導(dǎo)入主動感知技術(shù)機器手臂大舉智慧化

　　機器手臂是工業(yè)自動化的代表性產(chǎn)品之一，隨著自動化技術(shù)越來越受到市場關(guān)注，投入機器手臂研發(fā)的業(yè)者也跟著增加。值得注意的是，在主動感知技術(shù)日益普及，加上軟體工具有了長足進(jìn)步的情況下，機器手臂的智慧化有了明顯進(jìn)展，不管是大型手臂或協(xié)作型手臂，都變得越來越容易操作，感知周遭環(huán)境變化的能力也大幅改善。

　　工研院機械所智慧機器人技術(shù)組組長游鴻修(圖3)表示，工業(yè)生產(chǎn)對機器手臂的需求日增，如何讓機器手臂變得更安全、更容易操作使用，將是未來機器手臂技術(shù)的主要發(fā)展方向。在安全方面，隨著ISO發(fā)表ISO/TS 15066規(guī)范，對協(xié)作型機器人的安全要求做出明確規(guī)定，未來機器手臂搭載某種感知技術(shù)，以偵測周遭環(huán)境里的一舉一動，將是產(chǎn)品設(shè)計的潮流。

　　ISO/TS 15066對協(xié)作型機器人的設(shè)計及安裝訂出詳盡的要求與風(fēng)險評估準(zhǔn)則，其主要重點有四：一、人員觸碰機器手臂時，手臂要立即停止動作;二、機器手臂可由人直接引導(dǎo)來記錄其運作路徑;三、若有人員或其他物件進(jìn)入機器手臂作業(yè)區(qū)，機器手臂應(yīng)自動減速以策安全;四、機器手臂的力道與功率都必須在限制范圍以內(nèi)。

　　工研院在2015年就已經(jīng)與上銀合作，開發(fā)出臺灣第一部安全協(xié)作型機器手臂，并符合ISO/TS 15066規(guī)范。在這個基礎(chǔ)上，工研院在2016年進(jìn)一步開發(fā)出可加裝在現(xiàn)有機器手臂上的觸覺皮膚與感測地墊模組，可以讓目前無法感測周邊人員活動的機器手臂也具備一定程度的感知能力，進(jìn)而調(diào)整其運作速度，提升安全性。

　　游鴻修分析，有很多技術(shù)可以用來實現(xiàn)安全型協(xié)作機器人的規(guī)范要求，除了最基本的觸覺感測能力外，有些廠商是以雷射光測距或影像感測技術(shù)來實現(xiàn)安全警戒區(qū)功能，但工研院認(rèn)為，讓機器手臂附近的地板具備壓力感測能力，可偵測人員或物件是否進(jìn)入警戒區(qū)，是問題最少，也最直觀的解決辦法，而且其技術(shù)原理與觸覺皮膚是一樣的，系統(tǒng)相對單純。

　　Universal Robot(UR)在本屆自動化展中，也展示了一系列協(xié)作型機器手臂應(yīng)用，包含結(jié)合機器視覺的挑揀應(yīng)用、曲面物件的表面拋光等。UR區(qū)域技術(shù)支援主管Andrew Pether表示，協(xié)作安全功能是UR機器手臂的標(biāo)準(zhǔn)功能，除了在遇到阻力時會完全停止運作外，還可以搭配其他感測技術(shù)，實現(xiàn)動態(tài)速度調(diào)整。其最典型的應(yīng)用是，當(dāng)有人靠近機器手臂的作業(yè)區(qū)域時，手臂會自動減速以策安全;當(dāng)人員離開作業(yè)區(qū)時，機器手臂才會恢復(fù)正常速度。

　　博世雖然沒有在本屆自動化展中展示自家的機器手臂，但博世在協(xié)作機器人領(lǐng)域也沒有缺席。陳俊隆表示，相較于其他業(yè)者以手臂的角度來思考產(chǎn)品研發(fā)方向，博世是把機器手臂當(dāng)作人類員工的隨身助理來看待，因此博世的APAS機器手臂除了具備觸覺皮膚、雷射接近感測等安全功能，使用者還可以推著APAS到處去做不同事情。使用者只要把手臂推到定位，透過簡單的對話視窗設(shè)定，就可以調(diào)整手臂的工作內(nèi)容。手臂上也內(nèi)建3D機器視覺功能，可以準(zhǔn)確辨識其所接觸的物件型態(tài)。

　　事實上，機器手臂的行動化或許是機器手臂未來值得期待的方向。在本屆自動化展中，自動引導(dǎo)車輛(AGV)，即俗稱的搬運機器人，也是展場上相當(dāng)吸睛的焦點。

　　目前AGV主要應(yīng)用在倉儲物流，可以按照程式設(shè)定和預(yù)先規(guī)畫好的軌道進(jìn)行檢貨、卸貨、上下料，但也有廠商將協(xié)作型手臂直接安裝在AGV上，以便讓AGV執(zhí)行更多元化的任務(wù)。

　　視覺系統(tǒng)加持　機器手臂實現(xiàn)高精度組裝

　　機器手臂和機器視覺系統(tǒng)的整合，將可讓機器手臂更精準(zhǔn)地完成任務(wù)。在本屆臺北國際自動化展中，康耐視(Cognex)與其系統(tǒng)整合夥伴全球儀器攜手展出結(jié)合視覺與手臂的自動化手機面板組裝系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅貼合精準(zhǔn)度比人工作業(yè)更高，還可以即時監(jiān)控機殼的公差變化，大幅提升手機組裝良率。

　　全球儀器業(yè)務(wù)部資深經(jīng)理葉名洋表示，手機螢?zāi)毁N合作業(yè)以往都是由作業(yè)員執(zhí)行，是相當(dāng)勞力密集的工作。但人力作業(yè)不僅成本越來越高，而且組裝良率也不是很穩(wěn)定，常有使用者抱怨手機面板與機殼的縫隙太大，甚至以此為由要求退貨，對手機廠商造成很大的損失。

　　為了提升組裝良率與降低成本，全球儀器和康耐視合作，為客戶開發(fā)出手機面板組裝自動化方案。該方案本質(zhì)上是視覺引導(dǎo)機器人(Vision Guided Robotics, VGR)，可利用攝影機引導(dǎo)機器手臂來執(zhí)行手機面板貼合任務(wù)。當(dāng)機殼達(dá)到工位時，攝影機會捕捉機殼的邊緣輪廓，并反覆修正機器手臂與機殼的相對位置，直到面板與機殼的邊緣相對位置差異在0.05mm以下，便展開貼合工作。

　　值得一提的是，由于機器視覺系統(tǒng)本身具備極高的辨識精度，因此若機殼尺寸超過公差容許范圍，系統(tǒng)也能自動示警，避免把手機面板貼合到尺寸有問題的機殼上，提升成品良率。

　　葉名洋透露，這整套系統(tǒng)的邊緣差異補正能力可精細(xì)到0.02mm水準(zhǔn)，但客戶要求只到0.05mm，因此應(yīng)付客戶需求綽綽有余。目前全球儀器配合的機器視覺廠商 除了康耐視之外，還有基恩斯(Keyence);機器手臂的配合廠商則有ABB、DENSO。

　　商業(yè)模式/ROI精算　業(yè)者導(dǎo)入費思量

　　雖然從技術(shù)觀點，現(xiàn)在制造業(yè)者已經(jīng)有各式各樣的技術(shù)選項來實現(xiàn)工業(yè)4.0，但許多工業(yè)自動化大廠都以自身經(jīng)歷指出，工業(yè)4.0會對制造業(yè)的日常營運造成根本性的變革，而且相關(guān)投資將會是一筆大數(shù)字，因此絕大多數(shù)業(yè)者都必須經(jīng)過一番深思熟慮，把未來的商業(yè)模式、投資報酬率(ROI)等問題都想清楚后，才會開始進(jìn)行導(dǎo)入。也有系統(tǒng)整合業(yè)者認(rèn)為，目前景氣狀況不明朗，使得制造業(yè)者在進(jìn)行設(shè)備投資更新時，又多了一層顧忌。這表示，未來臺灣制造業(yè)的設(shè)備投資很可能會是以改裝為主流，未必會愿意砸大錢購置全新設(shè)備。

　　綜合各家業(yè)者觀點，臺灣制造業(yè)的工業(yè)4.0導(dǎo)入于否，其實已經(jīng)不是技術(shù)問題，而是更復(fù)雜的財務(wù)與企業(yè)管理問題。因此，這段工業(yè)4.0導(dǎo)入的最后一哩路，可能會走得相當(dāng)緩慢而小心翼翼，企業(yè)主事者到底有多大的決心跟氣魄來貫徹工業(yè)4.0轉(zhuǎn)型，將是決定誰能拔得先機的關(guān)鍵。