工業(yè)4.0技術(shù)逐漸成熟　智慧工廠(chǎng)落實(shí)全憑業(yè)者決心

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

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

　　西門(mén)子/博世大秀智慧工廠(chǎng)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--博世力士樂(lè )(Bosch Rexroth)與西門(mén)子(Siemens)，在本屆工業(yè)自動(dòng)化展中都展示其展示最新的工業(yè)4.0解決方案。其中，博世在現場(chǎng)展示了一條工業(yè)4.0概念型生產(chǎn)線(xiàn)，藉由RFID來(lái)引導待組裝的產(chǎn)品，在整條生產(chǎn)線(xiàn)上進(jìn)行各種加工處理。博世力士樂(lè )工廠(chǎng)自動(dòng)化協(xié)理陳俊隆表示，藉由RFID的引導，該生產(chǎn)線(xiàn)可以穿插生產(chǎn)不同產(chǎn)品，不用改線(xiàn)或換線(xiàn)，具備極佳的彈性。

　　除了彈性化之外，該生產(chǎn)線(xiàn)上每個(gè)工站上的設備都具備資料搜集能力，例如螺絲旋轉圈數、插件的插入角度等，并自動(dòng)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(xiàn)上有些工序需要人為介入，相關(guān)設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(dòng)螺絲起子就會(huì )停止動(dòng)作，并告訴作業(yè)人員對應的錯誤訊息，以避免人員作業(yè)時(shí)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(dòng)化展所展示的自動(dòng)化組裝生產(chǎn)線(xiàn)只是簡(jiǎn)單的概念展示，實(shí)際上，這種自動(dòng)化組裝生產(chǎn)線(xiàn)可以非常龐大而復雜。若制造業(yè)者有興趣導入，博世會(huì )先從價(jià)值流分析著(zhù)手，先幫制造業(yè)者分析產(chǎn)能的瓶頸所在，再根據業(yè)主的預算推薦適合的作法，以確保制造業(yè)者的投資都能用在刀口上。

　　西門(mén)子在這次工業(yè)自動(dòng)化展中，則是把工業(yè)軟體、自動(dòng)化設備、工業(yè)通訊、驅動(dòng)技術(shù)及資訊安全與服務(wù)等核心概念分成各個(gè)專(zhuān)區進(jìn)行展示，而數位工廠(chǎng)則是貫串其各大展示區的共同主軸。

　　也由于數位工廠(chǎng)的核心在于軟體，因此西門(mén)子的展場(chǎng)上雖然隨處可見(jiàn)各種工業(yè)化設備硬體，但實(shí)際上，西門(mén)子攤位上最有看頭的，其實(shí)是西門(mén)子在軟體系統領(lǐng)域的全方位實(shí)力。西門(mén)子的各種工業(yè)自動(dòng)化解決方案，都可以與其數位企業(yè)軟體套件(Digital Enterprise Software Suite)結合應用。

　　該套件以協(xié)同合作平臺Teamcenter為主，可為用戶(hù)建構出虛擬的智慧工廠(chǎng)模型，未來(lái)還將逐步實(shí)現產(chǎn)品生命周期管理(PLM)、制造執行系統/制造操作管理(MES/MOM)及全方位整合自動(dòng)化(TIA)的無(wú)縫整合，提供ㄧ致性的資料管理、符合全球的標準，與統一的硬體與軟體介面。

　　全新的TIA Portal 可提供完整的數位自動(dòng)化功能的存取，藉由數位化工作流程、整合式的編輯平臺、透明的操作方式，確保在設計、銷(xiāo)售與設備的規劃架構的可靠度，縮短上市時(shí)間及提高生產(chǎn)力。

　　臺灣西門(mén)子數位工廠(chǎng)與制程工業(yè)暨驅動(dòng)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(lái)看，要實(shí)現工業(yè)4.0或數位工廠(chǎng)，已經(jīng)沒(méi)有太大的障礙。但工業(yè)4.0是一個(gè)制造業(yè)的全面變革，導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(lái)發(fā)展有清晰的概念，才能讓相關(guān)投資發(fā)揮預期的成效。

　　工業(yè)4.0帶來(lái)轉型壓力工業(yè)電腦改頭換面

　　工業(yè)4.0改變制造業(yè)，同時(shí)也改變了工業(yè)自動(dòng)化廠(chǎng)商的產(chǎn)品設計理念。隨著(zhù)各種致動(dòng)/驅動(dòng)設備、控制器與感測單元越來(lái)越智慧化，甚至可以在現場(chǎng)自動(dòng)針對情況做出判斷，傳統上在工業(yè)控制系統中扮演大腦角色的工業(yè)電腦，除了必須在系統中尋找新的定位外，產(chǎn)品設計理念也開(kāi)始出現轉變。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備整合。

　　研華工業(yè)自動(dòng)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，可以預見(jiàn)的是，未來(lái)生產(chǎn)線(xiàn)上的每一樣設備都會(huì )具備某種資料采集或是感應周遭環(huán)境的功能，并由此衍生出能自主判斷狀況、做出回應的各種智慧型工業(yè)設備。

　　在分散式智慧架構的發(fā)展趨勢確立后，現有的工業(yè)電腦設備將因而面臨轉型壓力。舉例來(lái)說(shuō)，以往為了對整個(gè)工業(yè)自動(dòng)化系統發(fā)號施令，工業(yè)電腦必須具備很強的運算效能，因此必須在設備體積上做出妥協(xié)。然而，在各種工業(yè)設備變得更聰明，懂得如何應對各種狀況后，工業(yè)電腦如果還繼續追求運算效能，很可能會(huì )面臨英雄無(wú)用武之地的窘境。

　　有鑒于此，張仁杰認為，未來(lái)部分工業(yè)電腦將會(huì )面臨轉型壓力，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(xiàn)，成為把資料轉傳到后臺IT系統的中介站，也可能是在不同設備、系統間扮演仲裁、協(xié)調的角色。

　　針對這類(lèi)應用情境，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，而且最好體積小巧，可以很輕松地掛載在各種設備上，或是多部電腦堆疊，以支援不同應用。舉例來(lái)說(shuō)，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(lái)，支援更多I/O，或是掛在顯示器后面，實(shí)現數位看板應用。

　　張仁杰認為，這種小型化的工業(yè)電腦，將會(huì )是工業(yè)電腦業(yè)界的破壞性創(chuàng )新。在工業(yè)自動(dòng)化系統的終端裝置越來(lái)越智慧化的情況下，工業(yè)電腦必須要跟著(zhù)適應系統的轉變。

　　導入主動(dòng)感知技術(shù)機器手臂大舉智慧化

　　機器手臂是工業(yè)自動(dòng)化的代表性產(chǎn)品之一，隨著(zhù)自動(dòng)化技術(shù)越來(lái)越受到市場(chǎng)關(guān)注，投入機器手臂研發(fā)的業(yè)者也跟著(zhù)增加。值得注意的是，在主動(dòng)感知技術(shù)日益普及，加上軟體工具有了長(cháng)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(lái)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(cháng)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(lái)機器手臂技術(shù)的主要發(fā)展方向。在安全方面，隨著(zhù)ISO發(fā)表ISO/TS 15066規范，對協(xié)作型機器人的安全要求做出明確規定，未來(lái)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(dòng)，將是產(chǎn)品設計的潮流。

　　ISO/TS 15066對協(xié)作型機器人的設計及安裝訂出詳盡的要求與風(fēng)險評估準則，其主要重點(diǎn)有四：一、人員觸碰機器手臂時(shí)，手臂要立即停止動(dòng)作;二、機器手臂可由人直接引導來(lái)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，機器手臂應自動(dòng)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?xún)取?/p>

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

　　游鴻修分析，有很多技術(shù)可以用來(lái)實(shí)現安全型協(xié)作機器人的規范要求，除了最基本的觸覺(jué)感測能力外，有些廠(chǎng)商是以雷射光測距或影像感測技術(shù)來(lái)實(shí)現安全警戒區功能，但工研院認為，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，是問(wèn)題最少，也最直觀(guān)的解決辦法，而且其技術(shù)原理與觸覺(jué)皮膚是一樣的，系統相對單純。

　　Universal Robot(UR)在本屆自動(dòng)化展中，也展示了一系列協(xié)作型機器手臂應用，包含結合機器視覺(jué)的挑揀應用、曲面物件的表面拋光等。UR區域技術(shù)支援主管Andrew Pether表示，協(xié)作安全功能是UR機器手臂的標準功能，除了在遇到阻力時(shí)會(huì )完全停止運作外，還可以搭配其他感測技術(shù)，實(shí)現動(dòng)態(tài)速度調整。其最典型的應用是，當有人靠近機器手臂的作業(yè)區域時(shí)，手臂會(huì )自動(dòng)減速以策安全;當人員離開(kāi)作業(yè)區時(shí)，機器手臂才會(huì )恢復正常速度。

　　博世雖然沒(méi)有在本屆自動(dòng)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(méi)有缺席。陳俊隆表示，相較于其他業(yè)者以手臂的角度來(lái)思考產(chǎn)品研發(fā)方向，博世是把機器手臂當作人類(lèi)員工的隨身助理來(lái)看待，因此博世的APAS機器手臂除了具備觸覺(jué)皮膚、雷射接近感測等安全功能，使用者還可以推著(zhù)APAS到處去做不同事情。使用者只要把手臂推到定位，透過(guò)簡(jiǎn)單的對話(huà)視窗設定，就可以調整手臂的工作內容。手臂上也內建3D機器視覺(jué)功能，可以準確辨識其所接觸的物件型態(tài)。

　　事實(shí)上，機器手臂的行動(dòng)化或許是機器手臂未來(lái)值得期待的方向。在本屆自動(dòng)化展中，自動(dòng)引導車(chē)輛(AGV)，即俗稱(chēng)的搬運機器人，也是展場(chǎng)上相當吸睛的焦點(diǎn)。

　　目前AGV主要應用在倉儲物流，可以按照程式設定和預先規畫(huà)好的軌道進(jìn)行檢貨、卸貨、上下料，但也有廠(chǎng)商將協(xié)作型手臂直接安裝在A(yíng)GV上，以便讓AGV執行更多元化的任務(wù)。

　　視覺(jué)系統加持　機器手臂實(shí)現高精度組裝

　　機器手臂和機器視覺(jué)系統的整合，將可讓機器手臂更精準地完成任務(wù)。在本屆臺北國際自動(dòng)化展中，康耐視(Cognex)與其系統整合夥伴全球儀器攜手展出結合視覺(jué)與手臂的自動(dòng)化手機面板組裝系統。該系統不僅貼合精準度比人工作業(yè)更高，還可以即時(shí)監控機殼的公差變化，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，手機螢幕貼合作業(yè)以往都是由作業(yè)員執行，是相當勞力密集的工作。但人力作業(yè)不僅成本越來(lái)越高，而且組裝良率也不是很穩定，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(chǎng)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(hù)開(kāi)發(fā)出手機面板組裝自動(dòng)化方案。該方案本質(zhì)上是視覺(jué)引導機器人(Vision Guided Robotics, VGR)，可利用攝影機引導機器手臂來(lái)執行手機面板貼合任務(wù)。當機殼達到工位時(shí)，攝影機會(huì )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(kāi)貼合工作。

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

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

　　商業(yè)模式/ROI精算　業(yè)者導入費思量

　　雖然從技術(shù)觀(guān)點(diǎn)，現在制造業(yè)者已經(jīng)有各式各樣的技術(shù)選項來(lái)實(shí)現工業(yè)4.0，但許多工業(yè)自動(dòng)化大廠(chǎng)都以自身經(jīng)歷指出，工業(yè)4.0會(huì )對制造業(yè)的日常營(yíng)運造成根本性的變革，而且相關(guān)投資將會(huì )是一筆大數字，因此絕大多數業(yè)者都必須經(jīng)過(guò)一番深思熟慮，把未來(lái)的商業(yè)模式、投資報酬率(ROI)等問(wèn)題都想清楚后，才會(huì )開(kāi)始進(jìn)行導入。也有系統整合業(yè)者認為，目前景氣狀況不明朗，使得制造業(yè)者在進(jìn)行設備投資更新時(shí)，又多了一層顧忌。這表示，未來(lái)臺灣制造業(yè)的設備投資很可能會(huì )是以改裝為主流，未必會(huì )愿意砸大錢(qián)購置全新設備。

　　綜合各家業(yè)者觀(guān)點(diǎn)，臺灣制造業(yè)的工業(yè)4.0導入于否，其實(shí)已經(jīng)不是技術(shù)問(wèn)題，而是更復雜的財務(wù)與企業(yè)管理問(wèn)題。因此，這段工業(yè)4.0導入的最后一哩路，可能會(huì )走得相當緩慢而小心翼翼，企業(yè)主事者到底有多大的決心跟氣魄來(lái)貫徹工業(yè)4.0轉型，將是決定誰(shuí)能拔得先機的關(guān)鍵。