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(jī)會展示其工業(yè)4.0軟硬體解決方案，五花八門的機(jī)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(qiáng)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(jī)器手臂大舉智慧化

　　機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)械所智慧機(jī)器人技術(shù)組組長游鴻修(圖3)表示，工業(yè)生產(chǎn)對機(jī)器手臂的需求日增，如何讓機(jī)器手臂變得更安全、更容易操作使用，將是未來機(jī)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(jī)器人的安全要求做出明確規(guī)定，未來機(jī)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(jī)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(jī)器手臂時，手臂要立即停止動作;二、機(jī)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(jī)器手臂作業(yè)區(qū)，機(jī)器手臂應(yīng)自動減速以策安全;四、機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器手臂應(yīng)用，包含結(jié)合機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器手臂，但博世在協(xié)作機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器手臂的行動化或許是機(jī)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(jī)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(jī)器手臂實現(xiàn)高精度組裝

　　機(jī)器手臂和機(jī)器視覺系統(tǒng)的整合，將可讓機(jī)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(jī)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(jī)殼的公差變化，大幅提升手機(jī)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(jī)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(jī)面板與機(jī)殼的縫隙太大，甚至以此為由要求退貨，對手機(jī)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(jī)面板組裝自動化方案。該方案本質(zhì)上是視覺引導(dǎo)機(jī)器人(Vision Guided Robotics, VGR)，可利用攝影機(jī)引導(dǎo)機(jī)器手臂來執(zhí)行手機(jī)面板貼合任務(wù)。當(dāng)機(jī)殼達(dá)到工位時，攝影機(jī)會捕捉機(jī)殼的邊緣輪廓，并反覆修正機(jī)器手臂與機(jī)殼的相對位置，直到面板與機(jī)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(jī)器視覺系統(tǒng)本身具備極高的辨識精度，因此若機(jī)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(jī)面板貼合到尺寸有問題的機(jī)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(bǔ)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(jī)器視覺廠商 除了康耐視之外，還有基恩斯(Keyence);機(jī)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(jī)的關(guān)鍵。