技術通報 283期_疫情期間製造產業的轉變 智動化製造單元技術 2022.05.13
疫情期間製造產業的轉變
－智動化製造單元技術
文／智動化推進部 林政仰
自2020年起COVID－19疫情爆發，衝擊全世界不同產業，供應鏈斷鏈以及人流管制影響產業運作。企業為了防疫，開始導入遠距工作的新型態營運方式。對於製造業而言，遠距工作導致工廠內人力縮減，同時產生設備維護以及生產管理的問題，因此促使製造業的快速轉型。以智動化的技術取代傳統人力，可以減少產線人員配置，使產線人力吃緊問題得以解決，同時減緩疫情對製造業所帶來的巨大衝擊。
另一方面，在少量多樣的消費市場下，製造業者對需求多樣性的應變力、對市場反應的速度以及產品品質等都是關鍵。在面對不同客戶的需求時，製造業者要如何因應此市場環境，其中最為重要的就是製造設備的智動化以及數位化。當數位邏輯控式與硬體設備緊密結合，就能使工廠產線更彈性化。因此智動化設備不僅成為製造業者高度無人化與彈性化的助力，更能幫助製造業在疫情時代轉型，降低防疫措施造成工廠人力調配的影響。
IKE產業焦點中提及根據市調機構MarketsandMarkets的報告指出，2020年製造業數位轉型之市場規模預估為463.1億美元，然而COVID－19疫情加速進行企業數位轉型，預測2021年市場規模為529.9億美元，相較2020年大幅成長14.4%，且預測2025年市場規模將達到1,130.9億美元。製造業進行數位轉型是勢在必行，而且將會引領未來製造業的發展。
▊ 國內製造業生產現況
汽機車及航太零組件生產製造是台灣金屬製品產業中重要且具競爭力的領域，國內也培養出許多具備國際競爭力的企業例如哈特佛、晟田等。這些領域業者其生產模式大多以中小尺寸工件及中小批量之生產為主，生產樣態則大多以單機搭配人工搬運或簡易料倉，效能亟待提升。
由於汽機車及航太零組件少量多樣化的特性，這樣的生產方式會面臨產線轉換時間成本過高問題，這其中包含了工件的上下料、在製品的管理儲放、人工機器設備加工參數調整等作業。不僅大大影響了整體生產效率及彈性，也缺乏產線即時監控、數據採集等功能。此外，刀具的自動化管理系統也是迫切需要的，往往金屬加工品的品質與刀具的掌控有密切的鏈結。尤其特殊材質金屬加工件由於硬度較高且原料成本高，刀具磨耗大。工具機機邊刀庫數量有限，生產過程中須仰賴人力外部進行換刀作業，增加刀具壽命掌控的風險且換刀的過程中影響了生產機械的稼動率。因此如何有效地擴大動態儲備刀量且提供工具機的自動換刀機能也是另一重要議題。
▊ 智動化製造單元技術
智動化製造單元技術以五軸立式綜合加工機為核心，整合多軸取放載具及環形倉儲模組，使該智造單元具備物料彈性生產及刀具自動更換功能。同時為進一步提升國產工具機智能化表現，另一重點項目則是在工具機控制器上，導入軟體模組平台概念。利用PC-NC架構中PC端的開放特性，分別以單機智慧化及單元智動化兩大方向開發智能軟體模組，使單機提升加工精度、效率，也讓整個單元產品具備智慧派工、自動刀具管理、彈性生產等符合智慧製造趨勢之功能。
A. 智動化製造單元 – 生產機械的周邊延伸整合設計
智造單元技術概念的實施整合了泛用尺寸的（工作盤面＜800mm）五軸立式加工中心機及臥式加工機、利用多層外部環狀倉儲設計作為彈性使用備料空間（10～21個格位）以及一多軸取放載具（荷重500－800kg）針對單一製程需五分鐘以上的生產需求，建構成整套單元化產品架構。多軸取放載具採四軸圓柱座標型構型，擁有升降、水平、旋轉之運動自由度，高強度結構使其能負荷重物，使多軸載具可應用於於托盤移載。環形倉儲系統結構，環狀架構具有體積緊湊特點，與傳統倉儲結構相比，單位面積之物料儲存量最高可提升至300%。再者，為提高倉儲系統使用彈性及效益，倉儲內使用之托盤模組亦可用於刀具存放的設計，每一刀盤可置放6～12把刀具以供系統彈性調配使用。
透過多軸載具可直接抓取刀具托盤至工具機進行刀具更換作業，有效利用倉儲空間擴充工具機備刀數量，讓本產品使用上能夠更加彈性。工具機對準國內航太及汽車零組件產業中小尺寸工件加工需求，整合一五軸立式加工中心機。連同多軸載具及環形倉儲進行一體化的設計，以智造單元的產品系列導入國產金屬加工應用市場。
B. 智動化製造單元 – 智能化軟體控制模組
智能化軟體控制模組有兩種類型的軟體技術，分別為單機智能化軟體技術及單元智動化軟體技術。單機智能化軟體技術，其主要目的是提供加工應用的智慧型支援功能，例如：自動載重參數調整、高效率切削及機內狀況預警等功能，可有效提升精度提高加工效率及穩定性。其中以下功能作常用之應用介紹：
(1) 自適性載重參數調控：該功能可自動估算工作台承載工件之重量，並且根據載重程度調整相關伺服參數。當工件重量較重時需要搭配較長的加減速參數，以及較低的增益參數。此功能可於加工時有效抑制機台振動。
(2) 複合式溝槽切削路徑規劃：該功能以縮短加工時間及提高刀具壽命為主要考量，於切削路徑規劃考量擺線切削與螺旋切削作為優化的面向，此舉可於加工過程中可保持刀具切削角度恆定，以保持工具的負載恆定。
(3) 主動式異警通報系統：使用者隨時隨地都可透過手機掌握廠內機台訊息，機台發生問題可及時處理。異況、完工的發生時間與結束時間皆可遠端確實掌握。
(4) Zero downtime ( 零停機)：該功能可協助使用者排定保養計畫，使用者可提前了解需要更換的零件，提早執行更換或清潔的動作，降低機台因維修停機的可能性。
(5) CCD 監視：可拍照記錄，更容易回報問題及實際情況。在辦公室即可看到機台內的加工即時影像。當異警發生時，將發生的前後30 秒錄製成影像，藉以還原機台異警發生的實際狀況。
C. 智動化製造單元 – 單元智動化軟體技術
單元智動化軟體技術為系統性考量，其目的在整合工具機、多軸載具刀具等自動化元件的群體控制，以達成彈性自動化生產目的，因此結合MES、APS 等資料庫系統、設備連線、派工邏輯設計、刀具壽命檢知、物料管理等技術將會是設計的重點考量。功能簡介包含如下：
(1) 智慧派工功能：為達成彈性自動化生產目的，鏈結生產排程資料庫，可依照加工排程時間、工件入庫時間、現場人員優先權設定，進行工件自動上料，生產過程中可針對不同工件上載不同加工參數進行彈性化生產。
(2) 刀具智能管理功能：刀具管理功能可依照刀具使用壽命、待加工件刀具需求及機內刀具比對結果，排定自動換刀任務。由派工系統執行換刀作業。
(3) 彈性物料管理功能：透過RFID 系統進行管理，工件可於上架時綁定加工參數，派工系統會依綁定的資訊索引排序，取得工件參數進行自動加工。
智能化軟體控制模組是一個PC-Based 平台化架構，可不斷更新App，除了可以協助製造業者提昇機台附加價值。容易導入產線及穩定性也是智造單元的設計考量，數位資料的應用透過圖形導引方式，可快速且可靠的呈現生產線狀態讓各個層級的操作端從遠端也能即時掌握產線訊息。
▊ 結論
在後疫情時代中，加速了原本缺工及精進人員運用效率的思維。尤其於製造產業透過智動化製造單元提升產線可調彈性。而MES、APS 直接鏈結生產功能的系統整合，於派工連線、刀具智能管理以及彈性物料管理等單元智動化軟體功能也在產線精進的範疇內佔了很重要的角色。除了有助於管理層調整派工人力，減少單一操作人員之工作負擔，同時在基礎操作員的缺工環境下也獲得紓緩。尤其搭配有機邊倉儲的智造單元設計於在無人的環境下於夜間不間斷的工作，亦大幅提昇生產稼動率及效率。而這波因應疫情而突顯的「彈性生產」、「智動化元素」、「遠端掌控」的生產的需求慢慢的在成形，也許在不久的未來透過技術的普及。可於眾多國產的產品中，增加一條彈性智造單元的整合性產品系列。