技術通報301期_全球智慧製造趨勢下，臺灣工具機暨零組件產業所面臨之挑戰 前篇 2024.08.21

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全球工具機發展現況與市場趨勢

探索國際工具機標竿企業之成功案例- 促成智慧製造解決方案的關鍵因子

 

　　我國工具機產業雖具有完整的群聚網絡競爭優勢，加上業界長期累積的製造優勢，使得我 國機械產業在瞬息萬變的市場中仍能穩定發展。但近年德、日等領先國家以優勢品牌於國 際上展開低價化的競爭，高階部分機種售價已調降至800 萬以內，如圖一，尤其在日幣匯差下， 部分中高階機種的售價已接近國內機種售價。此外，近年中國大陸因受美國進口限制影響，已開 始發展自製之關鍵零組件，讓低階工具機售價成本大幅降低，使得低階部分價廉機種售價小於 100 萬，大幅向上蠶食中階機種的市場版圖。在當今工具機市場極為競爭的壓力下，我國工具機 及機械設備相關產業受到相當大的衝擊，迫切需要從提升工具機產品品級等面向著手升級，吸引 國際中高階客戶的青睞，進而提升國際市場競爭力。 　　如圖二所示為近年臺灣工具機出口前十大國家，依出口金額排序為中國（含香港）、美國、 土耳其、俄羅斯、越南、荷蘭、義大利、印度、泰國、馬來西亞。中國大陸雖為目前臺灣工具機 最大出口國，但衰退幅度大，2021-2022 年已從911,021 千美元衰退至808,619 美元，且根據 中華民國財政部關稅總局於2023 年上半年之統計資料顯示已衰退18.5%。

▋ 全球工具機發展現況與市場趨勢

　　近年來，在製造業市場全球化供應鏈的崩解連動中，國際間同時經歷了Covid-19 疫情、美 中貿易戰、俄烏戰爭、全球通膨…等詭譎多變的政經局勢；然而，邁入後疫情時代的2023 年， 全球持續面對各種不確定的變數，整體經濟的復甦力道依然疲軟。

後疫情時代全球製造業經濟復甦之路

　　根據Gardner 發佈的2022 全球工具機產銷調查報告統計資料，如圖三，不論是從消費、生 產、出口、進口任一面向的總和數據來看，2022 年全球工具機的整體表現都相較2021 年衰退。 　　即使2020 年全球工具機市場因受疫情影響而衰退，然而由於全球經濟緩步復甦、終端應用 市場隨之擴大，使得製造業生產需求仍在，預估全球工具機市場規模將持續5％年增率成長，如 圖四，直至2026 年達到1,059.6 億美元。 　　於台北國際工具機展(TIMTOS) 與台灣國際工具機展(TMTS)，雖說參展攤商與國際訂單的 量能相當熱絡，惟歐美國家卻面臨員工爭取加薪而採取罷工行動，導致國際間投資力道也轉趨 保守；加上中國大陸疫後經濟未如預期復甦，連帶對設備及原物料需求亦隨之減少。此外，由 於日圓持續貶值，造成日本工具機與我國工具機產品價差縮小，並對於我國工具機的出口造成 相當壓力。
　　根據工研院IEK Consulting 統計，2022 年臺灣工具機產值1,361 億元，然2023 年全球仍 須面對不同的黑天鵝與灰犀牛，國際貨幣基金組織(IMF) 等國際預測機構多認為主要國家經濟展 望較2022 年降低約0.5% 至0.8%，而通貨膨脹導致貨幣政策的緊縮和利率的調升，對投資與設 備採購均有不利影響。
　　台灣工具機暨零組件公會(TMBA) 指出，2024 年全球工具機產業景氣將與2023 年相當， 2023 年工具機出口值26 億美元、年減14%，2024 年全球工具機產業產值估可從743.2 美元增 至780.4 億美元，臺灣工具機產值從2023 年33.1 億美元增至33.7 億美元。TMBA 理事長陳伯 佳表示2024 年部分國家及產業市場經濟預期將有優異的表現，惟有70 多國大選，加上地緣政 治干擾、俄烏戰爭未平、各國綠色減碳政策等因素，對國內工具機暨零組件業者出口，可能帶來 程度不一的影響。

智慧製造驅動迎來新契機

　　當2013 年德國將工業4.0 納入國家發展十大專案，從此便開啟了全球各工業化國家與企業的 重視與連動；為因應消費市場的型態越來越趨向小眾化，工業4.0 聚焦在工業生產模式的革新，並 強調生產過程中（各個製造單元）資訊的互相串聯，進而經由高度智能化以達到生產自動化。更 確切來說，工業4.0 代表著製造模式的升級與進化，而智慧製造更是成功驅動工業4.0 的核心引擎。
　　此外，全球企業積極布局綠能零碳，永續經營成為未來趨勢，全球智慧製造市場在此風潮帶 動下，整體產業規模也呈現緩步向上之勢；根據TrendForce 統計，2023 年全球智慧製造的市場 規模可達4,010 億美元，如圖五，預估至2026 年，智慧製造產業市場規模有機會上看6,200 億 美元，且仍保有二位數12.7% 的年增率成長。 　　因應少子化、勞動力短缺、人工成本上升，傳統製造業能否能借助數位科技，趁勢導入智慧 製造，營建出生產歷程的最佳效率，著實攸關傳產企業的興衰甚至存廢。智慧製造讓生產流程有 更好的連結和溝通，透過排除繁雜的程序，讓整個生產系統運作得更有效率；藉由現代的數位製 造技術、搭配先進的資通訊科技，將使得工業製造與生產過程變得更為趨近無人化、智能化、及 高效化。雖說這讓企業在導入智慧製造初期勢必耗費大量資金與心力，但就企業經營的長遠性來 看仍是利多的投報結局。
　　疫後的全球市場正經歷快速轉型期，製造業倚賴多年的長供應鏈策略逐漸轉向短鏈模式，且 連帶影響研發、產銷、庫存、物流…等環節。欲成功過渡長鏈到短鏈之歷程，製造業必須仰賴自 動化、機器人、數位化、人工智慧…等科技來提升其整體供應鏈之韌性。此外，從製造、物流， 乃至於消費端，彈性生產（客製化、少量多樣）已成為製造業技術價值鏈中不可或缺的戰略需求， 而『智慧工具機』必然扮演彈性生產的關鍵角色，並且會與生產力提升、製程品質優化、以及智 慧製造的未來發展息息相關。

▋ 探索國際工具機標竿企業之成功案例- 促成智慧製造解決方案的關鍵因子

　　工具機素有「機械之母」的稱謂，乃製造業中最重要的生產機械。近年來由於網路 連線和數位化方面的技術取得長足進步，智慧工具機逐漸成為市場銷售的一門顯學，根據 ResearchAndMarkets.com 的研究預測，全球智慧型機器市值將在2028 年達到353 億美元， 其中亞太地區將占163 億美元成為市值最大的區域。新型工具機的開發逐步整合工業4.0 技術， 並著重於實現機械設備和操控系統之間的資訊交握（橫向聯網）功能。
　　此外，當國際標竿級工具機廠商持續導入多元數位技術，並帶頭走向智慧化/ 數位化/ 零碳 化的應用趨勢，感測器的整合發展與應用於是成為『智慧工具機及其關鍵零組件』的核心要件； 綜觀現今全球標竿級工具機廠商的開發方向，其核心技能大多聚焦於整合及運用感測器擷取機台 數據，再透過IIoT 聯網與App 軟體進行服務加值，進而提供智慧工具機、甚至智慧工廠（整廠 整線）其垂直供應鏈更高的生產效益。

DMG MORI/SCHAEFFLER _ Machine tool 4.0 智慧工具機

　　為實踐德國「Industry 4.0」產業發展策略，舍弗勒(SCHAEFFLER) 集團於2013 年啟動了 結合工業4.0 的『Machine tool 4.0（工具機4.0）』創新專案。此專案在經歷舍弗勒、Deckel Maho Pfronten 與其他合作夥伴的協同開發之後，在舍弗勒位於赫希施塔特(Höchstadt) 的工 廠推出一台銑削加工中心原型機並投入精密軸承單元日常批量的生產。該款原型機將包含振動、 溫度、壓力... 等超過60 個感測器，安裝於與加工過程相關的軸承位置中，並在感測器端即時進 行數據擷取/ 分析、演算/ 比對，繼之再將結果返饋至控制器與雲端，從而降低系統負載俾提高 設備補償反應速度。此外，第二款原型機，如圖六，於2015 年EMO 展會的DMG MORI 展區 中亮相登場，透過現場參觀者的體驗印象，顯示出『Machine tool 4.0』除了可用性的提高與服 務成本的降低、其能源和運行成本也顯著降低，進而也構成了流程、產品和機器永續優化的基礎。 　　透過專為工具機設計的多通道狀態監控系統(Condition Monitoring System) 及其演算法， 舍弗勒追求兩個目標：第一、使用CMS 對工具機關鍵組件進行狀態監控和預測；第二、CMS 必 須支援來自不同製造商的感測器並與機器一起完美運作。

• SpindleSense：透過直接測量主軸的偏轉/ 變形以評量並控制加工程序；防止持續過載並減 少碰撞造成的損壞。通過位移（軸向、徑向、傾斜）測量進行主軸監控，SpindleSense 可減 少機器停機時間並提高機器產能的利用率。
• DuraSense：監測線性導軌系統中的潤滑狀態，在出現潤滑不足時觸發並調節其自身的潤滑 油需求；減少意外停機次數，提高設備可用性；保養更容易，從而降低維護成本。延長線性 導軌系統的使用壽命，進而延長整台機器的使用壽命。
• Rotary Table Sensors：附有MHA 測量頭的量測系統軸承，可直接在旋轉軸（轉盤）上進行 精確、可靠的角度量測，從而產生卓越的加工品質和機器可用性。採用可靠且失效安全(failsafe) 的感應式操控機制，可防止機器故障並實現出色的機器可用性。
• SmartCheck：結合智慧感測器的滾動軸承可被用於記錄機器或系統的重要關鍵值，並將其傳 送到控制系統。透過連續的狀態監控，SmartCheck 適用於檢測滾動軸承早期的損壞、不平 衡和失準(misalignments)，習見應用於真空和流體泵、主軸和工具機…等。

Okuma Smart Factory_ 智慧機器加持，實現智慧製造

　　OKUMA 智慧工廠的特點是自動化程度高、機器智慧，透過收集、分析和優化機器數據，提 供終端客製化的解決方案和產品。智慧控制系統OSP-P300A 能夠完美適合CNC 工具機，並透 過其共享資料庫提升效率。如圖七，OKUMA OSP-P300A 配備了為促進智慧製造而開發的OSP suite 應用程式、為提高加工效率而開發的智慧加工基礎設施，例如：熱誤差補償、幾何誤差補償、 防碰撞等智慧功能，不僅整合了車削功能導航、主軸功率檢測、卡盤壓力計算…等應用。另外， 也將AI 診斷功能整合入控制器CPU 中，具有能夠分析並靈活應用OSP 監控的全部感測器訊息， 自我診斷進給軸、滾珠螺桿、以及支撐軸承的運行狀態，實現預防性維護，有效避免機器故障， 提高加工穩定性、生產安全性，減少停機時間，進而提高生產效率。

• Thermo-Friendly Concept：TAS-S (Thermo Active Stabilizer_Spindle) 依據主軸溫度（感 測器）訊息，於主軸轉速開始、變化、和停止當中可以精準執行熱變位補正。TAS-C(Thermo Active Stabilizer_Construction) 基於溫度感測器和進給軸位置數據，當環境溫度變化時，可 精確預測並補正機器結構的熱變位，以達到控制在理想的加工精度。
• 5-Axis Auto Tuning System：五軸自動調諧系統係藉由接觸式探針和基準球來測量幾何誤差， 加上Thermo-Friendly Concept的協同效應下，可確保5軸機在長期運行中持久的高加工精度。
• Machining Navi：使用OSP 控制和感測器來監控顫振；當偵測到顫振時，此功能會建議 變更主軸速度(Machining Navi L-g 和 Machining Navi M-g) 或自動進行主軸速度調整 (Machining Navi M-i)。Machining Navi M-g 使用麥克風來分析顫振，並顯示無顫振主軸 速度的最佳設定。Machining Navi M-i 則由內建的振動感測器來分析顫振，並自動將主軸 RPMs 切換至理想速度以避免顫振。
• SERVONAVI：借助SERVONAVI AI 功能（伺服控制優化），機器會自動估算工作台上的工 件重量，並優化工作台進給軸上的加速度以符合該重量；這樣可以穩定地加工重型工件，更 快加工較輕的工件。藉由SERVONAVI SF，機器可識別在長期使用後所導致的加工精度退化， 並恢復所需的加工表面精度。此外，還能夠快速消除噪音和振動，增加滾珠螺桿的更換週期， 相對也延長機器的壽命。

One Place for Everything_MyHaas 提供智慧工具機一站式解決方案

　　Haas Automation 座落於加州的奧克斯納德，是美國最大、最現代化的工具機製造工廠，該 工廠擁有Haas 製造的四大產品線：垂直加工中心VMC、水平加工中心HMC、CNC 車床和轉台， 以及許多大型五軸和特殊工具機。此外，專用關鍵組件（控制器、主軸、刀塔/ 刀庫、4th/5th 軸...）、 及其周邊附屬工具（刀具、夾具、探測儀...），亦多由Haas 自行生產並安裝在自家機台上。如 圖八，MyHaas 是一款結合行動裝置的應用程式，該App 擁有Haas CNC 工具機的全套功能， 包括刀具訂購、速度＆進給計算器、輕鬆存取服務程序、工具機監控、故障排除指南、視訊... 等。 　　HaasConnect 和HaasDrop 的所有功能近期也被整合入MyHaas 應用程式之中。 HaasConnect 允許您透過行動裝置從遠端監控您的機器狀態（進給軸和主軸轉速倍率... 等）、 或是藉由機台搭載的WiFi 攝影機進行即時影像的觀測，即使您不在CNC 機台運作的現場； HaasDrop 允許您將影像、視訊甚至程式檔案，從行動裝置上傳到Haas 控制器以協助現場人員 能夠正確地執行操作。此外，從『SERVICE INFO/ 感應器＆開關』的維護網頁可以窺知Haas Automation 嵌置於關鍵零組件中的Sensor 型式及其安裝的位置，這些猶如人類視覺、聽覺、 觸覺的第一線感知尖兵，都是使機台成功執行智慧化功能的首要功臣。 　　由於ICT、IIoT 技術的快速發展與廣泛應用，而且隨著製造業自動化、智能化、高效（數位） 化生產流程的升級/ 轉型需求，於是提供廠商完整智慧製造解決方案的供需生態系便應運而生。 綜觀Haas 工具機各系列機型，在智慧製造的引領下，亦透過機台載具/ 關鍵零組件所整合的硬 體/ 軟體之創新加值，將為其終端客戶創造一個更高生產效率、製程更彈性化、人工及環境成本 更具效益的市場競爭優勢。

FISCHER、SAUTER、THK、KIT_ 關鍵零組件智慧化的實踐標竿

　　FISCHER 集團是一家在精確、快速、和強大旋轉系統領域的全球領導廠商，特別是在高速主軸、 高精密五軸頭(milling head) 製造生產方面；其80 多年的主軸生產經驗完全體現於開發、模擬、製 造和性能測試等各方面的技術創新中。隨著智慧化加值的需求日益顯著，FISCHER 亦推出具有專利 之精巧軸心冷卻(Compact Shaft Cooling)的高速高精智能銑削主軸，如圖十，其訴求的功能包括：(1) 整合軸心冷卻迴路與軸承溫度感測器於主軸之中，透過溫控機制讓主軸預熱和冷卻的飽和時間更快、 等待時間縮短（達5 倍差）；(2) 結合膨脹感測器(dilation sensor) 以檢測心軸的軸向熱偏移並能即 時進行刀具軸向精度之補償（達70%）；(3) 藉由嵌合加速度感測器(Acceleration Sensor) 可對現 場機器之主軸軸承實施滾動循環的狀態分析與監測，進而擇定最佳的加工速度。此外，FISCHER 的 磨削主軸則結合聲發射感測器(Acoustic Emission Sensor)，可針對CBN 砂輪於仿形/ 輪廓加工、 刀具磨削(Dressing and Profiling、Tool grinding) 過程中，進行即時的效能分析與監測。 　　Sauter Feinmechanik GmbH 是全球刀塔和刀柄領域的標竿廠商，作為工具機領域的前沿 技術供應商，SAUTER 提供從邊緣運算到智慧刀塔和複雜的感測器網絡的客製化完整解決方案。 2023 年SAUTER 推出可提供智能感測功能的434/BMT 升級版智慧刀塔，如圖十一，亮點包括：(1) 透過內嵌溫度感測器以監控軸承溫升、預防軸承過熱，進而提高刀塔壽命；又刀塔內建有熱導管， 具快速導熱能力，且配合散熱迴路，能夠大幅增加連續銑削時間；(2) 整合振動感測器以監控刀 具磨耗狀況和異常振動，可有效預防因過度切削或撞機而衍生的經濟損失；另再藉由振動與溫度 監測二合一之高低2 級警示設定的防護，協助終端用戶提高生產良率並優化產能；(3) 高速寬頻 的5G 通訊，可將分析後的資訊傳輸至各項（行動）載具，供管理者即時掌控異警通知。 　　OMNIedge 是THK 於2020 年啟動的「以製造業為導向的物聯網解決方案服務」，旨在數 位化機器關鍵組件的狀態並實現『預測性維護』的智慧化訴求。藉由THK 主力產品LM 導軌、 滾珠螺桿、線性致動器專有的創新技術，及其在日本國內的汽車零件、食品、電子零件…等各領 域取得的實作數據作為後盾，逐步將OMNIedge 智慧化方案擴展到全球市場，並主要對應到製 造業機械設備的關鍵零組件。如圖十二所圈示，OMNIedge 將感測器連接到機械設備關鍵部件 上，經由THK 感測系統之獨特演算法並透過安全通訊網路進行數據的收集與數位化分析後，可 即時實現機械設備關鍵部件的狀態診斷和預測性維護，減少製造現場因突發故障而導致的損失， 並有助於最大限度地提高整體設備效率(OEE)，從而順利執行生產計畫。 　　THK 近年來一直透過在線性運動部件上改裝感測器，以提供量化損壞和潤滑狀態的解決方 案，為進一步加強與客戶的互動，還利用人工智慧技術提供更全面的服務。2023 年7 月推出 OMNIedge / 直線運動部件AI 診斷服務(AI Diagnosis Service)，如圖十三，可根據各種數據 即時計算出部件的健康分數（異常程度）以揭示該部件的即時狀況，消除了過往困擾客戶的閾 值設置。「ADV」不僅可以檢測變化和異常，還可以分析數據並提供維護報告，大大簡化了客 戶的機械設備維護活動。 　　卡爾斯魯厄理工學院(Karlsruher Institut für Technologie、縮寫KIT)，既是一所大學也是 一所國家級的大型研究中心；KIT 是德國在自然科學和工程技術等領域享有盛譽的世界頂尖研究 型大學，被譽為『德國的麻省理工(MIT)』。2020 年漢諾威工業博覽會上KIT 展示了一種自動監 測工具機滾珠螺桿磨損的智能維護系統；如圖十四，帶有光源的攝像鏡頭被整合到滾珠螺桿的螺 母上，當螺母在螺桿上移動時，攝像鏡頭會為螺桿的每個節段拍攝單獨的照片，從而生成整個表 面的圖像；然後將圖像數據傳輸到人工智慧(AI) 系統，該系統之前已經使用機器學習方法和數千 張有缺陷和完整螺桿的照片進行訓練；使用這些數據，系統可以可靠地評估螺桿的狀況，並在螺 桿磨損時適時地觸發警告，而這將有助於減少機器停機時間。

pL Lehmann、CFT Rizzadi、關東_ 關鍵零組件智慧化的實踐標竿

　　2017 年EMO 展會上，瑞士旋轉台製造商pL Lehmann 在其CNC 旋轉台中整合了新一代 產品pL-iBox，藉此展現其工業4.0 和數位化的創新能量。如圖十五，透過感測器，pL-iBox 可 針對旋轉台的運作狀態（包括：夾緊壓力、溫度、空氣濕度、轉速和振動）持續進行監控並記錄。 當監控的狀態值超過或低於設定的限值，pL-iBox 會傳送資訊給CNC 控制系統，並藉由控制系 統得出攸關整個旋轉台的損壞情況、狀態和使用壽命之結論，並給出後續維護工作的建議。通過 pL-iBox，Lehmann 旋轉台提供了一個藍牙介面，用戶可隨時通過智慧手機和pL App 應用程式 對狀態、功能或故障進行查詢和設置。 　　自2023 年pL Lehmann 旋轉台則配置有smartBox 以及防水USB 連接埠，當旋轉台出 現問題（故障），即可借助市售USB 或透過藍牙來讀取數據，同時透過電子郵件發送給pL Lehmann 或用戶所在國家/ 地區的代表。[ 註：2023 年後的型錄已更新為pL-smartBox]
　　作為義大利國內和國際上的標竿公司，CFT Rizzadi 自1987 年以來即致力於開發和製造工具 機Machining Center 的換刀和托盤自動化更換系統。由於在工具機等不斷發展的行業中具有強 烈的創新傾向，CFT Rizzadi 在國際舞台上獲得了越來越高的聲譽。憑藉其長期的經驗和對市場的 深入了解，該公司專注於客製化設計並與客戶共同合作，戮力在新設計的工具機上創建特殊應用。 　　CFT Rizzadi 是刀具更換系統「無鏈技術」的創新者，如圖十六，應用於CTA HS 型號的「無鏈 技術」確保了工具機高生產速度的巨大優勢。CTA HS 系列自動換刀裝置擁有靈活性和多功能性的特 點，可輕鬆適用於各種類型的工具機，並具有能夠減小整體尺寸的優點，從而盡可能地利用機器上的 可用空間。如圖十七，無鏈技術系統與市場上現有的刀庫不同，因為不使用鏈條而是透過推動系統移 動刀庫中的刀具（安裝在獨立的托盤上），無鏈條技術可以減少隨著時間的推移而產生的磨損，從而 消除或最大限度地減少因典型的鏈條加長而導致的調整干預。如果刀架襯套斷裂或損壞，維護工作將 大大簡化，因無需拆卸整個鏈條來更換單一單元。此外，該系統也非常靈活，終端用戶可以在同一結 構上安裝各種類型的刀把錐體(ISO、CAT、HSK 或Capto)，還能在必要時快速更改錐體類型。 　　關東精機原本是一家汽車零件製造商，初期為了控制所使用工具機的發熱量並保持加工精 度，於是投入機械發熱和熱位移的研發，進而開發出一種冷卻油自動溫度調節器以最大限度地減 少熱量問題，最終更將其商業化為「OILMATIC」產品。 　　OILMATIC 已被廣泛應用於工具機、半導體製造裝置、及各種產業機械，如圖十八，是一 款針對各種液體實施高精度溫度管理的「液溫自動調整機」，它採用獨特的變頻控制、氣體旁通 PID 控制、雙脈衝閥控制…等作為自動控制機制，並透過高精度和高響應性來對流通於設備中的 各種冷卻液的溫度進行即時管控，從而抑制機械設備的熱變位，實現工件的高精度加工與高附加 價值。
　　此外，關東精機於1994 年領先開發具備節能效益的變頻控制冷凍機、使用可回收性材料作 為組成構件。2000 年更率先業界開發使用臭氧層破壞係數為零的新冷媒，針對綠能環保、脫碳 社會的企業責任作出貢獻。近年為讓工具機擁有更優異的環保性能，關東精機更致力於發展新 一代SKYNEXUS 技術，聚焦創新的溫度調控機制，鎖定變頻控制、回收利用、多頭熱源管理、 CO2 制冷應用等革新技術的開發。
　　後篇～將分享台灣工具機暨零組件工業同業公會(TMBA) 偕同精密機械研究發展中心 (PMC)，針對國產關鍵組件智慧化的性/ 價加值議題，邀集工具機暨關鍵組件廠商與會研商後之 跨越挑戰門檻之解決方案。（待續）