工业4.0技术逐渐成熟 智慧工厂落实全凭业者决心

2016年台北国际工业自动化大展热闹登场，各大工业巨头都利用这个机会展示其工业4.0软硬体解决方案，五花八门的机器手臂更是展场的目光焦点。表面上来看，工业4.0从概念走向落实，似乎只差最后一哩路。然而，这最后一哩路牵涉到设备投资、投资报酬率计算、商业模式转型等更复杂的议题，制造业者得非常小心翼翼地走下去。  
西门子/博世大秀智慧工厂全套解决方案  

引领工业4.0浪潮的两大德国工业集团--博世力士乐(Bosch Rexroth)与西门子(Siemens)，在本届工业自动化展中都展示其展示最新的工业4.0解决方案。其中，博世在现场展示了一条工业4.0概念型生产线，藉由RFID来引导待组装的产品，在整条生产线上进行各种加工处理。博世力士乐工厂自动化协理陈俊隆表示，藉由RFID的引导，该生产线可以穿插生产不同产品，不用改线或换线，具备极佳的弹性。  

除了弹性化之外，该生产线上每个工站上的设备都具备资料搜集能力，例如螺丝旋转圈数、插件的插入角度等，并自动将其纳入产品的生产履历中，以确保制造商可以对产品的品质进行完整追踪。此外，若生产线上有些工序需要人为介入，相关设备也具有非常智慧化的防呆功能。例如锁螺丝这道工作，如果作业人员拿错螺丝，工站上的电动螺丝起子就会停止动作，并告诉作业人员对应的错误讯息，以避免人员作业时把不正确的螺丝硬锁在产品上，造成产品损坏。  

陈俊隆透露，这次自动化展所展示的自动化组装生产线只是简单的概念展示，实际上，这种自动化组装生产线可以非常庞大而复杂。若制造业者有兴趣导入，博世会先从价值流分析着手，先帮制造业者分析产能的瓶颈所在，再根据业主的预算推荐适合的作法，以确保制造业者的投资都能用在刀口上。  

西门子在这次工业自动化展中，则是把工业软体、自动化设备、工业通讯、驱动技术及资讯安全与服务等核心概念分成各个专区进行展示，而数位工厂则是贯串其各大展示区的共同主轴。  

也由于数位工厂的核心在于软体，因此西门子的展场上虽然随处可见各种工业化设备硬体，但实际上，西门子摊位上最有看头的，其实是西门子在软体系统领域的全方位实力。西门子的各种工业自动化解决方案，都可以与其数位企业软体套件(Digital Enterprise Software Suite)结合应用。  

该套件以协同合作平台Teamcenter为主，可为用户建构出虚拟的智慧工厂模型，未来还将逐步实现产品生命周期管理(PLM)、制造执行系统／制造操作管理(MES/MOM)及全方位整合自动化(TIA)的无缝整合，提供ㄧ致性的资料管理、符合全球的标准，与统一的硬体与软体介面。  

全新的TIA Portal 可提供完整的数位自动化功能的存取，藉由数位化工作流程、整合式的编辑平台、透明的操作方式，确保在设计、销售与设备的规划架构的可靠度，缩短上市时间及提高生产力。  


图1　台湾西门子数位工厂与制程工业暨驱动科技事业部总经理郑智峰指出，制造业虽然面临景气上的疑虑，但这个时候更是工业4.0练功的好时机。
台湾西门子数位工厂与制程工业暨驱动科技事业部总经理郑智峰(图1)表示，若纯就技术角度来看，要实现工业4.0或数位工厂，已经没有太大的障碍。但工业4.0是一个制造业的全面变革，导入之前的前期评估非常关键。制造业者必须对自己的需求跟商业模式的未来发展有清晰的概念，才能让相关投资发挥预期的成效。  

工业4.0带来转型压力工业电脑改头换面  

工业4.0改变制造业，同时也改变了工业自动化厂商的产品设计理念。随着各种致动/驱动设备、控制器与感测单元越来越智慧化，甚至可以在现场自动针对情况做出判断，传统上在工业控制系统中扮演大脑角色的工业电脑，除了必须在系统中寻找新的定位外，产品设计理念也开始出现转变。例如工业电脑将变得更省电、更小巧，而且更容易挂载或与其他设备整合。  


图2　研华工业自动化事业群副总经理张仁杰认为，工业4.0将会使工业电脑产业必须进行破坏式创新。
研华工业自动化事业群副总经理张仁杰(图2)表示，在工业4.0浪潮的影响下，可以预见的是，未来生产线上的每一样设备都会具备某种资料采集或是感应周遭环境的功能，并由此衍生出能自主判断状况、做出回应的各种智慧型工业设备。  

在分散式智慧架构的发展趋势确立后，现有的工业电脑设备将因而面临转型压力。举例来说，以往为了对整个工业自动化系统发号施令，工业电脑必须具备很强的运算效能，因此必须在设备体积上做出妥协。然而，在各种工业设备变得更聪明，懂得如何应对各种状况后，工业电脑如果还继续追求运算效能，很可能会面临英雄无用武之地的窘境。  

有鉴于此，张仁杰认为，未来部分工业电脑将会面临转型压力，必须要朝更轻薄短小、更省电的方向发展，而非一味追求高效能。有一种可能性是工业电脑将退居第二线，成为把资料转传到后台IT系统的中介站，也可能是在不同设备、系统间扮演仲裁、协调的角色。  

针对这类应用情境，工业电脑必须具备灵活、广泛的I/O支援能力，可以串接各种系统，而且最好体积小巧，可以很轻松地挂载在各种设备上，或是多部电脑堆叠，以支援不同应用。举例来说，研华月前发表一款新型单板电脑，只有手掌大小，但支援USB、乙太网与Wi-Fi等通讯介面，而且可以多台堆叠起来，支援更多I/O，或是挂在显示器后面，实现数位看板应用。  

张仁杰认为，这种小型化的工业电脑，将会是工业电脑业界的破坏性创新。在工业自动化系统的终端装置越来越智慧化的情况下，工业电脑必须要跟着适应系统的转变。  

导入主动感知技术机器手臂大举智慧化  

机器手臂是工业自动化的代表性产品之一，随着自动化技术越来越受到市场关注，投入机器手臂研发的业者也跟着增加。值得注意的是，在主动感知技术日益普及，加上软体工具有了长足进步的情况下，机器手臂的智慧化有了明显进展，不管是大型手臂或协作型手臂，都变得越来越容易操作，感知周遭环境变化的能力也大幅改善。  


图3　工研院机械所智慧机器人技术组组长游鸿修认为，随着工研院陆续掌握各种机器手臂关键技术，未来台湾的机器手臂产业将有机会急起直追。
工研院机械所智慧机器人技术组组长游鸿修(图3)表示，工业生产对机器手臂的需求日增，如何让机器手臂变得更安全、更容易操作使用，将是未来机器手臂技术的主要发展方向。在安全方面，随着ISO发表ISO/TS 15066规范，对协作型机器人的安全要求做出明确规定，未来机器手臂搭载某种感知技术，以侦测周遭环境里的一举一动，将是产品设计的潮流。  

ISO/TS 15066对协作型机器人的设计及安装订出详尽的要求与风险评估准则，其主要重点有四：一、人员触碰机器手臂时，手臂要立即停止动作；二、机器手臂可由人直接引导来记录其运作路径；三、若有人员或其他物件进入机器手臂作业区，机器手臂应自动减速以策安全；四、机器手臂的力道与功率都必须在限制范围以内。  

工研院在2015年就已经与上银合作，开发出台湾第一部安全协作型机器手臂，并符合ISO/TS 15066规范。在这个基础上，工研院在2016年进一步开发出可加装在现有机器手臂上的触觉皮肤与感测地垫模组，可以让目前无法感测周边人员活动的机器手臂也具备一定程度的感知能力，进而调整其运作速度，提升安全性。  

游鸿修分析，有很多技术可以用来实现安全型协作机器人的规范要求，除了最基本的触觉感测能力外，有些厂商是以雷射光测距或影像感测技术来实现安全警戒区功能，但工研院认为，让机器手臂附近的地板具备压力感测能力，可侦测人员或物件是否进入警戒区，是问题最少，也最直观的解决办法，而且其技术原理与触觉皮肤是一样的，系统相对单纯。  

Universal Robot(UR)在本届自动化展中，也展示了一系列协作型机器手臂应用，包含结合机器视觉的挑拣应用、曲面物件的表面抛光等。UR区域技术支援主管Andrew Pether表示，协作安全功能是UR机器手臂的标准功能，除了在遇到阻力时会完全停止运作外，还可以搭配其他感测技术，实现动态速度调整。其最典型的应用是，当有人靠近机器手臂的作业区域时，手臂会自动减速以策安全；当人员离开作业区时，机器手臂才会恢复正常速度。  

博世虽然没有在本届自动化展中展示自家的机器手臂，但博世在协作机器人领域也没有缺席。陈俊隆表示，相较于其他业者以手臂的角度来思考产品研发方向，博世是把机器手臂当作人类员工的随身助理来看待，因此博世的APAS机器手臂除了具备触觉皮肤、雷射接近感测等安全功能，使用者还可以推着APAS到处去做不同事情。使用者只要把手臂推到定位，透过简单的对话视窗设定，就可以调整手臂的工作内容。手臂上也内建3D机器视觉功能，可以准确辨识其所接触的物件型态。  

事实上，机器手臂的行动化或许是机器手臂未来值得期待的方向。在本届自动化展中，自动引导车辆(AGV)，即俗称的搬运机器人，也是展场上相当吸睛的焦点。  

目前AGV主要应用在仓储物流，可以按照程式设定和预先规画好的轨道进行检货、卸货、上下料，但也有厂商将协作型手臂直接安装在AGV上，以便让AGV执行更多元化的任务。  

视觉系统加持　机器手臂实现高精度组装  
机器手臂和机器视觉系统的整合，将可让机器手臂更精准地完成任务。在本届台北国际自动化展中，康耐视(Cognex)与其系统整合夥伴全球仪器携手展出结合视觉与手臂的自动化手机面板组装系统。该系统不仅贴合精准度比人工作业更高，还可以即时监控机壳的公差变化，大幅提升手机组装良率。  

全球仪器业务部资深经理叶名洋表示，手机萤幕贴合作业以往都是由作业员执行，是相当劳力密集的工作。但人力作业不仅成本越来越高，而且组装良率也不是很稳定，常有使用者抱怨手机面板与机壳的缝隙太大，甚至以此为由要求退货，对手机厂商造成很大的损失。  

为了提升组装良率与降低成本，全球仪器和康耐视合作，为客户开发出手机面板组装自动化方案。该方案本质上是视觉引导机器人(Vision Guided Robotics, VGR)，可利用摄影机引导机器手臂来执行手机面板贴合任务。当机壳达到工位时，摄影机会捕捉机壳的边缘轮廓，并反覆修正机器手臂与机壳的相对位置，直到面板与机壳的边缘相对位置差异在0.05mm以下，便展开贴合工作。  

值得一提的是，由于机器视觉系统本身具备极高的辨识精度，因此若机壳尺寸超过公差容许范围，系统也能自动示警，避免把手机面板贴合到尺寸有问题的机壳上，提升成品良率。  

叶名洋透露，这整套系统的边缘差异补正能力可精细到0.02mm水准，但客户要求只到0.05mm，因此应付客户需求绰绰有余。目前全球仪器配合的机器视觉厂商 除了康耐视之外，还有基恩斯(Keyence)；机器手臂的配合厂商则有ABB、DENSO。  

商业模式/ROI精算　业者导入费思量  

虽然从技术观点，现在制造业者已经有各式各样的技术选项来实现工业4.0，但许多工业自动化大厂都以自身经历指出，工业4.0会对制造业的日常营运造成根本性的变革，而且相关投资将会是一笔大数字，因此绝大多数业者都必须经过一番深思熟虑，把未来的商业模式、投资报酬率(ROI)等问题都想清楚后，才会开始进行导入。也有系统整合业者认为，目前景气状况不明朗，使得制造业者在进行设备投资更新时，又多了一层顾忌。这表示，未来台湾制造业的设备投资很可能会是以改装为主流，未必会愿意砸大钱购置全新设备。