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全面布局智慧机械 提升台湾工具机竞争力
[作者 王明德]   2019年02月20日 星期三 浏览人次: [4425]

德国在2012年提出工业4.0後,各国政府迅速跟进,包括美国的「AMP」(先进制造夥伴计画)、中国的「中国制造2015」等,都是与智慧制造相关的政策,台湾在2016年也随之推出生产力4.0,後期将政策聚焦在机械领域上,在5+2产业创新计划中,纳入智慧机械,让台湾的工具机与精密机械产业先达到智慧机械目标,之後再延伸出智慧制造。


工具机是台湾少数完全自力发展技术的产业,其技术与德、日、义等国虽有落差,不过从整体产业面来看,仍属於前段班。2010年前後是台湾工具机的高峰期,後来大陆业者迅速追上,在标准型机台展开价格战,此後台湾厂商开始往客制化市场发展,如今接单生产的客制化机台已成为台湾工具机的主要业绩,而为使自身产品有更高附加价值,智慧化布局是台湾必走之路。


图1 : 工具机是台湾少数完全自力发展技术的产业,其技术与德、日、义等国虽有落差,不过从整体产业面来看,仍属於前段班。(摄影/王明德)
图1 : 工具机是台湾少数完全自力发展技术的产业,其技术与德、日、义等国虽有落差,不过从整体产业面来看,仍属於前段班。(摄影/王明德)

智慧机械虽然是近两年才出现的名词,不过工具机智慧化在1990年就已被提起,当时主要是各厂商为提升操作效能,发展出各种单机辅助软体功能,而这次工业4.0所衍生出的智慧机械,除了进一步强化单机软体辅助功能外,还加入各类感测与通讯等IT元件,撷取机台零部件数据,提升设备稼动率。


工具机智慧化3阶段

工具机与IT技术的结合有3个阶段,第1阶段始於1952年,当时美国麻省理工学院试将伺服机构装於立铣床上,实验成功後为赫柏公司(Alfred Herbert LTD)采用,成为全世界第一台NC机器,後来CNC迅速普及至机械加工领域,工具机本身的机械与控制性能等技术也不断创新,像是结构刚性、主轴转速、进给速度、差补运算精度、轮廓精度等,不过软体技术在此一阶段的发展并未跟上。


第2阶段是1990年五轴加工机与车铣复合机逐渐普及,工具机的功能渐趋复杂,在使用不易之下,机台产能难以彻底发挥,软体的重要性开始浮现,在此期间各大厂推出智慧工具机,透过特定软体提升工具机效能,虽然已有各种操作安全防护、加工效能提升、诊断监控等功能,不过整体来说仍以单机为主。


第3个阶段就是工业4.0带动的智慧机械,欧、美、日大厂已率先投入资源发展相关技术,在政府的政策辅导下,台湾工具机厂商也积极转型。就技术面来看,这次的智慧机械与1990年的智慧化工具机内涵不同,这波智慧机械主要是透过CPS(虚实整合系统)、物联网等技术架构,达到智慧化愿景。


其中CPS是针对制造系统的不同面向建立各种虚拟模型,并建立虚拟与真实物理系统之互动介面,物联网则是建立各式设备内部的物件网路,共享物件彼此的资讯,透过物件间的资讯分享,并且将资讯连接到背景分析的数据中心,可以进行物件的管理与控制。


工研院扮演技术领头羊

从研发机构的布局来看,台湾的工具机技术向来以工研院为领头羊,台面大厂都与其有一定程度的合作,因此工研院的研发也成为台湾工具机的重要驱动力量。有监於台湾厂商在软体技术的不足,工研院近期针对工具机软体推出智慧化软体架构VMX,此架构依循MTCoonect-OPC UA协定,可让机台连接上国际标准的工业物联网,解决了现在产业生态中,工具机控制器各有自订的规范,造成机电整合上困扰。


目前工研院的软体系统还包含了防碰撞、切削力学导向自动刀具路径优化、切削颤振??避、稼动率监控与主轴振动监控等,这些技术都解决了台湾工具机现正遇到的问题,其中防碰撞系统以具弹性及扩充性的外挂式模组,发展防碰撞功能,可对应一般单机应用情境,避免人为或自动制造过程的不适当碰撞发生。


切削力学导向自动刀具路径优化技术,可以依照加工机台的动力特性及使用者需求条件,调整制程程式的叁数,将负载过高之加工程式优化,达到保护高价零组件,不致损坏加工产品、刀具、机台。


切削颤振??避技术则可避免加工制程中工件与刀具之间产生相对的振动,解决工件因表面粗糙度使切削力与振动量发生不稳定的振荡,进而造成铣削系统的不稳定问题。此种在切削过程中由自身引起的自激振动,称之为颤振(Chatter)。


稼动率监控则以直觉性的图表呈现出加工与非加工情况,并有效结合行动显示装置,达成随时随地皆能快速掌握厂线生产状况,提升管控反应效率。主轴振动监控软体功能包含记录、分析振动讯号,以提供VMX进行资料搜集,进一步提供予工业4.0中之大数据分析之用。


5+2产业创新计划全力支援智慧机械


图2 : 工业4.0掀起智慧制造浪潮,各国政府与厂商纷纷大举投入。(source:Medium)
图2 : 工业4.0掀起智慧制造浪潮,各国政府与厂商纷纷大举投入。(source:Medium)

再观察政府布局,政府在2016年底所制定的「5+2产业创新计划」中,已将智慧机械列为其一,并将台中市订为智慧机械之都,积极推展智慧机械相关发展,提升台湾工具机产业之整体价值链,协助产业升级,加快迈向工业4.0的脚步。


台湾是全球机械产业大国,2017年的出囗值达到256亿美元,创历年新高;机械产值估计约新台币1.1兆元,年增11%,成为台湾继半导体、面板後的第三个兆元产业,总统蔡英文在2018年的台北国际智慧机械暨智慧制造展中,也指出智慧机械是政府提倡代表产业,未来将朝向扩大资源整合、扩大培育高阶技术人才、提高设备国产化比重三个方向,建构台湾工业4.0产业实力。


为强化台湾慧机械产业发展动能,台中市府与中央政府在2016年起以台中作为推动智慧机械示范据点,推动成立产官学研相关产业平台,共同成立智慧机械推动办公室推动智慧制造,促使产业用地通过等,而经济部与工研院携手,在台中精密机械园区打造智慧制造试验场域,今年也已经揭牌启动「全球智慧机械发展中心」,将协助中部地区企业跨入智慧化门槛,让台湾的机械产业从单机出囗模式,升级为高附加价值之智慧制造系统整厂整线输出,达到连结在地、连结未来及连结国际。


除了在台中设立智慧机械办公室与发展中心外,经济部的智慧机械政策也从2018年起展开5年计画,预计推动9,000台以上机器安装SMB(Smart Machine Box),让业者的设备可立即实现联网功能,以进行机器连线及收集生产资料,让生产管理变成可视化、生产排程优化,透过设备智慧化功能,将同时提升产品的精度、品质、效率以及可靠度,增加业者的竞争力。


被称为机械母机的工具机,是评估国力的重要指标,近年的智慧化概念已是全球工具机产业的既定趋势,台湾工具机产业在标准型市场面对大陆业者的追赶,高阶市场又面临德、日厂商的技术压力,台湾厂商必须紧密结合官学研等各界力量,在技术层面完整布局,方能强化竞争力,走出自己的路。


**刊头图(source:Spaleck)


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