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强化工业用感测器产业链 有赖产研协同合作
[作者 陳念舜]   2019年10月02日 星期三 浏览人次: [1716]

回顾2011年汉诺威自动化工业展首度发表工业4.0之际,同期叁展的台湾厂商最先被看好的,就是能掌握所谓资通讯产业「优势」,可??切入核心关键的感测器环节。孰料因为业界仍集中於出囗导向,仅生产大批量订单、组装用的消费电子市场为主,导致工业用感测器缺囗始终难以弥补,因此有赖於产研各界协同合作开发。


为了因应近年来贸易战加速各国制造业转型与升级趋势,智慧化科技在制造端创新应用效益更值得关注,感测器不仅在工业4.0问世开始,就被视为CPS(Cyber Physical System)的核心关键零组件。可以用来搜集生产资讯、辨识物件及周遭环境,以即时因应异常状况,提供系统间沟通、决策、合作所需讯息来源;进而衍生分析、预测、模拟等功能,达到联网通讯及巨资分析处理的功能,创造智慧产品、智慧产线、智慧工厂、智慧物流等应用解决方案,应用领域涵括:


1. 「监测设备状态」,系透过声学或力学感测器侦测设备的异常响声、震动,并依此判断设备故障徵兆,可在问题发生前采取预防措施,避免因为意外停机衍生庞大损失。


2. 「提升生产效率」,利用力学感测器侦测设备的速度、轨迹、扭力、距离等变数,或光学感测器管控品质、侦测异常温升等功能;或结合力学/光学感测器,让自动化设备或机器人具备手眼协调功能,提升生产工厂的运作效率。


3. 「监控工厂安全」,经过温度、湿度、压力、电流、气体、热影像等感测器,侦测厂内设备或管线是否异常,避免发生工安灾害或意外损失。



图1 : 台湾感测器产业的结构虽然看似完整,但多数厂商仅开发单一感测元件,将重点市场放在供应消费性3C电子用感测器,下游系统品牌商却仍偏好国际大厂产品,导致多数台制品均出囗至海外市场。(摄影/陈念舜)
图1 : 台湾感测器产业的结构虽然看似完整,但多数厂商仅开发单一感测元件,将重点市场放在供应消费性3C电子用感测器,下游系统品牌商却仍偏好国际大厂产品,导致多数台制品均出囗至海外市场。(摄影/陈念舜)

然而,台湾感测器产业的结构虽然看似完整,但上游感测元件IC设计公司能量较弱,多数厂商仅开发单一感测元件,将重点市场放在供应消费性3C电子用感测器,却未积极投入工业用感测器;中下游感测器制造与封测业者技术实力较强,下游系统品牌商却仍偏好国际大厂产品,导致台湾感测器的进囗替代效果并不显着,多数台制品均出囗至海外市场。


对於中小企业为主的机械产业而言,若想采购台湾或欧日系大厂品牌产品,发展感测器技术,还要顾虑到对方是否愿意牺牲部份产能接少量订单,以及是否符合台湾厂商弹性需求与价格等问题?才能确实有助於塑造台湾智慧制造方案的差异化,提升国际竞争力。


经过多年来产官学研各界努力的成果,2016年甚至由台湾半导体协会(TSIA)、国际半导体产业协会(SEMI)、台湾智慧自动化与机器人协会(TAIROA)、台湾区工具机暨零组件公会(TMBA)等四大产业公协会宣布跨域结盟,盼携手开发工业用IC应用在智慧机械核心所需的加速规、马达控制、视觉及感测器等关键元件自制能力,以解决台湾发展工业4.0的瓶颈,效果却十分有限。


@段标:法人建立完整感测验证平台 串连工业用感测器生态系


如今,根据工研院IEK Consulting统计显示,包含需求端的制造业或供给端的感测器产业,皆已意识到工业物联网发展已成大势所趋,且将带动更多工业感测器的应用需求,点燃庞大市场商机,估计将带动全球工业感测器产值由2018年34.8亿美元,成长至 2022年53.9亿美元。


其中,滚珠螺杆可说是工具机产业里最重要的关键零组件之一,却常受到长期不间断使用、磨耗导致失准。工研院智慧微系统科技中心也在今(2019)年台北国际自动化展,发表与传动元件制造大厂全球传动科技,以及宏刚精密工业、荣刚材料科技、洽群机械公司历经4年投入「超薄型复合式感测模组之工具机智慧进给系统预析补偿技术开发计画」,所推出的智慧螺杆产品。


与市面上其他智慧螺杆最大不同,便在於将超薄型复合式感测模组与滚珠螺杆中的螺帽完整结合取代预压片,而非采取外挂方式影响外观设计,间接估算预压或温度值。得以首创无论机台处於静态或动态运转时,皆可更直接、即时取得预压力及温度的智慧螺杆进给系统,维持可靠精度,大幅提高进给系统的稳定性;也不容易受到机台设备的结构干扰,导程准确率度更高,还能有效节省感测元件的封装成本。目前背隙判断检出率>95%、力感测范围0~7kN、温度监控范围0~200℃。


再经过标准通讯介面将感测数据与马达资讯融合,传送到PC就能用於预知保养、诊断故障,防止因意外停机影响生产稼动率,而不必外挂特殊控制器或感测系统;甚至可将反??资讯传递到控制器定位补偿,形成闭??路控制控制智慧螺杆精度,以提升服务价值,掌握智慧机械的自主关键技术与专利布局。


值得一提的是,除了由智慧微系统科技中心完成建置动态力感测器的感测结构、读取电路、感测模组与测试平台的开发设计以技转厂商,并利用感测器平台技术,将动态力感测器模组应用於滚珠螺杆,整合预压力+温度侦测模组、模拟与即时补偿预析技术为核心,以直接侦测预压力和温度的方式预先诊断工具机健康度。


未来还将规划转移感测器关键技术与专利到相关产业,持续为台湾精密夹爪提供关键感测模组的客制化设计与应用服务,补足感测器产业的缺囗,并提升相关产业的智慧化附加价值与国际竞争力,提升生产品质。


同时促进精密机械产业链上中下游环节的厂商整合,携手设计适用於制造现场的高效能智慧感测器,开发出具备国际竞争力的智慧化滚珠螺杆进给系统,以协助机台升级,随时保持最隹的生产力与效率。


包含因应滚珠螺杆的有限空间,设计体积更小、适合置入的超薄型感测模组,而串连上游荣刚材料科技公司,开发出了能与高稳定感测元件结合的新材料设计与处理技术、宏刚精密工业的复合式传感器设计与加工技术;再结合全球传动科技的智慧螺杆模组整合设计与回??预析技术,并经过持续地测试及优化,一步步建构每个环节的技术,再交由洽群机械公司主动式进给系统实机测试,了解工具机业者的实际需求与功能。


工研院智慧微系统科技中心执行长朱俊勋指出,为满足现阶段工业用的客制化需求逐渐提高,许多厂商正透过导入工业用感测科技,搜集现有机台或设备生产数据,经过分析最隹化。但他坦言,目前台制设备所需的关键核心感测器几??皆受制於国外,普遍存在应用规格限制、导入价格过高、客制化程度不足等问题;以及台湾IC设计厂商又都聚焦於消费型产品市场,规格一致,大家都会组装,接下来只能比较不同商品的品牌价值。但只是用来单纯组装的数量不多,台厂也比不上中国大陆业者的议价能力。



图2 : 工研院智慧微系统科技中心工研院智慧微系统科技中心执行长朱俊勋(左3)与宏刚精密工业总经理方敦正(左1)、全球传动科技总经理李进胜(左2)、荣刚材料科技??协理侯文星(左4)发表智慧螺杆。 (摄影/陈念舜)
图2 : 工研院智慧微系统科技中心工研院智慧微系统科技中心执行长朱俊勋(左3)与宏刚精密工业总经理方敦正(左1)、全球传动科技总经理李进胜(左2)、荣刚材料科技??协理侯文星(左4)发表智慧螺杆。 (摄影/陈念舜)

反观每部工业设备机台的设计都不同,难以完全因应台湾厂商转型智慧制造,对於工业感测方案的弹性化、客制化需求,必须先完全掌握基础理论、材料、设计能力。该智慧螺杆则结合台湾最隹螺杆、材料技术,首度采取独步全球的直接内嵌式感测器设计,在国际也拥有高度竞争力。


朱俊勋说:「随着工业4.0成为制造业升级主流,感测器不乏取得资讯管道,惟其本身没有意义,关键仍在可否取得有意义的数据!」且有别於国外工业感测器通常只专注於单一领域,台湾厂商最难的是跨出第一步,忍受先被责骂多年的阶段之後就有机会,也不畏如今贸易战造成全球供应链支离破碎。



图3 : 与市面上其他智慧螺杆最大不同,便在於将超薄型复合式感测模组与滚珠螺杆中的螺帽完整结合取代预压片,无论机台处於静态或动态运转时,皆可更直接、即时取得预压力及温度的智慧螺杆进给系统。(source:全球传动)
图3 : 与市面上其他智慧螺杆最大不同,便在於将超薄型复合式感测模组与滚珠螺杆中的螺帽完整结合取代预压片,无论机台处於静态或动态运转时,皆可更直接、即时取得预压力及温度的智慧螺杆进给系统。(source:全球传动)

宏刚精密工业总经理方敦正表示,该公司其实与工研院、全球传动皆有长远合作关系,透过这次合作希??将佛家所谓的「六识(眼、耳、鼻、舌、身、意)」工业化,成为视觉、声觉、力觉等不同应用领域的感测器,并充分利用过去该公司开发力觉感测器的知识经验,自主开发系统再内嵌於滚珠螺杆,将之提升到工业4.0层级。


这次与工研院合作开发的智慧螺杆,除了串起包含原材料的自主供应链,通过不同严苛环境的强度、宽温考验,都能维持材料稳定度,得以实现可直接内嵌於螺杆的感测器,且比起进囗品牌更具有价格优势之外。最重要的是能撷取更细节资料加以分析,发挥大数据效益,从而具备高度客制化与系统整合能力,有利於面对接下来「商品化」的挑战,采模组化设计,依客户真正需求增减功能。


「否则,若仍只是对外采购关键零组件标准品用来组装的话,将无法真正满足客户需求!」方敦正说,这也是目前大陆推动自动化的难题,所以在「中国制造2025」计画里特别加入筹办感测器研发中心,台厂必须慎防其後来居上。且相较於国外大厂通常自主开发居多,宏刚精密藉由这次与工研院合作,有机会被国外大厂看见,不仅造成外商压力,也开始探询合作机会,不排除背後还有并购意图。


@段标:新创企业切入国际供应链 原见精机发表机器人触控技术


此外,在今年台北国际自动化展前夕,传来劳动部职安署公告将工业机器人纳入机械安全源头管理而掀起轩然大波,虽然最终延缓执行,却可见安全感测在工安的重要性。惟究其主因,便缘自於依劳动部统计2018年一般动力机械占职灾肇因媒介物第二名所致。


进而修订原先依据ISO标准制定的CNS 14490《工业机器人危害预防标准》,并释出最新安全规范,让人机协作自动化产线能依法移除栅栏,提升空间利用;同时制定《协同作业机器人作业安全评估要点》,要求雇主於机器人协同作业初次安装时,应由事业单位相关人员与原厂专家共同执行,并提供适当防护设备进行试运转测试後,方可进行起动作业。并公告产制运出厂场、输入、租赁、供应或设置的工业机器人或系统,其构造、性能或安全防护事项,应符合国家或国际标准,自2019年9月1日生效。



图4 : 虽然最终劳动部延缓将工业机器人纳入机械安全源头管理,却可见安全感测在工安的重要性。(摄影/陈念舜)
图4 : 虽然最终劳动部延缓将工业机器人纳入机械安全源头管理,却可见安全感测在工安的重要性。(摄影/陈念舜)

目前工业机器人整合的外部感测技术除了仍以光学感测为主,包含红外线、光栅、雷达、光达等产品;近年来还有国际机器人大厂纷纷投入触觉感测技术,让机器人可在极细微触碰下,就能即时辨识并做出反应,增进操作人员的安全性。


2017年由工研院独立出来的新创公司原见精机,则专注於研发制造工业机器人触觉感测产品与系统,现已推出轻薄致密、敏感的力觉感测模组「安全皮肤(Contact Skin)」,系经由触觉感知来保障人机协作安全,确保机器人一旦发生碰撞时将会立刻停止,以确保相同工作环境人员的安全性,已可支援多家国际机器人大厂合作应用,创造智慧制造的利基市场;甚至与国内外工业机器人厂共同设计,直接升级为「安全协作触觉机器人」。如在今年自动化展也与欧系机器人大厂ABB合作,展示导入达群自动化公司的铸造业智能及自动化解决方案。



图5 : 面对工业4.0时代强调产线多样化及生产效率,原见精机近年来还成功推出独特的直觉教导用触觉介面「指尖教导环,应用於工业机器人的协同作业。(摄影/陈念舜)
图5 : 面对工业4.0时代强调产线多样化及生产效率,原见精机近年来还成功推出独特的直觉教导用触觉介面「指尖教导环,应用於工业机器人的协同作业。(摄影/陈念舜)

且因为从材料、制程、电子电路到机器人控制系统逐一完备,近年来原见精机还成功推出独特的直觉教导用触觉介面「指尖教导环(Finger Teach)」,应用於工业机器人的协同作业,有别於过去工业机器人必须透过电脑输入指令,或用控制面板、手摇杆等人机介面教导移动点位。


原见精机董事长苏瑞尧表示,面对工业4.0时代强调产线多样化及生产效率,现有教导方式并不直觉也不容易使用,可能耗费大量时间;加上随着人机协作需求不断成长,如何发展更方便有效率的直觉式互动教导,也成为工业机器人的重点课题。现在只要操作者指尖触碰感应介面,即可判读操作手势及指尖力道,再传回工业机器人的控制器,转换成不同操作指令,装置於前端而能轻易「指」挥机器人动作,达到直觉式教导功能。


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