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解析感测器的三大工业应用
协作、预防、环感
[作者 籃貫銘、劉昕]   2022年03月29日 星期二 浏览人次: [2806]

感测器的使用与配置是智慧制造基础建设中的一环,它是赋予机具设备感知能力的关键设置。未来所有的工业机具都将离不开感测器的使用,而处处也都会有智慧感知应用的身影。


@工业领域里,感测器使用数量最多的,就属智慧机械应用了,它不仅是先进自动控制的基础,更是智慧化的根本所在。而随着工业4.0概念的逐步深化,更多的智慧装置与应用也接连兴起,於是感测器的应用数量又更加节节高升。


本文即从三大主要的应用领域切入,剖析这些新兴的工业智慧应用在感测器上的运用强况。


让你可以更靠近━协作机器人

协作机器人(collaborative robot),简称「Cobot」,是设计用来与人类在共同工作空间、生产线上直接性物理互动,并进行良好协作的新型态机器人。它的外型通常是一个机器手臂,更先进的则会有两个手臂,且具备人型的外观。


要成为协作机器人,当然有一定的规范。除了体积与运转速度和力量外,当然也要具备丰富的感知功能,才得以在工作空间里与人类协作。也因此协作机器人具有一系列距离感测器,能够在瞬间对周围工人存在做出反应,有效大量制造,同时赋予智能化的应对。


除了距离感测器之外,少数的协作机器人还会进一步搭载碰撞感测器,用来启动发生意外碰撞时的停止功能。这种用来防止碰撞的感测模组,有时会被称为电子皮肤,它通常是采用外装选配的方式安装,但目前也有业者在出厂时就已完成配装,像是川崎重工就与台湾的原见精机合作,推出具备防撞模组的机器手臂。


而先进的防撞模组不仅仅作为防碰撞使用,它还具备力量感测的性能,能够判断输入的力量大小,让产线上的工作人员来对机器手臂进行导引与转向的功能。


协作机器人目前仍处早期发展的阶段,但伴随时代演进,现在已有越来越多的厂商进入此一市场,并让它们的功能得到了快速的提升。早期协作机器人尺寸体积偏小,适合执行简单的物件取放、搬运、切割、焊接等高精准度,和电子组装、涂胶等动作,这些小快又灵活的协作机器人对於工业4.0发展至关重要。



图1 : 搭载碰撞感测器模组的协作机器人,不仅仅作为防碰撞使用,它还具备力量感测的性能。
图1 : 搭载碰撞感测器模组的协作机器人,不仅仅作为防碰撞使用,它还具备力量感测的性能。

近期这些机器手臂的力量和尺寸已进一步提升,是早期机器人的五倍,尺寸增大後更加扩展夹具和工具使用范围,以及更直观的程式,拓展出更广泛的应用领域,包括重型机械加工、物料搬运、包装、处理螺丝和螺母等。


汽车产业是最早应用领域,例如BMW使用协作机器人执行碰撞罐元件铆接制程,对缩短周期时间产生巨大影响,完成时间从64秒缩短到52秒。根据Kenneth Research预测至今年,汽车领域协作机器人带来的出货和销售收入将以每年约43%速度成长。


在金属产业,协作机器人能够执行重复一致性地抛光平坦和不平坦表面,对於力道的控制趋於程式化,并且针对推陈出新的产品快速更改设置、重新进行部署;而添加剂制造新创企业使用机器人提供3D列印零件个性化设置,这也是协作机器人在重视弹性的中小企业间,日益受到欢迎的原因。


在农业方面,温室种植者可灵活运用协作型机器人摘采娇嫩植物、将细小种子栽入盆栽等执行作业;制药业方面,运用协作型机器人使研究、测试、标记与包装等工作区域保持无菌状态。


延长机具使用寿命━预防性维护

导入预防性维护(Preventive maintenance)的主要目的,是使设备避免因为人员疏忽、疲劳、或元件设备损毁而失效,尤其是在初期转变成重大异常之前,就可以进行自主性的介入,以减少发生重大故障或造成产线停机的可能性。


预防性维护的最大优势为预先规划,降低意外的被动维护与其衍生出来的间接成本。它可配合生产休息时间关闭设备,同时在关闭之前,可预先收集好维护所需零件、用品,配置人力资源,以减少修理时间。这些措施能降低维修的总成本,同时提高生产安全性,从长期影响来看,预防性维护对於厂房与产线来说具备极高的效益。


近年来,多数的厂房已由人工操作快速地转为机械化和自动化,不仅造成设备数量的增加,同时也急速迈向复杂化与大型化。因此和以前相比,对於各项制造过程生产计画,因不适应设备而产生的问题比例遽增的趋势。现代自动化机械发展的情况下,若人员仍尚未更新技术,将会引起使用和维修不当故障频出,乃至修理时间增加,造成严重後果,进而关系到整个公司发展。


而要实现预防性维护,厂房里的机具设备就必须要装载能够监测其运行状态的感测器元件,以对其包含震动幅度、磨损状态、角度偏移、温度、湿度、气体或液体的分子状态、以及反应时间在内等的各种叁数,进行收集与传递,最後再搭配智慧软体的分析,对用户提出警告和建议。


所以一个完整的预防性维护系统,所涉及的感测器种类就十分广泛,包含振动感测器、加速度计、陀螺仪、霍尔感测器、温度感测器、麦克风(声音感测器)、光学镜头(表面感测)等。而在智慧制造趋势的加持下,厂房里的各项机具也持续扩大预防性维护的覆盖范围,因此所使用的感测器数量也持续提升。


以CNC机台为例,其转臂、轴承、马达、刀具与滑台等,都是属於需常态性监控的单元,而且一旦有所偏移或磨损的情况发生,就会立即影响物件加工的品质,严重时甚至会损毁机台本身。因此定期进行保养与维修是保持生产品质与避免设备损坏的重要项目。


而导入预测性维护技术之後,机具运作的各项叁数都能透过感测器提取出来,并进行纪录与分析,让用户可以即时调整与更换关键的元件,例如刀具或者轴承等,因此能够保持良好的加工品质,同时也减少不必要的停机时间。根据多个实场测试的结果显示,透过使用预防性维护系统,能够大幅延长机具的使用寿命,同时也降低整体维护的成本,明确的提升了企业营运的效能。



图2 : 振动量测几??可以说是目前预测性维护应用的标准配备功能。
图2 : 振动量测几??可以说是目前预测性维护应用的标准配备功能。

行动是天经地义的事━自主移动机器人

「无人化」是工业领域一个明确的发展趋势,尤其经历新冠疫情(COVID-19)之後,大量的减少厂房里的人员配置已是业者的共识。除了在产线上导入机器人用以取代人力之外,物料的输送与工件流动,也都将会陆续使用无人的解决方案,因此无人搬运车(AGV)和自主移动机器人(AMR)在厂房??的能见度也渐渐提高。


AGV和AMR尽管在功能与应用上不尽相同,但它们都是属於能够在厂房里自动行进的机具设备,因此都具备有能够侦测环境状态和行进标示的感测器。


以AGV来说,防碰撞与识别标记就是其主要的功能之一,因此搭配可以侦测距离的接近感测器和距离感测器就是基本的规格,再者,许多的厂房内的AGV都有固定的行进路线,所以通常会在路线贴上磁性的标线工AGV感应,因此磁性感测器也成为AGV的必备功能。


而随着技术的提升和自动应用的深化,AGV也开始导入更高阶的感测器元件,来实现更加智慧化的功能,包含使用像是雷射光达技术和影像辨识镜头等,来建立环场的影像资料,让用户无须再贴设磁性标线,AVG就能够自动化行进,而影像镜头也可以让AVG具备「视觉」的功能,更智慧化的避开障碍物。



图3 :  AMR搭载的镜头与影像感测器的数量较多,同时也会具备接近感测器或光达感等,用以防撞和避障。。
图3 : AMR搭载的镜头与影像感测器的数量较多,同时也会具备接近感测器或光达感等,用以防撞和避障。。

不同於AGV以输送为主要的功能,AMR则是一个功能更多样化,同时应用场域也更宽广的自主移动设备。AMR能配合产线与流程的需要,客制化成不同的形态与功能,例如结合机器手臂,就能成为可以上下料的移动型协作机器人;或者搭配托盘与存放盒,变成送餐的服务型机器人。


也因为应用多元与广泛,AMR所使用的感测器也有所不同,例如搭载的镜头与影像感测器的数量较多,同时也会具备接近感测器或超音波感测器等,用以防撞和避障。而用於较大场域面积的机型,则会进一步结合雷射光达的感测系统,用来建立高解析的地图与导航。


由於所运行的环境较复杂,同时处理的工作也更多样,所以AMR常常需要更高程度的自主控制,因此像是人工智慧的辨识系统以及动态侦测的规避系统,都几??成为AMR的标准配置,这也直接提升了对感测器性能与数量的需求。


整体来说,包含AMR与AGV在内的移动型机器人市场正在快速的成长中,并成为感测器应用的重点市场。LogisticsIQ市场研究报告就指出,预计到2027年移动型机器人(AGV 和 AMR)的市场规模将达到180亿美元以上,AGV和AMR的成长率分别约为 24%和43%。而到2027年时,AGV和AMR的整体安装数量将突破240万台,让移动型机器人成为未来工业营运的新常态。


结语

无庸置疑,感测器的使用与配置就是智慧制造基础建设中的一环,它是赋予机具设备感知能力的关键设置。而随着智慧应用的枝开叶散,未来厂房内的所有机具设备,也都将导入感测器的使用,从最基础的电力状态、温湿与时间叁数的监控,到复杂的影像与环境的侦测与识别,甚至是自主控制的人机协作等,都离不开感测器的使用,而处处也都会有智慧感知应用的身影。


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