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工具機產業數化轉型有譜
虛實融合共創下一個10年
[作者 陳念舜]   2021年04月08日 星期四 瀏覽人次: [3056]

第四次工業革命概念問世以來已達10年,除了西方先行者德國西門子公司仍持續對外分享其不同階段發展,如東台集團等台灣積極跟進的製造業者,也正配合軟硬體與法人單位支援,摸索出符合本地產業獨具特色的下一個黃金10年路徑圖。


經歷2020年機械業景氣低潮席捲過後,就連今(2021)年台北國際工具機大展(TIMTOS)也不得不首度改為實體展延期、線上展照常舉行模式。但台灣機械公會(TAMI)理事長柯拔希仍看好今年機械業表現,預估2021年機械業出口有機會成長15%,挑戰300億美元,整體訂單能見度達到今年Q2~Q3。加上受惠於台商回台投資,帶動設備採購需求等擴大內需市場,使得2020年台灣機械設備產值仍可望維持台幣1.2兆元,其中工具機產業產值年成長約20%~30%。倘若未來在各國重組在地供應鏈、老齡及少子化社會等智慧化剛性需求歷久彌堅的趨勢下,甚至有機會迎來黃金10年!


柯拔希進一步指出,尤其在2020年COVID-19疫情造成口罩設備之戰發生前,人們只要購買口罩防疫即可,但因為疫情導致各國紛紛封城、鎖國後,便開始意識到「自主供應鏈」的重要性,從而引發各國對生產設備的重視。其次則是中美貿易戰帶動的「第二生產基地」布局,也會創造一波設備採購需求,包括台灣便期盼藉此打造高階先進製造中心,不論是在內外銷市場,都將為機械業帶來龐大商機。



圖1 : 2021年2月機械出口持續維持成長力道,較去年同期比成長16.8%,出口金額達到20.47億美元,即使受到國際貨運缺艙缺櫃之影響而延後出貨,2月仍然成長近2成。(source:TAMI)
圖1 : 2021年2月機械出口持續維持成長力道,較去年同期比成長16.8%,出口金額達到20.47億美元,即使受到國際貨運缺艙缺櫃之影響而延後出貨,2月仍然成長近2成。(source:TAMI)

無獨有偶的,就連近年來兩方常與機械公會關係緊繃的台灣電子設備協會(TEEIA),在發表最新《台灣電子設備產業白皮書》,也提出與會員共創黃金十年為題,期望順利實現2030年產值破兆目標。以及當天親自到場恭賀力挺的台灣工具機暨零組件公會(TMBA)理事長許文憲,則宣佈正規劃中的工具機產業白皮書,同樣會以工具機產業如何邁向下一個10年為題,促進跨產業交流,擴大影響力,進而向政府建言,改善製造業環境。此可見得目前台灣智慧機械產業正逢下一個10年(2020~2030)轉型的關鍵元年,並非無的放矢!


西門子虛擬博覽會 力促工具機數位轉型

台灣西門子數位工業公司(SIEMENS)也趁今年TIMTOS線上展期間舉辦「西門子工具機虛擬博覽會」,發表多款工具機數位企業產品組合的擴充功能,如該公司首部數位原生的工具機CNC控制器SINUMERIK ONE搭配數位雙生(Digital Twins)、邊緣運算系統SINUMERIK EDGE和雲平台MindSphere等應用,力促工具機產業邁向下一階段的數位轉型。


台灣西門子數位工業總經理席德塱(Tino Hildebrand)指出,後疫情時代工具機產業面臨了4大挑戰,分別是更彈性化生產(Flexible Production)、更高效能(Performance)、製程最佳化(Process optimization)、新技術概念(New technological concepts),促使工具機和CNC數控系統廠商必須經歷快速的數位化轉型與發展,才足以因應上述挑戰。


在這次西門子工具機虛擬博覽會則以「工具機數位轉型,前瞻未來」為核心,透過搭建無縫接軌的軟硬體橋梁,極大化生產效能,完整呈現AI人工智慧、Big data大數據、以及Cloud工業雲在自動化領域的應用,打造全新工具機數位商業模式,以持續協助台灣廠商快速提升加工效能、品質與上市時間。



圖2 : 台灣西門子數位工業總經理席德塱指出,後疫情時代工具機產業面臨了4大挑戰,工具機和CNC數控系統廠商必須經歷快速的數位化轉型與發展。(攝影:陳念舜)
圖2 : 台灣西門子數位工業總經理席德塱指出,後疫情時代工具機產業面臨了4大挑戰,工具機和CNC數控系統廠商必須經歷快速的數位化轉型與發展。(攝影:陳念舜)

其中Digital Twins為執行產品生命週期管理(PLM)的重要虛擬平台,關鍵為在開發機器前前,便先進入虛擬機台環境模擬、驗證,甚至預測及最佳化產品的生產流程,現在還能搭配西門子數位原生CNC控制器SINUMERIK ONE,具備建立數位模擬的強大軟、硬體和運算速度,讓機器製造廠商得以建立開發與機器製程的完整虛擬化,再透過虛擬及實體產品組合間的緊密互動,將大幅加快開發流程、生產製程及上市時間約30%,同時維持高品質標準。


進而預測,或為客戶打樣、驗證機台可否適應現場環境?機台開發商也可受惠於利用數位模擬而大幅縮短的調適時間,更快速開發機器、在虛擬環境裡試用零件,同時因為在不使用實體機器的情況下進行訓練,而大幅提升效能!


西門子邊緣運算系統SINUMERIK EDGE則能扮演物聯網和雲端的關鍵橋梁,連結加工機台搭配自家MindSphere雲平台,藉由蒐集機台高頻數據操作流程,再經過演算法及人工智慧為機器效率最佳化;並透過機器之間的緊密交流與無縫溝通,改善和提升工件及加工品質、加強製程透明化與最佳化加工程序,以確保生產穩定度,使得生產效能極大化!



圖3 : 西門子除了提供數位原生CNC控制器SINUMERIK ONE,將協助工具機業者大幅加快開發流程、生產製程及上市時間,使得生產效能極大化!(souce:西門子)
圖3 : 西門子除了提供數位原生CNC控制器SINUMERIK ONE,將協助工具機業者大幅加快開發流程、生產製程及上市時間,使得生產效能極大化!(souce:西門子)

西門子公司表示,由於CNC工具機在生產過程中會產生許多資訊,包含馬達切削扭力、溫度等,若能經快速反應後蒐集並運算,將有助於讓客戶開發許多App應用程式加入,落實智能化生產。該公司同時提供產品生命週期管理(PLM)在內的工業軟體,可協助客戶提高生產效能、價值鏈透明度,以持續改善製程,充份發揮設計效益。


東台擘劃2030年願景 詳列5大階段藍圖

其中,依台灣工具機大廠東台精機公司(Tongtai)董事長嚴瑞雄按照2030年台灣科技願景所擘劃的企業藍圖,他認為無論從5+2產業創新策略,到政府最新推出的6大核心戰略產業,其實皆可透過智慧製造為基礎,連結工具機車/銑削(減法)製造或金屬積層(加法)製造的完整解決方案,再交由使用者分別依其生產特性,選擇合適的工法來加工零組件、執行工程規劃和最後生產工作。


市場需求也因此,從過去少樣大批量產為主,到逐步導入專用生產線機種,以協助解決過去世界工廠採集中生產方式演進,直到現今中量、少量多樣生產發生的種種問題,成為近10年推動工業4.0目標。但嚴瑞雄也坦言:「伴隨著智慧製造時代來臨,解決客戶的痛點,將如同冰山下的體積更大,而不只是上層淺顯易見的價格、性能問題。」


東台精機除了銷售標準單機外,讓每位生產者都必須要先瞭解自己每天的例行工作,亟待改善的究竟是生產、製造、管理領域,再分門別類解決跨系統問題,以執行最佳化改善設計,並提高整體設備效率(OEE)。將各階段目標由下而上依序訂為:標準化、模組化、自動化、數位化、智慧化。目前服務項目還向上衍生至SI,以協助系統整合機電設備、MES等,都是工業電腦廠商所不及;甚至是納入客戶廠內其他品牌、設備或老舊機種,都能連結客戶ERP以提高價值。


嚴瑞雄指出:「有別於傳統狹義的自動化,只要求自動產出成品,或者是不流出、不製造不良品,東台精機最希望實現的是廣義自動化,也就是能自動持續產出良品!」考量現今自動化除了可透過機器人上下料之外,作業員本身還須執行品檢、去毛邊和補正工作,所以東台精機還會先經過盤點作業員個人能力後,協助其提高產出。


可針對客戶廠內既有的生產工件,利用東台精機的軟實力逐一盤點考核人、機、料、法、環等項目,並建立統一管理標準,快速導入生產管理機制;倘若是首次與該公司首次新購產線的客戶,還會從設計、製造階段開始規劃,利用東台精機的軟實力來協助改善、規劃工程,包辦上下料、工件,以及共用刀具、夾治具交換和防呆設計、物流分析等工作,逐步導入自動化。黃偉棋強調:「東台精機最特別的一點是,還會在客戶現場測試、小批量生產,直到可達成客戶要求的CPK(製程能力指數)或客製化刀具補正、壽命監控等功能驗證,才算交貨完成。



圖4 : 東台精機除了銷售標準單機外,目前服務項目還向上衍生至SI,以協助系統整合機電設備、MES等,都是工業電腦廠商所不及。(souce:東台精機)
圖4 : 東台精機除了銷售標準單機外,目前服務項目還向上衍生至SI,以協助系統整合機電設備、MES等,都是工業電腦廠商所不及。(souce:東台精機)

至於第四階段數位化、第五階段的智慧化,便需要開始加入大量工業物聯網(IIoT)科技,等到先將設備資訊可視化及建立分析數據標準之後,即可利用設備連網或人力蒐集的資訊來協助管理者,持續提高生產力。嚴瑞雄也說:「使用者應先扎穩前面第一~三階段基本功之後,才會有延續導入工業物聯網的可能。」


然而,因為每家客戶的實力有別,所以東台精機會先從客戶需求出發來檢視解決方案,再逐步引導讓雙方語言同步,透過整合標準化的過程中,取得有用的數據來建模分析,接著再回傳生產線持續監控、最佳化,才能針對痛點改善。黃偉棋指出,透過「數位化」可賦予機台設備可視化「知」的能力,並搭配多款感測器蒐集資訊、經過平台讓生產資訊可視化等,以協助客戶針對生產管理情報即時補正,與產品資訊建立關聯性,以持續監控並產出良品


等到最後一步「智慧化」,皆已完成建立智慧機械、智慧產線及資訊流,且得到足夠穩定和關聯性的生產數據之後,即可進行分析改善等數位建模應用。但嚴瑞雄認為:「其實未必每家業者都必須要邁入第五階段,部份廠商還可能只須要實現第三、第四階段要求,即有顯著改善。」東台精機現在還準備了滿漢全席,任君挑選不同菜單,但要先確認客戶現況才會提供。


工研院聯手軟硬體 展出數位雙生解決方案

值得一提的是,今年工研院也促進東台精機、達梭系統與成功大學教授鄭芳田進一步合作,在東台精機社內展發表數位雙生解決方案。達梭系統台灣分公司資深技術經理許欲生表示,該公司雖然身為軟體系統商,但多年來也持續協助傳統中小企業的工具機客戶在最短時間內學會部署或利用3DEXPERIENCE平台,持續與硬體系統商ABB、三菱電機在TIMTOS等重大展會密切合作。


即使今年TIMTOS改為線上展先行模式,達梭系統便選擇搭配東台精機五軸加工機CT350和上下料機器人、夾治具等自動化解決方案、成大全自動化型虛擬量測科技AVM、工研院機械雲平台VMX,展現四方於Digital Twins發展成效。其首先由東台精機交付該款五軸機的3D CAD圖檔模型,再透過達梭系統3DEXPERIENCE平台的虛擬加工環境,再經AVM即時線上全檢上傳資訊,或如這次因成本考量而改為上傳到工研院VMX平台,同步模擬、驗證上下料及加工過程,不必等到生產完成後才交由客戶QC部門品檢產品、改善CPK。



圖5 : 今年工研院也促進東台精機、達梭系統與成功大學教授鄭芳田進一步整合,在東台精機社內展發表數位雙生解決方案。(source:達梭系統)
圖5 : 今年工研院也促進東台精機、達梭系統與成功大學教授鄭芳田進一步整合,在東台精機社內展發表數位雙生解決方案。(source:達梭系統)

一旦經過分析有必要改善工法時,達梭也會在虛擬側同步修改加工路徑或加減速、進給率,經過模擬、產生NC-code之後再回饋實體加工,避免發生碰撞或夾治具、工件彼此干涉情形,克服AVM只能示警卻無法解決的缺點。達梭系統進一步表示,除了這次TIMTOS線上展合作範例之外,該公司5年來也已陸續配合工業局、工研院協助台灣共20家機械業者,完整共500部設備導入SMB聯網,全力支援開發刀具顫振抑制/進給優化/磨耗監控、ERP、MES、IOT資訊整合/戰情平台等智慧機械應用成果。


**刊頭圖(source:online.timtos.com.tw)


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