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技術趨勢
智慧機械即時監控及預兆診斷新利器 振動感測
2019.05.14∣瀏覽數:326

台灣工具機在全球市場有代表地位,以高性價比機台見長,持續發展感測器、無線網路、大數 據分析、機器學習、人工智慧等技術,提升國產機械的競爭優勢,促進台灣製造業的永續發 展。特別是生產機台的振動監控,可以掌握機台運作的失衡、缺陷、鬆動等狀況,為多數機台 異常的重要變數,攸關智慧機械(如工具機等)及關鍵零組件(如主軸、馬達、軸承等)的運作效 率,若有國產振動感測方案,更可創造量身訂做的客製化優勢。

基於上述產業需求,邀請跨領域專家分享專業技術,包括「智慧工具機發展趨勢」、「智慧機 械預兆診斷技術」、「智慧振動感測系統及應用案例」、「國產振動感測系統創新技術」等內 容,期望促進智慧機械廠商的智慧化知識,共同佈局永續發展新契機。具體內容說明如下:

文 ◆ 工研院電光所 戴熒美資深研究員 工研院電光所 胡鴻烈專案組長 中興大學機械系 陳政雄教授 工研院機械所 王俊傑經理 均豪精密 丁士哲副處長

智慧工具機發展趨勢
綜觀過去數十屆JIMTOF展的訴求重點, 早期強調高速進給、高速主軸等切削速度議 題,逐步發展到2000年代的五軸加工及複合加工機,2010年代的機器人及自動化,2018 年展覽則主張「Connect Industry」,可知工具機智慧化乃必然之路,也點出工具機產業的幾個發展趨勢。

首先,IoT感測器已普遍應用在工具機 上,可以安裝在機台的大多數部位,機器連網的「Connection」已成為最基本條件, JIMTOF 2018即將多數機台連線至大會螢幕,讓大家知道每個機台的運作或停機狀況,接著是資料的可視化,必須用機台的人機介面顯示出來,再利用收集資料進行特徵分析,掌握機台的健康狀況、可能問題點、 加工能力、與全新機台的差異程度等有用資訊。其次為AI技術,JIMTOF 2018約有二成廠商強調AI應用功能,如熱誤差補償、切削顫振抑制、主軸軸承健康監控、伺服調機、 影像處理、機器學習與控制等,AI技術成為趨勢已是不爭的事實。

第三為混合製造(hybrid manufacturing), JIMTOF 2018有多家廠商強調混合製造技術,國際知名大廠的Mazak、Okuma等皆有相關產品,傳統的複合加工僅涉及切削加工範疇,如車、銑、鑽、磨等,混合製造則強調切削加工與3D金屬列印的整合運作。第四是軟體密集解決方案(software-intensive solution),JIMTOF 2018有三成左右廠商不再強調賣機台,而是訴求客製化軟體的加值服務,也就是軟體密集解決方案,上述四 項乃JIMTOF 2018的主要趨勢,預估未來十年仍將依循此發展趨勢。

因此,將其統稱為工具機產業的 Megatrend,其一為工業4.0的智慧製造, 其二為新材料加工,不僅是金屬材料,還有 複合材料、陶瓷材料、超合金等,也就是難 切削材,其三為3D金屬列印。以營收結構 來看,台灣工具機產值約有九成來自硬體 收入,包括整機、關鍵零組件等,從歷屆 JIMTOF展看到硬體差異愈來愈小,多數機台皆有五軸加工、車銑複合等功能,僅是品 質、可靠度、精度等程度上的差異。

未來工具機的差異化將在軟體,也就是操 控工具機硬體的軟體,如AI、大數據處理、 智慧化功能等,預期硬體產值將下降至五成 左右,新服務產值則快速拉升至五成,包括 3D金屬列印、新材料加工、智慧化與軟體服務等,多數新技術並非傳統工具機廠商熟知的,必須有新商業模式(new business model)或新人才(new talents)共同投入,受限於現有人力無相關訓練,通常要招 募新血投入創新,詳見圖一。

在工業4.0的智慧製造部分,首先強調設 計、製造與服務的整合及網路化,其次為可 預測性,如加工精度、機台健康狀況、現有 加工能耐等,以及第一次就做好的「First time right」,此乃因未來產品每個批次可 能僅一件,無法依循大量生產的試樣投產 模式,第三為自我優化的功能,不再需要技 術人員協助改善,只要軟體或AI技術即可自 我學習與優化,第四為客製化生產,即使 每個生產批量僅有一件,也有大量生產的品 質水準及成本效率,也可看見多個賦能技術 (enabling technology)共同牽成,如機 器人、3D金屬列印、數位科技(包括5G、 IoT、大數據、AI)等。

接著,利用幾個簡單例子來說明。如Fanuc公司的AI技術,利用機械手臂撿拾料 盤內散置的金屬零件,不需要人工撰寫NC 程式,即可仰賴AI軟體進行深度學習(deep learning),經過多次成功及失敗的自我學習 經驗,即可發展出成功抓取模式,以一個晚 上的自我學習來說,可以學習5,000次,成功 機率將會超過九成,類似於有經驗員工的產出水準。

進而說明每個批次只有一件的客製化 製造,如醫療器材的人工關節,每個人的 高、矮、胖、瘦皆有不同,應該採用獨特性 (unique)的解決方案,但目前解決方案卻 是脫蠟鑄造方式,僅有8種標準規格尺寸可 選擇,醫生會依據病人體型選擇最適當的產 品型號,人工關節的置換過程通常會研磨骨 頭,藉此達到較高的適配程度,受限於手術 過程的諸多變數,如血肉模糊狀況如何定位 及受力限制,導致手術後的適應程度及復原時間未必理想,此乃傳統的現有產品(offthe-shelf)方案,取而代之是病患特有的人工關節(patient-specific implant),此種方 式先用X光掃描病人關節,再用3D列印做出 雛型品,並進行研磨拋光等精修程序,可以 提升人工關節的適配程度,並改善病人手術 後的復原狀況,詳見圖二。

類似產品尚有GE的LEAP引擎,原有產品 零件繁多且組裝複雜,新產品重量僅為原有產品的25%,無接合面的製造方式更可提升 5倍耐久性,或者是Adida推出的3D列印球鞋,可以配合消費者的不同需求,如腳型、 足弓、體重等,提供結構優化的客製化方案。

更重要的是3D金屬列印與切削加工的整合運作,如DMG MORI在2014年推出混合製造方案,改用5軸加工機結合3D金屬列印, 先用3D列印做出雛型品,再用切削加工進行精修,如複雜形狀的航太零組件,原本採用複雜的焊接製程,改用混合製造後大幅縮減 加工時間,特別是機械產品約有95%是被挖 除的,混合製造方案更可節省材料成本,或者是將熱處理、鍛造等材料改質技術整合起來。
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