應用智慧視覺
實現手工具精準匹配系統

文◆工研院感測系統中心李哲睿、王科翔、黃捷、丁文宏、高彩齡、甘凱翔、戴崇禮

台灣手工具王國

台灣為全球手工具製造大國，具備完整的在地產業鏈與海外通路，並整合國內學術單位資源持續創新研發，使台灣手工具品質與歐美大廠齊名，成為全球前五大手工具出口國，依據統計，台灣有超過2300家手工具業者與協力廠商，在全球美中貿易戰與疫情影響下仍不斷穩定成長，在2021年為台灣帶來 47.9億美元出口額，是臺灣舉足輕重的產業之一。

台灣手工具所面臨的挑戰

(一)疫後經濟復甦訂單爆量產能不足，接單能力受限。金屬鍛造尺寸差異大，導致產線重工影響產能。

2020年全球疫情肆虐導致全球停工，而台灣相對穩定，因此大量訂單轉入台灣。且近來疫後經濟復甦與金屬價格上漲，全球手工具需求大增供不應求，台灣身為手工具供應大國，轉單效應更是明顯。全球訂單爆量，目前已滿載至2024年，若能藉此大量接單滿足全球供應需求卡位缺口市場，將能大幅擴大市場佔有率與營收，是一個不可錯失的良機。然而國內手工具業者自2021年就開始訂單滿載，再加上疫情影響外籍勞工入境的缺工問題，導致訂單消化不良產能無法滿足全球需求。

如何提升產能成為產業發展關鍵，手工具產品多為鋼鐵鍛件產品，須經過多道製程加工包含鍛造、金屬切削加工、拋磨、熱處理、表面處理及組裝等製程，業者通常要等到成品組裝時才能確認產品是否符合規格，不合格者拆解回到產線重新加工，造成大量重工降低產能。以鐵皮剪為例，鐵皮剪主要由兩片刀刃配對組裝，刀刃在鍛造過程中常常因為模具損耗造成尺寸差異大，使產品組裝後因零件尺寸落差在作動時相互干涉，影響刀具開口規格，業者往往只能在最後組裝時才能發現產品問題，缺乏預先量測尺寸的匹配技術。

(二)高階訂單利潤高競爭激烈，品質良窳成競爭關鍵。傳統產線缺乏加工控管機制，導致品質落差大，影響競爭力。

台灣在1998年曾是全球第一大手工具出口國，但中國大陸與東南亞國家憑藉低廉人力成本優勢快速崛起，在2003年中國大陸超越台灣成為全球第一大手工具出口國。因此台灣手工具業者紛紛轉攻利潤較高的中高階市場(專業級、工業級)，雖然出口量減少但利潤提升整體產值反而增加。中高階市場競爭激烈，手工具產業同業產品性質重複度高，唯有不斷精進產品品質與性價比才能保持市場地位。

以鐵皮剪為例，產品的壽命與銳利度為技術競爭關鍵。在鋼鐵鍛件產品中鋼鐵硬度是壽命與銳利度的最大影響因素，硬度除了取決於鍛造時的成分配方外還受熱處理製程時的加熱溫度影響。而在傳統產線中，熱處理製程缺乏直接判讀加熱溫度的機制，只能透過加熱時鋼鐵燒紅程度由人工經驗來判斷加熱溫度，無法有效的控管產品品質導致品質落差大。

解決方案：手工具精準匹配系統

本文以鐵皮剪為應用案例，工研院開發適用於打鐵皮剪製程之手工具精準匹配系統，包含刀具尺寸量測分類模組與熱處理加熱溫度監控模組。刀具尺寸量測分類模組透過將 3D視覺檢測技術導入鐵皮剪產線中，協助業者解決產品組裝匹配問題提升整體產能; 熱處理加熱溫度監控模組透過熱影像感測技術有效的控管產品加工品質，提升產品品質均一性。

刀具尺寸量測分類模組

在鐵皮剪產品中左刃與右刃的配對決定了產品組裝後是否符合規格，當左右刃尺寸差異過大時將導致鐵皮剪無法順利開闔。刀刃的尺寸在鍛造製程後就已定型，因此工研院將刀具尺寸量測分類模組導入於鍛造製程後，模組採用3D視覺檢測技術對鍛造後的刀刃進行尺寸量測。刀具尺寸量測分類模組架構如圖3(a)所示，機台包含了3D視覺檢測器、運算模組與待測載台，3D視覺檢測器可同時取得待測物2D影像與3D深度資訊，利用2D影像自動辨識並初步定位出待測物特徵位置，如刀刃端點、終點與弧面特徵點等特正，再進一步利用3D深度資訊計算待測物的尺寸資訊，如刀刃尺寸、弧面尺寸等如圖 3(b)所示，並根據尺寸量測結果對零件進行分類，量測過程全程自動業者只需設定量測規格與分類依據即可量測。待測載台被設計成可一次擺放數個工件同時量測以提升檢測效率，並且於載台上設計不同刀刃的對應治具，可減少人工上料所帶來的誤差。

根據尺寸數據將金屬零件分類成數個級距，產品組裝時依零件級距進行精準匹配組裝，降低零件尺寸差異所帶來的干涉影響，確保產品符合規格降低產線重工率以提升產能。

熱處理加熱溫度監控模組

鐵皮剪製程中，高週波機的熱處理加工製程決定了鐵皮剪的硬度與壽命。製程中刀具加熱效果受環境因素影響，無法監控加熱溫度導致產品品質不一難以控管。工研院開發熱處理加熱溫度監控模組是適用於高週波機的熱影像感測技術，用以監控加工時刀具實際溫度，降低產品間硬度落差。熱處理加熱溫度監控模組架構如圖4所示，包含了熱影像感測器與加熱溫度監控介面，熱影像感測器透過拍攝取得刀具加熱的熱影像圖並進行溫度量測，加熱溫度監控介面可即時顯示當下刀具加熱溫度，並根據製程溫度需求建立溫度管制界線，當溫度超出管制界線即時提出警告。

產線人員可根據即時溫度資訊回饋來調整機台參數，避免人為操作所帶來的誤差。並於製程中精準控制每一把刀具的加工品質，以確保產品硬度與壽命一致且符合需求。

總結

本篇文章所提出的手工具精準匹配系統，透過3D感測技術對刀具零件進行尺寸量測，在產品組裝前對零件進行分類，達到降低產線重工率提升產能之效果；透過熱影像感測技術對熱處理加工溫度進行量測，精準控制加工溫度，提升刀具硬度均一性達到提升產品品質之效果。

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