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勤益科大的工業感測器 運用展示及相關功能
2018.12.13∣瀏覽數:120

機械產業被視為一個國家工業化程度的指標,也是工業強國必備的重點產業,特別是工具機 部份,可能是各類機械及零組件的加工設備,故有工作母機之稱,更可能應用於各類加工製 程,也是各國製造業的重要基礎。
文 ◆ 工研院電光系統所 戴熒美資深研究員 工研院電光系統所 胡鴻烈業務組長 工研院電光系統所 黃聖和資深工程師 勤益科大機械系 黃勇智副主任

工具機為國產機械重要分項 且前景可期
2017年全球工具機產值為87,524百萬 美元,較2016年的81,573百萬美元成長 7.3%,為2012年以來首度成長的局面,主要 原因為中國大陸產業結構調整的設備需求, 各地政府的基礎建設亦衍生了相關投資,以及中國大陸汽車、智慧手機等重點產業需 求;展望2018年將有2.0%的小幅成長,將達 到892.74億美元的產值規模,此乃因全球最 大市場—中國大陸的產業轉型及新興產業需 求,以及歐洲地區主要經濟體的景氣復甦所致。

在台灣工具機部份,廠商數量有1,800多家,從業員工數逾四萬人,高度集中於台 中、彰化、南投等中部地區,形成了完整的 供應鏈體系,也擠身全球第七大工具機生 產國,佔全球市場的5%左右。2017年台灣 工具機產值為4,615百萬美元,較2016年的 4,038百萬美元成長14.3%,主要原因為中國 大陸產業結構優化所衍生的中高端設備及自 動化生產單元需求,展望2018年仍有5%的 成長空間,此乃因中國大陸市場持續發展, 以及新興市場經濟成長及政府建設相關商 機,將達到4,846百萬美元的產值規模,詳見 圖一。

工業感測器 有助於國產工具機的智慧化
隨著全球性智慧製造趨勢,如德國的工 業4.0、美國的AMP、中國大陸的中國製造 2025等,智慧工具機成為各國廠商的發展 主軸,具體做法為運用智慧感測器,有效掌 握生產現場資訊,如電流、振動、距離、位 移、影像等,並結合物聯網、雲端運算、巨 量資料分析等創新技術,發展智能化、多軸 運動、綠色節能、精微加工等智慧工具機及 生產系統,可能衍生預知保養、銷售服務等 服務化商機。

舉例來說,DMG MORI發展智慧工具機, 也推出全生命週期服務,包括每天24小時/ 每週七天的熱線服務,擁有28萬件零件備品 快速滿足全球顧客需求,提供預防性服務、 優化機台與製程,提供機台或刀具預調、校 正服務等製造服務;以2016年的營業收入來看,在製造服務部份已佔了5%,此乃基於工 具機應用所建立的資料收集及分析、製造服 務平台等技術,可以掌握終端顧客需求並累 積製程know-how,並發展新顧客加工服務的 顧問諮詢及整體解決方案,包括預知診斷、 遠距保養、快速修理機台、備品管理等,也 是維繫顧客忠誠度的重要工具。

台灣工具機廠有全球第七大生產國的競 爭優勢,也積極發展各類智慧化功能,如溫 升補償、防碰撞與製程優化的單機,可以提 升生產效率、工件品質及機台壽命,以及搭 配機械手臂的自動化生產單元與系統,促進 各種類型的自動化,如上下料、工件判別、 工件定位、工件加工及翻轉、工件清洗、線 上量測等,進而滿足不同產品市場的顧客需 求,相關發展必須仰賴智慧感測器促成。

為有效促進國內智慧機械產業,智慧機械 產業推動方案成為政府五大創新產業計畫之 一,也是總統的重要政見,目的是希望我國 成為全球智慧機械及高階設備關鍵零組件的 研發製造中心;但是,國內廠商在智慧機械 用感測器仍處於起步階段,多數業者以國際 大廠產品的代理或技術授權為主,缺乏自有 製造及研發能量,各類感測器及感測器技術 需求卻與日俱增。

智慧感測器應用產業推動計畫以政策工 具或法人能量引導廠商投入國產感測器的研 發,如台灣類比科技的「無限雲端監控電流 感測模組」、均豪精密的「智慧診斷及預防 維護系統」、鼎元光電的「紅外線距離感測 器」、新漢智能的「機械手臂智能預知診斷系統」等,期望利用國產感測器促進智慧機 械產業發展,並鏈結勤益科大的學界能量發 展感測器示範場域,共同進行創新產品的應 用驗證,健全國內產業環境且提升競爭力。

產學研合作 推動工業感測器的應用驗證
在經濟部工業局的大力支持下,工研院電 光系統所推動智慧感測器示範場域,聚焦於 國產工業感測器的實地驗證及成果示範,以 「具備公眾利益」、「可開放各領域專家觀 摩」與「具備產業群聚效益」等評估準則, 篩選出以工具機為發展重點的國內大專院 校,以及位於智慧機械及精密機械產業群聚 的中部地區,作為示範場域的選擇指標。

國立勤益科技大學地處「智慧機械之都」的大台中,為台中智慧機械及機密機械大本 營,緊鄰精密機械的「黃金縱谷」,附近有 十五處工業區、兩所財團法人研究發展中 心、兩處加工出口區、一處經貿科技工業園 區以及中部精密機械科技創新園區,且與在 地廠商合作緊密,產學合作結構及條件優 越,具備工具機關鍵技術與產業群聚效益, 107年更新建完成「工具機學院大樓」,聚 焦工具機產業技術,建置中部地區工具機相 關產業人才培育與產學研發基地,以培養工 業4.0及工具機人才庫為目標,因此選擇勤 益科大工具機學院大樓,作為推動學產研合 作、跨領域技術整合之智慧感測器示範場 域,圖二為智慧感測器示範場域建置的推動 效益。

勤益科大工具機學院大樓總佔地面積為 14,000平方公尺,智慧感測器示範場域位 於工具機學院大樓1F,空間面積為200平方公尺,示範場域以加工精密機械零組件生產 線為主軸,聚焦國內業者國產化之重點感測 器,具體展現國內自主開發技術能力,透過 學、產、研等跨領域共同合作,進行感測器 與加工生產線設備及系統的軟硬整合,展現 具備智慧製造能力之類加工生產線,推動以 勤益科技大學為應用示範平台,創造大台中 智慧感測器與工具機跨產業關鍵技術共同開 發群聚效應,圖三為智慧感測器示範場域局 部實景圖。

目前場域已導入台灣類比科、均豪精密工 業、鼎元光電與新漢智能開發之國產化感測 器,如高階加速度計、高階電流感測器及紅 外線測距感測器等項目,展示方式以感測器 與設備系統軟硬體整合,融入示範現場智慧 製造加工類生產線應用呈現,達到示範、驗 證、教學及廣宣之多方效益。以下即針對各 廠商導入重點加以說明:

1.台灣類比科技的 「無限雲端監控電流感測模組」
台灣類比科技股份有限公司開發電流感測 模組,產品結合性能穩定、環境耐受度高的 TMR磁場感測元件,低功耗高效能、類比前 端放大、類比數位轉換微控制晶片,ZigBee 無線傳輸模組以及高效能之電源管理IC, 實現智慧製造、無線雲端監控之電流感測 模組,同時達到即時監控設備之電力使用狀 況,提供維修預知、設備健檢、產線品質監 控之目的,提升機台設備利用率,以達成智 慧、效率及彈性客製化之高價值製造目標, 圖四為電流感測器實品圖。

2.均豪精密的「智慧診斷及預防維護系統」
均豪精密工業股份有限公司藉由「外掛 式」感測模組的設計方式(圖五加速度計模 組及整合於示範場域加工生產線機械手臂實 景),可快速將現有設備智慧升級,透過微 小的感測訊號蒐集巨量資料,在線上即時擷 取與分析資訊,採用機器學習方式進行異常 監控及健康診斷,依據回饋資訊立即通知並 快速因應,建立智慧化的預防維護機制,同 時運用人工智慧技術,進行大數據分析規律 性並制定運作模式,進而避免再次發生先前 的錯誤,可有效縮短停機時間,適時做出產線調整,達到智慧診斷與預防維護功效,可 應用於工廠加工生產設備健康診斷及預防維 護,圖六為均豪精密工業開發之智慧診斷預 防維護系統示意圖。

3.鼎元光電的「紅外線距離感測器」
鼎元光電科技股份有限公司開發之紅外線 距離感測器,內部使用IRED作為發射光源, 當光線打到障礙物會產生反射,藉由PSD將 反射回來的光進行接收,計算距離不會因物 體的顏色有不同反應,測量的距離是依據反 射光角度的函數計算出來的,最後使用微控 制器進行訊號處理。本產品為數位訊號輸出(UART),可搭配Zigbee進行無線傳輸,量測 範圍從20cm到150cm,由於量測方式採用三 角測量法,因此不易受環境溫度干擾影響量 測,應用範圍相當廣泛,如智慧工廠各種安 全防護碰撞、高度安全防護等,圖七為紅外 線距離感測器於智慧工廠各情境應用示意。

4.新漢智能的 「機械手臂智能預知診斷系統」​​​​​​​
新漢智能系統股份有限公司開發之機械手 臂智能預知診斷系統,機械手臂預知診斷系 統適用於SCARA、Delta、六軸機械手臂之預知保養,其內建人工智慧之機械學習演算 法,可在三分鐘內快速學習建模,突破以往 預知診斷系統需要人工判讀的方法,可執行 自動診斷設備健康狀態,並對早期損壞提出 警報,而且設備不用停機,只需要一組感測 器,就可以在線安裝及學習,然後直接投入 運作,完全符合產業的操作及運轉需求。此 系統也內建工業物聯網的連網功能,可相容 於多種連網介面,將判讀結果上傳至各種網 路,包含市面上各家雲端平台,與智慧製造 系統整合來達到全方位的資產管理功能。圖 八為裝設於示範場域之機械手臂智能預知診 斷系統。
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勤益科大的工業感測器運用展示及相關功能
為培育智慧機械與智慧製造的跨領域人才 及關鍵技術研發,勤益科大於今年10月底落 成的工具機學院大樓內,建置「智慧化自動 加工類產線」實驗室,主要組成為:二台上 下料的機械手臂、二台立式CNC加工中心 機、自動化光學量測系統、輸送帶、雷射打 標機等,具備彈性生產及全檢系統,將透過教育訓練、專題製作、產學合作等方式,提 升在校學生的智慧機械相關技能。

此實驗室內含勤益科大與工研院電光所合 作的「智慧感測器示範場域」,係運用經濟 部工業局的智慧感測器產業推動計畫資源, 並鏈結台灣類比科、均豪、鼎元光電、新漢 智能等標竿廠商,採用「融入加工類產線」 (如圖三)及「獨立展示」(如圖九)等方式,進 行國產工業感測器在智慧製造系統的應用驗 證。

在感測器「融入加工類產線」部份,採 用方法為:根據感測器的規格與特性,將加 速度計、電流感測器、紅外線距離感測器等 不同產品,安裝在以工具機及機械手臂為主 的「智慧化自動加工生產線」,配合相關資 料的擷取與演算法,如:1.時間域分析:峰 值、均方根值、偏態參數、峰態參數以及機 率密度分佈函數等,2.頻率域分析:傅立葉 轉換、快速傅立葉轉換等,3.時頻域分析: 短時傅立葉轉換、小波轉換、Hilbert轉換等。再比較訊號特徵與機台動作特性的相關 性,進行生產線機台的「即時狀態監控」、 「故障診斷」、「智慧化模組開發」等軟體 開發,透過展示螢幕顯示相關量測資料與診 斷介面,將自動化產線提升為具有「智慧製 造」特性的生產線。

以下即將「智慧感測器示範場域」分為三 部份,包括:建立機械手臂狀態監測系統、 工具機狀態監測系統及紅外線距離系統,說 明國內廠商的感測器整合勤益科大技術,呈 現出本年度「智慧感測器示範場域」的推動 成果。具體內容如下:

1.建立機械手臂狀態監測系統​​​​​​​
(A)新漢智能的「機械手臂智能預知診斷系 統」
包含1顆單軸加速度計、AD擷取卡、內建 演算功能的IPC。將加速度計安裝於產線中 YASKAWA機械手臂的底座,藉由機械學習 建立機械手臂在正常工作期間,感測器的時 間域與頻率域特性作為範本,提供後續手臂 動作的比對監測,當手臂有誤動作發生時, 即會發出警報訊號(如圖八)。另外,受到撞 擊時加速度訊號會超過安全值,也會發出警 報。

(B) 均豪精密的「智慧診斷及預防維護系統」​​​​​​​
包含3軸加速度計、電流計、Wi-Fi傳輸模 組。將加速度計安裝於產線的華斯雷奇機械 手臂的底座、電流計安裝於伺服馬達的驅動 器電源輸出端,透過Wi-Fi傳輸模組可在遠端 的PC(如圖五),透過均豪提供的智慧診斷及預防維護軟體(如圖十),監控與紀錄機械手 臂的振動與負載是否超出正常範圍。

2.工具機狀態監測系統​​​​​​​
將加速度計安裝於主軸、類比科提供的 電流感測器安裝於伺服馬達的驅動器電源輸 出端、溫度計安裝於主軸及進給系統,進行 時間域的狀態監控。另外,發展即時檢測加 工顫振發生及抑制的演算法,以增進加工效 能。本實驗室開發的監測軟體開發介面如圖 十一。

3.紅外線距離系統:​​​​​​​
由鼎元光電提供紅外線模組的雛型品, 本實驗室開發資料擷取與量測介面 ( 如 圖 十二),後續可應用於安全距離防護系統、生 產線無人搬運車(AGV)的距離檢測等。

除了上述三類感測器的四項開發成果外, 本場域亦將智慧機械與工業4.0相關技術整合 至實驗室的類產線中,相關內容有:

機聯網技術​​​​​​​
本產線結合SkyMars、VMX、控制器API 等機聯網技術,讓機器、設備間有M2M溝通 功能,有效串聯生產資訊,並建立雲端管理 資料庫。

單機智能化技術​​​​​​​
為使機台有更高的精密度與穩定度,透 過感測器、控制器、機台加工特性等,建立 單機智慧化技術,已開發切削顫振線上抑制 系統、刀具磨耗監測系統、智慧化工具機主軸、智慧化油補系統、溫度補償系統、進給 系統預壓監測系統等。
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IOT技術
利用IOT技術,建立完整的產品生產履 歷,將生產過程的加工程式、感測器訊號、 光學量測結果等資訊儲存於伺服系統中,可 供大數據分析使用,並在雲端網頁中讀取。

本場域具有彈性製造、IOT系統、自動化 量測等精密加工特性的類生產線,可提供 產、官、學、研等單位的創新產品應用,如 感測器、智慧化模組、故障診斷模組等,並 在導入生產線前進行相關驗證。

群策群力促進工業感測器的國產化​​​​​​​
因應全球性智慧機械的發展趨勢,國內工 具機廠商積極開發智慧化功能,必須仰賴各 類感測器予以促成,才能達到即時因應及預 測模擬等功能,進而提升機台品級且發展客 製化能量,受限於國內廠商並未生產工業感 測器,必須高度仰賴進口感測器,可能存在 平均單價高、交貨期長及難客製化等限制條 件。

因此,智慧感測器應用產業推動計畫以 政策工具或法人能量引導廠商投入國產感測 器的研發,如加速度計模組、電流感測器、 紅外線距離感測器等,並發展勤益科大的感測器示範場域,利用實地場域驗證國產工業 感測器的功能規格、可靠度、使用壽命等, 此示範場域整合產、學、研等跨領域專家技 能,可創造工業感測器量產上市的應用實 績,並利用實地參觀或教學研究等方式,強 化國內產業的智慧感測能量,終極目標則為 國產工業感測器的商品化問市。​​​​​​​

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