自動化到智動化 製造業機器人應用趨勢

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工業技術研究院機械所 副所長 陳來勝

利用機器取代人工,降低製造成本,本就是機器人應用於製造業的主因之一。如今,就連曾經因為人工成本低廉,號稱「世界工廠」的中國大陸,也免不了面臨需要大量引進機器人了。

工業技術研究院機械所副所長陳來勝指出,中國大陸近幾年來的工資不斷上漲,以上海2013年7月的薪資為例,作業員每月平均薪資為3,000元人民幣,設備技術員為6,000元人民幣,機器人技術員更高達12,000元人民幣,薪資水準已經追上台灣,加上中國大陸十二五計畫希望薪資每年要成長13%,中國大陸的用人成本勢必會持續攀升。

事實上,不只是人事成本節節攀升,導致製造業需要作出變革。陳來勝指出,全球製造業從產品變動及產品需求的角度來看,早期是用流水線大量生產及大量製造來滿足市場需求,1980年代以後,變成要滿足個人需求,但又要做到低成本,也就是大量客製化,2000年以後,生產線要透過重整,不用重新設計生產流程、更換生產設備,就得滿足生產需求,所以未來的製造業趨勢,就是可調整的產能能力,才能因應不可預測的市場變動需求。

陳來勝認為,次世代產業自動化生產系統趨勢,首先就是要有具自我調控、重組及能承受環境變動的設備,其次是要有整合適當的IT解決方案,以達成系統重組及自我診斷功能,最後則是可以在任何地方、由任何使用者、透過任何裝置獲得生產相關資訊。換句話說,製造業必須要將智能導入於生產線重組、控制與監控及感測的作業中。

陳來勝指出,全人力製造可解決產品生命週期短之頻繁換線問題,但製造可靠度與效能有限;自動化生產雖然可以做到關燈生產及24小時生產,但技術開發與建置成本高,難以因應少量多樣製造趨勢,因此光是自動化是不夠的,而是要做到智慧自動化(智動化)。

如果要進一步了解智動化的要素與流程,陳來勝認為,智動化其實就是整合科技化硬體與智慧化軟體技術,透過智慧化流程(訊號感測、資料處理、智慧決策及作動控制),所創造出的產品、設備、系統、生產線、整廠兼具硬實力與軟實力的呈現。

事實上,智動化近年來已經成為許多國家的發展趨勢,如歐盟2014年投入超過10億歐元進行Advanced manufacturing and processing技術研發,目標是在2030年提高GDP 0.92%;德國於2012年3月提出「工業4.0」,建立引領未來製造業革命之「虛實合一製造系統」;英國則是在2010年投入6億英鎊推廣Advanced Manufacturing,提振製造業GDP貢獻。

美國在2013年也投入22億美元進行Advanced Manufacture 研發,目標重新取得國際製造競爭力領先地位;日本目前也正在規劃發展人機共存未來工廠;
中國大陸在十二五規劃中,也積極發展高階裝備製造,培養國際級工程機械企業,提升24省份經濟成長率到10%;至於我國也已經訂出智慧自動化產業方針,希望能在2020年,讓智動化普及率達到60%,人均產值倍增。

而在智動化的發展策略中,機器人將會扮演相當重要的角色。陳來勝指出,因應少量多樣的生產特性,智動化產業需要快速換線,唯有靠機器人才能滿足這方面的需求。

也正因為如此,陳來勝指出,製造業使用機器人數量,已經是評比國家自動化程度的重要衡量指標。以2011年製造業使用機器人密度(台/萬名作業員)為例,全球平均55台/萬人,其中南韓高居第一(347台/萬人),日本排名第二(339台/萬人)、德國排名第三(261台/萬人),台灣則是排名第十(129台/萬人)。

智動化趨勢明顯已帶動機器人使用成長率,陳來勝指出,預期到2020年,全球機器人每年可望新增20萬台。其中台灣2012至2015年預估成長率7.7% ,政府規劃目標能在2016年將台灣的製造業使用機器人密度排名,從第十名提升到第五名。

而在應用領域方面,最大應用領域為製造業,約佔83%,其中又以汽車製造業佔最高,達36%。其他製造業(ICT、金屬、化工、塑膠、食品/飲料、木工等)應用需求增加,產業機器人應用領域持續延伸擴大。

至於在區域市場方面,雖然美國和歐洲預計在2015年將會較2010年分別有53%與43%的成長,但持續擴大中的亞洲市場仍將成為產業機器人成長的主要動力,中國大陸又是亞洲最主要的成長來源,因為中國大陸的汽車、消費電子產品需求持續攀升,加上人力成本高漲,帶動製造業者自動化需求上升,機器人銷售也一路看漲,IFR估計大陸最遲於2014年將成為全球最大產業機器人裝置國,也是未來亞洲最主要成長來源。至於台灣智慧型機器人產業的發展方面,陳來勝表示,台灣目前的機器人產業產值約為新台幣700億元,就業人口超過12,000人。

而在產業機器人技術與應用趨勢方面,陳來勝認為,如何讓不同的機器人或是多手臂協同作業技術應用,將是未來的趨勢。視覺系統與手臂的整合應用,也日漸受到重視,在硬體設計方面的要求,包括導引定位、手眼協調等,有助於降低定位的精準要求,如利用CCD就可以考慮深度及距離,甚至可以判斷重疊物體,利用立體視覺可以處理軟板接頭插件及電線焊接。

陳來勝表示,工研院未來將致力於發展次世代手眼力協調產業機器人,所衍生的技術包括3D視覺技術、順應控制與關節模組技術、手眼力協調技術及智慧型教導技術等。

至於產業應用方面,工研院希望能在3C產品組裝及金屬製品製造方面,建立智動化彈性製造的相關應用,包括可重組式機器人生產單元、人機互動安全技術及智慧型調機及校正技術等。

工研院目前發展的智慧機器人技術,如順應六軸A-type機器人已可在25秒內完成直覺式順應教導;窄型7軸A-Type機器人則可於有限制的空間內靈活運動,可深入六軸機器人無法進入的狹小空間。

工研院目前更已開發出可辨識立體工件的機器人,可利用視覺導引機器人進行物件取放,已可應用於3C產品/金屬製品取放(堆疊鎳片、USB 、水五金)或是缺件/毛邊/缺口的外觀檢測。

工研院目前也正致力於發展機器人力感測順應教導與人機安全,包括以馬達電流回饋,取代力感測器之適應性迴授控制、軟體補償外部重力與磁力,以及適應性關節與觸覺感測器,可減低碰撞傷害。

因應工廠自動化物料搬運系統,以及醫院醫療庶務用品自動化搬運的產業需求,工研院也已研發出磁導引式無人搬運車(AGV),工研院不但自製整機系統與關鍵零組件,其他如使用單晶片控制核心的驅動模組與控制器系統、利用磁感測電路設計與製作,讓機器人可進行自主移動導航定位功能的磁感測導引模組,也都是自行開發。

為了帶動業界智慧機器人智動化系統應用,同時建立國內自主智慧機器人新產業,工研院在機械所已經建立平板電腦的智動化組裝示範產線,希望能讓國內製造業對於導入機器人能更有信心,提升製造業未來的國際競爭力。

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