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工業機器人加AIoT 智慧製造轉型的必備基礎

在智慧工廠內,機器人與員工之間並非對立或重工關係,而是相互協助的工作夥伴;例如由機器人扛起一些有傷人員眼力的重複性工作,降低人為失誤,提升良率及品質。來源:Manufacturer

無庸置疑,對製造業而言,近年來幾個比較重要的數位轉型命題,無非就是工業4.0、智慧製造或智慧工廠,它們皆是攸關製造業者未來生存與發展的關鍵趨勢,要迎合這些趨勢,免不了需要倚靠許多前置基礎來堆疊,其中一個不可或缺的前置基礎正是自動化生產系統,其中最重要的元素就是工業機器人。

英國經濟學家Paul Markillie就曾說過,以網際網路、新材料和新能源為基礎的「智慧製造」,將是下一波工業革命的核心,而主體就是工業機器人。由此可見,企業若想轉型工業4.0,機器人絕對是不可或缺的要素。

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SCARA機器人兼具輕巧、快速、簡單、靈活等多重優勢,能在最有限的空間內,輕鬆完成大型取放任務;因此不管是消費性電子、汽車零組件、醫療設備、塑橡膠及食品飲料等工廠,都非常倚重這類型手臂設備。來源:PRE-TEC

何謂工業機器人?根據美國機器人協會(RIA)的定義,此類機器人(機械手臂)可經由程式的重複改變,展現多重功能,進而執行移動工件、物料或工具的任務,甚或其他特殊裝置的工作。

大致來說,工業機器人分為單軸機器人、直角坐標機器人、水平多關節(SCARA)機器人、垂直多關節機器人,及並聯式(DELTA)機器人等五大類,各擅勝場。比方說 SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm),拜輕巧、快速、靈活性高等優勢所賜,得以在許多應用場域展現運用價值,尤其是需要快速執行分揀、裝配的製造業者,不論是晶圓廠、面板廠、PCB廠、3C組裝廠甚至是食品廠,對於SCARA機器人的需求度都很高。

此外例如DELTA機器人,則擁有構造簡單、移動路程短、速度快,以及精密度高等優點,每一台通常可扛下原本4?6人的工作量,足以幫助企業充分滿足降低人力成本、增進生產效能等需求;DELTA勝任的應用場景,除了電子工廠的檢料作業外,像是製藥、食品等帶有較高產品包裝需求的廠房,也相當倚重這類型機器人。

事實上,談及用途最廣泛的自動化機械裝置類型,要算是垂直多關節機器人,它的強項在於提供極高的自由度,幾乎能在電子業、汽車零組件業等等任何有軌跡角度的環境中執行任務,加上透過機械手臂的多關節連結,帶有允許三維運動的特性,故而能夠實現高階非線性運動。

機器人搭配感測技術  精準識別重要製程資訊

也許有人認為,儘管機器人可以把諸如上下料、膠合、包裝堆疊、噴塗、打磨等許多工作做得非常好,充其實不過是取代傳統的人力與工時,還是不太能理解機器人與工業4.0之間是否有更深層的連結。其實最簡單易懂的,即是拜感測技術的大幅精進所賜,以致機器人可在執行前述任務的過程,一併精準地識別過程當中的重要資訊,再將相關數據輸送到控制單元,以利後續的分析、調整,堪稱是促進製程最佳化的重要基礎,單憑這點,便不難看出機器人與工業4.0的關聯性。

正因如此,現在的工業機器人,不僅能將具有高度重複性、一致性的工作快快做好,另可透過網路、及感測技術,輕鬆實現遠端控制及設定,甚至還可進一步支援高度動態控制;在此前提下,不管製造廠的產品測試、組裝、加工等任何工序當中,只要有過去靠人工難以達成、甚或無法達成的工作項目,都可藉由工業機器人搭配感測技術來達成目標,大幅提升生產效率和良率。

屬於工業機器人四大家族其中之一的發那科(FANUC),不僅懂得開發與販售機器人產品,其位在日本山梨縣的生產基地,某種程度算是因Robot Cell的輔助所造就的工業4.0示範廠;廠內的機器人日復一日24小時不停工,不需要預先被輸入任何程式,僅需由人員直接指導,立刻就能上線作業,接著在無人監控的狀態下連續運行一個月,且不會把工作做錯或做慢,相當不容易。

整合視覺、力覺  打造適應少量多樣的聰明手臂

深究工業4.0,其當初之所以應運而生,背後有一個相當大的實踐目標,就是「彈性生產」,所以需要透過工業4.0目標的實現,幫助企業建立「少量多樣」的客製化生產與銷售能力,可依不同客戶的喜好量身打造各種專屬商品或服務。

伴隨少量多樣趨勢成形,代表大多數工廠都有混線生產的需求,也就是必須經常更換生產線,一天換個3?5次並不為過,如果換線換模的速度太慢,意謂企業在一天內將承受好幾次產能損失,就算每一段損失都不大,但積少成多,對營運績效肯定有傷,因此如何達到「快速換線」,可謂重大課題。

持平而論,意欲實現快速換線換模,可能有許多因素都需要同時配合,不是靠機械手臂單方面有什麼功能上的精進,便可幫助企業立即打造快速出換線換模流程,但可以肯定的是,透過機械手臂結合一些感測技術所孕育的新應用方式,的確有助於縮短換線換模時間。

比方說,目前已有機械手臂整合了視覺感測器、影像辨識軟體的安裝與應用,一方面成功地減少了手臂與視覺通訊串接程式的開發時間,另一方面,也藉由移動式手臂機架搭配標準視覺模組化,達到了手臂快速換線目標,且經由視覺自動教點,連帶也減少工程師開發時間,讓實現自動化更加輕而易舉。

另一種例子,則不只運用到機械手臂、3D視覺,還借重了力覺感測器。藉由3D自動辨識,得以迅速識別產品的位置與方向,再利用力覺感測,達到與人類相近的力道控制,從而完成非常精密的組裝作業,輔以智慧系統在一旁快速學習工作物件、接收各種工作情境參數設定,讓機器人得以執行更廣泛多元的工作,更容易變換工作物件、也更容易搬移機器人本體,連帶幫助企業順利因應少量多樣的產線作業需求。

藉由這個應用情境,已經把機器人如何整合運用AIoT技術能量、發揮智慧製造運用價值,清楚地表露無遺。

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