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3D視覺攻克最難研磨的水龍頭 機器手臂鎖定水五金產業600億商機

家用水龍頭由於外型複雜多變,在水五金產業中被認為是全世界最難研磨的工件。廖家宜

根據工研院調查統計,台灣的水五金產業主要以出口為導向,全台年產值約600億,供應全球50%以上的水龍頭、衛浴相關設備。在全台300餘家的水五金廠商中,其中近7成都集中在中部地區,中部從業人員也是北部與南部加總的2倍之多。

但時至今日,水五金產業仍被視為一項勞力密集型的傳統產業,尤其因為製品複雜的外型,更加讓該產業導入自動化作業的比例不是太高。但值得關注的是,過去自動化設備雖一向與德系廠牌劃上等號,但近年來,卻有衛浴大廠信賴台灣自家技術,改導入自行研發生產的研磨拋光機器人,克服水五金產業中最難被研磨的水龍頭產品。而關鍵技術瓶頸能夠自行克服、掌握後,台灣水五金產業推動智慧化生產將不再躑躅不前,更有望推動產業往千億產值邁進。

水五金複雜外型難克服 仍維持人工作業大量需求

在水五金製造流程中,大致可分為熔鑄、機械加工、研磨、拋光、電鍍及組裝,但根據工研院機械與機電系統研究組長游鴻修指出,在水五金的生產線中,研磨與拋光兩個製程至今仍大量仰賴人工作業。原因是水五金製品具有複雜的外型,如孔洞、多重曲面與稜面結構,對於需要進行表面加工的研磨與拋光作業來說,運用機器作業不見得可以研磨出最佳效果,還是得靠雙手隨時變換研磨的角度與位置。像水龍頭在水五金產業中被認為是全世界最難研磨的工件,透過人力研磨除了需經過5道工序外,研磨時間更長達576秒。

大量仰賴人工,卻也讓水五金產業在研磨拋光的製程上遭遇許多難題。首先是工作內容單調,環境中粉塵瀰漫,越來越少的人願意投入這項工作中,造成作業員招募不易;其次是研磨拋光的品質需靠經驗長期的累積,在人力斷層的情況下,老師傅的經驗傳承更加困難;再來則是品質控管仰賴人工判斷,容易造成品質不一進而影響售價,和成欣業總經理陳振乾指出,像是品質優良的水龍頭製品,光是單價就可高達上萬塊,但如果粗製濫造,就可能跌到只剩幾百塊。

事實上,台灣衛浴大廠和成欣業在約莫20年前,就已嘗試將機器手臂導入研磨拋光生產線中,但美中不足的是,由於當時台灣尚未有廠商開發出針對研磨拋光的機器手臂,和成當時導入的是德系的機器手臂。採購機器手臂簡單,但導入生產的過程中,問題卻接踵而至,例如廠商遠在國外要進行維修十分不易,或是自行編程的門檻高,如果遇到新工件就必須委託德系廠商前來新增編程,而對和成來說,來往不僅耗時且還會被額外收費。

台灣技術自主研發 大幅修正虛實環境落差

在台灣業者的技術鑽研下,和成欣業在2016年開始嘗試導入由工研院研發的研磨拋光機器人手臂。不同於德系機器手臂,工研院主要透過虛實整合的概念,先是經由CPS軟體上載入水龍頭工件、機器人與砂帶機等的虛擬模型,在電腦上就可以離線生成機器人的研磨拋光路徑,相較過去德系機器手臂主要透過人工教導其研磨路徑,平均一次調機就要花上14天,離線編程的模式已將機器人的調機時間大量縮減為1天。

雖然大幅度降低調機時間,但由於金屬工件的設計圖面和實物本身就會有誤差存在,調機的時候還是得靠人工到現場查看誤差再進行修正,來往仍舊耗費不少時間。而經過為時2年的技術改良後,今年工研院已將研磨拋光機器人升級到第二代,修正了不少第一代會面臨的誤差調整問題,其中最關鍵的,就是新增了3D視覺輔助定位,並將離線編程改為線上編程。

未來技術員可以透過機器視覺,一邊調整誤差一邊自動進行路徑修正,此舉不僅大量減少事後調整的麻煩,更將調機時間從1天再縮減為1小時,也因此能夠針對少量多樣的彈性生產模式,達到快速換線的需求。

機器視覺打破水五金產業的全自動化導入限制

水五金製品由於複雜外型所生成的製程難度,一度讓該產業難以導入自動化作業,或是增加其自動化操作的難度,讓水五金產業陷入兩難。對於水五金業者來說,理想的作業模式當然還是自動化生產,畢竟過去研磨1個水龍頭,人工作業要花576秒,導入機器手臂卻不到5分鐘就能完成,生產效率的提升可謂立竿見影、高下立判。

機器手臂加入3D視覺,是讓現實加工環境與虛擬路徑生成能夠減少誤差的主因之一,機器手臂的任務,是夾持工件直接與砂帶機接觸進行研磨拋光作業,因此對於機器手臂與砂帶機來說,只要一點點的距離與角度產生誤差都會影響加工品質,因此在路徑生成的過程中,就必須確保虛實環境達到無縫對接。

機器視覺除了可減少虛實環境的誤差,未來還可以被大量運用於品檢流程。過去研磨拋光後,都是靠老師傅以肉眼查看研磨品質,但人工經驗評判標準不一,更何況還有「你累了嗎?」的品質疏失風險,即便透過光學檢測機(AOI),其二維平面檢測手法仍無法對應具有3D維度的水五金製品。

雖然機器手臂可以夾持工件旋轉每一面讓AOI檢測,但AOI難以精準辨識表面具有光澤與亮度的水五金製品,因此工研院機械與機電系統研究所所長胡竹生就表示,未來機器手臂加入3D視覺整合影像分析技術,第一步除了確認加工環境,第二步則是可以被用來輔助對水五金製品進行影像檢測,此舉甚至可達到在生產線上進行全檢。

游鴻修表示,水五金產業屬於相對勞力密集型的傳統中小型產業,目前全台只有少數如和成欣業具規模的大廠導入機器手臂於研磨拋光的生產線中。陳振乾表示,和成欣業會把研磨拋光機器人生產線大方開放給台灣其餘300多家水五金業者參觀,推動產業加速導入自動化產線。

對於水五金產業來說,自動化作業可能現在才開始,但隨著勞工成本上漲,加上東南亞快速發展,未來台灣製造業要請外勞可能會更加困難,陳振乾指出「趁現在尚有時間備戰,為時不晚!」

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