工廠自動化領域的輕量化
- 尤嘉禾
-
隨著地球暖化與石油等地下資源的枯竭，節能減碳成為當務之急。以汽車而言，由汽油車汰換到混合動力車或是電動車，以能源來源而言，各國也將太陽能發電或是風力發電等可再生能源實用化，其競爭亦漸趨白熱化。在各種技術革新的競爭中，輕量化技術可稱得上是重要的一環。而輕量化的目標就是運動中的物品其重量減輕後，可減低其能源的消耗量。在FA(工廠自動化)領域中，自動機械或是機械裝置也是追求相同目標，輕量化技術對於工廠自動化設備的重要性與日俱增。
提升工廠自動化效能的輕量化範例：
(1)因為可動部位輕量化，故可將金屬材料換成樹脂材料。
(2)裝置固定部的鐵材改為樹脂複合材料、水泥複合材料、陶瓷等。
(3)線性滑軌動作導引等關鍵零件之薄型化或中空化，由變更材料達成輕量化。輕量化技術大約可分為材料的替換及構造零件的形狀變更來達成。
藉由材料替換以達成輕量化
借由材料替換來達成輕量化時，必須同時解決輕量化及強度保證的技術要件。將金屬材料改為塑膠便是一個典型輕量化的例子。工程塑膠經常被使用，所謂工程塑膠，其耐熱、耐韌性、耐藥品性、耐燃性、耐候性等較高，尺寸安定性及機械物理性質在高溫下也能保持，乃是適合使用於構造材的塑膠材料。代表性的材料有PC(聚碳酸酯)、ABS樹脂(丙烯腈､丁二烯､苯乙烯共聚物塑料)等，以FA自動化零件來說，滾珠螺桿其軸承的循環部轉換方向的保持器部位等也採用工程塑膠。
另外，於工作機械的場合，本體構造的固定部採用鑄造物或是鑄鐵，可動部位的構造材料則可透過更換材料往輕量化邁進。這種構造材料，需要能達成經過10年以上常時間動作，也不會喪失其初期精密度。因此，為使素材本身自體的均質安定性以及內部無殘留應力，須具有(1)不會經年變形(2)熱變形較少(3)振動減衰性佳的特性。因此，材料由鐵系材料進而以鋁系材料取代。鋁的比重為鐵(7.9)的35%，因此可達成65%的輕量化。
變更構造部材料的形狀
將棒狀的構造材料施加使其彎曲的力，而其彎曲的容易度的技術用語稱為斷面二次力矩。這個斷面二次力矩可藉由改變構造材的斷面形狀來變化。因此，只要設計出最適合的形狀、即可設計出輕量且高強度的構造物。
到目前為止，解說了材料的輕量化以及透過構造材的形狀變化達到輕量化的技術。這邊則是說明如何將兩者同時檢討後，設計出最適合的型狀並實現輕量兼具高強度的方式。將形狀設計及材料選定這兩點細分後，即可掌握全體的設計要點。
將這個全體的要點置於中心，並確認以前類似構造的優缺點、即可減少輕量高強度構造化的失敗。很多必需要考慮的事項是工廠自動化設備設計者必需要確認的。因此，單一種類的裝置持續改良，將其累積的改良Knowhow應用在類似的自動機械設計中即可節省設計時間。
結合自動化元件輕量化技術及自動化相關資訊系統軟體，提升工廠自動化設備在效能與產值的精進已經是趨勢，不論是生產線自動化、生產排程自動化、倉儲自動化、測試自動化、電力管理自動化到無人工廠，由機器設備主導生產取代人力以達到節省成本、品質穩定、生產資訊流通、產出時間確定、生產技術不易外流等，將降低管理者負荷，使工廠管理者更能致力於整體營運規劃。(本文由台灣三住提供，尤嘉禾整理)
