工研院取決工業4.0核心技術 孕育諸多應用實例

工研院機械所智慧系統組組長 鐘裕亮

德國聯邦政府在2012年提出「工業4.0」，強調在生產製造過程中，整合運算、通訊與控制的虛實整合系統(CPS)，進而連結物聯網建構「智慧工廠」，形成智慧製造與服務的全新商機與商業模式。

工研院機械所智慧系統組組長鐘裕亮，針對工業3.0與4.0進行比較。他指出，工業3.0時代，具有中央控制、價值鏈創造、預先規劃運作生產系統、產品為加工的被動物件、僵化員工現場工作方式等特徵；進入工業4.0，上述樣態依序演變為透過網路達成分散自我控制、虛擬的組織、生產單位具自我組織的能力、產品決定智慧生產過程，以及人機協同彈性作業。

迄至今日，國外已有不少關於工業4.0的標竿案例。譬如Bosch的智慧工廠，即具備製程可視化、工業感測網路、機聯網(M2M)、智慧自動化、雲端資料平台、大數據分析(趨勢預測與診斷)、效能管理系統、操作與服務支援系統，以及線上即時檢測、回饋整線製程調控等等技術特徵；此外，可做到接單後最快24小時內生產完成、且產品可靠度達到99.99885%的德國西門子Amberg工廠，以及靠著設備智動化衝高人均年產值的日本Fanuc，也都是相當典型的例子。

藉由這些案例，鐘裕亮剖析工業4.0智慧工廠之核心技術，含括製程可視化(攸關品質與流程)、具記憶體之產品(產品主導製程)、製造業標準化的通訊協定、預兆式設備健康監測與診斷、工業輔助學習與作業、分散式控制的虛實整合系統，及數位製造與設計。

至於箇中蘊含的關鍵技術項目，則涵蓋了資通訊軟硬體平台(含雲端、異質網路整合、資訊安全)、感測技術(含感測器與感測網路、RFID與室內定位、觀測器(Observer)與感知融合(Sensor Fusion))、混成式(Hybrid)系統建模？模擬？預測技術、系統鑑別(System Identification)與線上調整(On-line Adaptation)技術、大型系統迴授控制與決策技術、自然人機介面技術、人機協同(人機共工)機器人、最佳化演算法、人工智慧、大數據分析。

結合加工物理性質模擬  提升加工效率

總括而論，環顧工業4.0智慧製造，不可或缺的核心即是CPS。鐘裕亮說明，CPS在製造領域的技術涵蓋面甚廣，舉凡物聯網、無線網路、感測器、致動器，乃至於軟體方面的有限元素分析(FEM)、CAD/CAPP/CAM、PLM/MES及Apps，都可歸納於CPS範疇。至於CPS在製造領域的要求，則可區分為四項要點，包括了1.品質：良率學習曲線短，生產履歷無紙化；2.成本：提供生管、品管即時資料庫給客戶，以提高價格競爭力；3.功能：遠端監控，內建預兆診斷功能；4. Time to Market：熱插拔生產(Plug & Produce)，Mixed-Model生產。

有關CPS化機械模組範例，一是CPS嵌入式減速機，其具備模組Plug & Produce、模組間 M2M、智慧型可靠度等三項特色，分別意謂著減速機特性曲線的數位化？內建化、感測器？處理器？通訊模組嵌入化、壽命監測？預兆？診斷功能內建化。另一例是CPS嵌入式螺絲，其受力－變形特性曲線亦具備數位化、內建化，故而結構零件即是感測零件，自然亦已嵌入了感測器與處理器，大幅降低整合難度。

上述例子，主要是從智慧化組件角度來詮釋CPS，若從設備端來看，則是藉由設備CPS加上IoT，以提升加工效率以及執行遠端服務，具體而言，主要是結合加工物理性質模擬、即時線上量測與迴授、設備模型與參數資料庫，以求持續精進且維持加工效率。譬如應用數位製造切削模擬及最佳化技術，進行高效率加工，同時均化刀具切削力、穩定主軸負載，以提升加工效率、刀具壽命及加工品質。

其餘堪能彰顯設備智慧化的典型例子，即是工具機智能化軟體，包括主軸監控系統、線上顫振迴避與參數優化系統、線上即時製程解析系統、稼動率監控系統，乃至於線上即時防碰撞系統…等等。

CPS搭配IoT  實現整廠產線優化

至於從製程觀點來演繹CPS，則是利用產線CPS加上IoT，來達到製程優化，也就是結合智動化、機器人、自動光學檢測(AOI)，及建立產線校準技術與加工資料庫、產線加工資訊即時模擬分析系統，提供整廠產線優化。例如航太精密加工，即開始利用虛實整合系統應用技術提升高值金屬加工產能，結合高階CMOS光學影像感測器進行線上量測、幾何公差自動判讀回饋等技術，解決多數製程無法連貫與自動化整合的問題，可有效縮短檢測時間達70%。

而在汽機車零組件產業部份，則透過建立加工知識庫、動態加工特性分析與加工參數調控及整廠整線產品製程與檢測資料分析，解決機台間差異所帶來的製程變異影響；藉此縮減廢料達50%以上，亦可縮短加工製程設定時間、提升生產效率逾三成。

此外具體的CPS應用技術，還包括了旨在促進12吋半導體晶圓廠生產自動化的「SECS/GEM 300mm聯網技術」，用於彌補現今機器人夾爪欠缺智慧感測功能的「智慧觸覺感測夾爪技術」，以及能以簡單性能指標表示主軸健康狀態的「晶圓研磨機主軸預兆診斷技術」。