三大技術同步進化 自動化系統走向智慧未來

機器視覺目前仍以量測、定位、引導、識別等4大應用為主，在智慧化趨勢下，將會延伸出其他功能。DIGITIMES攝

台灣的製造業向來以「量」取勝，透過製程技術的精進，讓產品可以標準、大量的不斷產出，因此「豐田式管理」被台灣製造業者奉為圭臬，豐田式管理將所有零組件和製程標準化，消弭一切可能的變異，在最一致的流程中達到最大效率，過去少樣大量的生產環境中，「豐田式管理」發揮了相當大的效益，不過隨著產業的變化，「豐田式管理」不再適合所有的製造業。

現在的產品講究大量大樣，一條生產線中不會在長時間只做一種產品，快速換線甚至混線生產逐漸成為常態，不同產品的工法、材料都不同，要維持「豐田式管理」的效率，智慧自動化成為必須。

智慧自動化的設計必須因應不同產品製程，同時顧及以往的效能，必須考量4個E，包括Economy(經濟)、Environment(環境) 、Ergonomic(人因)等3項因素，經濟部份當然就是性價比，成本永遠是業者的重要考量，這點自不待言。

環境因素肇因於近年來環保意識抬頭，工廠製造設備必須有足夠的能源處理技術，或者減少廢棄物、或者有合於法規的處理方式，在現行的法規制度下，守法會是業者處理廢棄物的最佳成本選擇。

至於人因部份，則是目前市場的智慧自動化概念中，相當少見的看法，人永遠是製造現場不可或缺的一環，差異只在於定位的不同，過去製程依靠人手逐一做出產品，後來的自動化也需要操作人員控制設備，未來的智慧自動化呢？智慧自動化會針對不同產品有不同製程，但機器設備永遠需要人，現在台灣的教育程度普遍提升，所培養出來的從業人員應變能力強，智慧自動化設備必須考量到新一代操作者的優缺點，才能設計出合適產品，讓人機之間的相處趨於和諧。

要讓自動化設備達到智慧化願景，「整合」不可或缺，智慧自動化系統的設備不是孤島式的單一運作，也不是由後端強大功能平台管理前端設備，而是各點、各環節都有其自主的智慧化設計，單一機台彼此整合互連，緊密連結，但又能各執其事，透過各端點環節的彈性配合，讓製程可依不同產品製程而有所調整，達到智慧化目標。

在智慧自動化系統中，工業機器、運動控制、機器視覺是3大主要應用技術，過去這3大技術多各自獨立，不過在智慧化趨勢下，已經加快整合速度。工業機器人是部份產業自動化製程的重要組成，目前工業機器人在系統上應用的主流，以四軸或六軸的關節型機器人為主，由於在產線上的佔用面積小，但可運動的範圍大，在靈活度及使用彈性上，都成為自動化廠商的主要選擇。

四軸與六軸機器人，目前市場上的主要供貨者均為歐美日等大廠，其關節型機器人發展具有時空背景，主要應用在像是汽車廠等高髒污、高危險等環境；此外，由於工業機器人的作動一致性高，只要作動設定正確，即可成為取代人力的首選。

導入工業機器人的考量，主要仍在於產線規劃，由於工業機器人在某些程度上可以降低產線所需要的面積，加上可以進行較複雜的作動，也減少相關附屬機台需求的建置成本，同時提升產線的效能，當工業機器人加入運動控制系統規劃中，將讓運動控制系統產生不同的發展。

除了工業機器人之外，工業領域的運動控制主要應用於自動化系統的馬達，從通訊介面方式可分為脈衝式、串列式與類比等3種，若從架構面來看，則可區分為PLC與PC-Based兩種，其中PLC仍是現在市場主流，不過在講究高整合、高開放性的智慧製造趨勢下，PC-Based在未來將佔有優勢，尤其是往上層或與IT系統的整合，而現在的製造管理軟體，幾乎都是Window Based，這與傳統PLC架構格格不入，相對的，PC-Based控制器裡所提供的Ethernet介面、RAM、儲存裝置、作業系統與關聯式資料庫連接都可以用非常低的價格取得，而且整合非常容易，因此開放性優勢讓控制器逐漸往PC-Based傾斜。

不過智慧製造的高整合與開放性特色，除了對PLC帶來影響，也衝擊到PC-Based架構，目前自動化系統的運動控制仍以硬體軸卡為主，客戶視本身需求選購對應軸數的運動控制卡，對製造商來說，這也是讓系統最快上線的作法。不過若製造系統持續擴大，不斷加入的運動控制卡會使系統漸趨龐大，架構也會越來越複雜，除了整合難度升高外，穩定性也會受到疑慮，因此過去為自動化產業所忽視的軟體控制，重新受到業界重視。

軟體運動控制是在系統中內建RTOS(即時作業系統)，透過軟體平台可整合控制器、機器視覺等設備，軟體運動控制的優勢在於多軸控制，越多軸其平均成本越低，過去由於工具機的軸數不多，只要用1張運動控制卡即可，使用軟體控制並不划算，不過隨著市場發展，多軸需求逐漸浮現，在此態勢下，軟體控制將成為市場選擇之一。

在機器視覺部分，此技術在自動化系統中的主要應用被稱為GIGI，意即Gauge(量測)、Inspection(定位)、Guide(引導)、Identification(識別)，近年來雖然開始與機器手臂整合，透過眼手合一讓手臂運作更靈活，不過從整體市場應用來看，上述的4大應用仍是主流。

機器視覺主要由工業攝影機、影像擷取卡、光源等3大部分所組成，這幾年的技術變革，則集中在工業攝影機的影像感測技術，過去工業攝影機的主流影像技術是CCD，早期CMOS雖有低成本、低功耗與高整合特色，不過雜訊難以控制，只能用於低價產品，然而2016年起，此一缺點被克服後，市場快速放大，導致CCD出貨量逐漸減少，龍頭廠商Sony已從2017年起停止生產CCD，專注於CMOS感測器研發。

自動化技術問世多年，在多數廠商的致力投入下，早期的發展相當快，不過到2010年左右，多項已臻成熟的技術，其發展開始趨緩，2012年德國推動的工業4.0，則為這些技術注入新動力，現在的工業機器人、運動控制、機器視覺等，都開始有不同的設計概念，未來這3大技術也都將被納入工業物聯網體系中，成為智慧製造系統不可或缺的重要環節。