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疫情期间制造业的转变——智动化制造单元技术

自2020年起COVID-19疫情爆发,冲击全世界不同产业,供应链断链以及人流管制影响产业运作。企业为了防疫,开始导入远距工作的新型态营运方式。对于制造业而言,远距工作导致工厂内人力缩减,同时产生设备维护以及生产管理的问题,因此促使制造业的快速转型。以智动化的技术取代传统人力,可以减少产线人员配置,使产线人力吃紧问题得以解决,同时减缓疫情对制造业所带来的巨大冲击。

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另一方面,在少量多样的消费市场下,制造业者对需求多样性的应变力、对市场反应的速度以及产品质量等都是关键。在面对不同客户的需求时,制造业者要如何因应此市场环境,其中最为重要的就是制造设备的智动化以及数字化。当数字逻辑控式与硬体设备紧密结合,就能使工厂产线更弹性化。因此智动化设备不仅成为制造业者高度无人化与弹性化的助力,更能帮助制造业在疫情时代转型,降低防疫措施造成工厂人力调配的影响。

产业焦点中提及根据市调机构MarketsandMarkets的报告指出,2020年制造业数字转型之市场规模预估为463.1亿美元,然而COVID-19疫情加速进行企业数字转型,预测2021年市场规模为529.9亿美元,相较2020年大幅成长14.4%,且预测2025年市场规模将达到1130.9亿美元。制造业进行数字转型是势在必行,而且将会引领未来制造业的发展。

国内制造业生产现况

汽车及航天零部件生产制造是国内金属制品产业中重要且具竞争力的领域,国内也培养出许多具备国际竞争力的企业例如潍柴集团、华域汽车、北京海纳川、宁波均胜电子、宁德时代、玉柴集团等。这些领域业者其生产模式大多以中小尺寸工件及中小批量之生产为主,生产样态则大多以单机搭配人工搬运或简易料仓,效能亟待提升。

由于汽车及航天零部件少量多样化的特性,这样的生产方式会面临产线转换时间成本过高问题,这其中包含了工件的上下料、在制品的管理储放、人工机器设备加工参数调整等作业。不仅大大影响了整体生产效率及弹性,也缺乏产线实时监控、数据采集等功能。

此外,刀具的自动化管理系统也是迫切需要的,往往金属加工品的质量与刀具的掌控有密切的链结。尤其特殊材质金属加工件由于硬度较高且原料成本高,刀具磨耗大。机床机边刀库数量有限,生产过程中须仰赖人力外部进行换刀作业,增加刀具寿命掌控的风险且换刀的过程中影响了生产机械的稼动率。因此如何有效地扩大动态储备刀量且提供机床的自动换刀机能也是另一重要议题。

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智动化制造单元技术

智动化制造单元技术以五轴立式综合加工机为核心,整合多轴取放载具及环形仓储模块,使该智造单元具备物料弹性生产及刀具自动更换功能。同时为进一步提升国产机床智能化表现,另一重点项目则是在机床控制器上,导入软件模块平台概念。利用PC-NC架构中PC端的开放特性,分别以单机智能化及单元智动化两大方向开发智能软件模块,使单机提升加工精度、效率,也让整个单元产品具备智能派工、自动刀具管理、弹性生产等符合智能制造趋势之功能。

生产机械的周边延伸整合设计

智造单元技术概念的实施整合了泛用尺寸的(工作盘<800mm)五轴立式加工中心机及卧式加工机、利用多层外部环状仓储设计作为弹性使用备料空间(10~21个格位)以及一多轴取放载具(荷重500~800kg)针对单一制程需五分钟以上的生产需求,建构成整套单元化产品架构。多轴取放载具采四轴圆柱座标型构型,拥有升降、水平、旋转之运动自由度,高强度结构使其能负荷重物,使多轴载具可应用于于托盘移载。环形仓储系统结构,环状架构具有体积紧凑特点,与传统仓储结构相比,单位面积之物料储存量最高可提升至300%。再者,为提高仓储系统使用弹性及效益,仓储内使用之托盘模块亦可用于刀具存放的设计,每一刀盘可置放6~12把刀具以供系统弹性调配使用。

透过多轴载具可直接抓取刀具托盘至机床进行刀具更换作业,有效利用仓储空间扩充机床备刀数量,让本产品使用上能够更加弹性。机床对准国内航天及汽车零部件产业中小尺寸工件加工需求,整合一五轴立式加工中心机。连同多轴载具及环形仓储进行一体化的设计,以智造单元的产品系列导入国产金属加工应用市场。

智能化软件控制模块

智能化软件控制模块有两种类型的软件技术,分别为单机智能化软件技术及单元智动化软件技术。单机智能化软件技术,其主要目的是提供加工应用的智能型支持功能,例如:自动载重参数调整、高效率切削及机内状况预警等功能,可有效提升精度提高加工效率及稳定性。其中以下功能作常用之应用介绍:

(1)自适性载重参数调控:该功能可自动估算工作台承载工件之重量,并且根据载重程度调整相关伺服参数。当工件重量较重时需要搭配较长的加减速参数,以及较低的增益参数。此功能可于加工时有效抑制机台振动。

(2)复合式沟槽切削路径规划:该功能以缩短加工时间及提高刀具寿命为主要考虑,于切削路径规划考虑摆线切削与螺旋切削作为优化的面向,此举可于加工过程中,保持刀具切削角度恒定,以保持工具的负载恒定。

(3)主动式异警通报系统:使用者随时随地都可透过手机掌握厂内机台讯息,机台发生问题可及时处理。异况、完工的发生时间与结束时间皆可远程确实掌握。

(4)Zerodowntime(零停机):该功能可协助使用者排定保养计划,使用者可提前了解需要更换的零件,提早执行更换或清洁的动作,降低机台因维修停机的可能性。

(5)CCD监视:可拍照记录,更容易回报问题及实际情况。在办公室即可看到机台内的加工实时影像。当异警发生时,将发生的前后30秒录制成影像,藉以还原机台异警发生的实际状况。

单元智动化软件技术

单元智动化软件技术为系统性考虑,其目的在整合机床、多轴载具刀具等自动化组件的群体控制,以达成弹性自动化生产目的,因此结合MES、APS等数据库系统、设备连线、派工逻辑设计、刀具寿命检知、物料管理等技术将会是设计的重点考虑。功能简介包含如下:

(1)智能派工功能:为达成弹性自动化生产目的,链结生产排程数据库,可依照加工排程时间、工件入库时间、现场人员优先权设定,进行工件自动上料,生产过程中可针对不同工件上载不同加工参数进行弹性化生产。

(2)刀具智能管理功能:刀具管理功能可依照刀具使用寿命、待加工件刀具需求及机内刀具比对结果,排定自动换刀任务。由派工系统执行换刀作业。

(3)弹性物料管理功能:透过RFID系统进行管理,工件可于上架时绑定加工参数,派工系统会依绑定的信息索引排序,取得工件参数进行自动加工。

智能化软件控制模块是一个PC-Based平台化架构,可不断更新App,除了可以协助制造业者提升机台附加价值。容易导入产线及稳定性也是智造单元的设计考虑,数字数据的应用透过图形导引方式,可快速且可靠的呈现生产线状态让各个层级的操作端从远程也能实时掌握产线讯息。

善用智造单元技术提升生产效率

在后疫情时代中,加速了原本缺工及精进人员运用效率的思维,尤其于制造产业透过智动化制造单元提升产线可调弹性。而MES、APS直接链结生产功能的系统整合,于派工连线、刀具智能管理以及弹性物料管理等单元智动化软件功能也在产线精进的范畴内占了很重要的角色。除了有助于管理层调整派工人力,减少单一操作人员之工作负担,同时在基础操作员的缺工环境下也获得纾缓。尤其搭配有机边仓储的智造单元设计于在无人的环境下于夜间不间断的工作,亦大幅提升生产稼动率及效率。而这波因应疫情而凸显的弹性生产、智动化元素、远程掌控的生产的需求慢慢的在成形,也许在不久的未来透过技术的普及,可于众多国产的产品中,增加一条弹性智造单元的整合性产品系列。

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