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无关规模大小!为工厂注入智能,一切只为求生

时间:2017-09-18 10:29来源:Compotech 作者:任苙萍 点击:
为什么要转型智能工厂?简单来说,就是期望在充满不确定的今天,多争取一分"灵活应变"的机会——通过振动 (Vibration) 预知机器健康;借助机器视觉 (Machine Vision) 改善生产效率与产能或强化定制接单能力;最迫切的是,在关键时刻做出正确决策!这是一场无关生产规模、只有能否安然存续的淘汰赛。
 
振动,危害工程及机器运作的大敌
精亚科技副总经理云逸仙表示,"振动"在我们的生活中无所不在;除了显而易见的地震外,交通工具、机器运转、环境背景音频,乃至于口语交谈、气流扰动、光波电磁波等皆会引发强度不一的振动,对工程可能具有破坏力——吊桥因共振崩塌、水力发电机因失衡共振损坏、涡轮叶片因不平衡振动破损、轴承因振动疲劳破裂或内环出现颤痕、齿轮因长期振动以致金属疲劳缺损或因共振全面破损……。如何抑制振动与共振,对维护智能工厂的机器资产及生产效率极重要。
 

照片人物:精亚科技副总经理云逸仙
 
"有 80% 的旋转问题是由不对心或不平衡所引起,20% 的机器问题都是轴承或齿轮缺陷所造成”,他进一步指出。常见的机器预防性检查方法有:振动监测、噪音监听、润滑油分析观察、磨耗金属屑观察、腐蚀检测、温度变化趋势监测、运转效能监测等;虽然用手持简易振动计可作初步检查,但若要进一步区别、判断故障点或组件,解决轴承安装不良、转轴不对心、不平衡等问题,"振动频谱分析"可监测振动趋势、增加长期运转可靠度,会是较好的选择。
 
云逸仙观察,传统的振动量测,传感、信号处理与通信分头行事,但目前已有许多创新整合应用出现,将振动监测广泛应用于汽车、航天工业的避震器/撞击/引擎/结构测试等。英国劳斯莱斯公司在自家产品安装振动传感器、推出引擎健康监测系统;以飞机引擎为例,在撷取飞行运转的实时数据后,会以无线传输将数据送至计算平台做分析,尔后将经过分析的信息同时传给云端数据库、操控者和监控中心,适时由监控中心发号施令、提出操作建议或维护请求,成功从单纯制造商转型为服务供货商,获利因而提升。
 
差异化才能突围而出,触类旁通为生存之道
友士公司中区机电部视觉产品课主任钟正宜从工具机产业的角度分析,台湾工具机产业因同构型太高,前两年过得非常辛苦;要突围而出,就必须思考如何做出差异化。他强调,工业 4.0 应涵盖 S、T、E、M 四大面向:科学、技术、工程与数学,其中,软件编程将是第一道门坎。然而,会写程序不代表有能力开发产品;在专精某项领域之外,亦须触类旁通、对实际应用多用心了解,并以论语中的名言"君子不器"与大家共勉。他直指,随着人工智能 (AI) 时代来临,未来懂得建立或维护系统的人才将是抢手货。
 

照片人物:友士公司中区机电部视觉产品课主任钟正宜
 
钟正宜回顾,前两年运动品牌大厂 Nike 就是由于找不到有能力承接复杂制鞋的代工厂、转而跨界转单给纬创力 (Flextronics) 一事,对于保守的制鞋设备业者明显带来成长压力。他高尔夫球鞋的"窄内腰"高难度设计为例,以往 PLC 运作控制油压式胶合容易涂胶不到位;加入机器视觉路径后,便可精准涂布并依据速度快慢控制胶量大小,避免残胶而导致穿着不舒适。"外界可能很难想象,早期在导入智能化系统前,光为铲除鞋缘溢胶,每条生产线就需派驻 4、5 个人专职负责",钟正宜说。
 
更大的好处是:鞋子的国际尺码有一定缩放公式,只要完成一只鞋样,就能在两分钟内自动完成左、右脚的所有尺寸。不过,钟正宜提到,用二维数组取像会有马赛克现象——胶水流动会让影像随之抖动,此时,伺服工程师通常须手动调整驱动器以消除;面对此类非由机台振动所引发的抖动、不存在机器视觉函式中的问题,就须依靠"曲线拟合"(Curve Fitting) 修正。他打趣说,电子专家关心的是如何监控,但机械人才关切的是怎么致动;而机械的几何误差,通常也无法单就电子齿轮比克服,画地自限于单一领域很难综观全貌。
 

图1:"曲线拟合"俗称拉曲线,是数据分析的重要步骤;目的是经由有限取样点 (Sample Points) 建立数学模型,做进一步预测与分析
资料来源:commons.wikimedia.org
 
"单是如何利用曲线补偿计算几何和涂胶路径就是一大学问,绝非单纯等比例外扩或内缩,需要现场试误经验与数理基础相辅相成,否则无法取得以此类推快捷方式",钟正宜直切要点。他建议,要创造电脑数值控制工具机 (CNC) 的附加价值,可从系统整合着手。百云科技总经理袁高云则分享亲身参与"红领西服"的个性化订制平台,以及碳纤维自行车智能生产案例。
 
定制生产不再是特例,混线生产挑战大
"红领西服"将设计与生产自动化结合,从消费者到店那一刻起,店员即利用 APP 将客户数据、选定款式与布料后传,并将订单内容转为各加工站对应的标准作业流程 (SOP)。之后厂内人员便可依单进行电腦辅助设计 (CAD) 排版、断布、利用 CNC 切割机台裁切、热压贴衬,最后将裁片吊挂分送到各工作站做缝合。导入智能化不到两年时间,单日收单量已从 300 套西服跃升至 1,000 套!关键在于:如何快速高效地裁切布料?如何把每块布料与与 CAD 排版正确对应连结?如果制造过程有问题,如何修补?
 

照片人物:百云科技总经理袁高云
 
"导入网络数据库后,可将 RFID 卡号对应到订单号,各加工站可根据订单号调出对应的作业流程",袁高云说。至于碳纤维最难的工序是模具定型,费用极为惊人,每副热压模具费用约 100 万台币;因一个循环周期约需两小时,故八小时的工作时间只能做出四辆车。另为了维持碳纤维材料上的覆盖胶特性,必须冷冻保存、并在解冻后 48 小时内制作成品,故需混线生产。此时,问题就来了!

1. 在混线裁切下,如何分料与标定?
2. 一辆自行车约 570 片裁片,如何确保物料的正确性和有效性?
3. 如何在预成型贴合过程中正确拿取并贴合?
 
"采用 CNC 切割机可因应少量多样订单、降低模具成本并配合做智能化生产",袁高云说。他认为,工业 4.0 适用对象应是制造商,设备商只是辅助角色;智能化机台须具备与公司数据库沟通的能力,连同企业 ERP 系统也需适当客制化,而国际信息大厂对此收费即高、或根本无意沾手,反而是本土厂商的利基所在。
 
侦测电流变化,不用传感器也能探知设备活动
侦测智能工厂的马达电流变化,也是工业 4.0 的重要一环。昆山鑫宏仁精密机械总经理陈彦宏说明:一般马达在规划功率时,基于温升和反复启动管理考虑,通常会以 1.5~2 倍的目标功率估算;而异步马达处于空载时会有"无用功"(虚功),造成能源浪费且无法正确侦测电流变化;只有"永磁同步马达"(PMSM) 最省电、且最能反映真实负载状态,并可从转矩和转速做线性分析——同步马达的转矩不会因低速而产生差异,但异步马达有额定转速的限制。
 

照片人物:昆山鑫宏仁精密机械总经理陈彦宏
 
"过去需要多个传感器才能得到数据,现在只要通过电流、时间和电压便可准确监测、推估设备的使用情况,据以提供最优的方案设计及预防性通知",陈彦宏说。借道 Wi-Fi 让受控设备与既有局域网络 (LAN) 或广域网 (WAN) 连结,可实时远程监控影像、找出异常机台位置、进行远程维修/故障排除或语音声控等;拜 Android 开源系统之赐,任何 Android 装置都可成为中控主机、创建"私有云"以管理联机授权,无须另购昂贵的服务器,且可将管理接口依管理需求做成手机客制化 APP。
 
藉由收集马达数据与其他数据融合比对,有许多创新应用。例如,将马达运转时间和负载率导入 ERP 系统,可推估实际运作数量、优化设备稼动率;另有食品业者用饼干销售资料反推原料备货量,也有大卖场用定位系统分析柜位以决定储位的上架费用。"结合物联网 (IoT) 概念的智能工厂,是为了让信息传递更透明,避免企业因片面信息误导而做出错误决策,走冤枉路!"陈彦宏说。
 
工业 4.0 创新整合系统、商业模式和价值链
曾在福特汽车公司任职、现投身创新育成与物联网场域规划工作的林均烨博士总结,工业 4.0 的灵魂是智能化的丰田生产系统——"现今市场波动速度快,一旦销售中断,业者常被迫自行吸收库存;唯有让生产流水线越精实,才能释放庞大的仓储空间和资金压力"。其次,是依生产整线规划导入所需设备,决定什么时间点该用传感器撷取信号并通过物联网传递?最后才是结合 ERP 和具备预测性决策信息的信息管理系统,旨在第一时间就把产品做好,杜绝不良品往后流动的可能。推动工业 4.0,其实有先后顺序、轻重缓急之分。
 

照片人物:创新育成与物联网场域规划专家林均烨
 
从经验到数据,从预测到设备管理,工业 4.0 也是一种集结传感器、物联网和大数据等既有技术的融合型创新,进而催生新的整合系统、商业模式和价值链。例如,美国 NEST 公司开发出智能温控系统后,由电力公司采购、将温控器送给用户以推行节能政策。这便是著名"羊毛出在狗身上,由猪买单"的经典案例。电力公司因为能清楚掌握用户的电力消耗状况,可将电力做更有效率的分配,故乐于自掏腰包。林均烨语重心长地说,即使是少量多样化的生产,在提高效率的同时也要设法降低成本,才能存活!
 

 
图2:NEST 温控器
资料来源:NEST 官网
 
何况最新趋势是:"大量个人化"(Mass Customization) 和"按需生产"(Customer-to-Manufacturer, C2M),连结工业 4.0 和 O2O 在线/线下营运即成为一个完整的企业循环。当全世界的游戏规则都在改变,故步自封是非常危险的心态与举动。在变化快速的今天,"创新"是逃脱被时代洪流淘汰、持续往上走的唯一途径。那么,未来的路在哪里?林均烨建议两个方向:一是广积粮,发展最高效率、最低成本的精实组织;二是高筑墙,着力于微笑曲线两端,从自主研发走向自有品牌,隐形冠军企业正是此类代表。
(责任编辑:helen)
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