【探索30-6】臺灣精密機械智慧製造的未來:虛實整合與一條龍式生產

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民國70、80年代,臺灣的精密機械產業興起,不少廠家甚至全家人一起創業,各個中小型工廠林立而起。然而,隨著時代的進展,精密機械製造已經逐漸轉型,執行跨機臺、跨廠房的遠端協作,即時監測機臺參數,並遠端調整生產流程或修復生產設備,將會是造產業的未來。生產流程徹底數位化,也讓邁向淨零碳排路上至關重要的數位生產履歷更加可行。本場探索基礎科學系列講座,邀請臺大機械工程學系覺文郁特聘教授,為我們介紹臺灣經濟支柱之一的機械製造業未來的發展願景。

講者、審定|臺灣大學機械工程學系 覺文郁 特聘教授

彙整、撰稿|謝馥伊

 

「如果你現在去國際機械展參觀,攏無仝啦(全都不一樣了)!」曾任虎尾科技大學校長、現為臺大機械系終身特聘教授的覺文郁,一邊切換他帶領團隊參與智慧製造展的簡報,一邊激動的比劃著,語氣越發興奮。兼具落地與設計端經驗的他看見,精密機械製造產業真的變得「不一樣了」:未來,當人們踏入精密機械製造業的廠房,映入眼簾的畫面將不再是老師傅操作著機臺,以經驗調整機臺參數,而是掛滿大小監控螢幕的廠房,由AI模型與軟體模擬生產流程,並於生產過程中執行跨機臺、跨廠房的遠端協作,即時監測機臺參數,並遠端調整生產流程或修復生產設備。「就像是戰情室裡面的指揮官,看一下這一臺、那一臺,遠端指揮作戰,」覺文郁比喻。

 

工業4.0的精神:虛實整合的生產流程
來源:臺大科學教育發展中心

遠端指揮作戰般的智慧製造未來,正是工業4.0強調虛擬 (cyber) 與實體 (physical) 世界整合的精神。先透過AI模型與軟體模擬產線的生產過程,優化設備相關參數,再將模擬過的行為落實到硬體端執行。舉例來說,假設工廠要生產一千隻滑鼠,則可先透過軟體精準估計整體生產需要多少天、各項原物料會消耗多少的量等等資訊,再落實到機臺實踐。

覺文郁強調,無論過往虛擬與實體相關的技術如何地平行發展,AI與軟體技術如何地領先,「軟體的模擬結果,最終還是要透過硬體來落地」。軟體與硬體的整合,應是動態交融調整的過程。不過,生產一項產品,可能要經過成千上萬的工序與跨機臺的協作,難道「虛實整合」意味著模擬所有的生產步驟嗎?覺文郁釐清,如果是已知、熟悉的環節,未必需要重新透過軟體模擬釐清;而要優先投資最關鍵的、最未知、最有價值的生產環節,畢竟,智慧製造的價值,在廠商獲利與否。

實踐虛實整合的未來,還得由產業生態系當中三大關鍵角色互相合作:智慧零組件生產商、智慧化工具機整機設備商,以及終端成品的生產工廠。以製造飛機渦輪引擎的燃燒匣的為例,零組件生產商需得提供上萬個組成工具機的零件,並交由整機設備商整合、組裝生產產燃燒匣所需的工具機,再將這些生產設備交由生產終端產品的工廠,進一步製造機的燃燒匣。亦即,生產最終成品的工廠,為智慧工具機臺的使用者。

智慧製造產線打造,需從單機智慧化開始,先將自動化的元素加入單一機臺,再將整條產線上的所有機臺整合,成為有能耐生產複雜物件的智慧製造系統。以臺灣科技大學華夏校區的智慧化產線技術為例,目前學界已經能做到戴上AR/MR眼鏡,遠端讀取要驗收或修理的機臺參數,並給予修復的SOP指引。此外,AI技術的成熟,也能幫助工具機臺的設計商,能夠透過 AI 來加速撰寫與硬體溝通的程式,如:能夠幫助工廠快速檢視生產流程正確性與工時的執行 (NC) 碼。若設備製造商能進一步蒐集整合各式機臺故障與修復的歷史資料庫,餵入AI模型當中訓練,更可能幫助工具機臺的使用者自助完成故障排除:透過問答的方式與比對歷史資料,得到符合當下情況需求的修復指引。

 

一條龍智慧生產,讓成本控制、快速報價與數位生產履歷更為可能
來源:臺大科學教育發展中心

若將智慧製造的上中下游的生產流程進一步歸類為四大應用場景:生產保全、設備保全、精度保全、品質保全,將更能理解智慧製造的價值。生產保全著重工具機零組件、組裝流程的數位化,讓系統串接原料端的品管資料、到貨時程,並透過AI建模,最佳化組裝的流程;設備保全則著重機臺的感測,當機臺異常尚未發生的時候,便要預防故障發生,當故障發生的時候,要做故障的診斷、提供即使的補償與修復;精度與品質保全則分別指最終產品品質確認和設備刀具壽命延長與製造效率優化。

覺文郁舉例,以構造複雜的飛機燃料匣而言,其製造原物料之一是特殊合金,一件原材料動輒新臺幣百萬元,加工後大約價值新臺幣三百萬至五百萬,必須謹慎對待。若加工過程中有步驟出錯導致原料損毀,比如非預期的碰撞、刀具斷裂、精度不符需求,傳統的做法是嘗試修補、調整,再繼續下一段流程。但是,引入上述智慧化流程後,所有的工序皆會於單一個生產週期 (production cycle) 當中一次完成,一旦設備異常,能夠安全抽刀停機,不會浪費昂貴的原物料。這樣的流程對於航太、國防產業尤為重要。

當製造流程全面數位化、自動化並引入AI模型後,快速報價與數位生產履歷也變得更具可能性。覺文郁強調,「就是把資訊流全面打通。」以快速報價來說,以前工具機組裝設備商的銷售人員從接到客戶詢價到完成報價,可能需要費時兩週,因為無法當下得知各個零組件供應商的存貨情況如何、取得所有零組件費時多長、當前零組件價格如何,此外,也沒辦法精準掌握採購零組件之後需要費時多久完成組裝測試、需要多少人力,難以精準估計生產成本。然而,未來,若引入智慧製造的新流程後,廠商之間的資訊流打通,便能做到現場輸入規格,確認零組件庫存、價格,並依照產線產能狀況估計交貨時間。此外,當生產環節數位化串接,也讓符合碳管理需求的數位履歷變得可能,引領產業思考如何減少碳排。

不過,要邁向這樣的未來,臺灣精密機械製造業還有一段路要走。

 

臺灣機械製造產業轉型的挑戰:機臺數位化與資通人才缺乏
Q&A環節與觀眾有趣互動|來源:臺大科學教育發展中心

對臺灣中小企業主來說,踏上智慧製造最大的挑戰在於第一步:機臺數位化。覺文郁指出,臺灣多數的機臺都還沒有連網,所以同一工廠之間的多個機臺參數無法互相傳遞、溝通,跨廠的機臺也無法串聯整合為產線。因此,加速數位化工程至關重要。

此外,覺文郁也反覆強調,邁向智慧製造需要高度跨域的人才加入,要能整合資工、電機、機械領域的知識,也需要能夠理解工廠現場老師傅過往操作機臺的經驗,才能設計出能承接老師傅經驗與智慧的系統。他觀察,資通訊人才較不願意跨入傳統精密機械製造產業,所以轉型比較慢。

不過,整體而言,覺文郁樂觀看待臺灣智慧製造的發展,「兩年前臺灣導入設備保全相關系統的廠商可能不到五家,但到了今年,應該半數業者都導入了設備保全系統。」

 


圖左為主持人臺大獸醫系 陳慧文 教授、圖右為講師覺文郁教授|來源:臺大科學教育發展中心

 

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