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3D视觉攻克最难研磨的水龙头 机器手臂锁定水五金产业600亿商机

家用水龙头由于外型复杂多变,在水五金产业中被认为是全世界最难研磨的工件。廖家宜

根据工研院调查统计,台湾的水五金产业主要以出口为导向,全台年产值约600亿,供应全球50%以上的水龙头、卫浴相关设备。在全台300余家的水五金厂商中,其中近7成都集中在中部地区,中部从业人员也是北部与南部加总的2倍之多。

但时至今日,水五金产业仍被视为一项劳力密集型的传统产业,尤其因为制品复杂的外型,更加让该产业导入自动化作业的比例不是太高。但值得关注的是,过去自动化设备虽一向与德系厂牌划上等号,但近年来,却有卫浴大厂信赖台湾自家技术,改导入自行研发生产的研磨抛光机器人,克服水五金产业中最难被研磨的水龙头产品。而关键技术瓶颈能够自行克服、掌握后,台湾水五金产业推动智能化生产将不再踯躅不前,更有望推动产业往千亿产值迈进。

水五金复杂外型难克服 仍维持人工作业大量需求

在水五金制造流程中,大致可分为熔铸、机械加工、研磨、抛光、电镀及组装,但根据工研院机械与机电系统研究组长游鸿修指出,在水五金的生产线中,研磨与抛光两个制程至今仍大量仰赖人工作业。原因是水五金制品具有复杂的外型,如孔洞、多重曲面与棱面结构,对于需要进行表面加工的研磨与抛光作业来说,运用机器作业不见得可以研磨出最佳效果,还是得靠双手随时变换研磨的角度与位置。像水龙头在水五金产业中被认为是全世界最难研磨的工件,透过人力研磨除了需经过5道工序外,研磨时间更长达576秒。

大量仰赖人工,却也让水五金产业在研磨抛光的制程上遭遇许多难题。首先是工作内容单调,环境中粉尘弥漫,越来越少的人愿意投入这项工作中,造成作业员招募不易;其次是研磨抛光的质量需靠经验长期的累积,在人力断层的情况下,老师傅的经验传承更加困难;再来则是质量控管仰赖人工判断,容易造成质量不一进而影响售价,和成欣业总经理陈振乾指出,象是质量优良的水龙头制品,光是单价就可高达上万块,但如果粗制滥造,就可能跌到只剩几百块。

事实上,台湾卫浴大厂和成欣业在约莫20年前,就已尝试将机器手臂导入研磨抛光生产线中,但美中不足的是,由于当时台湾尚未有厂商开发出针对研磨抛光的机器手臂,和成当时导入的是德系的机器手臂。采购机器手臂简单,但导入生产的过程中,问题却接踵而至,例如厂商远在国外要进行维修十分不易,或是自行编程的门槛高,如果遇到新工件就必须委托德系厂商前来新增编程,而对和成来说,来往不仅耗时且还会被额外收费。

台湾技术自主研发 大幅修正虚实环境落差

在台湾业者的技术钻研下,和成欣业在2016年开始尝试导入由工研院研发的研磨抛光机器人手臂。不同于德系机器手臂,工研院主要透过虚实集成的概念,先是经由CPS软件上加载水龙头工件、机器人与砂带机等的虚拟模型,在计算机上就可以离线生成机器人的研磨抛光路径,相较过去德系机器手臂主要透过人工教导其研磨路径,平均一次调机就要花上14天,离线编程的模式已将机器人的调机时间大量缩减为1天。

虽然大幅度降低调机时间,但由于金属工件的设计图面和实物本身就会有误差存在,调机的时候还是得靠人工到现场查看误差再进行修正,来往仍旧耗费不少时间。而经过为时2年的技术改良后,今年工研院已将研磨抛光机器人升级到第二代,修正了不少第一代会面临的误差调整问题,其中最关键的,就是新增了3D视觉辅助定位,并将离线编程改为在线编程。

未来技术员可以透过机器视觉,一边调整误差一边自动进行路径修正,此举不仅大量减少事后调整的麻烦,更将调机时间从1天再缩减为1小时,也因此能够针对少量多样的弹性生产模式,达到快速换线的需求。

机器视觉打破水五金产业的全自动化导入限制

水五金制品由于复杂外型所生成的制程难度,一度让该产业难以导入自动化作业,或是增加其自动化操作的难度,让水五金产业陷入两难。对于水五金业者来说,理想的作业模式当然还是自动化生产,毕竟过去研磨1个水龙头,人工作业要花576秒,导入机器手臂却不到5分钟就能完成,生产效率的提升可谓立竿见影、高下立判。

机器手臂加入3D视觉,是让现实加工环境与虚拟路径生成能够减少误差的主因之一,机器手臂的任务,是夹持工件直接与砂带机接触进行研磨抛光作业,因此对于机器手臂与砂带机来说,只要一点点的距离与角度产生误差都会影响加工质量,因此在路径生成的过程中,就必须确保虚实环境达到无缝对接。

机器视觉除了可减少虚实环境的误差,未来还可以被大量运用于品检流程。过去研磨抛光后,都是靠老师傅以肉眼查看研磨质量,但人工经验评判标准不一,更何况还有「你累了吗?」的质量疏失风险,即便透过光学检测机(AOI),其二维平面检测手法仍无法对应具有3D维度的水五金制品。

虽然机器手臂可以夹持工件旋转每一面让AOI检测,但AOI难以精准辨识表面具有光泽与亮度的水五金制品,因此工研院机械与机电系统研究所所长胡竹生就表示,未来机器手臂加入3D视觉集成影像分析技术,第一步除了确认加工环境,第二步则是可以被用来辅助对水五金制品进行影像检测,此举甚至可达到在生产在线进行全检。

游鸿修表示,水五金产业属于相对劳力密集型的传统中小型产业,目前全台只有少数如和成欣业具规模的大厂导入机器手臂于研磨抛光的生产线中。陈振乾表示,和成欣业会把研磨抛光机器人生产线大方开放给台湾其余300多家水五金业者参观,推动产业加速导入自动化产线。

对于水五金产业来说,自动化作业可能现在才开始,但随著劳工成本上涨,加上东南亚快速发展,未来台湾制造业要请外劳可能会更加困难,陈振乾指出「趁现在尚有时间备战,为时不晚!」

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