机器人及自动化应用 为智能工厂奠基础

精密机械研究发展中心 组长 萧仁忠

以前的精密机械常被人以为是「黑手」，但精密机械研究发展中心(精机中心)智能化系统发展组组长萧仁忠引述媒体报导的「影响全世界的60公里」专题指出，以大台中地区为主(从苗栗以南到彰化一带)的精密机械产业聚落，可以看到机器人及自动化的结合价值，也让精密机械的价值重新被全世界注意。

萧仁忠指出，台湾的精密机械产业聚落特色，每一家的厂商产能不见得很大，一年可能只有几百台，不可能满足客户如苹果的需求，但用分工合作的方式，就能满足客户需求。

精密机械的产值也许不大，但萧仁忠认为却是根本产业。精密机械产业的范围包括精密工具机、产业机械、光电及半导体制程设备、智能机器人、精密模具以及精密零组件，产值从2010年的新台币8,600亿元，成长到2011年的9,920亿元，萧仁忠认为，精密机械产业在2013年就已由全球第十大跃升为第六大，产值也可望突破万亿元，迈向高值化产业的目标指日可待。

随着智能工厂的需求不断演进，原本以自动化为主要应用的机器人，也需要变得更有智能。萧仁忠指出，独立的机器人，不可能支撑一个产业，必须要加入系统整合及应用，精机中心也特别将原来的机器人组，改为智能化系统发展组，就是着眼于此。

但智能化系统发展组的范围与领域，仍是以机器人，尤其是机器手臂为发展核心，往外延伸出更多的智能加值应用，包括视觉、系统整合、力量控制等，最后与工具机做链结，产生更强的竞争力。

以CAD Based机器人程序生成技术为例，由于每一家做机器人的产业，使用的控制语言都不太一样，加上过去的机器人作业单元，大多仍采用教导方式一点一点去带，相当耗时费工，而且比较复杂的动作，也会很难带。因此就有大厂机器人开始配合CAM软件产出机器人语言，但价格非常昂贵。

萧仁忠表示，精机中心决定自已做，直接读入操作对象CAD图档，抽取并指定特徵，自动产生产业机器人可用语言，就不用教导。而且具备3D操作界面，可直接点选特徵(如面、轮廓)，并指定为加工路径。如此一来，就可以根据客户需求开发对应不同厂牌机器人之后处理器，直接转出机器人语言。

精机中心是用Open CASCADE(OCC) Libraries来开发，成本比较低，再用Visual Studio来做界面，呈现出3D CAD图形。精机中心目前已经能用OCC于软件环境内进行建模动作，也可于软件环境内对加工机台进行运动模拟，或是生成机器手臂与多轴工具机等加工机台的控工艺序码，也可于软件环境中选择加工件之加工路径并进行路径设定。

萧仁忠也展示操作的过程，使用者的操作流程，分别是选择参考图以及选择切割线段；对应程序流程，则是储存所需参考图、储存所选线段并标明后，计算线段起点位置的法矢量并绘出，设定差补点，必要时要做刀具半径补正，从哪个方向进来，如切旋转角时，刀具要随时修正。至于模拟的操作方式，依序为建立移动方向、建立移动轴及设定平移距离，可以看到有无干涉，机器手臂的运动方式是否符合预期。

接下来要产生程序码，萧仁忠表示，产生的方式有两种，第一种是根据特徵产生，把每一个插补点的位置找出来，将座标值送进去产生；第二种是用程序去写。

以汽车零组件及阀类铸件为例，由于面临铸件处理有3K及缺工问题，非常需要机器人。精机中心目前开发的智能化作业单元控制软件，以可自动完成铸件去毛编作业，结合智能量测与加工面重建技术，即可解决工件差异性问题，自动完成表面溢料削除以及边缘去毛边等两种作业。

类似的技术也可以用在机器人型钢电浆加工系统。萧仁忠指出，由于全球采用钢结构的建筑应用需求激增，但二维加工范围有所限制，加上型钢加工步骤多，非常耗时，现有自动化型钢加工系统占地过大(约47米)、价格昂贵，想要导入的企业，往往会望而却步。

萧仁指出，精机中心的解决之道，就是发展三维耦合加工系统，结合机器人、电浆系统及控制平台，光是产线空间就大幅缩小到16米左右，而且无铣、钻、锯加工，减少刀具废铁成本，加工时间也仅占现有生产线的三分之一，人力耗费也从3人减为1人。

另一个案例则是服务性机器人。萧仁忠指出，服务性机器人最主要的设计特性，需要移动性及自主性，所以需要有适应环境的能力，如导览机器人可以依雷射测距仪扫描所得图形，识别人类双脚图形存在后，根据游客位置信息产生智能化互动功能，如待机时会自动转向接近的游客，或是在移动时，遭游客阻挡去路时，可以发出「对不起，借过一下」的语言，或是在多人围观的状态下，选择最佳的面向方向。

萧仁忠表示，服务型机器人会自主移动的关键，就是同时定位与建图技术(Simultaneous localization and mapping；SLAM)，利用雷射扫描仪，让机器人自己建立地图，并同时自我定位于地图中，就能知道下一步该往什麽方向移动。

服务型机器人与人互动的能力非常重要。精机中心目前也在发展拟人机械手，一只手共有1拇指、3手指，共计4自由度，每指1自由度。手指采用平面连杆机构，拇指采用球面连杆机构塑造拟人动作。

另外，精机中心也整合RFID书码识别设备、书籍输送设备、各类书籍分检设备及图书运载机器人，开发出图书自动化分类运载系统，更已用在国立台中图书馆中。

系统具备Dual-mode行走模式，包括2D雷射室内定位导航技术的全自动行走模式，以及磁条感应行走模式，并透过介接模块整合图书自动分检系统，由自主移动式机器人全自动承载图书至各藏书区，使馆员能更专注于顾客服务及行政作业。

最后一个案例是伺服马达转定子组装生产线。萧仁忠指出，由于国内大陆严重缺工及劳动薪资上涨的问题，进而带动产业设备朝向自动化发展，而伺服系统是设备朝向自动化的一项关键零件，市场需求与日俱增。但目前厂商于伺服马达的制造及组装上，仍然采用半自动及人工作业，对于品质及产量上，接受到相当大的限制。

萧仁忠指出，转定子组装人力需求通常为4人，工序包括入料、脱模、转定子压合到贴标出料等共16道工序，单件产出时间180秒，改为全自动化组装后，如组装过程最基本的锁螺丝，也是自动化的关键，可以做到同时锁三支螺丝，配合其他相关技术，单件产出时间大幅缩短为50秒。

但萧仁忠也指出，很多产品用人工组装可以克服很多困难，但想要做到自动化，可能就得付出一些代价，例如组装过程不能用到太小的零件或空间，产线设计就得配合修改，如圆盘式工作站就是自动化常见方式，可在有限空间内完成多站组装。