工研院取决工业4.0核心技术 孕育诸多应用实例

工研院机械所智能系统组组长 钟裕亮

德国联邦政府在2012年提出「工业4.0」，强调在生产制造过程中，整合运算、通讯与控制的虚实整合系统(CPS)，进而连结物联网建构「智能工厂」，形成智能制造与服务的全新商机与商业模式。

工研院机械所智能系统组组长钟裕亮，针对工业3.0与4.0进行比较。他指出，工业3.0时代，具有中央控制、价值链创造、预先规划运作生产系统、产品为加工的被动物件、僵化员工现场工作方式等特徵；进入工业4.0，上述样态依序演变为透过网络达成分散自我控制、虚拟的组织、生产单位具自我组织的能力、产品决定智能生产过程，以及人机协同弹性作业。

迄至今日，国外已有不少关于工业4.0的标竿案例。譬如Bosch的智能工厂，即具备制程可视化、工业传感网络、机联网(M2M)、智能自动化、云端数据平台、大数据分析(趋势预测与诊断)、效能管理系统、操作与服务支持系统，以及在线实时检测、回馈整线制程调控等等技术特徵；此外，可做到接单后最快24小时内生产完成、且产品可靠度达到99.99885%的德国西门子Amberg工厂，以及靠着设备智动化冲高人均年产值的日本Fanuc，也都是相当典型的例子。

藉由这些案例，钟裕亮剖析工业4.0智能工厂之核心技术，含括制程可视化(攸关品质与流程)、具存储器之产品(产品主导制程)、制造业标准化的通讯协定、预万亿式设备健康监测与诊断、工业辅助学习与作业、分散式控制的虚实整合系统，及数码制造与设计。

至于个中蕴含的关键技术项目，则涵盖了资通讯软硬件平台(含云端、异质网络整合、信息安全)、传感技术(含传感器与传感网络、RFID与室内定位、观测器(Observer)与感知融合(Sensor Fusion))、混成式(Hybrid)系统建模？模拟？预测技术、系统监别(System Identification)与在线调整(On-line Adaptation)技术、大型系统回授控制与决策技术、自然人机界面技术、人机协同(人机共工)机器人、最佳化演算法、人工智能、大数据分析。

结合加工物理性质模拟  提升加工效率

总括而论，环顾工业4.0智能制造，不可或缺的核心即是CPS。钟裕亮说明，CPS在制造领域的技术涵盖面甚广，举凡物联网、无线网络、传感器、致动器，乃至于软件方面的有限元素分析(FEM)、CAD/CAPP/CAM、PLM/MES及Apps，都可归纳于CPS范畴。至于CPS在制造领域的要求，则可区分为四项要点，包括了1.品质：良率学习曲线短，生产履历无纸化；2.成本：提供生管、品管实时数据库给客户，以提高价格竞争力；3.功能：线上监控，内建预万亿诊断功能；4. Time to Market：热插拔生产(Plug & Produce)，Mixed-Model生产。

有关CPS化机械模块范例，一是CPS嵌入式减速机，其具备模块Plug & Produce、模块间 M2M、智能可靠度等三项特色，分别意谓着减速机特性曲线的数码化？内建化、传感器？处理器？通讯模块嵌入化、寿命监测？预万亿？诊断功能内建化。另一例是CPS嵌入式螺丝，其受力－变形特性曲线亦具备数码化、内建化，故而结构零件即是传感零件，自然亦已嵌入了传感器与处理器，大幅降低整合难度。

上述例子，主要是从智能化组件角度来诠释CPS，若从设备端来看，则是藉由设备CPS加上IoT，以提升加工效率以及执行线上服务，具体而言，主要是结合加工物理性质模拟、实时在线量测与回授、设备模型与参数数据库，以求持续精进且维持加工效率。譬如应用数码制造切削模拟及最佳化技术，进行高效率加工，同时均化刀具切削力、稳定主轴负载，以提升加工效率、刀具寿命及加工品质。

其余堪能彰显设备智能化的典型例子，即是工具机智能化软件，包括主轴监控系统、在线颤振回避与参数优化系统、在线实时制程解析系统、稼动率监控系统，乃至于在线实时防碰撞系统…等等。

CPS搭配IoT  实现整厂产线优化

至于从制程观点来演绎CPS，则是利用产线CPS加上IoT，来达到制程优化，也就是结合智动化、机器人、自动光学检测(AOI)，及建立产线校准技术与加工数据库、产线加工信息实时模拟分析系统，提供整厂产线优化。例如航太精密加工，即开始利用虚实整合系统应用技术提升高值金属加工产能，结合高端CMOS光学影像传感器进行在线量测、几何公差自动判读回馈等技术，解决多数制程无法连贯与自动化整合的问题，可有效缩短检测时间达70%。

而在汽摩托车零组件产业部份，则透过建立加工知识库、动态加工特性分析与加工参数调控及整厂整线产品制程与检测数据分析，解决机台间差异所带来的制程变异影响；借此缩减废料达50%以上，亦可缩短加工制程设定时间、提升生产效率逾三成。

此外具体的CPS应用技术，还包括了旨在促进12寸半导体晶圆厂生产自动化的「SECS/GEM 300mm联网技术」，用于弥补现今机器人夹爪欠缺智能传感功能的「智能触觉传感夹爪技术」，以及能以简单性能指标表示主轴健康状态的「晶圆研磨机主轴预万亿诊断技术」。