台灣工具機業如何使用CNC加工自動化

由於中美貿易戰及新冠疫情的影響,全球製造業面臨都前所未有的挑戰,其中包括工廠設備通訊介面之標準化與智慧化,加工線之自動化,生產系統資訊化等,因此提升工具機與網路平台的應用,與滿足不同客戶需求,變成CNC機械業首先面臨的關鍵議題,製造業在工業4.0的時代驅動下,不斷與自動化、物聯網、大數據、與雲端計算等技術結合,智慧轉型成為重要趨勢,連結從設計、生產、到服務每個層面,提升製造效率,降低生產成本,提高產品品質,促使整體工業環境進步,變成每個業者努力的方向, 因此,製造系統的整合:包括資訊科技,操作科技與通訊科技等垂直整合建置能力,透過設備監控、檢測修復、製造優化等應用,以提高效率,降低成本,這是台灣CNC產業共同努力的目標。

另外,日本生產製造業的策略動向,也值得我們密切注意關切,其中特別是豐田汽車執行董事岡田政道的演講,他以開拓未來的製造業為題,受到很多矚目,內容包括降低碳排放的電動車,以及豐田未來的製造策略,岡田先生首先強調的是物流系統,與倉儲搬運。他說:自動化是最後考量,讓人深度啟發。他認為搬運本身是典型的資源浪費,在生產線上應盡量以不搬運為原則,需要搬運時,則須改善陳列方式並縮短距離,以及減少批量,生產工廠必須先進行上述消除浪費,持續改善之後,最後才思考如何推動自動化。

其次,人工智慧是用在本質改善,一般應用智慧製造的企業,大多藉由機械來進行不良品的自動檢查,達到節省人力的目的,但他認為人工智慧是一個道具,運用它來分析數據,減少不良品的產出的本質改善,才是優先事項。

第三,數位轉型與物聯網,應以提升稼動力為第一要物,智囊製造藉由物聯網連結設備和生產線,就有能力進行遠端的細節檢測,但豐田汽車很早就有活用物聯網的經驗,進行生產線改善和達到豐田精益生產目標,使設備可動率超過98%,生產線剩下的最後2%問題,只能依靠人來解決,檢視這2%的問題,包括簡化設備,導入不易故障的機台,這意味著雖然應用物聯網可以達成可視化,但是先徹底改善設備,提高其可動率,才是第一要務。

因此機台的高精度與可靠度變成我們追求智慧化與自動化的入門門檻,如同學習國術前的蹲馬步一樣,而一台機器所展現的精度,是所有可能的誤差累積而來,整機的誤差來源有:(一)機台結構的誤差,結構受到自身重量及負載移動變化,會使材料做不同程度之變形,進而產生誤差,這個結構誤差,在設計時,以有限的元素分析即可知道有多大。(二)傳動系統的誤差,包括滾珠螺桿、線軌(滑塊與線軌配合之間隙誤差)。(三)回授及控制系統之誤差。(四)組裝的誤差,這包括了機台的直線度、平行度、垂直度、以及各個零組件的總和誤差。(五)溫度的誤差,一般來說,每溫度度上升1℃,鑄鐵會產生11UM以上的變形量,在加工過程中,刀具與工件因受熱而產生變形,一直是工具機的痛。(六)材料的變形。(七)夾冶具與人為操作之誤差,加工時夾冶具是否對稱,夾持力量是否均勻,環境是否有震動或其他的干涉等,都會影響加工之精度。(八)其他誤差,如測量系統,或是周遭環境因素,一部機器有固定的誤差,只要能夠重視就不是問題,可以透過控制器補償方式降低,真正困難在於這些誤差變動不一,也就是標準誤差範圍太大而無法控制,這才是真正的困難的挑戰。因此台灣數控機床產業要整體提升,不單是整機廠提升即可,供應商如零組件也須一起提升才行,所以一部精密數控機床,從設計、加工、組裝、測量、調整、補償、修正每個點都須加於注意。只憑經驗沒有理論,無法造出好的機台,反而只有理論沒有經驗,面對眾多零件,也是束手無側,因此,只有理論與實務的反覆推理驗證,才能做出理想高精度的機台,有了高精度高可靠度的機台,才能進入生產自動化與智慧化。

在台灣要發展智慧製造,股東會遇到以下四個困境:(一)自動化並不等於智慧製造:單純導入自動化設備,但缺乏設備升級,雲端數據及人工智慧的技術,無法發揮真正的效益,容易造成不必要的耗損。(二)智慧製造無法提升企業利益:這種情形通常是因為技術成果缺乏高經濟效益,無法負擔規模化的成本。(三)人才新舊整合:企業都要走路智慧製造,會面臨人力新舊調整的陣痛期,除了資料須轉移到新系統之外,內部人才也必須在訓練,以取得新系統之相關技能。(四)垂直整合:水平擴散的困境,在初期企業通常用單一專業來測試,雖然可以降低轉型風險與成本,但如果欠缺完整架構,會導致日後的困難,因為智慧製造是指具有資訊自感知、自決策、自執行等功能的先進製造技術,具體表現就在製造過程的各個環節,是徹底改變傳統的思維。

在過去傳統工業,1.0到3.0的時代,是以大量製造降低成本,在大量銷售的商業思維,然而隨著網路技術發展浪潮,資訊快速流通,市場追求新穎,獨特產品需求的時代,而傳統大量製造模式,已不一定能適用,加上人工成本日漸高漲,及少子化時代,對企業而言是龐大的負擔。今天台灣的企業必須結合網路與機械,就快速生產,產品少量多樣化,並深思如何降低成本,提升競爭力去因應市場的需求,才能生存。

工業4.0其實他的意識是第四次工業革命,綜觀工業歷史從工業1.0使用機器,出現機器代替勞力,工業2.0電氣為主力,進入電氣化時代,工業3.0電腦協助製造,進入數位控制時代,到了工業4.0得以智慧製造為革命重點,它將物聯網、數位化工廠、雲端服務、通訊等技術緊密結合,創造虛實整合的製造業,徹底改變傳統的製造思維,這是時代的潮流,為了生存,台灣CNC工具機業也必須順勢而為,而努力向前,才能力於不敗之地。

作者經歷簡介:宏健國際企業股份有限公司顧問張堅浚,美國德州達拉斯SMU博士、經濟部精密機械研究發展中心董事、台灣電腦機械公司創辦人及董事長,在台灣電腦機械公司董事長時,組成灣電腦機械公司經營團隊拓展國際外銷,第一家工具機外銷突破20億元,引導工具機業相繼拓展國際市場。

■ 宏健國際企業股份有限公司顧問/張堅浚