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產業技術評析

中國大陸工具機市場的需求趨勢
發表日期:2018-08-22
作者:葉立綸(工研院)
摘要:
先進國家的工具機產業發展現正從數位化與自動化朝向協同製造與智慧製造的方向演化。

全文:

一、中國工具機市場發展趨勢
 

先進國家的工具機產業發展現正從數位化與自動化朝向協同製造與智慧製造的方向演化。因此這些國家包含德國與美國等,在既有數位化與自動化的單機基礎上,為提升製造業的生產效率,與因應少量多樣的製造型態以及未來就業人口數減少(主要原因為人口老化與少子化)的環境,提出工業4.0與工業互聯網等方案,藉此整合工廠內部資源(包含機器與設備系統的資訊、工人的技術與知識)與市場的需求訊息,發展智慧化的生產模式,滿足人類更好的生活品質。
 

從2018年六月於北京所舉辦的第十四屆中國國際機床工具展覽會(CIMES2018)主題「匯智能裝備,集互聯協同」可以看出為使得中國可以持續邁向製造強國,數位化的機器設備將是眼下中國在提升製造裝備能量的第一步。中國將循序透過數位化製造、資訊互連解決方案與智慧製造系統的三個階段,升級其製造業之能量,以提升製造高附加價值產品的能力,成為名符其實的製造王國與強國。
 

另一方面,隨著中國各領域的產業結構調整、工業 4.0技術升級以及戰略性新興產業的逐歩壯大,所產生的市場需求和技術進步雙重作用下,製造行業用戶對高端數控工具機的需求急劇增長。近幾年來工業機器人與數控工具機的整合應用發展迅速,各種不同領域應用的形式不斷擴展,為當前中國工具機智慧化潮流帯來新的推動。並預計汽車、航空、航太、軍工、船舶、軌道交通、海洋工程、醫療器械、家電、工程機械與模具等工具機的使用者行業,對於固定設備投資増長率在未來 5~10年內將保持増長,因此中國市場對於工具機暨零組件及相關配件的總需求保持穂定増長,尤其是高端數控工具機的増長將更為迅猛,為中國的高端裝備製造業迎來新一輪的發展機遇。
 

二、中國金屬加工自動化需求
 

隨著中國市場發展與加工技術的深化,機台除了數位化之外,為了進一步滿足生產效率與產品製造品質的提升,將於數控工具機的機械結構基礎上整合不同的加工功能與工藝技術。機台整合的標的會依據終端製造產業的需求,包含(工藝、工序、機台結構與功能以及加工方式)進行融合與集成,以創造出適用於加工現場的高性能和高效率機台產品。以下介紹重點國際大廠於CIMES2018展會中的自動化整合的產品展示內容,以了解中國大陸對於自動化製造單元的需求。
 

(一)DMG MORI
 

DMG MORI為提供客戶自動化解決方案,未來其產品線在出廠時,將一站式地搭配標準自動化系統或量身訂制的自動化系統。並且該公司為加快針對未來自動化解決方案的發展,將與HEITEC股份公司成立合資公司“DMG MORI HEITEC”。憑藉完美合理搭配的模組解決方案,為客戶提供完整整合的自動化系統。首先介紹由該公司的萬能車削中心CLX 350搭配桁架式機器手臂GX 6進行上下料的自動化製造單元。搭載於CLX系列機種的全新GX 6桁架式機器手臂,是以NLX系列桁架式自動化系統為基礎開發而成,可運送的最大工件重量達6 kg。同時桁架式機器手臂的控制功能已整合於CLX機台的控制系統中,如圖1所示。
 

圖1 CLX 350搭配桁架式機器手臂GX 6進行上下料的自動化製造單元

資料來源:工研院 產科國際所 (2018/06)。
圖1 CLX 350搭配桁架式機器手臂GX 6進行上下料的自動化製造單元。
 

其次為立式加工中心CMX 1100 Vc搭配Matris的自動化製造單元。此單元除了立式加工中心外,其中Matris的自動化系統包含六軸的關節式機器手臂(FANUC 710ic)與工件裝卸托盤(工件裝卸站)以及刀具庫(刀具裝卸站),此製造單元是在中國的DMG MORI天津工廠所生產的,專為中國市場特別打造的。CMX 1100 Vc也是DMG MORI為滿足中國市場要求所開與製造的立式加工中心機。
 

圖2 立式加工中心CMX 1100 Vc搭配Matris的自動化製造單元

資料來源:工研院 產科國際所 (2018/06)。
圖2 立式加工中心CMX 1100 Vc搭配Matris的自動化製造單元。
 

(二)HAAS Automation
 

介紹由「HAAS Automation」之立式高速加工中心,產品型號為VF-2SS-V與產品型號為ST-10Y-V的數控車床以及FANUC 1000i 的六軸關節型機器手臂所組成的製造單元。此展示的目的可以提供同時使用車床與銑床的加工業者,自動化上下料的應用案例。型號VF-2SS-V的加工特色為:(1) X / Y / Z 軸最大行程分別為762 / 406 / 508mm;(2) 主軸鼻到工作臺的最大/小距離為610 /102mm;(3) 工作台面積(長X寬)為914 X 356mm;(4) 主軸輸出功率為22.4 kW;(5) 主軸最大速度為12,000rpm;(6) 最大扭矩為122Nm;(7) X /Y / Z 軸最大快速進給速度為35.6m/min;(8) 最大進給切削速度為21.2m/min;(9) 動力刀位數量為30把;(10) X /Y/ Z 軸最大推力為8,874/8,874/13,723N。而此工具機之功能與效益為:(1) 能夠在中型占地面積中實現40 錐度的重切削能力;(2) 40 錐度的主軸配備 22.4 kW的向量驅動系統,該系統為重切削提供了122Nm扭矩;(3) 15"彩色液晶顯示器。銷售價格為429,888人民幣,約2,129,440元新臺幣。
 

關於車床的部份將介紹HAAS Automation公司所展示的為配備Y軸車削中心的CNC車床,產品型號為ST-10Y-V產品的加工特色為:(1) 迴轉直徑為419 mm;(2) 夾頭尺寸為165 mm;(3) 最大切削直徑為356 mm;(4) 最大切削長度為406 mm;(5) Y軸行程為±51 mm;(6) X / Z 軸行程為200mm/406 mm;(7) X / Y / Z 軸快速進給速度為12 m/min /12 m/min / 30.5m/min;(8) X / Y / Z 軸最大推力為10676 N /10231 N /16458N;(9) 主軸轉速為6000 rpm;(10) 最大扭矩為102 Nm;(11) 12刀位混合式刀塔。而此工具機之功能與效益為:(1) 所有鑄鐵架構均採用有限元素分析法(FEA)進行優化,以達到最強的剛性,從而提升了切屑和冷卻液的流動,簡化了保養和維修;(2) 可選配簡單易用的自動刀具探針,以便於設定和檢查刀具偏置,和檢測刀具勞損;(3) 刀具分度快速,縮短了加工週期;(4) 可選配12 刀位混合刀塔或VDI 刀塔。銷售價格為563,888人民幣,約2,819,440元新臺幣。

圖3 HAAS Automation立式加工中心、數控車床與機器手臂所組成的製造單元

資料來源:工研院 產科國際所 (2018/06)。
圖3 HAAS Automation立式加工中心、數控車床與機器手臂所組成的製造單元。
 

三、中國綜合加工機需求
 

中國近五年(2013-2017)進口綜合加工機金額的變化趨勢,於2013-2016年間除了2014年的進口金額成長外,其餘各年皆呈現衰退現象。然在2017年開始呈現成長的情形,相較於2016年成長22.4%,進口金額為35.4億美元,同時去年的綜合加工機進口金額亦超過2015年的綜合加工機的進口金額,顯示中國綜合加工機亦在歷經刺激政策的消化期後再加上產業結構轉型下所產生的新需求。
 

(一)OKUMA
 

在本次展會上,隨著中國大陸五面強力加工的領域正在急速擴大,OKUMA展出了MCR-A5CⅡ五面加工龍門式加工中心,此機種特色為於大型零組件加工時,可節省空間且具有高性能的加工中心。並擁有易於操作的機械設計,超出預期的高精度和剛性,能夠實現全自動多面加工。產品的規格為:(1) X / Y / Z /W軸最大行程分別為3,200~12,200/ 2,600~4,100 / 800/ 800~1,200mm;(2) 有效門寬為2,150~3,650mm;(3) 工作臺表面至主軸端的最大距離為1,450~1,850mm;(3) 工作臺作業面的大小為1,500×3,000~3,000×12,000 mm;(4) 工作臺的最大承載重量為12,000~66,000kg;(5) 主軸轉速4,000 min-1;(6) 主軸馬達功率為26/22(30分/連續)kw;(7) X /Y / Z 軸最大快速進給速度為30/32/20 m/min;(8) 切削進給速度為1~10,000m/min;(9) W軸進給速度(橫樑升降)為3,000mm/min;(10) 刀具最大長度為400 mm;(11) 刀庫容量為50把。
 

圖4 OKUMA  MCR-A5CⅡ五面加工龍門式加工中心

資料來源:工研院 產科國際所 (2018/06)。
圖4 OKUMA MCR-A5CⅡ五面加工龍門式加工中心。
 

(二)Mikron
 

Mikron MILL E 700 U是一款高效的五軸銑削加工機,採用堅固、穩定的C型鑄鐵床身結構。憑藉大尺寸導軌和雙支撐的回轉擺動工作臺,可生產出高品質的零件,並以更好的排屑速度實現最佳效率。Mikron MILL E U系列是汽車、能源和發電以及通用機械行業的外協加工工廠和零件製造企業的最佳選擇。
 

Mikron MILL E 700 U高效五軸加工中心產品特性為 (1)工作臺承載能力達450 kg; (2)主軸扭力為120 Nm; (3) 40 mm導軌; (4)40 mm直徑滾珠螺桿; (5) 可選擇採用HEIDENHAIN或FANUC控制系統; (6) X/Y/Z 加工行程為 700 /600 /500 mm。其效益能夠讓用戶輕鬆擁有五軸加工技術,快速收回投資。它的配置靈活多樣化,滿足從單機到自動化生產的各類應用要求,並且重載、精密及動態銑削性能提高10%。透過機械手臂介面和回轉工作臺實現整合協力廠商的自動化系統。並透過該公司的加工方案的拖盤庫(WPC 10)實現自動化整合,如圖5所示。
 

圖5 Mikron MILL E 700 U高效五軸加工中心

資料來源:工研院IEK (2018/06)。
圖5 Mikron MILL E 700 U高效五軸加工中心。
 

四、結論
 

中國大陸的經濟發展已由高速增長階段轉型向高品質的階段發展。然而該市場一直不斷深化改革其供給側的結構,尤其是針對強化自行製作加工高附加價值產品的機台設備與其所需的刀具及量測儀器,如此才能真正落實達到由製造大國轉型升級為製造強國的目的。換言之,現階段中國在轉型期間所需的中低階至高階數控工具機,仍需要依賴國外進口或是國際大廠於當地設廠所提供。因此臺灣的工具機產品除了精進機台的製造技術外,其能透過與中國大陸的終端應用市場合作進行機台產品的開發,真正與大陸製造業轉型需求緊密貼合,以持續維持現有市場的競爭優勢。
 

對於臺灣工具機的整機廠而言,提供優質平價的機器手臂與工具機所組成的自動化製造單元或自動化生產線,將可以迎合中國大陸現階段汽車及其零配件製造業所需的彈性自動化生產線,並且現階段臺灣也已具備機器手臂與工具機之整合技術,因此工具機業者可以設備製造的專有技術與掌握汽車零組件製造之工藝流程,並透過整合自動化設備與設施建立自動化製造單元或生產線,以提供使用者交鑰匙工程,且擴大既有工具機的應用,提昇產品的附加價值。
 

然而提供Turnkey Solution的重點在於機台連線(M2M),以及機台設備與自動化設備連線的部份,因此臺灣可以藉由提供中國大陸汽車零組件製造商所使用的自動化生產線或自動化製造單元之際,將工具機與機台內的Sensor及相關所使用的自動化設施(包含機器手臂、無人搬運車與自動倉儲等)之通訊協定的格式與定義先行製訂,以迎接中國大陸因工資上升與缺工所產生工廠自動化需求的商機,不過在制訂的過程中需要藉由產、官、學、研攜手合作,在既有厚實的資訊科技產業基礎上,結合ICT業者、工具機廠商與自動化設備商,共同發展工具機與所需的自動化設備之通訊協定格式。
 

(本文作者為工研院IEK執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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