產業技術評析

一、2018日本工具機展概要(JIMTOF)
 

日本國際工具機展(以下簡稱JIMTOF)於2018年11月1日到11月6日，在日本東京國際展覽中心(Tokyo Big Sight)舉行。日本是工具機第二大生產國，也同時身兼第四大消費國，具有在工具機產業舉足輕重的地位，因此每兩年舉辦一次的JIMTOF更是全亞洲甚至全世界工具機的焦點，自1962年起至今年已經是第29屆，主辦單位為日本工具機工業協會，是全日本最大的工具機展。
 

2018年JIMTOF展之主題為「接軌未來，技術的大樹」，整個東京國際展覽中心可分為東西兩館和會議中心，東館由工具機廠商領軍展示金屬切削、成型和放電加工等的整機，或是自動化單元以及相關輔助工具如CAD/CAM等軟體廠商。西館則是以零組件為中心展示主軸、刀具、分度盤、量測儀器和齒輪專用機及磨床砂輪等，如下圖一所示：
 

資料來源：JIMTOF官網（2018）
圖1 JIMTOF 2018展場分布圖
 

二、工具機相關技術發展趨勢
 

在本次的JIMTOF展覽中，最受到關注的技術發展趨勢分別是透過IoT和ICT等通訊技術將生產流程可視化進而方便管理、更彈性的製造流程、高度自動化、加工機能的複合化以及3D列印。而針對高精度、高加工效率、少量多樣生產、簡化人力、可靠度及安全性、節能、和縮短產品交期和維修服務等終端用戶需求，工具機整機和零組件業者都紛紛提出如何將加工流程最佳化的方案，以下是一些標竿廠商參展的例子，將以技術發展趨勢作為分類。
 

(一)滿滿的物聯網平台
 

JIMTOF 2018 有特別規劃物聯網專區如圖2所示，超過70家出展廠商共同展出，將各家不同的物聯網平台，連接至該專區，以網頁式的方式呈現給參觀者，透過滑鼠點選機台便可以知道目前機台的運作狀況、攤位編號甚至加工程式等資訊，展會中也出現大量的物聯網服務廠商，大部分都著墨在連網後的可視化和管理，展會的特別演講也邀請iSTC的副社長分享客戶ASAHI(汽車零組件製造)，在導入前後所帶來的效益，該公司目前已經有180個成功服務案例，其中80%是中小企業，而從現場參展機台看來，物聯網平台由FANUC的Field system市占率最高。
 

資料來源：工研院產科國際所（2018/11）
圖2 JIMTOF展之物聯網專區螢幕牆和其中包含的物聯網平台
 

(二)彈性製造
 

1.富士機械（FUJI）─模組化量產線
 

將入料檢驗、車加工、鑽孔加工、雷射打標、量測、清洗等工序模組化，除了有效縮減以前佔地面積較大的生產線，並且能依照客戶的需求將每個模組做彈性排列組合，並且能夠快速的複製，一方面達到工程集約的效果，也增加生產時的彈性，同時也可以透過今年開發的LAPSYS工業物聯網平台監控機台的運作狀況。
 

資料來源：工研院產科國際所（2018/11）
圖3 富士機械DLFn模組量產自動化線
 

2.DMG MORI-AVG ROBOT RV3
 

身為全球第一大工具機廠商，本次JIMTOF展包下東8館，共展出22台工具機和周邊自動化設備，其中最吸睛的一個部份就是彈性自動化生產單元，由AGV搭載機械手臂在加工機台和檢測機台間傳遞工件。一開始的工作料台並沒有精密的定位，主要是藉由機械手臂的視覺功能作取放，這種自動化型態除了多個機械設備對應一隻機械手臂以減少手臂的建置數量及成本外，也可以針對運送路線作相當彈性的調整，是因應未來少量多樣生產流程自動化的一種解決方案，這種搭配其實在物流產業的發展已經相對成熟，而應用在工具機產業只有DMG MORI和MAKINO這兩家標竿廠商有相關應用在展覽展出。
 

資料來源：工研院產科國際所（2018/11）
圖4 DMG MORI AGV Robot RV3
 

(三)高度自動化
 

OKUMA搭配關節型手臂的自動化解決方案
 

針對關節型機械手臂上下料提出ARMROID和STANDROID兩種方案，ARMROI是將機械手臂內嵌至工具機中，並且利用自家控制器OSP-P 300A控制機械手臂，除了可以輔助上下料之外，還可以噴切削液和在較長工件加工時的相關輔助作業，而另一種型態的自動化生產單元STANDROID，其運作方式和DMG MORI的ROBO2GO一樣，都是將機器人和儲料盤等設備結合在一個1,200 mm * 2,000 mm的空間，透過簡單輸入作業開始點和結束點，即可完成自動化生產的設定，由這次展覽中的自動化趨勢可以看出，工具機業者希望藉由使用者友善（User Friendly）的方式，讓終端使用者不須透過系統整合商，即可完成一個自動化生產單元，形成一個新的商業模式，搶占自動化產業的市場。
 

資料來源：OKUMA官網（2018/11）
圖5 OKUMA自動化解決方案（a）ARMROID （b）STANDROID
 

本次JIMTOF展覽中，僅展出單機功能展示的攤位已經不多，大部分廠商皆以工具機搭配機械手臂上下料作展出，另外在工件管理包含自動工件交換(Auto Pallet Change)和工件庫(Pallet System)、刀具管理包含刀具自動交換(Auto Tool Change)搭配刀具狀態確認的感測機制，讓整體加工達到省人化或無人化，除了縮短生產時的非加工時間提升稼動率，也可以降低人為操作疏失。
 

(四)加工效率和加工精度的提升
 

標竿工具機廠商今年都有展出針對模具產業的加工解決方案，模具產業由於加工時間長，表面精度和粗糙度要求較高的特性，對於工具機的要求自然較高，也是展現產品功能的指標。
 

1.MAKINO 針對模具後加工新增拋光功能
 

MAKINO除了V90S採用多軸主軸頭的設計，將原本需要佔地面積相當大的模具加工，縮減為一般立式加工中心的大小外，並且針對切削加工結束後，需要後處理的研磨、拋光也能可以刀把形式方便機上後加工。
 

2.三菱重工 ATOS機上影像測定
 

針對模具加工精度提升的解決方案，藉由機台本身的主軸冷卻機構及機台結構、伺服馬達零背隙驅動及刀具檢測等功能提升加工精度之外，加工完後利用非接觸的ATOS影像量測取代接觸式量測，並加量測數據回饋至機台進行補正，縮短交貨時間及提高加工質量。
 

資料來源：三菱重工官網；工研院產科國際所整理（2018/11）
圖6 三菱重工MVR系列搭配ATOS機上量測
 

3.OKUMA 機上雷射修補方案
 

OKUMA提出模具產業的解決方案MCR-S機型中，除了強調新款主軸切削加工時間較舊機型有25%的提升，加上1μm以下的表面精度，另外還有針對機上雷射修補的工程集約方案，企圖解決對於模具產業在加工時所面臨的加工時間長，表面精度要求較高，和減少笨重工件因為修補或熱處理上下料的需求。
 

資料來源：工研院產科國際所（2018/11）
圖7 OKUMA 機上修補雷射機構
 

四、智慧製造技術在工具機產業的應用
 

未來製造業的轉型已經勢不可擋，在展會中也都有相關的標語像是自動化和工程集約、生產力向上、省人化、可視化這些已經普及的概念，也有針對目前技術發展還在試水溫的一些新興智慧製造技術，包含關鍵零組件的感測、數位雙胞胎、和AI製程改善和預防保養等技術的展出。
 

1.TOSHIBA搭配專用語音助理ATHENA
 

由iTSpeeX開發的ATHENA是首款專為製造工作而設計的語音輔助技術。ATHENA旨在簡化原本使用觸控面板的人機介面，降低操作員的進入門檻，在今年芝加哥IMTS展首度相，在JIMTOF展中則是和TOSHIBA合作展示，現在功能演示是相對簡單的工具機操作指令，目前針對較複雜的動作還在開發當中，目標是解決應用產業專業人力短缺的情形，和Siri和Alexa等發展已久語音助理不同，因為製造業技術要求較一般民眾使用較高，開發成本也相對高，因此在產業接受度來說還是未知數。
 

資料來源：工研院產科國際所（2018/11）
圖8 TOSHIBA和ATHENA共同展示照片
 

2.FANUC AI熱位移補償應用
 

控制器大廠FANUC則是除了應用AI在監控機器手臂的減速機和工具機主軸（Robodrill）的狀態來達成預防保養之外，也在嘗試用人工智慧優化加工時的參數，例如工具機常常遇到的熱變位導致加工品質不佳的問題，已經可以利用機械學習去決定熱變化量的計算式並自動補償位移量確保加工精度，FANUC於去年11月發布首台線切割放電加工機ROBOCUT應用AI熱變位補償功能之後，第二台應用該智慧製造技術的ROBODRILL也於今年3月發布，與原有功能相比，加工精度提高了約40%。
 

五、結論
 

製造業為了提高獲利能力和縮短新產品上市時間及提高產品品質等目標，正面臨越來越多改變。同時，少量多樣的生產模式，也讓工廠開始思考如何減少對固定裝配線和固定資產的依賴，導入一些新的技術像是工業物聯網、邊緣運算等工具來幫助傳統製造業產業升級。
 

由近期展會之參展產品可以看出，工具機產業的趨勢大致朝向：機台關鍵零組件監控確保加工品質、機台設計的方面則是都有往集約或是減少上下料時間的的趨勢、彈性多元化的自動化。而在應用產業的部分來說，更多廠商將航太、醫療及能源列入未來的重點發展項目，3D列印和雷射加工的比例有提高的趨勢。
 

智慧製造技術目前在工具機的應用：積層製造(Additive Manufacturing)、人工智慧(Artificial Intelligence)、擴增實境(Augmented Reality)、數位雙胞胎(Digital Twins)、邊緣運算(Edge Intelligence)、工業物聯網(IIoT Platform)、機器人(Robotics)等技術都在逐漸的有一些實際的應用案例出現。
 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)