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產業技術評析

2023年漢諾威展觀察-3D視覺檢測技術發展快速
發表日期:2023-05-10
作者:黃仲宏(工研院)
摘要:
因應永續未來的產品和解決方案上,有許多業者提供汽車製程的方案技術,本文將以應用於汽車製造的3D視覺自動檢測技術和齒輪加工技術來說明。

全文:

2023 HANNOVER MESSE(德國漢諾威工業展)超過千家的廠商展示工業相關的科技與產品,本屆的主題為【因應永續未來的產品和解決方案】,展出主軸含括「工業4.0的下一進程」、「數位與綠能雙轉型」、「能源的高效使用技術與儲存」等。其中我們觀察到在因應永續未來的產品和解決方案上,有許多業者提供汽車製程的方案技術,本文將以應用於汽車製造的3D視覺自動檢測技術和齒輪加工技術來說明。

一、工業用機器人的應用需求明確

一輛燃油汽車的現代化生產流程中,車體製造的多數製程已由工業機器人(機械手臂)進行。人力主要為輔助設備進行正常運轉與成品的檢驗工作。汽車生產就是工業機器人的典型應用。汽車生產從鋼捲沖剪開始,板金沖壓,車身沖壓,車體焊接與鉚接,車殼焊接與鉚接,車體噴漆,車體烤漆等生產工序中,90%以上已經相當程度的自動化,工業機器人扮演主要的製程設備。而關於引擎安裝,零件安裝,電路安置,汽車內裝安裝到最後的成品檢驗,則有運用自動化裝置輔助,或以人力為主。目前汽車產業已應用工業機器人執行製造的項目包括:1.鍛造車體之搬運:機器人解決了人仍需要設備搬運物體過大與過重的問題,直接使用機器人可以節省人力;2.板金切割:解決了人工切割的成品穩定度的問題;3.車體焊接:減少人在高溫,強光等危險環境的工作的問題,並提升的產品穩定度;4.車體鉚接:減少人在高溫,強光等危險環境的工作的問題,並提升的產品穩定度;5.邊緣研磨:減少了人受到粉塵,噪音的工作傷害,並提升的產品穩定度;6.車體拋光:減少了人受到粉塵,噪音的工作傷害,並提升的產品穩定度; 7.尺寸檢測:減少人工誤判的比率。

一家具規模的汽車製造工廠,常可見超過1,500台的機器人、板金沖壓設備、各式樣的沖壓模具、各式樣的運輸平台、各工作站的檢測設備、各工作站的定位設備、便於操作的軟體、配合各生產工序所需的夾治具、成品與半成品的倉儲系統、各種必要的感測裝置與系統整合。另外也觀察到許多的工業機器人業者也提供了IC製造上的各式應用方案,主要有:1.晶圓檢測:目標物微小必須使用機器檢測;2.成品自動化測試:功能太多,使用機器檢測較有效率;3.電子元件插件:使用自動化設備才可能達成每秒數個元件的插件,提升產線效率;4.晶圓搬運:避免人工搬運產生產品的傷害;5.大尺寸面板搬運:避免人工搬運產生的傷害,達成24小時作業的可能性。

圖1、使用機器人之必然性與反向取代條件

資料來源:工研院產科國際所 ITIS研究團隊(2023/04)
圖1、使用機器人之必然性與反向取代條件
 

圖1綜整出使用機器人之必然性與反向取代條件,上述的每一個要件都是工業機器人發展的依據,通常是使用廠商產生了某些需求,機器人供應廠商提出了解決的方案,並使得雙方均獲得利益,各種產業應用機器人裝置的需求就會產生,相對而言,下游的各項零組件產業就會逐漸形成供需。

二、車體製造完全自動化檢測

以應用面來看,應用於汽車製造的3D視覺檢測技術發展快速,以下我們看主要業者所呈現出的技術與產品。

量測專業廠商美國FARO展示高精度3D掃瞄器,透過藍光技術在數秒內完成掃描。內建運算器,可快速計算點雲資料。使用HDR高動態範圍與自動曝光,可量測黑暗與光亮的表面。對於高反光工件如拋光後之水龍頭表面量測,FARO表示需要先噴上消光粉,量測後再去除。整個特點是利用雷射打出藍光進行掃描(波長短、功率足、細腻易辨別),可針對沖壓件、板金件、鑄件,快速得到3D model,與原本的CAD比對,訴求是完全降低以人工做檢測而會產生的問題。FARO的雷射掃瞄測量檢測系統,號稱其為世界最領先的可攜式座標測量機,且是高精度的光學可攜式測量臂。
 

圖2、FARO光學可攜式測量臂快速3D車殼掃描降低人為量測誤差

資料來源:FARO(2023/04)
圖2、FARO光學可攜式測量臂快速3D車殼掃描降低人為量測誤差
 

GOM持續強化ATOS ScanBox產品在全車外殼與內裝的3D掃描技術,編號7和8系列是專為自動3D大型板金件或完整的車殼檢查所設計。針對彈性生產的特性,此量測系統可安裝在車體附近不同的位置。在原本6軸的手臂上,新增水平與垂直軌道,總共8軸的GOM適合整台車的內裝與車殼的檢測。

GOM是德國光學量測技術公司,特點是非接觸式的立體物件掃描器,一樣可針對沖壓件、鈑金件、鑄件做掃描,得到的3D model與原本的CAD比對,可做車殼的尺寸、孔位、曲度、大小的比對,搭配8軸機械手臂做全方位靈活檢測。
 

圖3、 GOM非接觸式立體物件掃描器搭配發那科機器人做車體外殼量測

資料來源:GOM(2023/04)
圖3、 GOM非接觸式立體物件掃描器搭配發那科機器人做車體外殼量測
 

LEONI是德國知名的量測科技公司,其6自由度雷射量測校正系統,利用雷射track,可快速校準各廠牌的工業機器人精度,並直接在生產流程進行過程中自動進行校正。LEONI展示的6自由度雷射量測校正系統技術,可在生產過程中,於15秒內進行與機器人夾具校準達6個維度,精度0.02mm,防水防塵等級IP67,適用於多家機器人,如KUKA、 ABB、 Motoman等。
 

圖4、德國LEONI機械手臂校正系統在生產過程中進行校準,自動修正機械手臂運動軌跡

資料來源:LEONI(2023/04)
圖4、德國LEONI機械手臂校正系統在生產過程中進行校準,自動修正機械手臂運動軌跡
 

此外在車體製造自動化檢測上較受矚目的還有KEYENCE Lumitrax的高速量測系統。KEYENCE為日本公司,其亦是感測量測技術的領導者,產品廣泛應用於各式工業生產線。此次展覽力推超高速攝影機、高亮度光源、以及快速處理器,要為機械零件的生產來解決1.物體表面,2.環境光,3.輸送時方向等光線變化造成的影像處理問題。它的作法為控制部分環形光從四種角度打光,並同步感測器取像,同時利用高速自動化分析,來解決傳統上以trial and error來選擇最佳化光源。

KEYENCE LumiTrax方法在不同的入射條件下,得到反射影像,透過影像分析來還原物體在光線均勻下之形貌。為了達到不同條件的入射光,需要增加高速控制光源。不過,為了同步取像與分析,需要另外增加同步訊號攝影機以及訊號處理的成本。
 

圖5、KEYENCE高速多角度攝影機

資料來源:KEYENCE(2023/04)
圖5、KEYENCE高速多角度攝影機
 

三、電動車齒輪製造的蝸桿砂輪磨齒機

本屆展覽的11、12、13館,主要是能源高效使用與儲能技術的展出,氫燃料也是被高度重視的主題。利用氫燃料槽來充氫燃料,就好像現今的汽油車加油一樣,可以用和加油差不多的速度完成充電。因此,氫燃料能成為石化燃料的替代品而受到矚目,不過目前關於氫燃料的生產和儲存,都有亟待克服的技術,氫燃料生產成本高是個問題,若要讓氫燃料在市場上普及,或許也需仰賴智慧機械量產技術的建立才行。

氫燃料電池未來勢必會為電動載具所用,30年後氫燃料電池的載具是否能佔全球車輛的1/4呢?目前的挑戰是氫燃料的保存、使用上的安全性、加氫站的設置,氫燃料車的普及是一個議題。一般燃油汽車的齒輪箱的動力源為引擎,但不管是電動汽車或是氫燃料汽車,兩者都是以馬達當動力源並使用齒輪箱(GearBOX)增加扭矩。齒輪箱又稱為變速箱,使用齒輪與齒輪系將一個旋轉的動力源轉換速度與扭矩到另一個設備。

從2021年全球電動車的銷量約為650萬輛來推估電動車齒輪數量;假設一年有250個工作天,則平均每一天生產的電動車齒輪將有10萬4,000個。若以此推估2023年全球生產 1,450萬輛電動車,那麼平均每天則要生產23萬2,000個齒輪。

電動汽車或是氫燃料汽車皆以馬達當動力源並使用齒輪箱增加扭矩,因此具備磨削靜音齒輪的蝸桿砂輪磨齒機成為電動汽車齒輪製造商所需的設備。蝸桿砂輪磨齒機的齒面拓樸與交錯及亂序的齒面磨紋技術需要複雜的數學推導與機台調適,這是高階齒輪設備商所必備的關鍵。

目前市面上的蝸桿砂輪磨齒機,一台動則數千萬元新臺幣,不過主要品牌都來自歐美,為因應未來電動汽車齒輪箱的靜音齒輪市場,具備高效生產與自動化功能也是蝸桿砂輪磨齒機的必備。電動車所需的精密齒輪研磨製造,已逕相讓歐美業者投入,主要供應商為歐美業者,也有中國大陸的業者,臺灣則是邁萃斯(MATRIX)。 這次的展會還有一個重點的探討是利用石油來運轉的汽車必須仰賴石油的開採及加工,在汽車運行的過程中也會產生許多的二氧化碳和微塵,雖然行駛中的電動車和氫能車沒有微塵的排出,不過在生產電池和氫燃料的過程中,亦需要用到傳統的石化能源且排出二氧化碳。因此,比起促進氫能車和電動車普及這件事,更重要課題應該是在生產的過程中最小化二氧化碳的排放。

四、結論

本屆展覽會可說是轉型智慧工廠概念之完整產業鏈平台的呈現。透過展會展示工廠構建高度靈活及數位化的智能製造模式去發展智慧製造,以創造加值服務並實現生產流程優化。著重在ICT、機械金屬、汽車等產業,聚焦在協作機器人、感測器、數據收集與分析、立體視覺量檢測等的應用。筆者看到立體視覺檢測技術快速發展,主因是現今影像軟體的進步推升了自動光學檢測的發展,幾乎都可工作在不可見光的光源下,例如x-rays、infrared,為立體物件外形做量測、瑕疵檢測;例如用在汽車生產工業上的鈑金件品質檢測,或是電子產業觸控面板的檢測。

許多國家對於碳排放基準的要求將日益嚴格,預期將直接促進新能源車的發展。全球相關產業已對汽車電動化的發展趨勢寄予厚望,彷彿是幾年前的智慧型手機對臺灣產業的影響,現在大家寄望新能源車的發展在未來數年能夠為自身企業帶來豐沃的業績,不只是汽車業,另外像是電池產業、電子產業、半導體產業、精密金屬加工業,都視其為新成長動能;對於工業機器人的製造業者亦是。

臺灣在3D視覺檢測技術的發展,以整個供應鏈來看,應是在上游半導體製造和下游的應用面有較多可著墨發揮之處,另外就是在應用面的發揚光大。臺灣的產業型態以中小企業為主,綿密的產業叢集串起了精密機械加工、IC產業、通訊產業、光學產業等。快速、整合、模式化的發展方式,應該較有助於臺灣產業中小型公司的發展。
 

(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)


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更新日期:2020-04-08

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