未来工厂将更多工作交给机器

1、未来工厂将更多工作交给机器半导体科技将自动化与智能化带入了工业生产在线，让工业生产的速度与 效率大幅提升。尽管因此抢走不少劳工的饭碗令人诟病，然而迈向更先进的 自动化产线，甚至是更高一层的无人工厂愿景，却依然是所有工厂企业主追 求的目标。半自动化vs智能化机器与人不同，想要让机器顺利运作，就必须给予一堆指令。自动化的意 义，也就是让机器能够知道在什么地方，该进行怎样的动作，而不出错。加 入更多的指令之后，能处理的事情就更多，且能更早预期会发生的事。只不过，机器与人毕竟不同，当人累了会知道需耍休息，但机器若没给予 休息的指令，会一直不断做下去。因此，指令在人的认知里是理所当然的是, 对机器来说却

2、完全不然。而从自动化到智能化，其实就是不断给予更多的指 令，让机器能更有效率地做出更正确的前期判断，使其提高生产效能、加快 测试速度，或者提高机器寿命、并减低人员的伤亡。不同指令给予机器不同 程度的进化，然而最终目的，都是希望让机器的行为更接近人类。当然，要让机器高度自动化，甚至智能化，所需要的指令将会非常庞大。 倘若数据量多，信息处理又分属于不同的平台，不仅对于整体一致性将产生 很大问题，甚至可能会超过核心平台本身的负荷量。工业自动化所打造的平台，其设计的初衷就是希望能让整个系统透过同 个处理核心，来进行讯号的判别与运动的控制。就像人也是透过同-个头脑 去处理所有的事情一样，如此可将错误产生

3、的机率降至最低。工业自动化3大方向自动化当然是工厂生产的利器。在工业自动化一途上，有三大重要发展方 向。包括性能提升、降低成本、与功能安全。在性能的提升上，目前不论是 智能电网，或者智能化生产工具等，都强调高性能，包括节能减碳、更有效 率等，以达到节能减碳的目的。在降低成本上，关键在于单芯片的使用，以 及多轴化控制。特别是多轴控制，过去丁厂所使用的机器手臂，多半只有四到五个关节。 而未来的工厂自动化，为了更有效率并降低成本，需要设计结构更为复杂的 机器手臂，可以同时间多轴同时工作，而不像过去那样，不同的轴只能分时 工作。至于功能安全的强调，其实是广义生命安全的保障，这已是世界的趋势。也就是如何

4、保护机器不损坏，人员不能伤亡。因为口动化生产线如果需要经常维修保养，停掉一条产线，将造成很大损失。此外，机器如果经常发生问 题，不只设备本身易受损伤，也易造成人员伤害。多轴化是产业升级关键在机器人产业中，常见到的机器人种类包括delta robot,以及工业产在线的机器手臂。若着眼的是工业自动化市场，则机器手臂就是口前重众所注口 的焦点了。因为工厂自动化能进展到怎样的程度，就端视机器手臂的技术层 级。为了捉高工业产线的自动化程度，目前机械手臂朝向多轴化发展是最主要 的趋势。多轴化，顾名思义就是在同一只机械手臂上，有多颗不同马达同时 或分时进行动作，其目的就是为了让同一个产晶，可以在同一条生产在

5、线就完成生产流程的所有工作，不必分多道产线来进行，如此可以节省庞大的人 力与时间成本。只是，为了达到多轴化的目的，机械手臂上的马达轴数就必须非常多。这 些不同的马达，或许同时连动，或许分时动作，然而关键就在于能互相配合。 也就是某个轴旋转到了某个特定角度时，另几个轴都必须到达相对的位置上。 其屮将会牵涉到多轴旋转时间差的复杂运算，这也正是拥有并行处理能力的 fpga,比起仅能进行串行处理的cpu或mcu,在工业自动化领域更具有优 势的地方。例如拿半导体封装厂的产线来看，进行芯片封装作业时，机械手臂的运作 是非常复杂的，最多可以需求到60多轴的运作。也就是在同一条产在线，若 要打好-个封装，必须

6、同时进行60几种动作，其中将会牵涉到非常复杂的机 械动作。在加工的同时，当-个轴转到某角度时，其他轴都必须配合到达特 定位置上。这种相对的动作，正是机械手臂设计上，最为复杂的部分。又例 如直升机的螺旋桨叶片，切割吋必须同吋进行五轴的连动。除了机械手臂会 自己转动，切割刀也必须同时旋转，是非常复杂的多轴同时连动加工。就工业自动化来说，越多轴的应用，越能把产线加工的层级，再往上提升。 透过复杂的多轴加工，可以让产品更有变化性。这也是匚业自动化的趋势。机器视觉重要性日增在很多情况下，匚厂作业员经常会因为疲劳与人类的错觉等因素，导致透 过人眼检视容易出现问题。ni的机器视觉开发模块，便是专为开发布署机

7、器 视觉应用而设计。其中内建数百笔函式，可透过多部相机撷取影像，并透过强化影像、对象定位、识别对象、量测零件，并检验对象是否存在，以便图 像处理作业。事实上，在机器手臂上增加传感器，例如加入ccd视讯模块，來让机器 正确动作与定位，或者加入传感器，让机器的运作变得更灵敏与聪明，是工 业自动化重要的发展方向。目前labview机器视觉开发模块，可透过多部相 机与机器视觉软件来撷取并处理影像，因此可减少维护成本与开发时间，如 需更换硬件，也只要汇入现有程序代码即可。这套开发模块最大优点，就是能以-整套完整的算法来处理影像，不论是 药品包装的光学文字辨识(ocr),或是检验太阳能面板的瑕疵，都能透过

8、机器 视觉开发模块的算法数据库，来解决各种机器视觉应用的难题。工业以太网地位举足轻重在一个自动化工厂中，包括工业以太网(industrial networking)可程序逻 辑控制器(plc)、伺服驱动器、10、hmi等，都是极受重视的项目。以台湾出 口产品中最知名的工具机台(cnc)为例，一个完整的车床、洗床、磨床等，儿 乎涵盖了以上的所有关键组件。在这些关键组件中，工业以太网的角色举足轻重。因为在工厂自动化产在 线，信息的传递都是透过工业以太网來进行链接。工业以太网不只能用于工 业自动化，包括运动控制、智能电网、高铁车厢、捷运闸门连贯、纺织机、 工具机等，都是工业以太网的应用范围。工业以太

9、网的传输线与一般pc所使用的以太网络线相同。传统的工业传 输线路，包括地址线、数据线与控制线等，必须采用一大捆的并行线路，但 透过工业以太网，只需要一条线就可以传送命令來控制数据，不需要使用数 量庞人的线材。而工业以太网也拥有工业应用所需要的容余、以及时间定时 管理等功能，尽管工业以太网与家用的pc以太网并非完全相同，然而其精神 是-致的。对于工业以太网，各家大厂都推出自有标准。例如西门了的自有标准为 profi net、美国的 rock well 标准叫做 ethernet ip、德国 beckhoff 推的 是ethercat奥地利的b&r则主推ethernet powerlink

10、,每家大厂都推出自 有的协议，其心态无非希望市场都來使用自家的协议，如此一来，可以球员 兼裁判，但也导致市场的标准纷乱无章。各家厂商尽管都有自家标准，但为了市场占有率，也必须支持其他厂商 的协议。只是工业以太网标准如此繁多，又该怎么做？目前市场上存在许多解决方法，例如采用asic,但只能选择固定种类 的协议。有些厂商则将各种不同协议做成小型的模块，因应客户需求，更改 模块来支持不同协议。但缺点是必须针对不同协议，做出多种模块，不只成 本提高，在管理上也不具灵活性。这些方式，尽管都能解决问题，但都不是 最佳的方案。其实要解决这些问题，需要一颗fpga就够了。fpga由于是可程序逻 辑芯片，因此要什么协议，只需要把该协议的ip写入fpga里就能支持一次 搞定，完全拥有弹性与灵活性。无人工厂不是梦从自动化到智能化，工业纶产线的终极目标，就是要能打造出真正无人的 作业环境。然而这究竟只是个梦想，还是真有实现的一天呢?其实一般来说， 机器都需要透过人类的程序撰写，使其进行动作。目前已有许多机器人，开 始拥有智能学习的能力，可以透过经验来使其更进化。让机器有学习功能，其