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RobotSmith: 打造研磨拋光機器數位職人

刊登日期：2021/08/01

摘要

金屬製品產業為製造業之龍頭，產業鏈以聚落形式、高效分工聞名國際，但近年來普遍面臨人口老化趨勢使勞動人口漸少，加上研磨拋光屬於「骯髒」Dirty、「危險」 Dangerous、「辛苦」Difficult的3D產業，讓年輕世代不願意投入接班傳承，導致世代斷層日漸嚴峻。因此機器數位職人在勞動密集型和高風險工作中扮演很重要的角色，並適合導入在研磨拋光製程中。藉由學習老師傅的「腦」、「手」、「眼」的技藝，透過數位化軟體將老師傅的技藝轉移給機器人。有鑑於台灣產業困境與轉型需求，工研院機械所團隊推出研磨拋光機器人品牌RobotSmith，提供整體軟硬解決方案，並以自有軟體EzSim完成機器人模擬及路徑參數最佳化、搭載感測器實現製程品質要求、並透過專利獲證設備定位技術實現虛實整合。期許在這波數位轉型浪潮中，以精實的技術能力，攜手台灣廠產業共創新頁。

Abstract

Metal product industry is a leading industry of manufacturing, and this industry chain is world famous for its settlement and high effective operation. However, metal product industry faces the problem of labor shortage in recent years. Furthermore, this industry’s status are dirty, dangerous, demeaning, also known as the 3D, so many young generations are unwilling to devote to this industry. As a result, generation gap is more severe than before. Therefore, the digital robotic artisan plays potential and important roles on labor-intensive and high-risk jobs, especially for grinding and polishing process. By learning the skill of craftsman’s brain, hands and eyes, the digital software solution can transfer these skills to robots. To overcome these industrial challenges, ITRI MMSL robotic group roll out a new brand of grinding and polishing robot called RobotSmith. The digital software EzSim provides many modules such as robot simulation, toolpath generation/parameter optimization, quality diagnosis and cyber-physical integration for industrial needs. We expect that RobotSmith can use cutting-edge technologies to create new era with Taiwan’s industries.

前言
金屬製品產業為製造業之龍頭，產業鏈以聚落形式、高效分工著稱。根據經濟部統計處統計，金屬製品業自100年至108年之工廠家數、員工人數、營收年平均成長率，各項營運指標表現皆優於整體製造業。相較於99年，工廠家數增6,186家(平均年成長3.7%)，員工人數增12.8萬人(平均年成長4.5%)，營業收入亦增3,114億元(平均年成長2.8%)。其中又以金屬刀具及手工具業、金屬加工處理、螺絲螺帽與為成長主要貢獻來源[1]。產業雖多屬中小企業，憑藉上中下游分工及純熟的生產技術，締造外銷佳績。
在亮麗的營收成長數據背後，金屬加工產業的3D惡名並未得到顯著改善，「骯髒」、「危險」、「辛苦」的環境讓年輕世代卻步，加上人口老化趨勢使勞動人口漸少，廠商面對的困境無疑是雪上加霜。同樣為金屬製品，水五金、廚具產業亦面臨缺工困境。其中金屬製品製程中，鑄件、鍛件成形後的二次加工：研磨拋光，由於工件表面複雜，高度仰賴人工經驗，完美的成品表面有賴人工即時且細微的手法調控，從工件外型判斷、耗材切削程度、接觸方向角度、施加壓力大小等，涉及一連串經驗判斷。在人口老化及疫情影響下，更凸顯此類勞力密集工作面臨缺工及世代斷層現況之嚴峻。切削、研磨、拋光、去毛邊相關物料移除工序在IFR應用分類中[2]，隸屬為加工應用(Processing)。在市場報告指出，機器人加工應用市場雖然目前導入數量仍偏低，其複合年均增長率高達19.6%(2020~2025)，為眾多應用之首[3]。此外視覺感測、力量感測技術及軟體輔助亦有助於機器人系統中各構件有效整合，機器人能夠以更細緻的動作突破複雜工件表面加工門檻，亦達成各產業製程品質要求。
在台灣相關金屬製品產業中，不乏廠商已預見製程轉型迫切需求，並導入機器人系統，但系統整合涉系統硬體建置、軟體輔助、週邊感測器輔助、工序製程知識，導入後面臨技術承接斷層，加上維護成本高昂，導致設備閒置，無法發揮功用。國際間亦有系統整合商提供整解決方案，有的從精密加工跨足機器手臂整合、抑或將特定產業成功應用經驗發揚光大，種種案例都是值得台灣廠商在轉型時的借鏡。有鑑於台灣產業困境與轉型需求，工研院機械所團隊推出研磨拋光機器人品牌RobotSmith，提供整體軟硬解決方案，主要機器人系統產品為MiniCube與MegaCube，並以自有軟體EzSim完成機器人模擬及路徑參數最佳化、搭載感測器實現製程品質要求、並透過專利獲證設備定位技術實現虛實整合。期許在這波數位轉型浪潮中，以精實的技術能力，攜手台灣產業共創新頁。
國外研磨拋光機器人系統介紹
1. AV&R
AV&R自1994年成立總部位於加拿大魁北克省聖布魯諾的AV&R Inc.公司[4]，意味著整合自動化、視覺與機器人，其建置的機器人加工系統應用領域跨足航空發動機葉片拋光、骨科醫材等，此類產品皆具有高價值、公差更嚴格與研磨拋光品質一致性要求高的特點。圖1為AV&R機器人加工系統，其系統特別之處為強調其系統最大差異化點為允許無機器人專業知識的操作員對系統做調整與變更，主要原因為其自主開發兩項軟體BrainWave與OwlVision。BrainWave界面提供使用者友善的製程參數調整介面，具備線上與離線中調整加工點位、進給速度、力量值等製程參數，取名意旨此軟體為控制系統的中樞。OwlVision軟體提供系統視覺量測與檢測的功能，具備調控影像擷取參數、校正參數、瑕疵辨識容許度，同時無需編程先備知識，降低使用者門檻。AV&R以自行開發軟體與硬體系統，應用於機器人高值與高質的產品供應鏈中，奠定其國際機器人系統整合商的品牌。

圖1 AV&R機器人加工系統

2.SHL AG
SHL AG 公司[5]創立於1989年，總部設於德國的圖特林根，創立至今已有32年的歷史，員工人數約95人，核心產品業務為自動化研磨、拋光與去毛邊的系統建置。其應用產業跨足汽車產業、廚房與衛浴、醫療行業。在建置系統中的機器人選用搭配Fanuc與ABB，SHL AG主要強項是在機器人系統周邊的設計如砂帶機、拋光機與夾爪設計等。導入智慧砂帶機概念，除了接觸輪與膠輪使用外，尚有千葉輪、菜瓜輪、麻輪等使用，且研磨機可偏擺任意角度避開機器人工作死角，並能感應接觸力量，最佳化調整進給量、加工速度，藉此確保研磨或拋光工件的表面品質。另外SHL AG最經典案例莫過於在人工髖關節的研磨拋光案例，如圖2所示。此系統採用KUKA機器人，在夾持人工髖關節後會進入測量設備量測，針對夾持誤差進行即時的路徑修正。另外砂帶機具備著張力感測及補償功能，機器人在研磨過程中會調控接觸輪的力量，即時調整人工髖關節與砂帶間的接觸力，以確保研磨品質。在使用拋光機進行表面的拋光處理後，最後機器人會接著進行一項附加的表面處理程序。另外近年來SHL AG也極力改善傳統機器人手動教導改用離線編程的方式，SHL AG有深厚的研磨domain-knowledge與周邊設計的能力，其系統已導入3214個真實系統案例，是國外知名的研磨系統整合商品牌。