產業脈動｜機械設備IIoT 智慧感測生態系建立及發展

前言
台灣以具有完整的機械設備產業生態系而聞名全球，其中超過13000家的設備業者，完整及豐富的產業聚落，以及從零組件單元，模組化產品到整機製造，自動化整合的多元客製化及服務能力，更是全球少見的水平整合，上下聯結的範例。近年來，各廠商也持續發展智慧製造及智慧機械相關數位化功能，以提升產品的附加價值，從不同的面向，逐步邁向工業4.0。
然而，智慧化功能往往需要整合從硬體設計及製造，電子電路設計及控制軟體，到雲端系統的上下串聯，加上不同領域的應用domain know-how才能完成，推動的難度著實不低。因此，各設備廠商及自動化整合業者，均致力整合軟體技術，並打造雲服務，以提升附加價值。
此外，由於智慧化功能往往需要各種不同種類的感測器，以取得製程及環境的數據，並發展對應的分析軟體，以萃取出有價值的資訊。雖然智慧化設備需要許多的感測器，但目前工業用感測器及其應用在台灣仍不夠成熟，技術門檻及單價也過高，造成許多智慧機械的推展難以突破，資料分析技術也不易累積。
CNC設備感測器需求及缺口
以常見的CNC工具機(車銑床)設備為例，一台設備中，除了運動控制用的馬達編碼器，以及常見的各類光電開關外，為了加強整機或零組件的智慧化，經常還需要搭配以下各類的感測器：
1.主軸應用：包含加速度規(用以偵測刀具異常或破損，主軸軸承異常，刀具裝夾不順，主軸動平衡異常，加工顫振.等)，溫度計(主軸熱伸長量測)，渦電流計(主軸及刀具伸長量測)
2.馬達應用：包含加速度規(馬達異常偵測及壽命預測)，溫度計(馬達線圈保護)
3. 螺桿應用：包含加速度規(螺桿異常偵測及壽命預測)，渦電流計或位置感測器(軸向位移補償)，溫度計(軸向熱伸長補償)
4. 液壓及潤滑應用：壓力感測器(液壓泵，或末端壓力感知)，流量計(管路漏油，末端流量異常檢知)，加速度規(泵浦或待潤物異常振動)
5. 其他應用：加速規或Hall sensor(機台防撞檢知)
唯有透過感測器的裝設和應用，才能收集各類資料，讓各組件創造多元的資訊，進而達到智慧預診及生產管理優化的目的。近年來，許多關於智慧預測與診斷系統(Prediction Diagnosis Performance System, PDPS)的研究，均基於以上的架構。如圖1所示。

圖1 PDPS架構

然而以上所述的感測器，由於需符合工業等級使用，目前多選用國外廠商的的產品。例如加速規市面上可能選用PCB，SDI，ST，SAFRAN等廠商，但也面臨到以下問題：
   1.性價比：單顆sensor配合轉換模組動輒3~5萬，且此為純硬體平台，還需考量分析軟體等成本，對於設備廠商而言，若要出貨標配安裝，價值鏈往往不容易被客戶所接受。
  2.平台開放性：許多軟體的特徵計算，需要感測器或控制器配合，開放部分算力進行邊緣計算，才容易達到高度整合。但目前以市售產品而言，sensor經過放大電路或轉換模組轉為數位訊號後，還需要透過機邊電腦進行模型特徵及後處理計算，資料開放及整合性均多有不足。
  3.整合性：由於工業等級sensor市面選擇較少，硬體構型及尺寸限制也較大，且經常不是針對機械零組件的需求加以設計，因此當需要在不同的產品或組件選用時，可能造成機構設計不易或商品化難度較高。
鑒於以上的需求及缺口分析，如何提供設備及零組件業者易於整合，具開放彈性，高可靠度，微型化，並能兼具產業性價比的感測組件，就是刻不容緩的議題。雖然以上各項條件看似魚與熊掌不可兼得，但近年來隨著半導體微機電製程及微晶片的高速發展，似乎有了一線曙光。