基於虛實整合機器人系統增強自行車車架零件生產製造

摘要：本文強調機器手臂在工廠自動化中的關鍵地位，它們具有無與倫比的靈活性、精確度和自主操作能力，有效地消除對人工勞動的需求。我們已經開發了一個自行車車架製造系統，包括切割、研磨和檢測工藝，相較於傳統手工方法，這象徵一個重大的進步。先進的硬體和軟體架構的整合，以及創新的技術，如基於YOLO的缺陷檢測和AE信號分析，有助於優化自動化製造流程。其中，YOLOv7的缺陷識別準確率更是達到了驚人的98.03%。這項研究不僅展開了對機器人系統有效性的開發，還為各種製造應用中採用先進的機器人系統提供了基礎。
Abstract：The article emphasizes the crucial role of robotic arms in factory automation. They possess unparalleled flexibility, precision, and autonomous operation capabilities, effectively eliminating the need for manual labor. We have developed a bicycle frame manufacturing system that includes cutting, grinding, and inspection processes, representing a significant advancement compared to traditional manual methods. The integration of advanced hardware and software architectures, along with innovative technologies such as YOLO-based defect detection and AE signal analysis, helps optimize the automated manufacturing process. Among them, the defect identification accuracy of YOLOv7 has reached an astonishing 98.03%. This research not only advances the development of effective robotic systems but also provides a foundation for the adoption of advanced robotic systems in various manufacturing applications.
關鍵詞：機器人、深度學習、自行車產業
Keywords：Robot, Deep learning, Bicycle industry

前言
臺灣有著「自行車王國」的美名，在全球享有穩固的聲譽。隨著近年自行車零組件出口頻創佳績，我國成為全球第二大自行車零組件出口國，出口金額逐年成長。在新冠肺炎疫情的影響下，健身防疫概念提升，加上休閒運動、綠色環保風潮盛行，歐美政府鼓勵與補助自行車產業措施，帶動自行車買氣及零組件需求，使2021年自行車零組件出口金額成長56.6%，達25.2億美元，再創歷史新高。根據工研院產科國際所資料(2021)，如圖1所示，臺灣自行車產值在2020年來到歷史新高—新臺幣 736.2 億元，2020 年出口金額前五大零組件為自行車車架前叉及相關零件(6.1 億美元)，臺灣自行車生產數量約為400萬輛車架。行政院國家實驗研究院(2022)指出，電動自行車於2021年在美國銷售量超過了電動車和混合動力車的總和，美國在2021年進口了約79萬輛電動自行車。根據 Precedence Research數據，至2030年底，全球電動自行車產業的價值預計激增至409.8億美元。全球電動自行車2020總銷售量約為250萬輛，依工研院產科國際所(2021/08)資料指出臺灣國內2020/1-10月度銷量約為 61.7萬輛，平均單價為1,295.9美元。目前，全國共有930家業者，其中臺中和彰化兩地占了近81％。臺中以大甲為中心，逐步擴展到外埔、后里、神岡、豐原、大雅和潭子等地，共有408家業者，占全國的43.9％。彰化則以大村鄉為起點，延伸至彰化市、員林市、和美、秀水、鹿港、福興、溪湖等地，共聚集了341家業者。目前，臺灣不僅擁有捷安特(GIANT)和美利達(MERIDA)兩大品牌，還有30多家組車廠及880多家零配件製造商。

圖1 臺灣自行車產業產值

臺灣自行車製造產業目前面臨多重的挑戰，包含了換線困難、生產彈性化、缺工與危險料材等。儘管已有部分機器人自動化的成功案例，但在切換生產線時，由於眾多需要調整的製程參數，仍需花費大量人力與時間來調整機器以達到穩定的良率。此外，疫情期間來自中國大陸的急單和少量多樣化需求急劇增加，彈性化生產線的必要性逐日上升。在此情況下，臺灣自行車產業卻面臨嚴重的缺工問題，尤其在研磨拋光等領域，老師傅的退休與年輕人的排斥都使得工作人口逐年減少，產生技術斷層。另一方面，追求輕量化的自行車產業不可避免地面對鋁鎂合金—一種在加工中容易產生塵爆的材料。鋁鎂合金兼具高強度與輕量的特性，極度契合高性能的自行車製造，然而，鋁鎂粉塵具有高度易燃性，在特定濃度下遇到火花或高溫時可能引發爆炸，對生產環境和工作人員的安全構成嚴重威脅。我們的解決方案是建構虛實整合的CPS(Cyber-Physical Systems)機器人製造平台，推動軟硬體的國產化，從而突破缺工的困境。不僅能提高生產彈性，還能減少對人力的依賴，以此解決目前產業面臨的多重瓶頸。
系統架構
1. 硬體架構
本系統硬體設置如圖2所示，包括鋸切站、研磨站和檢測站，詳細的系統規格資訊列在表1中。在鋸切站，使用 Yaskawa MOTOMAN-YR-MC02000-J00 機器人通過鋸切機對工件進行切割，由於鋸切的精度將影響後續的研磨和檢測過程，本系統採用 FLIR BFS-U3-63S4M-C 工業相機檢測切割標記位置，並通過座標轉換補償機器人路徑，將工件可能的放置偏差弭平，以此控制鋸切面的精度在0.5 mm以內。
在研磨站使用Yaskawa品牌的 MOTOMAN-GP180-A00 機器人通過研磨機對工件進行研磨。

圖2 機器人自行車車架零件製造系統的硬體架構