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布局產業機器人 台灣機會與挑戰何在?
 

【作者: 王明德】   2018年08月23日 星期四

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受到中國大陸產業結構改變、美國製造業回歸本土等因素影響,近來台灣傳統3C代工業「競爭力」大不如前。其既已無法僅靠著過去在海外逐廉價勞力而居,憑藉「人口紅利」彌補代工組裝相對微薄的獲利模式,吸引國外買主,智慧製造成為台廠求生必經之路。並隨著新一代智慧型手機、平板電腦問世,出現多樣大批量生產的「機海戰術」;直到現今品牌業者紛紛壓縮產品上市時程,不斷推出更趨多樣、平價化的中低階機種,以符合新興市場的消費者需求,對於如工業機器人等自動化設備的彈性、速度要求也與日俱增。甚至在部份應用領域上,可發現生產線改為全用機器人或人機協同作業,其實比用人更符合成本效益。


政府與民間攜手 提升競爭實力

過去因為自動化產業經常伴隨著大量生產的民生基礎工業而起,歐、美、日等國業者皆拜當地鋼鐵、石化、紡織、航太、汽車等產業所賜,發展腳步較快且成熟。但相對較晚興起的3C產業則為了降低成本,而將大多數產品的代工生產、組裝等製程委由亞洲地區的台灣、東南亞、大陸業者,或直接設置海外生產基地,促使台商於3C產業自動化發展掌握相對優勢,如鴻海甚至可望在未來美國製造業回歸本土之際,扮演關鍵角色。


行政院行政院近年來推動的「智慧機械」政策,也有別於上世紀80年代第一次生產自動化階段,僅為了因應當時標準化、大量生產的需求,取代人力所不及的工作,如3K(髒kitanai、辛苦kitsui、危險kikem)等產業。從90年代至21世紀初的產業自動化及電子化發展,以逐級提升業者工廠自動化、電腦整合製造能力為主,解決接下多樣少量的代工訂單後,須頻繁修改設備製程、控制程式,增加時間、人力的成本,進而提高產品良率,但這與智慧機械仍有差異。



圖1 : 機械人與工具機等生產設備組成連續生產線,可減少人力需求。(Source: Schneider Electric )
圖1 : 機械人與工具機等生產設備組成連續生產線,可減少人力需求。(Source: Schneider Electric )

傳統自動化是大量生產型,導致如印刷、紡織、飲料等產品的客製化成本高,3C產品則要求多樣少量化,且強調特殊及差異化,又須用自動化生產,所以希望加入視覺定位、力覺控制系統,以達到彈性自動化生產,兼顧個性及差異化需求。


自動化邁向下一步智慧化

新的作業內容已從以往單純的上下料、搬運等重覆性工作,擴及運轉範圍應能避開人員,進行精密高速之組裝、加工(研磨、拋光、去毛邊)、檢驗等。並因此加入機器視覺辨識,則讓業者上下料前不必預先分檢、排放整齊;強化力量控制,即便機器人夾爪不像人手靈活,也能取放任何形狀的物品,不必擔心組裝撓性工件時出錯。


足以因應現今智慧手機、平板電腦等消費電子產品個個都需要成千上百道工序,才能組裝完成內部數百個零部件;加上代工廠商勢必大批量生產,要想全部由機械人代勞而投資的金額與時間,恐怕所費不貲。且從技術上分析,也難以快速加工或組裝產品上越來越多特別軟(線纜)、小(螺絲)或細(電容)的工件。


加強系統整合 降低人力成本

配合目前工業自動化系統已從固定式Rigid(Fixed)、可程式(Programmable)、彈性(Flexible)自動化系統不斷演進,年產量則依序自50,000件以上、10,000~20,000件、10~500件縮減,對彈性化程度要求遞增。機器人除了陸續衍生出X-Y type、水平/垂直軸及平行結構等多款專用機種,更進一步從單機朝機器人為核心之「作業單元(Robot Workcells)」發展。



圖2 : 機器手臂早期是為了因應當時標準化、大量生產的需求,取代人力所不及的工作。(Source: Raconteur)
圖2 : 機器手臂早期是為了因應當時標準化、大量生產的需求,取代人力所不及的工作。(Source: Raconteur)

即利用系統整合技術,使機械人與工具機等生產設備組成連續生產線,以減少人力需求,包括透過視覺辨識與定位技術輔助作業,進行工件之2D/3D定位,使機器人可直接夾取工件;經由腕部加裝的力量感測器(Force sensor),感測力量並回饋控制,使機器人可沿著曲面研磨或拋光加工。同時掌握高靈敏度電流感測轉換力覺技術,能以馬達靈敏的電流感應技術回饋電流訊號變化,轉換為力量感測技術。此外,機器人加入機電整合應用時,控制器或系統亦須足以滿足多軸同步控制需求,可進行多機器人協同工作。


產業結構變化 產業機器人需求上揚

產業機器人在國際上發展已20年以上,也培育出不少歐、美、日系大廠來瓜分市場。經濟部當時則有鑒於大多數國外業者均隨著汽車等重工業發展,開發所需大型工件,但台灣廠商最大利基是擁有發達的3C產業,且以往在產線上需依賴龐大人力,尤以後段組裝製程為最,包括插件、鎖固螺絲、卡榫扣件組裝,以及去毛邊、拋光等作業。因此外移到中國大陸、越南等地,利用其廉價人力資源,衍生出綿長供應鏈。


但到了後期開始感受到大陸產業結構變化,遭遇各省調漲薪資;加上20年來當地「一胎化」政策導致人力來源越來越稀少,家長也過度保護孩子的結果,使得合格人力日益短缺,衝擊3C產業鏈,導入自動化也變得更為重要。


現今許多台廠在大陸接單後,因缺工導致開工率可能只有7~8成,無法100%消化手上訂單。只能就現有人力採三班制輪班,負擔加重造成工作條件不佳、人員更易流動,反而形成惡性循環,當需求由人工轉向自動化,須導入以產業機器人為核心之自動化技術,便形成機器人產業的藍海。



圖3 : 近來台灣傳統3C代工業「競爭力」大不如前,已無法僅靠著過去在海外逐廉價勞力而居。(Source: The Business Times)
圖3 : 近來台灣傳統3C代工業「競爭力」大不如前,已無法僅靠著過去在海外逐廉價勞力而居。(Source: The Business Times)

但機器人除了因成本考量,不可能取代全部人力;目前也只是希望彌補缺口,不至於擴大勞工失業率。包括工研院在內的台灣產研機構為因應產業需求,近年來逐漸由服務型機種轉向,開發多款產業機器人,希望在未來5年內,可以自動化彌補人力缺口。


3C大廠與設備製造業者應用現況

目前國內3C業製造大廠正崴、仁寶、光寶、鴻海、廣達,與設備製造業上銀、台勵福等均和實驗室密切合作,獲許多大廠廣為採用,業者也積極申請科專、成立研發聯盟或簽約協同研發技術,已成為台灣機器人產業重要的自主技術來源。


由於3C業者未來若無法自行掌握自動化核心技術,許多製程將可能因此外洩,也方便後續自行保養、維修,使得許多企業希望能逐步由內部人員掌控,卻不是現有組織就能滿足,而必須投入很多資源。目前工研院已對此提供共用技術,但後續如何應用?也和內部製程有很大關係。


因機器人畢竟只是一種基本工具,未來若想擴大市場,應用技術將是重要發展方向,該實驗室也正積極開發3C產業各種後段組裝應用領域。如目前業界主要遭遇的難題是系統整合技術,必須搭配如上下料、視覺定位、力覺控制、夾爪等周邊自動化系統整合,完成使用者要求的工作,才是發展Robot Workcells應用技術重點。


過去用人力組裝時,雖然也會搭配周邊自動化系統,但因為人具有較高作業彈性、因應問題的能力強,系統整合較為簡單、低成本。所以導入智慧自動化製程後,周邊系統還要重新設計、修改、開發,才能符合機器人的性能限制,使運作更為順暢。業者認為,智慧自動化的系統與傳統自動化最大差別在於,產業導入可程式控制的機器人後,使用者與工程師能透過Robot language編輯想要的動作,模擬不同領域應用。有別於以往純機構設計,只能靠凸輪、氣壓缸的固定動作模式。


此外,企業也必須對內部進行大改造,確保製程合理化、零件標準化,以符合自動化要求。否則,零件若不標準,將造成自動化系統龐大負擔,業者應要求上游提供標準化零組件;製程合理化則涉及前端產品設計便要納入Design Automation概念,配合機器人作業形態、操作模式,以降低後段製造、組裝階段自動化成本。藉此帶動產業鏈上下游同步改善,對於使用者或供應者,都是重新建置產業鏈的商機。


**刊頭圖(Source: Sastra Robotics)


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