解决制造业者痛点 传感器导入成果立竿见影

2017-06-05 21:34:33来源: EEWORLD 关键字:传感器

虽然工业3.0让制造业进入自动化生产的时代,但目前制造业在日常营运上,还是有许多挑战跟难题亟待解决。感测技术将是这些棘手难题的有效解答,而且效果可说是立竿见影,因而促成了工业感测市场的兴起。

工业4.0内涵包罗万象,处在不同领域的业者,对工业4.0概念往往有不同的诠释。 事实上,工业4.0本质上就是个结合机械、机电与资通讯技术等跨领域专业的概念,因此,个别厂商对此概念的诠释有所出入,本来就无可厚非。

然而,为避免陷入瞎子摸象的危险,在思考工业4.0时,应该先厘清最根本的问题:工业(制造业)到底是由哪些环节所构成? 现阶段这些环节各自面临什么挑战,又有何因应对策? 从这个基础出发,才能把工业4.0彻底想清楚。

工业生产四大痛点有解

工业生产是由四大基本环节所组成:加工、组装、检测与物流,制造业者的工业4.0到底是什么? 相关转型该如何规画与执行,轮廓便会清晰起来。

 
在加工环节,所涉及的设备型态主要是各种工具机与帮浦、马达等厂务机电设备。 对制造业者而言,现阶段在加工环节所遇到的最大问题,主要来自设备零件的老化跟自然损耗,导致生产线所制造出来的产品质量逐渐劣化,甚至在设备无预警故障时,所带来的巨大损失。

为了解决这个问题,许多设备业者都开始推出各种感测、监诊方案,试图在机台设备故障前提供一定的预警机制,甚至更积极地将感测技术应用在制程管控上,在产品质量逐渐劣化,甚至已出现瑕疵品时,就在第一时间提出警告,而非等到品管阶段才来把关。 因为,当瑕疵品进入品管流程时,前段机台恐怕已经生产了大批瑕疵品。

至于在产品组装环节,目前制造业者所遇到的最大问题在于人工操作难以彻底标准化、产线缺工。 为此,很多业者开始导入机器手臂,希望藉此减少生产线的人力需求,不过,对某些需要精密作业的产业来说,目前的机器手臂在精准度方面仍有不足。

有鉴于此,近来开始有机器视觉跟工业相机业者与机器手臂厂商配合,利用机器视觉技术来引导手臂运作。 这种新一代的机器手臂又称为视觉引导机器人(Vision Guided Robot, VGR)。 在机器视觉的辅助下,这些机器手臂不再仅按照预先编写好的程序代码来运作,同时也会参照视觉检测的结果来控制其运动,因此可以执行更多对精准度要求更高的任务。

在品管检测方面,可以分成产品品管与厂务巡检两个次领域。 产品的品管工作传统上是由人工操作,因此跟产品组装一样,会出现难以彻底标准化的问题。 而且,随着终端产品越来越讲求轻薄短小,所使用的零组件或组件已经细微到必须靠放大镜才能看得清楚,因此,很多产品的品管检测需求已经超越了人类眼力可以负荷的范围。

机器视觉跟工业相机在这方面,也提供了非常有效的解答,而且相关应用发展得比VGR更早、更成熟。 很多制造业者早已在品管检测流程中导入自动光学检测(AOI)系统,来提高品管流程的效率跟标准化程度。

至于厂务巡检方面,传统上都是由人工抄表或厂务人员拿着手持式仪器到现场量测,不仅效率低落,而且很容易出现巡检上的死角,特别是在某些环境非常恶劣,人员不宜久留的场所,靠人工巡检的问题更大。

因此,在厂务巡检方面,藉由部署在厂区内的环境传感器单元来进行实时监控,并透过机器对机器通讯(M2M)或工业网络技术将数据不断传上后台,进行分析汇整。 至于在仍须由人力巡检的部分,扩增实境(AR)辅助工具则是一个正在萌芽中的趋势,但相关应用还需要一段时间酝酿才能普及、成熟。

在仓储物流方面,视制造业规模大小跟产品属性,有些产业还是可以仰赖人力进行搬运跟仓储管理,有些则已经被迫导入自动化系统,例如自动搬运车跟条形码扫描系统。 但仓储管理这种工作本质上是劳力密集的工作,而且相当枯燥。 因此在少子化趋势,劳动力越来越短缺的情况下,制造业者终究要做好导入自动化的心理准备。

感测单元需求殷切 半导体业者积极布局

检视上述四大工业生产环节所面临的问题跟解决方案,在工业4.0中,各式各样的传感器显然将成为不可或缺的基本元素。 包含编码器、声音传感器、影像传感器、温/湿度计、加速度计、流量计等,都将成为未来制造业不可或缺的基本配备,并为相关电子零组件跟半导体组件业者带来庞大商机。

据工研院IEK预估,全球工业用传感器的产值将从2016年的25.4亿美元成长到2020年的40.5亿美元,2015∼2020年的复合年增率(CAGR)达到13.2%,高于整体传感器市场同期的11.3%。

也正因为工业传感器市场将出现强劲需求,在半导体产业整体成长趋缓的情况下,很多厂商开始加强相关领域的布局力道,甚至不惜推动大规模块织改造,将公司的未来发展押宝在工业感测领域,前者如亚德诺(Analog Device, ADI),后者则以奥地利微电子(AMS)为代表。

亚德诺可说是微机电系统(MEMS)传感器产业的开山鼻祖之一,且伴随着消费性电子产品、行动装置对麦克风、加速度传感器的需求快速爆发,该公司的MEMS业务曾一度是由消费性电子产品跟智能型手机两大支柱所支撑。 但由于需求快速成长,加上进入门坎相对较低,消费性MEMS传感器市场很快就陷入红海竞争,必须要靠经济规模来取胜,且利润十分微薄。 有鉴于此,亚德诺的MEMS传感器业务已朝工业应用转型,并先后将消费性MEMS传感器产品线卖给其他业者。

奥地利微电子的转型则比亚德诺更为极端。 奥地利微电子本来也是一家拥有完整模拟组件产品线的半导体供货商,但近年来该公司不断进行大规模块织改造,目前已经成为一家以传感器,特别是工业传感器为主要应用市场的半导体公司,其主要产品线包含各种环境感测、磁性侦测、影像感测、流量感测方案,至于无线通信、电源管理等产品线,则是以传感器的配套形式继续经营。 与感测无关的产品线,则大多已经出脱给其他业者接手。

有鉴于消费性MEMS传感器市场的价格战没有止息的迹象,即便是目前在消费性MEMS领域有市占率优势的Bosch Sensortec、意法(ST),也开始将眼光投向工业级MEMS传感器市场,并陆续推出相关解决方案。

感测技术有助台湾工具机产业脱胎换骨

台湾的精密机械产业跟半导体产业一样,都具有相当强的国际竞争力。 世界第三大工具机集团友嘉,就是台湾在工具机等精密机械领域的代表性厂商。 因此,提到台湾工业传感器的市场需求,不能不谈工具机产业的发展需求。

在传统工具机迈向数字化、智能化的过程中,感测技术也是不可或缺的要角(图3)。 在工具机的日常运作中,刀具磨耗与内部核心零组件状态监控,是对感测模块潜在需求最强的两大领域。 其中,刀具磨耗监控的需求,更会对工具机带来明显的加值效应。
 
工具机本质上是切削设备,其运作离不开刀具。 因此,在加工过程中,刀具磨耗甚至崩坏、断刀,都是无可避免的问题。 而且,在刀具质量随时间劣化的过程中,其所加工的产品质量也会跟着下滑,因此,不用等到崩刀、断刀等直接导致机台停摆的事件发生,就会对工具机用户造成负面影响。

有鉴于此,工具机业者对于刀具状况的监控需求最为殷切,监控手段也最为多元,从力觉传感器、红外线传感器(针对温度进行监控)到声纹辨识技术,都能派上用场。

负责驱动刀具的马达、传动轴等工具机核心零组件,其健康状况也是工具机业者必须密切监控的环节。 这部分主要是透过噪音、振动跟温度监测手段来实现。 在马达等驱动装置故障前,最容易发现的征兆就是异常噪音、振动与异常的温差现象,藉由监控这些物理量,工具机业者可以有效掌握机台的健康状况,并实现早期预警,避免客户在产在线遇到无预警停机。

除了上述几种感测手段之外,光学感测、电流感测也会被应用在工具机内,主要是用来提高伺服马达的定位精准度,并进行故障预警。

整体来说,与工具机直接相关的传感器需求,横跨了力学、光学、声学、电化学及热学等诸多领域,若把工具机上下料所使用的自动搬运车涵盖进来,则磁性传感器也是不可或缺的感测手段,因为有些自动搬运车是采取磁性来引导其行进方向。

关键字:传感器

编辑:王磊 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/article_2017060510702.html
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