產業脈動 | 機械設備IIoT 智慧感測生態系建立及發展

作者:

 陳弘真、吳名清

刊登日期:2021/02/24

摘要:機械設備產業為台灣特色產業,除了原有的零組件、整機及自動化聚落外,近年更投入工業4.0及智慧機械浪潮。在其中,感測器由於價格較高,並且建立智慧預診功能需要搭配各領域的專業知識,因此尚不容易落地,形成產業規模。本文將探討如何透過感測器技術的發展,實現智慧感測生態系。
Abstract:The industry of machinery equipment is one of the characteristic industries in Taiwan. In addition to the matured cluster of machine systems and automated components integration, in recent years, Taiwan also invested in the new waves of industry 4.0 and smart machines across the industries. However in the area of smart machines with performance prediction diagnosis system, the commercialized key element sensors are not yet available due to the cost and lack of required expertise in various fields. This article will introduce how to build the smart sensing ecosystem through the development of MEMS sensors.

關鍵詞:工業物聯網、工具機、開放式感測器模組
Keywords:IIoT, Machine tools, Open sensor module

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。

…本文未結束

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