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機械工業雜誌

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生成式視覺模組導引機器人智慧研磨技術

作者 潘韋龍黎尚昆蔡承翰

刊登日期:2026/08/01

摘要

中大型鑄件如鐵路連結器之澆口去除、研磨與除鏽長期仰賴人工,品質受疲勞與經驗影響,潛藏 安全風險。本文整合 3D 視覺、AI 瑕疵辨識、自動換刀主軸與浮動研磨頭,提出適用於少量多樣鑄件之 智慧系統。系統採「感測 → 決策 → 執行 → 回授」架構,即便無 CAD 資訊亦能由點雲自動辨識待修區 並規劃路徑,加工後再經 AI 視覺檢出剩餘瑕疵並補修。實證顯示,1 m × 1 m 區域於 40 秒內完成掃描; 瑕疵辨識率達 91%;澆口由 5–20 mm 精修至 0.5 mm;導入後產能由每日 2 件提升至 3 件、人力減半,並 建立品質追溯機制。

Abstract

The removal of gates, grinding, and derusting for medium-to-large castings, such as railway couplers, has long relied on manual visual inspection and handheld tools. However, quality is often compromised by operator fatigue, workpiece variations, and experience-based inconsistencies, posing risks to fatigue strength and safety. This article integrates 3D vision, AI defect recognition, automatic tool-changing spindles, and floating grinding heads to propose an intelligent system for low-volume, high-mix casting production. Utilizing a “Sensing- Decision-Execution-Feedback” architecture, the system automatically identifies repair areas and plans robotic paths from actual point clouds, even without reliable CAD data. After processing, AI vision detects remaining defects for precision re-repair. Empirical results show that a 1m x1m area can be scanned within 40 seconds, with a 91% defect recognition accuracy. Gate height can be reduced from 20 mm to 0.5 mm. Post implementation, daily productivity increased from 2 to 3 units while halving labor requirements. The establishment of quality traceability mechanisms further confirms the system’s feasibility for intelligent and internationalized post-casting applications.

前言

鑄造產品廣泛應用於鋼鐵、能源、軌道車輛、國防與重型機械設備,其中許多零件具有大型化、厚壁化與客製化特徵。鑄件完成脫模、澆冒口切除與初步清理後,仍須經過表面研磨、段差修整、除鏽與瑕疵確認,才能進入後續熱處理、加工、組裝或交貨檢驗。以臺鐵 EMU800/900 區間車密著式連結器為例,連結器負責連接車廂並承受列車行駛中的縱向衝擊、拖曳力及反覆動載,若表面沙孔、裂紋或鏽蝕未被妥善清除,可能形成應力集中與腐蝕起點,進而影響結構可靠度。因此,鑄件後處理並非單純外觀修飾,而是關係安全、壽命與客戶稽核的關鍵工序。

然而,傳統修整作業高度依賴人工。現場常由兩位師傅操作砂輪機與手持工具,單件大型工件可能耗時數日;新進人員需長時間訓練才能掌握研磨角度、接觸力、刀具選擇與缺陷判斷。粉塵、噪音與重複姿勢也使職場環境不易吸引新血。更大的挑戰在於少量多樣:鑄件尺寸與型式差異大,且鑄造收縮、砂模狀態與澆注條件造成批次幾何偏差,即使有 CAD 圖檔,實際待修面也可能與理論模型不一致。傳統示教式機器人需針對每項工件反覆教點與驗證,離線編程又仰賴治具與 CAD 精度,因此在鑄造現場常因調機成本過高而難以普及,修整作業高度依賴人工。

本研究選用 PointNet++(深度點雲分層特徵學習網路,Deep Hierarchical Feature Learning on Point Sets)、RANSAC(Random Sample Consensus,隨機抽樣一致性)與 ICP(Iterative Closest Point)作為點雲辨識與路徑生成核心,主要是考量鑄件後處理場域具有三項特性:第一,鑄件點雲不具規則網格結構,且表面常存在粗糙、遮蔽、反光與局部缺損;第二,少量多樣工件常缺乏可直接使用的 CAD 模型,或實際鑄件與理論模型存在批次幾何偏差;第三,研磨路徑不僅需要辨識工件輪廓,還需取得可加工的曲面、邊界與澆口殘留區域。

因此,系統以 PointNet++ 進行點雲分類與局部特徵擷取,將工件本體、背景、治具及疑似待修整區域分離;再以 RANSAC 擬合主要平面、邊界與澆口凸出特徵,排除粉塵反光、治具干擾與離群點;最後透過 ICP 將多次分區掃描所得點雲配準至同一工件座標系,供後續路徑規劃與模型補全使用。相較於一次性自動化,本系統更強調「掃描 → 加工 → 檢測 → 再修整」的製程閉迴路,並以工單/配方、耗材紀錄與通訊標準支撐量產落地。

相較於單純以 CAD 或人工示教建立路徑,本研究的演算法設計強調由「實際掃描資料」直接推導加工區域。PointNet++ 的客製化重點在於配合鑄件後處理需求,將分類目標由一般物件辨識調整為「工件本體、背景/治具、澆口殘留、表面待修整區」等製程相關類別,並以現場掃描資料與人工複核標註建立訓練樣本,使模型能辨識鑄件表面的凸起、段差與局部缺陷特徵。

DOI:10.30256/JIM.202608_(521).0009

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