高齡照護市場之現況、趨勢與展望

文/工研院量測技術發展中心 陳建文、羅竣威

 

台灣為全球汽機車零件的製造基地,也是全球變速箱傳動軸齒輪等重要傳動轉向零件的製造重鎮,生產的產品供應給各大汽車車廠–Ford、Chrysler、GM、Honda、Toyota、HYUNDAI、KIA等,以及電動車龍頭–特斯拉公司等,同時也供貨給大陸各大車廠–長城、吉利、東南、海馬等。隨客戶品項規格愈來愈多,及產業面臨缺工危機,少子化趨勢造成大量聘雇外移勞工,不但在管理上產生問題,且因為自動化不足,需靠人工搬運和檢測,常有發生碰傷或漏檢的狀況,有瑕疵的工件有很高的機會流至下游客戶端,讓客訴成為目前非常棘手的問題,為解決這些問題,全線生產自動化已經是發展趨勢,且需要更智慧化的生產能力。

隨著廠商希望目前國內車廠相繼成立研發中心,帶動汽車上、下游相關產業發展。國際大廠釋出高成長的訂單,以台灣現有汽車零組件產業的技術能力,大有機會能再擴大參與國際分工。此時台灣如能掌握既有機械製造、電子電機、資通訊三大產業的優勢,持續導入生產力4.0 之方法,連接智慧機械/機器人(Intelligent Machine/Robot)、網宇實體系統(Cyber Physical System; CPS)、物聯網(Internet of Things; IoT)及巨量資料(Big Data)等技術,甚至導入AI (Artificial Intelligence)使進階到I2D (Inspection to Design)模式,將可使台灣以智慧檢測技術為核心,提升國內智慧製造的整體競爭優勢。以下將以汽車傳動軸的智能產線與智慧化外徑偏擺檢測設備為例,說明發展智能化線上檢測的發展關鍵要點。

 

汽車產業現況與需求

國內汽車自動化生產線先前多沒有全檢能力和回饋補償機制,只能透過半閉迴路或開迴路的方式進行長時間的調機,仍停留在工業3.0。近年量測技術發展中心導入智慧檢測設備於生產線後,已透過全閉迴路方式逐漸增進了業者加工機本體的精度規格,同時也提高生產線的可靠度以及性價比等附加價值,進階到工業4.0。針對圓軸工件加工品檢,工研院量測中心近幾年投入不少應用於製程上的智慧檢測技術,包含尺寸、缺陷、材料熱處理檢測…等,同時也發展工業4.0所需的CIS及製程回饋系統。本文中以量測中心應用接觸式位移量測,開發智能化汽車傳動軸研磨後的外徑及偏擺量測設備(圖1),進行工件外徑尺寸與其相關幾何公差進行量測品檢,如真圓度、偏擺度及同心度…等,設備可滿足長度100mm~650mm與直徑10mm~70mm檢測範圍、量測時間約12秒/件、含自動化運作時間1分/件、平均稼動率96.26%;功能具備半/全自動模式、機械手臂交握、參數配方自動更換、統計分析及多項量測計算與檢定功能。本案例中的產線應用模式,為單件流的生產模式(圖2),每項生產工序需控制在72秒內,換言之,連續生產後每72秒可以完成一隻工件生產。檢測設備設置通常緊接著相關的生產設備後,進行相關的品檢工作達到全檢作業,且隨著工件物流同步資訊流,可達到完整的加工生產履歷,此模式已建立了智慧化生產的硬體,而此產線建置於資訊室整合之CIM及相關大數據分析工具,除進行對製程回饋補償的計算,也作為未來持續分析同步收集的設計、環境、機台、製程與檢測…等資訊,在完整的生產履歷資訊下,找出可能未被發現影響生產品質的關鍵設因素(例如圖3自動根因分析),並進而改進設計或設定正確的補償策略,則建立智慧化的軟體工具,確立未來產線持續學習進步的軟硬體基礎建設。但要達到這樣的生產情境,檢測設備需滿足克服幾個面臨的關鍵問題,

  1. 需克服現場環境干擾,滿足工件所需的檢測穩定性及精度。

  2. 檢測速度須滿足單道次製程時間,在不犧牲生產速度下,進行足夠的檢測率或全檢,達成完整工件製程履歷。

  3. 更多功能的檢測軟體分析能力,能夠幫助找出更多的製程問題。

圖1、外徑及偏擺檢測設備硬體
圖2、單件流生產製造及檢測架構
圖3、資訊室自動根因分析功能

 

檢測方案比較

依生產加工製程與檢測程序的位置及關聯性,可將製程檢測分成幾種模式,分別為在機台內的檢測 (In Machine Inspection, IMI)、製程線上的檢測檢測(In-Line Inspection, ILI)及量測的校正與追溯工作(Measurement Calibration and Traceability, MCT)。其中,ILI又可分為對機台的檢測(Inspection With Machine, IWM)及機械手臂檢測(Inspection with Robot, IWR)。

以內外圓研磨製程檢測為例,IMI屬於線上檢測的一種,主要是對當下製程進行監測及補償,以確定達到加工點而停止加工程序。常見的如內外徑研磨設備配置於機上的檢測模組(圖4),主要以直徑尺寸作為研磨到位的判斷,但一般不作為關鍵品檢的檢測,原因包括量測裝置設置於加工機台內,受到加工震動、沖水、切屑等環境干擾,量測的穩定性受影響較大。另外,工件品質檢測常需要量測更多參數及計算,或需與校正流程緊密結合,量測裝置要能夠容易經由比對追溯確保其量測狀況,而研磨機內量測裝置較難以進行相關校正程序。

圖4、機上外徑檢測模組(來源:MARPOSS)

 

ILI為製程線上檢測,但檢測設備自成一個單元,其中IWM屬於單機的線上量測設備,通常可由人員或自動化檢測將工件傳入量測設備,進行相關檢測,情境上如果要設計的量測功能較為複雜,或則需要控制環境因素較多,採用IWM是比較容易達成的,本文中的案例即為此方式。而IWR則將檢測方案結合自動化,通常量測裝置結合於機械手臂,或者由機械手臂拿取工件直接進行量測,此方式可以比較彈性快速進行量測,但不可忽略的為手臂對量測的干擾,或者是量測時基準面設計的難易度,通常限制也比較多。ILI設備的特性通常具備,

  1. 較容易結合品管的校正程序。
  2. 檢測設備或量測參數對硬體進行優化,並設計出較佳的量測環境控制。
  3. ILI的檢測技術容易對前段的製程程序及設備進行長時的管制與控制,通常檢測結果可作為產品的品質篩選。
  4. 透過對工件高頻度的檢測或全檢結果,能夠找出製程中的低頻度變化特性,再透過機台與機台資訊流,或透過戰情資訊中心資訊流,能夠提高製程品質能力Cpk水準。
  5. 如果能夠配合製程設備多參數的收集,持續智慧化學習,能夠找出異因分析,能夠持續以及收製造設備

而MCT則是為了確保品質控制的可靠性,因此,必須把相關量測的校正與追溯工作,連結到製程的品質工作,以本案中的例子,包含的工作為評估量測設備的量測能力。以過去工廠最常見的作法為人員依加工後工件進行檢測,例如利用GO/NG量具或現場量錶對公件進行檢驗,這些量錶,多為是為了確保能夠滿足客戶需求的品質管控,這些品保的工作包含層面廣泛,但若是所有檢測資訊無法直接連結到當下的製程及環境等資訊,是不容易找出關鍵的影響因子,及決定補正的措施或進行改進的設計。以一般製造生產服務為主的公司,傳統上多半包含品管作業部門執行相關品質保證的直接工作,而品質保證的目的亦包含這些作業的代表生產的可靠性,其中對量測與檢驗等主要的工作,必須確保這些過程能夠確保成品的可靠性,包含相關量測的追溯性、量測的頻度(抽樣)、校正比對作業、校正週期…等,在導入新的智慧化檢測技術,並非是為了取代掉原有品質檢測室的設備,反而是為了提供一種工具讓品質管理能夠更容易有效的進行,甚至自動化的執行品質檢驗與製程控制,執行更為複雜即時性難以由人員進行的工作,然而由於導入新的檢驗與品質控制程序,原有品管的人員則可將心力放在研究新流程的校正追溯工作上,例如,決定內部進行校正程序的管制與週期,甚至是半自動/自動校正的程序。以及很關鍵的製程回饋控制的模式與參數,最後如果能夠透過數據分析工具找出製程異因,則可進一步進行元件、製程或設備設計等變更,目的是為了能夠提高品質保證的能力,能夠達成一級品質保證的能力,包含設計、製造及檢驗。

 

常見外徑與偏擺量測設備

工廠既有用於外徑及偏擺等品質檢測,多使用頂針或軸承式偏心檢測儀(圖5),此量測儀器搭配量錶使用,多參考頂心基準進行量錶讀數差(Total Indicate Reading, TIR),雖可以較快速獲得量測結果,但是量測精度受限於量測機台本身精度,很難優於3+1.5*L/300μm (L為mm),在長度大於200mm以上工件,很難高過於3~5μm以上的精度。另外,常用於檢測用的為真圓度儀(圖6)或光學輪廓移(圖7),真圓度儀通常使用氣浮轉軸等,以確保最佳的旋轉參考精度,因此,此類設備容易受現場環境髒污、熱源及震動等影響,通常會設置於品保實驗室,來確保量測品質,量測精度可達0.01~1μm,且由於需要調校良好的參考軸,因此,多半量測時間需耗時數分鐘到數10分鐘。光譜儀量測設備也可以提高量測的速度與彈性,但是對於工件本身的潔淨度要求高,通常需要仔細的清潔或經過清洗製程,否者,對準確度影響極大。而本文中介紹的儀器精度與重複度約在0.1~1μm,對環境干擾抑制能力高、量測速度快,可優於傳統檢驗方式,且可置於現場環境使用,補足目前現場量測設備對精度與速度要求所空缺的部份。

圖5、工廠常用於現場檢測的偏心檢查儀(from Swiss Precision Instruments, SPI)

 

圖6、實驗室常用的氣浮主軸真圓度儀(from Taylor Hobson)

 

圖7、軸件光學輪廓量測儀(from Hommel)

 

自動化結構與柔性抗震結構

量測設備構造如圖8,在自動化結構設計上採用工件傳輸平台,搭配量測模組倒裝於Z軸上,且利用伺服Y軸及Z軸搭配,搭配雙工位結構,能夠快速傳遞工件,並且容易進行設定,及具備較大的彈性來智慧反應入料與量測狀況,且能夠快速設定與機手搭配參數,容易與產線自動化連接,減少安裝調試所需的時間。而為了適應於生產線上量測,降低因生產線環境對量測的干擾,及容易配合自動化上下料,因此,將量測系統配置於Z軸上,並利用四桿柔性支撐來減低由外界傳入的震動干擾,以及減少主量測結構的過度拘束力量,降低結構變形。

 

圖8、檢測設備硬體架構設計圖

智慧化量測補償與誤差分離

量測模組在設計上,藉由多組同步量測的裝置(圖9),並透過量測裝置智慧補償的計算,可對環境振動干擾進行補償或消除。另外,由於量測系統本身精度希望高於製造公差至少10倍以上,但由於母性機械的誤差存在,導致量測系統本身的精度很難大幅提高,若單純靠提高量測設備機械製作精度,也會造成設備成本急遽的增加,因此,此外徑量測設備應用誤差分離技術,將設備產生的誤差與工件本身的尺寸誤差藉由特徵進行分離,單純的鑑別並量測出屬於工件的幾何誤差,以克服量測設備母性精度問題,並降低設備硬體製作成本。

 

 

圖9、量測模組裝置

量測設備上線前儀器評估

由於為全線自動化製程設備,若有機台失效會造成產線的生產中斷問題,為了維持生產線穩定,進入自動線前必須對設備進行一定風險與安全評估工作,即壓力測試(Stress Testing, Burn in),簡單來說就是不斷的給予目標施加一定嚴格運轉條件壓力,看目標系統在此壓力下是否癱瘓,以評估設備能否承受高度的壓力運轉。換言之,透過壓力測試的找出在較為嚴格的運轉環境,是否有造成系統無法正常運轉的項目,並進而改善之,本系統至少要通過連續燒機運轉2天48小時的運轉,軟體紀錄分析(log)功能為必備(圖10),以確保能夠分析是由何動作點造成系統崩潰,找出發生成因並加以改善。

 

圖10、軟體系統紀錄分析(log)

量測系統可靠度評估

為確保量測系統上線後能夠正確運轉量測,量測設備上線前,會進行量測系統分析(Measure System Analyse ,MSA),包含重複性評估,同時本機雖然是機手自動入料檢測設備,但仍透過GRR的評估,選定3個人以及10支待工件進行測試,如果能通過不同人員的操作,能夠達到穩定的量測,也代表自動化治具是穩定可靠的。圖11說明待測工件樣式及量測位置,圖12為其量測重複性分析,採用最大最小量測範圍分析,以工件實測在一般OD位置外徑重複度小於1μm,圖13為GRR分析,以其檢測公差,皆可小於10%,代表量測能力好,藉由柏拉圖分析結果(圖14),可以明顯了解量測系統受干擾小,具備強的檢驗工件的差異能力。

 

圖11、量測位置及參數示意圖

 

圖14、柏拉圖分析

 

量測軟體功能

外徑偏擺檢測主畫面包含個量測位置設定(圖15),以及顯示量測結果的判定,及圓輪廓量測誤差圖等資訊,其他設定或狀態資訊可以透過切換頁面快速選擇,右側及上則設計快速按鈕切換其他設定畫面。軟體內進行校正功能,採用互動式流程式對話視窗以及自動校正計算,引導使用者按步驟放置工件,及進行校正功能(圖16),同時允許使用者自行隨比對件進行偏置量設定,這些參數都同時記錄於每一筆量測資訊中。而依據判斷檢定功能設定(圖17),設定NG/OK的檢定標準,以及可針對各別量測點的探頭設定以及是否為齒部量測(圖18),以對齒部進行特定的取樣量測計算。群組差異比對功能(圖19),讓使用者設定欲進行互相尺寸比對的功能,常用於較大長度的外徑研磨,採用研磨部多點的檢測為群組,比較其尺寸間差異是否過大,代表研磨磨耗量不一,而造成研磨部外徑不一致。 外圓輪廓圖及資訊分析(圖20),提供更多的分析數據,此例可透過資料分析可以找出Spline齒型製程異常。

圖15、量測主畫面顯示量測點及量測結果與輪廓誤差圖
圖16、量測系統校正功能
圖17、檢驗參數設定
圖18、測點設定及齒型量測設定
圖19、群組比較功能
圖20、輪廓分析與齒型異常檢測

文章轉載自工具機與零組件雜誌