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齿轮加工奠基 支援开发轻量化机器人
聚焦生产线弹性与多样化生产

【作者: 陳念舜】2020年10月30日 星期五

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面对现今台湾制造业对於精微传动元件的需求,除了源自於可供扩建新厂的土地、人力等「五缺」所限,必须藉此节约生产线空间并强化弹性之外,还同时促成了工业机器人产业的轻量化七轴、协作型机种成为主流,甚至可与无人搬运车整合。对於所需关键零组件的一体化驱控模组、谐波减速机等陆续问世,奠基上游的齿轮加工产业重要性更不言而喻。


尤其因应终端消费者习惯不断求新求变,导致市面上产品数量大增、生命周期也越来越短,对於加工制造业者而言,必须为此迎接从少样多量化、多样少量化,进阶到大批量客制化需求,可在弹性自动化生产线上扮演关键角色的工业机器人功能,也有别於传统只是搬运取放(Pick & Place),或取代3k工作,还是??能迎合厂内多元化应用与生产模式。


例如自动化程度较高的汽车制造业,便不再只停留在传统大批量生产时代,而须面临每辆新车可能有上千项零组件必须拆解、分析、验证,甚至要多於实际生产的时间,所以势必大幅提高弹性,从生产线(line production)改为小型单元(Small Working Cell),当来料位置不固定时省下夹治具成本,才能满足客制化、快速换模生产需求。


加上原本即有各自的领域知识及要求高度弹性,耗费最多人力的传产和电子代工业,则因为缺工而逐步引进智慧机械,却未必找得到适合的系统整合商(SI)协同规划,只能寻求简单、易用的解决方案,於最短时间内完成布署、具备大批量客制化交货能力,才能在未来景气快速反转的第一时间抢下短/急单。



图1 : 协作式机器人近几年成长速度优於传统工业机器人,预估到2027年市占率可??达到29%。(source:interact analysis)
图1 : 协作式机器人近几年成长速度优於传统工业机器人,预估到2027年市占率可??达到29%。(source:interact analysis)

其中协作型机器人(Cobot)因为可与人类员工共享空间、分配工作,将较危险、劳累、重覆性高的工作交由机器人协同工作,人类则负责较需要弹性作业;甚至因为体型更轻,得以搭配无人搬运车(AGV),组成自主移动式机器人(Autonomous Mobile Robot;AMR)四处移动,确保符合ISO 10218-1/TS 15066/EN 13849-1等国际安全规范,并减少工厂重新布线的困扰,重要性正持续被国内外使用者肯定。


包含日本工业机器人大厂FANUC今(2020)年推出的最新机种CRX-10iA系列,也属於六轴协作型机器人,强调更安全、快速、简易操作,具备非常敏感的「接触停止」功能,只要感受到1~2kgf异常施力,就会即时停止(红灯);强调其采取手拉式直觉教导的操作感,会比同业更为轻盈;同时利用高度整合力/触觉的驱控系统及配置区域安全感测器(Area sensor),使得CRX-10iA可在接近人体的「协?模式(绿灯)/手拉教导(闪绿灯)」,切换降速,以及「非协?模式(黄灯)」,采取比一般协作型机器人更快运行速度2,000mm/sec。



图2 : 工研院近期推出新型七轴驱控整合式关节机器人,模组化关节能依照不同应用来变化轴数,执行更多工的类人化作业。(souce:工研院)
图2 : 工研院近期推出新型七轴驱控整合式关节机器人,模组化关节能依照不同应用来变化轴数,执行更多工的类人化作业。(souce:工研院)

工研院近期也不断推陈出新七轴驱控整合式关节机器人,具备轻量化,单臂总重15kg;高精度,重现性0.02mm;以及驱控模组化等优势,不仅比起传统六轴机种的轴数多,荷重比0.3的动作灵活自由又稳定,模组化关节还能依照不同应用来变化轴数,克服传统机器人无法弹性调整臂长及构型的缺点,执行更多工的类人化作业,以因应日趋复杂的制造需求。


表1.工研院前三代系列驱控整合式关节机器人比较表:

 

第三代(七轴)

第二代(六轴)

第一代(六轴)

特色

仅有I-type/N-type两种关节模组,单位重量的扭力输出较第一代增加约30%,搭配七自由度设计提供更高的作业弹性,适合工业与服务型机器人应用。

分为L-type/I-type/N-type不同关节机构改良後,具备体积小与轻量化优势,可搭配组成高精度协作型机器人。

采取L-type构型,经自主开发马达、减速机、驱动器、控制器等关键零组件,可达成工业应用要求精度。

重复精度

±0.02mm

±0.02mm

±0.02mm

荷重比

总重15kg、荷重约5kg,荷重比0.3。

总重12kg、荷重约5kg,荷重比0.41。

总重10.6公斤、荷重约5kg,荷重比0.47。

自由度

7

6

6

应用领域

结合AI人工智慧、与夹具等,机器人可做更多轻工业加工、家居服务与生医照护的工作。

可应用在工业生产、机器人教育训练、DIY市场等领域。

可应用在工业生产、机器人教育训练、DIY市场等领域。


谐波式减速机成核心 齿轮加工能力为成败关键

关於轻量化机器人必不可缺少的高阶关键零组件「谐波式减速机」,为1955年首先由美国C.W.Messer博士发明之後,因充份利用金属的弹性力学,使得齿轮传动同时潆合齿数达总齿数30%,达成极高定位精度,在导入日本隔年开始量产後,世人不断改良沿用至今。


该减速机不仅体积小、重量轻,而节约空间;具备高转矩负荷、高刚性及低背隙,达成优良的定位和旋转精度等特性,方便客户组装与搭配,将马达高速运转的动力,透过输入轴上的齿轮潆合,传递至输出轴,以降低转速并增加转矩。由於齿轮的齿数比就是传动比高,使之能提供同尺寸下多种减速比选择,依客户需求制作专属样式,现已被广泛应用於机器人自动化与检测设备等要求定位精度准确的控制机构;。


目前在台湾既有东培工业公司(TPI)善用多年来累积专业制造滚珠轴承的能量,成功开发出TD谐和式减速机,主要结构仅有:波形产生器、挠性齿杯、环齿刚轮、交叉滚柱轴承,容易组装,即可达到1:50~1:120高减速比。其中波形产生器还包含薄型轴承,由於齿型模数小、潆合齿数多,使之可产生较大转矩及实现高??转、定位精度,实现小型轻量化结构设计;挠性齿杯,则受惠於其具备自主研发齿形能力,采用FEM技术分析齿对潆合及齿面接触应力最隹化设计,具备高抗拉强度及承受韧性变形等特点。


同时建立从锻造、车削、研磨组立、钢珠及零配件等一条龙方式生产优势,更为此添购欧系高阶??齿机、滚齿机和日系量测仪器;初期便与精密机械研发中心(PMC)合作进行动态跑合测试,自主开发可同时记录、分析轴承温升和振动数据的软体程式,从而具备完整的研发、制造、品检能量,掌握可为自动化产业客户提供标准及客制化能力的关键技术;再经过客户现场实测确认後,开发出足以媲美日系同级刚性、精度和寿命的产品。目前东培工业除了导入自家智能化工厂使用之外,也持续对外促销,提供业界开发轻量化、协作型机种之用。


上银集团(HIWIN)多年来对於线轨/滚珠螺杆、机器人等核心产品技术持续精益求精,


继2015年并购台湾齿轮研磨工具机大厂迈萃斯公司(MATRIX)以来,终於能掌握制造机器人关键零组件的谐波减速机专用加工设备,直接与欧日系大厂在同一起点竞争,得以提升机器人结构设计能力,加快上市布局,以克服过去日本产官方不许输出加工机器人相关设备及刀具限制,或导致成本大增而失去竞争力。


对於迈萃斯公司而言,则能享有上银集团自制零组件成本较低、及全球布建完整行销通路之优势,藉此导入上银旗下大银微系统开发的直驱(DD)马达,解决过去仰赖外购大功率输出伺服马达带动螺杆的缺憾,期许未来能实现控制器、驱动、传动元件全国产化目标,也带动台湾厂商跟进,提升五轴加工机竞争力。2018年还与英国百年螺?磨床大厂Matrix协同设计研发,结合Matrix的丰富研发及生产经验,与迈萃斯的精密制程与创新能力,提供客户优质的专业服务。



图3 : 上银集团继2015并购台湾齿轮研磨工具机大厂迈萃斯公司以来,终於能掌握制造谐波减速机专用加工设备,以提升机器人结构设计能力,加快上市布局。(摄影/陈念舜)
图3 : 上银集团继2015并购台湾齿轮研磨工具机大厂迈萃斯公司以来,终於能掌握制造谐波减速机专用加工设备,以提升机器人结构设计能力,加快上市布局。(摄影/陈念舜)

到了今年初由上银集团总裁卓永财正式接手治理公司後,更延续去年亲自带领上银科技主要干部驻厂,从源头开始利用结构、有限元素分析等电脑辅助技术,逐步改良全系列机种和制程等问题,以确保性能和品质稳定,预估今年底即可达到国际DIN 4精密加工标准,明年将推出新款齿轮研磨工具机。看好未来受惠於汽车电动化趋势,对於连结电动车马达的减速齿轮研磨精度要求更高,将促使齿轮产业加速升级,才能抢进新兴电动车产业链。


值得一提的是,人生第二度创业的盟英科技公司总经理陈士端则因为出身工研院机械所,且在首度创业成立陆联公司,便是少数甚早采用国产PC-Based控制器、介面的背景下,习惯与台湾上中游产业链共享资源,让他转而投入开发谐波式减速机之後,便采取不同於国内外同业坚壁清野的模式,导致新进业者开发成本居高不下,而希??建立一个类似於台积电的开放创新生态系。


包含由该公司释出开发谐波式减速机的Domain knowledge之後,选择与台湾上中游材料、设备制造厂商技术密切合作,开发精微加工专用的切齿机、滚齿机、??齿机,产品可直接达到DIN 4等级,既减缩盟英科技开发成本及上市时间,还能带领供应链夥伴共同升级,跨足高精密加工领域。同时与终端客户协作开发客制化减速机,以提供一体成型、圆滑精美外观的工业/服务型轻巧机器人所需所需末端、腕部关节,可与大陆竞争对手在标准品的红海区隔。


盟英科技具备工研院投资、技转的背景,可自主掌握人才优势,目前该公司内部工程师群主要来自於工研院过去开发驱控模组一体化结构中的谐波减速机团队。陈士端说:「当时机器人减速机市场约80%属於可承受较高荷重的RV(摆线式)机种,只有15%属谐波式机种,却是工研院发展较为成熟的技术,而由盟英科技率先导入开发後,也正好迎合现今20kg以下轻量化协作型/SCARA机器人主流,主要供应台湾工业/服务机器人、运搬自动化设备厂商打样制造,以及半导体设备维修等服务来不断创新加值。」



图4 : 盟英科技希??采行类似台积电的生态系模式,既辅导上游设备、材料厂商,开发专用於加工谐波减速机的切齿机、滚齿机、??齿机,同时与下游等机器人制造厂商合作。(source:盟英科技)
图4 : 盟英科技希??采行类似台积电的生态系模式,既辅导上游设备、材料厂商,开发专用於加工谐波减速机的切齿机、滚齿机、??齿机,同时与下游等机器人制造厂商合作。(source:盟英科技)

闻但他也指出,由於谐波式减速机问世65年来,引进生产的国内大厂层出不穷,结构设计其实大同小异,该公司的核心优势主要在於减速机内部细节的外观、齿形设计及输出/入效能,足符合客制化需求,并直接提供日本、瑞士、大陆等专业刀具制造大厂,打造专属刀具,以及从理论基础开始建立CNC控制器的数学函式资料库。


以及长期稳定的精度及可靠度品质,从草创初期便先购足瑞士量检测仪器、德国蔡司三次元量床等,完善制程中每一步骤的检测程序,包含从源头开始的CAD/CAE电脑辅助设计、有限元素分析验证,甚至是热处理过後的材质、金相检验设备等,都能确保与原始设计比对无误,所投资软硬体的经费其实不输加工设备。


未来盟英科技除了销售产品及Domain knowledge组成的全方位解决方案之外,还希??能整合投资夥伴新代、盟立的控制器、马达及驱动系统、感测器等关键零组件,预计最快可在2021年正式量产。


**刊头图(source:powertransmissionworld.com)


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