自動化產(chǎn)業(yè)升級 半導(dǎo)體帶來工業(yè)全新生命力

半導(dǎo)體科技將自動化與智能化帶入了工業(yè)生產(chǎn)在線，讓工業(yè)生產(chǎn)的速度與效率大幅提升。盡管因此搶走不少勞工的飯碗令人詬病，然而邁向更先進的自動化產(chǎn)線，甚至是更高一層的無人工廠愿景，卻依然是所有工廠企業(yè)主汲汲營營追求的目標(biāo)。

半自動化vs智能化

NI嵌入式系統(tǒng)項目經(jīng)理Vineet Aggarwal指出，機器與人不同，想要讓機器順利運作，就必須給予一堆指令。自動化的意義，也就是讓機器能夠知道在什么地方，該進行怎樣的動作，而不出錯。加入更多的指令之后，能處理的事情就更多，且能更早預(yù)期會發(fā)生的事。

只不過，機器與人畢竟不同，當(dāng)人累了會知道需要休息，但機器若沒給予休息的指令，會一直不斷做下去。因此，指令在人的認(rèn)知里是理所當(dāng)然的是，對機器來說卻完全不然。而從自動化到智能化，其實就是不斷給予更多的指令，讓機器能更有效率地做出更正確的前期判斷，使其提高生產(chǎn)效能、加快測試速度，或者提高機器壽命、并減低人員的傷亡。不同指令給予機器不同程度的進化，然而最終目的，都是希望讓機器的行為更接近人類。

當(dāng)然，要讓機器高度自動化，甚至智能化，所需要的指令將會非常龐大。倘若數(shù)據(jù)量多，信息處理又分屬于不同的平臺，不僅對于整體一致性將產(chǎn)生很大問題，甚至可能會超過核心平臺本身的負(fù)荷量。

NI營銷經(jīng)理郭皇志表示，NI針對工業(yè)自動化所打造的平臺，其設(shè)計的初衷就是希望能讓整個系統(tǒng)透過同一個處理核心，來進行訊號的判別與運動的控制。就像人也是透過同一個頭腦去處理所有的事情一樣，如此可將錯誤產(chǎn)生的機率降至最低。

圖一 ： 機器人不斷朝高度自動化和智慧化發(fā)展，最終目的，都是讓機器的行為更接近人類

工業(yè)自動化3大方向

自動化當(dāng)然是工廠生產(chǎn)的利器。在工業(yè)自動化一途上，有三大重要發(fā)展方向。包括性能提升、降低成本、與功能安全。在性能的提升上，目前不論是智能電網(wǎng)，或者智能化生產(chǎn)工具等，都強調(diào)高性能，包括節(jié)能減碳、更有效率等，以達到節(jié)能減碳的目的。在降低成本上，關(guān)鍵在于單芯片的使用，以及多軸化控制。

特別是多軸控制，過去工廠所使用的機器手臂，多半只有四到五個關(guān)節(jié)。而未來因應(yīng)工廠自動化，為了更有效率并降低成本，需要設(shè)計結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的機器手臂，可以同時間多軸同時工作，而非像過去不同軸只能分時工作。

至于功能安全的強調(diào)，其實是廣義生命安全的保障，這已是世界的趨勢。也就是如何保護機器不損壞，人員不傷亡。因為自動化產(chǎn)線如果需要經(jīng)常維修保養(yǎng)，停掉一條產(chǎn)線，將造成很大損失。此外，機器如果經(jīng)常發(fā)生問題，不只設(shè)備本身易受損傷，也易造成人員傷害。

目前許多廠商都主推能滿足這些需求的產(chǎn)品，例如FPGA大廠Altera與Xilinx都持續(xù)推出工業(yè)自動化相關(guān)的FPGA參考設(shè)計，量測大廠NI也主打以自家LabVIEW圖形化開發(fā)軟件為核心的工業(yè)自動化開發(fā)平臺，工業(yè)自動化市場正蓬勃發(fā)展。

多軸化是產(chǎn)業(yè)升級關(guān)鍵

在機器人產(chǎn)業(yè)中，常見到的機器人種類包括Delta Robot，以及工業(yè)產(chǎn)在線的機器手臂。若著眼的是工業(yè)自動化市場，則機器手臂就是目前重眾所注目的焦點了。因為工廠自動化能進展到怎樣的程度，就端視機器手臂的技術(shù)層級。

Altera亞太區(qū)工業(yè)業(yè)務(wù)部市場開發(fā)經(jīng)理江允貴表示，為了提高工業(yè)產(chǎn)線的自動化程度，目前機械手臂朝向多軸化發(fā)展是最主要的趨勢。多軸化，顧名思義就是在同一只機械手臂上，有多顆不同馬達同時或分時進行動作，其目的就是為了讓同一個產(chǎn)品，可以在同一條生產(chǎn)在線就完成生產(chǎn)流程的所有工作，不必分多道產(chǎn)線來進行，如此可以節(jié)省龐大的人力與時間成本。

圖二 ： 汽車制造已高度自動化，在同一條生產(chǎn)線上就完成生產(chǎn)流程的許多工作，而且只需一名管理工程師

只是，為了達到多軸化的目的，機械手臂上的馬達軸數(shù)就必須非常多。這些不同的馬達，或許同時連動，或許分時動作，然而關(guān)鍵就在于能互相配合。也就是某個軸旋轉(zhuǎn)到了某個特定角度時，另幾個軸都必須到達相對的位置上。其中將會牽涉到多軸旋轉(zhuǎn)時間差的復(fù)雜運算，這也正是擁有并行處理能力的FPGA，比起僅能進行串行處理的CPU或MCU，在工業(yè)自動化領(lǐng)域更具有優(yōu)勢的地方。

江允貴舉例說，例如拿半導(dǎo)體封裝廠的產(chǎn)線來看，進行芯片封裝作業(yè)時，機械手臂的運作是非常復(fù)雜的，最多可以需求到60多軸的運作。也就是在同一條產(chǎn)在線，若要打好一個封裝，必須同時進行60幾種動作，其中將會牽涉到非常復(fù)雜的機械動作。在加工的同時，當(dāng)一個軸轉(zhuǎn)到某角度時，其他軸都必須配合到達特定位置上。這種相對的動作，正是機械手臂設(shè)計上，最為復(fù)雜的部分。又例如直升機的螺旋槳葉片，切割時必須同時進行五軸的連動。除了機械手臂會自己轉(zhuǎn)動，切割刀也必須同時旋轉(zhuǎn)，是非常復(fù)雜的多軸同時連動加工。

就工業(yè)自動化來說，越多軸的應(yīng)用，越能把產(chǎn)線加工的層級，再往上提升。透過復(fù)雜的多軸加工，可以讓產(chǎn)品更有變化性。這也是工業(yè)自動化的趨勢。