游鴻修 組長
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「我們解決研拋問題並提供先進服務，成為水五金產業升級的關鍵夥伴。」 工研院機械所業務 組長 游鴻修 一支精美的水龍頭，從鑄造到組裝完成，中間必須經過成型、研磨、拋光、電鍍等製作過程，過去90％的研磨與拋光製程需靠人工完成，如今工業技術研究院與產業合作，開發出臺灣首台CPS 虛實整合研磨拋光機器人，幫助臺灣水五金工業朝自動化生產邁進一大步，省工同時，更加快生產速度。 |
虛實整合機器人出手 水五金生產邁向自動化
地方產業創新典範－智慧機器人技術團隊
財團法人工業技術研究院機械與機電系統研究所
【水五金CPS 研磨拋光智慧機器人】
自動化生產是製造業共同追求的目標，水五金產業也是如此，但水五金主力產品水龍頭的生產，卻遲遲無法進入自動化，如今靠著工業技術研究院智慧機器人技術團隊的協助，終於找到解決辦法。
一般水龍頭多由銅製成，為了防鏽且讓外觀呈現光滑，產品出廠前要先電鍍，電鍍前又必須先研磨與拋光，但這項工作相當吃力，每天還要面對粉塵襲擊，臺灣人多不願從事此類工作，許多業者只能轉而招募兩年一聘的外籍勞工，如此一來，業者每年都會陷入重新招募、訓練新人的循環中。
為解決困境，加上看見工研院在機器人研發方面已累積相當成果，彰化水五金協會決定主動出擊，找上工研院機械與機電系統研究所協助發想解困策略，工研院二話不說接下任務。工研院機械所業務組長游鴻修指出，「身為國家級研發單位，我們有義務協助產業解決問題。」
彰化頂番婆地區被稱為水龍頭的故鄉，是臺灣水五金工業發展重鎮，年產值超過新臺幣500 億元，佔全臺灣9 成以上比例，上中下游廠商約有600 家，養活2 萬名員工及其家庭。可是隨著工業4.0 浪潮來襲，彰化水五金業者也不得不思考自動化轉型以尋求更長遠的發展。
獲知產業需求後，2015年，工研院組成智慧機器人技術團隊，以彰化為中心，遍訪各地水五金業者，深入了解產業現況與發展需求，歷時一年的訪問，逐步釐清問題後，並獲得水五金工業龍頭和成集團HCG 率先響應，提供資金與產線配合，才促使水五金工業自動化工程往前跨一大步。
水龍頭型體彎曲 自動化不易
往前跨這一步並不容易，當時游鴻修率領團隊到產業現場拜訪時，中小型企業老闆的共同回應都是，「我們也很想做自動化，但沒有錢做研發、換機器。」而已經使用德國自動化研磨機器人的大型企業則不免發出質疑，「為何要改用臺灣製？技術比較好嗎？」
面對種種疑慮，工研院團隊並不氣餒，還是持續探訪、溝通，同時整理出水五金工業研磨自動化作業的瓶頸，主要來自二個層面：一、水龍頭本身形體有各種彎曲面，研磨曲面需要高技巧，機器不好操作、不好調校，作業員訓練又不易，一旦訓練到位，又要面臨外籍勞工合約將到期窘狀；二、即使市面上已有德國自動研磨機器人，但每次維護或系統更新都只能仰賴外國工程師支援，耗時又傷本。
抓緊核心問題，再從解決問題角度出發，工研院智慧機器人技術團隊幾經努力，終於說服HCG 願意共同投入研發，試驗國產機器人能否創造更高效率，「而且工研院不只要解決問題，還要提供更先進的服務，成為水五金產業升級的關鍵夥伴與重要推手。」游鴻修指出。
機器人加工 提高生產速度
工研院智慧機器人技術團隊決定從虛實整合出發。第一個要解決問題是：針對水龍頭多樣性曲面設計，如何面面、角角都研磨到位，而且最好不造成業者額外的成本負擔？
工研院發揮軟體研發專業，設計出一套新整合系統，業者只要把水龍頭設計圖檔載入系統中，電腦會自動運算出機器研磨路徑，再事先模擬這套路徑會不會產生碰撞，每個彎曲面與內側角是否都覆蓋到。確認路徑可行後，這套系統還會自動產生研磨機器人的程式語言，使用者不需學如何撰寫機器人程式。
同時，這套軟體還建立了高參考價值的智慧系統參數資料庫，可降低過去所需調校時間，不管水龍頭的外型如何改變，彎曲面角度變大或變小，業者都可以快速轉換產品線，大幅減少重新寫程式的時間與成本花費，也不必另外成立或外聘團隊維護與更新程式內容，增加業者的自我掌控度。
這是虛實整合的「虛」，在智慧化生產開端即發揮極大功效，不僅節省了90％操作時間，生產效率也提高25％以上，而且業者不必再單項外包給其他廠商，產品從無到有的自製率可達95％以上。
虛實整合的「實」， 則由勤堃機械提供硬體技術協助。工研院智慧機器人技術團隊採用勤堃的機械手臂，搭配工研院研發的機器人控制器、軟體系統，組合成一部CPS（Cyber Physical System）虛實整合研磨拋光機器人，當系統研判出研磨正確路徑後，產生機器人程式語言，機器人就會開始動作。
這台機器人不僅有個聰明腦袋，工作速度更是人工的兩倍，雖然工藝技巧不如人工精密，但這套機器人平均研磨一支水龍頭只需270 秒，相較於德國機器的360 秒、人工的 570 秒，這套系統可完全落實快速生產目標。
快的原因來自機器人研磨時的推進力道比人工強。試想人工研磨時，必須不斷靠人體力量把水龍頭往機器砂帶推進，才能確保每一個面與角度都有被磨到，但人的力道承受度有限，沒有辦法一次負荷從最粗磨到最細表面的過程，往往要漸進地換5 種砂帶才能完成工作。
相較而言，機器可承受的力道遠比人體強，像是工研院研發的CPS 研磨拋光機器人，只需換2 次砂帶，也就是只需2 道工序，即可達到相同效果，而臺灣業者原先使用的德國機器還需要3 道工序。工序的簡化促使水龍頭生產速度快了許多，工廠還可以快速轉換生產線。
快速生產、少量多樣化，這是全球製造業發展趨勢，工研院的CPS 研磨拋光機器人不必多花費大量人力維護、生產速度又快，正好符合發展所需，這對於水五金產業轉型升級是一大助力，還可逐年提高產品利潤空間。
整合力強大 提供一條龍服務
外國的月亮不一定比較圓，工研院以實力向產業證明，其自主研發的CPS 研磨拋光機器人生產效率比外國機器好，值得一提，業者不必因應產品不同，重新另寫機器人程式語言，大大提高使用便利性。基於這些優點，現今已有HCG 等企業持續導入技術。
2016 年，工研院在HCG 建置第一套國產水五金CPS 研磨拋光機器人示範產線，當時HCG 也不吝於開放給其他業者參觀。看到機器手臂執行自動研磨拋光的高效能，許多業者也產生高度興趣，工研院便與彰化水五金協會共同成立「彰化水五金產業服務團」，輔導業者進行自動化轉型。
軟體、硬體、系統整合，是虛實整合技術的鐵三角，工研院成功建置示範產線後，也引起臺灣機械大廠上銀科技的注意，為了擴展運用範圍，工研院透過技術轉移給上銀與勤堃等機器人研發公司，由兩大廠接續量產工作，成為水五金產業自動化升級的強大後盾。
產業轉型並非一蹴可及，這5年來，游鴻修與團隊持續和產業保持聯繫，彼此之間早已建立好交情，而且在提升技術同時，工研院也不斷設想出許多業者尚未意識到的轉型需求，包括新增線上編程軟體、機器人視覺、複合型研磨拋光設備硬體等3 項功能，讓CPS 研磨拋光機器人變得更聰明。
現在只要短短1小時，CPS 研磨拋光機器人就可以判讀出新研磨路徑，機器手臂加裝攝影鏡頭，還能隨時回饋新路徑是否有誤差、如何修正，同時，提升機器手臂與研磨機的搭配度，讓研磨覆蓋率達到百分之百無死角，還能夠運用來生產德國、法國、美國等高單價衛浴用品。
回顧過程，游鴻修指出，「團隊整合力是工研院的最大優勢。」相較於外國機器設備必須組合不同廠商的專業，工研院智慧機器人新創推動辦公室承擔了當中的整合角色，這個單位原本就是一個跨領域整合團隊，擁有軟體、硬體、系統整合等各種專業人才，業者不必個別找供應商，只要與工研院合作即能獲得一條龍作業服務，效率自然更高。
不只是技術提供者，工研院智慧機器人團隊就像是產業的夥伴，協助水五金產業建置示範產線、籌組聯盟、建立機器人研拋產業標準五大策略方法，期望透過整合工研院的前瞻技術與在地產業特色，提升臺灣水五金產業的國際競爭力，為臺灣製造增加另一個發光角色。
感言：工研院機械所業務 組長 游鴻修
感謝第 6 屆國家產業創新獎評審委員與主辦單位對於本團隊的肯定。在此要特別感謝共同成長的國內水五金產業產學研夥伴們，經由長期的互相交流、回饋與合作，才能切中臺灣產業需求與困境，完成水五金CPS 研磨拋光智慧機器人解決方案的開發，進而完成建置第一條國產研磨拋光智慧機器人產線、臺灣第一部機器人標準等重要的里程碑，協助產業創新轉型。當然，本項榮譽是團隊齊心合作的成果，要感謝工研院機械所智慧機器人團隊的每ㄧ位同仁全力的支持與付出，本項榮譽將激勵團隊持續精進，發展高階水五金研拋加工技術，期盼能促成國際高階衛浴產業訂單，引領臺灣水五金產業智慧製造與數位轉型。
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- 發布日期：2023/07/08
- 最後更新時間： 2024/04/29
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