自动化产业升级 半导体带来工业全新生命力

星☆雨

半导体科技将自动化与智能化带入了工业生产在线，让工业生产的速度与效率大幅提升。尽管因此抢走不少劳工的饭碗令人诟病，然而迈向更先进的自动化产线，甚至是更高一层的无人工厂愿景，却依然是所有工厂企业主汲汲营营追求的目标。

半自动化vs智能化

NI嵌入式系统项目经理Vineet Aggarwal指出，机器与人不同，想要让机器顺利运作，就必须给予一堆指令。自动化的意义，也就是让机器能够知道在什么地方，该进行怎样的动作，而不出错。加入更多的指令之后，能处理的事情就更多，且能更早预期会发生的事。

只不过，机器与人毕竟不同，当人累了会知道需要休息，但机器若没给予休息的指令，会一直不断做下去。因此，指令在人的认知里是理所当然的是，对机器来说却完全不然。而从自动化到智能化，其实就是不断给予更多的指令，让机器能更有效率地做出更正确的前期判断，使其提高生产效能、加快测试速度，或者提高机器寿命、并减低人员的伤亡。不同指令给予机器不同程度的进化，然而最终目的，都是希望让机器的行为更接近人类。

当然，要让机器高度自动化，甚至智能化，所需要的指令将会非常庞大。倘若数据量多，信息处理又分属于不同的平台，不仅对于整体一致性将产生很大问题，甚至可能会超过核心平台本身的负荷量。

NI营销经理郭皇志表示，NI针对工业自动化所打造的平台，其设计的初衷就是希望能让整个系统透过同一个处理核心，来进行讯号的判别与运动的控制。就像人也是透过同一个头脑去处理所有的事情一样，如此可将错误产生的机率降至最低。

图一 ： 机器人不断朝高度自动化和智慧化发展，最终目的，都是让机器的行为更接近人类



工业自动化3大方向

自动化当然是工厂生产的利器。在工业自动化一途上，有三大重要发展方向。包括性能提升、降低成本、与功能安全。在性能的提升上，目前不论是智能电网，或者智能化生产工具等，都强调高性能，包括节能减碳、更有效率等，以达到节能减碳的目的。在降低成本上，关键在于单芯片的使用，以及多轴化控制。

特别是多轴控制，过去工厂所使用的机器手臂，多半只有四到五个关节。而未来因应工厂自动化，为了更有效率并降低成本，需要设计结构更为复杂的机器手臂，可以同时间多轴同时工作，而非像过去不同轴只能分时工作。

至于功能安全的强调，其实是广义生命安全的保障，这已是世界的趋势。也就是如何保护机器不损坏，人员不伤亡。因为自动化产线如果需要经常维修保养，停掉一条产线，将造成很大损失。此外，机器如果经常发生问题，不只设备本身易受损伤，也易造成人员伤害。

目前许多厂商都主推能满足这些需求的产品，例如FPGA大厂Altera与Xilinx都持续推出工业自动化相关的FPGA参考设计，量测大厂NI也主打以自家LabVIEW图形化开发软件为核心的工业自动化开发平台，工业自动化市场正蓬勃发展。

多轴化是产业升级关键

在机器人产业中，常见到的机器人种类包括Delta Robot，以及工业产在线的机器手臂。若着眼的是工业自动化市场，则机器手臂就是目前重众所注目的焦点了。因为工厂自动化能进展到怎样的程度，就端视机器手臂的技术层级。

Altera亚太区工业业务部市场开发经理江允贵表示，为了提高工业产线的自动化程度，目前机械手臂朝向多轴化发展是最主要的趋势。多轴化，顾名思义就是在同一只机械手臂上，有多颗不同马达同时或分时进行动作，其目的就是为了让同一个产品，可以在同一条生产在线就完成生产流程的所有工作，不必分多道产线来进行，如此可以节省庞大的人力与时间成本。

图二 ： 汽车制造已高度自动化，在同一条生产线上就完成生产流程的许多工作，而且只需一名管理工程师



只是，为了达到多轴化的目的，机械手臂上的马达轴数就必须非常多。这些不同的马达，或许同时连动，或许分时动作，然而关键就在于能互相配合。也就是某个轴旋转到了某个特定角度时，另几个轴都必须到达相对的位置上。其中将会牵涉到多轴旋转时间差的复杂运算，这也正是拥有并行处理能力的FPGA，比起仅能进行串行处理的CPU或MCU，在工业自动化领域更具有优势的地方。

江允贵举例说，例如拿半导体封装厂的产线来看，进行芯片封装作业时，机械手臂的运作是非常复杂的，最多可以需求到60多轴的运作。也就是在同一条产在线，若要打好一个封装，必须同时进行60几种动作，其中将会牵涉到非常复杂的机械动作。在加工的同时，当一个轴转到某角度时，其他轴都必须配合到达特定位置上。这种相对的动作，正是机械手臂设计上，最为复杂的部分。又例如直升机的螺旋桨叶片，切割时必须同时进行五轴的连动。除了机械手臂会自己转动，切割刀也必须同时旋转，是非常复杂的多轴同时连动加工。

就工业自动化来说，越多轴的应用，越能把产线加工的层级，再往上提升。透过复杂的多轴加工，可以让产品更有变化性。这也是工业自动化的趋势。