從2015年德國漢諾威工業展看高科技檢測設備發展趨勢

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熊治民 博士
機械與系統研究組 經理
工研院產業經濟與趨勢研究中心 (IEK)
2015年6月17日
2015 自動光學檢測設備聯盟會員年度大會
從2015年德國漢諾威工業展
看高科技檢測設備發展趨勢

2. 11
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1. 工業4.0與智慧工廠
2. 線上與機上量測應用趨勢
3. 2015年漢諾威工業展中的量測技術與產品
4. IEKView
大 綱

3. 22
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1. 工業4.0與智慧工廠

4. 33
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德國認為全球製造業正邁進新一波工業革命
第一次工業革命
第二次工業革命
第三次工業革命
第四次工業革命
以虛實整合系統建構智慧製造體系
使用蒸汽機：激勵紡織業、煤礦產業、鋼鐵產業發展
福特汽車流水式生產線；現代管理學應用：勞力分工、
製造流程、標準化、精密製造、大量生產
將數控機台、工業機器人、可程式控制
器等IT與自動化技術導入生產線
資料來源：it‘s OWL Clustermanagement GmbH (2014/12)；工研院IEK整理
科
技
複
雜
性
增
加
與
生
產
效
率
持
續
提
升

5. 44
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• 德國國家科學與工程院(acatech)在2013年4月提出「Recommendations for implementing
the strategic initiative INDUSTRIE 4.0」，使推動工業4.0正式成為德國國家政策。
• 德國期望藉由推動工業4.0，建立由智慧化設備、存儲系統和生產方法所構成的「網宇實體生
產系統」(Cyber​​-Physical Production Systems，CPPS)，並將其應用在智慧工廠(Smart
Factory)上，使德國成為新一代工業生產技術的供應國和主導市場的核心力量，進一步提升全
球競爭力。
• 滿足個別客戶需求
• 增加彈性
• 協助決策最佳化
• 增加資源生產力與使用效率
• 透過新服務提供創造價值的機會
• 因應勞動人力變化問題
• 工作與生活間的平衡
• 維持高薪資與競爭力
智慧工廠應用可協助製造業增加能源與資源使用
效率、縮短新產品開發時間、增進製造彈性與能
力，使企業能滿足客戶大量客製化與加速產品創
新的需求。
工業4.0應用潛在效益
資料來源：Siemens，工研院IEK整理(2014/08)
工業4.0是保障德國產業競爭優勢的重要策略(續)

6. 55
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以ICT技術及網宇實體系統建立工業4.0製造體系
資訊
能源
原料
網絡化系統
(例如工具機)
人機介面
通訊系統
感測器致動器
人員
環境
次系統
(例如自動化元件)
資訊處理程序
認知調控
非認知調控
關聯調控
底層系統(例如電力裝置)
資料來源：it‘s OWL Clustermanagement GmbH (2014/12)；工研院IEK整理
• Adaptive (適應性)
• Robust (強韌性/可容錯)
• Predictive (基於預測)
• user-friendly (友善於使用者)
工業4.0的智慧化製造系統將具備四種特質

7. 66
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智慧工廠是工業4.0應用的具體平台
資訊化
人員
資訊化
產品
資訊化
設備
ICT技術
• 資訊連結
• 自動化
• 巨量資料
• 物聯網
• 人與電腦互
動
製造需求
• 面對多變化產
品時的設備可
用性
• 少量生產
• 降低能源消耗
• 快速反應與增
加決策品質
• 更高的生產設
備可用性
資料來源：Fraunhofer (2014/09)；工研院IEK整理(2015/04)

8. 77
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大量客製化
物聯網
未來工廠
智慧
機器人
先進材料
先進製造
系統
感測器
積層製造
供
應
商
客
戶
智慧物流
運用IOT、巨量資料與雲端技術擷取來自於供應商、客戶與企業本身的資料並加以評估，然後與實際
製造程序相結合。在製造終將大量使用許多新技術，例如感測器、3D列印、智慧機器人、先進材料
與先進製造設備。使工廠能具有最佳的製程能力，能滿足不同客戶的大量客製化需求。
智慧工廠4.0(Factory 4.0)
資料來源: Roland Berger (2014/03)

9. 88
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永續生產是工業4.0希望達成的願景
資料來源：DFKI (2012/05)；工研院IEK(2014/06)
• 藉由自動化與大量使用、整合
ICT技術應用來滿足大量客製
化與智慧產品生產；並創造有
別於傳統、更舒適、更人性化
的工作環境，克服勞動力短缺
問題。
• 以智慧製造應用實現分
散式製造與都市內製造
情境，提高工業區資源
使用效益，及滿足廠商
持續發展需求。
• 以智慧製造實現綠
色生產，提高能源
與資源使用效率，
維護國內整體生活
環境。
智慧生產
綠色生產
都市生產
資料來源：工研院IEK(2014/04)
德國福斯汽車位於德勒斯登
中央公園旁的汽車工廠(模型)

10. 99
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2. 線上與機上量測應用趨勢

11. 1010
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精密線上/機上檢測技術應用與效益
• 自動化全檢
• 高速檢測
• 困難部位檢測
• 檢測資訊數位化
• 配合智慧製造應用
• 接觸/非接觸式感測元件
• 光學/影像辨識處理技術
• 虛擬量測技術
• 精密定位技術
• 應用軟體
產業應用關鍵技術與零組件
• 增加製程檢驗效率
• 提高整體製程良率
• 減少重製率與廢品
• 進行零組件分級，增加客戶
價值
• 增加高價值支援性工作機會
製造高值化效益
資料來源：Hexagon Metrology (2014/04)
智慧線上檢測
資料來源：Hexagon Metrology
工具機機上量測

12. 1111
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資料來源：Yasuhiro Takaya, Int. J. of Automation Technology, Vol. 8, No.1 (2014)；工研院IEK整理(2014/10)
幾何特性 材料特性
傳統製造方式透過量
測來確保工件幾何特
性達到設計要求
透過機上/線上量測
能建構具有補償功能
的封閉式控制迴路
機上/線上量測不只是量測工件幾何尺寸與
外觀特徵，還要量測、監控加工機台、刀具
狀態與工作環境。
精密線上/機上檢測特性
完工後
篩選及
修補
製造中
預防及
最佳化

13. 1212
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資料來源：Yasuhiro Takaya, Int. J. of Automation TechnologyVol.8No.1, 2014
機械製造領域之精密機上/線上檢測技術發展趨勢
• 工具機加工幾何誤差分析
• 使用新方法量測工具機運
動精度
• 以光學方法量測工件外型
• 以探針量測工件外型
• 以兩點或三點量測工件直
線輪廓
• 工件表面粗度/微結構表面
量測
• 工具切面邊緣輪廓量測
• 加工誤差分析用工具特性
量測(例如切削力與變形)
• 線上量測與工件參考外型
精度控制
• 刀具接觸位置，道具設定
用長度與直徑量測
• 在工具機內建感測器直接
量測切削力
• 材料移除過程中的程序監
控
• 以量測作為加工保險的加
工系統

14. 1313
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• 兼具2D和3D檢測三維度輪廓檢測技術
• 以機器手臂結合最適取物技術
• 夾持之待測物透過最佳檢測視角定位技術
工業零件複雜度不斷提升，不但有非平面曲
線焊接、深螺孔、表面塗裝，還有許多地方
具有細微的3D結構，不但使自動化生產技術
變得非常複雜，連帶檢測都變成非常困難。
彈性精密檢測技術
精密機上/線上檢測技術發展趨勢(續)
資料來源：工研院量測中心(2014/06)

15. 1414
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利用全自動化虛擬量測技術，
開發各種可插入式的CNC機台
支援服務，包括加工精度預測
服務、加工品質維護服務與關
鍵零組件預診服務等。
資料來源：成功大學(2013)
自動化虛擬量測技術

16. 1515
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資料來源：BMW(2014/06)
結合手勢辨識技術的檢測應用
• 虛擬手勢識別系統由BMW與弗勞恩霍夫研究所合作開發。
• 系統由安裝在檢驗工作區域上方的兩台3D錄影機、紅外感測器等模組構成。
• 系統內有保險桿的3D實體模型數據，並在檢驗區域建立3D空間掃描坐標系。
• 工件進入檢驗區後，檢驗人員使用手勢指點瑕疵位置後，設備即自動記錄下位
置以及瑕疵數據。
• 如果零件合格，檢驗人員透過滑動手指，即可指示系統該零件已經通過檢驗。
• BMW公司在其德國Landshut工廠的
烤漆產線進行以人員手勢識別、紀錄
汽車保險桿烤漆品質檢驗結果的創新
技術驗證。
• 在虛擬手勢識別系統支援下，檢驗人
員只需使用幾個簡單的手勢，即可完
成以往須由人工完成的複雜檢驗與資
料記錄，同時檢驗精度和零件瑕疵位
置精度也能大幅提升。

17. 1616
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資料來源：行政院科技部工程司自動化學門規劃書(2015/01)
 由過去以電子、面板產業應用為主，逐漸往其他類型製造業擴散。
 未來將逐漸以提升製造自動化與智慧化為發展方向。
 最近5年的多種製程應用案例：
• 以配備線掃描相機的機器視覺系統，檢測鋼坯表面紋理與亮度的差異以判斷其嵌接
的良窳
• 針對絲印程序加工後的玻璃水杯檢測其彩色表面上的印刷瑕疵
• 以影像識別技術辨識在工程陶瓷磨削表面上的損壞
• 以特定的度量指標執行無紋理與均勻紋理表面的細微瑕疵檢測
• 以局部環形對比度的影像處理演算法找出鋼筋表面的瑕疵
• 以不相似性度量指標的光流方法檢測發光二極體(LED)晶圓裸片表面上的瑕疵
• 以雷射三角量測掃描系統在連續的板坯鑄造程序中進行表面瑕疵檢測
• 以機器視覺技術檢出太陽能晶圓表面上的鋸痕瑕疵與細微裂痕瑕疵
• 以多類別支持向量機技術進行高反光性金屬表面的瑕疵檢測
• 針對在汽車產業中的塑膠包覆零件之高反光性曲面進行即時瑕疵檢測
• 開發高速演算法針對連續製程生產中的塑膠紋理表面執行在線瑕疵檢測
• 以機器人視覺系統檢測三維物體表面上的不明確瑕疵
台灣AOI設備應用趨勢

18. 1717
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3. 2015年漢諾威工業展中的量測技術與產品

19. 1818
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資料來源：工研院IEK(2015/04)
工業4.0相關技術與系統(1/3)
Beckhoff公司
展出PC Based智慧
生產系統，系統內包
括機器人自動撿取、
製 造 、 檢 驗 、 RFID
讀取、輸送、電源監
控管理等裝置。
資料來源：工研院IEK(2015/04)
SmartFactoryKL
以模組化系統來展示其
成員廠商在智慧工廠硬
體、軟體、通訊與系統
整合方面的技術能量與
應用產品。

20. 1919
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工業4.0相關技術與系統(2/3)
Festo公司
展出智慧工廠示範系統：產線包
括機器人上下料、自動組裝、自
動 檢 驗 等 功 能 ， 並 使 用 裝 設
RFID資料傳輸與讀取及光學ID
辨識裝置的零件傳送盒，形成智
慧設備、智慧產品與智慧製造流
程。
資料來源：工研院IEK(2015/04)
資料來源：工研院IEK(2015/04)
Siemens公司
展出客製化產品混線生產系統，此實體製造系統是先以NX軟體進行過系統
開發設計與模擬。

21. 2020
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工業4.0相關技術與系統(3/3)
• it’s OWL是德國為發展智慧系統所建立的產業群聚。在本次漢諾威工業展中，該平台設置了
專區，供成員展出相關技術與應用系統。其中一個展出項目是Centrum Industrial IT (CIIT)研
發的自動化教導式積木組裝系統。
• 使用者可以先選擇要生產的積木產品，然後利
用特製的眼鏡型人機介面進行組裝。系統會自
動依據藥生產的積木產品，依序選擇合適的零
件，並顯示其儲存位置，讓使用者選取，並顯
示出組裝方法。
• 然後再繼續指示使用者選取下一個零件進行組
裝，直到選取的產品組裝完成。組裝過程的零
件選取資訊與零件位置，使用者都可透過眼鏡
型人機介面獲得。
資料來源：工研院IEK(2015/04)
資料來源：www.ciit-owl.de

22. 2121
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資料來源：工研院IEK(2015/04)
檢測技術與設備(1/2)
• 使用微型條紋投影技術及主動式三角測量方法
為基礎的白光輪廓掃描儀。
• 系統包含數位相機、投影模組、影像擷取及數
據分析軟體。
• 可搭配大型機器手臂，進行具有複雜外觀之大
型 物體掃描。
AICON 3D Systems / 3D掃瞄系統
Asentics
• 以光學影像處理為基礎的自動化線
上工件快速檢測系統
• 光學式圓柱
形工件表面
分析系統

23. 2222
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檢測技術與設備(2/2)
All-in-one 3D Smart Sensor
光學模組與開放式架構影像擷取與處
理系統軟體Common Vision Blox
資料來源：工研院IEK(2015/04)
STEMMER IMAGING

24. 2323
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4. IEKView

25. 2424
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IEKView
 德國工業4.0引起眾多國家在製造領域數位化與智慧化發展風潮。
• 智慧製造與智慧工廠發展與應用目的在滿足客戶變樣變量製造需求，提高製造
體系生產效率與彈性，以及資源使用效率。
• 智慧工廠除了自動化設備，還會使用大量資通訊技術：IoT、Big Data、
Cloud…
• 德國廠商在工業4.0方面的研發成果已出現成果，並在漢諾威工業展上展示。
 機上與線上量測技術使製造體系的品管策略由製造後篩選與修補，轉為製
造中預防與最佳化。
• 為提高檢測效率，使用光學、雷射與影像處技術的自動化量測應用越來越廣。
未來在非電子類的應用比例將逐漸增加，同時也需要更複雜的3D與各類型材
料表面檢測技術。
 為因應智慧製造應用需求，自動化檢測需要與IoT、Big Data應用結合，使
檢測過程獲得的大量資料能跨越品管應用，成為協助調整製程參數與進行
產品設計、製造最佳化的重要依據。

26. 2525
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• 雲端運算
• 巨量資料
• 網路安全
智慧加工 智慧量測 智慧搬運 智慧組裝
先進材料 智慧感測
供應商
智慧製造管理系統
數
位
製
造
• 產品/零組件設計、模擬、分析
• 快速原型製造
• 製程設計、模擬、分析、最佳化
• 知識資料庫
• 虛擬實境
ICT技術應用
智慧物流
客戶
縮短交期
客製化
資料來源：工研院IEK(2014/05)
智慧製造應用情境
智慧電網
確保品質
快速反應
彈性生產

27. 2626
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