自從約10年前臺(tái)灣開始推動(dòng)工業(yè)4.0相關(guān)政策以來(lái)，智慧傳動(dòng)元件上的感測(cè)器就被視為智慧製造核心關(guān)鍵，負(fù)責(zé)蒐集機(jī)器上各種迴轉(zhuǎn)/線性傳動(dòng)元件狀態(tài)資訊。隨著如今人工智慧（AI）+物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等應(yīng)用不斷推陳出新，也開始引進(jìn)半導(dǎo)體封裝、無(wú)線傳輸?shù)瓤萍迹怪w積更為輕薄短小，得以整合安裝於正確位置，取得可供預(yù)測(cè)診斷，延長(zhǎng)使用壽命等數(shù)據(jù)。

根據(jù)經(jīng)濟(jì)部技術(shù)處最新出版《產(chǎn)業(yè)技術(shù)白皮書》統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)今臺(tái)灣機(jī)械與零組件廠商共超過(guò)2,000家，生產(chǎn)超過(guò)15,000種零組件，其中與機(jī)械傳動(dòng)相關(guān)的齒輪、流體機(jī)械、閥類、滾珠螺桿、軸承等產(chǎn)品，向來(lái)為臺(tái)灣機(jī)械出口主力產(chǎn)品，在智慧自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備上有大量應(yīng)用機(jī)會(huì)，可廣泛導(dǎo)入各式各樣產(chǎn)業(yè)機(jī)械。

其中感測(cè)器向來(lái)被視為智慧製造的基礎(chǔ)元件，可在傳動(dòng)元件上整合識(shí)別、無(wú)線通訊模組，並附加物聯(lián)網(wǎng)等智慧化元素，再經(jīng)過(guò)高速傳輸與大數(shù)據(jù)分析，提供設(shè)備狀態(tài)、健康診斷、預(yù)防保養(yǎng)，以及產(chǎn)線品質(zhì)監(jiān)測(cè)、製程調(diào)控及排程優(yōu)化、參數(shù)補(bǔ)償?shù)茸罡镜臄?shù)據(jù)來(lái)源。可用來(lái)精進(jìn)機(jī)械性能的高精度、穩(wěn)定度和延長(zhǎng)壽命，提高產(chǎn)品的品質(zhì)及生產(chǎn)效率，也使得人與機(jī)器協(xié)作更順暢，間接推動(dòng)新一波智慧製造變革。

進(jìn)而完備智慧化傳動(dòng)元件的狀態(tài)溝通及服務(wù)協(xié)商等功能，更方便機(jī)械設(shè)備業(yè)者直接導(dǎo)入應(yīng)用，導(dǎo)致感測(cè)器應(yīng)用變得更普遍。工研院IEK指出，目前國(guó)際大廠已陸續(xù)投入設(shè)備智慧化，將感測(cè)器結(jié)合設(shè)備，並提供邊緣運(yùn)算（Edge Computing）及多重感測(cè)融合（Sensor Fusion）等前瞻功能，藉由導(dǎo)入大量感測(cè)器結(jié)合AI，能如同人類的感覺(jué)神經(jīng)與大腦協(xié)調(diào)運(yùn)作，讓終端設(shè)備更可靠，並提升附加價(jià)值。

其中寬頻振動(dòng)感測(cè)器可用於監(jiān)控馬達(dá)、泵、旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備等狀態(tài)，以即時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的振動(dòng)特性；進(jìn)行加工過(guò)程異常辨識(shí)及設(shè)備健康預(yù)診斷，如主軸故障、刀具磨耗診斷等，提高設(shè)備加工良率及稼動(dòng)率。未來(lái)智慧傳動(dòng)元件將不只侷限於智慧製造應(yīng)用上，就連在交通運(yùn)輸設(shè)備的車輛變速箱，或是基礎(chǔ)建設(shè)的供水泵等，都有很龐大市場(chǎng)商機(jī)。

圖1 : 寬頻振動(dòng)感測(cè)器可用於監(jiān)控馬達(dá)、泵、旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備等狀態(tài)，以即時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的振動(dòng)特性，未來(lái)智慧傳動(dòng)元件將不只侷限於智慧製造應(yīng)用。（攝影：陳念舜）

迎合數(shù)位轉(zhuǎn)型浪潮　德商推陳出新軟硬體

因應(yīng)近年來(lái)數(shù)位轉(zhuǎn)型浪潮之下，西門子公司（Siemens）也持續(xù)推廣IE2~IE4馬達(dá)，不斷提升能效以完善布局，今（2021）年還新增可涵括範(fàn)圍向下延伸至6/8極、55kW~160kW的SIMOTICS SD超級(jí)能效馬達(dá)機(jī)種，同時(shí)建構(gòu)高效能智慧馬達(dá)、模組，並內(nèi)建無(wú)線與藍(lán)牙模組、資料儲(chǔ)存記憶體，搭配SIMOTICS Connect 400智慧無(wú)線傳輸器採(cǎi)用金屬支架，得以快速簡(jiǎn)單地安裝於所有新增或既有馬達(dá)來(lái)傳輸或蒐集資料，連結(jié)外部自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)備。

進(jìn)而搭配應(yīng)用程式SIDRIVE IQ Fleet，可安裝於任何行動(dòng)裝置蒐集資料，可藉此分析SIMOTICS Connect 400量測(cè)數(shù)據(jù)，用來(lái)監(jiān)控馬達(dá)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)資料與增加透明度、健康情況與運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、資料管理與自動(dòng)警報(bào)、馬達(dá)電子銘牌與技術(shù)資料，經(jīng)SIMOTICS Digital APP建立馬達(dá)身份電子檔，自動(dòng)將即時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)上傳MindSphere輕鬆調(diào)試。

讓使用者更方便使用行動(dòng)裝置+APP，清楚知道馬達(dá)位置、設(shè)備名稱、能耗數(shù)據(jù)及溫度與震動(dòng)是否在正常範(fàn)圍內(nèi)，方便保養(yǎng)和維護(hù)；進(jìn)而利用數(shù)位化網(wǎng)頁(yè)工具與應(yīng)用程式，如網(wǎng)路選型軟體，快速引導(dǎo)客戶找到最合適產(chǎn)品，包含馬達(dá)預(yù)防性維護(hù)和服務(wù)，解決過(guò)去至少有75%馬達(dá)故障都?xì)w因於線圈、軸承的問(wèn)題，在今年半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)建廠熱潮裡備受青睞，未來(lái)盼結(jié)合馬達(dá)、驅(qū)動(dòng)器等數(shù)控系統(tǒng)，組成完整解決方案。

臺(tái)灣易格斯公司（igus）最新發(fā)表的第二代通用開關(guān)櫃模組i.Sense：modul II，則將原來(lái)4個(gè)模組合而為一，可大幅節(jié)省空間和成本，儲(chǔ)存從感測(cè)器得到的數(shù)據(jù)和運(yùn)行設(shè)定。選擇執(zhí)行配置和下載數(shù)據(jù)的通訊路徑非常靈活，異常時(shí)可從遠(yuǎn)端更改數(shù)據(jù)、重新設(shè)定或經(jīng)SMS/e-mail示警；亦可安裝WLAN或無(wú)線藍(lán)牙接收器，依推/拉力感知、定位，以移動(dòng)設(shè)備監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)，提供智慧狀態(tài)監(jiān)測(cè)的許多可能性和應(yīng)用方案。

進(jìn)而連接到新一代i.Cee模組，以監(jiān)測(cè)igus自家產(chǎn)品在機(jī)器上運(yùn)行狀態(tài)，或經(jīng)過(guò)通訊協(xié)定連結(jié)其他品牌，透過(guò)PLC在SCADA/MES操作螢?zāi)簧巷@示所有資料，再上傳中央控制系統(tǒng)或雲(yún)端，與實(shí)驗(yàn)室累積的龐大數(shù)據(jù)比對(duì)、分析，預(yù)測(cè)產(chǎn)品使用壽命並通知提前停機(jī)排修，以實(shí)現(xiàn)「Zero Downtime」（零意外停機(jī)）目標(biāo)，最終提高客戶設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的稼動(dòng)率、妥善率，確保智慧製造生產(chǎn)不中斷，目前主要用於工具機(jī)、機(jī)器人等重工業(yè)機(jī)械。

圖2 : 新一代i.Cee模組可監(jiān)測(cè)igus產(chǎn)品在機(jī)器上運(yùn)行狀態(tài)，或經(jīng)過(guò)通訊協(xié)定連結(jié)其他品牌，透過(guò)PLC在SCADA/MES操作螢?zāi)簧巷@示所有資料，以實(shí)現(xiàn)「Zero Downtime」目標(biāo)。（source：igus.widen.net）

舍弗勒集團(tuán)（SCHAEFFLER）近年來(lái)也與工具機(jī)製造、零組件供應(yīng)商和使用者的密切合作，利用多款新型數(shù)位化元件，將現(xiàn)有技術(shù)通過(guò)感測(cè)器、網(wǎng)路上傳到雲(yún)端運(yùn)算分析，在最大範(fàn)圍內(nèi)得到更廣泛、有效的流程資料，為數(shù)位化生產(chǎn)描述了具體的實(shí)施步驟，替客戶創(chuàng)造顯著的附加價(jià)值。包括採(cǎi)用傳統(tǒng)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，記錄機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，透過(guò)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)讓工具機(jī)使用者獲得軸承、線性傳動(dòng)和直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)，以及感測(cè)器技術(shù)的新概念和聯(lián)網(wǎng)組件，並瞭解如何將之應(yīng)用於預(yù)診維護(hù)、優(yōu)化效率及流程。

最新推出的無(wú)線狀態(tài)監(jiān)測(cè)與數(shù)位化服務(wù)產(chǎn)品OPTIME，即是該公司針對(duì)工業(yè)設(shè)備健康管理需求開發(fā)的多用途、易擴(kuò)展性系統(tǒng)。該設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)解決方案主要由無(wú)線的振動(dòng)感測(cè)器、閘道和視覺(jué)化結(jié)果分析資料的應(yīng)用組成，整合了舍弗勒對(duì)於軸承、旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)的專家領(lǐng)域知識(shí)，同時(shí)應(yīng)用為機(jī)器學(xué)習(xí)專門開發(fā)的演算法和雲(yún)服務(wù)等技術(shù)，進(jìn)行自動(dòng)化資料分析，適用於轉(zhuǎn)速為120rpm~5,000rpm 的旋轉(zhuǎn)機(jī)械。

同時(shí)具有即插、即用、即測(cè)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與應(yīng)用，與操作便捷等特點(diǎn)，可在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)快速安裝、低成本部署，從而獲得2021年度智慧產(chǎn)品、工業(yè)設(shè)計(jì)兩項(xiàng)紅點(diǎn)設(shè)計(jì)大獎(jiǎng)。讓使用者得以在沒(méi)有任何狀態(tài)監(jiān)測(cè)專業(yè)知識(shí)的情況下，安裝和執(zhí)行初始操作，並且在一天時(shí)間內(nèi)輕鬆設(shè)置數(shù)百個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

相較於使用手持設(shè)備進(jìn)行每月離線測(cè)量，OPTIME約可節(jié)省約50%成本；藉其複雜的分析演算，與大多數(shù)無(wú)線CMS系統(tǒng)相比，提供了品質(zhì)更高的監(jiān)測(cè)，非常適合大批量機(jī)器設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。基於對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的分析，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備早期故障，為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行和維護(hù)人員提供準(zhǔn)確的設(shè)備健康診斷分析結(jié)果，支援工業(yè)用戶的維運(yùn)決策，大幅減少非計(jì)劃性停機(jī)。

圖3 : 舍弗勒集團(tuán)（SCHAEFFLER）最新推出的無(wú)線狀態(tài)監(jiān)測(cè)與數(shù)位化服務(wù)產(chǎn)品OPTIME，

整合了對(duì)於軸承、旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)的專家領(lǐng)域知識(shí)。（source：SCHAEFFLER）

中光電次世代MEMS感測(cè)器　為智慧製造帶來(lái)變革

值得一提的是，過(guò)往感測(cè)器常受限於傳輸速度與運(yùn)算能力，無(wú)法即時(shí)分析與回饋處理，如今則隨著AI、5G、大數(shù)據(jù)等創(chuàng)新科技推波助瀾下，將加速新世代人工智慧物聯(lián)網(wǎng)（Artificial Intelligence of Things, AIoT）架構(gòu)與系統(tǒng)成形，對(duì)人類生活和企業(yè)營(yíng)運(yùn)效率造成極大影響，同時(shí)蘊(yùn)藏多元軟硬體解決方案和龐大應(yīng)用服務(wù)市場(chǎng)商機(jī)。

但由於臺(tái)灣大多數(shù)傳動(dòng)元件廠商均為中小企業(yè)，仍有待強(qiáng)化相關(guān)智慧化能量，所以IEK也建議業(yè)者，可先選擇搭配合適的物聯(lián)網(wǎng)廠商，開發(fā)智慧模組技術(shù)，再透過(guò)複製擴(kuò)散，逐步帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)。

中光電智能感測(cè)公司則從2018年陸續(xù)成立AIoT技術(shù)團(tuán)隊(duì)及8家子公司，聚焦影像識(shí)別、人工智慧、感知融合、雲(yún)端加值服務(wù)共4大領(lǐng)域，開創(chuàng)集團(tuán)新成長(zhǎng)曲線，並將感測(cè)器搭配MCU+AI，組成的Edge解決方案，相較於傳統(tǒng)Cloud+AI模式，將更具備低價(jià)化及運(yùn)算能力優(yōu)勢(shì)。

中光電智能感測(cè)公司（CMC）總經(jīng)理吳名清指出，有別於早年定期計(jì)劃性維修，如傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)電流、聲音、溫度皆屬落後指標(biāo)，特別是在老舊設(shè)備異常時(shí)，幾乎都是事後維修。反觀震動(dòng)訊號(hào)是領(lǐng)先指標(biāo)，當(dāng)1~3個(gè)月前出現(xiàn)預(yù)兆時(shí)，就應(yīng)該預(yù)做保養(yǎng)，避免災(zāi)難性失效。

目前中光電將智慧感測(cè)器進(jìn)程依序分為：Level-1檢查問(wèn)題、Level-2知道問(wèn)題、Level-3預(yù)測(cè)問(wèn)題、Level-4精準(zhǔn)預(yù)測(cè)、Level-5無(wú)線全時(shí)運(yùn)作，智慧製造則大致介於Level-2~Level-3之間，有賴於推動(dòng)傳統(tǒng)Level-1機(jī)械式bulk壓電式感測(cè)器轉(zhuǎn)型，成為L(zhǎng)evel-2 MEMS薄膜壓電感測(cè)器。

吳名清指出，兩者差異在於前者厚度>100μm、約10cm的體積過(guò)大，量測(cè)範(fàn)圍廣、精度高且貴，卻須將類比訊號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)位訊號(hào)輸出，主要用於精密加工和組裝，須定期校準(zhǔn)儀器、巡檢的重工業(yè)，交由專業(yè)認(rèn)證人員操作。

後者採(cǎi)取半導(dǎo)體製程生產(chǎn)，厚度1~5μm、體積≦2mm等級(jí)的體積小且成本低，分段式量測(cè)範(fàn)圍的精度適中，sensor + MCU + connectivity可模組化設(shè)計(jì)，經(jīng)直接數(shù)位化輸出，可進(jìn)行In-line monitoring/趨勢(shì)分析。吳名清認(rèn)為：「感測(cè)器必須要量得到，才能做監(jiān)測(cè)、分析、預(yù)測(cè)。」有別於過(guò)去MEMS電容式感測(cè)器向來(lái)被質(zhì)疑精度不足、機(jī)械式感測(cè)器龐大又貴，中光電推出的薄膜壓電式感測(cè)器，則強(qiáng)調(diào)體積小到可埋入傳動(dòng)元件，精度也不差；壓電技術(shù)能監(jiān)測(cè)到pure vibration，不受重力、安裝鎖固等造成偏移，現(xiàn)也與臺(tái)灣智慧螺桿大廠合作，演算法以螺桿特徵頻率~200Hz、震動(dòng)大小＜0.2mg來(lái)預(yù)測(cè)。

中光電選擇與日本STANLEY、SUMITOMO CHEMICAL合作，引進(jìn)以往用於噴墨印表機(jī)的壓電式技術(shù)knowhow和1μm等不同厚度的壓電材料，並尋求臺(tái)灣半導(dǎo)體廠商將之鍍於Silicon wafer（矽晶圓）的製程作為薄膜壓電標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)，在高精度大規(guī)模生產(chǎn)工藝上降低成本，針對(duì)製程與產(chǎn)品需求精進(jìn)，設(shè)計(jì)製造成為約2mm的MEMS薄膜感測(cè)模組，共闖新應(yīng)用領(lǐng)域。

Level-3便是MEMS技術(shù)帶來(lái)的新機(jī)會(huì)，由於從傳統(tǒng)壓電陶瓷轉(zhuǎn)型成為半導(dǎo)體製程的MEMS薄膜壓電，足以達(dá)到＜1mg工業(yè)感測(cè)精度、零點(diǎn)飄移（Zero drift）、頻寬10kHz，並降低元件單價(jià)。經(jīng)過(guò)整合震動(dòng)、溫度、壓力感測(cè)器模組化後，使用RS485/WiFi/Modbus等數(shù)位輸出的抗機(jī)邊干擾能力強(qiáng)；可整合32bit MCU M4/M7與可燒錄演算法，於前端強(qiáng)化算力，不再像過(guò)去只談感測(cè)器性能或顧慮後端整合，還能加入Machine learning/Deep learning功能。

目前已可實(shí)際用於Level-1設(shè)備預(yù)知診斷的解決方案，例如採(cǎi)用傳統(tǒng)壓電式工業(yè)級(jí)震動(dòng)感測(cè)器的客戶，只能接收單純震動(dòng)訊號(hào)，又容易在類比輸出時(shí)遭受干擾；體積大、單價(jià)高，而無(wú)法模組化。必須先經(jīng)DAQ轉(zhuǎn)換成為數(shù)位訊號(hào)後，透過(guò)IPC蒐集數(shù)據(jù)，再通過(guò)Ethernet聯(lián)網(wǎng)的成本過(guò)高。導(dǎo)致IPC需要大量算力，建立模型須耗時(shí)3~6月的成本過(guò)於昂貴，現(xiàn)在僅適用於基本展示，不方便應(yīng)用於大規(guī)模布建場(chǎng)域。

待導(dǎo)入Level-3的設(shè)備預(yù)知診斷解決方案（IPC + Cloud）之後，由於CMC感測(cè)解決方案可將工業(yè)級(jí)MEMS薄膜壓電感測(cè)模組化，解析度達(dá)100μg（rms）；ADC+MCU內(nèi)建AI及數(shù)位輸出功能，原本便具備採(cǎi)集數(shù)據(jù)和運(yùn)算能力，可利用Self-training演算法直接在機(jī)邊建模開始運(yùn)算，將設(shè)備健康分級(jí)（L1~L10）指標(biāo)，再經(jīng)過(guò)Smart hub將設(shè)備數(shù)據(jù)直接上報(bào)後臺(tái)IPC + cloud，長(zhǎng)期監(jiān)控雲(yún)端大數(shù)據(jù)，會(huì)更有成本競(jìng)爭(zhēng)力。

到了Level-4等級(jí)加入多維度感測(cè)器功能，如近期CMS與新唐聯(lián)手發(fā)表最新Multi sensor SOC解決方案，在AI Core MCU上加入震動(dòng)、溫度、壓力、濕度、磁場(chǎng)、聲音等多元感測(cè)硬體模組，如同感測(cè)器的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)來(lái)進(jìn)行初期探索，蒐集更多物理量數(shù)據(jù)，以提高預(yù)測(cè)的正確率和user使用的信賴度。

但吳名清也坦言，目前MEMS薄膜壓電感測(cè)遭遇的挑戰(zhàn)是現(xiàn)實(shí)很殘酷，由於具備技術(shù)和資本密集特性，必須確保需求規(guī)模是否足以支撐？以及IOT感測(cè)網(wǎng)路進(jìn)入Level-5階段，須能無(wú)線全時(shí)運(yùn)作，5G/AIoT無(wú)所不在，將導(dǎo)致高度整合低成本的感測(cè)模組、高效能低功耗MCU遍佈廠內(nèi)，以與後臺(tái)戰(zhàn)情系統(tǒng)合作，執(zhí)行AI+Domain knowhow監(jiān)控生產(chǎn)品質(zhì)。

此時(shí)，雖然電池安裝容易，但配件規(guī)模數(shù)量龐大，後續(xù)維護(hù)與每3~6個(gè)月更換的成本極高，以預(yù)兆保養(yǎng)為主，定期保養(yǎng)為輔。現(xiàn)今已有許多新創(chuàng)公司投入研發(fā)解決方案，例如用震動(dòng)等周邊能量發(fā)電，這也是壓電材料的優(yōu)點(diǎn)，有助於實(shí)現(xiàn)供電不中斷。

圖4 : MEMS薄膜壓電感測(cè)器採(cǎi)取半導(dǎo)體製程生產(chǎn)，體積小且成本低，分段式量測(cè)範(fàn)圍的精度適中，經(jīng)直接數(shù)位化輸出，可進(jìn)行In-line monitoring/趨勢(shì)分析。（source：blog.st.com）

*刊頭照（攝影：陳念舜）