最近5年來，日本新一代的工具機(jī)設(shè)備除了維持一貫的精度與高速之外，在控制與自我維護(hù)方面，出現(xiàn)相當(dāng)大的開發(fā)變革性，各工具機(jī)大廠不僅僅朝向更多功能性化發(fā)展，同時(shí)也讓工具機(jī)設(shè)備更聰明化與可通訊化。因此，相信高速化、高精度化、複合化、智慧化、開放化、並聯(lián)驅(qū)動(dòng)化、網(wǎng)路化、極端化、綠色化是將會(huì)是工具機(jī)設(shè)備發(fā)展的趨勢(shì)和方向。

除了以複合化、多軸化、智能化為中心的技術(shù)，不斷的推動(dòng)工具機(jī)設(shè)備變得更優(yōu)異之外，日本業(yè)者也開始在工具機(jī)設(shè)備內(nèi)部增加線上量測(cè)能力。ISO230-1的規(guī)範(fàn)，就是針對(duì)工具機(jī)設(shè)備的試驗(yàn)方法進(jìn)行定義，而最近修正了部分的規(guī)範(fàn)。

為了滿足上述規(guī)範(fàn)的定義，目前日本業(yè)者開始對(duì)工具機(jī)設(shè)備內(nèi)部的設(shè)計(jì)，進(jìn)行修正與能力提升，最大性能提升的部分就是量測(cè)的技術(shù)與元件。這其中最關(guān)鍵的系統(tǒng)與元件便是各種偵測(cè)能力的感測(cè)器，同時(shí)，也因?yàn)榘雽?dǎo)體製造、工具機(jī)設(shè)備、機(jī)器人等領(lǐng)域的市場(chǎng)需求持續(xù)成長(zhǎng)，以及物流等非製造業(yè)的需求快速增加下，被視為導(dǎo)入與扮演IoT技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵零組件—感測(cè)器，也就呈現(xiàn)了大幅度的成長(zhǎng)。

另一方面，再加上少子化、高齡化所帶來的人力不足和人事成本激增，以及市場(chǎng)對(duì)於產(chǎn)品生產(chǎn)的高精度要求和縮短生產(chǎn)時(shí)程方面，也都可以透過使用感測(cè)器來解決，因此，感測(cè)器也就成為各式新一代生產(chǎn)設(shè)備開發(fā)時(shí)，不可或缺的關(guān)鍵零件，更進(jìn)一步的帶動(dòng)了工廠設(shè)備專用的各功能感測(cè)器市場(chǎng)快速擴(kuò)大，以及更多方面應(yīng)用的感測(cè)器被開發(fā)出來（圖1）。

圖1 : 各功能感測(cè)器市場(chǎng)快速擴(kuò)大，以及更多方面應(yīng)用的感測(cè)器被開發(fā)出來。（source：Leddar Tech）

各種感測(cè)器逐漸成為工具機(jī)設(shè)備的關(guān)鍵元件之一

一般而言，工具機(jī)設(shè)備在進(jìn)行加工作業(yè)時(shí)，需要面對(duì)各種形狀或加工條件不同的加工對(duì)象物品，但是這些都需要透過資深的技師來進(jìn)行控制或調(diào)整。當(dāng)然，在導(dǎo)入人工智慧能力後的工具機(jī)設(shè)備，也需要讓工具機(jī)設(shè)備具有加工物品的成像以及量測(cè)能力。

因此在IoT化和AI化的大環(huán)境趨動(dòng)下，未來不僅僅工具機(jī)設(shè)備，甚至於連設(shè)備中的各個(gè)次系統(tǒng)單元，也都將透過各種感測(cè)能力發(fā)展獨(dú)自的資訊系統(tǒng)架構(gòu)，再從各式各樣的感測(cè)器中取得各種數(shù)據(jù)來加以分析使用，使得如何藉由此一能力來提高生產(chǎn)能力。例如，經(jīng)由設(shè)備上的影像感測(cè)器與震動(dòng)感測(cè)器等元件，以及透過通訊網(wǎng)路和雲(yún)端或伺服設(shè)備的AI能力，就能夠?qū)⒂^測(cè)到車銑床用的立銑刀等消耗品的劣化，或加工品的數(shù)據(jù)，再加以分析判斷，並且完成降低各種生產(chǎn)成本的目標(biāo)。

透過感測(cè)器開發(fā)出切削殘物檢測(cè)與馬達(dá)列化預(yù)測(cè)的技術(shù)

就像日立開發(fā)出在生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)建具有感測(cè)器的傳動(dòng)馬達(dá)，可以透過感測(cè)系統(tǒng)預(yù)先分析出傳動(dòng)馬達(dá)和系統(tǒng)相關(guān)消耗性零件的劣化程度與預(yù)先維護(hù)規(guī)劃。

馬達(dá)的部分，是採用現(xiàn)有的電流感測(cè)器，來推估出轉(zhuǎn)子的位置，而並非採用一般使用位置感測(cè)器的設(shè)計(jì)。因此所發(fā)展的這款取代過去技術(shù)的非採用感測(cè)器控制技術(shù)，可以同時(shí)達(dá)到進(jìn)行伺服馬達(dá)控制以及多變量解析等等的分析，並且透過這項(xiàng)機(jī)制能更進(jìn)一步的開發(fā)出伺服馬達(dá)的劣化檢測(cè)功能。

因此採用愈精密的伺服馬達(dá)，即使需要相當(dāng)輕微的負(fù)載變動(dòng)，馬達(dá)也可以滿足控制的需要。利用這樣的功能原理基礎(chǔ)，可以透過軟體來從伺服馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)電流獲得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)數(shù)與Torque電流、勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)子位置等內(nèi)部的資訊數(shù)據(jù)（圖2）。

圖2 : 日立利用感測(cè)器的檢測(cè)傳動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)子 （source：日立製作所）

金澤工業(yè)大學(xué)的中野淳教授與鷹合大輔準(zhǔn)教授，和O-M製作所合作，針對(duì)工具機(jī)設(shè)備的切削工作物，透過感測(cè)器和人工智慧技術(shù)，開發(fā)出可以檢測(cè)纏繞在刀刃外表的切割粉末的技術(shù)。由於工具機(jī)設(shè)備在進(jìn)行加工切割時(shí)，會(huì)不可避免的產(chǎn)生切割粉末或殘餘物，在過去技術(shù)能力，因?yàn)闊o法偵測(cè)出切削殘物，使得這些切割粉末或殘餘物會(huì)包覆或殘留在刀刃上造成加工不良，更嚴(yán)重的會(huì)使得工具機(jī)設(shè)備產(chǎn)生各種的故障。

此外，由於工作對(duì)象物材質(zhì)、加工方式不同時(shí)，會(huì)出現(xiàn)體積或形狀不同的切割殘留物，因此，如何克服殘留在刀刃上的加工餘物，並且加以排除，順利的進(jìn)行加工，長(zhǎng)久以來一直是工具機(jī)設(shè)備業(yè)者、加工廠業(yè)者，以及關(guān)鍵零件業(yè)者所關(guān)注的問題，以及研發(fā)的方向。就像這次的技術(shù)合作業(yè)者O-M製作所，針對(duì)這一部分已經(jīng)投注相當(dāng)長(zhǎng)的研發(fā)資源，透過和金澤工業(yè)大學(xué)的合作，利用感測(cè)器與AI技術(shù)開發(fā)出新一代具有切削殘物檢測(cè)能力的工具機(jī)設(shè)備，來降低設(shè)備的故障率與確保加工的順利性（圖3、圖4）。

圖3 : 刀刃被加工餘物包覆的狀況（source：金澤工業(yè)大學(xué)）

圖4 : 透過感測(cè)器與AI分析與描繪出刀刃被加工餘物包覆，加工餘物可能性高的地方以顏色表示。（紅色部分的準(zhǔn)確率較高）（source：金澤工業(yè)大學(xué)）

工廠設(shè)備專用的各功能感測(cè)器的市場(chǎng)仍舊維持大幅成長(zhǎng)

在整體的工業(yè)用感測(cè)器領(lǐng)域裡，機(jī)器人方面的應(yīng)用才剛開始，所佔(zhàn)的市場(chǎng)比例還不是很高，而相關(guān)的半導(dǎo)體製造、工具機(jī)設(shè)備、車用、建設(shè)等，都可以發(fā)現(xiàn)到市場(chǎng)成長(zhǎng)幅度相當(dāng)?shù)拇蟆Ｔ趤?zhàn)據(jù)市場(chǎng)比例較多的半導(dǎo)體和顯示器生產(chǎn)設(shè)備方面，根據(jù)日本半導(dǎo)體製造裝置協(xié)會(huì)的出貨統(tǒng)計(jì)，2017年度的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了2兆5352億日?qǐng)A，而對(duì)於2018年度的市場(chǎng)規(guī)模，更是樂觀的預(yù)估將會(huì)達(dá)到2兆7943億日?qǐng)A，持續(xù)維持了2兆日?qǐng)A的市場(chǎng)規(guī)模。

和半導(dǎo)體製造設(shè)備市場(chǎng)一樣呈現(xiàn)持續(xù)順利成長(zhǎng)的領(lǐng)域，便是工具機(jī)械的產(chǎn)業(yè)。根據(jù)日本工作機(jī)械工業(yè)會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)字來看，2017年的市場(chǎng)規(guī)模比起前一年度，大幅度的成長(zhǎng)131.6%，市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了1兆6455億日?qǐng)A，這個(gè)數(shù)字已經(jīng)又重新寫下歷史的新高點(diǎn)。工業(yè)會(huì)預(yù)估在2018年還是會(huì)持續(xù)維持這樣的成長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)成長(zhǎng)到1兆7500億日?qǐng)A，預(yù)計(jì)將會(huì)再一次的打破在2017年所創(chuàng)下的市場(chǎng)規(guī)模歷史新高點(diǎn)。

這是因?yàn)榭梢灶A(yù)期到包括以汽車產(chǎn)業(yè)、通訊設(shè)備、建設(shè)設(shè)備等等的市場(chǎng)核心產(chǎn)業(yè)，市場(chǎng)需求持續(xù)呈現(xiàn)旺盛的態(tài)勢(shì)，這樣的變化，已經(jīng)使得工具機(jī)設(shè)備的交貨期不斷出現(xiàn)新訂單交貨期延長(zhǎng)的窘境現(xiàn)象，同時(shí)也難以透過計(jì)劃生產(chǎn)來消耗龐大的訂單，與出貨壓力。

另一方面，根據(jù)日本電氣制御機(jī)器工業(yè)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，在2017年度（2017年4月~2018年3月）的檢測(cè)用開關(guān)（Switch）的出貨銷售金額為1215億日?qǐng)A，這個(gè)數(shù)字比起2016年度（2016年4月~2017年3月）的市場(chǎng)規(guī)模幾乎呈現(xiàn)翻倍的成長(zhǎng)，打破了過去最多是2位數(shù)的成長(zhǎng)率，達(dá)到了111.8%的歷史最高成長(zhǎng)率。

在類型的部分，非接觸式感測(cè)器的成長(zhǎng)幅度，更是高於接觸型的感測(cè)器，特別是可提供資料輸出的類型產(chǎn)品，成長(zhǎng)幅度高達(dá)115.7%。另一款成長(zhǎng)率達(dá)到三位數(shù)的產(chǎn)品則是與安全保護(hù)相關(guān)的感測(cè)器，和前一個(gè)年度相比，成長(zhǎng)幅度更是破紀(jì)錄的來到124.8%。

工具機(jī)設(shè)備用感測(cè)器技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)況

精度持續(xù)進(jìn)步的光電感測(cè)器

在工業(yè)用的感測(cè)器產(chǎn)品類型中，佔(zhàn)據(jù)市場(chǎng)比例最大的為光電感測(cè)器，例如LED或半導(dǎo)體雷射等光源性的非接觸式感測(cè)器，主要是用來進(jìn)行工作性（產(chǎn)品?零件）的有無確認(rèn)。在技術(shù)方面則有穿透式、回歸反射式以及擴(kuò)散反射式等，而在精確度與性能方面，每一年可以發(fā)現(xiàn)到都會(huì)有大程度性的進(jìn)步。穿透式感測(cè)器大多是應(yīng)用在遠(yuǎn)距離的檢測(cè)，而回歸反射式的感測(cè)器，不必像穿透式感測(cè)器一樣，需要在投射單元和受光單元都進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)，只需要在感測(cè)器的對(duì)面安置匹配的反射材料就可以了，這樣一來，無論是在電路複雜度和安裝的程序，都能夠減少一半左右。

特別的是，反射式感測(cè)器的效能，以及成本降低方面都相當(dāng)顯著，另外在過去所苦惱的工作目標(biāo)品的顏色變化，以及高傾斜角度的工作目標(biāo)品、水、油等環(huán)境條件，對(duì)檢測(cè)器的精準(zhǔn)度所帶來的影響，也大幅度獲得改善。

圖5 : 近幾年來，反射式感測(cè)器的效能，以及成本降低方面都相當(dāng)顯著（source：BANNER）

光電感測(cè)器不斷追求的是，如何能夠更容易的使用自動(dòng)調(diào)諧等功能，來提升自我的能力，另外，多點(diǎn)控制以及差動(dòng)檢測(cè)等時(shí)，能夠精準(zhǔn)掌控類比型態(tài)的受光量，以及類比型態(tài)輸出的光纖式光電感測(cè)器。例如，最近在面對(duì)IoT與工業(yè)4.0化的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力之下，讓工具機(jī)設(shè)備擁有通訊能力，就是接下來新一代產(chǎn)品需要考量的設(shè)計(jì)與方向。

在這樣的趨勢(shì)下，PLC和通訊機(jī)制的能夠集中進(jìn)行各項(xiàng)設(shè)定，也就會(huì)變得相當(dāng)重要。而當(dāng)然每個(gè)業(yè)者所提供的光電感測(cè)器產(chǎn)品都具有自動(dòng)感測(cè)修正功能，已經(jīng)不僅僅只能進(jìn)行光纖前端受到?jīng)@染時(shí)，所造成的光量降低時(shí)進(jìn)行自動(dòng)修正感測(cè)器的感度，而不至於出現(xiàn)誤判的結(jié)果，但是時(shí)間一久仍舊需要對(duì)感測(cè)器進(jìn)行歸零校正的工作。

目前新一代的光電感測(cè)器已經(jīng)可以在進(jìn)行光纖前端清潔後，感測(cè)器能夠自動(dòng)進(jìn)行歸零重設(shè)的動(dòng)作，也無須再進(jìn)行校正，可以省下相當(dāng)多的停工校正時(shí)間，與相關(guān)生產(chǎn)成本。

另外，光電感測(cè)器中作為光源的LED，也會(huì)因?yàn)榻?jīng)年累月的使用下，出現(xiàn)出光量的衰減，面對(duì)這樣的問題，感測(cè)器中也開始增加檢測(cè)光量的單元，來確保不會(huì)因?yàn)樵淖晕伊踊瘯r(shí)，使得工具機(jī)設(shè)備在進(jìn)行各項(xiàng)檢測(cè)或動(dòng)作時(shí)，造成誤判、資料輸出錯(cuò)誤，或出現(xiàn)各項(xiàng)的危險(xiǎn)動(dòng)作。

距離感測(cè)器已可以偵測(cè)超過數(shù)十毫米

多數(shù)的距離感測(cè)器（proximity sensor）都具有抗惡劣環(huán)境的能力，因此大多都能夠在高溫、高濕，甚至於水中使用，這是其他類型感測(cè)器所沒有的特性。以目前的生產(chǎn)技術(shù)來看，直徑約3毫米的超小型、全金屬材質(zhì)等的距離感測(cè)器，在市場(chǎng)上可以發(fā)現(xiàn)已經(jīng)逐漸增加，並且也受到使用者的喜愛，當(dāng)然也有金屬與非金屬混合材質(zhì)的感測(cè)器產(chǎn)品。在偵測(cè)距離方面，大多的產(chǎn)品為數(shù)毫米到幾十毫米，而超過數(shù)十毫米偵測(cè)距離的感測(cè)器產(chǎn)品，也陸續(xù)被開發(fā)出來（圖6）。

圖6 : 在市場(chǎng)上可以發(fā)現(xiàn)距離感測(cè)器已經(jīng)逐漸受到使用者的喜愛 （source：Electrical Academia）

以目前的研發(fā)技術(shù)與感測(cè)元件採用的方式來看，大多都是透過2次元的外型量測(cè)感測(cè)器，來實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備內(nèi)部（In Line）的加工對(duì)象物品進(jìn)行測(cè)量。具體的方式是利用投射寬度較大的半導(dǎo)體雷射對(duì)加工物品進(jìn)行投射雷射光線，而照射在加工物品後所反射出來的雷射光，再利用感光耦合元件（Charge-coupled Device；CCD）來進(jìn)行收光攝影，透過非接觸式感測(cè)器來進(jìn)行物品的斷面量測(cè)，從攝影後的各種資料來形成物品形狀的各種資料（Profile），進(jìn)而瞬間計(jì)算出加工物品的斷面型態(tài)（2次元形狀），包括了高度、段差、寬度、位置、交點(diǎn)、傾斜等的數(shù)據(jù)。

而在面對(duì)更高精度或細(xì)微加工的工具機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域方面，擔(dān)任微小物體檢測(cè)用的高精度、低成本、操作或元件更為簡(jiǎn)化光電感測(cè)器的需求度呈現(xiàn)了急速性的成長(zhǎng)，因此也形成了一個(gè)主流性的大市場(chǎng)。最近，這些光電感測(cè)器的研發(fā)技術(shù)，也開始朝向體積更小型化、檢測(cè)距離更長(zhǎng)化、惡劣使用環(huán)境的高度自我保護(hù)等的方向快速發(fā)展，例如50公尺的遠(yuǎn)距檢測(cè)能力，以及IP69K高度防水防塵能力。

特別是抗污環(huán)境性強(qiáng)的應(yīng)用方面，新一代的工具機(jī)設(shè)備等設(shè)計(jì)，也開始由原先採用接觸式感測(cè)器變更使用非接觸式的感測(cè)器，除了非接觸式感測(cè)器本身的優(yōu)點(diǎn)之外，在工具機(jī)產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以有更大的空間彈性以及多樣性。

以安全防護(hù)為應(yīng)用的範(fàn)圍感測(cè)器

作為安全防護(hù)用的感測(cè)器，也逐漸在工具機(jī)設(shè)備中被採用，不過大多都是應(yīng)用在進(jìn)行侵入檢測(cè)的防護(hù)，在市場(chǎng)上，依照應(yīng)用的用途目的性，接觸式型態(tài)與非接觸式型態(tài)的感測(cè)器都有。

在這其中，安全光柵（Safety Light Curtain）感測(cè)器還可以透過軟體來進(jìn)行警示區(qū)域的設(shè)定，不過大多都被應(yīng)用在機(jī)器人、無人搬運(yùn)設(shè)備等上。隨著技術(shù)與半導(dǎo)體元件的進(jìn)步，安全光柵感測(cè)器無論在設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)整校正等方面，都已經(jīng)大幅度簡(jiǎn)化了設(shè)置作業(yè)，另一方面，提升光照射的能力技術(shù)之下，使得大大減少了電路方面的設(shè)計(jì)與使用，也可以即使同時(shí)使用多個(gè)感測(cè)器，也不會(huì)出現(xiàn)光干涉的情況。使得採用這款感測(cè)器的產(chǎn)品，不再限於機(jī)器人或無人搬運(yùn)設(shè)備，甚至於工具機(jī)設(shè)備也逐漸的導(dǎo)入使用。

由於機(jī)器人應(yīng)用的擴(kuò)大化，同樣是進(jìn)行距離或安全範(fàn)圍偵測(cè)，被稱為範(fàn)圍感測(cè)器（Range Sensor）的應(yīng)用也隨之增加，範(fàn)圍感測(cè)器透過半導(dǎo)體雷射的光線投射，能夠?qū)τ行Ч?fàn)圍內(nèi)的障礙物進(jìn)行偵測(cè)、判斷和掌握，甚至於計(jì)算出距離，以目前的能力值來說，可以在自我為中心的270度視野範(fàn)圍內(nèi)，對(duì)水平地面物進(jìn)行感測(cè)。

針對(duì)這樣的應(yīng)用產(chǎn)品市場(chǎng)，大多是物流業(yè)者與大型工廠所需要AGV（無人搬運(yùn)設(shè)備），利用感測(cè)器的能力，再搭配其他的控制系統(tǒng)，就能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的搬運(yùn)系統(tǒng)，在被定義的路線或軌道上，自行進(jìn)行設(shè)定的搬運(yùn)、行進(jìn)等動(dòng)作，而安全防護(hù)方面，就是依賴2D和3D的雷射感測(cè)器來對(duì)障礙物或運(yùn)行軌跡進(jìn)行比對(duì)和偵測(cè)。如果能夠再搭配AI技術(shù)的話，更能夠基於過去搬運(yùn)的紀(jì)錄，來決定最佳化的搬運(yùn)路線行進(jìn)和作業(yè)。

當(dāng)然也有更長(zhǎng)距離、更高感度偵測(cè)的感測(cè)器產(chǎn)品，不過這些就會(huì)被應(yīng)用在例如立體停車場(chǎng)或隧道上，來對(duì)車輛的高度進(jìn)行檢測(cè)和進(jìn)入管制等，大多是戶外和交通領(lǐng)域，或更進(jìn)一步的安全預(yù)防等領(lǐng)域。在這個(gè)領(lǐng)域裡，如果能夠大幅度提升影像資料和分辨準(zhǔn)確能力，相信應(yīng)用範(fàn)圍將會(huì)更加廣闊。

**刊頭圖（source：METROL）