工具機(jī)業(yè)者跨入高起點(diǎn)、大投入、規(guī)模化、國際化等四大發(fā)展格局。
而淨(jìng)零碳排迫在眼前，2023無疑是工具機(jī)產(chǎn)業(yè)淨(jìng)零碳排關(guān)鍵年。
在這一波淨(jìng)零碳排的浪潮下，工具機(jī)業(yè)者強(qiáng)化碳韌性將刻不容緩。
歐盟宣布將在2023年10月開始，試行課徵碳邊境調(diào)整機(jī)制（CBAM），而在臺(tái)灣，也已經(jīng)三讀通過《氣候變遷因應(yīng)法》，將跟進(jìn)在2024年開徵碳費(fèi)。至於美國等其他國家也陸續(xù)準(zhǔn)備或考慮收取碳稅，並建立碳排放交易制度。從這些趨勢(shì)看來，淨(jìng)零碳排已是迫在眼前，各產(chǎn)業(yè)紛紛加快腳步強(qiáng)化企業(yè)的碳排治理，並約束供應(yīng)鏈夥伴減碳，對(duì)於跟製造業(yè)環(huán)環(huán)相扣的工具機(jī)產(chǎn)業(yè)來說，2023無疑是淨(jìng)零碳排關(guān)鍵年。在這股淨(jìng)零碳排的浪潮下，工具機(jī)業(yè)者及供應(yīng)鏈強(qiáng)化碳韌性將刻不容緩。
全球工具機(jī)市場格局
全球工具機(jī)市場預(yù)計(jì)將從2021年的826億美元規(guī)模，成長到2026年的955億美元規(guī)模，並以3.2％的年複合成長率（CAGR）成長。從全球的工具機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)觀察，雖然大多數(shù)工具機(jī)企業(yè)規(guī)模較小，而且主要都集中在某個(gè)特定領(lǐng)域來發(fā)揮技術(shù)專長和經(jīng)營特色，但主要龍頭企業(yè)則完全是另一番景象，包括高起點(diǎn)、大投入、規(guī)模化、國際化等四大發(fā)展格局，原因在於具備強(qiáng)大的基礎(chǔ)技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)能力。
而在為製造業(yè)提供成套加工服務(wù)的方面，工具機(jī)龍頭企業(yè)從解決方案到技術(shù)支援都有極為強(qiáng)勁的多領(lǐng)域覆蓋能力。相較之下，也顯露出中小型工具機(jī)廠商的發(fā)展現(xiàn)狀，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)落後、到產(chǎn)業(yè)集中度低等兩大不足之處，亟需迎頭趕上。
放眼工具機(jī)市場，中國的機(jī)床工具機(jī)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值已位居全球第一，且呈現(xiàn)高速成長的態(tài)勢(shì)，但整體產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)性問題卻也越來越明顯。推動(dòng)出口成長的主要因素在於，中國市場的需求不足，使得企業(yè)加大開拓國際的市場力道，加上歐美市場對(duì)於設(shè)備的需求增加，以及新定制製造業(yè)更新裝備政策，與緩解就業(yè)壓力等原因。
就中國工具機(jī)產(chǎn)業(yè)來觀察，如何擺脫當(dāng)前的困境，是擺在中國策略與製造業(yè)者面前一道十分棘手的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)。根據(jù)中國工信部表示，目前已經(jīng)確定當(dāng)前由工信部主管的企業(yè)技術(shù)改造，將提升到由中央的高度來進(jìn)行統(tǒng)籌。
工具機(jī)生產(chǎn)企業(yè)自身的崛起已經(jīng)刻不容緩。而工具機(jī)廠商也必須著重處理好幾個(gè)關(guān)係，一是短期利益與長期利益的關(guān)係，二是規(guī)模擴(kuò)張和產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)係，三是硬體投入與軟體建設(shè)的關(guān)係，四是產(chǎn)品研發(fā)與產(chǎn)業(yè)生態(tài)的關(guān)係。
| 圖1 : SiC對(duì)於高密度的工業(yè)應(yīng)用能提供更高電壓與快速開關(guān)。（source：意法半導(dǎo)體） |
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臺(tái)灣工具機(jī)轉(zhuǎn)型契機(jī)
而對(duì)於臺(tái)灣來說，工具機(jī)產(chǎn)業(yè)也提供了非常大的貢獻(xiàn)，佔(zhàn)整體機(jī)械業(yè)產(chǎn)值大約三分之一，也是臺(tái)灣第三個(gè)超過新臺(tái)幣兆元以上的產(chǎn)業(yè)，對(duì)臺(tái)灣來說是非常重要的一個(gè)產(chǎn)業(yè)，也是非常重要的出口品。工具機(jī)由於都是用於工廠產(chǎn)線上，因此最關(guān)鍵的當(dāng)然就是精準(zhǔn)度，以及品質(zhì)。
其實(shí)最近政府也有提到臺(tái)灣在工具機(jī)產(chǎn)業(yè)方面遇到的瓶頸，第一是工具機(jī)的零件多元且複雜，臺(tái)灣廠商的庫存率也偏高，約達(dá)50％。相較於日本只有23％，這就對(duì)於臺(tái)灣工具機(jī)產(chǎn)品的競爭力有所影響。第二就是品質(zhì)與精度，也就是可靠度。臺(tái)灣工具機(jī)雖然跟歐美日的產(chǎn)品差距不大，但產(chǎn)品可靠度有待提高，這主要是反應(yīng)在可連續(xù)工作的時(shí)間上，可靠度越高，連續(xù)可運(yùn)作生產(chǎn)的時(shí)間就越長，就不需要頻繁地停下機(jī)器維修。另外像是全球的金屬原物料價(jià)格上漲，也都對(duì)臺(tái)灣工具機(jī)業(yè)者產(chǎn)生了不小的衝擊。
臺(tái)灣的工具機(jī)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的目標(biāo)，就是要能夠更接近工業(yè)4.0的願(yuàn)景。但是工業(yè)4.0就是一個(gè)很龐大的概念與複雜的技術(shù)，所以就要從最簡單最基本的部分來進(jìn)行。要邁向工業(yè)4.0的數(shù)位轉(zhuǎn)型，工廠必須走向智慧製造，這都需要從最基礎(chǔ)的連網(wǎng)、稼動(dòng)率、機(jī)臺(tái)做起。沒有連網(wǎng)，設(shè)備的狀態(tài)都無法收集，就無法得知稼動(dòng)率，更無法瞭解產(chǎn)量與品質(zhì)。
對(duì)於臺(tái)灣的工具機(jī)產(chǎn)業(yè)來說，目標(biāo)當(dāng)然是提升臺(tái)灣工具機(jī)在全球的能見度跟競爭力。臺(tái)灣工具機(jī)產(chǎn)業(yè)面臨的瓶頸是庫存過高，這當(dāng)然是需要優(yōu)先改善的部分。改善的方法則是提高工具機(jī)的品質(zhì)與可靠度。可以以鄰國日本為借鏡，想辦法縮小臺(tái)灣與日本之間的庫存差距，來當(dāng)作一個(gè)改進(jìn)的目標(biāo)。
多軸聯(lián)動(dòng)技術(shù)含量高
在高度複雜的產(chǎn)業(yè)，就會(huì)需要使用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控工具機(jī)。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控工具機(jī)是一種科技含量高、精密度極高，專門用於加工複雜曲面的工具機(jī)，其整合了電腦數(shù)位控制、高性能伺服驅(qū)動(dòng)與精密加工於一體，可以高效率、高準(zhǔn)確完成複雜的曲面加工。這種工具機(jī)系統(tǒng)對(duì)一個(gè)國家的航空、太空、軍事、科研、精密器械、高精密度醫(yī)療設(shè)備等產(chǎn)業(yè)，都能產(chǎn)生舉足輕重的影響力。
五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控工具機(jī)象徵的是現(xiàn)在全球工具機(jī)製造業(yè)的最高水準(zhǔn)，是數(shù)控工具機(jī)技術(shù)的制高點(diǎn)之一，也是全球發(fā)展工業(yè)4.0的製造大國不遺餘力發(fā)展的重點(diǎn)對(duì)象。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)是所有數(shù)控技術(shù)中難度最大、應(yīng)用範(fàn)圍最廣的技術(shù)，它整合了電腦控制、伺服驅(qū)動(dòng)等精密技術(shù)於一身，對(duì)於諸如螺旋槳、渦輪葉片、螺旋錐齒輪等品質(zhì)要求很高的複雜曲面，進(jìn)行高效率、高精密、自動(dòng)化加工來說，是不可或缺的技術(shù)。
由於五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控工具機(jī)的技術(shù)難度較高，因此國際上通常把五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)作為衡量一個(gè)國家生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化水準(zhǔn)的重要指標(biāo)。長期以來，西方已開發(fā)國家一直把五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)作為重要的戰(zhàn)略物資控制出口，使得開發(fā)中國家在研發(fā)和引進(jìn)等兩方面都遇到了很大的阻礙。也因此，深入研究五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)對(duì)提高一國的綜合國力具有非常深遠(yuǎn)的意義。至於全球目前則是以歐美、日本等國家為代表，這些國家的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控工具機(jī)技術(shù)也顯露了今日全球五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控工具機(jī)發(fā)展的最高水準(zhǔn)。
放眼未來，由於全球企業(yè)積極邁向ESG的企業(yè)永續(xù)以及綠色能源的發(fā)展階段，因此五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)也正在朝向高速度、高效率、高可靠性、高精度、複合化、智能化、網(wǎng)路化、柔性化、綠色化等方向推展。從全球角度來看，由於歐美日等國掌握了先進(jìn)的多軸數(shù)控工具機(jī)技術(shù)，使得其他國家的工具機(jī)製造業(yè)既面臨了製造裝備發(fā)展的良機(jī)，也遭遇到市場競爭的壓力。
從技術(shù)層面上來講，加速推進(jìn)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控工具機(jī)的技術(shù)進(jìn)展，將是發(fā)展工業(yè)4.0高度精密自動(dòng)化加工的關(guān)鍵。而廠商也持續(xù)建立高效率、高質(zhì)量、短週期、低成本的工具機(jī)解決方案，並讓其生產(chǎn)框架可以適應(yīng)市場的發(fā)展，以求得在全球化競爭中立於不敗之地。
馬達(dá)控制扮演關(guān)鍵
工具機(jī)是的制動(dòng)依靠的是機(jī)電的整合，其中馬達(dá)扮演了驅(qū)動(dòng)工具機(jī)動(dòng)作的最重要角色，這使得馬達(dá)的功耗與效率成為整體工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)線上不可忽視的一環(huán)。亞太區(qū)功率離散和類比產(chǎn)品部行銷和應(yīng)用副總裁Francesco MUGGERI指出，無論採用何種解決方案，其共同點(diǎn)都是注重節(jié)能提效。當(dāng)工業(yè)市場節(jié)省1％的用電量，就相當(dāng)於15座核電站的發(fā)電量；同時(shí)還能夠減少3,200萬噸的二氧化碳排放量，這對(duì)減少二氧化碳的排放具有重要意義。
另外，也可以看到，工業(yè)市場主要是由工業(yè)製程自動(dòng)化所驅(qū)動(dòng)。此領(lǐng)域的複合年成長率很高。至於另一個(gè)驅(qū)動(dòng)因素則是電源和能源，因此這些也都成為優(yōu)先進(jìn)行節(jié)能減碳的重點(diǎn)。
以ST為例，聚焦的三大領(lǐng)域包括電源與能源、自動(dòng)化，還有馬達(dá)控制。當(dāng)談到馬達(dá)控制時(shí)，一般人可能認(rèn)為馬達(dá)控制是一個(gè)不太重要的因素，因?yàn)轳R達(dá)控制的耗能並不大。但如果觀察細(xì)節(jié)，可能就不這樣認(rèn)為了。事實(shí)上，約有52%的總能源是由馬達(dá)消耗掉的。因此，要優(yōu)化這部分耗能，就需要透過減少振動(dòng)和耗能來優(yōu)化馬達(dá)。這個(gè)過程的優(yōu)化就非常需要韌體和硬體的支援。
高效節(jié)能為主流趨勢(shì)
| 圖2 : 高效能的能源使用能為馬達(dá)驅(qū)動(dòng)與伺服驅(qū)動(dòng)節(jié)省更多能耗。（source：意法半導(dǎo)體） |
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在節(jié)能的趨勢(shì)下，關(guān)鍵在於不斷地去提升效能。全球約有50%的能源被馬達(dá)所消耗，因此透過提升馬達(dá)和提升其驅(qū)動(dòng)器的效能，對(duì)節(jié)能減排具有非常大的潛力。而要做到節(jié)能減排，可以分成兩個(gè)維度。首先是透過新材料的應(yīng)用，包括從矽元件到碳化矽，再到氮化鎵元件材料的反覆運(yùn)算，肯定可以逐步地提升效能。
另一個(gè)層面是利用軟體技術(shù)來開發(fā)出更先進(jìn)的演算法，以達(dá)到節(jié)能的效果。而這些都是設(shè)備層面。還有一個(gè)維度，可以從更宏觀的層面去節(jié)能減排。例如針對(duì)不同的運(yùn)作狀況調(diào)節(jié)能源的使用。
第二個(gè)大趨勢(shì)是馬達(dá)控制的智慧化。智慧化也可以從兩個(gè)維度來談。第一個(gè)智慧化的趨勢(shì)是讓馬達(dá)控制能夠擴(kuò)充感知範(fàn)圍，例如透過各種MEMS或感測(cè)器，讓它可以主動(dòng)地去做很多決策，並讓它變得更智慧。
另外一個(gè)趨勢(shì)也是透過MCU運(yùn)算能力來不斷進(jìn)行反覆運(yùn)算和提升，這樣就可以自己運(yùn)行很多智慧化的環(huán)境辨識(shí)。比較典型的例子包括像是伺服驅(qū)動(dòng)中的慣量辨識(shí)，或者自身馬達(dá)參數(shù)的線上辨識(shí)等，可以讓其運(yùn)作狀態(tài)達(dá)到一個(gè)非常優(yōu)化的程度。這些是在未來馬達(dá)控制的兩個(gè)非常主要的趨勢(shì)。
Francesco MUGGERI認(rèn)為，其中也具有不小的挑戰(zhàn)，包括感測(cè)器和對(duì)演算法的需求。大家仍有相似的期待，或者對(duì)這些方面還比較獨(dú)立。但是很多演算法，比如說像預(yù)測(cè)控制就是利用感測(cè)器現(xiàn)場採樣。有些只是概念，有些則有可能可以做到、或者有一些小範(fàn)圍的應(yīng)用和現(xiàn)場應(yīng)用等。但是很多類似的概念，等到實(shí)際地推廣後，讓大家接受，再到落地，可能需要一定的時(shí)間。另外，還有更多的技術(shù)可能還停留在實(shí)驗(yàn)室中。很多技術(shù)從研究到推廣到產(chǎn)業(yè)化，需要一段過程的推展，也還需要與產(chǎn)學(xué)進(jìn)一步結(jié)合。
結(jié)語
| 圖3 : ESG趨勢(shì)讓能源的傳輸與管理更被重視。（source：意法半導(dǎo)體） |
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工具機(jī)的發(fā)展正牽動(dòng)著各國對(duì)於工業(yè)自動(dòng)化市場的進(jìn)展。而永續(xù)發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新也已經(jīng)成為全球工業(yè)發(fā)展的核心，在企業(yè)永續(xù)的趨勢(shì)下，各個(gè)國家、各個(gè)企業(yè)和每個(gè)人都應(yīng)貢獻(xiàn)自己的一份力量，發(fā)揮自己的作用，並以更先進(jìn)的方式進(jìn)行工業(yè)活動(dòng)。目前中國已經(jīng)預(yù)期在2060年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，歐美也將在2050年達(dá)成此一目標(biāo)。而要實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，不僅是政策，更需要企業(yè)以最快的方式履行節(jié)能減排的義務(wù)。
