在IoT化和AI化的趨勢下，未來不僅僅生產(chǎn)設(shè)備，甚至於連設(shè)備中的各個次系統(tǒng)單元，也都將發(fā)展獨自的資訊系統(tǒng)架構(gòu)。

因此伴隨著IoT的擴(kuò)大應(yīng)用，可以從各式各樣的生產(chǎn)設(shè)備中取得各種數(shù)據(jù)來加以分析使用，使得如何藉由此一能力來提高工廠的生產(chǎn)能力，與業(yè)務(wù)效率的改善相關(guān)技術(shù)也相當(dāng)受到關(guān)注。例如，對於生產(chǎn)設(shè)備來說，被安裝在設(shè)備上的影像感測器與震動感測器等元件，再透過設(shè)備的通訊網(wǎng)路和後端伺服設(shè)備的AI運算機(jī)制，就能夠?qū)⒂^測到車銑床用的立銑刀等消耗品的劣化數(shù)據(jù)加以分析判斷，並且完成降低各種生產(chǎn)成本的目標(biāo)。

就傳動用馬達(dá)來看，包括伺服馬達(dá)以及自動化加工生產(chǎn)設(shè)備等應(yīng)用，整體市場持續(xù)呈現(xiàn)成長的態(tài)勢，而電動汽車的應(yīng)用方面，雖然市場成長並不如預(yù)期快速，但因為能源和環(huán)境的問題，成長的幅度有加快的現(xiàn)象。

就趨勢而言，伺服馬達(dá)以及自動化加工生產(chǎn)設(shè)備等應(yīng)用方面，由於不斷的被追求更精細(xì)的加工能力，以及更高的生產(chǎn)效率，因此包含軌跡等的位置確認(rèn)準(zhǔn)確度和反應(yīng)速度提升的技術(shù)都持續(xù)的研發(fā)中，因此也不斷地提高感測器和馬達(dá)的效率，使得在研發(fā)方面已經(jīng)不得不面對，傳統(tǒng)數(shù)位控制理論臨界能力上現(xiàn)實的問題，而必須轉(zhuǎn)而導(dǎo)入更新，例如人工智慧或物聯(lián)網(wǎng)的觀念技術(shù)。

自動化生產(chǎn)市場需求不斷增加 各業(yè)者積極擴(kuò)產(chǎn)傳動相關(guān)元件

在市場前景方面，由於人力不足以及薪資成本持續(xù)的上升，將機(jī)器人導(dǎo)入生產(chǎn)線已經(jīng)是全球各大工廠的趨勢，因此也帶動了作為傳動系統(tǒng)中核心單元—伺服馬達(dá)出貨的急速成長（圖1）。

圖1 : 由於人力不足及薪資成本持續(xù)的上升，將機(jī)器人導(dǎo)入生產(chǎn)線已經(jīng)是全球各大工廠的趨勢。（source：富士通）

根據(jù)日本電機(jī)工業(yè)會（JEMA）的統(tǒng)計，日本各大電機(jī)大廠對於自動化設(shè)備用的伺服馬達(dá)的生產(chǎn)情況，仍舊維持高產(chǎn)能的狀態(tài)，各家業(yè)者持續(xù)擴(kuò)充生產(chǎn)能力來滿足市場的需求。

三菱電機(jī)的伺服馬達(dá)營業(yè)額大幅成長了20%，產(chǎn)品別方面，由於小型機(jī)種的需求仍舊維持強(qiáng)勁，因此不只營業(yè)額增加，連出貨的數(shù)量也跟著增加，因此負(fù)責(zé)生產(chǎn)小型伺服馬達(dá)的名古屋製作所、中國常熟工廠的產(chǎn)能都已經(jīng)達(dá)到滿載。另一家伺服馬達(dá)安川電機(jī)，營業(yè)額也同樣成長了25~30%，位於埼玉縣入間市的東京工廠和中國的瀋陽工廠也達(dá)到滿產(chǎn)能的情況。

因為手機(jī)、相機(jī)、車用相關(guān)應(yīng)用持續(xù)擴(kuò)大，使得半導(dǎo)體、OLED等銷售量的增加，因此相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備用的伺服馬達(dá)訂單也出現(xiàn)大幅度成長。根據(jù)日本工作機(jī)械工業(yè)會的統(tǒng)計，2018年1~6月的累計銷售金額比去年（2017）同期增加了26.1%達(dá)到9640億日圓。

對於市場需求的不斷增加，三菱電機(jī)和安川電機(jī)也分別投入資金進(jìn)行擴(kuò)廠的計畫。三菱電機(jī)預(yù)計投入44億日圓，同時在名古屋與常熟的工廠導(dǎo)入最新的生產(chǎn)設(shè)備，將月產(chǎn)能提高到48萬臺（伺服馬達(dá)26萬臺，伺服放大器22萬臺），產(chǎn)能比原先增加了70%。

安川電機(jī)社長：透過感測獲得生產(chǎn)設(shè)備各種數(shù)據(jù)能力的技術(shù)是未來趨勢

安川電機(jī)已經(jīng)在瀋陽工廠進(jìn)行1.4萬平方米擴(kuò)建第三工廠的工程，而且將導(dǎo)入可視化觀念的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，並且可以和東京工廠的「Solution Factory」進(jìn)行連結(jié)，達(dá)到全球生產(chǎn)資訊共享的目標(biāo)。對於傳動用伺服馬達(dá)的前景，安川電機(jī)社長小笠原浩曾經(jīng)在受訪時認(rèn)為，就現(xiàn)今全球伺服馬達(dá)市場而言，並沒有銷售情況不好的區(qū)域市場，特別是在美國半導(dǎo)體、中國的智慧型手機(jī)、家電產(chǎn)品、一般性自動化設(shè)備的需求推動下，具有低耗電能力的逆變器，更是呈現(xiàn)高成長的態(tài)勢。

而在產(chǎn)業(yè)用機(jī)器人部分，由於歐美日等市場的汽車製造業(yè)穩(wěn)定成長，加上中國除漸浮現(xiàn)的勞動人力不足和工資上漲雙重壓力下，對於工廠的自動化、智慧化、和低人力化的生產(chǎn)方案和設(shè)備需求，持續(xù)有著強(qiáng)烈的需求。在這樣的背景下，伺服類型產(chǎn)品與機(jī)器人的市場近幾年呈現(xiàn)大幅度的成長，相信在未來的25年內(nèi)，都能夠有持續(xù)成長的機(jī)會（圖2）。

圖2 : 安川電機(jī)小笠原社長接受日本媒體訪問時表示，伴隨伺服類型產(chǎn)品與機(jī)器人的市場近幾年呈現(xiàn)大幅度的成長，相信在未來的25年內(nèi)，逆變器和伺服馬達(dá)都能夠有持續(xù)成長的機(jī)會。（source：安川電機(jī)）

而在技術(shù)趨勢部分，小笠原社長表示，機(jī)器人、自動化設(shè)備、輸送設(shè)備等的生產(chǎn)線產(chǎn)品，安川電機(jī)持續(xù)投入大量的研發(fā)資源，開發(fā)出能夠掌握生產(chǎn)設(shè)備各種數(shù)據(jù)資料的新一代逆變器和伺服馬達(dá)。另一方面，並且透過各種感測器，例如，能夠掌握生自動化設(shè)備熱變位的溫度感測器等，來收集伺服類型產(chǎn)品的各種資料，並且透過物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)路機(jī)制，將資料傳送到後端的處理平臺。因此，研發(fā)著眼的並非只有工廠或生產(chǎn)線而已，而是已經(jīng)深入到收集機(jī)器人和設(shè)備的次系統(tǒng)或各機(jī)構(gòu)單元模組的各項資料。

日立利用內(nèi)建具有感測器完成預(yù)先維護(hù)功能

因此，並非只有立銑刀等消耗品可以透過這項技術(shù)機(jī)制達(dá)到預(yù)先了解損耗，甚至連擔(dān)任設(shè)備傳動的動力來源的伺服馬達(dá)，也開始內(nèi)建此一技術(shù)能力。

日立開發(fā)出在生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)建具有感測器的傳動馬達(dá)，可以透過感測系統(tǒng)預(yù)先分析出傳動馬達(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。

這項技術(shù)是透過掌握馬達(dá)的驅(qū)動電流、馬達(dá)轉(zhuǎn)動次數(shù)、和Torque電流等數(shù)據(jù)資料，來感測分析出生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)的消耗性零件使用狀態(tài)。在馬達(dá)的部分，則是採用現(xiàn)有的電流感測器，再配合分析軟體，來推算出馬達(dá)使用壽命與現(xiàn)狀。因此透過這一項機(jī)制可以達(dá)到降低生產(chǎn)設(shè)備的消耗成本與停機(jī)時間成本（圖3）。

圖3 : 日立開發(fā)出透過掌握馬達(dá)的驅(qū)動電流、馬達(dá)轉(zhuǎn)動次數(shù)、和Torque電流等數(shù)據(jù)資料，來感測分析出生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)的消耗性零件使用狀態(tài)。（source：日立）

這是利用內(nèi)建在馬達(dá)內(nèi)部的感測機(jī)構(gòu)，來推估出轉(zhuǎn)子的位置，而並非採用一般使用位置感測器的設(shè)計，因此所發(fā)展的這款取代過去技術(shù)的非採用感測器控制技術(shù)，可以同時達(dá)到進(jìn)行伺服馬達(dá)控制及多變量解析等分析，並且透過這項機(jī)制能更進(jìn)一步的開發(fā)出伺服馬達(dá)的劣化檢測功能。

對於生產(chǎn)設(shè)備或機(jī)器手臂等來說，為了達(dá)到高精度的控制目的，幾乎都是採用可進(jìn)行高精度動作的伺服馬達(dá)，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，馬達(dá)也可以滿足控制的需要。因此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)動電流獲得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)數(shù)與Torque電流、勵磁電流和轉(zhuǎn)子位置等的內(nèi)部資訊數(shù)據(jù)。

安川電機(jī)針對滾珠螺桿利用AI開發(fā)出預(yù)防維護(hù)功能

對於傳動系統(tǒng)而言，滾珠螺桿是精密線性傳動與定位系統(tǒng)的重要元件，對於運動性能影響相當(dāng)大，由於滾珠螺桿的定位精度高、壽命長和可做高速正逆向的傳動及變換傳動等特性，因具上述特性，滾珠螺桿已成為近來精密科技產(chǎn)業(yè)及精密機(jī)械產(chǎn)業(yè)的定位及測量系統(tǒng)上的重要零組件之一。因此，一旦滾珠螺桿出現(xiàn)失效的狀態(tài)，就會直接導(dǎo)致整部設(shè)備停機(jī)，甚至於對內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成傷害。

事實上，會造成滾珠螺桿的失效原因有相當(dāng)多，包括無預(yù)壓或預(yù)壓不足、扭轉(zhuǎn)位移太大、軸承選用不當(dāng)、軸承安裝不當(dāng)、螺帽座或軸承座剛性不足、螺帽座或軸承座組裝不當(dāng)、支撐座的表面平行度或平面度超公差、馬達(dá)與滾珠螺桿結(jié)合不當(dāng)、軸承安裝不當(dāng)、異物進(jìn)入鋼珠軌道、迴流管凹陷或斷裂、滾珠螺桿肩部斷裂…..等。

其中，螺桿肩部斷裂、迴流管凹陷或斷裂等，都可以透過保養(yǎng)維護(hù)的制度來進(jìn)行檢查或更換，避免因為零件損壞對整部設(shè)備造成難以彌補(bǔ)的損傷。但是，在零件凹陷或斷裂方面，除非是有經(jīng)驗的技師，否則，相當(dāng)難在現(xiàn)象發(fā)生的初期就能發(fā)現(xiàn)，並且推測出可繼續(xù)使用的時間。

因此滾珠螺桿的失效，會對整個傳動系統(tǒng)造成如此大的影響，在預(yù)防維護(hù)的部分就成了各大業(yè)者的研發(fā)方向。針對這樣的需求，安川電機(jī)就開發(fā)出了可以預(yù)防滾珠螺桿失效的人工智慧分析機(jī)制，只需要透過監(jiān)控和分析伺服馬達(dá)的Torque波形就能夠進(jìn)行異常檢測，提早發(fā)現(xiàn)與紀(jì)錄（圖4）。

圖4 : 安川電機(jī)利用監(jiān)控和分析伺服馬達(dá)的Torque波形就能夠進(jìn)行滾珠螺桿異常檢測（source：日本Itmedia）

這項技術(shù)，可以適用在各種製造設(shè)備的滾珠螺桿上，利用人工智慧的分析技術(shù)機(jī)制，在取得來自於伺服馬達(dá)的Torque波形資料，在搭配比對Torque指令之後，就能夠分辨出正常、負(fù)荷、摩擦、齒隙（backlash）等的狀態(tài)特徵。因為對於使用滾珠螺桿傳動系統(tǒng)的設(shè)備而言，摩擦的增加、負(fù)荷的增減，以及齒隙等狀況，伴隨著設(shè)備長時間的使用，會讓這些問題持續(xù)累積，而形成傳動系統(tǒng)損壞因子。當(dāng)損壞因子累積的一個程度後，就會影響到生產(chǎn)的良率、速度及品質(zhì)。

因此，安川電機(jī)可以透過所研發(fā)的「Cube-IX」技術(shù)，只要取得伺服馬達(dá)的Torque波形資料後，就能夠檢測出滾珠螺桿這些微小的變化，並且加以分析，來防治滾珠螺桿突然失效而導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)或損壞的麻煩。

利用感測器與數(shù)學(xué)式化技術(shù)克服工作軸內(nèi)部共振

無論是機(jī)器手臂或自動生產(chǎn)設(shè)備等，在工作手臂或工作軸的關(guān)節(jié)進(jìn)行運作時，都需要克服所出現(xiàn)微小震動的問題，並且加以消除。馬達(dá)所帶動的傳動軸，當(dāng)進(jìn)行搖動、停止等的瞬間，都會出現(xiàn)微小震動，當(dāng)然，這也會和傳動軸的材質(zhì)、重量、長度等有關(guān)，而出現(xiàn)不同頻率的微小震動，更進(jìn)一步的出現(xiàn)共振現(xiàn)象，而導(dǎo)致機(jī)器人或自動生產(chǎn)設(shè)備工作軸內(nèi)部的感測器，出現(xiàn)雜訊以及無法感應(yīng)到正確的位置。

慶應(yīng)義塾大學(xué)理工學(xué)部對此問題，將傳達(dá)出來的震動波加以數(shù)學(xué)式化（mathematical expressions），藉由這樣的理論，可以對馬達(dá)等的驅(qū)動力進(jìn)行微調(diào)整，即使出現(xiàn)消除多驅(qū)動點震動的情況時也能夠予以消除，這樣一來，就可以達(dá)到機(jī)器人的精密控制，以及生產(chǎn)線上計量器震動的消除（圖5）。

圖5 : 將共振的波動方程式予以數(shù)學(xué)式化，進(jìn)行時間差調(diào)整，就能消除共振的問題。（source：慶應(yīng)義塾大學(xué)）

在此，將共振的波動方程式予以數(shù)學(xué)式化，當(dāng)動作開始時，震動波或入射到傳動軸或工作軸裡，然後將震波傳遞到傳動軸最前端，這時，由於入射波和反射波的位相出現(xiàn)位移而發(fā)生共振的情況。如果能對入射波和反射波的時間差進(jìn)行調(diào)整，就能夠反轉(zhuǎn)位相，進(jìn)而消除共振的問題。

基於這個控制理論，也可以更進(jìn)一步的消除具有多驅(qū)動點機(jī)器手臂前端的共振困擾，由於馬達(dá)的控制週期是有限度的，因此透過這個方法，理論上可以消除所有的共振問題。

**刊頭圖（source：BAUMA）