高精光學檢測結合智慧無線聯網， 助您邁向工業4.0
■新力旺智慧精工/鄭榮賢 執行長
前言
疫情總會過去，如何迅速復工及以後如何增加可自動 化的產線，又如何可以做到遠端遙控生產，這些都已 成為事件過後最重要的課題。 發生到現在，經歷整個生產體系停滯，如何異地備援、 移地生產、迅速備料、開線生產、提升產能，站在智 慧製造生產鏈的一環，我們有能力更有責任協助工廠 快速導入數位化、自動化，在度過難關的同時，也不 斷向上提升。
知其然，更知其所以然
百業最離不開的就是實體產品，實體產品的第一步就 是外觀，外觀表現該產品的美觀及封裝，量產封裝一 定要是開模品，模具因此成為產品量產前最重要的第 一步。模組設計前期，除模流分析、材料分析以外， 在初期打造出來的模具組件中，透過精準快速的3D 光學檢測設備，量測模具內側的各種不同尺寸、角度、 溝槽、紋路、螺絲孔徑孔位等，也是非常重要的一環。
現在產品走向輕、薄、短、小；而防水、防塵、防泥 巴已是趨勢，但相對的，模具設計與模具生產的挑戰 性也因而更加嚴苛。以往因為臺灣的光學技術尚未達 到國際上最新的科技水準，加上自製率低，所以， 2D/3D光學檢測設備價格較高。也因此工廠往往考慮 再三後，仍舊採用由經驗老道的師傅以目測之傳統方 式來為品質把關。如今，2D/3D光學檢測設備已降到 市場能接受的甜蜜點，在導入高精密3D光學量測的 同時，加上無線數據採集與大數據分析，共同協作實 現“T零”量產目標，已從願望變成標配，因此，模 具界的共同願景「“T零”量產」已指日可待。
智慧製造的「智」動產線光檢系統跟傳統的單站檢測 不同，要有人工智慧亦要能符合「少量多樣高彈性」 的生產，因此我們在光學檢測系統設計與工業物聯網 系統的設計上有別以往。我們搭配模組化快速抽換式 的自動化產線，緊扣即時調控，以「無線多模」方式 連結感測器與機臺形成無線機聯網，數據採集送進公司放心的資料庫，進而導入時間序列、多變異數及無 母數統計模型分析，協助以更精準的數學模型、新生 數據反饋修正，深度學習後再進到AI決策。持續累積 生產異常原因，並導入預設或算出的解決對策，以解 決問題。工廠要做好智慧製造終極目標，透過數位化 及自動化，結合深度學習與AI導入即時對策，透過光 學檢測進行科學實證，用具體數字來預防問題、發現 問題以及解決問題，以達到系統既知其然，更知其所 以然的最高境界。
就是這個光
智慧製造系統有一個環節是重中之重，那就是3D精 密光學自動化量測。在模具製作生產自動化產線的過 程中，3D（三次元）精密量測方法與效率非常重要， 凡是高端手機產品的模具或是防水產品的模具，都有 特別多的內部彎折及溝槽，如何在開模前後，讓3D 的高精度量測設備可以自動化及智慧化地幫剛設計出 來的模具，精準快速地完成所有數據量測，並將數據 送進資料庫，結合光學辨識與數據分析，自動找出與 原設定規格公差不合的地方，快速協助模具設計人員 找到問題點，並重新餵入模具設計系統，讓模具設計 軟體得到AI深度學習自我修正的機制。採集模具設計 及生產大數據，數據庫不只是歷史紀錄，還可以由某 事件找到問題的型態，或幫模具設計人員提供具有類 似相關性問題的歷史設計圖稿，以及過去曾導入的解 決建議方案，讓設計者可以在最短的時間內從問題發 掘到解決對策，主動提供最佳解決方案。
工欲善其事必先利其器，光學檢測精準快速，精準程度決定應用範圍。在採用3D之前，2D平面式量測 也是馬虎不得。我們把「智能光學檢測系統」採藍光 LED遠心平行光源投射系統，提高被測物邊緣穩定。 影像算法採用AI算法，且介面注重使用者經驗並搭 配高精度的載物臺，最小量測單元1μm，精度達到5 μm。優點如下： 1. 秒間一次量測多個目標物；數量不限制 2. 模糊取點功能輔助辨識，AI幫使用者快速決定量測 目標，讓數據不會因為操作人不同而變異。 3. 環境光變化自動修正，次像素處理邊緣銳利與細緻 化，大增解析度； 4. 量測資料數據化，直接銜接 ERP/MES/IPC/WEB/ APP等制式與非制式系統； 5. 工件複雜多段差焦距不模糊大小不改變，低失真鏡 頭在任何範圍都能保持正確量測。
「2D智能光學檢測系統」：其參考規格資料如表一 • 適用案例：首件、初試產、抽樣、IQC、OQC、 PQC； • 適用產品：墊片、密封件、連接器、彈簧、工程塑 料製品、精密機械加工零件、汽車航太零件、沖壓
件、齒輪、軸承、五金扣件、壓鑄件……等。
3D更厲害，量測快狠準
光學檢測2D已經非常夠用，但還是有很多產品非3D 不可，「精密光學3D檢測系統」是專業型光學非接 觸式表面3D輪廓量測儀，採獨家的光學架構與核心 演算法則，針對軟性、極細小、甚至是光學鏡面、曲 面等量測物，都能以高精度、最快速、非接觸方式， 在數分鐘內取得精準量測數據。其最小量測單元達到 0.1 μm，系統精度達到15μm。優異特點如下： 1. 以線性雷射搭配光學影像擷取裝置，及光學尺精密 位移平臺整合，掃描快速； 2. 大量點構成線，單方向掃一次就完成，介面淺顯易 懂，操作簡單； 3. 精密掃描形成面的3D，經由3D色階圖，讓3D影 像更視覺化，清楚表現物體輪廓高低變化； 4. 減震水平調整腳座，內外部設計穩健的支撐結構， 系統穩定度高； 5. 特殊設計方法，非接觸不必破壞產品，迅速掃瞄出 物體剖面及輪廓尺寸數據； 6. 檢測數據及圖檔輸出，可將資料數據化彙整成工程報表； 7. 3D掃描、重建、分析可直接匯出3D CAD檔。
「3D智能光學檢測系統」：其參考規格資料如表二
• 可建構微型圖案三維視覺檢測數據
• 可滿足曲率半徑與圓周檢測需要
以線型雷射之截面輪廓樣貌與雷射測距架構所示 ， 拍攝於相機上面後分析線條在圖片上之位置，計算 每個垂直線上平均亮度之位置重建表面輪廓。結合 產線實現生產中檢測之應用。
• 可應用於AI料件表面瑕疵辨識系統
• 實際案例：應用於首件、初試產、抽樣、IQC、 OQC、PQC
• 適用行業：模具、模後量測、型材、連接器、精密 機械加工零件、精密墊片、鈑金件、工程塑料製品、 汽車航太零件、沖壓件、齒輪、軸承、五金扣件、 壓鑄件……等。
智慧產線聯網的省錢絕招：
無線多模 有良好的光學檢測設備後，還要能在產線上，將辨識 出來的異常訊息立即傳給產線負責的工程師，並同時將生產影響及材料耗費等統計性訊息，透過Line或 E-Mail等方式24小時不停歇地傳給遠端管理者。
為了真正達到工業4.0，其關鍵在於智慧製造，而實 現「智造」的基礎在於「數位化」及「機聯網」。在 傳統產業廠區內，許多新舊設備皆「高度客製化」， 無共通標準，甚至沒有輸出介面，所以傳統產業邁 向智慧製造的第一步就是「數位輸出」及「無線機 聯網」。搭配經驗豐富的團隊診斷全廠，找出機臺 設備可行之訊號輸出與採集方式，介面支持除了 MODBUS，最好還可全面支持 HART、Profibus、PE 等協定。以往許多人直接選用 BT(Bluetooth BLE) 藍 芽及 Wi-Fi(802.11a,802.11b,802.11g, 802.11ac…) 無線 網路等單一模組來聯網。初步架設聯網時，可能訊號 一切正常，但等到機臺正式上線，人員到班，正常產 線運作起來，才發現原來市面上的一般型無線通訊模 組，根本不適用於環境複雜的生產線。
主要原因在於，無線通訊有頻率及握手傳收等層級， 頻率又有需符合國家授權的ISM頻率問題，頻率以外 也有調變解調與通道設定問題。而BT/Wi-Fi之所以不適用在工廠自動化，是因為若頻率與調變解調方式與 大眾、員工使用的手機一樣，會導致產線數據採集裝 置與不相干的手機及無線基地臺間，有太過頻繁地嘗 試連結與處理錯誤連結，以及通道搶奪與通道不足的 問題。有時無線基地臺設定的功率又可能過大，也會 直接造成數據採集裝置受到長期的同頻訊號干擾，而 這也是筆者完全不建議工廠採用市面上最普通的BT/ Wi-Fi無線連網裝置的原因。若認為工廠無線化可以 像家庭隨手插上無線基地臺就上線，可能會導致數據 不穩定，以及問題找不出來且難以解決的窘境。
無線方法與模組很多，圖五中便是國際常用的無線通 訊系統與適用頻寬。其實，並不是說BT/Wi-Fi只有 缺點，應該是說各有各的適用場合及領域，從圖中 可以看出若工廠端的直線距離超過100公尺，或要 裝設的數據採集點有跨建築物、跨馬路，或是室內有 很多鋼板、厚水泥牆或鐵皮隔間的環境，則應該採用 LPWA(Low Power Wide Area) 長距離低功耗的無線 系統解決方案，例如LoRa Plus比較適合。簡單整理 分析如下： • BT會有距離太短、易受干擾等問題； • Wi-Fi則是數據量較大，但距離不夠，且受干擾或搶不到通道的問題會比BT嚴重； • Zigbee的數據量還可以，缺點是模組稍貴，距離 也不太理想，且適用2.4GHz，所以，也還是易受 干擾； • LoRaWAN數據量太小，不能雙向即時傳收，安裝 時一定要買一個很貴的網關，且必須安裝在制高 點，其安裝彈性很小； • 2G/NB-IoT透過運營商基地臺傳收數據，資料量不 大但要長期收費，其模組本身也不便宜； • 3G/4G等同於手機通訊，費用更高，用來傳收產線 數據可說是割雞用牛刀。
經過比較後，LoRa Plus擁有長距離低功耗LPWA的 優點，且改善了LoRaWAN數據量太低、綑綁後臺、 上下行數據不平衡、反應不即時，以及只支持星狀拓 樸的缺點。就工廠的一般需求，各無線通訊系統的比 較權重如表三，總結就是雷達圖面積較大的就是比較 好的系統。LoRa Plus固然較好，但如果要監控雙向 控制的機臺是非常重要與緊急的，則以LoRa Plus為 基礎的多模設計才是最佳的工業4.0無線解決方案。
從上述分析，比較正規作法應該是採LoRa Plus、3G/4G、5G 等多模無縫交遞及 MESH 機制，隨時感 測訊號強度，瀕臨臨界值時先建立替代模式然後切斷 執勤中模式，由新的系統無縫接手，具抗干擾、防駭 客、多模互切、無縫接手、系統穩定，且可靠度高。 高階機種與反應時間要求極高的站臺，也支持5G 1ms內立即反應的擴充模組，可以支持幾百公里外遠 距實時控制，不僅毫無時間差，更可隨時跟國外專家 打開同步視訊會議，暢快溝通，如親臨現場。
3G/4G、5G 等多模無縫交遞及 MESH 機制，隨時感 測訊號強度，瀕臨臨界值時先建立替代模式然後切斷 執勤中模式，由新的系統無縫接手，具抗干擾、防駭 客、多模互切、無縫接手、系統穩定，且可靠度高。 高階機種與反應時間要求極高的站臺，也支持5G 1ms內立即反應的擴充模組，可以支持幾百公里外遠 距實時控制，不僅毫無時間差，更可隨時跟國外專家 打開同步視訊會議，暢快溝通，如親臨現場。
解決機臺間的雞同鴨講
目前產線設備輸出介面與感測器輸出還沒達到全球統 一標準的程度，無線機聯網布建系統應該具有改異求
同，解決機臺間的雞同鴨講的功能，能夠提供萬用機 聯網資料閘道器服務的平臺，才是最佳的平臺。以多 年經驗，完成 Modbus、OPC UA、EUROMAP17、 標準介面與簡易的參數設定工具，對於不同介面及複 雜的不同數據格式轉換，全都解決於後臺，讓客戶IT 及管理階層不必費心，設定方法簡單到水電工都可以 獨立操作，才是最好的系統平臺。
而無線機聯網布建系統應著重落地應用，協助客戶於 現有之新舊設備不同介面間的整合與聯網，事先診 斷，說明架構，佈建計畫，離線設定，快速安裝，無 線聯網，降低成本，數據採集，上線即用。
你還在東市買駿馬，西市買鞍韉，南市買轡 頭，北市買長鞭嗎?
無線機聯網布建系統應提供智慧產線一站式解決服務 平臺，包括感測器、光學鏡頭、訊號轉換、布線包案、 無線節點、無線中繼、閘道套件、專屬雲端、管理軟 體、異常告警、預警服務、手機APP、LINE通知、遠 端遙控、數據採集及建模分析等服務。 實現Plug & Play 隨插即用 而透過IT化參數設定，閘道器啟動後，所有服務將7天24小時不間斷服務，實現Plug & Play 隨插即用。 實現「快速建置、一次到位」 當前期顧問診斷完成後，所有設備參數離線事先設定 好，100臺設備可否在兩週內完成安裝，並穩定上線， 是評估一個平臺是否成熟穩定的參考指標。
知道數據與你的距離
結合IT+OT的軟硬體技術 結合影像辨識、行為分析、邊緣運算，以及分散式物 聯網架構，裝置架設即連即視，聯網便可立即看到數 據及趨勢。 數據可轉成其他格式，也可轉到其他資訊系統 數據也可以下載到PC，可以轉成EXCEL、CVS、 TXT或任何其他格式，數據也可以轉到管理資訊系統 ERP、TIPTOP、SAP及其他資訊系統。 數據標準Dash Board 一般都已做到Pi圓形圖，指針可顯示即時數據，並設 定異常告警上下限，同時也提供量化曲線圖。
點菜單式的數據比較功能 對於不同的裝備及不同的機臺比較項，可以彈性點選 比較，結果立即可視可得，十分利於分析異常、找出 拐點。
結合影像數據與數據分析模型
將2D/3D光學式檢測數據導入數據分析工具，除可 立即檢討模具的“T零”誤差外，也可以立即考核不 同人員、不同機臺間的公差差異，還可用於了解修模 前後的公差變化。
除此之外，也提供高階建模分析，對於需要高精度設 計與無法立即解決的問題，可以透過統計分析、歷史 數據的迴歸與可能誤差最小化等統計手法，找到最佳 的統計模型，也可以做到誤差程度精準量測。另外， 對於尚未發生的結果，也可以事先預測，並給客戶一 個穩健可靠的答案。
找對專家比什麼都重要
「NVP高精光學檢測暨無線機聯網智慧產線解決方 案」高精密、反應捷、易操作、多目標、輸出快、隨 手得、成本低、一站式、服務佳。本文提供讀者高精 光學檢測儀器、智慧產線、無人手臂、無線機聯網裝 置、數據分析模型建立與管理軟體的選擇參考，歡迎 技術交流。■
