設備開發工程的技術工作內容分享

一台機械(自動化設備)在技術層面上可以區分為機構 、電控跟製程三個部分。
但是當製程成熟而穩定時，製程的工作常會跟機構合併在一起而由機械工程師負責，
這樣老闆也可以省下一個製程研發人員的費用。

當然有些製程，例如光學檢測因為跟電控比較有關係，
製程的部分會跟電控合併在一起而由電控工程師負責。

要注意以上說明的意思不是製程人員不重要，
相反的，製程技術往往是最重要的關鍵，
在台灣傳統機械廠會不重視製程人員是有原因的，
因為早期都是仿製設備，仿製設備在降成本、製程改善、操作性改善上下功夫，
製程部份等於都是用別人已經開發好的。

這種發展過程甚至會造成有極少數的例子會讓一個工程師統包製程 、機械 、電控三個部份，
這種情形尤其常出現在一些技術出身的小公司老闆身上，
當然老闆會作的通常會更多，
發包 、組裝、接線 、試車調整…樣樣都來，
沒辦法錢不好賺，缺錢時，能作就自己作，少請一個人就省一筆花費。

所以設備開發這個工作其實適合喜歡DIY的人，
如果不是喜歡自己動手東拆西裝的，其實作設備開發工作會很辛苦，通常很難有好成績；
如果喜歡DIY，每次完成一台設備開發順利的運作就會很有成就感。


以下簡單列舉說明機械設備開發所需要的技能與能力。

機構工程
在台灣長期以來，多數的機構工程師肩負著設備開發專案的主要角色，
原因很簡單，
早期設備的研發以複製 、改善開始，
加上控制系統以氣液壓迴路跟凸輪軸加連桿 、擒放機構為主，
也沒有什麼電控元件，
自然而然設備開發主要會以機構工程師為主。
這些老師傅出身的技術人員成為老闆以後，
也自然會習慣以自己所熟悉的機構人員為主，越老的公司越明顯，
甚至有些小型設備公司到現在還沒有自己的電控人員，電控部份採外包方式進行。

到了電子 、數位時代，
微控制器(8051與延伸系列)、PLC(可程式化控制器) 、電腦等新的元件與系統出現，
逐漸取代早期缺乏彈性的氣液壓與凸輪控制。

早期的機構工程師要對氣液壓元件 、凸輪設計 、連桿擒放機構很熟，
但是到了現在，有些複雜的機構已慢慢淡出到僅剩少數特殊的設備使用，
原因很多，包括：
純機構加氣液壓完成控制動作實在是藝術，牽涉到幾何、力學、變形、材料的硬度、疲勞壽命等計算，從設計到實用可能要很長的開發、改善時間，並不容易；
近數十年產業型態改變，電子產業發展速度超過紡織等傳統產業，
快速完成設備開發與功能彈性變成是重點，
不像紡織業的設備經常使用一個驅動源要同時完成幾百根針的動作(類似重複但是時序不同的動作)，
加上現在的機械零件加工精度比較高、材料多元、市購元件功能與選擇性多，
電子設備開發過程中自然會選擇相對容易的直進與旋轉動作元件設計。

配合電子產品短生命週期，具有彈性的控制能力變成重點，
動作控制轉變成以伺服控制(或步進計數)為主，
當產品尺寸只是變大變小時，設備可以很容易修改對應；
甚至在機械設備以外的產品也越來越多使用伺服控制的例子，
例如飛機，從美國的F16開始啟用電子數位控制，
參考：Electric Jet - How the F-16 Became the World’s First Fly-By-Wire Combat Aircraft
現在新式的飛機幾乎都是使用電子式數位伺服控制搭配自動駕駛飛行，

甚至連自行車的變速系統也在2010開始出現使用電子變速系統，取代原有的拉繩加連桿機構，
參考：Shimano releases official images and information on Dura-Ace Di2，
像電子消費性產品中如掃描器也有用到，

車子上也越來越多，像以往的液壓驅動動力輔助方向盤幾乎都改成馬達驅動，汽車產業未來趨勢往電動、自動駕駛發展過程中，使用馬達驅動各元件更是不可避免。

現代的工業設備除非在一些特定產業(衝、剪、切，活塞式引擎，紡織設備等)，
其實越來越少用到一些複雜的傳統機構，
多半是是以直接致動元件為主，英文名稱 actuator，
早期的氣缸，後來常見的電動缸、單軸電致動器(步進或伺服馬達加滾珠螺桿或皮帶與皮帶輪) 、線性馬達、DD馬達等等都算是 actuator ;
甚至多軸的“機械手臂”也是一種多軸actuator。

元件選用在機構開發上，
如果是作專用機會比較單純，使用的元件比較不會有太大的變化 ;
若是客制化設備 、研究設備，元件的種類就會非常的多變；
但是不論如何機構工程師都必須要瞭解所使用的元件，
不同設備差別在可能使用元件與材料種類的多寡。

這些元件最基礎的是驅動(包括各式馬達、氣液壓)，再來是傳動、導引、感測等元件，
這些基礎元件構成基礎的機構動作，
例如搬送 、移位 、夾持固定定位等等。

再來是其他的製程與製程輔助元件，
例如像是量測、加熱、蒸鍍源或濺鍍源與真空系統、點膠頭與點膠控制器、光學+鏡頭+相機與光源等等。

除了元件以外，再來是負責固定與支撐的零件，
所以第二要瞭解機構零件的材料性質與加工程序 、表面處理 、熱處理等。

設備上的材料可以簡單分為兩大類要注意：結構用、製程用。

結構上用的材料在功能上主要是提供支撐，考慮的是 "強度"，
謹慎一點需要考慮設備在靜態與動態的狀況，
要注意到的材料性質包括楊氏係數、降伏強度、疲勞強度、熱膨脹係數、阻尼、密度等等，
像 LCD 搬送機械手臂的材質從"鋁合金"進化到"碳纖維"，
就是考慮到負載變形比跟阻尼消振兩種重要特性。

製程上考慮的材料，主要在於使用的環境與接觸到其他物質的因素，
必須要注意到更多材料的其他物理與化學特性；
例如真空系統中用到的材料要注意吸濕、吸氣的特性，
如果把尼龍、粉末冶金、鑄造金屬材料用在真空系統中，
真空泵就必須花很多能量跟時間把微量的氣體從這些材料中抽出來，
真空度很難(時間很久)提高；
有一些高溫的製程必須要用到一些低膨脹係數、抗高溫氧化能力的材料；
接觸到酸性或腐蝕性液、氣體必須用到塑膠或抗酸鹼的不銹鋼等等特殊材料；
了解材料特性後也要注意這些材料加工上的經濟程序與要求。

機構還要學的是設計軟體 (CAD，Computer Added Design)，
長期以來大家熟悉與知名度最高的 CAD 就是 AutoCAD，
但是 AutoCAD 2D 嚴格來說是電腦輔助繪圖軟體，所謂設計的動作很少；
通常必須加入一些客製化程式來輔助完成一些設計過程中的程序作業，
例如 AutoCAD 所屬的公司 Autodesk ，就透過二次開發程式跟併購其他軟體公司，
進而推出 AutoCAD Architecture (建築)、AutoCAD Mechanical (機械設計)、AutoCAD Civil (土木)、AutoCAD Electrical (PLC 電控設計)等產品，
讓設計人員可以透過一些工具輔助來加速設計的作業。

後來更多了 Solidworks、Inventor、Solid Edge 等中低階 3D CAD 軟體，
從 3D 跟參數化功能上提升了輔助設計的能力，可以讓設計師更專注在創意的展現與模擬作業，

也有少數有錢的設備公司使用Creo(ProE)、NX或Catia等高階3D CAD。

這幾個 3D CAD 軟體其實操作的基本概念非常的類似，
差別在於介面與處理能力的不同，
基本上機構設計要用到的零件設計、組合件設計、動態模擬、材料表輸出、工程圖面產生都算是基本的功能，
不同軟體會額外加入一些常見機械元件的產生器，
例如型鋼結構、軸承、軸、螺絲、齒輪、皮帶、鍵、扣環等等的元件計算產生器；
甚至額外提供了結構模擬、剛體運動模擬的力學模擬分析功能，
這些工具對機構工程師來說如果能夠掌握得當，
當然對設計的品質與效率會有所幫助。
最基本的就是要學草圖繪製、生成幾何特徵、組裝限制、材料表整理與產生、工程圖面製作這五大基礎功能，
其他的進階功能就視時間允許與需求進行。

元件、材料、CAD工具，這些都算是機構開發設計技術上必備且需要的技能。


製程工程

再來就是看要不要學製程？
或者是交給更專業的人負責製程，
當然從專業能力提升的競爭力來看，
機構工程師一定要學 1 個以上的製程能力，
在現代的工作環境中才會有價值跟競爭力。

例如跟設備功能相關的：
加熱器，為什麼需要特定的加熱能力與加熱均勻性、時間控制等？如何選擇適當的加熱元件？如何計算加熱器的功率？
真空系統，對應到不同功能需求，需要低、高、超高真空系統，其設計完全不同，例如要到 100Pa、1 Pa 跟到0.001 Pa真空度的真空系統設計與元件選用？
點膠系統，處理膠的黏度能力？吐出量控制能力等等？
光學檢測系統的解析度、景深、光源配置、相機的選擇等等？

製程除了一些設備上的通用關鍵零組件以外，
其他的部分都跟產品與使用材料的處理有關，
例如半導體、LCD、LED、太陽能、矽晶圓、PCB、被動元件、食品、藥品等等，
這些東西用到的設備元件經常會因為產業中製程的特殊要求而有不同的專業領域，
也可以看到有些元件廠商會特別註記適合某些產業使用的元件，
這些跟產品與其使用材料處理有關的製程知識非常的重要，
例如拿作食品的設備去製造藥品就可會在某些小地方出錯，造成問題。

正常情況下，
製程的研發設計一定會優先於機構的設計，
先決定好製程才能開始進行機構的設計。


電控工程

電控系統可以分成軟硬體兩個部分，
如果不涉及製程因素，
首先會根據機械設計決定使用的輸入與輸出元件來進行電路設計與控制器選用。

例如設備上常用到的輸入元件通常是一些感測器，
例如磁簧開關、近接開關、光電開關等等，還有按鈕開關等，
這些都是一般常見的 On/Off 元件，使用一般的輸入模組即可應對，
通常怕元件端短路造成控制器輸入模組燒毀，
通常會以光耦合板隔離元件的實體電流訊號。

但若是用到像距離偵測、溫度偵測、電壓偵測、電流偵測、亮度偵測等等有數字結果的量測功能，
會使用類比式或數位式感測元件，
因為要資料型態不是單純的 On/Off，
包含需處理量測的數值資料，就需要用到一些特殊的輸入模組。

以上兩種輸入元件就要選擇不同的輸入模組，
在某些很低階的 PLC 控制器可能根本不支援類比或數位訊號數值的處理功能，而必須使用高階 PLC 控制器或工業電腦。

設備上常用的輸出元件通常是控制動作，
例如控制氣液壓缸作動的電磁閥或者是燈號，這種只需要 On/Off 開關即可，
雖然元件的電流量通常不大，

甚至可以直接由輸出模組控制，

但很少這樣用，怕元件端出問題(短路)造成輸出模組燒毀；

如果電流量略大，會先輸出到繼電器再控制輸出元件；
但是像馬達用電量比較大就需要透過電磁接觸器，
複雜的像步進/伺服馬達就需要用到對應的馬達驅動器與控控制器，
還有計數、與其他 PLC 通訊、與 PC 通訊等等，
都有可能用到其他模組。

控制系統的硬體端理論上必須要等電控元件確認後才能開始進行設計，
確認包括搭配設備機構所選用的輸入輸出元件，
以及設備需要跟上下游設備或其他裝置的資料交換需求來決定需要使用到的模組元件，
這些控制元件對新開發設備來說，
基本上都必須等到機構與製程端，以及使用者生產線的需求確認定案後才能決定。
同樣的電控設計人員必須了解相關元件的技術與特性，
這個部分屬於電氣線路設計。

硬體端設計另外還有一塊是屬於電力的部分，
電力的部分可以分成兩大部分 :
控制器需要的電力，

跟其他設備或製程元件需要的電力，
其中又會牽涉到元件的使用電壓大小與電流量，
還牽涉到三相與單向的負載平衡，
避免交流電路對直流電路的干擾等等，
這個部分屬於配電盤設計。。

在完成電控的硬體端有關控制與電力電路設計後，
接下來需要作控制程式軟體的設計。
PLC 程式最基本的型式是一種稱為 Ladder (階梯，LD)圖的型式，
與一般的電腦上使用的自然語言形式不同，
但是也不像低階的組合語言，
不過多年發展下來，各家廠商為了提高程式規劃與設計的效率跟新的資料處理與網路通訊等功能，
有提供了不同的撰寫程式 (例如台達有支援 FBD、ST、SFC、IL 等)，
相對工業電腦的 PC Base 系統有兩大優點：

1. 即時掃描輸入與暫存器後觸發輸出

2. 程式不需要經過編譯直接載入控制器使用，
相反的也可以從控制器下載程式，
維護上比較容易，當然前提是要有人會改會修改PLC程式

當然有一些控制系統會使用工業電腦甚至一般的電腦進行，
雖然 PC Base 可以處理大部分控制上的功能要求，
但是在某些需要高速反應等特殊領域，
跟考慮穩定性及維護的需求，
PLC在自動化設備上應該還是用最多的。

彙整一下工程師需要會的基本知識與技能：
機構工程：
1. 自動化設備機構元件，傳動、驅動、空液壓、感測
2. 機構材料的特性、加工程序與表面處理，金屬、塑膠，鑽切車銑磨...，電鍍、陽極處理...
3. 基本的量測、靜態與動態力學、機構學概念
4. 工程圖學與CAD軟體操作
5. 進階的機構製程元件，加熱、塗佈、真空、蝕刻、清洗、量測、光學檢測...
6. 進階的對應產業的產品知識，半導體、TFT LCD、OLED、LED、太陽能、電子元件、食品、藥品等等

製程工程：
1. 產品
2. 原料
3. 製造流程
4. 產品的量測與檢驗、檢測

電控工程：
1. 自動化設備電控元件，電力元件(斷路器、電磁接觸器等等)、控制元件(PLC與開關、人機介面、PC等等)
2. 配電盤與但器控制線路
3. 控制程式撰寫
4. 進階的製程知識：訊號處理、量測、光學檢測...

坦白說這些知識與技能都需要花很多時間學習，
而且很多在學校都不會教，
都要進到實際工作中才會真正學得到實用的。