一些有關自動化設備的分享 設備規格與等級

在第一份工作的時候，單位主管要到集團所屬的學校單位上課，主題是講自動化設備，主管的時間有限，想當然就會找同仁幫忙，這時候我被指定負責介紹設備規格。

說真得對當時的我來說，雖然已經工作約3~4年的時間，一時之間還真的不知該如何著手寫教材，不過這也是一個好機會，讓我必須整理有關自動化設備自己所知道跟了解的資訊。

自動化設備的目的就是使用元件透過一連串的步驟完成特定產品的製造過程，這個目的說來簡單，但是其中卻包含了許許多多需要處理的技術工作。

首先要作一台自動化設備或完成一個自動化系統，一定要先釐清楚設備或系統所需要完成的工作任務，因此必須要先訂出設備的規格，其實訂規格幾乎就是最難的事情，訂的太簡單或太難都不好，要訂得恰當才能以合理的成本完成工作。

談自動化設備規格時可以從"系統"的角度來思考問題，一個系統應該可以處理輸入的物件，經過系統這個黑盒子處理以後產生輸出，所以自動化設備的規格描述應該包含至少兩大部份：

1. 要處理的產品的原料、狀態跟完成後的成品與狀態，也就是系統黑盒子的輸入與輸出
2. 設備的組成概要與能力，也就是黑盒子的處理能力與組成

輸入
要處理的產品的原料、狀態跟完成後的成品與狀態是主要的輸入條件，其他還會有一些資訊等等。
產品的原料牽涉到自動化設備進料時要如何去處理？例如原料可能有一種到數百種(很少這麼誇張)，型態可能是固體、液體或氣體。
固體的原料有尺寸大小、精度公差、供料與承載方式等等要注意。
液氣體有純度、溫度、壓力、流量、汙染、腐蝕性、沉澱、沉積等等現象要注意，這些常常需要對化學跟物理的一些知識。
輸入的資訊可能是原料的資料 、批號、設定參數 ...等等。

黑盒子作了什麼? 製程
但是用什麼方式把這些原料組合成產品輸出？這個部分嚴格來說已是黑盒子的一部分，但是因為跟原料的輸入與產品的輸出密切相關，因此必須要先提出來在輸出之前作介紹。

製造方法這個部份是屬於系統這個黑盒子的工作，但是其所屬的知識範圍，卻是在原料與產品端的科學家或技術人員，而不是作自動化設備/系統的技術人員，一般在產業中會把這個部分稱為"製程"，製程的技術訊息其實通常並不是作自動化設備或系統的技術人員所孰悉的，但是卻是非常重要的關鍵。

舉例來說，如果要在基材表面形成一層薄膜，要採用何種製程就跟原料以及最終的輸出結果密切相關，例如基材是鐵、鋁、銅、玻璃、矽晶圓等，需要形成的薄膜是金屬表面的抗氧化保護層抑或是玻璃與矽晶圓上的光學層、電性層？

這時就會牽涉到製程的選擇：
刷塗(Brushing，機械製造上幾乎沒在用)，金屬表面塗油漆防鏽，建築、土木工程常見
噴塗(Spraying，使用噴嘴)，噴漆、特殊異體材料，粉體塗裝等
電鍍(Electroplating)、電鑄(Electrocasting，比較厚的電鍍)
狹縫塗佈(Slit coating)、旋轉塗佈(Spin Coating)、精密噴塗(Inkjet printing、使用壓電噴頭)
蒸鍍(Evaporation，在真空中將材料加熱到汽化)、濺鍍(Sputtering、在真空中使用Ar離子轟擊靶材表面，使把材表面的成分脫離表面後附著在被鍍物表面上)
電漿輔助化學氣相沉積(PECVD "Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition"，通入不同氣體使反應成需要的材質附著在被鍍物表面，使用電漿加速反應速率)

這些都是屬於在基材上增加其他材料的製程，通常會將這些製程歸類為塗佈、成膜製程等，也有一些製程是用來去除以上成膜製程加上去的材料(蝕刻，需要特定圖形時還需要顯影劑塗佈、曝光等製程輔助)。
這些製程的研發基本上都是以原料或產品技術人員為主進行開發，並不是一般的機械工程師所能單獨處理的。

不過有一些製程因為已經被廣泛長期使用，一般機械工程師會經常碰到，例如將一個固體元件搬運到定位(通常是另外一個固體元件的特定位置)，使用的方式通常是夾持、吸附(或黏著)、承托等等，再以固鎖、塗膠、焊接等方式固定兩個固體元件之間的相對位置，一般我們稱為組裝製程，這一類的製程因為成熟而穩定，幾乎都可以由機械工程師獨力完成規劃設計。

最近很流行的3D列印(20~30年前稱為RP，快速成型，Rapid Prototyping；現在的正式名稱應該是積層製造，AM "Additive Manufacturing")，也是一種製程技術。

所以在業界中，可以將設備處理原料使其轉換為產品的方式，可以統稱為製程，這是設備規格(系統)功能中極其重要的一個項目，採用何種製程？製程的處理能力？

輸出
決定好製程方式以後，再來是輸出，有關產品的完成品與其狀態的描述；生產品時會給於一定的良品規範，簡單舉例生活中的用品為例：水餃：單一顆水餃的重量？外型有無破損？外觀有無汙染等等，在這些有關良品的規範描述後，經常會再增加良品率的要求；這些都是有關產品產出的狀態與描述跟良品率要求非常重要，因為這會決定自動化設備/系統是否成功？例如要求OED製程良率95%，那OLED肯定要很多年才有機會成功，但是如果良率35%？那成功機率就高了，良率關係到產品的成本與售價，如果根據35%良率計算出來的成本與售價沒有競爭力，那這個產品也註定會失敗，但是如果有市場，那產品就成功了。

在近幾年因為資訊工業快速發展，紀錄、傳輸與儲存資料的能力大幅增加，因此紀錄產品原料與製造過程的資訊也成為系統輸出的一部分，相較前述實體產品的輸出，或許可以稱為"軟"輸出， 這些資料可能是用來作為給客戶用的稽核資料，可能作為製程管控與異常的預防，都有可能，在未來幾年，看來已經成為一種顯學的基礎，也就是作為製造上的"大數據"跟"智慧製造"的基礎資料庫。


系統(黑盒子)的組成
以上簡單介紹自動化設備就像一個系統中的黑盒子，將原料處理過後，輸出成產品，近年來並增加相關資料的輸出。那黑盒子裡面究竟由那些東西組成？

國內有一本工業技術研究院出的機械工業雜誌，算是一本歷史悠久的機械領域相關的專業雜誌，除了一些技術專欄文章跟產業訊息以外，整本雜誌中大概超過一半以上的頁面是各個廠商的廣告，這些廠商包括機械設備系統廠商、機械電控元件、零組件加工等，其實那些廠商就代表了黑盒子裡面所需要的東西，有興趣可以隨便找一期翻翻看。

機械設備元件的種類與數量非常龐大，可以簡單區分為機構、電控與製程元件三大類。
這些元件在歐美日這些先進工業國家的努力下，一些經常被使用到的元件被定義許多的標準規範，讓製造商可以根據標準進行製造，設計人員可以選用，使用設備人員可以輕易地找到維修件替換。
這些元件可以稱為標準件，例如最基礎的螺絲，旋轉運動用的軸承，直線運動用的線性軸承、直線軌道，傳輸動力的軸、齒輪、皮帶、皮帶輪，動力源的各式感應馬達、步進馬達、伺服馬達、直流馬達、扭力馬達、氣壓缸、油壓缸，各式管、線接頭等等，選用這些標準件的優點是交貨快、價格透明合理。

另外有一些元件因為用量不大或僅限於特定產業領域使用，就沒有相關的國家級標準規範，例如像真空系統中的管接頭、真空泵、Gate Valve等等，但是因為半導體產業經使用，所以透過半導體產業協會，會對這些元件制定了一些標準規範，以降低這些相同功能元件之間的離異程度，方便系統(設備)廠商進行設計與使用設備廠商進行維修更換，但是因為強制力不夠，使用數量跟共通性需求不夠大，因此各個系統廠商多半會利用關鍵元件作出功能價值的差異化，讓使用者更換系統(設備)廠商時會有一定困難性，藉以提高使用廠商的依存度。

再來是一些關鍵製程元件，這些關鍵製程元件一般來說在特定系統廠商中可以說是最主要的技術核心，是基於對特定產品原料、製造方法、產品良率等等各種條件進行開發，因此如果能夠確實掌握這些技術核心，其他設備廠商就難以競爭並取代，所以這一類的關鍵元件往往是非賣品，難以取得；但是有一些製程技術元件因為發展時間長，應用產業領域廣，所以會有一些廠商專門供應，例如像點膠塗佈，可以買到從點膠控制器、管路系統到點膠頭等次系統或其中的單一元件；其他像搬送製程用的單軸或多軸手臂、故所用的鎖螺絲機、加熱用的陶瓷加熱器、高速切削用精密高轉速主軸、影像檢測用的影像檢測系統，甚至像蒸鍍源、濺鍍源等等。

這些元件規格越特別的東西就越難買得到，例如行走解析度可達1微米甚至次微米的線性平台因為可以做到高精密度的切削加工，或可以處理氯氣、鹽酸的鐵氟龍材質兩口兩位液體閥等等元件，因為可以用來大幅提升武器的質量當量或製造化學武器而被國際管制。

不過看到這邊，應該可以想像所謂的自動化設備這個系統黑盒子，其實就是一堆機械、控制、製程元件所組合而成；想要達到越多功能或越小尺寸、越大尺寸、越快速度等特殊目的，使用的元件就會越多越複雜。

因此自動化設備可以區分為幾種等級：
1. 使用標準元件為主即可以達到功能的一般自動化設備，以搬運設備(輸送機)為代表，相關設備廠商幾乎只能拚成本控制能力。
2. 有用到一些市購製程元件以達到某些特殊功能的自動化設備，例如工具機、影像檢測設備(Pattern matching、尺寸量測等)、點膠塗佈設備、組裝設備等等，非常多種，基本上是對應某些產業開發某些特定標準功能的自動化設備/系統，所以有時可以先做好某些標準機行庫存等使用者上門，但是因為設備廠商的競爭數量已經比較少，而且有做出某些產業跟價格策略差異化，競爭上的技術成分相對提高很多。
3. 使用特殊製程元件以達到特殊功能的自動化設備，例如像高階的影像檢測設備(3D 、刮擦傷、高速大面積、極微小尺寸等等)，雷射設備，洗淨、曝光、蝕刻等等濕製程設備等等，也是有非常多種，幾乎都是配合特定產業中的特定客戶進行開發；這類自動化設備因為需要對相關產品與原料有進一步的了解，通常會依存某些特定產業而存在，例如半導體、PCB、面板、汽車、自行車、複合材料等等，因為產業依存度高，也難跨業占別人的市場，例如作PCB設備的想去作自行車設備幾乎是不可能，反之亦然；而且有時會受該產業客戶擴張速度呈現幅度很大的業績變化。
4. 最厲害的就是關鍵製程元件是自己開發的自動化設備/系統，例如三星的螺絲製造設備、ASML的曝光機、應材的PECVD等等，這些設備因為關鍵製程元件根本買不到市購品，所以其他廠商想作類似的設備都很難；這一類的關鍵製程設備廠商專業重點經常會放在製程上，而不是機構或控制上，所以會願意養一群物理、材料、化學博士來研究材料特性、製程中的物理、化學現象，會深入研究材料、製程與產品，多數時候甚至比客戶更了解客戶的產品需要與發展趨勢。
5. 近年可以再加上一些高階的自動化控制系統，雖然沒有關鍵製程元件，但是因為需要規劃完善、龐大複雜的控制系統程式也建立起很高的技術門檻，讓一般自動化設備廠商難以介入，需要處理控制系統中一些非典型的資訊處理功能，例如資料格式與資料庫、高速傳輸、多介面整合、最佳化等等。

自動化設備產業可以說是一個國家製造業能力的展現，有些東西買不到設備就是作不出來，有些東西買到設備但是不懂製程也是作不好，有些東西買到設備，也懂製程原理，但是買不到材料也是作不出來，所以先進國家都以掌握材料第一、掌握設備第二來控制自身製造技術的優勢。
不過材料也是要靠設備才能製造出來，所以撇開特殊材料產地的問題，製造能力一切的源頭好像又回到能不能開發出需要的自動化設備為最關鍵。

後續再另外介紹一些不同的元件。

以上是個人對自動化設備的一點淺見，希望各位先進能夠不吝給於指教以備修正文章內容。