星期一, 5月 16

    数值与数据:制造业进步的最有力推手

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    ■邱耀弘 博士/ 赵育德 讲师

    第二作者介绍

    本篇邀请到第二作者,同样也是来自昆山耀德讲堂的赵育德先生,赵先生是我在当年(1996~1998)在台北科技大学五专部兼课时所教到最后一届的学生,在我的激励 下也进入台湾科技大学完成大学部和硕士的学业,目前 仍就读台湾科技大学机械系(2019年重新回到学校), 跟随郑正元教授在光电实验室修行博士学位,主要想把 3D列印和原来熟悉的金属粉体科学结合在一起。赵先 生跟随我由学校到毕业后的工作生涯,已经超过20年, 我俩合力打造了现代版师徒制,并将其运用到金属粉末 注射成型领域,在2019年成立顾问公司后成功辅导许 多厂家,走向科学化与数字化的制程管理与工艺实践。

    楔子

    人,是万物之灵,而最简单的表现便是在于会数「数 字」!看到这,你们大概会想「数『数字』?难道是数 1、2、3、4……这种连三岁小孩甚至更小的也会的数『数 字』吗?」没错,正是那种最简单的数「数字」!许多 动物连个位数的数「数字」都有困难,但是人类在很小 的时候便能理解数字的排序和大小代表的意义。套句今年是「数年」(鼠年)的流行双关语,我们来看看数 字是如何演变成数值和数据,再经过简单的四则运算 (加、减、乘、除),成为现在的电脑科技与大数据。 本文将举几个例子,其中最困难的计算只有用到开根 号,那也是除法的演变,叫做辗转相除法(Euclidean algorithm),別害怕、別逃走,真的是你用手机计算 机就可以算出来的!和我们一起来读一下吧!

    数字、数值和数据

    单纯的数字(Numbers)是一种文字或是符号,会数 「数字」以及分辨其顺序和大小,可能只代表人类与 其他生物的差异,但随着我们为数字加上单位的定 义,例如时间(通常是秒、分、时、天、月、年、世纪、 光年……)、温度、重量……等的物理量,这些带有单 位的数字摇身一变成为了「数值」(Value of number with unit),这现象十分有趣,例如1公克的水、10台 斤的糖、1吨的塑胶粒,或1个小时等,我们可以发 现当数字加上不同的单位后,数值便能展现出不同的 价值。但是,其中必须注意的是「数值」必须要经过正确、真实且连续性的记录和标记,并且要在这些数 值纪录中加入时间或是空间的座标,数值才能变身成 为「数据」(Data)。

    将「数值」加以标记、演算等处理后所得到的「数据」,看似不到50个字的简单说明,但人类可是历 经数十个世纪的努力,才把数字转化成数值并且制作 成数据,因此,我们要再次强调「数值是要被真实 的记录并标记的」,因为人为的隐瞒或是疏忽遗漏, 都会导致数据的不真实;数据是数值经过处理,并加 以演算分析所呈现出的结果。举例来说,您随手透过 Line或是微信发出的一条拜年寒暄讯息,这几个简单 的文字和图案通过高速的网路呈现在远端的亲友手机 画面上,都是在享受人类历代改进奋斗的结果—记 录数值与数据处理。

    天生的能力—映像技术

    映像技术(Mapping technology),听起来十分地科学 与艰深,Dr.Q建议大家可以从中文字义来了解,即 「映入脑海、分析图像」,重点是在于对比所得到的 数据是否具有标记上的重复与再现性,简单来说,若 以模具领域而言,就好比您花了几小时,在电脑中辛 苦建立了一个注射件的3D模型,在您存档的当下, 这个模型便是一个具有数值的数据资料;随着进行开 模与第一次试产后的每次检讨,您会发现注射件的3D模型有一些问题,例如少加拔模角(根据样品的 检验观察)导致产品表面拉伤,因此,当您把这个修 改重新加入到3D模型中,前后两个档案纪录的比对 也可以提供以后设计的参考,这样便构成了「映像」 的工作方式,也就是档案的对比和数据的留存,在工 程作业上就是所谓的设计变更或是工程变更(Design Change Note and Engineer Change Note, DCN & ECN),我们知道,并不是越少的变更就代表设计功力 如何好,而是如何有效并快速的解决问题,完成有效 的变更才是王道。

    探讨到这里我们可以发现一件有趣的事,原来在三度空间上,加上时间座标并保留纪录,我们就能完成映 像的準备工作。所以各位读者不用担心,映像的能力 是生物与生俱来的能力,每个人都能透过训练和学习,来强化映像能力,如果再加上现代的电脑科技, 那更是能轻松对事物进行映像判断。例如:家中的狗经过训练,能够变成导盲犬,遇到危急时牠会提醒主 人,这是高阶物种具有的映像本能与后天的情境强化训练所致。(请大家別误会,Dr.Q举狗为例,并没有对人不尊重的意思)

    在现实生活中,映像技术可以反映到更多的场合,如 股市的起落、期货的交易,甚至警察也以映像技术选 择重点巡逻的区域,针对一整年城市中犯罪和事故发 生事件进行映像分析后,找到最有可疑的位置并加以进行管制;现在2020农历春节的非典型肺炎卷土重 来,世界各国也正利用映像技术来获得传染病的实时报导,以及政府单位控制病情的成效;另外,每天我 们开车时打开地图导航,观察哪里有没有塞车,这些 都是我们天生的映像能力。随着网路收集的大数据以 及快速的统计分析,高效率的网路数据映像已经逐渐 取代低效率的人为映像,为人类的生活带来极大的便利。接下来,我们将举二个鲜活的例子来进行说明。

    工程应用的范例

    注射坯体的品质数据管制:一维度数据加上时间的映 像技术 在金属粉末注射成型的应用里有一个大家都知道的公式(1)如下,也就是密度测量公式。我们可以发现到 公式(1)中使用都是简单的数学,我们假设制作的产品是一个立方体,则X=Y=Z,体积是边长的3次方, 这样透过量测产品的物体重量和密度,便可以有效的 管制产品的体积以及尺寸。

    那么,要怎么将这公式运用得更广泛呢?在假设条件 下,首先是模具没有受损,因此每一模注射出来的多 穴注射坯体重量是有很小的误差(确定注射饱满并且 已经正确去除水口与进胶点),在时间刻度的记录下,按照顺序量测不同模次但同一穴注射坯体的重量,只 要发现超出标準上下限,便能知道可能是模具已经损 伤或是材料有问题。在数值纪录的管控下,注射坯被 静置一段适当时间后,量测并记录下其收缩稳定的尺寸以及量测密度都无法比即时量测重量来的快速和即 时,因此,有刻度性的数值是要经过筛选来协助我们 管控生产制程,当然现代化的量测速度很快,加入影像数据做为参考也是不错的数据处理方式,那我们可以在X、Y、Z方向各选择一个最长的尺寸作为管制的数据,或是只选一个平面对角线(X, Y)配合产品重量 就可以增加品质管制的信心。

    表 1:所示为一个维度映像(以时间纪录)的几项检验纪录,比较上午四个小时和下午四个小时的纪录空白表格设计

    就刚刚的假设(均质的立方体生坯,冷却到常温进行 测量),我们设计了一个维度的镜射对比范例(表1), 将这样的表1建立在Execl表格中,用上下限设定颜 色的管理,就可以清楚比较两个时段不同的品质分布 (建议在模具刚量产与维护后的初期生产,取样的个数要较多)。当发现问题时,根据数据的分布来判断是设备、模具、材料或外在环境造成的影响,这样就 可以完成未来的制程改善依据与追踪数据的留底。 至於在楔子中说会用到的开根号呢?其实,量测体积 是很不好作的测量,必须借助阿基米德的方法(中国 也有曹冲秤象的作法):用物体排开4°C水重量对比 来转换体积,那么体积是长度单位的3次方,当我们假设物体为立方体时,开根号3次就能找到线性的尺 寸,在金属注射成型的收缩比 (Oversize Shrinkage Factor)计算时就能用到。但是在现实的量产过程,我 们通常假设模具没有受损为常数不变动,那么改用重 量和某几个线性尺寸来管制物件品质远比体积测量来 得快速,也是这个道理。

    利用映像技术了解设备的制程能力:由一维度扩展到 二维甚至三维的映像 在粉末注射成型的接下来便是脱脂与烧结,两个制程 都是以加热改变材料的状态,炉子的性能好坏,便成 为我们最关心的一件事。首先我们要建立数据资料, 以注射坯重量改变的测量与记录为主力、尺寸的数据 则作为辅助,再来就是发挥出映像技术的最大优势, 记录每一个位置不同坯体的重量变化,并描绘出一个 立体图形(3D Map),借由注射坯经过热制程后的重量、尺寸与外观的差异变化,我们找出这个炉子的甜区(Sweet Zone,指的是都是良品的区域)。

    图 1:简单表示产品的摆放与设备(炉体的相对关系,图左仅显示一层,实际有 6 层)

    表 2:所示为三个维度映像(以每一层纪录)的几项检验纪录,本表只用一层并假设前后共有 4 排的产品(注意到平均值已经不重要)

    每一个注射生坯在进到炉子之前都要记录其数据,尽管这样的程序费时且耗费成本,但是如果不经过这种 满炉(图1)的映像测试,我们永远不会知道这台设备的制程能力。因此我们也建立了一个表格来展示映像的方法(表2),借由这样的图表进行有顺序的验 证,我们便可以了解到炉子的特性,在映像时的标记 不光可以采用时间(保养后天数)、室外温度或是冷 却水温作为刻度,我们也能够实际了解炉子的甜区位 置,甚至观察到保养问题,如季节的改变是否会影响 炉体特性的正常发挥。

    数据分析—制造业进步的最有力推手

    在这个社会上,我们都或多或少有过数据记录错误、 漏记或造假不诚实的经历(想想在2003年爆发的 SARS与今年类似病疫相比,显然越是透明化的处理, 越能掌握病疫的控制,也才能找到正确有效的方式消灭病灶)。所幸,随着工业4.0与通讯世代的升级(3G、 4G、5G),许多终端的装置与设备都逐渐有自动记录数值的功能,有了被赋予单位的数值,进行统计分析 后就能够展现它们未来的价值—「模拟仿真」,预 测模具与制程的生产行为,这也是数值与数据所带来 的珍贵影响!■

     

    图 2:日新月异的工业技术已和人们生活密不可分,如今电脑科技已能协助工程师把数字和数值转成可视化数据

    图 3:不光静态的数据呈现,模流分析软件可以把数据转成流动的连续影像,方便工程师判定结果

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