台湾工具机产业发产利基与技术趋势
一、产业发展趋势－企业大型化企业大型化
带给企业最大的效益无非是提升及扩张本身研发与营销能力，因此无论是在德国或是日本，除了坚持研发生产利基型特色产品的中小公司外，整个产业亦呈现大型化发展的趋势。以日本CITZEN工具机厂为例，销售额为了从500亿日圆扩增至1000亿日圆，创造企业更高获利；且基于考虑扩展海外市场需要大量的人力与资金，于是以制造走心式车床为主的CITIZEN MACHINERY与擅长制造一般车床的MIYANO公司进行资本及业务合作，其中MIYANO接近30%的股权由CITIZEN MACHINERY所持有，因此在MIYANO进行公司发展策略规划时CITIZEN MACHINERY能够依照本身的发展规划而对MIYANO提出建议，让双方在策略实施时具有一致性，且两家生产的产品尺寸接近，制造及采购系统易于整合，市场通路重复性较小，通路上透过整合达到共享的效果，可避免布置通路时造成资源重复的浪费。由上例子可知，德、日工具机业者为了扩大海外市场、设立海外据点，已朝合并或交叉持股方式朝大型化发展。台湾工具机厂商虽以外销为主，但大多数是透过代理商代理销售，不同于海外设置销售据点。就台、日工具机产业而言，虽都有意朝大型化发展，但其所处状态及其环境条件不尽相同。日本重视精实生产管理，但其协力体系不若台湾一般完整及扎实群聚。因此，台湾若能善用既有协力体系，藉由有效生产管理及供应链整合推动产业大型化，除了在研发及销售通路上获得利益之外，更可以保持台湾原有弹性及成本的优势。台湾产业生态中小厂林立，若以最大厂产值新台币五十亿计算，其产值仅接近日本大厂MORI SEKI产值十分之一，因此台湾工具厂欲往大型旗舰发展，势必需透过交叉持股集团或无交叉持股但组成策略联盟的方式进行。此二形式的组合各有其优弱势，但就通路共享及联合采购短期效益而言，集团式的发展是较有机会的。然而无论是透过集团或联盟成为一个实质旗舰型企业，面临到的第一个课题即是生产系统的一致性，唯有当集团内或联盟内各成员厂具有理念一致的生产管理系统及制造平台，才能跨出旗舰企业发展的第一步。其具体做法如下：
●协力体系厂商建立电子化的组件测试验证平台： 1.零组件厂建立完整in-line测试，透过远程搜集各站数据并加以分析回馈，进行加工制程控制以确保质量。 2.以整机厂需求为前提，建立成品自动化品检站，透过电子数据传送组件履历，给予母厂进行供应链管理。
●协助母厂构建精实生产系统 1.集团或联盟间成员进行水平整合，推行理念一致的生产管理系统：旧有的生产制度中，台湾整机厂与协力厂或加工厂之间，通常都累积到一定量才会一次下单或者进行加工。近期由台中精机与永进工具机厂及主装后动、静态分析及误差分析(含几合误差及运动误差)就显得更为重要，否则模块化生产可能为产品带来更大风险。台湾工具机产业若能善用既有协力体系及群聚效应，进行有效生产管理及供应链整合，零组件厂商建立完整测试平台及流程以确保组件纳期与质量，整机厂推动精实生产管理及中卫体系电子化供应链系统等工作，将工具机及零组件体系进行水平及垂直整合，架构完整坚实的产业价值链。企业大型化的整并与发展，供应链系统的弹性及功能性就是未来竞争力的所在，在台湾我们有比德、日更好的先天环境，达到JIT甚至是进行TPS。因此，除了巩固原有的供货弹性及成本优势外，我们将更有机会与日本一较长短。
二、技术发展－持续追求精度外，高效率为台湾工具机的基本主轴
高效率工具机发展趋势中技术的发展是往高速化、复合化及多轴化持续进行，试图同时缩短加工及非加工间，其中就以多轴复合的机械而言，下列特性应特别注意： 1.可能为了避免干涉及迁就关键组件尺寸大小，整机尺寸自然大幅增大。 2.多轴造成热源多，且复合化机械的构型也变得复杂，热变位造成机台变形问题难以控制。 3.构型复杂，影响组装精度及运动精度层面太过广泛。 4.静态刚性容易降低而就高速化而言，包含了主轴的高速化、进给系统的高速化及高刚性结构等方向发展，但同时隐含了关键组件发展应用与热变位等关键技术。由以上观察总合来说，有几个议题是值得持续关注的：直驱(含线性马达)技术应用、工具机的模块化及永远的议题—热变位的问题，以下将分别进行说明。
●直驱技术与应用所谓的直驱就是马达与负载之间，并没有其它的传动机构或减速齿轮，此类马达相对于一般伺服马达，特性上最大不同就是输出转矩都非常高。直驱马达(DD MOTOR)的应用至少已有多年历史，而直驱马达在工具机产业的应用起于切削中心机旋转工作台应用，目前已广泛应于五轴加工机、多轴车削加工机及车铣复合加工机上。由于具高转矩、及无速机构等优点，因此对于加速度及速度的提升有关键的影响。就五轴旋转主轴头发展现况来说，因为德国CYTEC公司本身即有生产销售DD MOTOR，所以生产的各型旋转头皆使用自家的DD MOTOR，其因旋转轴间设计有共通接组合界面，可于不同加工需求选择不同的主轴或A轴，另外FIDIA、FOTEC也都有各特色的产品。具旋转功能主轴，尤其是二轴旋转主轴头，是一般使用于较低切削力的主轴，应用于轻切削场合。以往传统旋转模块具有复杂的传动变速机构与煞车装置机构，一直为设计与组装上的课题。但当使用DD MOTOR时无自锁机构，所以当DD MOTOR运转时遇到跳电的情况，就失去对机构的控制能力，这对高速运动是非常危险的，在FANUC与SIEMENS提供的直驱马达并无提供煞车功能，所以旋转轴设计者必须自行设计或与专业厂合作开发煞车定位装置。直接传动运动的优点有快速运动、高刚性、低磨耗、高扭矩、无背隙及组装维修容易等优点，但煞车问题必需须额外考虑以防范撞机或是其它可能的危险。
●工具机的模块化因应多样化制品加工需求，小型多轴复合化泛用机的市场需求量可说直线攀升。为了可以在短时间针对客户需求制出合适化机能，实现多轴、复合的工具机，模块化设计是未来必需思考及坚持的。机能及结构模块化分割的设计与方法具以下优点： 1.整机设计及制造时间的缩短 2.透过模块化的量产效果可以有效降低成本 3.客户需求的迅速响应虽然有了模块化设计后能因应客户需求而快速反应，但是从模块化设计与制造要维持原来设定的组立精度与运动精度，必须从体系上就理论性作更详细谨慎的分析与评估，其中包含了机能、构型及接合关系。若将工具机的误差要因以形状创成理论中合适模型来分析，就可以很清楚误差要因与运动误差之间的关系。特别就加工复杂工件的多轴复合机而言，误差要因与运动精度之间的关系，可谓非常复杂，要满足设定的运动误差规格，需透过计算及设计来作几何误差的分配，当几何误差分配完成后，就可依据构件加工精度及组装工法来达成所设定需求几何误差。岛内业界可从较简单立式或卧式机种开始试着整合协力厂及设计、组立团队导入此设计及制造手法，为设计模块化作最好的准备。模块化设计除了精度因素需考虑之外，各模块的电源、驱动系统共享性及接口设计、控制器硬件及软件的对应模块问题都应一并考虑。
●工具机永远的议题—热变位的问题工具机在进行加工过程中，主轴轴承、马达、液压系统和机械摩擦都是在进行能量的转换。不论转换途径为何，最终大多变成了热，而工具机因为温升所产生的热变形即是由各种热源所引起。这些热量一部份可由切屑和冷却液带走(切削摩擦热)、一部份发散至周围环境、一部份则传至工件造成工件温升变形，然而大部份的热量则残留于工具机本身，造成机体内部的温度变化进而产生热变形。此外，环境温度变化和日光的照射则为工具机的温度变化的外部原因，因此在设计阶段就可以把这些因素考虑并加以控制，或许内部的热源是机台的本身特性，无法完全克服，但是，外部的热源则是我们所可以控制甚至排除的。工具机机体的温度并非定值而是有复杂的变化的，因此对结构产生的变形也非常复杂。以立式综合加工机来说，一些工具机使用者甚至制造者总是认为主轴对加工点的影响绝对是伸长向下的，的确当初始开机阶段主轴会因高速旋转而产生大量热源，导致心轴急速伸长，但当热经由主轴头部传递至立柱则导致立柱往上伸长，此时的加工点是往上拉升的。因此就工具机而言，热的问题是极为复杂而微妙的，业界、学界及研究单位无不战战兢兢把它当成可敬的对手。常见温升热变位改善方法大致有下列几个方向： 1.抑制：以冷却回路加上热交换器强制带走主轴上的热，降低热变位的产生。 2.均温控制：将结构尽量设计成对称形式，使热量产生时不会发生不规则变形。不过结构的对称性只是一种理想目标，实务上很难达到，因此通常藉助均温管来快速的将高温热能排至低温区，这也是达到均温化的另一种方式。 3.补偿：量测某参数〔如：温升、位移〕，然后再应用事先建立好的关系式〔参数与加工点变位量〕，最后再以此变位量作为伺服轴下达指令时的补偿量，以维持主轴加工位置的精确性。 4.恒温：此方法是将主轴的温度控制在某一个范围，使得主轴的变位量永远保持在某一固定值，因此伺服轴的补偿量是固定不变的。不论那一种热变形改善方法都有其优缺点及能力范围，因此最好在设计阶段就将温升热变形纳入考虑。热对称设计并非仅是几何尺寸对称，更需考虑结构经由受热传导或热对流情况下能保持均温状态，在热对称设计阶段常见的分析手法是藉由有限元素法进行热分析，温升补偿则是最后一道处理方式。就补偿技术而言，精密机械研发中心在主轴及结构热变位补偿技术已相当成熟，辅导业界在量产机中导入补偿功能的经验亦相当的丰富。而进给轴部分，无论是以数学模式补偿及由非接触式位移计直接感测绝对位置补偿方式，相关学研单位也都积极企图突破瓶颈。再则现今3D的CAD及CAE软件已趋成熟，利用CAD与CAE的整合，可充分掌握组件动作特性，不但可避免经由错误的设计而造成开发机台成本的浪费外，还可进一步达到最佳化的设计效果，一般在设计分析阶段调整原则为： 1.控制热源使其减至最小，并降低热源传入机体结构中的热量，当局部的热源传导至整机结构上时，除了结构本身受热膨胀外，热量分布不均所造成机台的弯曲倾斜变形，更是造成机台精度误差的主要来源，因此在设计的角度来看才会产生机体恒温的概念。 2.增加热传或改善操作环境，使得留在机体结构中的热量降低以减少热膨胀的大小。而所谓改善操作环境是指环境温度的控制，同样这也是一个均温的概念，一旦有温差就会有热变形的产生。可想而知，如果将机台置于恒温室里即可排除大部分环境造成影响的因素。另外，增加热传的目的同样是将局部产生的热量能快速传导至其它部位，达到均温的效果。 3.改变设计：在不影响机台刚性与强度的情况下使用替代的低热导系数或低热膨胀系数材料(如人造花岗岩)、改变机台结构等。所谓改变机台结构不外乎热对称的设计概念，除了几何形状的对称外，热焓量与热传递的对称也相当重要。
三、结论
台湾工具机产业未来发展，企业主基于竞争策略考虑下，极有可能朝大型化或朝向利基市场小而美的两极化发展，在较具规模厂商进行供应链整合，而小型厂商掌握终端使用者核心需求的生产趋势下，整个工具机产业以M型分布来发展，在M型两边创造的产值各半情况下，这样的产业架构，蕴含着整个台湾工具产业未来竞争力。换句话说，厂商必须对于供应链整合或核心能力的建构进行深耕，面对未来全球化、区域化的市场竞争，必须投入更多的资源，不论在人力的养成、财务的健全、生产的精进、营销的流畅、研发的深化，必须要有更新的思维，更大的格局。