OptiPro Systems

精密光學製造：優傲科技與New Scale Robotics聯手實現品管自動化

01 簡介

OptiPro Systems是一家精密光學加工設備的製造商。面對越來越多客戶要求提供可在製程中進行自動化測量的設備，該公司決定向New Scale Robotics尋求解決之道。這款名為 Q-Span® Workstation的應用套件採用了UR3協作型機器人，專門從事小型零件的測量作業。

02 面臨的挑戰

OptiPro Systems位於紐約上州，早在1980年代末期便致力開發光學產業的精密研磨、拋光及度量儀器。如今，有越來越多客戶開始要求該公司提供全套完整的解決方案。OptiPro Systems度量協調員David Mohring表示：「與其為了生產解決方案，這邊找一部機具、那邊買一套設備，客戶現在可交由我們打造整套製程。我們所提供的工站既可兼顧毛胚的測量及製造，還能將它們加工為工件成品。」由於OptiPro客戶大多從事醫療與軍事設備的零件製造，需要一絲不苟的檢測作業，因此品質管控至關重要。

影片 — OptiPro Systems, 美國

03 解決方案

OptiPro Systems此前便已對內導入優傲科技的協作型機器人，負責操作研磨與CMM機台以生產原型機。New Scale Robotics推出Q-Span® Workstation套件後，自然受到OptiPro關注。光學加工部門主管Kyle Wood表示：「我們認為機會難得，因為這既可為客戶提供一套操作安全、使用方便的製程量測方案，而且用得還是我們早就上手的協作型機器人。」

OptiPro System的OptiSonic研磨機可仿效「迷你手鑽機」，以每秒2至3萬的振盪頻率將一大疊玻璃研磨成圓柱體。儘管OptiSonic技術大幅延長工具壽命，但不可避免地，研磨用的鑽石鑽頭仍會隨著時間而磨損，導致工件加工後的實際尺寸不一。有了Q-Span® Workstation即時測量每一個圓柱體的厚度，廠商可馬上掌握超出公差的情況，必要時趕緊更換鑽頭或裝料速率。

Q-Span® Workstation套件內含機器人夾具卡尺、編程範例、零配件樣品，以及能在廠內穿梭自如的多功能工作站推車。至於優傲協作型機器人，除有助人機協作模式融入現有工作流程外，還可提供更加彈性靈活的自動化方案，明顯優於無法任意移動且成本更高的工業用機器人。

Q-Span® Workstation應用套件由New Scale Robotics從設計到生產一手包辦，經UR+認證，可與優傲e系列協作型機器人搭配使用。在測量小型零件以遂行品管任務時，這套自動化方案不但取代了枯燥乏味的人工作業，更為後續的統計分析提供準確數據。

在配備New Scale夾具卡尺的UR3e協作型機器人開始測量不同零件前，使用者必須在夾爪內建的絕對值編碼器上，輸入夾爪指尖的新間距，讓機械人知道檢測時各接觸點間的新「默認值」（RWV）。使用者可操作UR3協作型機器人的示教器，直接在URCap軟體中設定參考值。

Q-SPAN® workstation應用套件

作為UR+應用套件的一員，Q-Span® Workstation業經通過測試與認證，可與優傲協作型機器人無縫整合，本個案中的UR3桌上型協作型機器人即為一例。Q-Span® Workstation套件內含機器人夾具卡尺、編程範例、零配件樣品，以及能在廠內穿梭自如的多功能工作站推車。OptiPro目前所提供的Q-Span® Workstation套件，可與研磨機、拋光機以及度量站組成功能齊全的加工站。當零件離開OptiPro研磨機後，Q-Span® Workstation會立刻測量零件合格與否。一旦合格，零件就會移往CMM機接受進一步測量。

降低珍貴原料報廢率

Mohring認為，在製程中測量零件是生產過程中的一大關鍵。他表示：「與其等到大批零件產出後才測量，還不如在製程中馬上發現問題。這樣不僅能降低報廢率，還可確保原本生產不良品的製程停止運作。」

OptiPro Systems機械工程師Mike Cahill則以玻璃圓柱體為例，說明它們如何在經過OptiSonic研磨機加工後，由Q-Span® Workstation進行測量。OptiSonic研磨機會猶如迷你手鑽機一般，以振盪方式將一大疊玻璃研磨成圓柱體。Cahill坦言：「儘管OptiSonic技術大幅延長工具壽命，但不可避免地，研磨用的鑽石鑽頭仍會隨著時間而磨損，導致工件加工後的實際尺寸不一。有了Q-Span® Workstation即時測量每一個圓柱體的厚度，我們可在無人情況下馬上掌握超出公差的情況，必要時趕緊更換鑽頭或裝料速率。」

這意味著珍貴原料的報廢率將獲得降低。至於這些原料究竟有多珍貴，Kyle Wood舉例解釋道：「我們有好幾家客戶的生產原料是鍺，若以原料生重（raw weight）計價，要比黃金來得昂貴，因此省下的可是數千美元。」他在強調Q-Span® Workstation可處理精緻零件時也提到：「使用協作型機器人後，客戶如今可避免易碎材料破損，或是銳利邊緣因人工處理而斷裂甚或破碎。有了Q-Span® Workstation，即使批量龐大，工廠仍可在無人情況下生產數千個工件。Q-Span®在一個生產週期中可以完成的工作，作業員要花上6道步驟才大功告成。附帶一提，我們不用再操心人為因素。我們還可以用同一套夾爪測量不同的零件，在不同生產專案中迅速推進。」

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內建安全措施，有利靈活部署

New Scale Robotics之所以在Q-Span® Workstation套件中選用UR3協作型機器人，Quinlivan認為有幾個原因：「UR3的外型規格佳，又提供開放平台，讓我們能夠開發URCap，實現自家系統與機器人之間的軟體交握。」根據她的說法，使用者可直接在UR3e的專屬示教器上為整個應用編程，測量後再由示教器將相關數據直接回傳客戶資料庫。

「你大可自行導入Q-Span®套件，不出幾個小時就能開始測量零件，根本不用另外花錢找系統整合商，浪費大把時間只為了替系統加裝無法移動的機器人。」

Mohring透露，OptiPro System曾與不同的機器人配合過，但他強調：「優傲機器人操作簡單，又適合人機協作，這都有利於它與我們工站的整合。相較於其他機器人選項，我們不必花費大量時間研發技術，或是學習不同的編程演算法。」Mohring接著補充，作為協作型機器人，UR3e可實現人機協作，並融入現有的工作流程。「由於協作型機器人內建安全措施，故具有彈性自動化的優勢，可為企業省下安裝固定式工業機器人的高額成本，更不必加裝傳統機器人常用的導引或雷射預警裝置。此外，Q-Span®系統只靠推車即可穿梭機具之間，既可以是基本的三軸銑床，也能化身六軸同步研磨或拋光平台。它彈性十足，在任何一部機具上都能派上用場。」

預防測量實驗室陷入瓶頸

讓Q-Span® Workstation在研磨機上執行製程量測、區分零件合格與否的做法，亦有助於防止後端的測量實驗室陷入瓶頸。Mohring解釋道：「若能在製程初期的工站上就發現零件超出公差，並阻止它們進到測量實驗室的CMM機，將為客戶省下大筆的費用與時間。」換言之，唯有通過Q-Span®套件製程量測的零件，才能前進CMM機接受完整的尺寸驗證。

Mohring指出：「在光學製造中，工站內往往會安排研磨、拋光以及度量等作業，而且通通都在同一個工站中進行。不用為每部機具都安排一名作業員後，不僅省下可觀成本，更解決了COVID疫情下的駐廠人力短缺問題。這對客戶是一大利多，因為這樣就不用擔心大批員工群聚的問題。」

將Q-Span® Workstation套件加入OptiPro System全套解決方案後，也讓未來的專案有了無限想像。Kyle Wood表示：「如此一來，不論是未來或現有產線，只要是搭配優傲協作型機器人，我們都能信心滿滿地加入創新元素。這樣的發展已越來越不容小覷。」

執掌OptiPro Systems光學製造部門的Kyle Wood坦言：「在接觸New Scale的夾爪前，我從沒想過夾爪能夠同時處理及測量製程中的零件。這套夾爪的測量精度可達2.5微米，表現令人驚豔，相較於過去製程量測中慣用的手動卡尺，精度頂多10微米左右，簡直有過之而無不及。」

OptiPro Systems光學製造部負責人Kyle Wood表示：「不論是我們的機具，或優傲的協作型機器人，只要少了一樣就稱不上完整的解決方案。唯有透過統包式方案同時提供兩者，我們才能真正了解客戶的需求，並超乎對方期望。」

OptiPro Systems測量協調員David Mohring（右）透露，Optipro Systems曾與許多不同的機器人配合過，但他強調：「優傲機器人操作簡單，又適合人機協作，這都有利於它與我們工站的整合。相較於其他機器人選項，我們不必花費大量時間研發技術，或是學習不同的編程演算法。」

Q-Span® Workstation可搭配UR3e協作型機器人，用於產品處理時，意味著客戶可以避免易碎材料破損，以及銳利的邊緣因為人工處理而斷裂甚或破碎。

New Scale Robotics為Q-Span® Workstation套件開發了一套「URCap」，以實現Q-Span®系統與優傲協作型機器人之間的軟體交握。使用者可以直接在UR3e專屬示教器上為整個應用編程，測量後再由示教器將相關數據直接回傳客戶資料庫。

OptiPro Systems度量協調員David Mohring表示：「由於協作型機器人內建安全措施，故具有彈性自動化的優勢，可為企業省下安裝固定式工業機器人的高額成本，更不必加裝傳統機器人常用的導引及雷射預警裝置。此外，Q-Span®系統只靠推車即可穿梭機具之間。」

在對研磨過的零件進行測量後，Q-Span®系統可藉由推車移動至CMM機處，協助已通過初始製程量測的零件接受尺寸驗證。只要在製程初期的工站發現零件超出公差，並阻止它們進到度量實驗室中的CMM機，即可為OptiPro Systems的客戶省下大筆費用與時間。

配備New Scale 夾爪的UR協作型機器人也可直接與CMM機互動，就是當機器人將零件放入CMM機時，順道將零件的測量結果轉傳CMM機。如此一來，CMM機可根據已測得的尺寸，針對不同零件載入特定程式。完成量測後，CMM機將指示協作型機器人區分零件合格與否。上圖為OptiPro取得Q-Span®系統前，如何利用現有的UR5協作型機器人進行功能測試。