智慧工廠是工業4.0中重要的一環。（圖／Lenny Kuhne，Unsplash）

機械工程乍聽之下離我們很遙遠，腦中浮現的印象不是巨大且轟隆作響的忙碌工廠，就是充滿精密動作的高科技機器人實驗室。但其實機械與人的關係相當悠久也很密切，從5000年前第一個輪子發明，到現在生活周遭幾乎所有非生物物體都是機械或由機械生產的製品。

現代機械製造追求效率，近年隨著資訊科技的快速發展，嘗試把網路、物聯網與巨量資料的處理和機械製造結合以增進機械控制的能力，便能打造新的智慧工廠，臺灣大學機械工程學系終身特聘教授顏家鈺說「這也是工業4.0的其中一項目標。」

精密的機械製造需要工具機平台，平台的動作則必須精準且迅速，因此平台的控制系統是研究人員與各家廠商研發的重點。不過顏家鈺提到：「精密和速度其實是互相矛盾的概念。」要怎麼才能在這兩項要求之間取得平衡，達到最大效益？

挑戰速度與精準度的極限

首先，平台若要運動得夠快，負載量絕對不大，耐力板（PC板）的製作便是最常見的應用。當製作產品的面積越來越小，例如要放在手機裡的，鑽孔的大小甚至和一根頭髮的粗細相同僅約50微米，再加上孔洞類型繁多，盲孔、穿孔各異，深度也不同，要鑽的數目也相當多，這因此成為研發人員的挑戰。

還有一項困難，這類工具機平台多為二維，通常一軸會帶著另一軸一起運動，因此設計時特別著重各軸的阻抗匹配。目前產業界所能達到最快的速度大約每分鐘60公尺，定位精度約25奈米。

顏家鈺的實驗室目前採取的方式是運用四個線性馬達驅動二維平台，但由於他的設計沒有導軌，該如何讓平台的運動和具有導軌的設計一樣好？顏家鈺嘗試使四個馬達各自獨立控制，讓平台動起來就像有導軌一般。問題是，若彼此運動有些微差異，機器會互相補償，因而造成震動，便無法達到精準定位的要求。

智慧機械工程下一站——虛實整合

目前，藉由蒐集並處理巨量資料，可以幫助這類平台的運動在控制上更精確。因此，研究人員必須考慮工業控制器的內部結構，提供與結構相關的參數，並運用巨量資料技術進行分析，使這些參數達到最佳化，研究人員便能增加控制的自由度。

然而，現在學界設計出的結構與工業控制器的結構並不一致，顏家鈺嘗試發展出一種邏輯，使研究人員希望達到的最佳化設計與工業控制器的結構相同，這樣一來，計算出的參數便能直接應用在工業控制器上，平台便能達到希望的精度與速度。