全球減碳風 竹製品春去春又回
台灣早期竹子有就地取材之便，家庭生活用品泰半都為竹製，竹蒸籠、竹椅、竹蓆、竹籃、竹筷等。全盛時期，全台有1500家以上竹工廠。其後，竹子被塑膠等材料替代，除竹筷子與竹藝品，生活上少與竹子再有聯結，竹產業也迅速沒落。
晚近全球節能減碳盛行、ESG、SDGs成為顯學，竹製品具有天然友善環境等特性，逐漸重回人們的生活日常。南投元泰竹藝社便以開發竹製產品，以竹牙刷、竹吸管、竹杯、竹碗等為事業核心，其中，元氣竹牙刷更遠近馳名。
新創意守護老產業 惜供不應求
元泰總經理林家宏說，元泰雖取名竹藝社但沒有往藝品方向發展，希望有朝一日能成為竹牙刷百年老店。林家宏說，日本人連一根火柴都可做100年，日本能，元泰也能。於是跨域糾合群力，用新創意守護老產業。
如今，全球奉行低塑生活，潮流既起，元泰竹牙刷迎來一波波好光景。尤其，元泰「在地產業、安心商品、貼心服務」的定位，使業績蒸蒸日上；卻也出現供不應求的「痛點」。
林家宏意識到品質穩定、產能大與降低加工人力成本，對提升競爭力的重要性，也瞭解依靠傳統機械製程緩慢，終將要持續面臨供不應求的問題，深信結合木工加工機開發一部自動化生產竹牙刷柄專用設備才能正本清源。
竹切削問題不少 籌組團隊解痛點
因緣際會，林家宏幾年前找到虎尾科大教授蕭俊卿協助，希望時任虎科切削研究中心主任的蕭俊卿能幫忙開發自動化生產竹牙刷柄的設備機。蕭俊卿指出，當時傳統竹製品商家，在製程上仍習慣用傳統機械設備，一支支進行單一固定靠模、仿型加工，訂單一多，難免就會捉襟見肘。
蕭俊卿不假思索，決定極大化製程設備自動化、極簡人工作業；導入後端智機化人機技術，利用即時監測資料做為建立生產管理與整合製程依據。以解決元泰面臨的痛點。但當蕭俊卿更深入研究竹切削時，橫在眼前的問題不少；但也難不倒他。
要利用竹子做出牙刷外型並不是那麼容易，尤其希望自動化。蕭俊卿解釋，一來竹材不像木材相對穩定，每支竹子的密度或硬度雖大同小異但卻又不盡相同。再來，竹子的纖維是有方向性的，銑削時很容易發生纖維撕裂，特別是在竹牙刷柄的內凹圓弧處。三來，更何況竹子有竹節，經常發生竹材加工過熱、焦黑與外型對位不準確造成的斷接問題，這些都會影響製作品質的穩定性與產量不足。
自動化發威 竹牙刷柄15秒1件
瞭解這些複雜問題以後，蕭俊卿找到有五十年以上木工加工機製造經驗的國安總經理李文智與林家宏三人組成團隊，投入開發具人機監測生產管理功能的自動化竹牙刷柄製程設備。在團隊努力下，最終完成的設備最高產能每15秒完成1件；全天可以自動化生產1500支的竹牙刷柄，較原先人工生產提升3倍且廢料少、良率更高。
負責整合研究規劃的蕭俊卿，把整個設備主幹分成機構系統設備、電器系統裝置與程式系統通訊三部分。在機構系統設計上，包括自動進料、送料夾爪、交換夾持、雙主軸龍門4大系統與防塵外罩。
電氣系統裝置包括電控與氣壓兩類裝備，採用新代控制器進行二軸加工製程控制。在製程設備運作過程則導入人機生產資料記錄，並由圖形化程式語言LabVIEW撰寫通訊程式與人機監測介面系統，透過RS-485通訊介面來連接電腦硬體與控制器間的訊號傳輸，藉Modbus RTU通訊協定來讓硬體間進行溝通。
智慧機械人機監控 大數據蒐集
蕭俊卿說，因為人機介面可即時顯示設備生產狀況，透過行動通訊遠端查看設備運作，由程式匯出電流值記錄，判斷材料加工品質好壞與統計產量的儲存檔案。如此，就能化痛點為高效率、高品質、高產能的「三高」優化製程。
其中，切削路徑利用新代CNC控制器，取代原本傳統人工用靠模加工方式，讓銑刀精準對位並分兩側銑削外型，透過兩排相互平行螺桿滑軌組上的夾爪機構，分別交換夾持來完成作動，同時，考量竹材會有纖維撕裂與因過熱產生焦黑，搭配兩組主軸銑刀分批做兩次銑削完成所有製程。
監控系統設計是在這部自我調適加工機上，再設計開發出監控人機介面系統，不僅即時監控生產品質也做到生產管理；設備經自我學習，過程中蒐集建立監測主軸電流數值變化的資料庫。由於電流數值會依切削加工的路徑、力道、切削量等因素改變，可以判斷造成竹材纖維撕裂、劈裂、過熱焦黑等因素。
團隊發現正常切削時電流值平均範圍在5-6A間，在此範圍加工產出的竹牙刷柄良率高、品質最佳；7-10A間急遽變化，在此範圍內加工可能造成竹柄纖維撕裂或加速刀刃磨耗，縮短刀具使用壽命等。
邁向綠色生活 產學合作締亮點
蕭俊卿說，這項產學合作最大亮點是取得共創共好的成果。竹材雖為環保材料，但纖維撕裂、過熱焦黑都會成為加工製造過程的阻礙，透過智慧機械、人機監控、大數據蒐集，進行切削路徑、參數、磨耗的預測與調教，可以大幅降低竹生產上的困難，同時還能大量普及化。
智慧機械使用自動送料系統，只需定時補充竹牙刷原料即可自動生產，大幅降低人力成本，未來更能成為新產品設計製造依據，只要透過修改產品平面設計圖尺寸，調整模擬加工的切削路徑參數，就能加工各種不同尺寸的竹牙刷柄，研發出更多特色產品。蕭俊卿強調，當大步邁向綠色生活，自動化助力我們離理想更近！
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