機械資訊 732期
翻譯/林意珊 大阪臺灣機械服務中心
作者/伊東 誼*ITO，YOSHIMI/東京工業大學 名譽教授
 
1.前言
 
工業4.0其中所提倡的和智慧型工廠有關的評論，前景以及話題等，在日本和其他國家都非常多。那些是「創造人類社會所需要的東西的本質」，也就是說，專門從事所謂生產系統硬體的技術人員是很少見的，大多幾乎都是依賴於文科，管理工程或者電腦和資訊通訊的專業人員。因此，雖然一般的人被認為有助於理解「商品製造的程序」，但也有一個很大的問題。例如，文科的人難以“確實理解生產技術和生產系統”的態度來評論及解說，而誤導了年輕的技術者。順道一提，若是技術者以這樣的態度來評論或解說的話，這是「違背常理」的，也與「技術者的倫理」相牴觸，例如在英國即便是有英國技術者資格「Chartered Engineer」也會立刻被剝奪其資格。
 
因此，關於從「生產技術者的觀點」來看工業4.0以及智慧型工廠的報導，本雜誌刊登了兩回，先端加工技術振興協會的會刊中也刊登了相關報導。但是，那些只著重於生產技術的硬體面，停留在廣泛及淺見的內容，完全沒有觸及到提供這些觀點和意見的基礎調查結果和考慮之細節。
 
但是，看國內外的情勢，基於「生產技術或系統的本質」的詳細討論，似乎已經到了必須向相關年輕技術者說明的階段。也就是說，下列四點是不能忽視的問題點。
 
(1) 目前在「商品製造領域」中活躍的生產系統，例如像是在不觸及柔性生產的現狀和未來趨勢動向的情況下，智慧型工廠具有創新性，聲稱他們將立即轉換到這個工廠概念。也就是說，在世界各地所流傳的資訊，徹底放棄到目前為止所累積的技術資產與人力資源，並轉變為新的工廠概念是不切實際的想法。至少應該討論現有生產系統分流的可能性。 
 
(2) 作為一個生產技術者，「從大量生產為主流的現狀，移轉到個人需求皆可對應的大規模客製化」這種「舊式」的解釋方式，對於文科的人來說，這是一條金科玉律。雖然說大規模客製化作為一個技術用語來說是非常奇怪的表現，但是「以與大規模生產相媲美的價格提供能夠滿足個人需求的產品」是可以被接受的解釋方式。然而，那樣的生產體制是「變種變量生產」，或是所謂的「對應客戶訂單數量生產」，在1990年代中期，文科的人並不了解這個已經被實用化的事情。
 
(3) 雖然上面所說的滿足個人需求的產品或自主產品、被提出作為智慧型產品的概念，但關於其尺寸，功能和性能的技術設計規範尚不明確。
 
(4) 由於生產系統只是「賺錢」的大前提，特別像是系統佈局設計等的硬體難以作為學術研究的對象」。那只不過是被當作與生產系統的經濟性評價相關的學術研究，像是系統模組化設計的經濟性評價的初步階段而已。相對於此，例如儘管可以做為生產管理模擬器的研究是蓬勃發展的反證，但是包括駕駛員在內的數學模型的建構常常偏離實際的系統形式。
 
也就是說，因為生產系統是企業主體的技術，「賺錢」是系統建構的大前提，結果，各種各樣的系統將在生產需求上運行。換句話說，智慧型工廠是萬能的說法將不會成立。
 
話說回來，眾所皆知的是「生產系統」是由「設計與製造過程」所組成的，製造過程主要是由「加工、組裝以及檢查工程」所構成的之外，還包含各工程中的硬體及軟體。另外，也包含了與企業經營與生產管理相關的事情，其範圍非常廣。因此，本節將重點放在機械加工上，並介紹柔性加工系統(FMS：Flexible Machining System)的現狀和不久的將來趨勢。接下來，將探討如何活用基於這些設施的現有設施的角度來討論FMS轉移到智慧型工廠的可能性。
 
2.加工系統的全體面貌
 
產品是零件的集合體，許多零件通常是通過機械加工來完成的，但是人類社會所需要的產品是多樣化的，這取決於社會周圍的技術，經濟和社會環境。因此，如同圖1所示，各式各樣的機械加工系統(之後以加工系統簡稱)從工業先進國家到發展中國家，根據環境狀況來被使用。智慧型工廠的場合中，雖然對努力想進入工業先進國家中國和印度產生了興趣，但對象卻還是德國、美國、日本等這些工業發達的國家。因此，圖1中的FMS以及敏捷的生產方法是討論的對象，這裡需要留意的是，即使我們討論作為FMS一種形式的柔性輸送線(FTL：Flexible Transfer Line)，也必須知道還有其他不同的擴展形式。
 
眾所皆知，FTL是從傳輸生產線(TL：Transfer Line，加工站是由一個傳統的專用工具機組成)所開發而來的，作為一種零組件加工系統，TL在1950年代時被實際使用，能夠經濟並快速地適應乘用車的車型變化。當時的汽車零件加工是典型的少樣多量生產，但在那之後的汽車生產的型態變化，也就是說，隨著中檔生產轉向現代多樣多量生產的過程，FTL已在2010年進一步發展成為傳輸中心。
 
TL被用於馬達發動機和工業用縫紉機的零件加工，而且由於社會的加工要求多樣化的影響，從TL發展到傳輸中心之間，由於已經開發出來幾個擴展形式，所以將這種開發過程與每種擴展類型被實際使用的年代一起統整在圖2中。在這裡，如圖2所示，1970年代實際使用的數控生產線(加工處理站由NC專用機組成)，此外，應該注意的是，1980年代實際使用以線型MC為核心的FTL等也在2010年被使用運作。當然，隨著相關技術的進步，必要的現代化正在進行。
 
加工系統的功能與性能，是衡量設置那些機器的企業其競爭力的一個指標，系統製造商通常不會透漏其交貨對象。但是，現階段豐和工業及美國的IPS公司(Ingersoll Production Systems)等仍然生產出如圖3所示的現代化NC數控傳輸生產線。這如果要在經濟上應付以往的少樣多量規模生產的話，其靈活性將受到限制，因此果然還是TL比FTL更合適。
 
另外，豐和工業生產油路控制閥體和變速箱等的FTL。有意思的是IPS公司也正在研究變速箱，煞車零件，閥體等加工用汽車零件，同時開發最先進的敏捷加工單元和系統。
 
像這樣，由於社會的加工需求的多樣性，各種形式的加工系統是必要且不可或缺。但是儘管如此，(1)智慧型工廠是萬能的，(2)可以立即替代目前正在使用的加工系統。這兩個工廠概念是不被接受的。
 
3.柔性加工系統的現狀
 
那麼，我們來看看包括柔性加工系統在內的FMS之現狀。眾所周知，加工系統的形態是「加工處理模式」，也就是從「一個零件的生產(One-off Production」、「極多樣極少量生產(A Kind of Production)」、「多樣少量生產」、「中樣中量生產」、以及「少樣多量生產」演變而來。另外，根據加工要求，也有其他像是「變量生產」和「與客戶訂單量相對應的生產」。
 
那麼，FMS可以對應多少如上述所說的各樣加工處理模式呢？Klahorst在1985年左右，以由零件的批量大小和「可以處理的零件數量」所表示的系統柔軟性(Flexibility)為指標，提出了如圖4所示的分類指南。由於其有效性被廣泛接受(在圖中用雙點劃線表示並被括弧起來)，因此在2010年代，上述處理模式和與其對應的FMS另外在圖4中追記。順帶一提，Klahorst的分類之後，FMS已經發展成為柔性加工單元(FMC：Flexible Machining Cell)，大規模FMC，FTL和FMC集成型FMS和FTL。
 
雖然是眾所皆知的事，在這裡還是來簡單介紹一下FMC和FMC集成類型。
 
(1) 柔性製造系統FMS
 
  作為大大改變「產品製造結構」的FMS成為話題，並在1980年代以大企業為中心蓬勃地進行。當然，要提升一個國家的生產能力，也必須將FMS引進支撐大企業的中小企業，但卻有著資金面的困難。因此，FMC被認為是一種解決方案。簡單來說，FMC具有規模小，結構緊湊和經濟的系統配置，具有與FMS接近的加工處理機能和能力。因此，與FMS有著相同的(1)加工，(2)運輸，(3)倉庫，(4)維護 ● 保全，以及(5)管理 ● 控制這五項基本功能。
 
  通常，加工處理要求大致分為所謂的“圓形物體”和“角形物體”零件。因此，從與其相應的基本機能中所看到的特點來看，FMC有(1)托盤系統和(2)機器人系統兩種方式，圖5和圖6中分別表示出了其代表例子。從這些圖中可以看出個別的特徵。托盤系統的加工機能是加工中心機(MC：Machining Center)，工件的倉庫是托盤，另一方面，機器人系統的加工機能是NC車床，或者是車削中心機(TC：Turning Center)，運輸功能則是機器人。
 
  然而，單元控制裝置的功能有時會觸及客戶的商業秘密，並且難以獲得足夠的信息。一般來說，(1)加工程序和數控程序，(2)工具管理和工具編排，(3)單元組件的全體和構成要素的運作狀態，(4)成品的加工實績和品質相關的資訊處理等，為了區別於其他公司，圖5中的「動態加工調度」為其中的一個獨特機能。
 
  順帶一提，這兩個代表性的FMC，現在被推廣到可以被稱為「標準形」，而且，為了應對加工要求的多樣化，與圖7所示的擴展型一起廣泛使用。此外，目前技術發展的重點是將「高度機能集成型工具機」作為一個加工處理機能，並瞄準FMC的高度化。
 
  這裡需要注意的是，圖4所示的分類只是一個參考，從實際角度來看，FMC只能處理「極多品種極少量生產」，雖然實際的例子會在後面描述，但對「單一零件生產」的對應卻非常困難。由於智慧型工廠也可以被解釋為「單一零件生產FMC」的形態，同時考慮到大型企業到一般中小工廠實際使用FMC的實際情況，應該也可以理解成「從智慧型工廠的大規模生產轉變成對應個人需求的單一零件生產」，是一種「不了解生產系統本質的紙上談兵」這種文科人員的陳腔濫調。
 
(2) 柔性製造單元FMC集成型
 
  FMC、FMS、以及ETL的系統編排設計的最大特點是採用了「模組化結構」，為系統提供了「柔軟性」，「擴展性」和「冗長性」。在FMC集成型中，FMC是字面上的基本模組，它們的組合構成了FMS，FTL等大型系統。
 
  在圖8中，以雙系統FMC為例子所示，隨著訂單的增加，可以增設FMC以確保其「擴張性」，而且，可以理解的是，即使一個FMC由於故障而停止，其他的FMC可以繼續加工的「持續性」。一般來說，除了將標準型FMC組合在一起，也可以根據加工要求，組合了專門針對特定加工方法的「專用型FMC」。因此，將在圖9中表示FMC進行齒輪加工狀況。
 
  從以上的說明可以得知，即使我們用一個詞來稱之為「多品種小批量生產」，但如果我們對加工處理要求做出適當的對應，所要實現的加工處理系統就成為了單一操作系統，雙系統FMC，或者是大規模的FMC。簡而言之，適當的系統設計原則就是要把「加工對象零組件」，「加工形式」和「系統編排設計」作為一連串環節來思考，並進一步地考慮其經濟效益和有必要加入與其相關的資訊處理功能。其結果，即使是相同的「加工對象零組件」也可能會具有不同的FMS。
 
  順帶一提，目前的少樣多量生產，除非是非常特殊的情況之外，人類社會的所有加工要求都可以透過FMC，FMS和FTL來處理。而作為不久的將來，FMC將成為主角，FMS和FYL將以FMC一體化的形式出現。
 
4.將FMS轉換為智慧型工廠的可能性
 
眾所周知，智慧型工廠在「單一零件生產」的情況下，以「極多品種極少量生產」為對象，由「雲端運算」、「資訊通訊網路」、和「CPS模組」所組成的，而CPS模組則對應於加工處理單元。因此，從圖4中可以看出，我們應該討論轉移到FMC(核心是5軸控制車銑加工或高度機能集成型)或FMC可以容納小批量區域的CPS模組的可能性。
 
在這方面有趣的是，如同後面所述的那樣，能夠對應「單一零件生產」的FMC被實際使用，並且Starrag Group集團公司正在開發能夠對應「單一零件生產」到少樣多量生產的FMS產品。該FMS是以FMC或MC為基本模組，根據客戶的指令，並著重在系統的可擴展性上所設計而成。順帶一提，Starrag Group是全球三大國際規模的企業集團之一。
 
一般來說，即使在單一操作模式的FMC也很難對應「單一零件生產」，要實現的話則需要有精密的單元設計以及利用技術。因此，FMC集成的FMS能夠處理「單一零件生產」，展現了Starrag Group的高水準的技術能力，同時也展現了單元設計技術已經進展到很高的程度，是否是企業秘密的高牆，也有必要從學術方面進行研究。
 
另一方面，國內外工具機製造商正在開發基於NC數控裝置的智慧型工廠控制裝置，並已有多個實例報導。但是，他們並不完全了解FMC，與德國提出的智慧型工廠概念，即「單一零件生產的自動化加工單元」相距甚遠。其中一個原因就是CPS模組的編排設計沒有明確的描述，但還有一個很大的主因是，也缺乏如何利用目前運作中的「產品製造結構」的觀點。
 
此外，目前已經大概介紹了將FMC轉移到CPS模組的可能性的概要，以及討論CPS模組所被期望的結果，因此，將在這裡進一步介紹所需要思考的事項。
 
總而言之，首先從圖10所示的以“加工機能集成型”為核心的FMC開始，將「系統機能小型化以及立方體化」(擬One-machine Shop)來實際使用，同時如果能昇華成像「One-machine Shop」這樣，那麼它將成為一個理想的CPS模組。
 
(1) 目前，將個別投入實際應用的「加工機能集成型」和「系統機能集成型」一體化為核心的柔性加工單元。以別的表現來說，可以被看作是一台機器的「小型FMC」，例如，試圖讓加工機能進一步地多樣化處理並有自主功能的傳輸中心標準化。
 
(2) 上述的單元控制裝置與資訊通信網路有良好的連接性，並可與雲端運算分擔進行適當的資訊處理。
 
(3) 在硬體和軟體方面都具有「自主性」，體積小巧，適合廣域分佈配置。
 
(4) 如果可能的話，在構築基本形態之後，發展成適應世界各國環境，也就是所謂的風土文化適應形式，並結合他們編排設計的指導方針。
 
為了可以很容易地理解，這樣的CPS模組的開發雖然困難，把一個已經具有集成系統功能的傳輸中心作為「單一零件生產」作為例子，就有可能解決這個問題。也就是說，到目前為止可以參考：(1)利用運用軟體將多樣少量生產的FMC用於少樣多量生產的例子(Fritz Werner公司)、或是(2)改良了中樣中量生產用的傳統型多軸自動盤的利用技術並轉化成多樣少量生產並得到了結果的例子(Schutte社)。此外，傳輸中心有頭部交換，還有遵循TL的三種基本形式的幾種擴展形式。在這些之中，如圖11所示的以日常所熟稔的MC轉作為加工處理站的「翼(Way)型旋轉分度同步型TL」為原型的傳輸中心，來作為一個例子將容易處理。
 
順便提及，圖11在瑞士的Icon公司被稱作「多站MC (Icon 6-250型)」，具體來說就是四台線型MC對應於四個加工處理站，可以在工件上同時執行五面加工。此外，可以快速更換的模組化構成加工站，最多可以設計擴展到8個三軸控制加工單元(水平和垂直配置各4個)。
 
5.CPS模組控制裝置與單元控制裝置的比較
 
以上可以看出，在加工處理系統的CPS模組中，當前所要討論的課題不是關於編排設計的硬體面，而是通過摸索進行各種嘗試的控制裝置的功能。對此，雖然不盡完善，但已經對適用CPS模組的高度化NC進行了調查研究，NC設備中除了一般使用的「機器狀態監視」、「生產管理數據的顯示」、「遠端諮詢服務」、「根據零件圖資訊的NC程序創建和加工模擬」等，也發現了一個具備如以下所示的有趣功能的例子。 
 
(1) CAD/CAM和CNC之間以虛擬機器連接，優化加工過程，並實現「無紙化生產」。
 
(2) FMC處理由電腦整合製造(CIM：Computer-Integrated Manufacturing)來控制和管理的作業計劃和工程安排等資訊。
 
(3) 使用「手持顯示器」向作業人員進行階段性的作業指示，及可於夜間詢問作業人員的功能。
 
與此相反，FMC對於製造商來說是一種「易於脫手和產生利潤的產品」，因此「自我整合性」高。也就是說，換句話說，對於單元控制裝置和主電腦之間的連通性的關心往往是微不足道的，另一方面來說，如上面所述，單元控制裝置的功能與其他公司的區別很重要，並且也下了許多工夫。
 
然而，正如已經提到過的，FMC雖然可以對應「極多品種極少量生產」，但是要對應「單一零件生產」是非常困難的。因此，如果它被當作CPS模組的控制裝置來使用的話，則有必要掌握之前介紹用於「單一零件生產」的FMC之當前狀態。例如，Sandvik Coromant公司於2016年在Gimo工廠安裝用於鏜床的棒材加工之FMC(由Okuma製造)標榜「On-demand Manufacturing(按照需求製造)」，除了對應「單一零件生產」這個劃時代的特徵之外，也強調刀具交換速度，和刀具編排設計的靈活性以及筒夾的更換功能的單元設計。
 
這個FMC雖然與圖6所示的FMC同樣的被稱為機器人的中央配置方式的標準單元編排設計，但卻是以集成處理功能的第1階段，也就是「車銑加工(Multus U3000型)」為中心。另外，單元控制裝置具有表1所示的結構。特別是，能夠進行「從工件的三次元模型製作機器人控製程序和NC程序」，這與CPS模組的控制裝置的功能相似。然而，除了上述之外，它還具有以下有趣的功能和性能。
 
FMC單元裝置概要
 
(1) 可使用的鏜床棒材加工種類：700種以上
(2) Patch size：1~200
(3) 具備由機器人，從下部車床刀架更換工件功能
 
如上所述，考慮到智慧型工廠的數控裝置和FMC單元控制裝置的精細化已經分開進行，目前還沒有建立起系統的技術開發體系。而且在CPS模組的控制裝置中，與雲端運算之間的資訊處理的角色分別雖然是必要的，但也可以說並無針對此部分進行檢討。在這種情況下，值得注意的是，FMC「單一零件生產」已經進行實用化。
 
雖然上面提到的是筆者個人觀點和主張的論點，幸運的是，在德國聯邦政府，經濟能源部(Bundesministerium fur Wirtschaft und Energie)和教育研究部(Bundesministerium fur Bildung und Forschung)所運用的2017版「PLATTFORM INDUSTRIE 4.0」中，報導了「單一零件生產」用的FMC智慧型工廠化的成功範例(以Effektive Metallteilebearbeitung fur Losgrobe 1 題目公開於WEB上)。在這裡所需要強調的是，中小型企業的3D-Schilling公司(員工數250名以下，三次元形狀試加工)，主要是在軟體方面進行以下努力。但是，由於還沒有觸及到任何自主性，似乎還沒有達到原來的智慧型工廠概念。
 
(1) 透過短距離無線通信的訊息傳遞RFID(Radio Frequency Identifier)識別工件和工具。
 
(2) 測量成品零件全部的品質、記錄，有效使用數據資料等。
 
最後，首先先整理出資訊處理的問題點並討論這些解決方案，以一定的工業園區內分佈的一組CPS模組為例，如以下所示想定幾個存在的問題點。
 
(1) 如果我們用雲端運算來進行製造實行系統(MES：Manufacturing Execution System)或企業資源規劃(ERP：Enterprise Resources Planning)的話，我們將在CPS模組中收集必要的數據，但數據處理和使用之間會有所不同。例如，如果是與MES有關的單元操作狀態的資訊，可以以單元控制設備的級別處理。另一方面，加工實績和成品品質的相關資訊則應該由雲端運算中的ERP來處理。
 
(2) 目前正在實際使用的智慧型工廠中，所處理的產品往往是特定的，因此，雲端運算主要為ERP和MES。然而，由於CIM主要是以產品設計/製造技術、生產管理、以及企業管理三大資訊處理為主幹，雲端運算也應該重視產品設計及製造技術資訊處理。例如，在零件製圖過程中，要考慮可能使用到的工具機、加工技術、切削磨削工具等，將零件圖分佈到廣泛分散的CPS模組需要考慮到其記載資訊並於雲端運算中進行。
 
(3) 若是處於提出零件圖的階段，CPS模組之間的自主調整，也就是，透過競賣的方式來決定進行加工處理的CPS模組，使用該單元控制裝置來創建NC程序並進行模擬加工。然而，包含承包商以及交期與允許成本的加工要求處理中，雲端運算裡每個CPS模組競賣的調整將是必要的。
 
6.結語
 
曾經有討論過以「FMS的轉移可能性」作為充分利用現有生產設施來應對智慧型工廠的一種輔助手段，與之相關的術語問題也曾經提及過。在工業4.0中，使用了雲端運算、霧計算和邊緣這兩個術語。
 
這樣的術語，例如像是「作為一個整體的國家，以節能減排為目標，使汽車之間進行自主對話的全面性交通控制系統。」是不會引起混淆的。但是，在FMS中，因存在著以前累積至今的舊有技術，術語及其定義已經確立，上述的用語並不令人熟悉。因此，在討論將FMS轉移到智慧型工廠的可能性時，必須記住圖12所示的用語差異。
 
簡單來說，如果沒有正確地去理解智慧型工廠與FMS相關技術的內容的話，將會成為一個空談的討論而已。因此，在討論FMS的轉移可能性之前，有可能會產生混淆，所以專注於雲端運算和資訊通訊的人們應該留意這部分。順便說一下，是否有效地處理並利用雲端運算或霧運算所獲得的大數據是一個大問題。然而，這與在圖中另外說明的「柔軟性電腦統合生產體制(FCIMS)」中的CIM和單元控制裝置之間的資訊處理共享的舊研究課題相同。