不談理論的類工業4.0-從人力到非人力，從管理到不管理的工廠

勞力自働化
工廠要增加產值，增加設備就可達到目的。但，人員也因必須要等比例的增加，所以人均產值不會有改變。相對地，當景氣下降，人力的安排就成了企業最大的負擔。最大的解方就是自動化，而其中最關鍵的道具是工業機器手臂(ROBOT)。
近年的ROBOT因價格下降，且視覺判斷、力覺判斷等的技術因人工智能(AI)的成熟漸被確立而成了顯學，也讓人更願意投入ROBOT，提昇工廠內ROBOT與人的比例。導入時要考慮的點雖然很多，只要有決心去投入一次後，就會像中毒般地一直想方法如何去依賴。
省力化的ROBOT
『人』是最強的自動化工具，因此一味地要用ROBOT去取代人而做自動化時，會遇到很大的痛苦。拿人來比較一下，ROBOT只是人的一支手臂，因此要先從省力為出發點，功能上大致分為搬運、加工、組裝的三大項。
1. 搬運
ROBOT被使用的最大目的，也最不會發生爭議的應用就是搬運移載。因最不起眼而看似沒必要，.是耗費最大量的工作。
在工廠內最一般的需求就是拿取素材、工件製品的「機台設備的上下料」與「工站間的移載」。
2. 加工
使用ROBOT實施拋光、去毛邊、清洗、焊接、塗裝、雷射等等加工很常見。
在配置上有ROBOT抓取工件或抓取工具的2個相對性的思維。前者就是取代人；後者雖需要增加工件的夾持配置，不過對於增加工具配置的擴充性反而會比較容易。

圖1   去毛邊加工的路徑程式轉換

圖2   力覺感測器的應用

不容易的是加工路徑的生成。除了必須要有CAM的路徑程式轉換外，尤其在愈到加工後段的拋光，要判定路徑的正確與否，力覺(force sensor)反饋應用的好壞，也決定了製品的良否。
3. 組裝
要拿一個零件與另一個零件做組合，因為有配合公差，組裝力的感覺很重要。而ROBOT是個無感官的工具，所以就像盲人一樣地在摸黑工作。
要看得到就要靠視覺，要知道組裝時的阻力時靠力覺調整使力方向。這2種應用屬ROBOT智能化的高階應用功能，困難度增加，要導入到要進入到量產耗時，搞不好案件結束了還無法上線，因此製品供應壽命沒個幾年，一般還是先找搬運的主題來做。

圖3   機器人視覺

ROBOT自動化三要素
把人換成ROBOT的想法是相當直覺地反應。實際上當人的作業同時被要求有許多功能時，ROBOT作業反而無法達到人力作業時的效率。因此要能快速且成功地進入生產，以下三個要素要互相地檢視並調整規劃。動一髮牽全局，只要一個要素有變動，就必須反覆檢視其他要素是否合乎原定的要求。

圖4    模擬軟體規劃動作路徑，評估Cycle Time、空間布置

1. 時間
人是萬能的。有必要手腦加五感併用的工作時，ROBOT不一定跟得上人做的速度。不接受效率比人差時，就要考慮增加設備補足產能或改變製程。
在系統規劃時，為了提昇ROBOT的稼動率，讓ROBOT忙碌的工作，反而使製程設備停機時間變長，產能下降。因此各設備間工程時間(cycle time)的規劃必定要事先地模擬。
2. 空間
以ROBOT為中心來看，工件如何進入到ROBOT作業範圍的「進料」，及如何離開的「出料」的整體物流會佔用不少空間。
一般常看到的有用料盤、震動盤或卡匣的「定位式」，用輸送帶的「流動式」，及直接放在料欄的「散堆式」。方式的不同，ROBOT所被要求的視覺功能又大不相同。
以1支手臂對應多工位，可減少物流空間。但平衡各工位的加工時間，又是另一個要規劃的大事。
ROBOT不長眼，動作無法預測，撞了過來又受驚、又受傷可得不償失。因此設置安全圍籬的安全空間是被規定的。
3. 夾爪
抓取的物件的不同，設計與規劃也會有很大的差異。又要防止作業時的干涉，也要考慮時間與可搬重量。當為了夾持多種類的物件或多功能使用時，常可看到像瑞士刀一樣好幾支夾爪或工具都在手上，而ATC(Auto Tool Changer)是在少量多樣變化的一種選項。

導入ROBOT自動化要改變的不是只有人而已

圖5   夾爪配置

圖6   工件夾持治具

無人駕駛的捷運不怕嗎？因把人省掉，製程中發生問題時的監視消失而造成設備的損傷，或生產出大量不良品造成的損失更大。因此，為了判斷並排除可能發生的問題，增加設備或輔助道具而增加的成本是必然的。
1. 工件夾持治具的自動化
人工鎖附的治夾具會中斷自動化的實施。因此要改造成可接受信號的空油壓或電力驅動的自動夾治具。另外，『零點治具』是最容易導入自動化的道具之一，它不僅改變了治具的設計，也同時可以改善下述的所有問題。
2. 排屑處理
可分為加工中與素材工件置放前的2個部份。
(1) 加工中排屑：加工時產生的切屑在加工完後取件前要完全排除才可減少停機的時間。大流量切削液沖刷的設備規劃變成必須的。其有利於建構包含刀具及治具週圍的複數型的導流管，方便加工結束前清除切屑。
(2) 素材工件置放前清除治具座：以壓縮空氣排除異物以確保定位的精確性。
3. 加工完後工件的清潔
工件停留在線上太久，造成加工完後沒清除油漬造成後續清洗的困難，或擔心氧化要先浸漬油脂時，可在設備外另設置一清洗站做工件的清潔。如此，也可同時減少製程設備的停機時間及減少後段作業。
4. 自動檢測
加工完後人員當會有目視檢或尺寸檢的需求。被要求全數檢時，線邊的檢查站變得日益地重要。除了OK、NG外，數值的自動傳輸功能也會變成新潮流。
5. 作業員的工作
因減少了上下料、清潔排列、線邊檢測的工作，而多餘出來的時間可再去尋找應該是人要做的工作。
ROBOT自動化導入的過程是艱難的，不僅要花腦力，花時間，而花錢後是否有回饋是遲遲無法下決心的非常主要的因素。工具機加工上下料其實是在一個干擾相當大的情境，要做這上下料自動化系統要花很大的精神去排除切屑、切削液、油霧等干擾事項。因此有想要做時建議先繳個學費從簡單的不受環境干擾的移載搬運工作下手。了解了ROBOT的個性後，再深入去挑戰困難的應用。

■數字視覺化
要在螢幕上可以看到的「視覺化」做為主題之前，我們先回想一下現有的工廠又是什麼樣態？
「生產的流程圖」、「被加工件的圖面」及「品保量測數據」都在現場，早就被「視覺化」了。因此將這些既有的紙張去紙化變成螢幕表現一事，可先滿足大多數的工廠管理。如此的話，我們就只要從「基礎建構」與「生產管理」2部份來探討，比較容易可以上線。

基礎建構(Infrastructure)
1. 數位化
在視覺化的過程中，第一個工作要件是資訊數位化。無論是圖面或者是加工資訊、量測數據等等，只要數位化後，不僅可方便於在看板螢幕做確認，達到無紙化的環保議題；也易於後續整理，加工數據後做成報表；而資料的儲存，有利於對加工過程的追蹤(Traceability)。
2. 連網化
就像城市要有網路一樣的基礎建設，在工廠內必須要將所有想看到的設備（含加工設備、量測設備、其他輔助周邊…）、設備自有的數據收集伺服器、看板等全部連線成網。而連網不是只要一條網路線由設備連到伺服器就好而已。也要準備好各設備對於連網後資料傳送用的軟體或其他的工具。
3. 系統整合
以上所謂的「數位化」及「連網化」也只不過將資料倒入到伺服器裏。在上面各別的流程中，我們想餵什麼樣的資料給伺服器，又想要從伺服器得到什麼資訊，也就是自己要什麼東西的這件事。由於這是生產的價值所在，將必須由自己來決定。明確地分析出我們自己的想要的，再來找軟體人員協助我們做「系統整合」。

生產管理的需求
"我想要看的東西是什麼？"。
單純就從生產管理中的內容，人、機、料、法、環的5大要素來分別單獨分析吧！
1. 人
出勤、誰在哪個地方，操作了哪些設備，做了哪些作業，做了多少個？等等基本的情報。數據的收集，有助於延伸了解不同班表人員的生產差異。進而了解人員是否有技能問題或其他的暇疵。
2. 機
稼動情形、生產之數量、保養時機的安排，為何產生不良品的檢討，機械選型對嗎？操作方法對嗎？機器放的環境對嗎？保養方法對嗎？從不良品來得到Cp(製程精密度)及Cpk(製程能力)，漸漸地就會判斷出安定性好的設備才是王道。
在製造過程中被要求不得有不良品的時代裡，全數檢查成了趨勢，因此搭配自動化做線上的自動檢測，數據自動送往系統的需求也會是個項目。
3. 料
原料、零件、入場檢驗、半加工品之庫存，完成工件的儲存。這些也有可能搭配著廠內現有的ERP系統來做整合。

圖7   工廠可視化的實施

4. 法
作業流程指示書，重點部位標出，直接表示在螢幕上可不用擔心紙本髒污、損毀，作業流程一目了然。也可依步驟指導不用依靠人的記憶，做完一個動作，就在螢幕上做一次檢查，可防止人員的錯誤作業，是最好的防呆法。
5. 環
廠內的各種sensor以監視與監測，生產過程中針對生產條件所需溫度、濕度、溶液的濃度、潔淨度等等的監視。
在最終的整合當中，也會遇見有些設備已有數據收集器或ERP等伺服器。要將不同的系統連入一起做整合，障礙會比較大。建議分段進行，階段性地成功帶來的自信才容易往下前進。因為這工作將會是個長期的抗戰。

SUMMARY
生產型態決定了工廠的規模。「大量標準」需要的是管理，「少量多樣」需求的是技術，將這2種生產型態與「勞力自働化」、「數字視覺化」的2個主題連結觀察一些案例發現，每個工廠要的雖然不盡相同，但都希望得到一個「去人化」的目標。
導入了ROBOT將工廠從人力到非人力，導入了機聯網工廠從管理到不管理，要不靠人力，又可高品質的生產，以上述的2個主題是可以接近一小步。
最後，要成功達到可接受的工具是要一直地做改善優化。整理以上不好高騖遠的簡化版應用，總結以下的心態，期待中小型的工廠也可以快速地進入類工業4.0工廠的行列。
從簡單開始。先有成功經驗的自信才會有趣。然後持續改善，再求進化。保持沒有最好，只求更好的心態。
高手在家裏。基礎是由廠內既有技術及經驗(Domain knowhow)整合來的，無法假借他人取得。好好地把廠內的寶挖出來共同建立。
設備安定化。不良品的製造，會增加流程及管理上的負擔。選用對的設備，一次做對東西才是節流的王道。