自動生產系統 CHAPTER 1 緒論

本 章 摘 要 1.1 生產系統設施 1.2 製造支援系統 1.3 生產系統裡的自動化 1.4 生產系統裡的人力勞工 1.1 生產系統設施 1.2 製造支援系統 1.3 生產系統裡的自動化 1.4 生產系統裡的人力勞工 1.5 自動化原則與策略 1.6 本書架構

分成兩個類別或階層，如圖1.1所示 1. 設施 (Facility)：生產系統之設施包含工廠、廠裡之設備與設備組成的方式。 2. 製造支援系統 (Manufacturing Support System)：一套公司程序，用來管理生產，並解決技術上與運籌上 (logistics) 的問題，包含物料訂購、廠內工作流動，與確保高品質標準之產品。

圖1.1　生產系統包含設施與製造支援系統

1.1　生產系統設施 生產系統裡之設施 (facility) 是指工廠、生產機台與器具、物料搬運設備、檢測設備，與控制製造作業之電腦系統。設施也包含工廠佈置 (plant layout)，即設備在工廠裡的實體排列方式 設備通常排列成有次序性的組合，我們稱此設備排列與操作工人為工廠裡之製造系統 (manufacturing system)

生產數量 (production quantity) 是指工廠每年零件或產品之生產數量，可以分成三個等級： 1. 低總量生產 (Low Production)：年產量範圍1~l00個。 2. 中總量生產 (Medium Production)：年產量範圍100~l0,000個。 3. 高總量生產 (High Production)：年產量範圍10,000~ 數百萬個。

產品樣式 (product variety) 是指工廠裡生產之不同產品的設計或類型。不同產品具有不同的外形、尺寸與款式 (shape, size and style)，它們執行不同的功能，有時是為了不同市場的考量，有些則擁有較多的零件等等。產品類型的數量是可以計數的，數量高表示產品樣式高 產品樣式高時，生產數量偏低，反之亦然，如圖1.2所示。製造工廠通常專注於圖中斜線帶的某一點，亦即產品樣式的多寡與生產數量

圖1.2　在分離性產品製造裡，產品樣式與生產總量的關係

1.1.1 低總量生產 每年生產數量範圍在1~100個之間的生產設施型式稱為工作坊 (job shop) 1.1.1　低總量生產 每年生產數量範圍在1~100個之間的生產設施型式稱為工作坊 (job shop) 此類產品的客戶訂單通常相當特別，相同的訂單幾乎沒有。工作坊裡之設備屬泛用型 (general purpose)，員工之技術能力較高 人與設備移到產品位置處，而不是將產品移到設備所在的地方。此種佈置稱為固定位置佈置 (fixed-position layout)，如圖1.3(a) 所示

大型產品之零件通常是在製程佈置 (process layout) 之工廠內加工，設備依功能或類型擺設。車床是屬於一個部門，銑床又是屬於另一個部門，依此類推，如圖1.3(b) 所示 缺點是機台與製造方法不是最有效率之設計，部門之間常常需要較多的物料搬運，導致在製品庫存 (in-process inventory) 偏高

1.1.2　中總量生產 中等產量範圍中 ( 每年100~10,000件 )，依產品樣式分為兩類設施型式。在產品硬樣式中，傳統方法是採用批次生產 (batch production)，亦即一批產品完成後，變更設施再完成下一批 不同生產運轉之間的變更所需時間，稱為整備時間 (setup time) 或更換時間 (changeover time)，也就是工具更換與機台程式改寫 (reprogram) 之時間

中總量生產之另一方法是當產品屬於軟樣式時，也就是不同產品型式之間，不必浪費許多時間作更換。通常只需要將機台佈置合適，使得相似的零件或產品可以在同一設備上製作，不需浪費太多的更換時間 每一單元設計成只負責某些零件外型的生產，也就是專精於某種特定零件，是根據群組技術 (group technology) 而來，特稱為單元佈置 (cellular layout)，如圖1.3(c) 所示

1.1.3　高總量生產 高總量生產 ( 每年10,000~ 數百萬件 ) 通常稱為大量生產 (mass produc­tion)，也就是產品的需求相當高，工廠設施特別專門生產此產品。 分成兩類：(1) 大宗生產、(2) 流線型生產。大宗生產 (quantity production) 是指單一機台大量生產單一產品

流線型生產 (flow line production) 是指多部機台排列有順序性，零件或組裝依照此順序移動成為成品 工作站包含生產機台與配有特別工具之人員，可以得到最高之產品效率，稱為產品佈置 (product layout)，工作站排成長條形，也就是一連串相連的線段組合，參見圖1.3(d)

流線型生產最有名的範例是汽車與家電用品之裝配線 (assembly line)。當生產線上的產品完全相同，沒有任何變異，稱為單一模式生產線 由生產觀點，此種款式變化屬於產品軟樣式，稱為混合模式生產線 生產設施型式整理於圖1.4

圖1.4　不同等級生產總量與產品樣式之設施型式與佈置

1.2　製造支援系統 製造資源包含如圖1.5所示的一個資訊處理活動 (information-processing activities) 的迴圈 資訊處理迴圈則位於外圈，可以用四個功能來描述：(1) 企業功能；(2) 產品設計；(3) 製造規劃；(4) 製造管制

企業功能 (Business Functions)　企業功能是與顧客溝通的主要方式。因此，它是資訊處理迴圈的起點與終點。此類共包含銷售與行銷、銷售預測、接單、成本會計與收款 生產訂單的型式，一般採下列其中之一：(1) 客戶規格物品項目之製造訂單；(2) 購買一件或更多資本財產品的客戶訂單；(3) 根據未來資本財產品需求預測之公司內部訂單

產品設計 (Product Design)　若製造產品是根據顧客的設計 (design)，則此設計將由顧客提供，製造公司的產品設計部門不需參與 若產品是資本財 (proprietary)，製造公司負責它的開發與設計。事件迴圈促使新產品設計的開始，通常是起源於銷售與行銷部門，此資訊流如圖1.5所示

圖1.5　典型製造公司裡之資訊處理迴圈

製造規劃 (Manufacturing Planning) 產品設計構成的資訊與文件流入製造規劃功能內 製程規劃 (process planning) 包含決定工件生產需要之個別加工與裝配作業的順序，製造工程與工業工程部門負責規劃製程與相關的技術細節 主生產排程 (master production scheduling) 列出產品即將製作的清單、何時達交與多少數量 製造管制 (Manufacturing Control)　製造管制主要是管理與控制工廠裡的實際作業，以執行製造規劃。由規劃到管制的資訊流，已顯示於圖1.5裡

工廠現場管制 (shop floor control) 乃是處理監督工廠裡產品加工、裝配、移動與檢驗的進度問題 存貨管制 (inventory control) 乃是在於存貨太少的風險 ( 可能斷料 ) 與太多存貨的高持有成本之間，尋求合適的平衡點 品質管制 (quality control) 的任務是確定產品與其零件的品質，符合產品設計者設定的標準

1.3 生產系統裡的自動化 自動化 (automation) 可以定義為一項應用機械、電子與電腦系統來操作與控制生產的技術 1.3　生產系統裡的自動化 自動化 (automation) 可以定義為一項應用機械、電子與電腦系統來操作與控制生產的技術 生產系統裡的自動化元素可以分為兩類：(1) 工廠裡製造系統的自動化；(2) 製造支援系統裡的電腦化 (computerization) 兩類自動化顯示於圖1.6

圖1.6　生產系統裡之自動化與電腦化機會

1.3.1 自動製造系統 自動製造系統的範例有： 加工工件的自動工具機 (machine tool)； 1.3.1　自動製造系統 自動製造系統的範例有： 加工工件的自動工具機 (machine tool)； 執行一連串切削的輸送線 (transfer line)； 自動裝配系統 (automated assembly system)； 使用工業機器人 (robot) 來執行加工或裝配作業的製造系統； 整合製造作業的自動物料處置與倉儲系統 (material handling and storage system)； 作為品質管制用的自動檢測系統 (inspection system)。

固定式自動化 (Fixed Automation) 固定式自動化系統，因為設備配置之故，其加工 ( 或裝配作業 ) 順序為固定 固定式自動化的典型特色是： 客製工程化設備 (custom-engineered equipment) 用的高初期投資； 高生產速率 (high production rate)； 缺乏產品樣式調適的彈性 (inflexible)。

可程式自動化 (Programmable Automation) 在可程式自動化裡，生產設備設計成具有能力改變作業順序，以調適不同的產品配置 可程式自動化的部分特徵包含： 泛用型設備 (general purpose equipment) 的高投資； 比固定式自動化低的生產速率； 處理產品外型變異與改變 (variation and change) 的彈性； 最適合於批次生產 (batch production)。

彈性自動化 (Flexible Automation)　彈性自動化是可程式自動化的延伸。彈性自動系統能夠生產各類工件或產品，而在前後類型之間的更換，基本上無時間的浪費 彈性自動化的特色可以整理如下： 客製工程化系統 (custom-engineered system) 用的高投資； 各種產品混和 (variable mixture of products) 的連續生產； 中等 (medium) 生產速率； 處理產品設計變異 (product design variations) 的彈性。

圖1.7　生產總量相對於產品樣式之三個自動化類型

1.3.2　電腦化製造支援系統 電腦整合製造 (computer-integrated manufacturing, CIM) 這個名詞代表廣泛地使用電腦，作為產品設計、生產規劃、作業管制與執行製造公司裡需要的各種企業相關功能 實體活動則包含所有在工廠裡執行產品上的加工、裝配、物料處置與檢測作業，這些作業在製造過程中與產品直接接觸。圖1.8顯示我們的模式，說明了在實體活動與資訊處理活動之間的關聯性。原物料流入工廠的一端，成品由另一端流出

圖1.8　工廠作業與製造支援用之資訊處理活動的製造模式

資訊處理活動的完成，乃是執行前面已經確定的四項基本製造支援功能：(1) 企業功能；(2) 產品設計；(3) 製造規劃；(4) 製造管制。

1.3.3　自動化的理由 1. 增加勞工生產力 (Labor Productivity)：製造作業的自動化通常會增加生產速率與勞工生產力，也就是每小時的勞工投入會得到更多的產出。 2. 減少勞工成本 (Labor Cost)：全球工業社會中的勞工成本不斷地上升，已經是必然的趨勢，於是更多自動化投資取代人工作業，以符合經濟性。大幅利用機器取代人力勞工，可降低單位產品成本。 3. 減輕勞工短缺 (Labor Shortage) 的效應：許多先進國家常會勞工短缺，刺激了發展自動化作業來取代人工。 4. 降低或減少一成不變的人工與抄寫式的工作 (Clerical Task)：有人宣稱自動化作業具有社會價值 (social value)，因為原本是枯燥、無聊、疲勞，且可能是令人厭煩的這些工作，將變成自動，改善一般性的工作狀態。

5. 改善工人的安全 (Worker Safety)：將作業自動化，積極參與製程的工人轉成監工角色，工作變得更安全。1970年制定的「職業安全與衛生法案 (OSHA)」，勞工安全與其身體福利已經成為國家的指標，這也提供自動化一個誘因。 6. 改善產品品質 (Product Quality)：自動化不僅較人工作業具備高的生產速率，它也提供製造程序品質規格較高的一致性與同質性。缺陷比例的降低是自動化主要利益之一。 7. 降低製造前置時間 (Manufacturing Lead Time)：自動化可以降低客戶訂單與產品達交之間的時間，提供製造商未來訂單的競爭優勢。藉由降低製造前置時間，製造商同時降低了在製品庫存。

8. 完成人工 (Manually) 無法從事的製程：某些作業若沒有機器協助就無法完成，這些製程需要是精細、微細，或人工無法完成的複雜幾何，範例有某些積體電路 (integrated circuit) 製造作業、根據電腦圖形 (CAD) 模式的快速原型 (rapid prototyping) 製程，與使用電腦數值控制切削複雜的數學性曲面，這些製程僅能藉由電腦控制系統來實現。 9. 避免非自動化的高成本 (High Cost)：製造工廠的自動化將獲得明顯的競爭優勢，這些優勢有時不易呈現展示，例如品質改善、高銷售量、好的勞工關係，以及好的公司形象 (company image)。沒有自動化的公司將會發現在顧客、員工與一般民眾上，常會處於競爭劣勢

1.4　生產系統裡的人力勞工 根據前面對設施與製造支援系統的討論，分成兩個部分說明：(1) 工廠作業裡的人力勞工；(2) 製造支援系統裡的勞工。

1.4.1　工廠作業裡的人力勞工 工作過於技術性 (Technologically) 而難以自動化：某些工作的自動化是非常困難 ( 不管是技術性或經濟性 )，困難的理由包括：(1) 工作位置實體觸碰的問題；(2) 工作需要調整；(3) 需要人手技巧；(4) 需要手眼的協調

短產品生命週期 (Life Cycle)：假如產品必須在很短的時間設計出來並且進入市場，以符合市場的近期商機，或是產品預期相當短的市場期限，則製造方法的設計採用人工勞力，會較自動化方法更快速推出產品 顧客化產品 (Customized Product)：假如顧客需要具獨特特色的單一類產品時，人工勞力因為擁有技巧性與調適性，於是優先成為合適的生產資源。人類比任何的自動機器有更高的彈性

解決需求的上升與下降 (Ups and Downs in Demand)：產品需求的改變，促使生產輸出準位的改變。以人力勞工來生產，更容易調整這樣的改變。每個自動製造系統皆有某個固定成本 (fixed cost) 的投資 降低成品失敗的風險 (Risk)：公司引進新產品到市場時，從來無法保證產品最後一定成功。某些產品具有較長的生命週期，然而其它的市場生命週期卻比較短

1.1 人力與機器相對的優勢與特色 表1.1 人力與機器相對的優勢與特色 人力相對的優勢 機器相對的優勢 察覺不預期刺激 執行持續性反覆工作 1.1　人力與機器相對的優勢與特色 表1.1　人力與機器相對的優勢與特色 　　人力相對的優勢 機器相對的優勢 察覺不預期刺激 執行持續性反覆工作 尋求問題新答案 儲存大量資料 解決抽象問題 記憶庫中安全取得資料 適應與改變 同時執行多項工作 觀察與推論 力氣大與電力高 經驗與學習 高速執行簡單計算 不完整資訊中作困難決策 快速作例行性決定

1.4.2 製造支援系統裡的勞工 在製造支援功能中，許多一成不變的人工化與抄寫式工作，可以使用電腦系統達成自動 1.4.2　製造支援系統裡的勞工 在製造支援功能中，許多一成不變的人工化與抄寫式工作，可以使用電腦系統達成自動 在現代生產系統中，使用電腦作為一個輔助工具，用來執行所有製造支援活動。產品設計是使用電腦輔助設計系統，仍然需要人類從事創造性的工作。 人類仍然是製造支援功能操作的合成元件，而電腦輔助系統是作為提升生產力與改善品質的工具，CAD與CAM系統很少完全在自動模式 (automatic mode) 下操作

設備維修 (Equipment Maintenance)：需要熟練的技術員維修工廠內當機的自動系統，為了改善自動系統的可靠度，必須執行預防保養 程式撰寫 (Programming) 與電腦操作：持續性需求包含軟體升級、新版套裝軟體的安裝與程式的執行 工程計畫任務 (Engineering Project Work)：電腦自動化與整合化的工廠似乎從來沒有完成過，也就是必須持續地升級生產機器、設計製具、與執行不斷的改善計畫 工廠管理 (Plant Management)：有些人必須負責工廠的營運，少數的專業經理與工程師幕僚人員負責工廠的作業

1.5　自動化原則與策略 (1) USA原則 (2) 自動化與生產系統的十項策略 (3) 自動化遷移策略

1.5.1 USA原則 1. 瞭解 (understand) 現有的製程； 2. 簡化 (simplify) 製程； 3. 使製程自動化 (automate)。

瞭解現有的製程 (Understand the Existing Process)　USA原則第一步驟乃是瞭解目前製程的所有細節 簡化製程 (Simplify the Process)　一旦瞭解現有製程後，接著是尋找方法加以簡化。通常包含現有製程問題的檢核清單 (checklist of questions) 使製程自動化 (Automate the Process)　一旦製程已經減至最簡單的形式後，就可以考慮自動化了

1.5.2　自動化與生產系統的十項策略 當自動化有可能成為一個可行解答，用來改善生產力、品質或其它的性能指標時，則下面十項策略提供一個藍圖 (road map) 來尋求改善之道 操作專業化 作業合併 同時作業 作業整合

彈性 改善物料處置與倉儲 線上檢驗 製程控制與最佳化 工廠作業管制 電腦整合製造

1.5.3 自動化遷移策略 人工方法可以快速低成本的製作工具 1.5.3　自動化遷移策略 人工方法可以快速低成本的製作工具 當產品證明成功後，而且具有很高的未來需求，則公司就很合理地進行自動化生產，這樣的改善通常是階段性的進行 典型的自動化遷移策略敘述如下：

階段1： 人工生產 (Manual production) 使用獨立作業的單站人工單元。理由前面已提過，作為新產品的導入：快速與低成本生產工具的開始。 階段2： 自動生產 (Automated production) 使用獨立作業的單站自動單元。當產品需求成長時，自動化明顯變得可行，於是單一站台的自動化可以減少勞力與增加生產速率，注意此時工件在站台之間的傳送仍是人工化。 階段3： 自動整合生產 (Automated integrated production) 使用具有串連作業 (serial operations) 與站台之間自動傳送的多站自動系統。當公司確定未來數年都要大量生產該產品時，單站自動單元的整合可以確保勞力的進一步降低與提高生產速率。

策略的優點包含： 允許新產品在最短可能時間內導入，因為根據人工站台的生產單元，最容易設計與製作。 允許自動化漸進式地導入 ( 以規劃的階段 )，當產品需求成長時，實施產品的工程變更，具有充足的時間執行自動製造系統的完整設計。 避免一開始就是高度自動化的策略，因為產品尚未獲得需求的證實前，永遠有風險。

1.6　本書架構 圖1.10　本書五大部分之綜覽與關聯性