彈性製造系統

彈性製造系統（Flexible Manufacturing System, FMS），就是利用電腦來安排 機器設備自動加工，自動更換模具、夾具、刀具、加工物件及加工程式…等工作。

其最大的特色在於產品種類、加工器具及生產型態改變時，只需要變更電腦軟體 程式的設定參數，而無須更換機械設備或生產線佈置。因此彈性製造系統能適應 產品市場的快速變化，從事少量多樣的生產方式，以滿足市場的不同需求。一個 完整的彈性製造系統主要是由以下的元件所組成[Groover, 2001][Song et al., 2006][Maleki, 2000]：

y 工作站或加工中心 y 物料處理系統 y 自動檢驗設備 y 無線射頻辨識系統 y 工件暫存區

y 托板與夾治具。

y 人力資源

y FMS 階層電腦網路與控制

而一個電腦整合製造（Computer Integrated Manufacturing, CIM）工廠之基本 階層區分如圖 10 所示。

圖 10. CIM 工廠不同階層的系統結構[Maleki, 2000]

彈性製造系統是一個結合複雜的資料處理、自動化物料流動以及整合式物料 流動與物料儲存系統的生產系統。將彈性製造系統的各項技術輔以管理資訊系統 成功地應用於工業生產上，可大幅降低生產成本，提高生產力，有人稱之為低成 本自動化製造系統，亦有人稱為彈性製造系統，並被喻為未來無人化生產工廠的 發展必要趨勢。關於彈性製造系統的相關文獻繁多，茲將過去學者對彈性製造系 統的定義彙整如表 4。

表 4. 彈性製造系統的定義

學者 FMS 定義

Ranky (1983)

為高階資料處理並使用電腦控制機器、組裝單元、工 業用機器人、裝配機器以及其他自動化物件流的工 具，來整合物件的加工以及儲存系統。

Ranky (1986)

整合了倉儲系統、機器加工機組、自動組裝系統、自

Maccarthy and Liu (1993)

彈性製造系統是一個有能力生產不同零件之生產系 統，包含一些由自動化搬運系統相連的 CNC (Computer Numerical Control)與 NC (Numerical Control)機器工具，整個系統的作業皆受到電腦的控 制。

Buzacott (1995)

提出常用於改善生產率及品質的建議即為工廠自動 化。

Rau et al., (1996)

除採用彈性製造系統為生產方式外，並生產標準化零 件，最後再組裝成顧客所要的產品。

Spathopoulos and Ridder (1999)

要做到設計與製造平行作業，則機器之間必須有良好 的協調能力。

Wong et al.,(1999)

利用高彈性製造系統來加強作業及組織，以應付未來 以顧客導向的市場所不可避免之高頻率產品修改現 象。

Kim et al., (2001) 在製造生產前，彈性製造系統必須對工件的分類與選

擇(Part type selection)，加工群組(Machine grouping)及 裝載方式(Loading problem)作決定，之後再對製造程序 作規劃。

由於彈性製造系統組成元件之不同，可以達到或多或少的彈性程度，然而儘 管有這麼多不同程度的彈性，但是它們都具有以下的共通點[Graham and

Rosenthal, 1986]：

y 整合性(Integration)：系統元件根據一套系統整合規則，彼此共依共存，

使其能在協調的環境當中共同工作。

y 智慧性(Intelligence)：能解析輸入的資料，並且製造出使用者預期的產 品。

y 立即性(Immediacy)：系統能快速地針對變動有所反應。

FMS 可分為以下四類[McCarthy and Liu，1993]：

y 單一彈性機器(Single Flexible Machine, SFM)：一個由電腦控制的生產單 元，包含了一個單一的 CNC 或 NC 機器，具備工具轉換能力、物料搬 運裝置與零件儲存緩衝區。

y 彈性製造單元(Flexible Manufacturing Cell, FMC)：一群 SFM 共享一個 共用的物料搬運裝置，利用群組技術(Group Technology, GT)將相似的零 件在相關的加工設備上，集中完成製造；亦即這些相關的加工設備和相 似的零件，配合操作員與管理作業，就形成「製造單元」[黃漢邦，1991]。

y 多機器彈性製造系統(Multi-Machine Flexible Manufacturing System, MMFMS)：包含許多由物料搬運系統連結的 SFM，其中物料搬運系統 包括兩個或多個物料搬運裝置，可以同時服務 2 個或 2 個以上的機器。

y 多單元彈性製造系統(Multi-Cell Flexible Manufacturing System,

MCFMS)：包括許多的 FMC，也可能包括許多的 SFM，這些機器全部 都由一個自動化物料搬運系統連結。

彈性製造系統排程，其目的在使總完工時間、物質的處理時間和總流程時間 最小化，並使在製品極小化和系統的利用率最大化。對於彈性製造系統而言，排 程是一相當複雜的問題，有關彈性製造系統排程方面的研究領域中，已有許多方

法被探討，茲將過去學者對彈性製造系統排程的研究彙整如表 5。

表 5. 彈性製造系統排程 學者 FMS 排程

Maimon and Gershwin (1988)

針對在 FMS 之中，機器偶而故障情況下做及時排程與 物料流程規劃。在機器偶而故障或維修的情況下，可 以計算新的及時排程與物料流程。主要是透過動態規 劃法(Dynamic Programming Method)與回饋控制來找 出最佳的成本。但此法卻不適用於機器的臨時故障。

Montazeri and Van Wassenhove (1990)

利用 FMS 的各種派工法則來比較平均機器利用率、平

Atmani (1995)

調查最佳的選擇和操作的指派使得加工時間和設置成 本極小化。

Chen and Chung (1996)

FMS 的規劃問題必須搭配排程方案的重要性。設計一 個模式來估計每一批工作的總製程 ，使每一批的總流 程和工具的更換時間之間能極小化。

Kashyap and Khator (1996)

研究工具的共用性，和工具運送利用率對製程的影響。

Rau and Chetty

Langevin et al., (1996)

以最佳動態規劃法，同時規劃任務運送派遣與車輛的 路徑與排程。此法利用局部運輸計畫的 state-space，來 解決途程派遣問題。同時也提供了非常有效的最小完 成時間(Minimum Make Span) or lateness。

Roh and Kim (1997) 為六類[Basnet and Mize, 1994]，:

y 數學規劃模式 (Mathematical Programming)

數學模式可視為最佳化問題，使用作業研究工具求解。但有學者認為以 此類方法求解沒有效率[Lin and Lee, 1995]。

y 多重目標決策 (Multi-Decision)

在衡量最小總延遲的排程方面，利用裴氏圖和啟發式搜尋法以多重目標 作為考量下解決多目標的排程問題[Yim and Lee,1996]。但多目標決策則 需相當長之計算時間。

y 啟發式的方法 (Heuristics)

以裴氏圖狀態方程式為基礎，提出一啟發式經驗搜尋方法來解決排程問

題[Jeng and Chen, 1995]。典型的衡量排程績效指標包含最小總完工時間 (Minimal Make Span)、最小總延遲(Minimal Tardiness or Minimal

Lateness)或最小流程時間(Flow Time)等。而且啟發式演算法較簡單並經 常運用在排程問題上[Sarin and Lefoka, 1993]。也可以裴氏圖的狀態方程 式為基礎來發展出一啟發式的搜尋方式以獲得最小總製程時間值為目 標[Laftit and Proth, 1990]。但是利用啟發式排程法，有以下的缺點，一 為做決策時並沒有考慮當時會影響排程結果的生產現場相關資訊。另一 缺點則是單一法則無法適用於各種環境，且無法掌握排程的績效品質。

y 控制理論 (Control Theoretic)

派工法則(Dispatching Rule)，如 FIFO (First In First Out)、LIFO (Last In First Out)、SPT (Shortest Process Time)等，用以判定在工作中心之製令 等候區(Queue)，那一製令之製程應先被執行。而適用於工作中心為主 較。可採取較簡單且單一的指派規則[Jeong and Kim, 1998]，例如最早 到達的先操作(First Come First Served，FCFS)、最短操作製程時間 (Shortest Operation Processing Time，SOPT)、最早到期日(Earliest Due Date，EDD)等，以模擬的方式來處理彈性製造系統即時(Real-Time)排

y 人工智慧 (Artificial Intelligence)

以衡量最小總完工時間(Make Span)的排程方法中，根據裴氏圖架構彈 性製造系統模組，討論階層式製造現場控制架構，此架構的特點為各階 層有規劃、排程、執行三種功能，其中排程功能結合裴氏圖可達樹的特

性和傳統 AI (Artificial Intelligence)的啟發式搜尋法則搜尋方式尋一可 行解(最小總製程時間) [Lee and DiCesare, 1994]。

除了以上六類之外，有些研究則採取混合的方式，例如:利用分支界限演算 法(Branch and Bound Method)來獲得一個可行路徑進而得到最優排程，首先建構 裴氏圖 MODEL，再以延伸可達圖從最初標誌到最後標誌來得到激發路徑的順序 [Zhou et al., 1995] 。

而 本 研 究 所 使 用 的 彈 性 製 造 系 統 (FMS)[ 陳 凱 瀛 ， 1997][Chen et al., 2006][張文琦，2006]測試平台包 括 一 套 自 動 存 取 系 統 (Automated Storage / Retrieval System, AS/RS)、一台軌道式搬運車(Rail Guided Vehicles, RGV)、

多個電腦數值控制(Computer Numerical Control, CNC)加工機、機械手臂 (Robot)及 一 主 控 電 腦 (Central Controller)， 共 同 組 成 一 完 整 的 生 產 製 造 系 統。針對各種的製造程序來說，生產系統的彈性和可靠度是主要的關鍵因 素。而有了彈性製造系統的幫助，製造者能夠比以前更快調整生產製程以 更符合市場需求，提高整體的生產力。並藉由電腦輔助，結合複雜、多樣 的加工機器、軌道自動搬運車、輸送設備、機械手臂及自動倉儲系統等重 要設備技術，使各種不同製程、生產條件下的加工件可以共同生產製造，

以達到少量多樣、彈性快速生產的目標。