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東海專欄
「機器人自動化」,元年的挑戰
2024.05.14∣瀏覽數:859

「機器人自動化」
元年的挑戰

2023年12月2日閉幕的東京國際機器人展(iREX2023),各公司推出的機器人解決方案、套裝軟體與周邊器材,實用性廣受肯定。產業生態推波助瀾,機器人正成為社會的基礎建設,2024年宛如是「機器人自動化」元年。

高齡化、少子化已經不可逆轉,臺日製造業都苦於缺工。我們的持續觀察發現,日本典範企業堅持精實基礎的智慧製造,繳出了亮麗的成績單。同時,我們也看到部分企業推動機器人自動化有成,取得了伴隨而來的士氣提升、招募到年輕夥伴。

當機器人成為基礎建設…

iREX2023顯示機器人產業生態的日趨成熟,不僅關鍵零組件、套裝軟體與器材非常豐富,從使用者觀點所推出的解決方案,有效突破了實用上的障礙。

譬如,過去將機器人使用到製造現場,首先面臨期待與實踐的落差,亦即具體落實上的障礙。此次不同公司針對其擅長領域,所推出的解決方案展示,似讓許多使用顧客獲得了實踐性啟發。第二項是導入成果的評估障礙。在解決方案策略區隔、實踐導入案例增加的情況下,評估障礙大幅降低。第三項是結合周邊軟硬體、落實到使用環境,達成目的的實裝障礙。SI業者的大幅投入,因應導入內容與規模,能夠有效溝通使用企業與設備業者。

這三項障礙的突破,使機器人有如水電、橋樑等基本建設,已經不是要不要的選擇問題,而是如何活用的能力問題。

機器人屬於通用型基礎設備,具備使用在各種用途的泛用優勢。因此,機器人的產品生命週期價值,受到兩個重要的制約。一個是使用在特定用途之初,必須加以客製化,需要各色各樣的知識與竅門。這個過程不同企業、產業間花費的時間與費用差異極大,形成了非常重要的限制條件。另一個是隨著市場條件的變化,製造現場需要進行漸進或激進的改善時,企業是否擁有足夠的人才,將它們重新組合,發揮應有的設備機能。

這個將機器人導入生產線,以及調適需求持續改善的能力,就是企業製造組織的差異化能力。換句話說,買得起整線機器人、有能力投資自動化工廠,「花錢可以買得到」部分,並不能形成競爭力。形成競爭力的關鍵在於活用機器人的事前準備、開發設計、導入與營運,以及支持這個過程的人才培育與組織機制。

MA.159期-東海專欄-作者劉仁傑

日本神戶大學經營學博士,現任東海大學工業工程與經營資訊學系暨研究所教授、東海大學精實系統團隊核心成員。曾任日本大阪市立大學商學部客座教授、美國賓州大學華頓商學院訪問學者。中文及外文著作十分豐富,著書五度獲得經濟部金書獎,包括《日本企業的兩岸投資策略》(聯經)、《重建台灣產業競爭力》(遠流)、《企業改造》(中衛)、《共創》(主編,遠流)、《世界工廠大移轉》(共著,大寫)。新書《面對未來的智造者》(共著,大寫)則收錄本欄關於智慧製造之精華。長期致力於精實系統推動、台灣製造產業體系變革暨台日商策略聯盟研究,經常應邀到國內外大學、大型企業,講授追求物質文明與精神文明的製造管理理論與實務洞察心得。

作者長期主張精實智慧製造,鼓吹精實自動化,指陳未經精實改善即投入自動化的巨大浪費。然而,伴隨著環境的劇烈變動、機器人產業生態的成熟,也強烈覺得,同時思考如何活用機器人,已經刻不容緩。

因此,本文從製造業活用機器人、提升組織競爭力的觀點,提出精實自動化的3個階段:精實改善、低成本自動化、機械人自動化。並以大金空調為例,進行從精實改善到低成本自動化的具體說明。同時,提出機器人自動化的步驟與方法,讓迫在眉睫的企業也能夠直接參考。

精實自動化典範:大金空調

本欄曾介紹作者對大金空調滋賀廠的13年觀察(參閱本專欄88期2017年3月)。從2003年首次參訪,廠內製程時間(Lead Time)的68小時開始,2008年、2013年、2016年底分別改善到9.5小時、5.9小時、4.94小時。

2019年大金空調穩定實踐LT4小時的精實模式,全面智慧化到新設的臨海廠。生技工程師指著戰情室、組裝線上的機器手臂、走道上的AGV對我們說,精實變革讓LT縮短,讓智慧科技與自動化設備充分活用。堪稱是先精實化再智慧化的一個典範。

臨海廠組裝過程的自動化摸索,讓大金空調思考低成本自動化的重要性。2021年起結合茨城廠的規畫,啟動了組裝的自動化計劃,包括空調與空氣清淨器。方法是從檢視設計階段的多種多樣調適,減少組裝作業工序開始,初估可減少20%;除配線作業之外,包括風扇裝置、熱交換器組裝等,都已推動高水準的低成本自動化,目標是達成作業人員減半。

大金堅持用混線單件流的短交期生產,因應多樣化、增減產的計畫變更。核心概念包括:結合全球標準的模組化、設備小型化,帶動低成本自動化(LCA)。

模組化按組裝、檢查、搬運、教育等製程別採不同做法。譬如組裝困難度高,採人機協作模式。亦即將焦點放在機器人APP的開發與使用。同時選用機器人公司的特色方案,共同開發專用影像程式,達到確保品質的技術目的。同時區隔反覆性作業與技能性作業,前者活用機器人,後者活用工匠。譬如室外機組裝與配線作業,就非常依賴工匠,因此開發了握取柔軟物的技術,是跨越產品設計與製程模組的一項同步工程。

在教育模組部分,聯手日立的方案,用IoT習得技術、進行傳承;同時讓新進人員先學習AI,提案創新。譬如:檢查工程按照視覺、聽覺、味覺、嗅覺、觸覺等感官,使用學過AI的新人發展功能模組。搬運工程也活用新人的AI知識,進行機器人、影像處理與標準AGV的應用。

設備小型化是指針對製程最小單位,進行標準化技術開發。生產線設計的設備模組標準考量各製程特質、當地的機種與數量。經由功能與製程磨合,所開發的搬運模組標準、檢查模組標準,搭配工廠的標準IoT邊界技術,進行有效的連結營運。搬運模組是由4米的鋁管製成,檢查模組包括氣密真空與運轉等複數模組,按照機種與數量進行組合。這種模式讓生產線平均建置時間減半、總投資金額減半,同時兼具跨國生產技術人才培育的附帶效果。

低成本自動化則結合上述的模組化與設備小型化,實踐線邊生產同期化、降低在製品的精實目標。LCA也是按照生產線的製程,區分為組裝、加工、檢查、搬運,按其性質進行功能簡單、維護容易的低成本自動化,達成最小投資目標。

如同西方智慧工廠,設備模組、小型設備與LCA等硬體技術,正連結工廠的IoT虛實整合系統,摸索高效率的營運模式。大金空調深刻理解到數位技術與現場進化之間的矛盾,堅持數位化與自動化的持續改善。大金空調強調,不能遺忘現地現物的改善,日本型精實智慧製造是在CPS基礎上持續納入人類智慧,讓造物系統持續進化的一種理想模式。

機器人自動化的步驟與方法

活用機器人將成為全民運動。不同的產品市場、供應鏈定位、企業本身體質,除少部分特定領域的企業之外,機器人自動化儼然是缺工時代的趨勢。在這裡,我們不再強調精實改善是自動化的前提,而是將實踐機器人自動化視為精實變革的重要過程。我們檢視日本過去3年導入機器人自動化的複數企業經驗,提出實踐機器人自動化的步驟與方法。

0.前提不再是精實有成,而是凝聚變革共識

導入機器人自動化是一項變革,是從現況邁向一個期待目標。認識經營環境,能夠塑造危機意識、形成共同的價值觀。價值共有才能資訊共享,達成凝聚變革的共識。自動化推進室應直屬總經理,由跨部門成員組成,技術部門偕同使用部門擔任主角,初期聚焦在藍圖的勾繪。推進室凝聚共識過程,包括使用VSM(Value Stream Mapping,價值流程圖)檢討現場問題,確認機器人自動化的目的。

一家日本小型加工廠在自動化之前,金屬片經過折床、暫放、天車移動、綑綁、堆高機運送到完成區。廠長說沒有進行流程改善的原因是缺工,擔心改善過程流失員工,「未蒙其利,先受其害」。結果廠長在推進室的分析建議下,直接設計符合後製程需求的配套台車,機器人連結折床作業一次到位。推進室具備後製程是顧客的精實思維,能夠凝聚共識、勾畫目的與藍圖,堪稱關鍵。

1.積極投入事前的準備與調查

自動化系統通常需投資一定金額。類似蓋大樓要先打好地基,推進室的第一個工作,就是進行事前的準備與調查,包括三點:亦即(1)目的或藍圖的明確化、(2)支援負責同仁做好現況分析(3)藍圖與現況間落差的填補。

這個過程最大的意義在於理解自己,將自動化用在刀口。大金空調區隔不同製程的作業特質與技能、機器人好用是一項同步工程等發現,就是事前準備與調查的成果。這些工作直接支配導入階段的速度與成果。

選定自動化導入對象後,開始釐清導入時必要的數據與基準,以及公司本身擁有的能力或要件。結合這些基礎資訊與能力,開始選定SI,作為推進室與設備供應商間的橋樑。

2.綿密的規格檢討與設計確認

自動化構想設計「設備購入規格書」,是此一階段的具體產出,也是導入成敗的關鍵。通常包括三項要點:(1)減少勞務費用或生產力提升的評估(2)CT縮減與省人化的評估(3)設備購入規格明細。這個過程也可以說是SI與推進室,特別是生產技術人員的「要件定義」作業過程。

基於三項要點間具有強烈的連動關係,過程本身也是一項精實改善暨自動化實踐變革。譬如:現有機器稼動CT與員工作業CT的縮短,將直接支配自動化的績效,而使用PQ分析、線平衡圖、ECRS、人機組合圖等工具,提升平準化水準,可以在設備規格決定前,排除浪費。同樣的情形,也在自動化方法選擇、讓自動化容易的治具設計、物流暨現場機台布置、向海外展開的設備國際標準問題…等,具有同步的改善空間。

3.導入與營運

SI負責構築整合機器人及其周邊設備的自動化系統,與推進室並肩作戰。雖然系統的規模與複雜程度,前述兩個階段不僅內涵與重心迥異,耗費時間也不同。但是,導入與營運的流程卻十分一致,可概分為五個過程:(1)要求規格檢討(2)系統製作企業的選定與交涉(3)詳細規格的協議(4)系統設計、製作與組裝調整(5)設置、最終調整、試運轉與驗收。

最後我們要指出,機器人自動化蔚為趨勢,結合精實思維做好營運的改善與維護,是持續精進的關鍵。活用機器人,讓人做附加價值更高的工作,已經成為提升製造業魅力的新動向。我們期待,連結APP、AI與機器人的知性職場,結合TPS的持續改善,能夠成為製造業吸引人才的新契機,讓知名全球的臺灣製造業得以永續發展。