ch15电脑辅助制造系统.docx
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ch15电脑辅助制造系统
第十五章電腦輔助製造系統
製造業進行生產系統之研究、分析、改良等行為的目的在於尋求得到最大的利潤，並藉由降低生產成本或提高生產率來增加其競爭力。
在生產過程中，人員、設備、材料、資金、能源及生產方式等，都需有良好的規劃與管理，才能以最佳的組合達成產業經營的目標。
人員是生產過程中最重要的因素之一，不僅人事成本佔生產總成本的比例很大，而工資仍在不斷的高漲。
況且操作人員可能因為疲倦或疏忽，甚至本身的技術能力，都會直接影響到產品的品質及生產的效率，造成生產的不良後果。
改善的方法之ㄧ就是減少對直接操作人員的依賴，因此加工方式的演進從人工製造（ManualManufacturing）、經機械化與專業化（MechanizationandSpecialization）、然後自動化（Automation）、並已進入整合（Integration）製造的階段。
人工製造是指由生產者一個人負責產品的設計、製造、銷售等生產行為，完全仰賴生產者個人的能力與經驗，為最早期的生產模式，但目前已不多見。
隨著工業革命的來臨，製造程序進入機械化與專業化，達成大量生產、零件具互換性、產品精確且均一等特點，但對操作人員的依賴仍是頗深。
自動化的應用可減少直接人工的需求、增進操作人員的安全性、提升生產率、和獲得品質均一致的產品。
然而隨著科技的進步，人類生活品質的提升，對於各類產品的需求日新月異，特別是有關其使用性能及品質的要求更是益加嚴格。
對於機械產品的要求則是趨向於更複雜的形狀，更高的精度，需使用新的材料和利用新發展出的加工技術等，其中有些可藉由熟練的技術人員來克服，但是絕大多數必須依靠功能日益強大的電腦和先進的自動控制技術之協助才能達成，近年來電腦數值控制（CNC）工具機的廣被採用即為明證。
尤其當今製造系統的複雜程度，若無電腦的參與，將無法順利運作，兔惟有整合生產系統的所有要素，利用電腦的協助，才可能滿足現代化製造的需求。
電腦的出現對製造業的影響極為重大，因此有人稱電腦的發明及應用為第二次工業革命。
電腦與生產系統已形成密切不可分離的關係，生產系統的要素為規劃、設計、製造和管理，這一切都可經由電腦的輔助而得到最佳化的組合，以達成一個有效率的生產系統，以形成最合乎經濟利益的生產活動。
未來之生產方式可從近年來生產技術的發展和整體社會環境的演變得知，將會是更加重視生產相關行為之管理的合理化、電腦化和自動化。
在生產過程中的加工、處理和管理階段中，將強調以節省能源，注意環境保護和加強工業安全與衛生為原則，並趨向省力化、系統化和無人化的生產模式，而其中的關鍵部分則在於電腦整合製造（Computerintegratedmanufacturing，CIM）的應用。
CIM結合了電腦硬體和軟體的技術，用來支援生產系統之製程規劃、物料存取、產品設計、製造控制、製造資源及資訊管理等，形成單一而資訊可互相交換使用之共用資料庫（Commondatabase）。
CIM包含的主要內容有電腦輔助設計、電腦輔助製造、電腦輔助製程規劃、物料需求規劃與製造資源規劃、彈性製造系統和管理資訊系統等，因此形成電腦整合製造系統（Computerintegratedmanufacturingsystem，CIMS）。
15.1電腦輔助設計
電腦輔助設計（Computer-aideddesign，CAD）是指利用電腦強大的計算能力及速度和記憶體容量，配合相關軟體和硬體的支援，協助新產品之開發與工程分析或對原有產品之改善，以求得最佳化的設計，並將設計完成的結果自動繪製成工程圖表達出來。
電腦輔助繪圖（Computeraideddrafting，CAD）是電腦在輔助設計方面最早的應用，故成為一般人所熟知及接受之電腦輔助設計。
實際上目前之電腦輔助設計已結合了交談式電腦繪圖（Interactivecomputergraphic）可建構各種型式圖形的功能，以及電腦輔助工程分析（Computer-aidedengineeringanalysis，CAE）之計算及最佳化的處理特性，而形成功能完備的電腦輔助設計系統。
然而，此系統的建立需有適當的硬體設備和軟體來配合。
電腦輔助設計系統之硬體設備包括電腦、繪圖螢幕、儲存大量記憶體之媒介（硬碟、光碟等）、輸入裝置（鍵盤、滑鼠、光筆、電子墊板及筆、掃描用電子感應器等）和輸出裝置（雷射印表機、點矩陣印表機、筆繪圖器、微縮影片等）。
軟體方面包括操作系統、繪圖套裝軟體、應用軟體和應用資料庫。
1.作業系統：
提供基本操作環境，用以控制電腦及週邊設備的運作，例如DOS、UNIX和WINDOWS作業系統。
2.繪圖套裝軟體：
提供設計者創造、展示及修改產品的幾何形狀。
在CAD系統中呈現產品的型式有一般的工作平面圖，
維的輪廓物體圖或旋轉物體圖，和3維的線架構模型（Wireframemode）、面模型（Surfacemodel）和實體模型（Solidmodel）等三種。
3維模型的建立需經許多計算，可利用工程分析的計算功能求得所需的資料。
不同的模型各有其特殊的優點，可分別適用於不同要求之設計成果的顯示。
電腦輔助繪圖的好處是可以很容易地將複雜形狀之零件表成工程圖，尤其當設計要修改時，比起傳統的人工繪圖可節省大量的人力和時間。
3.應用軟體：
因應不同工程領域的需求，市面上已開發出各種類型的應用套裝軟體，用以解決設計時遭遇到的問題，此即為電腦輔助工程分析（CAE）的一部份。
包含以有限元素法（Finiteelementmethod，FEM）建構的套裝軟體，例如ANSYS、Pro-E、DEFORM等，可用來分析計算所設計之物體受外力作用時的應力、應變、溫度等分佈或反應，提供設計者評估是否為可以接受的設計。
4.應用資料庫：
電腦整合製造系統之資料庫，可提供設計所需的各種資訊，同時可將其資源分享於生產的各個階段。
例如群組技術（Grouptechnology，GT）的應用可大量縮短類似零件的開發時間。
因為不論是新開發的產品或原有產品的改良，會使用到許多有相同設計與製造特性的零件，即使需求有些不同，但其設計方法與過程仍是有很多的相似性。
而群組技術則是根據其特性建立零件分類和編碼（Partsclassificationandcoding）系統，因此對設計者只需找到零件之相關，特性即可很容易地得到設計時所需之資料。
利用繪圖套裝軟體建構的設計圖也將會儲存到相關的資料庫中，再經由電腦輔助設計與製造（CAD/CAM）套裝軟體的轉換即可將工程圖的數位資訊傳送到電腦輔助製造系統，達成系統整合的目標。
電腦輔助設計系統的設計過程可分為四個階段：
1.幾何造型（Geometricmodeling）：
將藉由數學方法和解析法所描述之設計出來的零件，利用繪圖套裝軟體的指令產生或修改其線、面、實體、尺寸和文字等，建構出二維或三維的幾何模型。
2.工程分析（Engineeringanalysis）：
利用相關之應用套裝軟體對已描繪出來的幾何模型進行工程分析，其內容包括應力、應變、撓曲、溫度分析、振動等。
經綜合考量後找出最佳化之設計。
3.審核及評估（Reviewandevaluation）：
查驗組成產品之各零件間有無干涉等現象，以免在零件裝配或產品使用時發生問題，例如連桿之類的運動構件之操作檢查。
虛擬實境（Virtualreality）的技術可用於產品之動態模擬。
經由數值分析可迅速而直接地找出產品設計的缺失，然後對其尺寸、形狀及公差等加以修正。
4.自動繪圖（Automateddrafting）：
當產品設計完成上述階段的工作後，可將最終之成果自動繪製成工程圖呈現出來，並標註適當的文字說明。
電腦輔助設計系統的優點有：
1.可縮短設計開發之前置時間（Leadtime）。
2.利用完整的設計資訊及分析軟體，可即時修正缺失或錯誤，得到最佳的設計結果。
3.可使工程人員的生產力增加，以及產品的成本降低。
4.可產生標準化的工程圖或實體模型，達成資訊的傳輸及共享，也可藉由產品的立體展示有利於和顧客的溝通。
5.當設計有任何修改時，可透過共用資料庫的功能，讓所有相關部門立即得知，如此可使該產品的整個生產系統是同時使用相同最新版本的設計資料。
15.2電腦輔助製造
電腦輔助製造（Computer-aidedmanufacturing，CAM）是指藉由電腦與生產系統共用資料庫的結合，執行與產品製造相關的規劃、加工、管理及品質管制等各種過程，電腦扮演著監督（Monitoring）、溝通（Communication）和控制（Control）的功能。
電腦輔助製造包含許多自動化、數數值控制、工業機器人（Robot）等之技術和機具設備。
現代化的製造工廠通常會採用由電腦輔助設計（CAD）與電腦輔助製造（CAM）結合成的CAD/CAM系統。
此種結合可使產品設計的資訊直接轉換成產品製造所需的資訊，而不需再經由人工方式處理零件工程圖並進行繁雜的計算等。
CAD/CAM系統可將CAD發展的資料庫儲存到CAM，並進一步處理成生產系統其它部份所使需之資訊。
CAD/CAM系統也可編製CNC工具機加工之刀具路徑程式，並具有群組技術的功能，涵蓋相似零件之設計特性和製造特性。
CAD/CAM系統的發展對製造業產生很大的衝擊和貢獻，它主要的優點有：
1.可以製造品質均一的產品。
2.可快速反應市場的要求，即時修改產品設計並加以製造出來，大為提高產品的競爭力。
3.可減少物料的浪費，降低操作人員的負擔、危險和持續性工作的疲累等，也能促進成本的降低和生產率的提升。
15.3電腦輔助製程規劃
電腦輔助製程規劃（Computer-aidedprocessplanning，CAPP）是針對與製造過程有關之機器，工模、夾、刀具、工具、模具，及加工順序和裝配等的安排，利用電腦做最佳化的處理，目的在避免發生人力浪費或機器閒置的情況，或不必要的加班趕工等。
尤其對於少量多樣化的產品或加工流程複雜的時候，必須藉助電腦之整合規劃方能使製造程序順利進行，達成準時交貨的目標。
電腦輔助製程規劃的型式有兩種：
1.擷取式（Retrievaltype）系統
又稱為變動式（Variant）系統或衍生式（Derivative）系統，是指以群組技術（GT）的觀念為基礎，對要製造的零件根據其形狀和製造特性的分類及編碼，在原先已建立良好的電腦資料庫中找出同一屬性的零件族，並擷取使用其標準製程。
若找不到相對應的零件族時，則尋找最類似的零件編碼，顯示其製程檔案後做必要項目的修改，再輸入電腦資料庫成為新增的一項標準製程。
2.創成式（Generativetype）系統
是指以專家系統（Expertsystem）所包含之零件幾何形狀、尺寸、材料性質、製造方法、所需的機器、輔助工具、執行的操作順序等眾多資料庫為基礎，當要製造零件的工程圖及相關資料輸入系統後，系統電腦會執行一套運算法則和邏輯判斷而規劃出一份最佳的新製程。
電腦輔助製程規劃的優點包括：
1.因製程規劃的標準化，可使製程規劃更具一致性，更合乎邏輯，而達到最佳化。
2.藉由資料庫的協助，可使製程規劃人員減少很多工作負擔及錯誤的發生，提升其生產力。
3.可縮短製程規劃的時間，因而減少製造的前置時間。
4.電腦列印的製程路線單（Routingsheet）此手工抄寫的整齊易讀，也較不會出錯。
5.可結合其它應用程式，例如成本估價，標準作業程序等，增進電腦支援製造自動化的功能。
15.4物料需求規劃與製造資源規劃
物料需求規劃（Materialrequirementsplanning，MRP）是指對生產相關之原料、外購零件、在製品、半成品、輔助工具和維修用品等之採購、庫存和管制等，利用電腦統計及規劃的能力以計量方式列出其細部排程，做為庫存管理的依據，並配合及時（Just-in-time，JIT）生產的觀念，使能夠有效地減少不必要的庫存所造成的資金積壓狀況。
物料需求規劃的觀念源自獨立需求與相關需求的區別及預測，突發性大量需求的處理，採購前置時間及製程前置時間的控制，和共同項目的安排等。
物料需求規劃系統的優點有：
1.可有效降低原料、外購零件、在製品等的庫存。
2.可有效減少交貨期的延誤，改進對顧客服務的水準。
3.可以迅速回應主要排程及需求的改變。
4.得到較佳的機器使用率。
5.提高生產率。
當把從人力資源到顧客要求等只要與製程有關的資訊都納入需求規劃，並整合生產規劃與控制的各種功能，然後連接財務管理系統，即形成製造資源規劃（Manufacturingresourceplanning，MRP-Ⅱ），可將物料需求規劃的特性擴展至整個生產系統的各部門。
它的另一重要特點是具有模擬功能，可用以模擬各種不同的生產規劃及管理決策時所可能產生的結果。
15.5彈性製造系統
彈性製造系統（Flexiblemanufacturingsystem，FMS）是指一個製造系統對產品有關的反應及適應改變的速率具有很高的接受及調整能力。
它必須兼具機械化生產及自動化生產的特性，可以有效解決熟練技術人員不足的困境、減少直接操作人員的省人化目標，和滿足產品生命週期變短及少量多樣化生產的發展趨勢的需求。
彈性製造系統的效益有：
1.可彈性調整製程的變更以適應市場上不斷改變之需求。
2.利用線上檢測刀具的損壞做即時更換以確保品質及減少不良品造成的材料損失。
3.有效運用機器設備，以避免機器閒置的浪費並增進其使用率。
4.減少各種生產資源庫存的積壓。
5.降低直接及間接人工成本。
6.增強對加工條件的有效控制。
7.增進改變產品生產數量或混合不同的類似產品製造時的調整能力。
8.達成低成本和高效率之生產目標。
彈性製造系統是配合CAD/CAM的整合，其構成要素包括
（1）主控電腦及系統軟體之控制系統，
（2）電腦數值控制工具機等組成之工作站，（3）物料自動化搬運及傳送之處理系統，和（4）人員參與之程式製作、監控、系統維護及操作等四大部份。
在製造系統的演進上，彈性製造單元（Flexiblemanufacturingcell，FMC）是大型FMS的一個工作站，此FMS的發展更早，甚至成功應用的可能性較大，且成長也比大型FMS更快速。
FMC和FMS比較時的主要優點有初期的投資成本較低，電腦控制系統較簡易，和操作及學習較容易等。
15.5.1電腦數值控制工具機
工作站（Workstation）是彈性製造系統中，用以執行加工及裝配等生產工作的主要現場，包括的設備有電腦數值控制工具機、工作台、機器人等。
其中電腦數值控制工具機是彈性製造系統的製造核心。
有關的介紹已敘述於第八章中。
可由使用之CNC工具機或DNC工具機之組合等級決定FMS的彈性程度。
CNC機器本身的主軸數、刀具存取系統（例如自動換刀裝置）的功能、夾具的種類、甚至工件清洗和工件後處理設備的型式，都會影響到FMS的功能發揮。
15.5.2物料處理系統
物料處理系統（Materialhandingsystem，MHS）是彈性製造系統中的動脈。
有關製造的原料，外購的零件，半成品，以至成品，均需經由運送的過程，從儲存區到機器附近的裝卸區，到工具機夾具的裝卸，加工完成後到檢驗、清洗、裝配和包裝等工作站，MHS都可以利用控制系統的監控作用及管理功能，使其按照規劃的路線，有效率的進行運送動作。
因為MHS的應用可使各個單站工作的CNC工具機和其它處理設施得以連接而形成一個生產系統。
FMS中所使用的MHS設備有單軌吊車、手推車、堆高機、滾子輸送帶、軌道導引搬運車、自動導引搬運車（Automatedguidedvehicle，AGV，又稱為無人搬運車）和機器人（Robot）等，其中彈性程度以AGV最大，長期以來即被使用於工廠和倉庫中，其導引方式有紅外線、雷射及視覺系統等。
機器人根據ISO的定義為一種由多個自由度的機構所組成的機械，通常是以一個或多個手臂的外型出現，其終端有類似手腕的機構，能夠夾持工具、工件或檢驗設備。
機器人適合於工作場所的空間有限，及所謂的工作性質重複而無聊（Dull）、骯髒（Dirty）或危險（Dangerous）的三D場合，或是高溫（Hot）、沉重（Heavy）或冒險（Hazardous）的三H情況下使用。
今日機器人的角色已從單純的取代人員執行上述之3D或3H工作，演進到提高生產力、增進產品品質和降低人工成本等積極性之功能發展。
自動存取系統（Automatedstorage-retrievalsystem，AS/RS）是使彈性製造系統之自動化加工機器設備得以完全發揮其功能的重要輔助裝置。
利用電腦的管理能力，可精確的控制物料，工具和成品等的庫存數量和放置位置，以及取用的順序和方式。
AS/RS系統即所謂的自動倉儲，其中物料存放的方式有拖板（Pallet）和箱型（Box）兩種，運送則可配合AGV和Robot等的使用。
15.5.3自動檢驗系統
自動檢驗系統（Automatedinspectionsystem）是彈性製造系統用來達成品質保持一致的工作項目，基本的方式有生產線上檢驗和生產線外檢驗兩種。
生產線上檢驗需利用靈敏的電子探針、雷射或視覺系統設備，在製造過程中即時檢測出加工誤差，並且立刻處理用以消除引起誤差的原因，減少不合格產品的繼續被製造。
生產線外檢驗則是在工件離開工具機後，到達獨立的的專門檢驗設備時再進行測量，例如座標量測儀的應用，其優點為可用於檢驗不同製造來源的工件，缺點則為無法在製造的當時立即發現瑕疵品並立即改進，因此可能造成生產的浪費。
15.6管理資訊系統
管理資訊系統（Managementinformationsystem，MIS）是指與生產系統有關的人員管理、物料管理、銷售管理、加工管理、製程管理、品質管理、財務管理、機具及電腦的軟體和硬體管理，均為利用電腦做統一的控制，以達成一致性的管理目標。
因此除了需要功能強大的共用資料庫外，必須有良好的通訊管道可以有效地執行各部門之間數據及資訊的傳送及溝通。
區域網路（Localareanetwork，LAN）則扮演者重要的通訊功能。
由於自動化是結合機械化和電腦智慧的成果，而彈性製造系統可說是大規模的自動化應用。
它使得生產系統中的各種工作能順利的運轉。
生產過程中所涵蓋的工作種類很多，需要處理的資料數量更是龐大，若用人力來做不但速度太慢無法應付，也會發生協調溝通的問題。
因此只有利用電腦管理各階層所執行的工作，形成各階層的控制系統。
然後再由電腦網路的連繫使各階層控制系統整合成一體。
然而各個工作階層之自動控制系統和電腦廠牌並不一定相同，要連結它們，需提供溝通的介面此即有賴區域網路的裝設。
15.7電腦整合製造系統
電腦整合製造系統（Computerintegratedmanufacturingsystem，CIMS）是將前面章節所敘述之各種與電腦輔助製造相關的技術和觀念整合應用而成，是自動化層次最高的生產方式。
CIMS的核心是共用資料庫，經由資料擷取系統（Dataacquisitionsystem，DAS）自動收集及分析來自各部門的資訊，並將處理過的資訊再傳輸給相關部門，如圖15.1所示。
CIMS的共用資料庫包含管理、財務、市場、規劃、設計和生產等六種主要資訊來源。
人工智慧（Artificialintelligence，AI）的應用可促進CIMS的發展更趨完善，使之進入知識工程（Knowledgeengineering）的境界。
圖15.1電腦整合製造系統之關係圖
理想的工廠生產模式是無人化工廠（Unmannedfactory）又稱為工廠自動化（Factoryautomation，FA）指的是一天24小時都可以進行生產製造的工廠，且不必有直接操作人員在工作現場，也不需要大量的庫存，機器設備的使用率能充分達成，並以最低生產成本，最高生產率的方式，生產品質穩定的產品。
人類扮演的角色則是有關生產資訊的收集和處理，然後對此無人化工廠的組成做適當的規劃、安排和調整，以達成最佳化的生產目標。
因此，可以說無人化工廠是電腦整合製造系統之功能發揮到極致的成果，將是製造業追求的理想境界。
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