■耀德講堂 / 邱耀弘 博士
緣起
日本的花王株式會社(Kao Corporation)所屬的小田原工廠在2021年開始，針對少量多品類的化妝用產品，導入柔性系統──動態單元生產(Dynamic Cell Production, DCP)，這是一種全新且具有高效能的設備與智慧控制系統，該項生產技術已經投入生產並獲得不錯的評價。身為ASM雜誌的探子Dr.Q可不能讓讀者不知道這項科技新知，一起來瞭解這個創新的製造技術，更新一代的工業革命已經悄悄地發生在您的身邊。
楔子──工業革命的世代
ASM的讀者可能沒有意識到工業革命對我們的影響，但是不可能不知道中國的戊戌變法和日本的明治維新中最重要的就是學習西方工業革命的精髓，包含早上準時上學、上班，把人類從7歲開始便訓練成工業革命需要的大量人才，拋棄過去沒有時間規律的教育與工作方式，大舉推進人類文明並延長人類的壽命。工業革命的世代可以瞭解如下：
- 工業0機械化（從1760-1870年）
蒸汽或水牽引的動力機械作為生產設備取代原始的人工製造，代表人物詹姆斯·瓦特（James Watt, 1736-1819，英國），他發明蒸汽機成為此時代的代表。
- 工業0電氣與自動化（從1870-1950年）
內燃發動機和發電機的發明使製造設備更精準，代表人物是湯瑪斯·阿爾瓦·愛迪生（Thomas Alva Edison，1847-1931，美國），他發明的電燈和隨後電力的系統供應開啟這個時代。在後期的自動化取代人力已經很普及了，這也拜電氣化的機械設備使然。
- 工業0電腦與網路化與環境影響意識（從1950-2010年）
由於電腦以及網路的資訊發展，應用連結全球各地，此階段使產品製造的精度和數量能突飛猛進，但人類也意識到工業發展導致環境惡化的問題。此階段太多代表人物就不羅列在此。
- 工業0智慧化（從2010年至今）
電腦輔助加工製造已經在上一世代發展成熟，再來就考驗電腦的處理能力，人工智慧加上光學傳感器將成為這個世代的主流。同時大量製造已經不再是問題，反倒是少量、多樣、快速的即時生產和零庫存、是這個世代的考驗。
什麼柔性製造系統？
在瞭解DCP之前，首先來瞭解柔性製造技術（Flexible Manufacturing Technology，FMT，就是臺灣翻譯所說的彈性製造技術），這是一種優先考慮適應性的生產方法。因應時代的變遷，製造業運營一定會面臨訂單長短、急緩的問題，不論產品是大型還是小型的體積或重量。FMT旨在使製造產線能適應訂單數量變化，且不影響品質、預算或生產達交日期的一種技術。
FMT必須利用各時代的先進技術以適合訂單需求且快速準確地即時變化來調整生產，以進行所謂的按「訂單製造」的生產流程，事先和客戶決定產品規格和其他細節，然後排佈生產計劃。FMT起源可以追溯到二次世界大戰結束之後的1950年附近，當時美國工業工程師和發明家傑羅姆·萊梅爾森（Jerome Lemelson，1923-1997，美國。他是繼愛迪生之後的發明大王，擁有極多專利）率先提出這個概念並被寫入教科書。他設計使用機器人來協助進行各種生產任務，例如焊接、組裝和產品檢驗，以取代大量的人力，避免人為失誤。直到二十年後（1970年），這概念逐漸變得實用並被廣泛推廣，隨後便被美國和歐洲的工廠廣泛採用，當時第一台電腦控制的機器被開發出來用於製造。這些機器可以執行各種任務，比傳統的製造設備靈活得多。
因此導入製造機器取代人工、隨時代進步引入新技術（電腦輔助計算、傳感器、自動搬運、光學攝影、AI大數據模型……等）提高生產的效益，成為FMT演進的重要考慮。
挑戰和商機
少量、多樣、快速的即時生產和零庫存是製造工業由1.0發展到4.0至今，最具挑戰的問題，因此不安於室的創造者們（那些偉大的老闆們），開始思考如何在少量多樣的市場上抓住生意機會。在寫這篇專欄時，我把目前網路銷售的理論模型解釋給各位讀者聽，已經有許多電商和產品製造者分工，電商不建立庫存，改採用「直播帶貨、接單收款、下單製造、快遞出貨」的模式，這是過去傳統習慣於大量製造的產業所沒有的經驗和想法，也挑戰了產品製造者是否能夠即時製造出產品，以達到準時交貨的目的。目前大陸境內的電商和製造工廠已經逐漸替換成這種模式，這導致少量多樣的產品能夠迅速被製造和流通。而目前最大的考驗便是產品製造者要是如何建立適當的產能和多少的庫存，這是一直以來困擾著許多製造者的難題。
什麼是動態單元生產？
在早期大量需求的產品出現時，產品製造者都是以一個流單元生產(One Piece Flow – Cell Production, OPF-CP)模式來佈置製程完成產品的生產，在生產過程中以單件流動通過每站的加工逐漸完成製品。這個方式相信讀者們自家的公司都非常熟悉這個方法，不論是過去或現在，OPF都為全球工廠賺得盆滿缽滿，大量生產的效率和效益毫無疑問地都可以藉由穩定OPF來實現。如圖2所示，OPF的特色非常清楚，產品開始在生產線一個個的流過，並且不會再逆向回頭。
OPF的生產模式並沒有甚麼問題，但當產品的訂單數量不足時，生產線要切換其他的產品製造，那就會產生許多問題。換線生產時，不僅要進行設備的更換與調適，物料也要更新，許多公司寧可多放幾條線專用，也不願做換線切換的工作，相信業界的讀者們都瞭解換線切換後還要一段時間來適應生產，這是相當令人頭痛的。然而化妝品產品少量、多樣的訂單是很明顯的趨勢，那有沒有更好的辦法來進行有效率的製造呢？對此，花王公司想出了一個有效的辦法──動態單元生產(Dynamic Cell Production, DCP)。
OPF的流水線產品是不可以回頭的，更別說無順序的生產模式。然而，新的DCP採用的是一種可「無序」的生產模式，已經打破過去所謂的OPF的產品流向準則。怎麼說呢？其實這個準則早在半導體工業應用多年，根據其多年的經驗，晶圓的生產線並非是一條實體線，高級且昂貴的設備不可能買很多並到處放置，且考慮到故障和世代更新的可能性，也不可能一直重新擺設生產線，因此通常設備被固定在一個位置之後就不再移動，各個設備之間使用軌道系統連接並做成如城市中的鐵路（捷運 / 地鐵）系統一般的佈置，晶圓通過帶有條碼的裝載托盤（車廂）在軌道系統來回移動，中央指揮系統來導引每盤晶圓要移動到下一個加工工站，如此一來，我們只要不斷的架設新的設備與軌道系統，藉由系統規劃生產就可以有效率的運用設備，並完成加工多種規格晶圓的目的。注意，軌道系統可以是單向但也可以往復運動，這樣晶圓托盤便能任意移動到下一個可加工的設備上去，設備接收到晶圓托盤後便會自動根據托盤上的條碼辨識出所需要執行的工作參數，進行晶圓的加工程序。
目前化妝品製造業並不如半導體那般能有這麼多經費來建置軌道，不過藉鑑半導體的製造概念還是可以的，花王看上一種虛擬軌道的技術──磁懸浮技術 (Magnetic Levitation Technology)，利用這個技術建立出如圖3所示的生產方式，簡單的示意圖來表示DCP的模型。DCP的模型包含下列三大項：
- 利用磁懸浮動子可以在可控的電機定子上四軸向(+/-X, +/-Y)前進後退任意方向移動、有限度Z軸飄浮(+Z)與Z軸自轉、有限度傾斜（向自由度），並托運著產品（1~數個）移動到設備定位予以加工，每個動子都可以獨立的接受來自定子上的指令。產品被放置在動子上，被動子載運到不同工站去加工，動子上可以根據需求擺放1~N個產品，並裝置夾治具甚至是獨立的移動式能源等配件；動子進入加工工位可以是排隊也可以是無序的進入，這可以套用AI控制系統使加工設備發揮最大的效能，因此無序的動子不再被限制不可以回頭，其實後臺系統早已經根據大數據以AI控制加工過程。
- 電機定子用來驅動並磁懸浮動子的運動並給予控制，等於是虛擬的軌道，提供定子運動的範圍並可以利用其他結構的組合如輸送帶、推桿、升降梯等來擴充和延伸動子的運動範圍，以經濟有效地發揮定子的功能。
- 加工設備，每個工位元配置的加工設備甚至包含機械手來協作(Assist in production)，大幅增加了生產的運動自由度；值得一提的是，工位工作可以是泛用工作（例如填充、沖洗、貼標、旋蓋等），但也可以是專門加工，取決於工位上的傳感器配置、工具和治具的設計。
※關於更詳細的影片，各位讀者可以到花王的官方網站(www.kao.com)搜尋關鍵字“DynamicCell Production, DCP”，甚至還有中文版的PDF介紹可以閱讀。
動態單元生產的特色
注意到DCP的最大限制是在磁懸浮系統動子的載重能力和定子的控制範圍，其中動子決定了可裝載產品和夾治具與額外配件的總重量，定子決定的動子裝載產品的運動範圍與運動模式，但是歸納其特色包含下列幾點：
- 傳統OPF無法實現的複雜混線生產，對於DCP而言卻是輕而易舉，且換線時間極短，甚至不需要。只要事先規劃產品的類別以及加工工站的形式，也就是成組生產(Group Production)，例如大小不同的瓶瓶罐罐，都要經歷類似的工作（例如填充、沖洗、貼標、旋蓋等），那麼只要系統將下一個推入的磁懸浮動子編號讀取到後，加工設備包含整個協作系統便會根據事先規劃的產品進行加工與製造；
- 節省人力與避免人為失誤，這是工業0以來都在不斷實踐的標準，除錯與防呆能力越來越好；
- 節省工廠的空間，不至於被單一產品占據整條生產線，一條生產線可加工多種類產品，同時還可以無限的擴充；
- 只要是已經被納入系統的產品，接單一個也敢生產。
本期小結
Dr.Q在想，關於工業1.0到4.0的世代變化，產品在生產線的運動從人力到自動化移動，再到數位化，這個演變可能是比較少人注意的，從早期的線性單向移動包含人工傳送（最早還使用人工打鼓控制生產節拍，好比划龍舟的鼓手）、單或多軌道組合、電機輸送帶和推桿等，到了近期的有軌與虛擬軌道的自動搬運車(Automated Guided Vehicles, AGV)、先進的磁懸浮系統，甚至未來可能運用到無人機做為產品運動系統，這也就不用太驚奇，作為ASM雜誌的讀者們應該要感到幸福，只要跟隨著我們的雜誌，您也可以「秀才不出門，能知天下事」，一部手機或電腦，我們就可以把最新的科學和技術的觀念傳達給您，歡迎多多閱讀並分享！
