弹性制造系统

典型的FMS系统

弹性制造系统（英语：Flexible Manufacturing System，简写为FMS）是因工业上可预期或不可预期之变更而允许弹性且可自动化生产的工程制造系统，其中以机械加工或制造产业为主，应用生产范围十分广泛，包括工艺、组立、机台和一些自动化的工作，这些系统可以达到不同程度的弹性，完全与该系统的组成器件有关。该系统常应用于需大量生产且变化性高的制造零件与产品组合工厂。弹性制造系统主要的特色在于生产过程中若更换产品类型时，并不需要频繁更换生产机械，只要利用电脑化的工业控制系统修正即可达成，以因应市场制品的快速变化要求，并可达到多样化且量少的生产制品的客户需求。协助工厂在生产过程中有可弹性调整的余裕，而不必受传统工法限制。

概述

正在进行FMS调机与教导的机器手，工作平台为CNC 铣床和CNC车床

弹性制造系统简而言之是就是利用电脑来安排机械来达到自动加工生产线的制造系统。可以由用户或研发者自定义一套生产系统，主要是利用电脑控制的机床，辅以生产装配装置、机器手，质量检验机器、自动光学检查等装置并搭配电脑集成制造（CIM）的物料搬运及仓储系统。

该弹性化通常被分为两类，细分如下：

• 第一类是“机器弹性”涵盖了系统制造新产品的应变能力及因零组件工序改变之应变能力；
• 第二类是“用途弹性”使用不同种机器装置得以执行相同工序之同一零组件，如同制造系统吸收大规模改变如生产批量、产能、生产力。

大部分弹性制造系统还有主要三个系统，结合各种分布式资料处理、自动化物流以及集成物料处理的工业制造系统。通常是用数个自动化数控机床（CNC）作为工作机器，并以输送带与机械手等物料输送系统来连接，以使零组件流程优化和中控电脑来控管物料运输及机械流程。

发展历程

早期工厂因人力成本低廉，多属劳力密集产业，工厂机械装置以手动操作与传统专用机为主。从1960年代后半开始，工业的生产工厂需要低生产成本及缩短完成交期，如此才可达到多样化的变化，并满足顾客对于产品要求于多样化的趋势。因此为了应付此种要求，需要一种适合众多种类且少量生产的生产系统。

定义与形式

FMS的理想是制造系统能够拥有人类富有无止境的弹性，又兼有自动化装置大量生产的特性，两者兼具为佳，但实际应用上却难以兼顾。以加工的工件为例子，对工件的种类坚持弹性，则生产方面便难以提升，而单一化进行加工则较容易大幅提高产量，但产品种类的弹性就会受限。

FMS的定义其实并无明确严格的区分，但是FMS主要是用于工业制造的系统，因此必须持有最低限度的机能，即使FMS的规模有大小之分，但都必须具备物料控制、生产管理、质量管理、监控管理、工具管理、自动化运转六大机能。FMS的形式同样也无固定区分，原因是在各企业之间千变万化的生产系统，因此FMS也在弹性化下以配合最适合该企业的形式为最佳原则。虽然以无人化自动工厂为目标，但仍需要人类一定的局部介入与配合才能运作。

弹性制造弹性可处理微小零件或大型组件之能力，允许各种变化性不同零组件组合及制造后续之工程，也可任意改变生产量以及变化特定范围的产品制造设计。

工业弹性制造系统由自动控制装置，电控机械装置，数控机械装置，检验仪器装置，电脑，感应器及其他坐落在该系统中之检验装置。制造业生产部门的自动控制装置其用途在可予多广泛类产品之高度生产力。每机器人单元﹙Robotic cell﹚和工作站结点﹙node﹚将伴随置于物料运输系统中如输送带或无人搬运车（Automatic Guided Vehicle，简称AGV）。每生产之零组件需要不同制造和工作站结点。所有零件从某工作站结点到另一结点的动作是透过物料运输系统去完成。在零件加工后已完成品将进入自动检验工作站结点及后续从弹性制造系统卸料动作。

特性

CNC机床

“弹性制造系统发送资料”包含大部分来自工作站结点、装置及仪表器具的短期消息及大笔系统所需的文件资料。该消息规模涵盖少数字元组到数百字节。执行软件和其他资料如造册在大规模文件中，当加工阶段之资料，执行仪器沟通之资料，监测状态之资料及从各小工作站回报之资料等。回报时间也有些差异，大笔程序文件从主要电脑下载到每仪器或从弹性制造系统开始之工作站结点﹙node﹚通常约要花60秒。仪表资讯需在决定性时间延迟﹙deterministic time delay﹚的某期间内提交，其他资讯类型运于短时间警急回报和传输与接收大部分瞬间消息。

弹性制造系统的可靠性协议（reliable FMS protocol）来支持所有FMS特性是现今急迫的。现存美国电气电子工程师协会（IEEE）所制定协议并不能满足现今环境之实际沟通需求。载波感测多重存取碰撞侦测（即CSMA/CD，为Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect的简写）协议延迟是指当一些工作站结点不受因消息碰撞增加而产生限制。标记（Token Bus）有决定性消息延迟但不能优先支持FMS沟通之沟道结构（access scheme）。权标环状（Token-Ring）提供通过优先次序和低消息延迟；然而该发送资料并不可信。单一结点（工作站node）失误通常发生在通过该工作站结点之发送错误。另外，权标环状的拓扑（一种实体网络架构的类型）也是需要高等布线安装网络及成本。

FMS通讯协议设计支持即时沟通时间和延迟／故障回报消息和即时回应任何紧急信号之需求。因为工业生产过程中常见过热、尘埃和电磁干扰（EMS）产生之机械失误和故障，因此需要一优先机制和即时紧急警报消息并且运作适当传输回复程序。标记（Token Bus）修改实行于一个优先通路机制，允许短且低延迟传输消息以及较长消息 。

优缺点

弹性制造系统主要优点是管理制造资源（如投入研发新产品之制造时间与管理）之高弹性，弹性制造系统之最佳应用是如同大量生产的小批量生产，其优点是较快速，较低单位生产成本，较好人力生产力及机器效益，质量改善，增加系统可靠度，减少零组件库存及电脑辅助设计与制造 （CAD/CAM） 运作之适应力。但缺点是导入阶段需要投注一定时间、技术与成本来建构系统，尤其是大型FA工厂，因系统运作后最大效果制品的制作时间为以往的1/3，操作人员亦减少1/5，但为了如此大规模自动化生产装置，除了建构成本之外，还需要投入更多搭配的副系统和累积固有的技术，绝对不是一朝一夕可达成。

以机加工为例，零点定位器搭配机械手使工厂能完全掌控机械的产能、工时，但想达到弹性的同时，还需要考虑刀具数量，刀数越多便成能有更多工艺的组合，以利面对需求能随时调整搭配。

参考书目

• Manufacturing Flexibility: a literature review. By A. de Toni and S. Tonchia. International Journal of Production Research, 1998, vol. 36, no. 6, 1587-617.
• Computer Control of Manufacturing Systems. By Y. Korem. McGraw Hill, Inc. 1983, 287 pp, ISBN 0-07-035341-7
• Manufacturing Systems – Theory and Practice. By G. Chryssolouris. New York, NY: Springer Verlag, 2005. 2nd edition.
• Design of Flexible Production Systems – Methodologies and Tools. By T. Tolio. Berlin: Springer, 2009. ISBN 978-3-540-85413-5
• 薛明辉、蔡明宗. FMS與綜合加工機應用. 全华科技图书股份有限公司. 1992年4月再版. ISBN 957-21-0009-2 （中文（台湾））.