让制造业DX成为现实的智能工厂

什么是可以灵活、快速地应对变种变量生产的理想单元式生产方式生产线？

2022/07/20

自18世纪中叶开始的工业革命以来，制造业的王道一直是通过少量品种的大批量生产来进行高效生产。许多制造企业通过减少生产的产品种类、实现工序的机械化和自动化，向市场提供了大量低成本、高质量的产品。

然而，近年来，由于消费市场的变化，制造业的竞争环境正在发生巨大变化（图1）。为了应对市场全球化、消费者需求个性化以及信息时代的消费趋势快速变化，必须实现在频繁变更规格的同时生产和供应所需数量的多种产品，即“变种变量生产”。

单元式生产线适合进行变种变量生产，但生产率难以提高

为了应对变种变量生产，构建单元式生产线的制造企业越来越多。单元式生产线是一种由一个人或少数几个人组成的作业小组完成产品生产工序的生产方式（图2）。由于每个单元都能独立生产，所以能够同时并行分别生产不同的产品。

适合进行少数品种大量生产的生产线生产与适合进行变种变量生产的单元式生产之间的差异图片 — 图2 适合进行少数品种大量生产的生产线生产与适合进行变种变量生产的单元式生产之间的差异

此外，1名作业人员可以处理的作业范围很广，能够根据生产的产品品目和数量酌情调整作业量，这一点也适合进行变种变量生产。更换生产品目时使用的零部件、材料和夹具的作业被称为切换准备。在单元式生产线中，基本无需停止生产线即可进行切换准备。

另一方面，在单元式生产线上，产品的低成本和高质量难以实现。这是因为手工作业会增加。为少数品种大量生产中使用的特定作业而优化后的专用机只能重复相同的作业，因此无法应用于单元式生产线（图3）。例如，食品厂有将卷心菜切成细丝的机器，但使用同一台机器无法炒菜和切肉。虽然不够灵活，但这份代价换来了高效率和高精度。

专用机、机器人、手工作业的适用性图片 — 图3 专用机、机器人、手工作业的适用性

来源：日本经济产业省（PDF）
（仅有日语）

要在单元式生产线上实现成本和质量与少数品种大量生产的工业产品相同水平的变种变量生产，需要技术突破。这是智能工厂应该挑战的课题。

人和智能机械互相协调的动态单元式生产

通过积极利用机器人、物联网和人工智能 (AI) 等先进技术，解决传统单元式生产线的这些问题的活动已在积极开展。这种新的生产方式被称为“动态单元式生产”。

如今，引进工业机器人的少数品种大量生产的生产线并不少见。与只能执行特定作业的专用机不同，工业机器人可以通过工程师向其传授的作业动作来应对各种各样的作业。因为它本来就具备适合用于变种变量生产自动化的特征。但是，工业机器人在单元式生产线中基本未被使用。这是因为坚固的外壳在人附近高速移动可能会导致事故。

然而，近年来，人们开发出了能够与人共存的工业机器人，称为“协同机器人”，在单元式生产线等处正在逐渐得到使用。随着协同机器人的出现，人和机械已经能够分别专注于各自擅长的领域并进行合作，提高了单元式生产线的生产效率和质量。协同机器人配备了各种安全功能。有的协同机器人非常先进，其所具备的安全功能与无人驾驶汽车相同，能在检测周围环境的同时不对人和物造成伤害，安全地完成作业。实现这一功能使用了先进的传感器和人工智能。

将经营、营销、销售和工厂的数据进行连接

变种变量生产的目的是为了应对市场需求的波动，及时生产和供应所需数量的产品。为了实现这个目标，一些制造企业已经在致力于构建一个让企业基干系统、工厂的生产/质量管理系统、生产线控制系统联动的机制（图4）。

从企业基干系统到工厂的生产/质量管理系统、生产线控制系统，进行一气呵成式的联动和管理图片 — 图4 从企业基干系统到工厂的生产/质量管理系统、生产线控制系统，进行一气呵成式的联动和管理

制造企业的生产计划是综合考虑企业的各种因素而制定的。典型的例子是表示企业目标实现状况的KPI（关键绩效指标）、市场需求变化等营销信息、产品订单状况、生产所需零部件和材料的订购信息等。迄今为止，负责人一直根据以往的经验制定生产计划。现在，通过整合制造企业各部门掌握的各种信息，利用人工智能进行分析，已经可以准确预测未来市场所需的产品种类和数量。

通过让管理企业内部信息的基干系统（ERP）与在工厂管理生产计划和作业的生产系统联动，可以构建一套快速、顺畅地应对市场变化的体制。制造企业的这种新型信息系统还对采取适当措施应对因灾害或传染病而引起的供需平衡突然波动和供应链中断等构建具有弹性的业务体制有积极效果。