前 言

近二十年以来，由于计算机、控制设备、机械自身在结构和功能方面的发展，机械工厂的形势正在发生划时代的变化。用计算机来控制几台数控机床的柔性加工系统的出现，实现了多品种小批量生产的自动化，采用这种系统，还成功地实现了机床的夜间无人操作运转，使机床运转率飞跃上升。再者，工业机器人这一新型作业机械的诞生，使至今一直由人来进行的材料搬运、焊接、油漆、装配等作业，也可能逐渐实现自动化。利用计算机还使部分机械设计和按照设计要求的生产准备作业实现了自动化，用计算机也开始承担起机械工厂在管理方面的调度、作业进程和产品质量管理工作。在这类机械工厂内，当各种活动都一个接一个地实现自动化和高效率的时候，再把它们统一协调起来，那么，就能逐渐实现进一步提高机械运转率、提高生产率、缩短生产周期的愿望。

本文是关于工厂自动化的展望，尤其是对其中被认为是重要课题的机械加工自动化，机器人的应用，自动化和计算机辅助设计、加工系统的结合，机械工厂的生产计划、生产管理系统等的现状和未来前景的概述。

机械加工自动化

在机械工厂中，机械加工所担负的零件加工数量最多，耗费的劳力和工时也最多，因此，它是自动化的最大课题。正如前面已经提到的在各种场合的自动化那样，用计算机来集中管理几台数控机床，同时又控制工件和工具流动的柔性加工系统已经相继地一个一个建立起来，它对多品种小批量生产的机械加工自动化，作出了巨大贡献。特别是由于让这种系统具备了监视加工作业和机床运转的功能，就有可能做到在夜间进行一次或者两次换位的无人操作运转，从而，大大地提高了生产率。现在最成功的一例是，由6 ~ 10台加工中心组成的系列型柔性加工系统，这种系统一个月的运转时间是400小时（运转率约为55%），系统的平均故障间隔时间是200小时（即一个月1 ~ 2次系统故障）。在某机床制造厂，设置了6个这种柔性加工系统，这些系统承担了该厂大部分的零件加工任务，把机床生产周期从原来的3 ~ 4个月缩短成4个星期，取得了惊人的效果。

但是，原来的柔性加工系统的大多数系统，加工一个零件所需的时间都比较长，一般需要1 ~ 2小时，因此，能加工的坯料，或者说随行工作台的台面积还不那么大。估计柔性加工系统今后的发展方向是，要更加适合于加工那种工时短（譬如10 ~ 30分钟）的零件。到那时，在一个随行工作台上，可以装夹上多个零件，而且还应该逐渐研制出由零件的自动码垛设备、立体仓库和堆积机组成的多个零件成品库。此外，即使在汽车产业部门那种大批量生产型的机械工厂，加工零件中需要进行大批量加工的种类并不多（每月500左右），另外还有需要变换多种加工种类的零件加工，为了实现这类零件加工自动化，正在寻求一种生产节拍时间为2 ~ 4分钟的新型柔性加工系统。在这种场合，大概就希望研制出大幅度削减原数控机床功能的价格低廉的专用数控机床。这样一来，就可望在最近的将来，在汽车工业、家用电器产业等大批量生产型产业部门中，还有可能设置许多柔性的高度自动化加工生产线。

为了提高柔性加工系统的运转率，不仅要提高每个构成机械的可靠性，而且也有必要逐渐使柔性加工系统具备在机械发生故障时，重新调整运转程序的功能，具备收集和分析各构成机械运转状态的监视信息的功能。在这种由几台以上的机床组成的柔性加工系统中，要想传输系统中的大量信息，普通的通讯线的容量是不够的，今后，有必要设置用光导线制造的数据高速通路，而且，据此大概还能求得数控装置的改善。

目前，柔性加工系统硬件上的最大弱点，是无人搬运台车的价格高、功能和可靠性低。要使柔性加工系统各种功能都很完善，不能不说还有一个长期过程，然而，一般都希望能尽快大幅度降低成本，在需要使用电池时能自动切换电源，改善系统所具有的功能、增大平均故障间隔时间（最少要使平均故障时间达到2000小时）等等。

以往在制订柔性加工系统计划的时候，大多针对的是加工零件比较类似、加工工序也较短的机械加工，因此，如果对柔性加工系统的生产方式具有坚定不移的信念，那么，在这种信念的基础上进行系统设计，就一定能得到满意的结果。但是，如果加工的零件种类越来越广泛，加工工序越来越多，那么，就将越来越超出在机械选择方面的制约，因此，为了使系统运转达到最佳状态，在研制柔性加工系统时，要预先充分地进行模拟，在模拟前，应该预先确定机械的配置方案，搬运台车的台数和速度，选择作业的优先规则等。

依靠机器人，实现各种作此的自动化

机器人是工业上十几年前才开始使用，现在已经实用化了的，完全新型的作业机械。随着机器人用微型计算机、各种控制设备以及信息处理技术和控制技术的发展，越来越迅速地扩大了机器人的适用范围。在初期阶段，机器人被用于高温下和危险环境中简单的材料搬运作业。随后，用机器人成功地实现了薄板点焊，进而是厚板弧焊、油漆作业，并逐步成功地实现了复杂作业的自动化。据认为目前的状况是，现有的机器人虽说主要采用教学重演方式，但却是一种可编程序的机械，对设计变更也能适应；这种垂直多关节机器人，因为是开式结构，定位精度不高，然而，能摄取的作业空间较大，适合于机器人附近的作业；由于有关人员的积极努力，机器人的平均故障间隔时间，从初期的几百小时，已经逐渐超过了2000 ~ 3000小时。

随后，是普及比较小型的直角坐标型和水平多关节型机器人。这种机器人把定位精度提高到了0.05 ~ 0.2 mm，已经开始用于装配作业的自动化。现在正在迅速开发小型电器制品、家用电器制品等自动装配系统，而其中的装配站，用几十个乃至100多个系统装配1种、有时是近10种类似制品时所采用的装配循环周期，装配小型电器制品是0.8 ~ 1秒，装配家用电器制品是5 ~ 30秒。今后，在不长的时间内，这样的进步还会暂时继续下去。再过一些时间，在电器产业、汽车制造业，将逐步向实现自动装配数量很多的中型机械零件发展。

在用机器人来实现自动化的领域中，今后的研究课题，第一个是实现机器人的脱机程序。现在所采用的教学重演式的程序方法，在单独使用机器人时间题较少。然而，在生产线上使用时，由于更换作业的工时数急剧增长、生产线停顿时间过长等原因，正在接近使用的临界点。该课题在研究初期，将像数控自动程序那样，依靠借助于图面的动作指示型机器人语言的脱机程序设计系统，不久以后将转向依靠计算机内的零件模型的更高级的作业指示型程序设计系统。

课题之二就是赋予机器人以包括视觉在内的认识功能。现在的中型以上的机器人，由于它本身机械结构所带来的限制，不可避免会出现大约1 mm的位置误差；要是作业对象又是大型件，那么，作业点本身往往就带有微小的误差；在装配作业那样的场合，为了让机器人坐标系和装配件坐标系在所要求的精度内取得一致，要是打算花费一些资金，使用定位装置、随行工作台等设备，那么，机器人就要具有使上述两个坐标系取得一致的适当的传感器，在伺服系统的循环周期内，使其在控制指令下进行坐标变换。以上这些都是第二课题务必需要完成的。

第三个课题是降低机器人和机器人外围设备的价格，提高机器人作业的可靠性。一般认为把现在的机器人用于装配作业时，它的作业量相当于作业人员的0.6 ~ 0.8左右，从机器人的构成零件数和装配工时数、控制设备的价格等来考虑，为了让机械人能逐渐在众多的机械工厂里得到使用，正在期待着把机器人的价格降低到一、二年前的1/2 ~ 1/3。实际上，在一部分小型装配用机器人方面，这种愿望就快要实现了。在装配作业方面，零件供给装置的价格和零件自动供给的可靠性的高低，不可否认已成为实现自动化的巨大障碍因素。总之，机械工厂的高生产率自动化的实现，决不能受到工厂生产设备能力低下、软件开发能力低下等因素的阻碍。

如前所述，随着无人搬运台车以及机器人研究课题的逐步完成，机械工厂内的许多作业的自动化就能达到相当的水平，即使在装配作业中，就多数作业而言，50%以上实现自动化的日子，大概也不会那么遥远了。

工厂自动化与计算机辅助设计、加工相结合

—旦机械加工作业能一个个实现自动化，那么，人们对机械工厂内各环节的注意力，自然就会逐渐转向由许多人从事着的工程技术工作，尤其是产品设计和生产设计工作。

让计算机从事机械设计工作的设想，在二十年前就已经提出来了，当时由于还没有出现用计算机处理物体形状的技术，因此，这种尝试没有成功。过了十年以后，提出了在计算机内生成立体模型（整体模型）的方案，研究出了立体的生成、变形、合成等处理方法，自由曲面的表现方法，模型的表示方法，输入方法等技术，现在，借助于计算机，把这些方法作为推进机械设计的基本工具来说，要大致齐备才好，但是这种立体模拟系统，由于对模型处理还需要时间；它的输入和输出，尤其是输入对使用者还很不方便等原因，因此，除了在部分飞机制造业和汽车制造业使用以外，还没有达到实用阶段。

针对这种情况，在初期梦想用计算机来进行机械设计的人们，后来采用了类似机械制图的线型模型（线型结构模型），很早就开发出了表现立体的模拟系统。当然，由于线型模型不能完整地表现立体，因此，把它作为一种工具，一开始的机械设计工作是很困难的，然而，让设计工作在纸上大体完成以后，在计算机内把设计图面化时，这种模型却具有足够的功能，而且，对于线型模型来说，正因为模型简单，计算时间也短；为了早期商品化，在便于利用者的使用方面想了很多办法等原因，近几年内，这种CAD（Computer Assisted Design－计算机辅助设计）系统，已迅速普及，现在，就是在日本也已经有200套以上的CAD系统被各企业的设计室所引进，在设计，尤其是制图的自动化上取得了显著成效。

原本的机械设计，是根据对机械提出的功能上的要求，先进行概念设计，在此基础上，一边对原设计进行充实加工，一边对机械的运动功能、强度、振动、温升等项目进行技术解析，在设计中如果出现不合规格的情况，或者有了新的设计构思，就要随时变更模型，反复进行修改，直至最终完成。尚且，在设计中还有必要参照以前的知识，因而，作为未来计算机的设计系统和CAD系统来说，就要求它具备能把立体模拟系统作为工具、参照知识文件的功能；还要具备能根据模型来生成工程技术解析程序的输入，据此再研究解析结果的功能。当然，在开发过程中，还应该把如像热处理、尺寸公差、表面光整加工等技术数据增添在模型上。

无论什么样的形态，在设计过程中，只要是计算机内能生成物体的模型，那么，利用这种模型当然就能进行下一步的生产设计，譬如进行工序设计、作业设计、工模夹具设计、生成数控机床和机器人的控制指令等。

但是，在上述那些作业中，工序设计、工模夹具设计等在以前几乎都没有形成体系，大多是根据生产技术人员的技能和经验来设计的，因而，根据物体的模型，用计算机来确定譬如工序设计，即物体的加工顺序和各工序所使用的机床，就一般来说是非常困难的，为此，采用现在盛行的计算机进行工序设计，是根据物体的形状以及加工技术的特色，把工序分成各种类型，而且按照各种类型的特征，找出工序的变化规律并把它程序化。这就是采用程序化后的变化法（Variant method）工艺设计。采用最普通的创成法（Generative method），工艺设计，通常认为是把生产技术人员的技能、经验规范化，构成一个专家系统（Expert系统），不过，这些在目前都还处于研究阶段。总之，还很难说用计算机进行工序设计会成为非常实用的办法。

如果与工序设计的困难程度相比，自动生成数控机床的控制指令大概要比较容易一些，这是由于这种自动程序设计系统长期以来已经达到了实用水平，还由于可以做到根据物体的模型，结合而生成它的输入程序。此外，即使是不使用现有的系统，对于工具的运动路线来说，也只是工具尖端半径偏离加工面的几何学问题，因此充分采用各种加工方法、工具形状、加工条件等加工技术信息，与CAD系统相结合也可以制成专用系统。在市面上出售的CAD系统中，就是这种限定了使用范围的专用型，而配有切削用的CAM（Computer Assisted Manufacturing）计算机辅助加工系统的是普通型。

如前所述，机器人的程序设计在本质上与数控自动程序设计是同样的，如果了解了使用机器人所担负作业的特性后，要确定机器人的规格，那么，根据物体和机器人的模型，生成作业所需的控制信息，在技术上是没有什么困难的。在最近的将来，这样的系统大概会一个个相继制作出来。而且，在计算机上，通过这些运动控制指令来制作模拟程序而如果能预先充分消除误差，那么，当机械工厂中具备了这种程序的时候，就不必由人来亲自操作便可进入实际作业，这对缩短生产准备时间、检验时间，可望取得较大效果。总之，为了使柔性加工系统和机器人能高效率运转，根据CAD系统的输出，直接执行这些脱机程序的CAM系统在最近的将来大概会广泛地使用起来。

调度和生产管理系统

像上述那样，从设计到个别作业的全过程要是能与计算机相结合，接下来的工作是为了把整个机械工厂有机地统一起来运转，这就必须编制生产计划，也就是为了调度和生产过程管理，必须编制计算机程序。

就复杂的生产系统来说，为了完成所制订的生产计划，要寻求到一个最适当的调度方案，这是一件很困难的事情。然而，把机械工厂适当地划分成几个区段，在各区段中，根据每项工序的生产时间求得各工序的负荷量，依照适当的优先规则按工序顺序倒过来一个一个地解决，采用这种历来平衡负荷的办法，就能充分有效地进行生产调度。如果提高作业的自动化水平，那么就能更正确地计算出在各工序、工位上的作业时间，因而调度也就会更加精细，当然就能做到减少必要的修正工作。再者，在进行这种生产调度的同时，也要准备好外购件、外协件订货程序、工模夹具准备程序、工厂内物品流通程序等等，必须按照生产进度表，由这些程序发出恰当的指令。生产管理程序要在适当的期间内，发出作业指令和这些作业的附属指令，同时收集各工序的生产结果，根据生产结果实施产品的进度管理、工序管理、库存管理，甚至实施对各种实效评价和成本管理。现在，许多机械厂引进了计算机并采用某些形式来实施统一的生产管理后，在缩短生产周期、减少库存量、改善生产方式方面收到了较好效果。但是，即使在能够较好地进行相当生产管理的机械工厂中，从投入原料直到完成产品运出工厂的期间内，实际的作业时间所占的比例只是很少一点，除去必要的搬运时间后，工件在各环节总的滞留时间超过了实际作业时间的20倍，这一事实说明在工厂的全部生产环节中尚有许多值得改善的工作，或者可以认为，明显存在这样一种事实，用生产管理系统把工厂内的全部生产环节统一起来的工厂自动化（FA），对于能进行改善的工作将具有巨大的意义。

结 语

关于工厂自动化的现状和未来前景已经概述过了。现在把要点归纳如下。

（1）用计算机集中控制数控机床、零件、工具的搬运装置的柔性生产系统的引进，尤其是夜间无人操作运转的实施，使多品种小批量的机械加工生产率飞跃上升，这种生产方式将逐渐转向中批量生产。

（2）机器人这一新型可编程序生产机械的发展，加速了材料搬运、点焊、弧焊、油漆等作业的自动化。最近，正在努力提高定位精度，促进装配作业自动化。

（3）今后，为了逐步提高依靠使用机器人工作的各种作业的自动化效果，希望能够实现机器人的脱机程序设计，赋予机器人以认识功能，提高机器人的可靠性，大幅度降低机器人制造成本。

（4）作为商品出售的CAD系统的功能，虽说还不那么完善那么高，然而已经相当普及，在设计，尤其是制图作业的自动化上收到了很大的效果。今后，在立体模型的基础上开发CAD系统，可望有效地辅助设计人员的创造活动，缩短设计周期，确保设计性能。

（5）依靠CAD系统，在计算机内从能生成制品模型直到可在计算机内直接进行工序设计、作业设计，由于实施模拟，有效地缩短了生产准备时间。

（6）对于机械工厂的全部生产环节，由于采用生产管理用计算机来进行生产调度，发出作业指令，而且还用它来收集作业结果，进行进度管理、工序管理、实效评价等，这一切很明显地使自动化管理成为可能，在缩短生产周期、减少库存量、降低成本等方面将收到巨大的效果。

[（日）情报处理，1984年第25卷第4期]