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机械资讯 772期
不一样的智慧制造之路－からくり改善

文/王逸琦(1)，片山博(2)，陈亭志(3)
(1)逢甲大学工业工程与系统管理学系教授/
台湾精实企业系统学会理事长
(2)早稻田大学名誉教授/逢甲大学
工业工程与系统管理学系特约讲座教授
(3)国立交通大学工业工程与管理学系特聘教授

摘要

强大并具备弹性的制造现场改善能力是一间公司竞争力的源头，现场第一线从业人员能否愿意运用其智慧，持续改善将工作增加价值是为关键，日本江户时代的からくり机关人偶，非常适合用来启发今日的制造现场人员，对于困扰其生产之事进行改善，减少各种浪费与损失，进而提高生产力，这乃是精实制造独一无二的人才培育方式。除此之外，透过からくり改善能让工作环境更安全，落实节能减碳，最重要的是让工作变轻松，活用巧思的からくり也让改善活动变有趣变好 玩，若再搭配适当的奖励机制，让努力改善的员工有机会公开展现其改善成效，并且受到公司与同侪的鼓励与赞美，员工感到开心并更有自信，单调的工作场域将转变为活泼且充满智慧的制造现场。

智慧制造

近年来在德国率先提出的工业4.0引领下，下世代的制造系统必需具备高弹性、高度客制化能力并能以极短的生产前置时间制造出高品质的商品。其中智慧制造扮演关键角色，而智慧制造包含多项重要元素如[1]： 物联网 (Internet of Things, IoT)、虚实整合系统(Cyber-Physical Systems, CPS)、云端运算(Cloud Computing)、大数据分析(Big Data Analytics)、与资讯及通讯科技(Information and Communication Technology)。然而欲往工业4.0迈进，要拥有上述重要元素，企业除了本身具备一定程度的软硬体能力，人力的需求亦是一大问题，台湾许多中小企业在各项基本条件尚未具备之前，贸然强推智慧制造实具极高的风险。

精实制造

30年前，Womack[2]等人将其所参与为期五年对日本丰田汽车生产模式的研究，整理撰写了“The Machine that Changed the World”一书，在书中丰田生产系统(Toyota Production System,TPS)被名为“精实生产”，后来以此名称在欧美西方国家流传，精实的核心思维乃以顾客角度为出发点，对企业或组织内所有活动确认价值，并进行永无止境的改善，以消除这些活动里任何形式的浪费(无价值者即为浪费)，让物流与情报流维持快速顺畅流动，而企业或组织在推动精实改善的过程中，实际获得更重要好处：培育人才。企业如能透过有系统地持续不断以现地、现物解决问题为主，推动改善的活动，培养更多精实改善的人才，如此该企业或组织将有机会能够成为如同丰田公司一般的学习型组织。精实观念自上世纪末的九十年代开始，横向来看除了汽车产业外，精实思维被推广至其他领域的制造业中，若由企业内部纵向观之，精实思维渐渐已由过去影响工厂内的生产作业，向上推展至产品开发、供应系统的整合、向下至顾客关系达到完整的精实企业(Lean Enterprise)。
前述的智慧制造运用最新硬体技术，大量收集现场相关数据并储存，搭配适当软体分析数据，并辅以人工智慧的工具或方法预测未来可能的情况，提供企业经营者或管理者做出趋吉避凶的决策。然而制造必须造出实体产品，乃透过一列制造工法或程序将原物料改变外型或提升其材质特性，将其转变为顾客愿意购买的产品，回归制造的本质，物的价值被提升的历程皆发生于制造现场，而制造现场"蕴藏"了整个企业的真正问题[3]，企业经营者更应思考如何让这些问题浮现，所有人勇于面对问题并且努力持续改善让状态更好，因此制造现场的改善能力即象征公司的竞争力，这种改善力主要源自现场从业人员是否善用其智慧将工作增加价值。
对于制造现场日常所困扰的问题，一般中小企业没有编制所谓制程改善的单位，而现场人员即使被某些作业困扰已久，但因忙于生产而没有时间投入改善，便将困扰之事寻求研发单位协助，但公司的研发人员对于公司产品材料与功能相对熟稔，但对于产品制造与量产流程却不一定非常清楚细节，若又没有花足够时间到现场观察现况思考，便会陷入所谓 “巧迟拙速”的情况，即设计单位构思许久(绘制工程图)，却迟迟未进入实作测试阶段，时间拖久，现场人员已找到应对该问题的方法，再者现场瞬息万变，也会有新的状况，原来要处理的问题可能也已经不同于先前了解的状况，设计单位即便后来开发出来“精巧”的设备，可能也已经迟了，不适用于新状况了。许多公司也常将厂内搬运或危险的作业，请外部自动化设备开发商协助开发设备，因为大多是客制化，设备商需花一段时间深入了解厂内的作业与各种限制，售价必然不低，开发时程最后亦可能拉长甚至延宕，更重要的是设备商将因此而具有开发该项设备的技术能力，未来极可能贩售同样设备或类似设备予以客户的同业竞争对手[4]。

日本古代自动化机构

からくり源自日本江户时代传统工艺的机关人偶 (からくり人形)，开发者运用智慧，大部份利用重力或一些自然力(浮力与摩擦力)，巧妙地应用基本物理原理，设计出机构转换能量，例如茶运人形与弓曳童子，茶运人形中内藏涡卷弹簧、齿轮、凸轮，先将能量蓄积涡卷弹簧，茶水杯置于人形手部，茶水杯重量下压启动人形内部的跷跷板机构，释放弹簧，人形即往前移动行走，当茶水杯被拿取，弹簧即被锁住，人偶立即停止动作，当水喝毕，空水杯再次置于人形手部，弹簧再次被释放继续驱动人偶移动，而其中内部凸轮透过连杆机构导引人偶转向。另外所谓弓曳童子使用的动力源亦如同茶运人形，透过涡卷弹簧蓄积能量，随后弹簧释放提供人偶完成周期性的射箭动作涵盖取箭、拉弓、瞄准、放箭等，弓曳童子更被日本机械工程师学会认证为国家级机械遗产。
近年来全世界倡导节能减碳，而在日本からくり能够被应用于启发制造现场第一线的从业人员运用智慧勇于试误，对于生产现场欲提高生产力、并降低成本和各种浪费与损失，进行各项改善事例。对此许多日本企业是相当的推崇，其中，日本设备保全协会(Japan Institute of Plant Maintenance，简称JIPM)对于からくり改善更是不遗余力的推动，JIPM 从1994年起每年举办为期两日的からくり改善展览与竞赛，参展的企业必须提供其实体からくり的改善案例，展览举办的地点经常于东京或名古屋，二十几年下来已累计数千件案例作品，以2019年为例，展览地于横滨国际会议中心，约有110个单位贡献了大约450件改善案例。过去一些学者[5]透过与JIPM的合作，深入研究参展的部分案例，并曾将からくり改善的技术发表于国际研讨会。
有关からくり改善的辞汇，在许多书籍或网路文献上出现诸多版本的描述：若直接英文音译为Karakuri Kaizen；中文有人称其为运用无动力之简易自动化装置，或简称低成本自动化设备，其英译即Low Cost Automation；台湾财团法人中卫发展中心称其为机巧法；台湾华储物流设备公司称其为卡拉酷力；丰田物语一书中对于からくり机构则描述为 “利用自然动力的活动道具”[6]。

现场改善力对企业影响的构面

推展からくり改善对制造现场改善能力有极大的助益，对企业于不同构面的正向影响：
• 安全与职场环境改善：所谓3K作业(辛苦、脏乱、危险)在现今工厂依然可见，例如重体力劳动作业，依据我国劳工保护措施标准，重体力劳动作业定义为以人力搬运或背负重量在四十公斤以上物体之作业，然而制造现场仍然可观察到40~60岁的劳动者，对于10~20公斤的物件，仍徒手搬运或背负且频度高。许多物件或许不重但其外形特异却让人不易徒手搬运，若徒手不借助工具，常必须以不符合人体工学之姿势搬运。另类辛苦的工作为物件极细小，不易拿取且需要仔细核对数量的小零件，高度倚赖人员专注度及手眼协调的能力，作业不易且容易疲劳。更有作业如研磨或金属热处理，会造成粉尘或小颗粒物质飞散，铸造或热锻等高温物件也须特别加强工作场域的安全与环境改善。
• 品质改善：作业若越简单越容易做，作业变异越小，品质即能向上提升。丰田式生产系统的自动化(Jidoka)即倡导所谓自工程品质完结的观念，如何确保不制造出不良品—开发防误装置(Poka-yoke)。品检对某些制程而言，可能还是无可避免的没有价值的工作，但应思考如何运用简易工具短时间完成品检，确保不让不良品流入后工程。
• 降低库存：库存在许多企业经营者仍把它视为“必要之恶”，然而具精实思维的管理者认为库存是万恶根源，因为企业经营里的诸多问题，只要短时间内找不到有效对策，就会用库存解决，因此库存掩盖了许多问题，犹如止痛剂，库存越高通常代表没有被面对处理的问题越多。改善库存的重点为目视管理，搭配整理整顿，容易存取，并维持先进先出。
• 生产力向上：要提高生产力的改善，有诸多的着眼点，减少没有提供任何价值的作业，将产线运作设计成为具有少人化的弹性(即可随订单多寡而增减作业人数)，少人化的重点即是不要人役于设备，关键在如何将人从设备操作中释放出来，以设备为中心的改善重点在于提高设备可动率，减少设备故障频度，即便故障也要容易维修，维修时间要短占空间小，现场作业人员必须能够自主保全设备。
• 副资材管理：生产副资材为产品的原材料与部件以外，对于制程是必需的，但不成为产品的消耗品(如刀具、夹治具、模具、油品等)，这些用品往往被忽略而疏于管理，浪费太多时间寻找、搬运、存取等，间接影响生产效率，另外清洁工具的管理也是常会被忽视的项目。
• 节能减碳：永续制造(Sustainable Manufacturing)节能减碳为当今全球任何企业所应奉行的圭臬。传统自动化设备过去几十年大部分以机电整合为主，即采用连杆、凸轮、齿轮、齿条等，组成机构再搭配气压缸、油压缸、马达等驱动，并利用感测器与极限开关等，藉由可程式控制器操控整套系统。若颠覆传统思维，挑战设计完全不依赖电力或只采用极低电能，对设备设计者是很大的挑战。
表1呈现上述制造现场改善力所影响的构面与企业管理的六大构面(SQDCME)—安全(Safety)、品质(Quality)、交期(Delivery)、成本(Cost)、士气(Morale)、环保(Environment)之关联，并列出相对应常见的现场改善课题。

からくり改善之机构特性

  • 简易—机构简单，当故障或麻烦时容易修复与调整。
  • 弹性—必须与现场匹配，具高度弹性随时可调整。
  • 迅速—必须迅速开发，以暂时性最简便的方式试作，并验证其可行性。
  • 利用物体的重力、弹簧、杠杆、凸轮、光、弦线、螺纹、齿轮等驱动物体。
  • 改善目的通常是针对制造现场3K作业环境的改善，且(或)消除现场的3M(Muri, Mura,Muda) / (不合理、不稳定、浪费) 。
  • 改善的结果能使品质提升、生产力提升、故障降低、检查容易、保全容易、物流效率提升、安全提升等。
  • 不需要花大钱、低成本并且对节能减碳产生贡献。
  • 人才培育。
  • 活性化职场—让作业者对自己从事的工作变有意义也更有趣[7]，工作士气更高。

开发からくり改善机构的步骤

企业内的改善活动一般依据PDCA循环—规画(Plan)、执行(Do)、查核(Check)、行动(Action)等推动持续改善，在持续改善的推动过程，主事者如果一旦满足现况则不进即退，改善推动的过程中会时时出现各种阻碍进步的力量或令人困扰之事，此时简易、弹性、迅速的からくり改善非常适合切入应用，事实上からくり改善本身依然遵循PDCA循环，からくり改善如同扮演小PDCA循环协助大PDCA改善循环的推动，使其运作更为顺畅(如图1)，からくり改善流程如下：
1. 流程改善合理化：尽可能让生产顺序紧密衔接，先由七大浪费的辨识，观察以搬运、动作的浪费、物料或库存摆放等作为改善重点，透过绘制流程图或价值溪流图等工具，改善的作法以缩短走动搬运距离、减少取放动作、设计定容定量容器为主。
2. 整流化同期化作业：不以功能别布置设备，改以生产流程为核心进行设备布置，建构单元(Cell)布置，以ECRS—取消(Eliminate)，合并(Combine)，重安排(Rearrange)，简化(Simplify)改善平衡产线作业，努力朝同期化迈进。
3. 确认问题：进行上述改善作业一段时间，尔后如果仍有困扰的事情，即为问题点，可能是搬运、重工、不易施作的作业……必须将问题确认并能具体描述。
4. 现地现物确认现况：直接到现场看着现地现物，确认现况与需要被改善的问题，进行讨论，尽可能量化数据掌握
现况。
5. 方案对策：这阶段如同一般产品研发流程，拟订2~3套からくり改善方案，先以手绘制草图呈现其结构与大小，应考虑以下重点：
  • 可以采用的机构为何？(齿轮/滑轮/跷跷板/凸轮……)。
  • 动力来源？(自重/浮力/摩擦力/磁力/风力……)。
  • 机构材料？(塑胶/木制/万力管/铝挤管/ 铝挤型……)。
  • 预估制作费用？(NT$800/5000/30000/100000……)。
  • 预计制作时间？(3周/8周/10周……)。
  • 调教时间，每次使用都须要花多久时间调教?(3秒/20秒/90秒……)。
  • 具有弹性，能随产品或批量大小的改变，容易调整？
在数种方案中，团队在讨论过程中，可以立即试作简易模型，透过模型确认各方案可行性再调整改善。
6. 尽速分工执行改善方案与查核进度：团队成员的分工要明确，谁负责哪部份，何时要完成哪个阶段，要拙速不可巧迟，同时亦要规划进度完成后由谁负责查核。
7. 完成实体功能测试：任何设备初次上线，都会有短暂停线运作不顺畅的问题，发生频度很高但处理时间很短，这是很头痛的问题，需要花一些时间调整改善。
8. 上线验收成效，拟定运作一段时间后再改善：新设备需要一段时间，才能达到实际稳定的状态，可能需要数天或甚至数周，大部分的问题才会浮现。
9. 准备规画进行横展：若已线上稳定运作一段时间，即可复制横向推展至其他产线或厂域。

逢甲大学からくり学习道场

2018年逢甲大学工业工程与系统管理学系与华储物流设备有限公司合作于逢甲大学建置中部地区第一个精实管理からくり改善学习道场(或称卡拉酷力实作工坊)，以简易的教具将9项常用的からくり改善原理呈现(如图2)：
1. 自重移动：利用重力当动力源，藉由斜坡利用角度调整，控制移动速度。
2. 力矩杠杆：灵活运用支点位置，可达四两拨千金之效果。
3. 弹簧蓄能：利用弹簧达到蓄积能量进而产生推力或拉力。
4. 齿轮连动：运用齿轮、齿条、链条、或皮带的综合设计，达到传动力量或控制运动的方向。
5. 凸轮从动：精巧的凸轮设计，可以造成从动物件作出不同效果的间歇性反覆运动。
6. 滑轮机构：利用动滑轮与定滑轮的组合，控制力的输入输出与行程。
7. 摩擦缓阻：利用摩擦力控制物件移动速度。
8. 磁极互动：利用同性相斥、异性相吸的原理，达到非接触式相互推挤或牵引的效应。
9. 滚轮滚筒：适度应用滚轮滚筒，达到物件移载需求。

实作案例(I)—からくり搬运台车(教具)

2018年逢甲大学工业工程与系统管理学系自主开发一台からくり搬运台车(如图3)，利用前述原理中：物件自身重量、控制配重、齿轮、滑轮，主结构材料为铝挤型，欲搬运的物品置于平台中央，平台四端均连接钢丝透过滑轮吊挂配重，去程时被运送物品重量大于配重，重力压平台，平台下端连接齿条下推，齿条移动带动齿轮转动，驱动台车往前行。回程时将运送物移除，靠吊挂四端之配重往下拉，置物平台上升，齿条上拉带动齿轮，将台车送回原处(如图4)。台车净重15kg，若运送30kg物品，往返单程距离为6 m，四端控制配重吊挂12kg。

实作案例(II)—线性滑轨搬运台车与先进先出料架

C公司为国内生产放电加工机与线切割机之厂商，2019年逢甲大学工业工程与系统管理学系与C公司执行为期数个月的产学合作案，将大学部大四实务毕业专题课程直接与产业界结合，数位大学生与C公司现场人员一起合作协同开发出一套からくり的改善机构。针对C公司产品之关键部件—线性滑轨(长127cm×宽17.5cm×高15.5cm)，每支重约17kg，现况置放方式为成堆叠放于一般栈板上，作业人员为了方便，每次皆领取最上方(最后图3 からくり搬运台车入厂放置)的线轨，难遵循先进先出的领取原则，长时间被压于下方的线轨若放置过久，亦 有变形等品质疑虑。
团队成员经由现地现物掌握现场状况，并经过数周的讨论，决定制作一辆运送线轨的台车与存放线轨并维持先进先出领取的料架，团队拟订出两套方案(如图5 、图6)比较，由于方案一可能最终无法免除电控设备的使用，团队因此决定采用方案二并作些许调整，之后团队即制作简易缩小版实体模型，许多关键的问题(如图7、图8)在简易版实体模型中被发现并先处理，大大减少后面正式机构的开发时间。最后这套からくり的改善机构在2019年底完成(如图9、图10、图11、图12)，也在C公司厂内改善案例分享会发表。

总结

精实管理的核心是消除浪费、持续改善，而からくり改善提供了另类的“智慧”制造，以制造现场的从业人员为主角，努力思考发挥创意，宁可拙速不愿巧迟的精神，勇敢试误进行改善，除了机构简易具巧思外，からくり 标榜节能减碳，经常利用重力、摩擦力、磁力等自然力当做动力源，可发现在许多的应用案例中，即使使用电能也是极微量或甚至完全没有用电能作为动力源，相对于一般动辄高价的自动化设备，からくり改善的设备也常被视为是一种低成本且低耗能的自动化设备，由于是企业内部自主开发，设备保养不似一般外购设备一般，必需仰赖外购原厂或国内代理商保养，省钱又容易保养，一举数得，最重要的是企业更可藉此培育人才，活性化职场。
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