1.前言
工业4.0其中所提倡的和智慧型工厂有关的评论，前景以及话题等，在日本和其他国家都非常多。那些是「创造人类社会所需要的东西的本质」，也就是说，专门从事所谓生产系统硬体的技术人员是很少见的，大多几乎都是依赖于文科，管理工程或者电脑和资讯通讯的专业人员。因此，虽然一般的人被认为有助于理解「商品制造的程序」，但也有一个很大的问题。例如，文科的人难以“确实理解生产技术和生产系统”的态度来评论及解说，而误导了年轻的技术者。顺道一提，若是技术者以这样的态度来评论或解说的话，这是「违背常理」的，也与「技术者的伦理」相抵触，例如在英国即便是有英国技术者资格「Chartered Engineer」也会立刻被剥夺其资格。
因此，关于从「生产技术者的观点」来看工业4.0以及智慧型工厂的报导，本杂志刊登了两回，先端加工技术振兴协会的会刊中也刊登了相关报导。但是，那些只着重于生产技术的硬体面，停留在广泛及浅见的内容，完全没有触及到提供这些观点和意见的基础调查结果和考虑之细节。
但是，看国内外的情势，基于「生产技术或系统的本质」的详细讨论，似乎已经到了必须向相关年轻技术者说明的阶段。也就是说，下列四点是不能忽视的问题点。
(1) 目前在「商品制造领域」中活跃的生产系统，例如像是在不触及柔性生产的现状和未来趋势动向的情况下，智慧型工厂具有创新性，声称他们将立即转换到这个工厂概念。也就是说，在世界各地所流传的资讯，彻底放弃到目前为止所累积的技术资产与人力资源，并转变为新的工厂概念是不切实际的想法。至少应该讨论现有生产系统分流的可能性。
(2) 作为一个生产技术者，「从大量生产为主流的现状，移转到个人需求皆可对应的大规模客制化」这种「旧式」的解释方式，对于文科的人来说，这是一条金科玉律。虽然说大规模客制化作为一个技术用语来说是非常奇怪的表现，但是「以与大规模生产相媲美的价格提供能够满足个人需求的产品」是可以被接受的解释方式。然而，那样的生产体制是「变种变量生产」，或是所谓的「对应客户订单数量生产」，在1990年代中期，文科的人并不了解这个已经被实用化的事情。
(3) 虽然上面所说的满足个人需求的产品或自主产品、被提出作为智慧型产品的概念，但关于其尺寸，功能和性能的技术设计规范尚不明确。
(4) 由于生产系统只是「赚钱」的大前提，特别像是系统布局设计等的硬体难以作为学术研究的对象」。那只不过是被当作与生产系统的经济性评价相关的学术研究，像是系统模组化设计的经济性评价的初步阶段而已。相对于此，例如尽管可以做为生产管理模拟器的研究是蓬勃发展的反证，但是包括驾驶员在内的数学模型的建构常常偏离实际的系统形式。
也就是说，因为生产系统是企业主体的技术，「赚钱」是系统建构的大前提，结果，各种各样的系统将在生产需求上运行。换句话说，智慧型工厂是万能的说法将不会成立。
话说回来，众所皆知的是「生产系统」是由「设计与制造过程」所组成的，制造过程主要是由「加工、组装以及检查工程」所构成的之外，还包含各工程中的硬体及软体。另外，也包含了与企业经营与生产管理相关的事情，其范围非常广。因此，本节将重点放在机械加工上，并介绍柔性加工系统(FMS：Flexible Machining System)的现状和不久的将来趋势。接下来，将探讨如何活用基于这些设施的现有设施的角度来讨论FMS转移到智慧型工厂的可能性。
2.加工系统的全体面貌
产品是零件的集合体，许多零件通常是通过机械加工来完成的，但是人类社会所需要的产品是多样化的，这取决于社会周围的技术，经济和社会环境。因此，如同图1所示，各式各样的机械加工系统(之后以加工系统简称)从工业先进国家到发展中国家，根据环境状况来被使用。智慧型工厂的场合中，虽然对努力想进入工业先进国家中国和印度产生了兴趣，但对象却还是德国、美国、日本等这些工业发达的国家。因此，图1中的FMS以及敏捷的生产方法是讨论的对象，这里需要留意的是，即使我们讨论作为FMS一种形式的柔性输送线(FTL：Flexible Transfer Line)，也必须知道还有其他不同的扩展形式。
众所皆知，FTL是从传输生产线(TL：Transfer Line，加工站是由一个传统的专用工具机组成)所开发而来的，作为一种零组件加工系统，TL在1950年代时被实际使用，能够经济并快速地适应乘用车的车型变化。当时的汽车零件加工是典型的少样多量生产，但在那之后的汽车生产的型态变化，也就是说，随着中档生产转向现代多样多量生产的过程，FTL已在2010年进一步发展成为传输中心。
TL被用于马达发动机和工业用缝纫机的零件加工，而且由于社会的加工要求多样化的影响，从TL发展到传输中心之间，由于已经开发出来几个扩展形式，所以将这种开发过程与每种扩展类型被实际使用的年代一起统整在图2中。在这里，如图2所示，1970年代实际使用的数控生产线(加工处理站由NC专用机组成)，此外，应该注意的是，1980年代实际使用以线型MC为核心的FTL等也在2010年被使用运作。当然，随着相关技术的进步，必要的现代化正在进行。
加工系统的功能与性能，是衡量设置那些机器的企业其竞争力的一个指标，系统制造商通常不会透漏其交货对象。但是，现阶段丰和工业及美国的IPS公司(Ingersoll Production Systems)等仍然生产出如图3所示的现代化NC数控传输生产线。这如果要在经济上应付以往的少样多量规模生产的话，其灵活性将受到限制，因此果然还是TL比FTL更合适。
另外，丰和工业生产油路控制阀体和变速箱等的FTL。有意思的是IPS公司也正在研究变速箱，煞车零件，阀体等加工用汽车零件，同时开发最先进的敏捷加工单元和系统。
像这样，由于社会的加工需求的多样性，各种形式的加工系统是必要且不可或缺。但是尽管如此，(1)智慧型工厂是万能的，(2)可以立即替代目前正在使用的加工系统。这两个工厂概念是不被接受的。
3.柔性加工系统的现状
那么，我们来看看包括柔性加工系统在内的FMS之现状。众所周知，加工系统的形态是「加工处理模式」，也就是从「一个零件的生产(One-off Production」、「极多样极少量生产(A Kind of Production)」、「多样少量生产」、「中样中量生产」、以及「少样多量生产」演变而来。另外，根据加工要求，也有其他像是「变量生产」和「与客户订单量相对应的生产」。
那么，FMS可以对应多少如上述所说的各样加工处理模式呢？Klahorst在1985年左右，以由零件的批量大小和「可以处理的零件数量」所表示的系统柔软性(Flexibility)为指标，提出了如图4所示的分类指南。由于其有效性被广泛接受(在图中用双点划线表示并被括弧起来)，因此在2010年代，上述处理模式和与其对应的FMS另外在图4中追记。顺带一提，Klahorst的分类之后，FMS已经发展成为柔性加工单元(FMC：Flexible Machining Cell)，大规模FMC，FTL和FMC集成型FMS和FTL。
虽然是众所皆知的事，在这里还是来简单介绍一下FMC和FMC集成类型。
(1) 柔性制造系统FMS
作为大大改变「产品制造结构」的FMS成为话题，并在1980年代以大企业为中心蓬勃地进行。当然，要提升一个国家的生产能力，也必须将FMS引进支撑大企业的中小企业，但却有着资金面的困难。因此，FMC被认为是一种解决方案。简单来说，FMC具有规模小，结构紧凑和经济的系统配置，具有与FMS接近的加工处理机能和能力。因此，与FMS有着相同的(1)加工，(2)运输，(3)仓库，(4)维护 ● 保全，以及(5)管理 ● 控制这五项基本功能。
通常，加工处理要求大致分为所谓的“圆形物体”和“角形物体”零件。因此，从与其相应的基本机能中所看到的特点来看，FMC有(1)托盘系统和(2)机器人系统两种方式，图5和图6中分别表示出了其代表例子。从这些图中可以看出个别的特征。托盘系统的加工机能是加工中心机(MC：Machining Center)，工件的仓库是托盘，另一方面，机器人系统的加工机能是NC车床，或者是车削中心机(TC：Turning Center)，运输功能则是机器人。
然而，单元控制装置的功能有时会触及客户的商业秘密，并且难以获得足够的信息。一般来说，(1)加工程序和数控程序，(2)工具管理和工具编排，(3)单元组件的全体和构成要素的运作状态，(4)成品的加工实绩和品质相关的资讯处理等，为了区别于其他公司，图5中的「动态加工调度」为其中的一个独特机能。
顺带一提，这两个代表性的FMC，现在被推广到可以被称为「标准形」，而且，为了应对加工要求的多样化，与图7所示的扩展型一起广泛使用。此外，目前技术发展的重点是将「高度机能集成型工具机」作为一个加工处理机能，并瞄准FMC的高度化。
这里需要注意的是，图4所示的分类只是一个参考，从实际角度来看，FMC只能处理「极多品种极少量生产」，虽然实际的例子会在后面描述，但对「单一零件生产」的对应却非常困难。由于智慧型工厂也可以被解释为「单一零件生产FMC」的形态，同时考虑到大型企业到一般中小工厂实际使用FMC的实际情况，应该也可以理解成「从智慧型工厂的大规模生产转变成对应个人需求的单一零件生产」，是一种「不了解生产系统本质的纸上谈兵」这种文科人员的陈腔滥调。
(2) 柔性制造单元FMC集成型
FMC、FMS、以及ETL的系统编排设计的最大特点是采用了「模组化结构」，为系统提供了「柔软性」，「扩展性」和「冗长性」。在FMC集成型中，FMC是字面上的基本模组，它们的组合构成了FMS，FTL等大型系统。
在图8中，以双系统FMC为例子所示，随着订单的增加，可以增设FMC以确保其「扩张性」，而且，可以理解的是，即使一个FMC由于故障而停止，其他的FMC可以继续加工的「持续性」。一般来说，除了将标准型FMC组合在一起，也可以根据加工要求，组合了专门针对特定加工方法的「专用型FMC」。因此，将在图9中表示FMC进行齿轮加工状况。
从以上的说明可以得知，即使我们用一个词来称之为「多品种小批量生产」，但如果我们对加工处理要求做出适当的对应，所要实现的加工处理系统就成为了单一操作系统，双系统FMC，或者是大规模的FMC。简而言之，适当的系统设计原则就是要把「加工对象零组件」，「加工形式」和「系统编排设计」作为一连串环节来思考，并进一步地考虑其经济效益和有必要加入与其相关的资讯处理功能。其结果，即使是相同的「加工对象零组件」也可能会具有不同的FMS。
顺带一提，目前的少样多量生产，除非是非常特殊的情况之外，人类社会的所有加工要求都可以透过FMC，FMS和FTL来处理。而作为不久的将来，FMC将成为主角，FMS和FYL将以FMC一体化的形式出现。
4.将FMS转换为智慧型工厂的可能性
众所周知，智慧型工厂在「单一零件生产」的情况下，以「极多品种极少量生产」为对象，由「云端运算」、「资讯通讯网路」、和「CPS模组」所组成的，而CPS模组则对应于加工处理单元。因此，从图4中可以看出，我们应该讨论转移到FMC(核心是5轴控制车铣加工或高度机能集成型)或FMC可以容纳小批量区域的CPS模组的可能性。
在这方面有趣的是，如同后面所述的那样，能够对应「单一零件生产」的FMC被实际使用，并且Starrag Group集团公司正在开发能够对应「单一零件生产」到少样多量生产的FMS产品。该FMS是以FMC或MC为基本模组，根据客户的指令，并着重在系统的可扩展性上所设计而成。顺带一提，Starrag Group是全球三大国际规模的企业集团之一。
一般来说，即使在单一操作模式的FMC也很难对应「单一零件生产」，要实现的话则需要有精密的单元设计以及利用技术。因此，FMC集成的FMS能够处理「单一零件生产」，展现了Starrag Group的高水准的技术能力，同时也展现了单元设计技术已经进展到很高的程度，是否是企业秘密的高墙，也有必要从学术方面进行研究。
另一方面，国内外工具机制造商正在开发基于NC数控装置的智慧型工厂控制装置，并已有多个实例报导。但是，他们并不完全了解FMC，与德国提出的智慧型工厂概念，即「单一零件生产的自动化加工单元」相距甚远。其中一个原因就是CPS模组的编排设计没有明确的描述，但还有一个很大的主因是，也缺乏如何利用目前运作中的「产品制造结构」的观点。
此外，目前已经大概介绍了将FMC转移到CPS模组的可能性的概要，以及讨论CPS模组所被期望的结果，因此，将在这里进一步介绍所需要思考的事项。
总而言之，首先从图10所示的以“加工机能集成型”为核心的FMC开始，将「系统机能小型化以及立方体化」(拟One-machine Shop)来实际使用，同时如果能升华成像「One-machine Shop」这样，那么它将成为一个理想的CPS模组。
(1) 目前，将个别投入实际应用的「加工机能集成型」和「系统机能集成型」一体化为核心的柔性加工单元。以别的表现来说，可以被看作是一台机器的「小型FMC」，例如，试图让加工机能进一步地多样化处理并有自主功能的传输中心标准化。
(2) 上述的单元控制装置与资讯通信网路有良好的连接性，并可与云端运算分担进行适当的资讯处理。
(3) 在硬体和软体方面都具有「自主性」，体积小巧，适合广域分布配置。
(4) 如果可能的话，在构筑基本形态之后，发展成适应世界各国环境，也就是所谓的风土文化适应形式，并结合他们编排设计的指导方针。
为了可以很容易地理解，这样的CPS模组的开发虽然困难，把一个已经具有集成系统功能的传输中心作为「单一零件生产」作为例子，就有可能解决这个问题。也就是说，到目前为止可以参考：(1)利用运用软体将多样少量生产的FMC用于少样多量生产的例子(Fritz Werner公司)、或是(2)改良了中样中量生产用的传统型多轴自动盘的利用技术并转化成多样少量生产并得到了结果的例子(Schutte社)。此外，传输中心有头部交换，还有遵循TL的三种基本形式的几种扩展形式。在这些之中，如图11所示的以日常所熟稔的MC转作为加工处理站的「翼(Way)型旋转分度同步型TL」为原型的传输中心，来作为一个例子将容易处理。
顺便提及，图11在瑞士的Icon公司被称作「多站MC (Icon 6-250型)」，具体来说就是四台线型MC对应于四个加工处理站，可以在工件上同时执行五面加工。此外，可以快速更换的模组化构成加工站，最多可以设计扩展到8个三轴控制加工单元(水平和垂直配置各4个)。
5.CPS模组控制装置与单元控制装置的比较
以上可以看出，在加工处理系统的CPS模组中，当前所要讨论的课题不是关于编排设计的硬体面，而是通过摸索进行各种尝试的控制装置的功能。对此，虽然不尽完善，但已经对适用CPS模组的高度化NC进行了调查研究，NC设备中除了一般使用的「机器状态监视」、「生产管理数据的显示」、「远端谘询服务」、「根据零件图资讯的NC程序创建和加工模拟」等，也发现了一个具备如以下所示的有趣功能的例子。
(1) CAD/CAM和CNC之间以虚拟机器连接，优化加工过程，并实现「无纸化生产」。
(2) FMC处理由电脑整合制造(CIM：Computer-Integrated Manufacturing)来控制和管理的作业计划和工程安排等资讯。
(3) 使用「手持显示器」向作业人员进行阶段性的作业指示，及可于夜间询问作业人员的功能。
与此相反，FMC对于制造商来说是一种「易于脱手和产生利润的产品」，因此「自我整合性」高。也就是说，换句话说，对于单元控制装置和主电脑之间的连通性的关心往往是微不足道的，另一方面来说，如上面所述，单元控制装置的功能与其他公司的区别很重要，并且也下了许多工夫。
然而，正如已经提到过的，FMC虽然可以对应「极多品种极少量生产」，但是要对应「单一零件生产」是非常困难的。因此，如果它被当作CPS模组的控制装置来使用的话，则有必要掌握之前介绍用于「单一零件生产」的FMC之当前状态。例如，Sandvik Coromant公司于2016年在Gimo工厂安装用于镗床的棒材加工之FMC(由Okuma制造)标榜「On-demand Manufacturing(按照需求制造)」，除了对应「单一零件生产」这个划时代的特征之外，也强调刀具交换速度，和刀具编排设计的灵活性以及筒夹的更换功能的单元设计。
这个FMC虽然与图6所示的FMC同样的被称为机器人的中央配置方式的标准单元编排设计，但却是以集成处理功能的第1阶段，也就是「车铣加工(Multus U3000型)」为中心。另外，单元控制装置具有表1所示的结构。特别是，能够进行「从工件的三次元模型制作机器人控制程序和NC程序」，这与CPS模组的控制装置的功能相似。然而，除了上述之外，它还具有以下有趣的功能和性能。
FMC单元装置概要
(1) 可使用的镗床棒材加工种类：700种以上
(2) Patch size：1~200
(3) 具备由机器人，从下部车床刀架更换工件功能
如上所述，考虑到智慧型工厂的数控装置和FMC单元控制装置的精细化已经分开进行，目前还没有建立起系统的技术开发体系。而且在CPS模组的控制装置中，与云端运算之间的资讯处理的角色分别虽然是必要的，但也可以说并无针对此部分进行检讨。在这种情况下，值得注意的是，FMC「单一零件生产」已经进行实用化。
虽然上面提到的是笔者个人观点和主张的论点，幸运的是，在德国联邦政府，经济 ● 能源部(Bundesministerium fur Wirtschaft und Energie)和教育 ● 研究部(Bundesministerium fur Bildung und Forschung)所运用的2017版「PLATTFORM INDUSTRIE 4.0」中，报导了「单一零件生产」用的FMC智慧型工厂化的成功范例(以Effektive Metallteilebearbeitung fur Losgrobe 1 题目公开于WEB上)。在这里所需要强调的是，中小型企业的3D-Schilling公司(员工数250名以下，三次元形状试加工)，主要是在软体方面进行以下努力。但是，由于还没有触及到任何自主性，似乎还没有达到原来的智慧型工厂概念。
(1) 透过短距离无线通信的讯息传递RFID(Radio Frequency Identifier)识别工件和工具。
(2) 测量成品零件全部的品质、记录，有效使用数据资料等。
最后，首先先整理出资讯处理的问题点并讨论这些解决方案，以一定的工业园区内分布的一组CPS模组为例，如以下所示想定几个存在的问题点。
(1) 如果我们用云端运算来进行制造实行系统(MES：Manufacturing Execution System)或企业资源规划(ERP：Enterprise Resources Planning)的话，我们将在CPS模组中收集必要的数据，但数据处理和使用之间会有所不同。例如，如果是与MES有关的单元操作状态的资讯，可以以单元控制设备的级别处理。另一方面，加工实绩和成品品质的相关资讯则应该由云端运算中的ERP来处理。
(2) 目前正在实际使用的智慧型工厂中，所处理的产品往往是特定的，因此，云端运算主要为ERP和MES。然而，由于CIM主要是以产品设计/制造技术、生产管理、以及企业管理三大资讯处理为主干，云端运算也应该重视产品设计及制造技术资讯处理。例如，在零件制图过程中，要考虑可能使用到的工具机、加工技术、切削 ● 磨削工具等，将零件图分布到广泛分散的CPS模组需要考虑到其记载资讯并于云端运算中进行。
(3) 若是处于提出零件图的阶段，CPS模组之间的自主调整，也就是，透过竞卖的方式来决定进行加工处理的CPS模组，使用该单元控制装置来创建NC程序并进行模拟加工。然而，包含承包商以及交期与允许成本的加工要求处理中，云端运算里每个CPS模组竞卖的调整将是必要的。
6.结语
曾经有讨论过以「FMS的转移可能性」作为充分利用现有生产设施来应对智慧型工厂的一种辅助手段，与之相关的术语问题也曾经提及过。在工业4.0中，使用了云端运算、雾计算和边缘这两个术语。
这样的术语，例如像是「作为一个整体的国家，以节能减排为目标，使汽车之间进行自主对话的全面性交通控制系统。」是不会引起混淆的。但是，在FMS中，因存在着以前累积至今的旧有技术，术语及其定义已经确立，上述的用语并不令人熟悉。因此，在讨论将FMS转移到智慧型工厂的可能性时，必须记住图12所示的用语差异。
简单来说，如果没有正确地去理解智慧型工厂与FMS相关技术的内容的话，将会成为一个空谈的讨论而已。因此，在讨论FMS的转移可能性之前，有可能会产生混淆，所以专注于云端运算和资讯通讯的人们应该留意这部分。顺便说一下，是否有效地处理并利用云端运算或雾运算所获得的大数据是一个大问题。然而，这与在图中另外说明的「柔软性 ● 电脑统合生产体制(FCIMS)」中的CIM和单元控制装置之间的资讯处理共享的旧研究课题相同。
