先进制造技术第五章

先进制造技术东北大学先进制造与自动化研究所刘永贤摘要先进制造生产模式是应用与推广先进制造技术的组织方式。本章阐述了在新的国际经济、科技形势下，制造业生产模式的演变和战略目标。探讨了先进制造生产模式有待解决的管理共性问题。在此基础上简述了敏捷制造、精益生产、并行工程、智能制造等先进制造模式的定义、内涵、特点、关键技术等，从管理及信息集成的角度，为推动制造模式的发展，阐述了计算机集成制造、企业资源计划、虚拟制造、分散网络化制造系统等管理综合自动化技术的主要思路和要点。展望了制造业未来的竞争环境、竞争模式所面临的主要挑战和迎接这些挑战的关键技术。第五章先进制造生产模式5．1制造业生产模式的演变及产生背景5．1．l制造业生产模式的演变5．1．2制造业生产模式产生的背景5．2先进制造生产模式创立基点及战略目标5．2.1先进制造生产模式的创立基点5．2.2制造系统的工程属性和经济属性5．2．3运营目标对制造系统的功能要求5，2.4先进生产模式的战略目标5．3先进制造生产模式的管理5．3．1组织创新5．3.2集成经营5．3．3新的质量保证体系5．3.4重组工程5．3.5以人为本5．3．6人机分工，人机匹配5.3．7用分工协作代替全能5.3．8用并行或交叉作业代替串行作业5．4先进制造生产模式5．4．l敏捷制造AM（AgileManufacturing）5．4．2精益生产LP（LeanProduction）5．4．3并行工程CE（ConcurrentEngineering）5.4.4智能制造系统IMS（IntelligentManufactUringSystem）5．4．5全能制造系统HMS（HolosonManufacturingSystem）5．4．6绿色制造GM（GreenManufacturing）5．5管理综合自动化技术5．5．l计算机集成制造系统CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem）5．5．2企业资源计划ERP（EnterpriseResourcePlanning）以及智能资源计划IRP（IntelligontResourcePlanning）5．5．3虚拟制造VM（VirtualManufacturing）5．5．4分散化网络制造系统DNPS（DispersedNetworkedProductionSystem）5．1制造业生产模式的演变及产生背景5．1．l制造业生产模式的演变人类制造业及制造系统生产模式的发展已有了漫长的历史。但长期以来，人类社会处于手工技术和手工业的水平，制造业及制造生产模式的真正形成与发展，还只有近两百年的历史。回顾历史，人类制造业的生产方式的发展大致经历了四个主要阶段。1．手工与单件生产方式从1765年瓦特蒸气动力机的发明，促使制造业取得了革命性的变化，引发了工业革命，出现了工场式的制造厂，从手工业到机器作业，从作坊到批量生产，生产率有了较大提高，揭开了近代工业化大生产的序幕。其基本特征是：（1）采用手动操作的通用机床，按用户要求进行生产，生产的产品可靠性和一致性不能得到保证。（2）生产效率低，生产成本低。（3）生产者是整台机器的作坊业主。（4）工厂组织结构松散，管理层次简单。2．大批量生产方式从19世纪中叶到20世纪中叶，由于E．Whitncy提出“互换性”与大批量生产，OliverEvons将传送带引入生产系统，F．W．Tnylor的“科学管理”，H．Ford开创的汽车装配自动流水生产线，使制造业开始了第一次生产方式的转换，这种模式推动了工业化进程，为社会提供了大量的经济产品，促进了市场经济的高度发展，成为各国仿效的生产方式。其主要特征是：（1）实行从产品设计、加工制造到管理的标准化和专业化生产。（2）采用移动式的装配线和高效的专用设备。（3）实行纵向一体化管理。把一切与最终产品相关的工作都归并到厂内自制。3．柔性自动化生产方式从50年代开始，人们逐渐认识到刚性自动化的不足：劳动分工过细，导致了大量功能障碍；对市场和用户需求的应变能力较低；纵向一体化的组织结构形成了臃肿官僚的“大而全”的塔形多层体制。面对市场的多变性和顾客需求的个性化、产品品种和工艺过程的多样化以及生产计划与调度的动态性，迫使人们寻找新的生产方式，提高工业企业的柔性和生产率。1952年美国麻省理工学院试制成功世界上第一台数控铣床，揭开了柔性自动化的序幕：1958年研制成功“自动换刀镗铣加工中心；1962年在数控技术基础上，研制成功第一台工业机器人、自动化仓库和自动导引小车；1966年出现了用一台大型通用计算机集中控制多台数控机床的CNC系统：1965年英国莫林公司和美国辛辛那提公司建造了第一条由计算机集中控制的自动化制造系统，定名为柔性制造系统；70年代，出现了各种微型机数控系统、柔性制造单元、柔性生产线和自动化工厂。以上这些技术进步和发展，标志着柔性生产的开始。与刚性自动化的工序分散，固定节拍和流水生产的特征相反，柔性自动化的共同特征是：工序相对集中，没有固定的节拍，物料的非顺序输送；将高效率和高柔性融于一体，生产成本低；具有较强的灵活性和适应性。4高效、敏捷与集成经营生产方式自70年代以来，不同时期不同国家的经济增长、繁荣与停滞、衰退交替出现，企业所处的外部环境日趋复杂多变，使得世纪之交的企业面临一系列前所未有的挑战。（1）市场需求波动，消费者行为更加具有选择性，产品需求朝多样化发展。开放——自由表达——多样化潮流的发展，是消费者价值观念结构性变化的必然结果，消费者不仅要求产品体现个性，且其需求的变化十分迅速。（2）市场对产品性能、质量要求更高，产品寿命缩短。（3）国际合作成为科学发展的强大势头。科学技术、经济、生产及市场的全球化、一体化、社会化已成为必然趋势，国家间的市场界线即将消失，企业经营处于全球化竞争环境之中，科技的发展对经济和社会的影响将空前广泛，愈加深刻。（4）竞争日趋激烈。技术的迅速发展，市场的用户化、经济的全球化及基于不同基础上的企业竟争行为等组合作用的结果，使竞争形势瞬息万变，其速度远远超过了现有企业内部因素变化的速度，使得企业的生存与发展愈来愈取决于对市场变化的响应速度。（5）技术的迅猛发展。大量新技术的不断涌现，并向各个领域渗透，科技内部的交叉和联系，以及科学技术与社会相互作用的进一步增强，使技术、知识及产品的更新速度加快，特别是计算机技术、信息技术的发展，将引起人类生产力的飞跃和社会生产方式的巨变，是推动企业全面变革的主导力量。近些年来，在日本、美国有关制造模式的新概念层出不穷，例如精益生产、敏捷制造、智能制造、并行工程等，这些新方法的出现彻底动摇了原有的管理理论和生产方式，以“专业化分工”和“科层递阶控制”为特征的传统管理方式已经过时。这些新概念、新思想的出发点和目标并不一致，但他们共同特点是：(1)技术为中心向以人为中心转变，使技术的发展更加符合人类社会发展的需要。（2）企业的组织结构将从金字塔式的多层次生产管理结构向分布式扁平的网络结构转变。（3）从传统的顺序工作方式向并行工作方式转变。（4）制造系统的策略将集中在灵活组织社会资源，企业从按功能划分部门的固定组织形式向动态的、自主管理的小组工作组织形式转变。（5）质量是企业尊严和品牌价值的起点，快速响应市场的竞争策略是制胜的法宝。（6）企业从单纯竞争走向既有竞争、又有结盟之路。（7）技术创新将成为对世纪企业竞争的焦点。两百多年来的历程，充分显示了技术推动与市场牵引两项因素对制造生产模式发展的作用。5．1．2制造业生产模式产生的背景为使制造业摆脱困境，人们仍沿传统思路企望依靠制造技术的改进和管理方法的创新来解决问题。具体地讲就是，抓住由于计算机的普及应用所提供的有利契机，以单项的先进技术（如CAD、CAM、CAPP、MRP、GT、CE、FMS等）和全面质量管理（TQC）作为工具与手段，来全面提高产品质量和赢得供货时间。单项先进制造技术和TQC的应用确实取得了很大成效，但在响应市场的灵活性方面并没有实质性的改观，而且巨额投资和实际效果形成了强烈反差，其中以国内外应用FMS的教训最为深刻。至此人们才意识到问题不在具体制造技术和管理方法本身，而是因为它们仍在大批量生产模式的旧框架之中。先进制造生产模式就是在对大批量生产模式的质疑、反思和扬弃中应运而生的。5．2先进制造生产模式创立基点及战略目标5．2．l先进制造生产模式的创立基点为适应市场竞争新形势的需要，加上科学技术发展提供的可能性，工业发达国家进一步重视制造系统理论的研究，相继提出了一系列制造系统的新概念、新模式。诸如计算机集成制造（CIM）、精益生产（LP）、敏捷制造（AM）、并行工程（CE）、全能制造系统（HMS）、经营程序再造（BPR）、分形（fractal）制造和仿生（bionic）制造等等。根据相似工程的观点，制造系统的各种模式，既然有其相同的目标或目的，必然具备相似的功能或能力。制造系统的功能要求既然相似，其哲理或方法，其机理或行为，其组织结构，其内部与外部要素之间的关系以及其表观的性质便会有诸多的相似。而在研究或借鉴制造系统诸模式的相似性时，又必须同时注意研究其所依赖的条件，并根据自身条件的不同而有所变异。先进制造生产模式，其本质就是集成经营。集成经营是在新的市场环境下，将企业经营所涉及的各种资源，过程与组织进行一体化的并行处理。通过集成使企业获得精细、敏捷、优质与高效的特征，以适应环境变化对质量、成本、服务及速度的新要求。联合国在关于50年代西欧经济增长的决定因素的报告中，首次指出并分析了技术、组织、人因三种资源对企业经营的关键作用。事实上技术、组织与人因三大资源集成构成了现代企业制造生产方式的基石。以此为基石的关键性支撑模式，目前普遍受到重视的主要有三类：①智能制造与柔性生产；②精益生产：②敏捷制造。为能实现制造企业的战略目标，制造企业采用先进制造生产模式可从几种途径入手：制造技术、人的作用和制造组织；所依赖的手段主要是投资和创新。由图5－l可以看出它们的特点与区别。5．2．2制造系统的工程属性和经济属性从工程角度看，制造系统是一个由硬件、软件和人员构成的动态技术系统。它在物料、信息和能量的流动过程中，将原材料转变成产品，见图5－2。从经济角度看，制造系统作为一个企业，是一个由固定资产、流动资产和无形资产构成的动态经济系统。它在资金的流动过程中，使资产增值并获得收益，见图5-3。图5－2和图5-3所示的工程模型和经济模型分别描述了制造系统的工程和经济的两方面属性。在市场经济条件下，其经济属性是最根本的属性。也就是说，工程属性服从于经济属性的要求。一个从工程属性来看技术性能虽好，但从经济属性来看是亏损的制造系统，绝不是一个成功的制造系统。制造系统作为一个企业，其运营的主要形式。是实现资金与产品的相互转化。通过这种相互转化，使制造系统的工程和经济两方面属性紧密联系起来。制造系统作为企业，其运营的根本目标，是在经济、政策、法规以及社会效益等环境的约束条件下（见图5-3），持续地、最快最多地获得利润。为此，必须尽量增加销售额，同时尽力降低成本。5．2.3运营目标对制造系统的功能要求先进制造生产方式的新模式在考虑问题的层次、范围、角度和具体实施等方面有很大差别，但就目标而言，其根本的运营目标是最大限度地获取利润。为实现此目标，力图使企业提高并具备下述四种能力：(1）时间竞争能力。产品上市快，生产周期短，交货及时。（2）质量竞争能力。产品不仅可靠性高、而且用户满意。（3）价格竞争能力。产品生产成本低。销售价格适中。（4）创新竞争能力。产品有特色，生产有柔性，竞争有策略。5．2．4先进生产模式的战略目标表5－l对比了传统制造生产模式和先进制造生产模式的主要特征。由此可概括出先进制造生产模式的主要战略目标及共性。5．2．4．1获取生产有效性为首要目标卖方市场的特征使大批量制造生产模式的生产有效性成为既定满足的条件，致力于生产效率的提高成为了大批量制造生产模式的中心任务。当今复杂多变的市场环境，特别是消费者需求的主体化与多样化倾向使得制造生产