大学精品课件：现代制造系统(v4.1)5C 柔性相关.ppt

1、现代制造系统,第5章 柔性与可重构制造系统（3-4） 东北大学秦皇岛分校 黄亮 n-xyz,第5章 柔性与可重构制造系统 5.1 柔性制造系统 5.2 可重构制造系统 5.3 大规模定制 5.4 其它相关理论与方法,5.3 大规模定制,1970年，美国未来学家阿尔文托夫（Alvin Toffler）在Future Shock一书中提出的一种新生产方式的设想：以类似于标准化和大规模生产的成本和时间，提供客户特定需求的产品和服务。 1987年，斯坦戴维斯（Start Davis）在Future Perfect一书中首次将这种生产方式称为大规模定制。 1993年，B约瑟夫派恩（B. Joseph P

2、ine II）在大规模定制：企业竞争的新前沿一书中对大规模定制的内容做出了详细的描述与分析。,客户,个性化需求,市场变化无穷,市场竞争激烈,企业,市场竞争激烈,大规模定制（mass customization，MC）包括 大规模生产（mass production） 和定制生产（customization production）， 这是一个矛盾的概念。 为了处理这个矛盾， 需要把顾客的 共性需求（common demand） 和个性化需求（personal demand） 区分清楚，并分别用大规模生产和定制生产两种方式有针对性的解决（核心思想）。,为了有针对性的选择生产模式，首先需要评价本行业

3、的市场扰动： 市场扰动就是市场的不稳定、不确定和缺乏控制能力的程度，为单位时间内需要企业关注的市场事件的数量和重要性。 继而，根据市场扰动的大小，选择合适的“客户订单分离点”。 客户订单分离点是大规模生产和定制生产两种模式的分界点，即分离点上游使用大规模生产方式制造产品的通用部分，下游根据市场需求使用定制生产方式制造产品的个性部分。,产品生命周期 技术变化率 需求变化速度 价格意识 购买力 经济周期影响程度 需求层次稳定性 需求一致性 质量意识 时尚意识 市场饱和度 服务水平 替代品强弱 必需品/奢侈品 竞争意识 价格竞争/产品差异,0,25,50,75,100,80,80,20,25,35,

4、35,70,80,20,35,65,55,80,70,30,25,15,10,40,30,40,25,45,60,80,60,55,60,50,1991年,1980年,低,市场扰动度,高,案例：某大型技术公司制作的市场扰动图,扰动度40,40扰动度60,扰动度60,大规模生产 仍有效,可以采用 大规模定制,应该采用 大规模定制,0,50,100,低市场扰动度,高市场扰动度,市场扰动度的评价标准：,客户订单分离点：,大批量生产,按库存生产,MTS,按订单设计,DTO,按订单生产,MTO,按订单研制,RTO,大批量生产,大批量生产,按订单装配,ATO,大批量生产,顾,客,客户订单分离点,当前状态线

5、,目标状态线,理想状态线,研发,设计,装配,制造,销售,供,应,商,不同类型企业的客户订单分离点：,大规模定制的主要方法延迟策略： 最初是由Alderson于1950年在营销效率和延迟原理一文中提到。他将延迟定义为一种营销战略，即将产品形式和特征的变化尽可能向后推迟。 这一方法最初用于物流行业，由物流环节的最后一步完成产品的个性化定制，例如礼品包装与留言卡片、蛋糕上写名字等服务。 后来，延迟策略被引入大规模定制理论。企业开始主动地改变产品结构，以便更多地应用延迟策略。,延迟策略案例可定制图案的文化衫： 标准空白文化衫有制衣厂大规模生产，成批地发给零售商；而零售商自配印刷设备，个性化地印刷图案，

6、零售给顾客。,延迟策略案例 贝纳通（Benetton）的成衣染色技术： 贝纳通是一家意大利公司， 主营休闲服装。 服装企业的传统工艺是： 先对布匹染色， 再用有色布匹制作衣服。 传统工艺流程如图所示：,延迟策略案例 贝纳通的成衣染色技术： 近年来，服装市场的流行颜色很难预测，经常需要为某种颜色的衣服大量补货。 为此贝纳通将染色环节延后，由此可以大量囤积无色衣服，从而极大地缩短了补货时间。 新工艺流程如图所示：,大规模定制可用于制造的各个阶段： 设计（design）， 制造（production）， 装配（assembly）， 配送（supply chain）， 销售（sale）， 服务（ser

7、vice）。 其中，最重要的是设计阶段。合理的产品设计是大规模定制在其它阶段应用的基础，因此目前各种设计专业研究大规模定制理论的最多。,5.4 其它相关理论与方法,除了上述柔性制造系统、可重构制造系统和大规模定制外，还存在许多从柔性角度提高系统性能的先进理论与方法，包括 （1）混流生产线和（2）市场响应型自独立制造系统； 另外一些理论与方法从智能角度实现系统的柔性，包括 （3）智能制造系统、 （4）Holon制造系统、（5）多Agent系统、（6）自治系统、（7）生物型制造系统、（8）学习型企业和（9）耗散结构理论； 此外还有（10）突变论用于描述制造系统的变化，（11）可持续制造和（12）绿

8、色制造为制造系统的未来发展变化给出了新的方向，这些与提高制造系统的柔性相关，因此也放在这里一并介绍。,回顾单元制造系统的相关概念： 传统上的作业车间（例如机械加工车间）， 多由工作中心组成， 零件与设备之间无严格对应关系。 优点是具有柔性，缺点是效率较低。 弥补缺点的措施：采用单元制造系统。 而传统上的流水车间（例如汽车装配车间）， 多由制造单元组成， 零件与设备之间有严格对应关系。 优点是效率高，缺点是缺乏柔性。 如何弥补缺点？ 答案：采用混流生产线。,（1）混流生产线（mixed mode line） 也称为混流装配线， 最早出现于汽车行业， 即一条生产线上可以生产多种不同型号的汽车， 用

9、以增加生产过程的柔性和应对能力。 主要实现方法： 产品模块化； 生产线模块化； 生产线采用递阶结构。,产品模块化（参考第4.2节的模块化设计）； 产品可拆分成几部分独立的部件，称为模块。 各个模块可以分开装配，互不干扰。 模块到产品的组装接口标准化， 模块修改不影响产品的总装。 参考案例：个人计算机的组装。,产品模块化的实际案例： 1996年，著名美籍华人汽车专家、福特公司的发动机部总工程师顾永平率先在汽车工业历史上实现了发动机的模块化。 即对6缸、8缸、10缸和12缸等不同规格的发动机结构进行调整，使其绝大部分组件都能通用，以尽可能少的规格部件，实现最大的灵活组合。,生产线模块化； 在产品模

10、块化的基础上实行， 生产线分为通用模块（混流生产全部产品）和可变模块（单独针对某些产品）。 容易实现负荷均衡，增加了市场应对能力。,生产线模块化的实际案例：一汽混流生产线， 当前，多数主流汽车厂家都存在混流生产线。,生产线采用递阶结构； 传统的汽车生产线长度在1000至1500米， 大量的零部件堆积在生产线的两旁， 由许多供应商提供。 面对变化快、型号多、交货期则要求越来越高的市场需求，混流生产线将汽车分解成10至20个大的模块，每个模块又是由子模块组成，子模块由小模块组成， 形成一种多模块的递阶结构。,传统的 线状结构 变为 递阶结构 （树状结构）。,（2）市场响应型自独立制造系统 （mar

11、ket responsive self-contained manufacturing，MSM） 日本山崎马扎克（MAZAK）公司（主营数控机床）提出的概念，该系统采用几台数控机床，分别完成发动机5大件全部加工，进行“套件生产”，随即装配成一台发动机。 这种方法使得在发动机设计完成后即可以用最小的投资、最快的速度生产出来，适用于新发动机研发，适合按订单设计生产方式。 该系统的主要目的也是应对市场需求的个性化与不确定性，原理类似于柔性制造系统。,（3）智能制造系统 （intelligent manufacturing system, IMS） 智能制造系统是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机

12、一体化智能系统，它在制造过程中能以一种高度柔性的方式，借助计算机模拟人类专家的智能活动进行分析、推理、判断、构思和决策等，从而取代或者延伸制造环境中人的部分脑力劳动。 主要特征：自组织能力、自律能力、自学习和自维护能力、整个制造环境中的智能继承。 智能制造系统并非特指某种制造模式，而是人工智能方法在制造领域应用的统称。,人工智能（artificial intelligence，AI）： 是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学，属于计算机科学的一个分支。 主要研究领域包括智能机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。,（4）Holon制

13、造系统 （holon manufacturing system，HMS） Holon制造系统也译作霍伦、合弄、全能或子整体制造系统，源于日本东京大学于1990年4月所倡导的“智能制造系统”国际合作研究计划，许多发达国家（美国、欧洲共同体、加拿大、澳大利亚等）的大学或公司参加了该项计划。 该计划拟投资10亿美元，对100个项目实施前期科研计划，研究包含6方面内容，Holon制造系统为其中一个方面，于1993年被提出。,holon通常译作子整体， 是匈牙利作家、哲学家亚瑟凯斯特勒（Arthur Koestler）把词整体（holos 或者说“the whole”）和部分（on 或者说“the pa

14、rt”）相结合而发明。 它指一个维持自身独立性、同时又作为整体的部分发挥作用的实体 。 子整体曾用于描述社会、细胞和组织的行为，还有最近出现的制造行为。子整体的概念也出现在软件开发领域。,Holon制造系统的概念涉及范围比较广，主要特点包括 自治性（自组织性）、合作性、 智能性、敏捷性、柔性。 其核心思想与分形企业（第3.7节）有些像，但又融合了单元制造系统（第4.1节）、柔性制造系统（第5.1节）中的一些概念，特别是加入了人工智能领域的新技术，属于智能制造理论的一种。,（5）多Agent系统（multi-agent system，MAS） Agent的概念由美国著名经济学家海曼明斯基（Hym

15、an P. Minsky）于1986年提出。Agent直译为代理，意译作智能体，可以是智能软件、设备或机器人等，能够实现一系列的自动操作，故又称为无人自动机，是人工智能领域中的概念。 多Agent系统译作多代理系统或多智能体系统，主要研究Agent之间的协作方法，是Agent研究方向的重点课题，分布式人工智能方向的基本内容。 近年来，有学者将多Agent系统引入到制造领域，成为一种新的智能制造系统。,（6）自治系统（autonomous system，AS） 自治系统原为通讯学科下通讯网络中的概念，指由一个管理实体管理，采用统一的内部选路协议的大范围的IP网络。 数学和动力学中有同名称概念，指

16、不受外部影响即没有输入作用的一类动态系统。 有学者借鉴上述思想，扩展到管理学领域，提出自治制造系统，强调人工智能技术的应用，也注重管理上的局部自治。属于智能制造系统的一种，也和单元制造系统（第4.1节）、小组工作法（第3.1节）的思想有类似之处。,（7）生物型制造系统 （bionic manufacturing system，BMS） 浙江大学的顾新建和祁国宁等人提出。 现存的生物一般都是长期的生存竞争中在某些方面的优胜者，具有高度的合理性和目的性，在许多方面都是现代高科技产品望尘莫及的。 因此，在生命科学的研究成果中选取富含对工程技术有启发作用的内容，是一件十分有意义的事情。 人们已经选取了

17、例如敏捷（agile）、瘦（lean）、智能（intelligent）、子整体（holon）这些具有生物学意义的词汇，从不同角度描述先进制造系统模式。于是，研究者进一步将具有这些特点的制造模式合称为生物型制造。,过去为刚性制造系统，采用固定工艺路线； 现在为柔性制造系统，采用柔性工艺路线； 未来的制造单元可以动态组织，加工顺序相对自由，无明显的工艺路线限制。,离散制造的生物型发展变化：,过去需要一批一批地交替生产不同产品； 现在则采用混流生产线，计算机控制切换产品类型； 未来的制造单元可以动态组织，自由切换产品类型。,连续制造的生物型发展变化：,生物型制造系统的层次结构：,生物型制造系统的涉及

18、范围：,（8）学习型企业（learning enterprise） 也称为学习型组织（learning organization），其思想来源于系统动力学创始人美国麻省理工大学佛瑞斯特教授。 1965年，佛瑞斯特教授发表了一篇题为企业的新设计的论文，运用系统动力学原理，非常具体地构想出未来企业组织的理想形态层次扁平化、组织信息化、结构开放化，逐渐由从属关系转向为工作伙伴关系，不断学习，不断重新调整结构关系。 这是关于学习型企业的最初构想。,佛瑞斯特的学生彼得圣吉 是学习型组织理论的奠基人。 1990年，彼得圣吉完成其代表作第五项修练学习型组织的艺术与实务，提供了一套使传统企业转变成学习型企业的

19、方法，成为不断创造未来的组织，从而避免了企业“夭折”和“短寿”。 该书一出版即引起了极大反响，受到许多国内外企业（例如微软、苹果、通用电气、壳牌集团、Rover、联想、莱芜钢铁集团等）的推崇。,苹果公司新总部设计效果图： 办公楼中心的绿地据说是方便员工相互交流、学习。,学习型组织理论的主要内容包括： 建立愿景（building shared vision）、 团队学习（team learning）、 改变心智（improve mental models）、 自我超越（personal mastery）、 系统思考（system thinking）。 学习型企业属于企业文化层次的概念， 与生物型

20、制造系统思想有类似之处， 因此也被生物型制造系统的体系所包含。,（9）耗散结构理论 （dissipative structure theory） 诺贝尔奖获得者、比利时化学家伊里亚普里戈金（Ilya Prigogine）教授于1969年提出，原为热力学和物理统计学中的概念：,一个远离平衡的开放系统，在外界条件变化达到某一特定阈值时，量变可能引起质变，系统通过不断地与外界交换能量与物质，就可能从原来的无序状态转变为一种时间、空间或功能的有序状态。这种非平衡态下的新的稳定有序结构，称为耗散结构。物理学中的典型例子是贝纳特流。,贝纳特流（RayleighBnard convection）： 在一扁平

21、容器内充有一薄层液体，液层的宽度远大于其厚度，从液层底部均匀加热。当温度差较小时，液层中不会产生任何结构。 但当温度差达到某一特定值时，液层中自动出现许多六角形小格子，液体从每个格子的中心涌起、从边缘下沉，形成规则的对流。从上往下可以看到贝纳特流形成的蜂窝状贝纳特花纹图案。这种稳定的有序结构称为耗散结构。 类似的有序结构还出现在流体力学、化学反应以及激光等非线性现象中。,贝纳特流的照片：,耗散结构理论提出后，在自然科学和社会科学的很多领域如物理学、天文学、生物学、经济学、哲学等都产生了巨大影响。 著名未来学家阿尔文托夫（Alvin Toffler）在评价普里戈金的思想时，认为它可能代表了一次科

22、学革命。 耗散结构理论应用于制造系统，主要强调企业的开放性，通过外界反馈信息自我调节，类似于本节课件前面提及的生物型制造系统，也包含网络化制造（第6.4节）的概念。,（10）突变论（catastrophe theory） 突变论由法国数学家托姆（R. Thom）于1969年提出，主要研究非连续的变化现象。最初用于生态学，用于描述种群动态的突然暴发或突然崩溃。 后来被用于描述很多领域的突然变化和跃迁现象 ，例如水的沸腾、岩石的破裂、桥梁的崩塌、地震、细胞的分裂、生物的变异、人的休克、情绪的波动、战争、市场变化、经济危机等等。 突变论在制造领域的应用主要有两个方面： 其一是用于产品质量的描述，如刀

23、具寿命预测； 其二是用于企业组织性能的描述，用于评价企业业务流程重组后的变化。,突变论的相关典故某欧洲民谣： 丢了一个钉子，掉了一只蹄铁； 掉了一只蹄铁，毁了一匹战马； 毁了一匹战马，伤了一位骑士； 伤了一位骑士，输了一场战斗； 输了一场战斗，亡了一个国家。,来源于一场英国国王查理三世和里奇蒙德伯爵亨利为争夺王位的战斗。,突变论常使用数学模型表达突变现象， 例如：双参量四次多项式模型。,（11）可持续制造（sustainable manufacturing） 可持续制造是一种与环境友好的、洁净的、节省资源的先进制造技术，是一种符合可持续发展策略的制造技术，是基于现代的多学科的先进科技成果的综合

24、技术。 可持续制造的主要研究内容： 一是节能减排加工技术，尽量减少原料、能源的损耗和对环境的污染。 二是再制造技术，开发利用废弃资源为原料的新技术以及相应的制造模式。 课程第12.4节有更详细的介绍。,（12）绿色制造（green manufacturing，GM） 绿色制造又称环境意识制造（environmentally conscious manufacturing，ECM 或 manufacturing for environment，MFE）是一种综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。 绿色制造的目标是使产品从设计、制造、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的负作用最小，资源利用效率最高，与可持续制造的概念十分类似。 课程第12.4节有更详细的介绍。,课程要求（5.3-4）,知道大规模定制的主要思想； 理解客户订单分离点的概念； 知道不同类型企业中客户订单分离点的位置； 知道延迟策略的含义。 知道混流生产线的主要实现方法（3点）。 简单了解Holon制造系统的主要特点（5点）。 知道突变论在制造领域的主要应用（2点）。 简单了解本节介绍的其它相关理论与方法。,