生产方式的发展演变历程.pdf

第 1 卷第 3 期 1998 年9 月 工 业 工 程 Industrial Engineering Journal Vol 1 No 3 Sep 1998 收稿日期 1998 05 08 赵涛 男 1960年出生 副教授 生产方式的发展演变历程 赵 涛 齐二石 天津大学管理学院 天津 300072 摘要 回顾了生产方式的发展历程 分析了先进生产模式如计算机集成制造 并行工程 精益生产 敏捷制造等 本质特征及发展趋势 关键词 生产方式 CIMS CE LP AM 中图资料法分类号 F27017 Developing History of Production Pattern Zhao T ao Qi Ershi Management School of T ianjin University Tianjin 300072 Abstract The developing history of production pattern is reviewed as well as the features and tenden cy are discussed for computer integrated manufacturing system concurrent engineering lean produc tion and agile manufacturing Keywords production pattern CIMS CE LP AM 人类的文明和进步是与生产方式的发展演变分 不开的 回顾历史 生产方式的发展大致经历了三 个主要阶段 1 从手工作业到机器作业 从作坊到形成工 厂 2 从单件生产方式到大量生产方式 3 形成柔性化 系统化和智能化的生产方 式 1 手工与单件生产方式 一万年前的新石器时代 人类采用天然石料制 作工具进行采集 狞猎 种植和放牧 以利用自然 为主 到了青铜 铁器时代 人们开始采矿 冶 金 铸锻工具 织布成衣和打造车具 发明了象 刀 耙 箭 斧之类的简单机器 满足以农业为主 的自然经济 形成了家庭作坊式手工生产方式 生 产动力仍旧是人力 局部利用水力和风力 这种生 产方式使人类文明的发展产生了飞跃 促进了人类 社会的向前发展 1765 年瓦特蒸汽动力机的发明 提供了比人 力 畜力和自然力更强大的动力 促使纺织业 机 器制造业取得了革命性的变化 引发了工业革命 并在 Adam Smith 的劳动分工 1776 年 和工具机 的基础上 出现了工场式的制造厂 生产率有了较 大提高 揭开了近代工业化大生产的序幕 但是 机器生产仍然是一种作坊式的单件生产方式 其基 本特征是 1 按照用户的要求进行生产 采用手动操作 的通用机床 由于无标准的计量系统 所以生产出 来的产品规格只能达到近似要求 可靠性和一致性 不能得到保证 2 生产效率不高 产量很低 例如当时的汽 车产量每年不超过 1000 辆 而且生产成本很高 也不随产品产量的增加而下降 3 从业者通晓和掌握产品设计 机械加工和 装配等方面的知识和操作技能 大多数人从学徒开 始 最后成为制作整台机器的技师或作坊业主 4 工厂的组织结构松散 管理层次简单 由 业主自已和所有顾客 雇员和协作者联系 2 大量生产方式 推动单件生产方式发生根据变革的是 E Whitney 提出的 互换性0 和 大批大量生 产0 Oliver Evons 把传送带引入生产系统 F W Taylor 的 科学管理0 发动机 电动机 内燃机的发明改变了机器 的结构 H Ford 1913 开创的汽车装配自动流水生 产线 从此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的进程 为社会提供了大量的 经济产品 促进了市场经济的高速发展 成为各国 纷纷仿效的生产方式 大量生产方式的主要特征 是 1 实行从产品设计 加工制造到管理的标准 化和专业化 2 采用移动式的装配线和高效的专用设备 3 实行纵向一体化制度 把一切与最终产品 相关的工作都归并到厂内自制 自制率高 这些都提高了生产率 降低了成本 保证了质 量 缩短了生产周期 使工业生产面貌发生了根本 的变化 生产力发生了飞跃 社会物质财富迅速增 加 到战后的 50 年代 大量生产方式达到了顶峰 3 柔性自动化生产 从 50 年代开始 人们逐渐认识到刚性自动流 水线存在许多自身难以克服的缺点和矛盾 1 劳动分工过细 导致了大量功能障碍 2 生产单一品种的专用工具 设备和生产流 水线不能适应产品品种 规格变动的需要 对市场 和用户需求的应变能力较低 3 纵向一体化的组织结构形成了臃肿 官僚 的 大而全0 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性 以及生产计划与调度的 动态性 迫使人们去寻找新的生产方式 同时提高 工业企业的柔性和生产率 自从 1946 年美国出现了世界上第一台电子计 算机以后 人们就不断地将计算机技术引入制造业 中 1952 年美国麻省理工学院试制成功世界上第一 台数控 Numerical Controd NC 铣床 不同零件 的加工只改变 NC 程序即可 有效地解决了工序自 动化的柔性问题 揭开了柔性自动化的序幕 1955 年在通用计算机上开发成功自动编程工具 Auto matically Programmed Tools APT 实现了 NC 程 序编制的自动化 为了进一步提高 NC 机床的生产 效率和加工质量 于 1958 年研制成功自动换刀镗 铣加工中心 Machining Center MC 能在一次 装夹中完成多工序的集中加工 随即于 1962 年在 数控技术基础上研制成功第一台工业机器人 并先 后研制成功自动化仓库和自动导引小车 实现了物 料搬运的柔性自动化 1966 年出现了用一台较大型 的通用计算机集中控制多台数控机床的直接数控 Direct NC DNC 从而降低了机床数控装置的制 造成本 提高了工作的可靠性 NC 和 APT 的出现标志着柔性生产的开始 它 将高效率和高柔性融合于一体 实现了单机的柔性 自动化 但 NC 机床及用于上下料的工业机器人只 实现了零件加工单个工序的自动化 只有将一个零 件全部加工过程的物流以及与之有关的信息流都进 行计算机化 并追求整体效果 才能大幅度提高生 产效率 获得最佳的加工效果 在成组技术和计算 机控制基础上 1967 年英国莫林公司和 1968 年美 国辛辛那提公司先后建造了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 Flexible Manufacturing System FMS FMS 具有更大的柔 性和高度应变能力 进一步提高了设备利用率 缩 短了生产周期 降低了制造成本 这正是多品种小 批量生产所要求的生产方式 70 年代以前 由于计 算机处于第三代电路技术 工作性能和可靠性较 差 致使 FMS 技术未获广泛应用 70 年代中期由 于微处理机的问世和数据库 Date Base DB 技术 的发展 出现了各种微型机数控系统 CNC 及柔 性制造单元 Flexible Manufacturing Cell FMC 柔性生产线 FTL 和自动化工厂 FA 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 以及物料的非顺序输送 柔性自动 化的目标是 在中小批量生产条件下 接近大量生 产的高效率和低成本 并具有刚性自动化所没有的 灵活适应性 这期间 还相应开发了一系列用于支 23第 3 期赵 涛 齐二石 生产方式的发展演变历程 撑生产活动的计算机辅助技术 计算机辅助工艺过程设计 CAPP 计算机辅助质量控制 CAQC 计算机辅助制造 CAM 计算机辅助生产管理 CAPM 制造资源计划 MRP 计算机辅助作业计划 CAP 计算机辅助设计 CAD 计算机辅助工程 CAE 物料需求计划 MRP 管理信息系统 MIS 这些计算机辅助技术基本上都是在 60 70 年 代发展起来的 且都已获得广泛的应用 大大提高 了企业的决策能力和管理水平 但从整个企业系统 而言 前述各种制造技术毕竟都是一些 自动化孤 岛0 只能带来局部的效益 进入 80 年代 单元技 术逐渐成熟 并且商品化 数据库管理系统 局域 网络等数据处理和通讯网络的软件均可从市场上购 得 至此 出现了许多新概念 新思想和新的生产 模式 其实质是使生产系统朝着自动化 柔性化 智能化 集成化 系统化和最优化方向发展 以提 高企业的整体素质和效益 4 先进生产模式 411 计算机集成制造系统 Computer Integrated Manu facturing System CIMS 1974 年美国 Joseph Harrington 博士首次提出了 CIM 概念 但未受到太大重视 这是由于当时单元 技术的发展还不够完善 谈不上这些单元技术的集 成 80 年代初期 由于单元技术的成熟及商品化 把 自动孤化岛0 有机地集成起来成为可能 人们 逐渐接受了 CIM 的思想 美国国家标准局 NIST 提出了 CIMS 示范工程 在 80 年代后期和 90 年代 初期进行了 CIMS 的开发和实际实施 在提高生产 率和提高企业对市场的快速响应能力等方面取得了 明显的效益 关于 CIM 尚无严格的定义 但经过十几年的 开发与实践 趋于一致的看法是欧共体 CIM ISA Open Structure Architecture 研究课题组所给出的 定义 CIM 是信息技术与生产技术的综合应用 其 宗旨是提高制造企业的生产率和响应能力 因此 企业在所有功能 信息 组织管理方面都是集成起 来的整体的一部分 CIMS 是 CIM 的具体表现形 式 是实现 CIM 哲理的人机系统 也是一个计算 机辅助的闭环反馈系统 其输入是产品的需求和产 品的概念 输出是优质的产品和服务 按上述理解 可进一步归纳如下 1 企业生产经营的各个环节 即从市场研 究 产品的设计及开发 工艺规划 加工制造装 配 经营决策与管理 到销售及售后服务的全部活 动是一个不可分割的整体 特别是通过售后服务获 取用户对产品进一步改进意见及对新产品的需求形 成一个闭环 对上述各个环节应从系统的观点进行 协调 以实现全局优化和准优化 2 整个生产过程实质上是一个数据的采集 传递和处理决策的过程 最终形成的产品可以看成 是数据的载体和物质表现 3 CIMS 是一种组织 管理与运行企业生产 经营的新哲理 其宗旨是使企业的产品上市快 质 量高 成本低和服务好 TQCS 从而使企业赢得 竞争 4 企业生产的要素包括入 技术 机械及经 营管理 其中尤其要重视发挥人的主导作用 工业 革命使人成为机器的奴隶 新技术革命将恢复入格 Humanization 为 此 有 人 索 性 将 CIMS 改 为 HIMS Human Integrated Manufacturing System 强调 人的集成0 5 CIMS 的核心是信息集成和功能集成 它 借助于计算机硬件和软件 综合运用现代管理技 术 制造技术 信息技术 自动化技术和系统工程 技术等多种学科和技术 将企业全部生产过程中有 关人 技术 经营管理 机器设备及其物流和信息 流有机地集成并优化运行的思想 方法和系统 是 工厂自动化发展的方向 未来生产的模式 412 并行工程 Concurrent Engineering CE CIMS 的核心是信息集成 信息共享 使管理 者能够对企业整个活动有一个全面的了解 但从组 织形式来讲 产品开发过程仍然是传统的顺序过 程 周期较长 而当今市场竞争的焦点是产品的上 市时间 T ime to Market 该时间往往直接决定了 产品开发的成败 因此 如何缩短新产品开发期 制造期和交货期 如何提高产品开发的速度 效率 和命中率 一个自然而朴素的想法就是把原有串行 24工 业 工 程第 1 卷 过程尽可能并行进行 1988 年美国国防分析研究所 IDA 在 R33 报告中首次提出了并行工程的概念 并行工程是对产品设计及其相关过程 包括制造过 程 使用过程和支持过程 进行并行的 一体化设 计的 一种系统化的工作模式 这种工作模式力图 使开发者从一开始就能考虑到产品整个生命周期 从概念设计到产品报废 内的所有因素 包括时 间 质量 成本与用户需求 CE 思想起源于生产过程中目标小组 Target T eam 协助小组 Team Work 全面质量管理 TQM 和连续过程改进 CPI 等先进的组织形 式和工作方法 CE 的实质是把产品开发过程及其 相关过程集成起来 使产品及其加工制造的设计 后勤支持及用户组织成一个多专业开发组 并授权 及配备相应的自动化开发环境 为了加速新产品开 发的速度 出现了许多新的工具软件 计算机已从 辅助 什么0 发展到为 什么性0 而设计 如 可 加工性设计 可测试性设计 成本可计算性设计与 可维护性设计等等 并在此基础上进一步发展 为 什么0 设计自动化 提出了建筑在建模 仿真及临 境技术基础上的拟实制造 并行工程主要有以下特 点 1 缩短产品开发期 生产期和交货期 加速 新产品开发速度和效率 2 减少反复及变更的次数 减少或取消做原 型机或原型系统 可大大节省开发费用 3 在产品设计过程中就充分考虑下游阶段的 有关因素 如可制造性 方便性和经济性 质量要 求 报废处理等 及时解决设计和开发过程的矛盾 冲突 4 不同专业的密切交互合作易于生产新的思 想和概念 413 精益生产 Lean Prodution LP 美国麻省理工学院 MIT 在剖析总结日本丰 田汽车公司创造的丰田生产方式 Toyota Produc tion System TPS 后 于 1990 年在国际汽车计划 IMVP 研究报告中提出了以改革生产管理为中心 的精益生产 LP 体系 他们称之为 世界级制造 技术的核心0 这个概念被德国人吸收 并在 1992 年宣布要以 LP 来 统一制造技术的发展方向0 德 国Achen 工大继续发展了这个概念 构造出一幅以 LP 为屋顶 以 JIT GT TQM 为三根支柱 以 CE 和小组工作方式为基础的建筑画面 形象地描 绘了 21 世纪的现代生产方式和目标 显然 这里 既有新的制造技术 又有新的管理方式 更重要的 是还有一种不限于制造与管理的 以市场效益为核 心的设计 开发 制造 经营这样一种全局的系统 创新思想 1 精益生产强调以社会需求为驱动 以 人0 为中心 以 简化0 为手段 以技术为支撑 以 尽善尽美0 为目标 主张消除一切不产生附加 价值的活动和资源 从系统观点出发将企业中所有 的功能合理地加以组合 以利用最少的资源 最低 的成本向顾客提供高质量的产品 服务 使企业获 得最大利润和最佳应变能力 LP 是对企业的活动 及其社会影响进行全面的整体优化 具体可归纳为 以下几方面 1 简化生产制造过程 合理利用时间 实行 拉动式的准时生产 杜绝一切超前 超量生产 采 用快换工装模具新技术 把单一品种生产线改造成 多品种混流生产线 把小批次大批量轮番生产改变 为多批次小批量生产 最大限度地降低在制品储 备 提高适应市场需求的能力 2 简化企业的组织机构 采用 分布自适应 生产0 提倡面向对象的组织形式 OOO Object Oriented Organisation 强调权力下放给项目小组 发挥项目组的作用 采用项目组协作方式而不是等 级关系 项目组不仅完成生产任务而且参与企业管 理 从事各种改进活动 3 精简岗位与人员 每一生产岗位必须是增 殖的 否则就撤除 在一定岗位的员工都是一专多 能 互相替补 而不是严格的专业分工 充分调动 和发挥人的积极性和创造性 4 简化产品开发和生产准备工作 采取 主 查0 制和并行工程的方法 克服了大量生产方式中 由于分工过细所造成的信息传递慢 协调难 开发 周期长的缺点 5 减少产品层次 采用模块化产品结构 能 够按市场多样化需求开发多种产品 6 综合了单件生产和大量生产的优点 避免 了前者成本高和后者僵化的弱点 提倡用多面手和 通用性大 自动化程度高的机器来生产品种多变的 大量产品 7 建立良好的协作关系 克服单纯纵向一体 化的做法 把 70 左右的产品零部件的设计和生产 25第 3 期赵 涛 齐二石 生产方式的发展演变历程 委托给协作厂 主机厂只完成约占产品 30 的设计 和制造 主机厂与协作厂通过合作协议方式 实行 利益共享 风险共担 精益生产更多地考虑了生产方式和组织机构方 面的改善 而 CIM 较多考虑的是技术方面问题 在通常情况下 生产方式和组织机构的有效调整 人0 的作用的更好发挥所产生的效益会比单纯在 自动化技术方面大量投资所产生的效益要大得多 日本企业在自动化方面确实赢得了好处 而西方企 业在自动化上花费许多而收益甚少 414 敏捷制造 Agile Manufacturing AM 面向 21 世纪 机遇与挑战并存 一方面随着 技术发展的速度加快和人们对新产品的不断追求给 企业带来空前的机遇 另一方面随着技术装备及工 具软件的日新月异 开发周期越来越短 加上有同 样能力的企业将日益增多 世界市场的竞争会更加 激烈 竞争使得一个产品生产的批量越来越少 一 个企业能否将大批量生产的刚性生产线变为柔性生 产线 能否迅速将企业的组织及装备进行重组 能 否与其他企业进行合作组成跨企业的动态联合公司 来对市场机遇作出快速敏捷响应 源源不断地生产 出用户所需求的 个性化0 和 多样化0 的产品 这关系到企业生存和发展 1988 年美国通用汽车公 司 GM 和美国里海 Lehigh University 大学共 同提出了敏捷制造战略和虚拟企业的新概念 敏捷 是指在处于连续改变及不可预见的环境中的生存能 力 从社会总体来看竞争是推动社会前进的动力 但过度的竞争将成为极大的浪费 从敏捷制造的动 态联合公司走向企业集成 将是解决这一矛盾的好 方法 1992 年在美国自然科学基金 NSF 和国防 部 Dod 支持下 将政 产 学 研联合起来 成立了敏捷论坛 Agility Forum 主要是研究敏 捷制造战略 管理和组织结构方面的问题 1994 年 美国能源部 Doe 同时也制定了一个实现敏捷制 造的技术 T echologies Enabling Agile Manufactur ing TEAM 的五年计划 1994 1999 其重点 研究领域是 2 产品设计和并行工作 虚拟制造 制造规划与控制 智能闭环工艺过程控制 以上方面的集成 1996 年 5 月美国通用电气公司研究开发了 CAMnet Computer Aided Manufaeturing Network 的结构和应用 它通过万维网 World Wide Web 提供多种制造支撑服务 如产品设计的可制造性 加工过程的仿真以及产品的试验等 其目的是建立 敏捷制造的信息支撑环境 敏捷制造具有下列 5 个 方面的特点 1 敏捷制造企业 从策略上来说 不强调企业的全能 也不强 调一个产品从头到尾都是自己开发和制造 而强调 企业之间的合作 对市场机遇共同作出快速响应 从内部组织来说 决策权力是分散的 而不 仅是集中在指挥链上 不是以职能部门为基础的静 态结构 而是采用项目工作小组的动态组织结构 具有组织上的柔性 从技术上来说 努力做到同一类产品不同型 号的生产成本与批量无关 开发能大规模安全维护 软件的技术 开发适宜于分布开发组并行工作的群 件 指能够让企业有限的人员通过工厂网随时随地 协同完成工作 以及基于建模 信真及临境技术 基础上的拟实制造技术等 强调与用户建立永久信任的关系 新产品的 开发以满足用户要求为核心 并以售后增殖服务等 方式取得用户信任 2 人是企业最宝贵的财富 在大规模刚性生 产系统中生产能力的限制是生产系统的刚性性质 而在敏捷制造企业中 装备是可以不断重组及改进 的 因此能力限制取决于员工的想像力 创造力及 技能 有知识 有创造力及有技术的员工将是企业 最宝贵的财富 而不断对员工进行培训将是一项重 要的智力投资 技术领先一步 就使产品在整个社 会生命周期内获得用户的信任 高质量的人才能够 对产品作出重大创新 对生产过程进行改进 以便 使生产成本的增加能够在企业内部得到消化 而不 是导致产品价格的提高 3 全国工厂网 全国工厂网将作为信息高速 分路一个子网 其建设将有利于推动企业间的动态 的集成 一旦某公司抓住机遇 为了快速开发 占 领市场 可以通过网络迅速找到要寻求的技术或关 键部件及拥有他们的企业 并和他们进行协作 组 织跨地区或跨企业的分布式开发组 并行开发新产 品 作出快速响应 同时可通过网络收集用