第九章 制造技术的新发展

1、第九章 制造技术的新发展制造哲理    学习要点：了解批量法则、成组技术、计算机集成制造、并行工程、敏捷制造等重要制造哲理和先进生产模式。    本节从“大制造”的概念出发，阐述对整个制造过程具有全局性指导意义的一些重要制造哲理。9.1 批量法则（Batch Rule）大批量生产方式的产生及其特点工业革命以后，至20世纪初，以机器代替人力成为生产的主要方式，大大促进了生产力的发展，并形成了现代意义上的机械制造业。但生产方式仍以作坊式的单件生产为主，由于机器精度不高，产品质量主要靠从业人员的技艺来保证，故称为&quo

2、t;技艺"型生产时代。此时的工厂组织结构仍较分散，管理层次仍较简单，通常由业主或代办直接与顾客、雇员和协作商联系。这种生产方式的生产率仍然较低，且生产周期较长，产品价格居高不下。20世纪初，美国福特汽车公司首先在底特律建立了世界上第一条自动生产线，标志着大批量生产方式（Mass Production）的开始。由于机器精度的提高，工件加工质量容易得到保证，工人的技艺变得不再那么重要了。加上互换性原理的推行，汽车装配不再使用锉刀或刮刀，工人只需进行一些诸如按按钮、拧螺丝、焊接、涂漆等基本操作。装配流水线按一定的节拍运转，每个工人日复一日地重复一种简单的机械动作，完成一种固定的操作。与&q

3、uot;技艺"型生产方式相比，在大批量生产方式下，多数从业人员不再需要很高的技术水平，而只需进行简单的培训，即可上线工作。这种生产方式大大缩短了生产周期，提高了生产效率，降低了生产成本，并使产品质量容易得到保证。大批量生产方式的推行，促进了生产力的巨大发展，使美国一跃成为世界一流经济强国。大批量生产（Mass Production）方式也一度成为先进生产力的代表和当代工业化的象征。大批量生产与多品种、中小批量生产相比具有以下特点：1）生产的产品产量大而品种少，重复生产一种或少数几种相类似的产品，工艺过程和生产条件稳定，大多数工作地固定完成一、二道工序，专业化程度高。2）多采用专用、高

4、效设备和工艺装备，生产过程机械化、自动化程度及设备利用率较高，生产周期较短，零件加工质量易于保证。3）工人作业分工细，多数工人长期从事一、两种简单和重复性的操作，对工人的技术水平要求不高。4）产品设计通用化、系列化、标准化程度高，零件互换性好，广泛采用互换装配法装配。5）产品社会需求量大，需求稳定。企业根据用户需求和科技发展水平，进行产品设计和制造。订货程序通常是先设计、生产，再面向用户。6）按对象组织专业化生产，多采用流水生产、自动生产线等生产组织形式，生产计划细致周密，生产过程易于控制。7）毛坯制作广泛采用金属模机器造型、压铸、精铸、模锻、精锻等方法，毛坯精度高，加工余量小，材料利用率高。

5、9.2 成组技术(Group Technology)成组技术基本原理成组技术是一门生产技术科学和管理科学，它研究如何识别和开发生产过程中有关事物的相似性，并充分利用各种问题的相似性，将其归类集合成组，然后寻求解决这一组问题的相对统一的最优方案，以取得所期望的经济效果。成组技术用于机械制造领域，就是利用零件的相似性，将其分类成组，并以这些零件组为基础组织生产，以实现多品种、中小批量生产的产品设计、制造工艺和生产管理的合理化。由上述定义可见，机械制造中成组技术的基本原理是将零件按其相似性分类成组，使同一类零件分散的小批量生产，汇合成较大批量的成组生产（见图1-11），从而使多品种、中小批量生产可以

6、获得接近大批量生产的经济效果。9.3 计算机集成制造（Computer Integrated Manufacturing - CIM）CIM的由来和发展CIM（计算机集成制造）一词首先于1974年由美国Joseph Harrington博士提出。他在Computer Integrated Manufacturing一书中阐述了两个基本观点：1）制造企业生产活动的各个环节，即从市场分析、经营决策、工程设计、制造过程、质量控制、生产指挥到售后服务，互相紧密联系成一个不可分割的整体。2）整个制造过程本质上可以抽象成一个数据收集、传递、加工和利用的过程，最终产品可以看作是数据的物化表现。CIM概念提出

7、后，未能立即引起足够的注意，因当时实施CIM的条件尚不成熟。进入20世纪80年代以后，与CIM有关的各项单元技术（如CAD、CNC、CAPP、MIS、FMC、FMS ）发展已较完善，并形成一个个自动化"孤岛"。在这种形势下，为取得更大的经济效果，需要将这些"孤岛"集成起来，CIM概念于是受到重视并被普遍接受。20世纪80年代初，美国国家标准局（NBS）下属的"自动化制造研究实验基地"（AMRF）建立了世界上第一个CIMS（计算机集成制造系统）实验系统（见图1-20），旨在促进CIM技术的发展。该系统包含5个工作站，其中3个机械加工工作

8、站，一个清洗和去毛刺工作站，一个自动检测工作站，每个工作站都配备单独的机器人。系统有2台载有机器人的轨道小车，在各工作站之间运送毛坯、工件及工夹具。整个系统由计算机网络系统和AMRF自行开发的软件控制。该系统模拟最小制造环境，可以实现从产品设计、生产计划、工艺过程设计、计、数控程序编制到加工、运输、检验，直至输出成品的全过程。80年代中、后期，CIM逐渐开始实施，并迅速显示出明显的效益 - 提高企业的生产率和市场竞争能力。以往，竞争力主要取决于生产率，现今更重要的是对市场的响应能力。信息时代的到来，使世界正在"变小"。世界大市场的发展，使竞争更加激烈，这一方面极大地促进了社

9、会生产力的迅速发展，另一方面也给企业造成了严酷的"生存环境"。企业为求得生存和发展，必须在TQCSE（T - 时间，加速新产品研制周期，缩短交货期，Q - 质量，C - 成本，S - 服务，E - 环保）五要素上下工夫。为实现这一目标，CIM是一种强有力的形式。 9.4 并行工程（Concurrent Engineering - CE）并行工程产生的背景并行工程（CE）与计算机集成制造（CIM）具有相同的历史背景，都是在激烈的市场竞争中，企业为了求得生存和发展而采取的有效方法。随着科学技术的高速发展和市场竞争的日益加剧，在TQCSE（时间、质量、成本、服务、环保）五要素中，

10、T（时间）变得越来越重要，减少新产品开发周期逐渐成为TQCSE的"瓶颈"。计算机集成制造着眼于信息集成通过网络与数据库，将自动化"孤岛"集成起来。生产管理者在信息集成的基础上，对整个生产进程有清楚的了解，从而可以对生产过程进行有效地控制，并在TQCSE上获得成效。但在计算机集成制造环境下，生产过程的组织结构与管理仍是传统的，生产过程仍独立、顺序地进行。当新产品开发成为赢得市场竞争的主要手段后，单纯的集成已远远不够。按顺序方法开发产品常常需要多次反复，造成时间和金钱的巨大浪费。据美国Menter Graphics公司报告，该公司印刷电路板的研制一般要经过五

11、轮原型（Prototype）才能定型，每轮原型需耗费2 6万美元。为了减少新产品开发时间和费用，同时也为了提高产品质量，降低生产成本，改进服务，在产品设计时，需要充分考虑下游制造过程和支持过程。这就是并行工程的基本思想。并行工程哲理的形成来自许多人的好思想，如目标小组（Tiger Teams）、协调工作（Team Works）、产品-驱动设计（Product-Driving Design）、全面质量管理（TQC）、连续过程改进（CPI）等。其中最重要的要属美国国防部防卫分析研究所（IDA）高级项目研究局（DARPA）所作的研究工作，他们从1982年起开始研究在产品设计中改进并行度的方法，直至1

12、988年，发表了著名的R338报告。这份报告对并行工程的思想和方法进行了全面、系统地论述，确立了并行工程作为重要制造哲理的地位。9.5 敏捷制造（Agile Manufacturing）敏捷制造的概念20世纪60年代和70年代，由于美国政府的政策失误和社会舆论的错误导向，导致美国经济严重衰退，竞争力明显下降，贸易逆差巨增，日本家电、汽车大量涌入并占领了美国市场。80年代以后，美国从政府到民间都开始认识到问题的严重性，并开始研究如何重振美国制造业的威风。80年代末美国国会指示国防部拟定一个制造技术发展规划，要求同时体现美国国防工业与民品工业的共同利益，并要求加强政府、工业界和学术界的合作。在此背

13、景下，美国国防部委托Lehigh大学与GM等大公司一起研究制定一个振兴美国制造业的长期发展战略，最终于1991年完成了"21世纪制造企业发展战略"报告。在此报告中提出了"敏捷制造"的概念。"敏捷制造"的提出者认为，在市场全球化、市场需求多样化和变换莫测得形势下，多品种、中小批量生产，甚至于单件生产将越来越占椐主导地位。在影响市场竞争力的诸要素中，时间T将变得越来越突出，谁能够在最短的时间内向市场推出适销对路的、高质量的产品，谁就能在激烈的市场竞争中站稳脚跟，并获取最大的利润。因此，提高制造系统的敏捷性，最大限度地缩短新产品开发周期和交货期，将成为企业赢得市场竞争的关键。敏捷制造的基本思想是"敏捷"，即对市场的快速响应。敏捷制造的基本方法是利用人的智能和信息技术，通过多方面的合作，改变企业沿用的复杂的多层递阶管理结构和传统的大批量生产方式，使企业在先进柔性制造技术的基础上，通过企