现代制造系统-第六章

1、制造系统的概念制造系统的发展历程现代制造系统的特征典型制造系统及其发展趋势过去过去20年来，戴尔电脑公司所采用的商业模式是世年来，戴尔电脑公司所采用的商业模式是世界上最好的商业模式之一。迈克尔界上最好的商业模式之一。迈克尔戴尔作为当代戴尔作为当代典型的企业家而备受商业媒体的关注，这个年轻的典型的企业家而备受商业媒体的关注，这个年轻的电脑奇才从大学辍学，通过创立自己的技术公司赚电脑奇才从大学辍学，通过创立自己的技术公司赚了大钱。不过，迈克尔了大钱。不过，迈克尔戴尔真正有影响的见解戴尔真正有影响的见解并并不在技术方面不在技术方面，而是在，而是在商业方面商业方面。早在。早在20世纪世纪80年年代初他

2、就开始关注个人电脑生产企业的工作模式，代初他就开始关注个人电脑生产企业的工作模式，并且发现了一条更好的路子。并且发现了一条更好的路子。这条更好的路子就是向这条更好的路子就是向客户直销客户直销，绕过了分销商这，绕过了分销商这个中间环节。戴尔电脑公司从消费者那里直接拿到个中间环节。戴尔电脑公司从消费者那里直接拿到订单，接下来自己购买配件组装电脑。这就意味着订单，接下来自己购买配件组装电脑。这就意味着戴尔电脑公司无需车间和设备生产配件，也无需在戴尔电脑公司无需车间和设备生产配件，也无需在研发上投入资金。消费者得到了自己想要的电脑配研发上投入资金。消费者得到了自己想要的电脑配置，戴尔公司也避免了中间商

3、的涨价。置，戴尔公司也避免了中间商的涨价。 一些企业通过合并和收购实现全球化一些企业通过合并和收购实现全球化他们他们购买企业以获得自身所需要的资源并使那些企业的购买企业以获得自身所需要的资源并使那些企业的创新内部化。但即使是最完美的并购也会遭遇整合创新内部化。但即使是最完美的并购也会遭遇整合问题及运作成本上升。波音公司正相反问题及运作成本上升。波音公司正相反, 它放弃非核它放弃非核心资产心资产, 通过松散的价值创造网络进行通过松散的价值创造网络进行全球性的协作全球性的协作。 在研制在研制787过程中过程中, 波音所扮演的角色是下一阶波音所扮演的角色是下一阶段系统的集成者段系统的集成者: 有来自

4、有来自6个不同国家的个不同国家的100多家供多家供应商应商参与制造下一代飞机参与制造下一代飞机, 这是一种真正的合作方这是一种真正的合作方式而不单单是外包。波音已经建立起一个广泛的水式而不单单是外包。波音已经建立起一个广泛的水平型的合作网络平型的合作网络, 实时合作、分担风险、共享知识实时合作、分担风险、共享知识, 以达到更高水平的绩效。以达到更高水平的绩效。装配由原来的装配由原来的13天缩短为天缩短为3天。天。制造系统的概念现代制造系统的特征制造系统的发展历程典型制造系统及其发展趋势7n基本概念：基本概念：生产；制造；制造技术；制造生产；制造；制造技术；制造系统；制造业系统；制造业生产定义

5、从系统的观点，生产可以定义为将生产要素转变成生产财富并创造效益的输入输出系统8输入输出+ +- -生产过程生产过程效益 生产财富有形（产品）无形（服务）图1 生产的定义转变效率：生产率 = 输出/输入 生产要素生产对象（原材料）生产资料（直接、间接）能源劳动力信息（知识、技能、情报）资金9 狭义理解：生产过程从原材料狭义理解：生产过程从原材料成品直接起成品直接起作用的那部分工作内容，包括毛坯制造、零件作用的那部分工作内容，包括毛坯制造、零件加工、产品装配、检验、包装等具体操作（物加工、产品装配、检验、包装等具体操作（物质流）。质流）。 广义理解：制造广义理解：制造 = = 生产生产 美国将机械

6、、电子、轻工、纺织、冶金、化美国将机械、电子、轻工、纺织、冶金、化工等行业列为制造业。工等行业列为制造业。国际生产工程科学院（国际生产工程科学院（CIRP）定义）定义：制造包：制造包括制造企业的产品设计、材料选择、制造生产括制造企业的产品设计、材料选择、制造生产、质量保证、管理和营销一系列有内在联系的、质量保证、管理和营销一系列有内在联系的运作和活动。运作和活动。 制造制造 制造业制造业10制造业在国民经济中的地位制造业在国民经济中的地位 纺织机械动力机械家用电器通讯设备出版印刷网络媒体文化娱乐冶金机械建筑机械交通工具环保设备军事装备医疗设备机器制造农业机械化工设备图1-8 当今制造业的社会功

7、能制造业的概念制造业的概念1160%制造业的概念制造业的概念12制造技术制造技术13制造系统结构制造系统结构图2 制造系统功能结构经营管理信息流生产管理信息流技术信息流物质流用户、市 场 与 外 部 环 境经营管理市场与销售研究与开发资源管理财务生产管理工程设计采购车间制造（加工、装配、检验、输送、存储 ）质量控制制造系统的概念制造系统的概念14制造系统特性制造系统特性软件硬件图3 制造系统结构特性 结构特性结构特性 制造系统可视为若干硬件的集合体。为使硬件充分发挥效能，必须有软件支持。15 转变特性转变特性主要从技术角度出发，如何使转变过程更有效进行。获取阶段转变阶段分配阶段图4 制造系统的

8、物质流原材料供应者原材料库存零件加工零件库存装配成品库存最终用户16需求订货信息生产计划信息进度计划信息作业计划信息生产结果数据生产控制信息生产技术信息产品设计信息综合生产计划生产进度计划作业计划生产实施生产控制产品设计工艺过程计划工艺过程信息计划阶段实施阶段控制阶段图6 制造系统的程序特性 程序特性程序特性l 程序 一系列按时间和逻辑安排的步骤l 制造系统可视为生产离散型产品的工作程序（图6） 研究制造系统程序特性，主要从管理角度出发如何使生产活动达到最佳化。17压力加工油漆车身装配内部装饰驱动桥装配变速箱装配轮胎装配底盘装配 车身安装 最后试验发动机装配发动机试验机械加工热处理锻造熔化造型

9、浇铸压铸油漆机械加工自动线热处理图1-5 汽车生产物流示意图制造系统的示意制造系统的示意制造系统的概念制造系统的发展历程现代制造系统的特征典型制造系统及其发展趋势制造系统发展阶段制造系统发展阶段手工作坊阶段：手工作坊阶段：n靠手工操作；靠手工操作；n以手工作坊的生产模式为主；以手工作坊的生产模式为主；n以人力、畜力和自然力为加工动力来源。以人力、畜力和自然力为加工动力来源。刚性制造系统：专用机床组成刚性流水线刚性制造系统：专用机床组成刚性流水线可实现固定产品的高效率生产；（汽车工可实现固定产品的高效率生产；（汽车工业）业）设备利用率高；设备利用率高；生产线投资大，不灵活生产线投资大，不灵活制造

10、系统发展阶段制造系统发展阶段单机柔性加工系统：单机柔性加工系统：NCNCn以单台数控加工设备为核心；以单台数控加工设备为核心；n柔性好、加工质量高；柔性好、加工质量高；n适于多品种、中小批量生产。适于多品种、中小批量生产。多机柔性加工系统：多机柔性加工系统： 强调制造过程的柔性和高效率；强调制造过程的柔性和高效率； 适于中等批量、中等品种生产适于中等批量、中等品种生产; ; DNC DNC（计算机连接数控和分布数控）柔性制造（计算机连接数控和分布数控）柔性制造单元（单元（FMCFMC）柔性制造系统）柔性制造系统(FMS)(FMS)。制造系统发展阶段制造系统发展阶段计算机集成制造系统：计算机集成

11、制造系统：CIMSCIMS 以计算机网络和数据库为基础，实现了制造以计算机网络和数据库为基础，实现了制造全过程的系统性和集成性；全过程的系统性和集成性； 适于多品种、小批量生产。适于多品种、小批量生产。跨企业制造系统和全球制造系统跨企业制造系统和全球制造系统 通过网络协调和运作，把分布在世界各地的通过网络协调和运作，把分布在世界各地的制造工厂、供应商和销售点连接成一个整体，制造工厂、供应商和销售点连接成一个整体，由此构成具有同一目标的、在逻辑上为一整由此构成具有同一目标的、在逻辑上为一整体而物理上分布于全世界的跨企业和跨国制体而物理上分布于全世界的跨企业和跨国制造系统，即全球制造系统。造系统，

12、即全球制造系统。 1. 从技术层面看 经过数十年的发展，制造系统技术在总体上已形成基本的体系，并在实际应用中发挥着越来越重要的作用。 第一阶段：刚性制造系统: 本阶段在20世纪50年代前已基本形成。 第二阶段：单机柔性加工系统 : 开始于20世纪50年代初，到70年代已基本成熟。 第三阶段：多机柔性加工系统 : 出现于20世纪60年代末，70年代以后得到快速发展，如直接数控（DNC）加工系统、柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统(FMS)、柔性加工线（FML）。 第四阶段：计算机集成制造系统 : 20世纪80年代以来得到迅速发展 ，其特征是制造全过程的系统性和集成性，以解决现代企业生存与竞争问

13、题。第五阶段：跨企业和全球制造系统: 20世纪末提出，正在成为21世纪的发展方向。 基本概念是: 根据全球化的产品需求，通过网络协调和运作，把分布在世界各地的制造工厂和销售点联接成一个整体，从而能够在任何时候与世界任何一个角落的用户或供应商打交道，由此构成具有统一目标的在逻辑上为一整体而物理上分布于全世界的跨企业和跨国制造系统。 2. 从学科发展看 制造系统诞生于 20世纪70年代后期的日本。京都大学人见胜人（Hitomi K.）教授发表著作Manufacturing System Engineering。 在美国，麻省理工学院90年代初即开设有制造系统课程，并出版了专著。 在西欧，一些一流大

14、学亦开设了制造系统课程。 总之，制造系统已成为国外一流大学相关专业和学科的科研与教学工作的重要组成部分。 在我国，制造系统的研究和应用起步也较早，20世纪80年代中就已有柔性制造系统（FMS）在生产实际中应用。 但制造系统作为一个学科和技术领域，在国家支持下开展有组织的深入系统研究和应用，是开始于国家的863计划。以CIMS为代表的研究项目十几年来取得一大批成果，并在许多类型的企业中得到广泛应用，有力推进了我国制造系统技术的发展。 清华大学制造工程研究所在多年制造系统研究和应用实践积累的基础上于1989年率先在国内为研究生开出现代制造系统课程。当时正值我国国企改革启动阶段，制造企业面临巨大的市

15、场压力，迫切需要利用制造系统知识解决企业面临的生产经营与管理问题。课程开出后受到企业和学生的欢迎。 先进制造模式和相关理论 现代生产模式：JIT、网络化制造先进制造技术与装备 柔性制造系统 FMS系统科学理论与系统工程技术 离散事件动态系统现代管理控制理论与技术 运筹学、现代管理理论计算机与信息技术 信息技术、计算机控制技术1. 1. 先进制造模式和相关理论先进制造模式和相关理论: : 制造模式决定了制造系统的体制造模式决定了制造系统的体系结构、运行原理以及管理和控制方法，因此，要对现代制系结构、运行原理以及管理和控制方法，因此，要对现代制造系统进行深入研究，要使现代制造系统技术的发展保持正造

16、系统进行深入研究，要使现代制造系统技术的发展保持正确的方向，就必须以先进制造模式为基础，以正确、先进的确的方向，就必须以先进制造模式为基础，以正确、先进的理论为指导。理论为指导。 2. 2. 先进制造技术与装备先进制造技术与装备 : : 制造技术与制造装备是构成制造制造技术与制造装备是构成制造系统的重要元素，要使制造系统发挥出高效益，必须有先进系统的重要元素，要使制造系统发挥出高效益，必须有先进制造技术和先进制造装备作为支撑。制造技术和先进制造装备作为支撑。 例如例如, ,柔性制造系统和计算机集成制造系统的发展柔性制造系统和计算机集成制造系统的发展, ,必须以数必须以数控加工技术和先进数控机床

17、为基础。控加工技术和先进数控机床为基础。3. 3. 系统科学理论与系统工程技术系统科学理论与系统工程技术 : : 制造系统属于复杂大系制造系统属于复杂大系统，并且为典型的离散事件动态系统（统，并且为典型的离散事件动态系统（Discrete Event Discrete Event Dynamic SystemDynamic System，简称，简称DEDSDEDS），其状态变量数目巨大，不），其状态变量数目巨大，不确定性因素和随机性影响突出，非线性和混沌（确定性因素和随机性影响突出，非线性和混沌（chaoschaos）现象）现象严重。因此，制造系统研究、开发和应用中所涉及的许多问严重。因此，制

18、造系统研究、开发和应用中所涉及的许多问题，都必须从系统科学与工程的高度去分析和解决。题，都必须从系统科学与工程的高度去分析和解决。 4. 现代管理控制理论与技术现代管理控制理论与技术: 一方面，要使已有的制造系统一方面，要使已有的制造系统运行于最佳状态，发挥出最佳效益，必须采用有效的管理控运行于最佳状态，发挥出最佳效益，必须采用有效的管理控制理论、模式和方法；另一方面，要研究、开发性能优良的制理论、模式和方法；另一方面，要研究、开发性能优良的新型制造系统，也必须十分重视其管理控制子系统的研究开新型制造系统，也必须十分重视其管理控制子系统的研究开发。在管理控制子系统的研究开发中，最重要的就是要研

19、究发。在管理控制子系统的研究开发中，最重要的就是要研究适合先进制造系统的新的管理控制理论与技术。适合先进制造系统的新的管理控制理论与技术。 5. 计算机与信息技术计算机与信息技术 : 现代制造系统的研究开发和运行已越现代制造系统的研究开发和运行已越来越多地与计算机和信息技术相融合。例如，制造系统研究来越多地与计算机和信息技术相融合。例如，制造系统研究中建立的复杂数学模型必须借助计算机进行分析和求解，制中建立的复杂数学模型必须借助计算机进行分析和求解，制造系统的开发过程通常都要使用计算机进行仿真分析，制造造系统的开发过程通常都要使用计算机进行仿真分析，制造系统的运行则更是需要通过先进的计算机系统

20、和网络通讯系系统的运行则更是需要通过先进的计算机系统和网络通讯系统进行信息化管理和数字化控制。统进行信息化管理和数字化控制。制造系统的概念制造系统的发展历程现代制造系统的特征典型制造系统及其发展趋势制造特征的转变 过去：个人、孤立的机器完成的简单过程 现代：众多制造要素组成的制造系统实现的复杂工程 例：大型船只、大型飞行器现代制造系统的特征 结构复杂性 过去：简单单一 现代：系统集成 关联复杂性 系统间 信息交换、信息处理复杂性 支撑技术跨学科集成：机、电、液 环境复杂性 社会环境 地域范围从制造领域自身的发展看，制造主体（如制造企业等）作为一个系统不但规模不断扩大，而且结构日趋复杂。在手工业

21、生产时代，产品的设计、加工、装配和检验基本上都由个人完成，如果讲系统，这时的制造系统规模小、结构简单、易于驾驭。18世纪的西方工业革命，虽然有力促进了制造技术和制造装备的发展，但制造作为系统仍很简单。到了19世纪中叶后的大批量生产时代，通过劳动分工实现作业专业化，在机械化和电气化技术支撑下，进行流水线方式生产，形成了较大规模的制造系统，但此时制造系统的结构却并不复杂，其分析设计、信息处理、管理控制等问题也相对易于处理。 到了20世纪后半叶特别是近三十年来，市场需求朝多样化方向发展且竞争加剧，迫使产品生产朝多品种、变批量、短生产周期方向演进，由此形成柔性制造、计算机集成制造、敏捷制造等先进制造模

22、式，按此构成的现代制造系统不但规模庞大，而且结构十分复杂，系统的分析与综合已具有相当的难度，系统的优化管理控制问题更是难以解决，已成为全球范围内具有挑战性的课题。 系统科学性： 随着计算机技术和信息技术的发展，制造系统内部各组成环节间的信息联系以及制造系统与外部环境的信息联系，在广泛性和复杂性方面均在不断加强，系统中信息交换、信息处理的速度亦在迅速提高，从而使制造系统中各组成环节间的相互作用、相互依赖以及环境对制造系统的影响日益加强，“牵一发而动全身”的效应日益凸现。 因此，注重关联，把握全局在制造过程中将变得越来越重要。这些结果使得制造活动和制造过程呈现出越来越强的系统科学性。学科综合性：

23、相关学科的理论与方法日益向制造学科渗透，对制造学科和制造系统的发展产生了深刻的影响。 在制造系统的底层，机电一体化的制造装备和加工系统，大幅度提高了制造过程的柔性和效益； 在管理控制层，随着计算机技术、现代管理理论和控制方法的应用，使制造系统的管理与控制不断发展、不断创新，走出了从MRP、MRPII到ERP的发展历程； 在全局上，系统科学与工程的理论与方法使制造领域广大人员的思维模式、分析问题和解决问题的方法等都正在发生深刻的变化。 我国的经济体制正在从计划经济向社会主义市场经济转轨，众多制造企业失去了计划经济时代政府主管部门下达的计划指令。从系统与控制的角度看，即制造系统没有了确定的输入信息

24、。 随着全球经济一体化进程的加快，国际市场需求不仅变化极快，而且还难以预测。这些不仅造成制造系统输入信息和运行环境的随机性越来越大，而且还要求制造系统的响应速度不断提高。3435神州神州5 5号号神州5号宇宙飞船制造系统的概念制造系统的发展历程现代制造系统的特征典型制造系统及其发展趋势 熟练工人、简单通用工具，制造客户需求产品，每次一件，手工制作。 组织结构极为分散，产品设计和零件生产来自小机械作坊。 更换品种简单（对大批量生产来说，要花费几百万到几亿美元，并且花几年时间才能实现）。 价格昂贵，生产成本高，且不随着产量的增加而下降； 不采用标准的计量系统，没有两辆车是完全相同的； 可靠性、一致

25、性都变幻不定； 产量极低，每年不超过1000辆。精通某一领域的专业人员设计产品；熟练与半熟练工人，用昂贵的专用设备生产大批量标准产品；零件有全部、连贯的互换性，组装方便；降低生产成本和产品价格。设备成本非常高；生产不许间断；额外的协作厂、工人和场地；产品换产的调整花费大，尽可能延长标准设计产品生产的时间。19081908年第一辆售价年第一辆售价950950美元的福特美元的福特T T型车型车投放市场，至投放市场，至19271927年共生产了年共生产了15001500万辆万辆T T型车。型车。 生命周期：一个产品从开发到被淘汰所经历的时间。 时间是世界竞争的主要推动力。 占制造业的80以上。 日本

26、汽车具有超强的竟争力，why？ 90年，MIT耗资500万美元，5年，15个国家研究人员，“国际汽车计划项目研究”揭示奥秘。 根本原因：生产概念（管理理念）的不同。 日本，具有竞争力的精益生产方式的生产能力 欧美，无竞争力的大量生产方式的生产能力 综合了单件生产与大量生产的优点，既避免了前者的高成本，又避免了后者的强硬化。 效率提高30，管理费用降低40。 92年来，被德国3/4企业、美国通用等采用。 以以“简化简化”为手段为手段 简化企业的组织机构 简化产品的开发过程 简化零部件的制造过程 简化产品结构 以以“人人”为中心；为中心； 以以“尽善尽美尽善尽美”为最终目标。为最终目标。 传统组织

27、机构，递阶控制结构。缺点：信息传递周期太长，不易发挥主观能动性和创造性，浪费。 精益组织机构，适度递阶控制或分布式自治适应控制结构，项目组，适应环境变化，动态寻优。优点：供货厂家作为制造系统的有机组成部分，其产品开发和制造作为整个系统的一部分，降低库存（零库存），增值73。(b)协同控制(a)递阶控制（决定产品生命周期成本的90） 采用并行工程方法传统顺序工程方法 周期长，不能全面考虑产品制造过程和质量保证等。并行工程方法集成地、并行地设计，设计一开始就考虑产品整个生命周期的所有因素，时间和投入减少一半，需要CAD、CAPP和CAM系统之间信息的集成。 开发初期解决产品目的和作用的矛盾。 成立

28、高效的开发小组，配有力的项目领导，简化信息传递。 总装厂充分放权，仅下发性能规格、协作厂负责设计和制造，简化与协作厂的关系。 20世纪50年代由日本丰田汽车公司首创，在80年代初为西方企业接受。 继泰勒科学管理和福特大批量装配线系统之后的企业管理模式的变革。 通过对作业时间和运动交接因素进行深入研究，制定出标准工时，科学地对产出进行控制，真正提高生产的效益。 改善工作条件是管理活动中的一项义务，低工资未必能降低制造成本，应从精神上调动员工的创造和工作欲望。 发明了“差别计件工资法”，提高工人的生产积极性。 20世纪初，福特对泰勒科学管理思想进行了实践，将具有固定节拍的传送带引入制造系统福特流水

29、生产线。 刚性流水生产线，极大的提高了制造系统的生产率和降到了生产成本，满足了人类社会基本的消费需求。 在正确的时间、正确的地点，做正确的事情，达到零库存、无缺陷和低成本。 看板管理，或称作拉动技术。在下游用户提出要求之前，没有一家上游企业生产产品或提供服务。 传统：大量库存和批量生产，没有流动。下料机冲压机月计划入库焊接推给用户 大大减少换产调整时间和缩小批量，换产调整时间由80年代中期的16小时下降到2小时左右。 重新组织已有设备，达到一个流生产，只有被下一步拉动时，它们才流动。下料机冲压机客户订单出厂焊接 零件的生产没有缺陷； 将设备维护和保养集中在空闲时间，减少意外事故，进而减少在制品库存和缩短