现代制造系统-第六章PPT课件

现代制造系统 主讲 潘铭志 主要内容 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20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 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 戴尔真正有影响的见解并不在技术方面 而是在商业方面 早在20世纪80年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 这条更好的路子就是向客户直销 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的涨价 一些企业通过合并和收购实现全球化 他们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问题及运作成本上升 波音公司正相反 它放弃非核心资产 通过松散的价值创造网络进行全球性的协作 在研制787过程中 波音所扮演的角色是下一阶段系统的集成者 有来自6个不同国家的100多家供应商参与制造下一代飞机 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平型的合作网络 实时合作 分担风险 共享知识 以达到更高水平的绩效 装配由原来的13天缩短为3天 主要内容 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 什么是制造与制造系统 7 基本概念 生产 制造 制造技术 制造系统 制造业 生产与制造的概念 生产定义从系统的观点 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 图1生产的定义 9 狭义理解 生产过程从原材料 成品直接起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 物质流 广义理解 制造 生产 美国将机械 电子 轻工 纺织 冶金 化工等行业列为制造业 国际生产工程科学院 CIRP 定义 制造包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运作和活动 10 制造业在国民经济中的地位 制造业的概念 11 国民经济的支柱产业 国民经济总收入的60 以上来自制造业 世界发达国家无不具有强大的制造业 美国 约1 4人口直接从事制造业 其余人口中又有约半数人所做工作与制造业有关 日本由于重视制造业 二次大战后30年时间 发展成为世界经济大国 机械制造业是制造业的基础 是重中之重 与此相反 美国在一段相当长时间内忽视了制造技术的发展 结果导致经济衰退 竞争力下降 出现在家电 汽车等行业不敌日本的局面 直至上世纪80年代初 美国才开始清醒 重新关注制造业的发展 至1994年美国汽车产量重新超过日本 制造业的概念 12 制造技术 在产品生产中 使原材料转化为产品过程所施行的各种手段的总和 称为制造技术 与大 小制造概念相对应 对于制造技术的理解也有广义和狭义之分 广义理解制造技术涉及生产活动的各个方面和生产的全过程 制造技术被认为是一个从产品概念到最终产品的集成活动 是一个功能体系和信息处理系统 13 制造系统结构 制造系统的概念 14 制造系统特性 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 主要从技术角度出发 如何使转变过程更有效进行 16 程序特性 程序 一系列按时间和逻辑安排的步骤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 图1 5汽车生产物流示意图 制造系统的示意 主要内容 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 制造系统技术的发展历程 制造系统发展阶段手工作坊阶段 靠手工操作 以手工作坊的生产模式为主 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可实现固定产品的高效率生产 汽车工业 设备利用率高 生产线投资大 不灵活 制造系统发展阶段单机柔性加工系统 NC以单台数控加工设备为核心 柔性好 加工质量高 适于多品种 中小批量生产 多机柔性加工系统 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 DNC 计算机连接数控和分布数控 柔性制造单元 FMC 柔性制造系统 FMS 制造系统发展阶段计算机集成制造系统 CIMS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 适于多品种 小批量生产 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 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 HitomiK 教授发表著作 ManufacturingSystemEngineering 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 发展现代制造系统技术的基础 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 先进制造模式和相关理论 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 2 先进制造技术与装备 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 必须有先进制造技术和先进制造装备作为支撑 例如 柔性制造系统和计算机集成制造系统的发展 必须以数控加工技术和先进数控机床为基础 3 系统科学理论与系统工程技术 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 DiscreteEventDynamicSystem 简称DEDS 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 chaos 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 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 5 计算机与信息技术 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 主要内容 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 1 结构复杂性 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 2 关联复杂性 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 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 3 环境复杂性 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 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 34 困难 技术上落后 资金不足 资源短缺 管理体制 周边环境还存在诸多问题 地方保护 信用危机 机遇 中国已加入WTO 制造业的世界格局已经和正在发生重大变化 欧 亚 美三分天下局面正在形成 世界经济重心开始向亚洲转移已出现征兆 制造业的产品结构 生产模式也在迅速变革之中 存在阶段性的差距 产品质量和水平不高 技术开发能力不强 基础元器件和基础工艺不过关 生产率低下 科技投入严重不足 机械制造业人均产值仅为发达国家的几十分之一 挑战与机遇并存 我国机械制造业面临的机遇和挑战 发展迅速 成绩瞩目 35 1 3 3我国机械制造业面临的机遇和挑战 神州5号 神州5号宇宙飞船 主要内容 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 机械加工系统 特点 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 缺点 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 一致性都变幻不定 产量极低 每年不超过1000辆 特点 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 缺点 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 大量生产系统 1908年第一辆售价950美元的福特T型车投放市场 至1927年共生产了1500万辆T型车 制造系统环境的变化 产品生命周期的缩短生命周期 一个产品从开发到被淘汰所经历的时间 用户需求多样化 个性化大市场和大竞争交货期至关重要时间是世界竞争的主要推动力 多品种小批量生产比例增大占制造业的80 以上 精益生产系统 精益生产系统的背景日本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 精益生产系统特点 精益生产系统特点以 简化 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 人 为中心 以 尽善尽美 为最终目标 精益生产系统组织结构 简化企业的组织机构传统组织机构 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 精益生产系统开发过程 简化产品开发过程 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 准时制造 产生背景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 泰勒科学管理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 福特大批量装配线系统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 准时制造原理 原理在正确的时间 正确的地点 做正确的事情 达到零库存 无缺陷和低成本 关键技术看板管理 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 拉动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 优点 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交货期 将离散批处理过程转化为连续流动过程 敏捷制造 AM 敏捷制造的产生背景1991年 美国为恢复其在世界制造业的领导地位而提出 但准时制造和精益生产不适合美国 目标 以最快的速度 最低的成本制造出满意的产品 企业小型化 专业化成为趋势 如何将他们组织起来快速设计开发和制造新产品 精益生产 柔性制造等开拓了思路 日本价廉物美称雄多年 如何振兴美国制造业 敏捷制造核心思想 核心思想 在信息技术支持下 建立面向制造任务的企