制造柔性

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什么是制造柔性

  制造柔性是指制造系统及系统元件对产品多样性和系统内外各种变化及不确定性的适应能力。

  系统内部的变化包括机床故障、动态变化的加工时间和工件队列长度、不同的产品混合比、加工废品和人员缺勤等,而外部不确定性包括原材料短缺、紧急订单、原材料和产品的价格波动竞争对手的决策和客户喜好的变化,还包括技术进步和新的组织管理原则等。制造柔性和产品及其制造过程直接相关,涉及产品开发、加工制造、生产组织与控制等方面,是产品设计人员、制造工程师和生产管理者们所共同关心的问题。

制造柔性与制造系统

  制造系统的功能模型如图 1 所示,其中制造资源包括操作人员、机床设备、刀夹量具和计算机软件硬件等,制造约束包括时问、成本和质量等方面的要求,制造目标为获取最大利润,制造过程包括市场、采购与供应、产品设计、制造、装配和销售等生产经营和支持活动。

  系统内部的变化包括机床故障、动态变化的加工时间和工件队列长度、不同的产品混合比、加工废品和人员缺勤等,而外部不确定性包括原材料短缺、紧急订单、原材料和产品的价格波动、竞争对手的决策和客户喜好的变化,还包括技术进步和新的组织管理原则等。制造柔性和产品及其制造过程直接相关,涉及产品开发、加工制造、生产组织与控制等方面,是产品设计人员、制造工程师和生产管理者们所共同关心的问题。

Image:制造系统功能模型.png

  基于上述制造系统的功能模型,从系统功能实现的角度,可以定义以下三种最基本的制造柔性:

  (1)范围柔性,指系统输出可以在某个范围内变化的能力,可变范围越大,柔性越高。例如在满足获取相应利润的前提下,生产批量如能随市场需求作动态变化,则系统具有批量柔性。

  (2)反应柔性,指通过对系统转换过程作必要的调整以响应系统内外各种可能变化的容易程度,表现在时间和成本方面所需的开销,这种开销越大,柔性越高。例如产品改变时,必须更换相应的刀、夹具及控制程序,显然具有多种加工能力的加工中心比普通机床更容易实现所需调整,因而具有更高的机器柔性。,它是一种反应柔性。

  (3)状态柔性,指在系统输入或内部状态发生变化时,系统仍能满足给定约束并实现转换的能力,反映了系统抵抗干扰维持原有功能的能力,也可看作系统对状态变化的敏感程度,这种抗干扰能力越好,敏感度越低,则系统柔性越高c例如机床出现故障时,可通过调度将工件安排到别的机床,从而以不同的路径完成工件加工,这种路径柔性即是一种状态柔性。

各种制造柔性及其特点

  有关研究文献对各种制造柔性的含义、目的和实现技术等己作了很多研究。为便于讨论,这里首先对制造系统中主要的制造柔性按其涉及的范围归纳如图2所示并简述如下。

  (1)机器柔性:机器能完成多种加工操作的能力,利于实现小批量生产、降低库存费用、提高机器利用率和缩短力加工周期;(2)物料运送柔性:物料运送设备能运送多种物料的能力,提高物料运送设备的可获得性和利用率;(3)操作柔性:具有多种加工工艺的工件能以多种方式进行加工的能力,以便在机器出现故障时实现动态调度;(4)人员柔性:掌握多种操作技能的人员能在不同岗位上工作的能力;(5)路径柔性:制造系统能通过多种路径完成工件加上的能力,以便平衡机床负荷,增强系统在机床故障、刀具磨损等情况下系统运行的稳定忖和可靠性。(6)过程柔性:制造过程能同时生产多种产品的能力,叉称混台比柔性,通过提供多样化的产品以提高客户服务水平,(7)产品柔性:在产品中增加、去除或更换某些零部件的能力,以增强对市场产品需求的响应能力;(8)批量柔性:制造系统能在多种生产批量下获得相应利润的能力,以维持系统在各种需求水平下的获利性;(9)扩展柔性:制造系统扩展其生产能力的能力,利于企业拓展新的市场,并使制造系统具有开放性;(IO)生产柔性:制造系统在不增加重要制造设施的前题下制造多种产品的能力,使系统能完成多样化的生产任务;(11)市场柔性:制造系统适应动态变化的市场环境的综台能力,使制造系统能在多变的市场环境下求得生存与发展。

Image:制造柔性.png

  各种制造柔性对系统综合性能的影响表现在降低制造成本,提高产品质量,缩短交货期,增强系统运行的可靠性,提高生产率和客户服务水平等方面。企业实际所需的制造柔性与产品需求、制造过程特点、系统内外各种不确定因素、技术发展状况和经营战略等因素有关。从有关文献中至少可以列举出50多种不同的制造柔性,制造柔性概念的宽泛性和复杂性,使得仅从功能实现的角度还不能建立完整的描述制造柔性的概念框架。下面从制造柔性涉及的对象及其时间特性等方面,对这些制造柔性及其特点作进一步讨论。

  各种制造柔性除了涉及的范围不同外,还具有以下特点:(1)绝对性和相对性的统一:机器柔性等作为系统的固有属性,具有绝对性,而路径柔性等作为一种决策属性,与系统的运行环境密切相关,具有相对性,例如有时FMS的运行效率可能还没有刚性生产线高;(2)制造技术和生产组织管理方法的统一:机器柔性等制造柔性的获得一方面需要数控技术、刀具和工件交换装置及多功能夹具与托盘等制造技术,叉需要掌握多种技能的操作人员和小组工作方式等组织实施和运行管理手段;(3)制造柔性的时间特性是静态和动态的统一:由系统结构决定的柔性是静态柔件,如车间设备布局、生产控制系统中的功能配置等,它决定了系统元件和功能的分布及相互关系,限定了系统重构时所需变化的可能性及范围,例如网络型扁平结构比金字塔型递阶结构的柔性要高;而需要通过动态的系统运行才能体现的柔性属于动态柔性,不同的动态柔性所涉及到的变化的时间范围及其对制造系统性能的影响程度也不同;(4)制造柔性涉及的三类对象及其组成的两个方面:制造系统功能模型中的产品、制造过程和制造资源都有与其相应的制造柔性。另外制造柔性作为系统适应各种变化的能力,包括适应变化的范围和容易程度两个方面。

参考文献

  • 袁红兵,黄新燕.制造柔性的概念框架及其度量(J).高技术通讯.2000,5
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