柔性制造系统

柔性制造系统(Flexible Manufacturing System，FMS)

　　随着科学技术的发展，人类社会对产品的功能与质量的要求越来越高，产品更新换代的周期越来越短，产品的复杂程度也随之增大，传统的大批量生产方式受到了挑战。这种挑战不仅对中小企业形成了威胁，而且也困扰着国有大中型企业。因为，在大批量生产方式中，柔性和生产率是相互矛盾的。众所周知，只有品种单一、批量大、设备专用、工艺稳定、效率高，才能构成规模经济效益；反之，多品种、小批量生产，设备的专用性低，在加工形式相似的情况下，频繁的调整工夹具，工艺稳定难度增大，生产效率势必受到影响。为了同时提高制造工业的柔性和生产效率，使之在保证产品质量的前提下，缩短产品生产周期，降低产品成本，最终使中小批量生产能与大批量生产抗衡，柔性自动化系统便应运而生。

　　自从1954年美国麻省理工学院第一台数字控制铣床诞生后，70年代初柔性自动化进入了生产实用阶段。几十年来，从单台数控机床的应用逐渐发展到加工中心、柔性制造单元、柔性制造系统和计算机集成制造系统，使柔性自动化得到了迅速发展。

　　柔性制造系统是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统，英文缩写为FMS。FMS的工艺基础是成组技术，它按照成组的加工对象确定工艺过程，选择相适应的数控加工设备和工件、工具等物料的储运系统，并由计算机进行控制。故能自动调整并实现一定范围内多种工件的成批高效生产，并能及时地改变产品以满足市场需求。FMS兼有加工制造和部分生产管理两种功能，因此能综合地提高生产效益。FMS的工艺范围正在不断扩大，包括毛坯制造、机械加工、装配和质量检验等。

　　柔性制造系统是一种技术复杂、高度自动化的系统，它将微电子学、计算机和系统工程等技术有机地结合起来，理想和圆满地解决了机械制造高自动化与高柔性化之间的矛盾。它具有设备利用率高、生产能力相对稳定、产品质量高、运行灵活和产品应变能力大的优点。

　　就机械制造业的柔性制造系统而言，其基本组成部分有：

　　1.自动加工系统。自动加工系统，指以成组技术为基础，把外形尺寸（形状不必完全一致）、重量大致相似，材料相同，工艺相似的零件集中在一台或数台数控机床或专用机床等设备上加工的系统。

　　2.物流系统。物流系统，指由多种运输装置构成，如传送带、轨道一转盘以及机械手等，完成工件、刀具等的供给与传送的系统，它是柔性制造系统主要的组成部分。

　　3.信息系统。信息系统，指对加工和运输过程中所需各种信息收集、处理、反馈，并通过电子计算机或其他控制装置（液压、气压装置等），对机床或运输设备实行分级控制的系统。

　　4.软件系统。软件系统，指保证柔性制造系统用电子计算机进行有效管理的必不可少的组成部分。它包括设计、规划、生产控制和系统监督等软件。柔性制造系统适合于年产量1000～100,000件之间的中小批量生产。

　　1.柔性制造单元。柔性制造单元由一台或数台数控机床或加工中心构成的加工单元。该单元根据需要可以自动更换刀具和夹具，加工不同的工件。柔性制造单元适合加工形状复杂，加工工序简单，加工工时较长，批量小的零件。它有较大的设备柔性，但人员和加工柔性低。

　　2.柔性制造系统。柔性制造系统是以数控机床或加工中心为基础，配以物料传送装置组成的生产系统。该系统由电子计算机实现自动控制，能在不停机的情况下，满足多品种的加工。柔性制造系统适合加工形状复杂，加工工序多，批量大的零件。其加工和物料传送柔性大，但人员柔性仍然较低。

　　3．柔性自动生产线。柔性自动生产线是把多台可以调整的机床（多为专用机床）联结起来，配以自动运送装置组成的生产线。该生产线可以加工批量较大的不同规格零件。柔性程度低的柔性自动生产线，在性能上接近大批量生产用的自动生产线；柔性程度高的柔性自动生产线，则接近于小批量、多品种生产用的柔性制造系统。

　　柔性制造系统是一种技术复杂、高度自动化的系统，它将微电子学、计算机和系统工程等技术有机地结合起来，理想和圆满地解决了机械制造高自动化与高柔性化之间的矛盾。具体优点如下。

　　第一，设备利用率高。一组机床编入柔性制造系统后，产量比这组机床在分散单机作业时的产量提高数倍。

　　第二，在制品减少80%左右。

　　第三，生产能力相对稳定。自动加工系统由一台或多台机床组成，发生故障时，有降级运转的能力，物料传送系统也有自行绕过故障机床的能力。

　　第四，产品质量高。零件在加工过程中，装卸一次完成，加工精度嵩，加工形式稳定。

　　第五，运行灵活。有些柔性制造系统的检验、装卡和维护工作可在第一班完成，第二、第三班可在无人照看下正常生产。在理想的柔性制造系统中，其监控系统还能处理诸如刀具的磨损调换、物流的堵塞疏通等运行过程中不可预料的问题。

　　第六，产品应变能力大。刀具、夹具及物料运输装置具有可调性，且系统平面布置合理，便于增减设备，满足市场需要。

　　柔性制造系统的发展趋势大致有两个方面。

　　柔性制造系统的发展趋势一方面是与计算机辅助设计扣辅助制造系统相结合，利用原有产品系列的典型工艺资料，组合设计不同模块，构成各种不同形式的具有物料流和信息流的模块化柔性系统。

　　柔性制造系统的发展趋势另一方面是实现从产品决策、产品设计、生产到销售的整个生产过程自动化，特别是管理层次自动化的计算机集成制造系统。在这个大系统中，柔性制造系统只是它的一个组成部分。

　　1.模块化的柔性制造系统

　　为了保证系统工作的可靠性和经济性，可将其主要组成部分标准化和模块化。加工件的输送模块，有感应线导轨小车输送和有轨小车输送；刀具的输送和调换模块，有刀具交换机器人和与工件共用输送小车的刀盒输送方式等。利用不同的模块组合，构成不同形式的具有物料流和信息流的柔性制造系统，自动地完成不同要求的全部加工过程。图1是典型模块化柔性制造系统特征图。由图1可见，刀具的供给方式、工件的输送存储和交换方式，是影响系统复杂程度的最大因素。

　　2.计算机集成制造系统

　　据统计，从1870～1970年的100年中，加工过程的效率提高了2000%，而生产管理的效率只提高了80%，产品设计的效率仅提高了20% 左右。显然，后两种的效率已成为进一步发展生产的制约因素。因此，制造技术的发展就不能局限在车间制造过程的自动化，而要全面实现从生产决策、产品设计到销售的整个生产过程的自动化，特别是管理层次工作的自动化。这样集成的一个完整的生产系统就是计算机集成制造系统(CIMS)。

　　CIMS的主要特征是集成化与智能化。集成化即自动化的广度，它把系统的空间扩展到市场、产品设计、加工制造、检验、销售和为用户眼务等全部过程；智能化的自动化朝深度，不仅包含物料流的自动化，而且还包括信息流的自动化。

　　图2是CIMS的模型。决策层是企业的领导机构，通过管理信息系统掌握扔连接各部门的信息。虚框内是产品制造过程的信息流。生产活动的信息源来自生产对象——产品的订货。根据用户对产品功能的要求，CAD(计算机辅助设计)系统提供有关产品的全部信息和数据。产品原始数据是企业生产活动初始的信息源，所以，智能化的CAD系统是CIMS的基础。CAPP(计算机辅助工艺过程设计)系统不仅要编制工艺规程，设计工夹量具，确定工时和工序费用，还要与CAM(计算机辅助制造)系统连接，为数控机床提供工艺数据，为生产计划、作业调度、质量管理和成本核算提供数据，井将诸如制造可能性和成本等信息反馈至CAD系统，生产计划与控制系统是全厂的生产指挥枢纽。为使生产有条不紊地进行，必须相应建立生产数据来集系统，以此构成一个能反映生产过程真实情况的信息反馈系统。

　　某世界500强R公司在追求柔性制造的过程中，实现了多种生产方式并存，取得了巨大的经济效果，在同样的厂房设备条件下，复印机生产能力提高到原设计能力的3.5倍以上。另一家高科技跨国公司X公司在分析一条示范生产线的基础上，发现原流水线的60%是多余的，通过去除这些多余的部分并对生产线进行重新组合，短短四个月就使得场地利用率提高80%，同时通过利用拆下的设备复制出比现状高出一倍的生产能力，节省大量的扩大再生产投资

　　今天，企业面临经营环境不断变化的挑战，市场竞争的全球化、顾客和市场需求的多样化和不确定性、产品寿命的缩短、价格竞争的加剧等等都给企业现存的生产方式提出新的、更高的要求。为了在残酷的竞争中生存和发展，企业就必须研究一些低成本并且能够快速反应的制造方法，柔性制造（或柔性生产）就是这些方法的总称。因此，与其说柔性制造是一种生产方式，还不如说是一种全新的制造理念。

　　我们在与客户接触的过程中，经常能够听到这样的抱怨：

　　“现在生产的产品品种越来越多，用在换线的时间越来越长，因此生产效率低，库存量也大。”

　　“现在的客户都是提早两天发指示，第三天就要出货，两天时间根本就出不了产品，只能增加产品库存来满足客户的需要？”

　　“我们每台机器的最小生产批量是200公斤，而客户的订单却越来越小，有时候甚至是1、2公斤，这样的订单每做一次就会增加剩余库存，而且越积越多，只能增加仓库来应对。”

　　总之，当面对客户需求变化的时候，看起来企业可选择的余地并不大，很多时候只能被动接受，以增加库存来解决问题。难道就真的没有办法更好地应对了吗？这是一个需要我们认真思考的问题。否则，是以增加库存和增加成本为代价来满足客户需要的话，那么企业的生存终将受到挑战。

　　最近两年，我们作为管理顾问辅导过和正在辅导多家大型企业，如富士、施乐公司、ALPS公司以及美丽华公司等进行生产变革，具体实践了柔性制造的变革过程。事实证明，只要我们以柔性制造的理念出发，具体研究解决问题的办法，就能够在不付出成本代价的条件下提高快速反应能力，满足客户的需要。

　　我们可以用几个具体的案例来说明柔性制造的理念和实现的方法。

　　为了让读者能够更好地理解柔性制造的意义，了解实现柔性制造的新思路，以下就一些有代表性的柔性制造方法进行简单说明。

　　1、细胞生产方式：与传统的大批量生产方式比较，细胞生产方式有两个特点，一个是规模小（生产线短，操作人员少），另一个是标准化之后的小生产细胞可以简单复制。由于这两个特点，细胞生产方式能够实现（1）简单应对产量的变化，通过复制一个或以上的细胞就能够满足细胞生产能力整数倍的生产需求；（2）减少场地占用，细胞是可以简单复制的（细胞生产线可以在一天内搭建完成），因此不需要的时候可以简单拆除，节省场地；（3）每一个细胞的作业人数少，降低了平衡工位间作业时间的难度，工位间作业时间差异小，生产效率高；（4）通过合理组合员工，即由能力相当的员工组合成细胞，可以发挥员工最高的作业能力水平。如果能够根据每一个细胞的产能给予相应的奖励，还有利于促成细胞间的良性竞争。细胞生产线的形式是多样的，有O 形，也有U形，有餐台形，也有推车形等等。

　　2、一人生产方式：我们看到过这样的情形，某产品的装配时间总共不足10分钟，但是它还是被安排在一条数十米长的流水线上，而装配工作则由线上的数十人来完成，每个人的作业时间不过10、20秒。针对这样一些作业时间相对较短、产量不大的产品，如果能够打破常规（流水线生产），改由每一个员工单独完成整个产品装配任务的话，我们将获得意想不到的效果。同时，由于工作绩效（品质、效率、成本）与员工个人直接相关，一人生产方式除了具有细胞生产的优点之外，还能够大大地提高员工的品质意识、成本意识和竞争意识，促进员工成长。

　　3、一个流生产方式：一个流生产方式是这样实现的，即取消机器间的台车，并通过合理的工序安排和机器间滑板的设置让产品在机器间单个流动起来。它的好处是，（1）极大地减少了中间产品库存，减少资金和场地的占用；（2）消除机器间的无谓搬运，减少对搬运工具的依赖；（3）当产品发生品质问题时，可以及时将信息反馈到前部，避免造成大量中间产品的报废。一个流生产方式不仅适用于机械加工，也适用于产品装配的过程。

　　4、柔性设备的利用：一种叫做柔性管的产品（有塑胶的也有金属的）开始受到青睐。从前，许多企业都会外购标准流水线用作生产，现在却逐步被自己拼装的简易柔性生产线取代。比较而言，柔性生产线首先可降低设备投资70-90%以上，其次，设备安装不需要专业人员，一般员工即可快速地在一个周末完成安装，第三，不需要时可以随时拆除，提高场地利用效率。

　　5、台车生产方式：我们经常看到一个产品在制造过程中，从一条线上转移到另一条线上，转移工具就是台车。着眼于搬动及转移过程中的损耗，有人提出了台车生产线，即在台车上完成所有的装配任务。

　　6、固定线和变动线方式：根据某产品产量的变动情况，设置两类生产线，一类是满足某一相对固定最的固定生产线，另一类是用来满足变动部分的变动生产线。通常，传统的生产设备被用作固定线，而柔性设备或细胞生产方式等被用作变动生产线。为了彻底降低成本，在日本变动线往往招用劳务公司派遣的零时工（Part-Time）来应对，不需要时可以随时退回。

　　柔性制造总的趋势是，生产线越来越短，越来越简，设备投资越来越少；中间库存越来越少，场地利用率越来越高，成本越来越低；生产周期越来越短，交货速度越来越快；各类损耗越来越少，效率越来越高。可见，实现柔性制造可以大大地降低生产成本，强化企业的竞争力。既然柔性制造是一种全新的和高境界的制造理念，因此它值得我们以持续改善的精神去思考去创造。

　　在日本发源的柔性制造，由日资公司引进了中国。理光（深圳）公司实现了多种生产方式并存，在同样的生产厂房设备条件下，总体生产能力提高到原设计能力的3.5倍以上。

　　FX高科技公司发现一条流水线的70%是多余的，通过去除这些多余的部分并对生产过程进行重新组合，短短四个月就使得场地利用率提高一倍多；而且拆下的设备可以复制出比现状高一倍的生产能力，为扩大再生产准备的近千万美元的投资不需要了。

　　柔性制造正在掀起一场跨世纪的生产力革命。

　　精益生产凸显柔性制造

　　精益生产（Lean Production）方式最早产生于日本，是日本丰田汽车公司在上个世纪六、七十年代总结出来的一套成功的生产模式，也叫JIT( Just In Time )：在需要的时候，按照需要的数量，生产出需要的产品。精益生产方式与从前的大批量生产方式相对应，基本特点是零库存、低成本和快速反应。如果说，上个世纪的精益生产更多追求零库存的话，那么，今天开始了对制造过程进行彻底变革的追求，柔性制造成了精益生产的最核心内容。

　　在进入21世纪之后，企业经营环境已经发生了根本的变化。由于市场竞争全球化、顾客和市场需求多样化、个性化以及生产的相对过剩，使得产品寿命趋短，价格竞争加剧。为了在残酷的竞争中生存和发展，企业就必须研究一些低成本并且能够快速反应的制造方法，柔性制造就是这些方法的总称。因此，与其说柔性制造是一种生产方式，还不如说柔性制造是一种全新的制造理念。

　　批量生产导致效率损耗

　　让我们来看一看传统大批量生产方式存在的问题。某大型办公设备制造企业R公司，在上个世纪90年代投资600万美元引进了一条200米长的生产线，每月生产A款打印机两万台，线上配置近200名工人，大批量生产方式显示了巨大的威力。之后，A款机的销售量逐年减少，R公司为了确保市场占有率，又陆续投入了大小不同的B、C、D、E等多款产品。

　　只要稍加分析，我们便能够认识到这样一些典型的效率损耗问题：

　　工位时间差或速度差损耗：200人的生产线，要100%均衡地分解装配时间是绝对不可能的。生产线速度是由某一个瓶颈工位（时间最长工位）或作业者（速度最慢或熟练度最差的人）决定的，效率损耗显而易见。

　　工位变更损耗：当生产量发生变更的时候，传统的做法是重新进行工位设定，调整线上人数和各工位作业时间，重新进行员工训练使之适应新的要求。整个变更过程以及变更后对新标准的适应过程都伴随着大量的效率损耗。频繁换线损耗：A、B、C、D、E等各个产品之间的变换，都需要进行换线准备工作，而且在换线过程中只能按照装配速度较慢的机型进行生产，效率的损耗可想而知。

　　场地损耗：即使产量降到一半甚至更低，生产线同样占用那份场地。

　　另一家大型金属加工企业M公司，车间里数十台冲压机一字排开很是壮观。每一台机器的后面是大量的中间品，最常见的是两辆大台车，一辆装着前工序加工后的中间品，另一辆装着自己加工后的产品或中间品。这种生产方式的损耗也是显而易见的：大量的中间产品库存，占用资金和场地；中间产品在机器间的无谓搬运以及搬运工具的大量使用；某一工序的质量问题可能造成大量中间产品的报废。

　　多种方式进行柔性制造

　　柔性制造恰好能解决传统生产中存在的这些问题，以下一些有代表性的柔性制造方法能帮助我们很好地认识柔性制造的意义和实现柔性制造的新思路。

　　细胞生产方式：与传统的大批量生产方式比较，细胞生产方式有两个特点，一个是规模小（生产线短，操作人员少），另一个是标准化之后的小生产细胞可以简单复制。由于这两个特点，细胞生产方式能够实现：（1）简单应对产量的变化，通过复制一个或以上的细胞就能够满足细胞生产能力整数倍的生产需求；（2）减少场地占用，细胞是可以进行简单复制的（细胞生产线可以在一天内搭建完成），因此不需要的时候，可以简单拆除，节省场地；（3）每一个细胞的作业人数少，降低了平衡工位间作业时间的难度，工位间作业时间差异小，生产效率高；（4）通过合理组合员工，即由能力相当的员工组合成细胞，可以充分发挥员工最高的作业能力水平。如果能够根据每一个细胞的产能给予员工相应的奖励，还有利于促成细胞间的良性竞争。

　　一人生产方式：我们看到过这样的情形，某产品的装配时间总共不足10分钟，但是它还是被安排在一条数十米长的流水线上，而装配工作则由线上的数十人来完成，每个人的作业时间不过10、20秒。针对这样一些作业时间相对较短的产品，如果我们能够打破常规（流水线生产），改由每一个员工单独完成整个产品装配任务的话，我们将获得意想不到的效果。

　　一个流生产方式：上面提到的M公司的一个流生产方式是这样实现的：取消机器间的台车，并通过合理的工序安排和机器间滑板的设置让产品在机器间单个流动起来。它的好处是，（1）极大地减少了中间产品库存，减少资金和场地的占用；（2）消除机器间的无谓搬运，减少对搬运工具的依赖；（3）当产品发生品质问题时，可以及时将信息反馈到前部，避免造成大量中间产品的报废。一个流生产方式不仅适用于机械加工，也适用于产品装配的过程。

　　柔性设备的利用：一种叫做柔性管的产品（有塑胶的也有金属的）开始受到青睐。从前，许多企业都会外购标准流水线用作生产，现在却逐步被自己拼装的简易柔性生产线取代。比较而言，柔性生产线首先可降低设备投资70-90%以上，其次，设备安装不需要专业人员，一般员工即可快速地在一个周末完成安装，第三，不需要时可以随时拆除，提高场地利用效率。

　　台车生产方式：我们经常看到一个产品在制造过程中，从一条线上转移到另一条线上，移载工具就是台车。着眼于搬动及移载过程中的损耗，有人发明了台车生产线，即在台车上完成所有的装配任务。这样做，不仅省去了生产线，而且搬运和移载效率大大提高。

　　固定线和变动线方式：根据某产品产量的变动情况，设置两类生产线，一类是满足最小批量的固定生产线，另一类是用来满足变动部分的变动生产线。通常，传统的生产设备被用作固定线，而柔性设备或细胞生产方式等被用作变动生产线。为了彻底降低成本，在日本变动线往往招用劳务公司派遣的零时工（Part -Time）来应对，不需要时可以随时退回。

　　柔性制造总的趋势是：生产线越来越短，越来越简，设备投资越来越少；中间库存越来越少，场地利用率越来越高；生产周期越来越短，交货速度越来越快；各类损耗越来越少，效率越来越高。可见，实现柔性制造可以大大降低生产成本，强化企业的竞争力。

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