大学精品课件：现代制造系统(v3)3-8先进模式（其它1）.ppt

1、现代制造系统,第3章 先进制造模式（8） 东北大学秦皇岛分校 黄亮 n-xyz,第3章 先进制造模式 3.1 精益生产 3.2 约束理论 3.3 成组技术 3.4 柔性制造系统 3.5 可重构制造系统 3.6 其它先进制造理论,3.6 其它先进制造理论,现代制造总是较新的研究领域， 因此处于“百家争鸣”的状态。 主要先进制造模式已介绍 （1）精益生产；（2）约束理论； （3）成组技术；（4）柔性制造系统； （5）可重构制造系统。 除此之外，本节再简单介绍若干种现代制造学说，范围或大或小，故只称为先进制造理论。,（6）大规模定制（mass customization，MC）,1970年，美国未来

2、学家阿尔文托夫（Alvin Toffler）在Future Shock一书中提出的一种新生产方式的设想：以类似于标准化和大规模生产的成本和时间，提供客户特定需求的产品和服务。 1987年，斯坦戴维斯（Start Davis）在Future Perfect一书中首次将这种生产方式称为大规模定制。 1993年，B约瑟夫派恩（B. Joseph Pine II）在大规模定制：企业竞争的新前沿一书中对大规模定制的内容做出了详细的描述与分析。,客户,个性化需求,市场变化无穷,市场竞争激烈,企业,大规模定制包括 大规模生产（mass production） 和定制生产（customization prod

3、uction）， 这是一个矛盾的概念。 为了处理这个矛盾， 需要把顾客的 共性需求（common demand） 和个性化需求（personal demand） 区分清楚，并分别用大规模生产和定制生产两种方式有针对性的解决（核心思想）。,为了有针对性的选择生产模式，首先需要评价本行业的市场扰动。 市场扰动就是市场的不稳定、不确定和缺乏控制能力的程度，为单位时间内需要企业关注的市场事件的数量和重要性。 继而，根据市场扰动的大小，选择合适的“客户订单分离点”。 客户订单分离点是大规模生产和定制生产两种模式的分界点，即分离点上游使用大规模生产方式制造产品的通用部分，下游根据市场需求使用定制生产方式制

4、造产品的个性部分。,产品生命周期 技术变化率 需求变化速度 价格意识 购买力 经济周期影响程度 需求层次稳定性 需求一致性 质量意识 时尚意识 市场饱和度 服务水平 替代品强弱 必需品/奢侈品 竞争意识 价格竞争/产品差异,0,25,50,75,100,80,80,20,25,35,35,70,80,20,35,65,55,80,70,30,25,15,10,40,30,40,25,45,60,80,60,55,60,50,1991年,1980年,低,市场扰动度,高,案例：某大型技术公司制作的市场扰动图,扰动度40,40扰动度60,扰动度60,大规模生产 仍有效,可以采用 大规模定制,应该采用

5、 大规模定制,0,50,100,低市场扰动度,高市场扰动度,市场扰动度的评价标准：,客户订单分离点：,大批量生产,按库存生产,MTS,按订单设计,DTO,按订单生产,MTO,按订单研制,RTO,大批量生产,大批量生产,按订单装配,ATO,大批量生产,顾,客,客户订单分离点,当前状态线,目标状态线,理想状态线,研发,设计,装配,制造,销售,供,应,商,不同类型企业的客户订单分离点：,大规模定制的主要方法延迟策略： 最初是由Alderson于1950年在营销效率和延迟原理一文中提到。他将延迟定义为一种营销战略，即将产品形式和特征的变化尽可能向后推迟。 这一方法最初主要用于物流行业，由物流环节的最后

6、一步完成产品的个性化定制，例如礼品包装与留言卡片、蛋糕上写名字等服务。 后来，延迟策略被引入大规模定制理论。企业开始主动地改变产品结构，以便更多地应用延迟策略。,延迟策略案例可定制图案的文化衫： 标准空白文化衫有制衣厂大规模生产，成批地发给零售商；而零售商自配印刷设备，个性化地印刷图案，零售给顾客。,延迟策略案例 贝纳通的成衣染色技术： 贝纳通是一家意大利公司， 主营休闲服装。 服装企业的传统工艺是： 先对布匹染色， 再用有色布匹制作衣服。 传统工艺流程如图所示：,延迟策略案例 贝纳通的成衣染色技术： 近年来，服装市场的流行颜色很难预测，经常需要为某种颜色的衣服大量补货。 为此贝纳通将染色环节

7、延后，由此可以大量囤积无色衣服，从而极大地缩短了补货时间。 新工艺流程如图所示：,大规模定制可用于制造的各个阶段： 设计阶段（design）， 制造阶段（production）， 装配阶段（assembly）， 配送阶段（supply chain）， 销售阶段（sale）， 服务阶段（service）。 其中，最重要的是设计阶段。合理的产品设计是大规模定制在其它阶段应用的基础，因此目前各种设计专业研究大规模定制理论的最多。,（7）计算机集成制造系统 （computer integrated manufacturing system，CIMS）,上世纪80年代随计算机辅助设计与制造技术的发展而被

8、提出，近年来得到迅速发展，至今方兴未艾。 CIMS最初指将计算机辅助设计（computer aided design, CAD）系统与计算机辅助制造（computer aided manufacturing, CAM）系统整合起来，实现设计与制造工作的无缝连接。 例如：Pro/E设计图可以直接导入数控机床，而无需再为机床单独编程，即可实现自动加工。,近年来，随着863计划CIMS主题的成立，CIMS涉及的范围越来越大，几乎涵盖了工业工程的主要研究领域。（现代工业工程研究多与计算机和制造有关。） 因此，目前国内CIMS多指一个研究领域，而不仅是一种技术，或一种先进模式。,例如：计算机集成制造系统

9、， 1995年创刊，国家863计划CIMS主题与中国兵器工业集团公司第210研究所共同主办，收录各种与先进制造相关的论文。 1996年，工程索引（EI）收录。,计算机集成制造系统的参考结构：,CIMS针对现代制造的集成化特点，主要方法是运用计算机技术信息化制造相关各个工作领域，包括 设计领域的CAD、PDM、CAPP、 计算机辅助工程（CAE）等， 生产管理领域的CAM、 制造执行系统（MES） 计算机辅助质量管理（CAQ）等， 甚至还包括企业管理领域的ERP。,（8）企业资源计划 （enterprise resource planning，ERP）,高德纳（Gartner）公司于1990年代

10、提出； 历经上世纪60、70年代的物料需求计划（MRP）， 80年代的制造资源计划（MRPII）发展而来。 2000年，高德纳公司继ERP之后，又提出了ERPII。 ERP包含的范围越来越广，已从最初的生产控制方法发展到企业管理理念，因此也可作为一种先进制造模式。由于管理信息系统课程已经介绍过ERP，本课程不再详述。,（9）控制论（control theory）,控制论是一门经典学科，传统上主要应用于机电系统的设计。 随着近年来各个学科之间的相互融合，其应用领域越来越多，出现了基于控制论方法的制造系统建模，例如 基于库存和订单的生产控制系统（inventory and order based

11、production control system, IOBPCS）， 基于自动渠道、库存和订单的生产控制系统（automatic pipeline, inventory and order based production control system, APIOBPCS）等。,控制论的产生与发展： 1943年到1948年是控制学科的问世阶段。 60年代前是经典控制理论时期，研究的是单输入单输出系统。 60年代出现关于实现多变量的最优控制的现代控制理论。工业控制论、生物控制论及经济控制论得到迅速的发展。 70年代出现大系统理论。主要研究的是：大型企业的综合自动化与计算机控制系统，大型的信息处

12、理系统，空间技术的控制系统，生态系统，生物调节和控制系统等。,在1948年，数学家维纳（N. Wiener）在控制论中指出: 调节机器的功能与生物体的功能间有着深刻的相似性。并证明了生物组织机制与工程技术中的调节原理是相似的，可以用共同的数学模型来描述。 经典控制论和现代控制论基本概念有控制与控制系统；输入与输出；反馈与正反馈、负反馈；黑箱、白箱与灰箱等。,负反馈控制是生物系统的一个很重要的自稳定控制机制。负反馈是检出系统实现状态与期望状态（目标）的偏差（目标差），并自动出现某种减少目标差的反应，使得系统的实现状态逐渐逼近其期望状态的过程。例如，人或其它高等动物机体的体温调节系统就是一个负反馈

13、控制系统。,控制系统案例体温调节系统的负反馈机制：,在企业和市场之间有一条反馈回路，即市场调研。企业内部的经营管理活动也需自觉地形成一条反馈通路。为了生产一定质量与数量的产品，必须不断地检查质量是否符合设计要求，进度是否符合作业计划。如果获得的信息提示现场生产偏离了预定目标，管理部门立即发出指示信息，使之恢复至预定目标。,制造系统的负反馈机制：,看板系统的控制论表达： 基于库存和订单的生产控制系统（inventory and order based production control system, IOBPCS）。,更进一步的反馈系统，加入对在制品数量的控制： 基于自动渠道、库存和订单的生

14、产控制系统（automatic pipeline, inventory and order based production control system, APIOBPCS） 。,控制论模型的主要控制策略： 需求策略：预测市场的方法（例如指数平滑法）， 库存策略：设置安全库存的方法（例如看板系统）， 渠道策略（中间件策略、在制品策略）：为控制在制品数量而调整安全库存的方法（比看板系统多的内容）。,目前控制论模型的主要用途： 模拟企业中长期运营情况，分析企业对市场需求的响应能力，减小“牛鞭效应”的影响。 牛鞭效应（bullwhip effect），也称长鞭效应： 营销过程中的需求变异放大现象。

15、由于供应链上的各级供应商只根据来自其相邻的下级销售商的需求信息进行供应决策时，需求信息的不真实性会沿着供应链逆流而上，产生逐级放大的现象，到达最源头的供应商时，其获得的需求信息和实际消费市场中的顾客需求信息发生了很大的偏差。,牛鞭效应的示意图：,（1）需求预测修正； （2）订货批量决策； （3）价格波动； （4）短缺博弈； （5）库存责任失衡； （6）应付环境变异。 参考供应链管理中的相关内容。,产生“牛鞭效应”的原因：,目前控制论模型的主要用途： 分析企业对阶跃市场需求的反应， 在订货率平滑与库存平滑中寻求平衡点。,（10）丰田生产系统 （Toyota production system，T

16、PS）,日本丰田公司所采用的生产系统，后来逐步发展成精益生产理论（本课件第3.1节）。 由于精益生产理论覆盖范围太广，有时也将丰田生产系统单独提出，特指丰田汽车公司汽车装配线上应用的新技术和新管理方法，例如快速换线技术与混流生产线等。,快速换线（Single Minute Exchange of Die，SMED），直译为“十分钟内换模”，有的文献译作快速换模或快速换产，由新乡重夫（Shigeo Shingo）于上世纪50年代在丰田提出。,这种技术是在混流生产线还未普及的情况下，丰田公司主要通过现场管理等手段摸索出的一套应对多批少量、降低库存、提高生产系统快速反映能力的有效技术。,新乡重夫，日

17、本工程师，著名的质量管理专家，丰田生产体系的创建人。 在上世纪50年代，当新乡重夫亲眼目睹换型时间居然高达4小时的时候，他的反应“必须让流动顺畅起来”。,基于新乡重夫的丰富经验，他开发了一个可以分析换模过程的方法，从而为现场人员找到了换型时间之所以长的原因，以及如何相应减少的方法。 在他领导的多个案例当中，换型时间被降到了十分钟以下，因此被称为“十分钟内换模”（SMED）。,快速换线（SMED）分析方法的步骤： 第一步：观察当前的流程； 第二步：区分内部和外部的作业要素； 第三步：将内部作业转移到外部； 第四步：减少内部作业； 第五步：减少外部作业。 上述“内部作业”必须停产操作的换线动作，

18、而“外部作业”可以在换线前提前完成。,快速换线（SMED）的常用技巧： 法则一：并行操作； 法则二：双脚勿动， 指通过提前摆放工具减少走到的机会； 法则三：特殊道具； 法则四：剔除螺丝， 指仅采用必要数量的螺丝固定； 法则五：一转即定， 指通过合理设计减少螺丝松紧时间； 法则六：标准化（包括设备和动作标准化）； 法则七：事前准备（核心方法）。,（11）精益六西格玛（lean six sigma，LSS）,通用电气公司（GE）首先将精益生产与六西格玛管理的结合，核心思想是 消除浪费、降低变异。,精益六西格玛精益生产+六西格玛。 精益生产（lean production，LP）： 参考本课件第3.

19、1节。 六西格玛（six sigma或6）: 1986年由美国摩托罗拉公司的比尔史密斯提出的概念和相应的管理体系。 从开始实施的1986年到1999年，摩托罗拉公司平均每年提高生产率12.3%，不良率只有以前的1/20。,六西格玛管理为美国摩托罗拉公司应对日本精益生产方法而提出的理念。 竞争源于上世纪60年代，日本从美国引入全面质量管理思想，曾多次邀请美国质量管理大师朱兰、戴明等人到日本传授精益，产品质量有了很大提高。 在上世纪80年代初，很多种日本家电产品的质量明显超过了美国产品，美国摩托罗拉公司先后失去了收音机、电视机、随身听等市场，濒临倒闭，因而下决心重点提升产品质量，提出了6标准。,为

20、统计学里的标准差符号： 1690,000失误/百万机会， 每天有三分之二的事情做错的企业无法生存； 2308,000失误/百万机会， 意味着企业资源每天都有三分之一的浪费； 366,800失误/百万机会（当时大部分企业的标准）， 意味着平平常常的管理，缺乏竞争力； 46,210失误/百万机会， 意味着较好的管理和运营能力，满意的客户； 5230失误/百万机会， 优秀的管理、很强的竞争力和比较忠诚的客户； 63.4失误/百万机会（接近于零缺陷）， 意味着卓越的管理，强大的竞争力和忠诚的客户。,六西格玛随着应用继续发展，并吸收全面质量管理的理念，逐渐从质量标准扩展成一种管理方法，被多家其它公司学习

21、，包括 通用电气、戴尔、惠普、西门子、索尼、东芝、华硕等。 其中，应用得最好的是通用电气（GE）公司，在上世纪90年代提出的六西格玛管理体系。 通用电气（GE）公司又在稍后，将六西格玛管理与精益生产理论结合，提出精益六西格玛管理。,（12）竞争制造系统 （GM competitive MFG system）,源于“竞争战略”思想。 通用汽车（GM）公司曾一度是销售额和股票市值世界第一的企业，其产业涉及到方方面面。为了保持公司的持续盈利，通用公司提出了“没有核心竞争力的行业就不要做”的原则。 美国管理学家、专栏作家迈克尔波特对上述原则进行总结和扩展，提出了竞争战略（competitive str

22、ategy ）。,竞争战略并不等同于企业战略。 企业战略是一个体系，包括竞争战略、发展战略，技术开发战略、市场营销战略、信息化战略、人才战略等等。 竞争战略要解决的核心问题是：如何通过确定顾客需求、竞争者产品及本企业产品这三者之间的关系，来奠定本企业产品在市场上的特定地位并维持这一地位，属于企业经营管理部门的决策分析工作。,通用汽车公司最成功的竞争战略应用在 公司成立初期与福特公司的竞争上。,美国汽车市场曾一度是福特公司的天下： 1908年，福特公司首次推出T型车； 1913年，福特公司完成了部分汽车零件的标准化，建成了世界上第一条流水装配线。,1908年，通用汽车公司成立，先后联合或兼并了别

23、克、凯迪拉克、雪佛兰、奥兹莫比尔、庞蒂克、克尔维特、悍马等公司。但公司成立初期，各个子公司各自为战，一直处在福特公司的阴影之下。 直到上世纪20年代初期，通用汽车公司利用品牌多的优势，采用差异化战略，推出年度车型，不断满足消费者的新需要，并制定了分布较广的价格区间 雪佛兰-奥克兰-别克-凯迪拉克。 到1927年，通用汽车击败福特，市场占有率长期接近50%，坐上业界头把交椅，直到近年来才被丰田超越。,尽管上世纪20年代还处于大规模生产时代，但汽车行业经常走在制造业的前端。通用汽车击败福特的案例体现了客户消费个性化趋势的出现，但随后被两次世界大战打断，直至战后60年代才正式进入大规模定制时代。 但

24、这时，包括通用汽车在内的美国汽车企业被更注重用户个性化需求并且成本低廉的日本汽车企业击败，因此转而学习精益生产理论。 直到近年来，通用汽车重拾本公司竞争战略的传统理念，并与精益生产理论相结合，于1998年提出竞争制造系统。这是一种类似于精益生产的制造模式。,（13）获取竞争优势 （achieving competitive excellence，ACE）,美国联合技术公司（UTC，原名联合航空运输公司,主营航空航天和建筑业电气制造）提出的运营体系，于1999年全面推行，获得了显著成效。 ACE体系使用“过程改进与消除浪费”、“解决问题”和“决策”三大类十二大工具，从“客户价值和满意度”、“业务

25、表现”、“过程、产品及服务优势”和“领导、文化和环境”四个方面来考察企业的竞争优势，并将竞争优势分为合格化、铜牌、银牌和金牌四个等级。 ACE体系大量吸收了以精益生产为主的其它先进制造理念并自行改进，包括新5S管理、标准工作、质量控制过程图（QCPC）等等。,（14）群策群力,波音公司提出的管理理念。 波音公司是世界上最大的民用和军用飞机制造商，同时设计并制造旋翼飞机、电子和防御系统、导弹、卫星、发射装置、以及先进的信息和通讯系统。 由于产品集成化程度高，同时质量要求也很高，因此提高装配工作的效率和质量是波音公司管理的重点。群策群力中的联合工作队（integrate product team，

26、IPT）方法类似于精益生产中的小组工作法（本课件3.1.3），并结合飞机制造行业的特点加以改进，也是一种将精益生产理论和具体公司的实际情况相结合而提出的改进理论。,（15）自我管理小组（self-management team）,1990年，瑞典ABB公司提出并开始推行。 主要流行于欧美国家的高科技公司，例如微软。,与精益生产中的小组工作法类似（参考本课件3.1.3），但更强调成员之间的地位平等，大家共同参与决策，因此更符合欧美文化特点。,（16）分形企业 （fractal enterprise）,1993年，德国学者Warnock提出， 作为欧洲对精益生产理论的响应。 分形企业思想起源于分形

27、几何学，强调企业组织结构的自相似、单元内部的自治性等特点，构造部门的方法与精益生产中的小组工作法（参考本课件3.1.3）有一定相似之处。 分形企业的主要优点在于提高企业的灵活性，以便能够更加敏捷地应对市场，因此也属于企业级可重构制造系统研究范畴（参考本课件3.5）。,（17）持续在制品 （constant work in process，CONWIP）,1990年，美国佐治亚理工学院的斯皮尔曼（M. L. Spearman）教授提出，之后一些美国、日本学者加以改进。CONWIP是一种推拉混合式的生产控制方法，研究重点在于拉动环节的选择，类似于约束理论（本课件3.1.2节已有提及）。,斯皮尔曼教

28、授参与编著的工厂物理学（Factory Physics）是工业工程领域的经典教材，目前清华大学出版社已出版英文影印本，网上有西安交通大学的中文译本。,（18）单元制造系统 （cell manufacturing system, CMS）,单元制造系统是依据成组技术原理，将机床布置成特定的工作单元，一组相似的零件在单元内完成全部或大部分加工任务（本课件第3.3节）。 尽管成组技术是一种相对较老的制造系统设计方法，存在单纯注重效率、缺乏柔性的缺点。但近年来柔性、可重构制造系统的发展可以很好的弥补缺乏柔性的缺点。 因此，近年来成组技术又重新被学者所重视，并新提出单元制造系统概念。很多情况下，单元制造

29、系统除了运用成组技术外，还包括柔性制造技术（本课件第3.4节）或车间逻辑重构（本课件第3.5节）方面的研究。,（19）独立制造岛,独立制造岛由我国同济大学教授张曙提出，以数控机床为核心，多台机床组成由计算机网络支持的以人为中心的制造系统。 独立制造岛在硬件方面使用成组技术形成加工过程相当封闭的制造单元，并在软件方面利用计算机进行统一管理，形成相对独立的基层管理和组织的新形式。 该概念使用了成组技术，类似于单元制造系统（本课件第3.3节）。,（20）混流生产线（mixed mode line）,混流生产线即一条生产线上可以生产多种不同型号的汽车，用以增加生产过程的柔性和应对能力，是汽车装配行业为

30、应对市场需求的个性化趋势而出现的新发展（本课件第3.3节）。,（21）市场响应型自独立制造系统 （market responsive self-contained manufacturing，MSM）,日本山崎马扎克（MAZAK）公司（主营数控机床）提出的概念，该系统采用几台数控机床，分别完成发动机5大件全部加工，进行“套件生产”，随即装配成一台发动机。 这种方法使得在发动机设计完成后即可以用最小的投资、最快的速度生产出来，适用于新发动机研发，适合按订单设计生产方式。 该系统的主要目的也是应对市场需求的个性化与不确定性，原理类似于混流生产线。,课程要求（3.6）,知道大规模定制的主要思想，理解客户订单分离点的概念，知道不同类型企业中客户订单分离点的位置，知道延迟策略的含义。 知道基于控制论模型的主要控制策略：需求策略、库存策略、渠道策略，知道库存策略与看板系统的关系；知道其针对的主要问题：牛鞭效应。 知道快速换线分析方法中内部、外部作业的含义； 知道快速换线技术的核心方法：事前准备。 简单了解精益六西格玛的核心思想：消除浪费、降低变异；知道六西格玛标准的含义：3.4失误/百万机会。,