【正文】 先 進(jìn) 制 造 技 術(shù) 東北大學(xué)先進(jìn)制造與自動(dòng)化研究所 劉永賢 摘要 先進(jìn)制造生產(chǎn)模式是應(yīng)用與推廣先進(jìn)制造技術(shù)的組織方式 。 本章闡述了在新的國際經(jīng)濟(jì) 、 科技形勢下 ， 制造業(yè)生產(chǎn)模式的演變 和戰(zhàn)略目標(biāo) 。 探討了先進(jìn)制造生產(chǎn)模式有待解決的管理共性問題 。 在此基礎(chǔ)上簡述了敏捷制造 、 精益生產(chǎn) 、 并行工程 、 智能制造等先 進(jìn)制造模式的定義 、 內(nèi)涵 、 特點(diǎn) 、 關(guān)鍵技術(shù)等 ， 從管理及信息集成 的角度 ， 為推動(dòng)制造模式的發(fā)展 ， 闡述了計(jì)算機(jī)集成制造 、 企業(yè)資 源計(jì)劃 、 虛擬制造 、 分散網(wǎng)絡(luò)化制造系統(tǒng)等管理綜合自動(dòng)化技術(shù)的 主要思路和要點(diǎn) 。 展望了制造業(yè)未來的競爭環(huán)境 、 競爭模式所面臨 的主要挑戰(zhàn)和迎接這些挑戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù) 。 第五章先進(jìn)制造生產(chǎn)模式 5． 1 制造業(yè)生產(chǎn)模式的演變及產(chǎn)生背景 5． 1． l制造業(yè)生產(chǎn)模式的演變 5． 1． 2制造業(yè)生產(chǎn)模式產(chǎn)生的背景 5． 2 先進(jìn)制造生產(chǎn)模式創(chuàng)立基點(diǎn)及戰(zhàn)略目標(biāo) 5． 2. 1先進(jìn)制造生產(chǎn)模式的創(chuàng)立基點(diǎn) 5． 2. 2制造系統(tǒng)的工程屬性和經(jīng)濟(jì)屬性 5． 2． 3運(yùn)營目標(biāo)對(duì)制造系統(tǒng)的功能要求 5， 2. 4先進(jìn)生產(chǎn)模式的戰(zhàn)略目標(biāo) 5． 3 先進(jìn)制造生產(chǎn)模式的管理 5． 3． 1 組織創(chuàng)新 5． 3. 2 集成經(jīng)營 5． 3． 3 新的質(zhì)量保證體系 5． 3. 4重組工程 5． 3. 5以人為本 5． 3． 6人機(jī)分工 ， 人機(jī)匹配 5. 3． 7用分工協(xié)作代替全能 5. 3． 8用并行或交叉作業(yè)代替串行作業(yè) 5． 4 先進(jìn)制造生產(chǎn)模式 5． 4． l敏捷制造 AM（ Agile Manufacturing） 5． 4． 2精益生產(chǎn) LP（ Lean Production） 5． 4． 3并行工程 CE（ Concurrent Engineering） 5. 4. 4智能制造系統(tǒng) IMS（ Intelligent ManufactUring System） 5． 4． 5全能制造系統(tǒng) HMS（ Holoson Manufacturing System） 5． 4． 6綠色制造 GM（ Green Manufacturing） 5． 5 管理綜合自動(dòng)化技術(shù) 5． 5． l計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) CIMS（ Computer Integrated Manufacturing System） 5． 5． 2 企業(yè)資源計(jì)劃 ERP（ Enterprise Resource Planning） 以及智能資源計(jì)劃 IRP（ Intelligont Resource Planning） 5． 5． 3 虛擬制造 VM（ Virtual Manufacturing） 5． 5． 4 分散化網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng) DNPS（ Dispersed Networked Production System） 5． 1 制造業(yè)生產(chǎn)模式的演變及產(chǎn)生背景 5． 1． l制造業(yè)生產(chǎn)模式的演變 人類制造業(yè)及制造系統(tǒng)生產(chǎn)模式的發(fā)展已有了漫長的歷史 。 但長期以來 ， 人類 社會(huì)處 于手工技術(shù)和手工業(yè)的水平 ， 制造業(yè)及制造生產(chǎn)模式的真正形成與發(fā) 展 ， 還只有近兩百年的歷史 。 回顧歷史 ， 人類制造業(yè)的生產(chǎn)方式的發(fā)展大致經(jīng) 歷了四個(gè)主要階段 。 1． 手工與單件生產(chǎn)方式 從 1765年瓦特蒸氣動(dòng)力機(jī)的發(fā)明 ， 促使制造業(yè)取得了革命性的變化 ， 引發(fā)了工 業(yè)革命 ， 出現(xiàn)了工場式的制造廠 ， 從手工業(yè)到機(jī)器作業(yè) ， 從作坊到批量生產(chǎn) ， 生產(chǎn)率有了較大提高 ， 揭開了近代工業(yè)化大生產(chǎn)的序幕 。 其基本特征是： （ 1） 采用手動(dòng)操作的通用機(jī)床 ， 按用戶要求進(jìn)行生產(chǎn) ， 生產(chǎn)的產(chǎn)品可靠性和一 致性不能得到保證 。 （ 2） 生產(chǎn)效率低 ， 生產(chǎn)成本低 。 （ 3） 生產(chǎn)者是整臺(tái)機(jī)器的作坊業(yè)主 。 （ 4） 工廠組織結(jié)構(gòu)松散 ， 管理層次簡單 。 2． 大批量生產(chǎn)方式 從 19世紀(jì)中葉到 20世紀(jì)中葉 ， 由于 E． Whitncy提出 “ 互換性 ” 與大批量生產(chǎn) ， Oliver Evons將傳送帶引入生產(chǎn)系統(tǒng) ， F． W． Tnylor的 “ 科學(xué)管理 ” ， H． Ford 開創(chuàng)的汽車裝配自動(dòng)流水生產(chǎn)線 ， 使制造業(yè)開始了第一次生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)換 ， 這種 模式推動(dòng)了工業(yè)化進(jìn)程 ， 為社會(huì)提供了大量的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品 ， 促進(jìn)了市場經(jīng)濟(jì)的高度 發(fā)展 ， 成為各國仿效的生產(chǎn)方式 。 其主要特征 是： （ 1） 實(shí)行從產(chǎn)品設(shè)計(jì) 、 加工制造到管理的標(biāo)準(zhǔn)化和專業(yè)化生產(chǎn) 。 （ 2） 采用移動(dòng)式的裝配線和高效的專用設(shè)備 。 （ 3） 實(shí)行縱向一體化管理 。 把一切與最終產(chǎn)品相關(guān)的工作都?xì)w并到廠內(nèi)自 制 。 3． 柔性自動(dòng)化生產(chǎn)方式 從 50年代開始 ， 人們逐漸認(rèn)識(shí)到剛性自動(dòng)化的不足：勞動(dòng)分工過細(xì) ， 導(dǎo)致了 大量功能障礙；對(duì)市場和用戶需求的應(yīng)變能力較低；縱向一體化的組織結(jié)構(gòu)形成 了臃腫官僚的 “ 大而全 ” 的塔形多層體制 。 面對(duì)市場的多變性和顧客需求的個(gè)性化 、 產(chǎn)品品種和工藝過程的多樣化以及生 產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度的動(dòng)態(tài)性 ， 迫使人們尋找新的生產(chǎn)方式 ， 提高工業(yè)企業(yè)的柔性和生 產(chǎn)率 。 1952年 美國麻省理工學(xué)院試制成功世界上 第一臺(tái)數(shù)控銑床 ， 揭開 了柔性自動(dòng)化 的 序幕 ： 1958年研制成功 “ 自動(dòng)換刀鏜銑加工中心 ； 1962年 在數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ) 上 ， 研制成功 第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人 、 自動(dòng)化倉庫和自動(dòng)導(dǎo)引小車 ； 1966年 出現(xiàn)了用 一臺(tái)大型通用計(jì)算機(jī)集中控制多臺(tái)數(shù)控機(jī)床 的 CNC系統(tǒng) ： 1965年 英國莫林公司和 美國辛辛那提公司 建造了第一條由計(jì)算機(jī)集中控制的自動(dòng)化制造系統(tǒng) ， 定名為 柔性制造系統(tǒng) ； 70年代 ， 出現(xiàn)了各種微型機(jī)數(shù)控系統(tǒng) 、 柔性制造單元 、 柔性 生產(chǎn)線和自動(dòng)化工廠 。 以上這些技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展 ， 標(biāo)志著柔性生產(chǎn)的開始 。 與剛性自動(dòng)化的工序 分散 ， 固定節(jié)拍和流水生產(chǎn)的特征相反 ， 柔性自動(dòng)化的共同特征是 ： 工序相對(duì)集 中 ， 沒有固定的節(jié)拍 ， 物料的非順序輸送 ； 將高效率和高柔性融于一體 ， 生產(chǎn)成本低；具有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性 。 4 高效 、 敏捷與集成經(jīng)營生產(chǎn)方式 自 70年代以來 ， 不同時(shí)期不同國家的經(jīng)濟(jì)增長 、 繁榮與停滯 、 衰退交替出現(xiàn) ， 企業(yè)所處的外部環(huán)境日趨復(fù)雜多變 ， 使得世紀(jì)之交的 企業(yè)面臨一系列前所未有的 挑戰(zhàn) 。 （ 1） 市場需求波動(dòng) ， 消費(fèi)者行為更加具有選擇性 ， 產(chǎn)品需求朝多樣化發(fā)展 。 開 放 —— 自由表達(dá) —— 多樣化潮流的發(fā)展 ， 是消費(fèi)者價(jià)值觀念結(jié)構(gòu)性變化的必然結(jié) 果 ， 消費(fèi)者不僅要求產(chǎn)品體現(xiàn)個(gè)性 ， 且其需求的變化十分迅速 。 （ 2） 市場對(duì)產(chǎn)品性能 、 質(zhì)量要求更高 ， 產(chǎn)品壽命縮短 。 （ 3） 國際合作成為科學(xué)發(fā)展的強(qiáng)大勢頭 。 科學(xué)技術(shù) 、 經(jīng)濟(jì) 、 生產(chǎn)及市場的全球 化 、 一體化 、 社會(huì)化已成為必然趨勢 ， 國家間的市場界線即將消失 ， 企業(yè)經(jīng)營處 于全球化競爭環(huán)境 之中 ， 科技的發(fā)展對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的影響將空前廣泛 ， 愈加深 刻 。 （ 4） 競爭日趨激烈 。 技術(shù)的迅速發(fā)展 ， 市場的用戶化 、 經(jīng)濟(jì)的全球化及基于不 同基礎(chǔ)上的企業(yè)竟?fàn)幮袨榈冉M合作用的結(jié)果 ， 使競爭形勢瞬息萬變 ， 其速度遠(yuǎn)遠(yuǎn) 超過了現(xiàn)有企業(yè)內(nèi)部因素變化的速度 ， 使得企業(yè)的生存與發(fā)展愈來愈取決于對(duì)市 場變化的響應(yīng)速度 。 （ 5） 技術(shù)的迅猛發(fā)展 。 大量新技術(shù)的不斷涌現(xiàn) ， 并向各個(gè)領(lǐng)域滲透 ， 科技內(nèi)部 的交叉和聯(lián)系 ， 以及科學(xué)技術(shù)與社會(huì)相互作用的進(jìn)一步增強(qiáng) ， 使技術(shù) 、 知識(shí)及產(chǎn) 品的更新速度加快 ， 特別是計(jì)算機(jī)技術(shù) 、 信息技術(shù)的發(fā)展 ， 將引起人類生產(chǎn)力的 飛躍和社會(huì)生產(chǎn)方式的巨變，是推動(dòng)企業(yè)全面變革的主導(dǎo)力量。 近些年來 ， 在日本 、 美國有關(guān)制造模式的新概念層出不窮 ， 例如精益生產(chǎn) 、 敏 捷制造 、 智能制造 、 并行工程等 ， 這些新方法的出現(xiàn)徹底動(dòng)搖了原有的管理理論 和生產(chǎn)方式 ， 以 “ 專業(yè)化分工 ” 和 “ 科層遞階控制 ” 為特征的傳統(tǒng)管理方式已經(jīng)過 時(shí) 。 這些新概念 、 新思想的出發(fā)點(diǎn)和目標(biāo)并不一致 ， 但他們共同特點(diǎn)是 ： (1) 技術(shù)為中心向以人為中心轉(zhuǎn)變 ， 使技術(shù)的發(fā)展更加符合人類社會(huì)發(fā)展的需 要 。 （ 2） 企業(yè)的組織結(jié)構(gòu)將從金字塔式的多層次生產(chǎn)管理結(jié)構(gòu)向分布式扁平的網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變 。 （ 3） 從傳統(tǒng)的順序工作方式向并行工作方式轉(zhuǎn)變 。 （ 4） 制造系統(tǒng)的策略將集中在靈活組織社會(huì)資源 ， 企業(yè)從按功能劃分部門的固 定組織形式向動(dòng)態(tài)的 、 自主管理的小組工作組織形式轉(zhuǎn)變 。 （ 5） 質(zhì)量是企業(yè)尊嚴(yán)和品牌價(jià)值的起點(diǎn) ， 快速響應(yīng)市場的競爭策略是制勝的法 寶 。 （ 6） 企業(yè)從單純競爭走向既有競爭 、 又有結(jié)盟之路 。 （ 7） 技術(shù)創(chuàng)新將成為對(duì)世紀(jì)企業(yè)競爭的焦點(diǎn) 。 兩百多年來的歷程 ， 充分顯示了技術(shù)推動(dòng)與市場牽引兩項(xiàng)因素對(duì)制造生產(chǎn)模式 發(fā)展的作用 。 5． 1． 2 制造業(yè)生產(chǎn)模式產(chǎn)生的背景 為使制造業(yè)擺脫困境 ， 人們?nèi)匝貍鹘y(tǒng)思路企望依靠制造技術(shù)的改進(jìn)和管理方法 的創(chuàng)新來解決問題 。 具體地講就是 ， 抓住由于計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用所提供的有利契 機(jī) ， 以單項(xiàng)的先進(jìn)技術(shù) （ 如 CAD、 CAM、 CAPP、 MRP、 GT、 CE、 FMS等 ） 和 全面質(zhì)量管理 （ TQC） 作為工具與手段 ， 來全面提高產(chǎn)品質(zhì)量和贏得供貨時(shí)間 。 單項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)和 TQC的應(yīng)用確實(shí)取得了很大成效 ， 但在響應(yīng)市場的靈活性方 面并沒有實(shí)質(zhì)性的改觀 ， 而且巨額投資和實(shí)際效果形成了強(qiáng)烈反差 ， 其中以國內(nèi) 外應(yīng)用 FMS的教訓(xùn)最為深刻 。 至此人們才意識(shí)到問題不在具體制造技術(shù)和管理方 法本身 ， 而是因?yàn)樗鼈內(nèi)栽诖笈可a(chǎn)模式的舊框架之中 。 先進(jìn)制造生產(chǎn)模式就 是在對(duì)大批量生產(chǎn)模式的質(zhì)疑 、 反思和揚(yáng)棄中應(yīng)運(yùn)而生的 。 5． 2 先進(jìn)制造生產(chǎn)模式創(chuàng)立基點(diǎn)及戰(zhàn)略目標(biāo) 5． 2． l 先進(jìn)制造生產(chǎn)模式的創(chuàng)立基點(diǎn) 為適應(yīng)市場競爭新形勢的需要 ， 加上科學(xué)技術(shù)發(fā)展提供的可能性 ， 工業(yè)發(fā)達(dá)國 家進(jìn)一 步重視制造系統(tǒng)理論的研究 ， 相繼提出了一系列制造系統(tǒng)的新概念 、 新 模式 。 諸如計(jì)算機(jī)集成制造 （ CIM） 、 精益生產(chǎn) （ LP） 、 敏捷制造 （ AM） 、 并行 工程 （ CE） 、 全能制造系統(tǒng) （ HMS） 、 經(jīng)營程序再造 （ BPR） 、 分形 （ fractal） 制造和仿生 （ bionic） 制造等等 。 根據(jù)相似工程的觀點(diǎn) ， 制造系統(tǒng)的各種模式 ， 既然有其相同的目標(biāo)或目的 ， 必 然具備相似的功能或能力 。 制造系統(tǒng)的功能要求既然相似 ， 其哲理或方法 ， 其機(jī) 理或行為 ， 其組織結(jié)構(gòu) ， 其內(nèi)部與外部要素之間的關(guān)系以及其表觀的性質(zhì)便會(huì) 有諸多的相似 。 而在研究或借鑒制造系統(tǒng)諸模式的相似性時(shí) ， 又必須同時(shí)注意 研究其所依賴的條件 ， 并根據(jù)自身?xiàng)l件的不同而有所變異 。 先進(jìn)制造生產(chǎn)模式 ， 其本質(zhì)就是集成經(jīng)營 。 集成經(jīng)營 是在新的市場環(huán)境下 ， 將 企業(yè)經(jīng)營所涉及的各種資源 ， 過程與組織進(jìn)行一體化的并行處理 。 通過集成使企 業(yè)獲得精細(xì) 、 敏捷 、 優(yōu)質(zhì)與高效的特征 ， 以適應(yīng)環(huán)境變化對(duì)質(zhì)量 、 成本 、 服務(wù)及 速度的新要求 。 聯(lián)合國在關(guān)于 50年代西歐經(jīng)濟(jì)增長的決定因素的報(bào)告中 ， 首次指出并分析了技 術(shù) 、 組織 、 人因三種資源對(duì)企業(yè)經(jīng)營的關(guān)鍵作用 。 事實(shí)上技術(shù) 、 組織與人因三大 資源集成構(gòu)成了現(xiàn)代企業(yè)制造生產(chǎn)方式的基石 。 以此為基石的關(guān)鍵性支撐模式 ， 目前普遍受到重視的主要有三類 ： ① 智能制造與柔性生產(chǎn)； ② 精益生產(chǎn)： ② 敏捷 制造 。 為能實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)的戰(zhàn)略目標(biāo) ， 制造企業(yè)采用先進(jìn)制造生產(chǎn)模式可從幾種 途徑入手： 制造技術(shù) 、 人的作用和制造組織 ；所 依賴的手段主要是投資和創(chuàng)新 。 由圖 5－ l可以看出它們的特點(diǎn)與區(qū)別 。 5． 2． 2 制造系統(tǒng)的工程屬性和經(jīng)濟(jì)屬性 從工程角度看 ， 制造系統(tǒng)是一個(gè)由硬件 、 軟件和人員構(gòu)成的動(dòng)態(tài)技術(shù)系統(tǒng) 。 它 在物料 、 信息和能量的流動(dòng)過程中 ， 將原材料轉(zhuǎn)變成產(chǎn)品 ， 見圖 5－ 2。 從經(jīng)濟(jì)角度看，制造系統(tǒng)作為一個(gè)企業(yè)，是一個(gè)由