制造柔性的概念框架及其度量

作者：南京理工大学 袁红兵 黄新燕 李小宁

欢迎访问e展厅 展厅 8 CAD硬件/先进制造技术展厅 图形工作站, 绘图仪/大幅面打印机, 3D控制器/3D鼠标, ... 引言 随着自动化、组织管理特别是信息技术的发展及其应用。与产品、制造过程组织和系统运行管理等方面相关的制造柔性变得越来越重要。人们对制造柔性的类型[2，5]、相关的实现技术和评测方法[3-5]、制造柔性与生产率和产品交货期间的关系[5-8]等方面做了大量研究，提出了相关的结构框架[3，5]、分析评测和投资决策模型[6，7]。但由于制造柔性的涉及面广，各种制造柔性的实质、目标和实现方法各不相同。它们之间及其与制造系统综合性能间存在错综复杂的关系，到目前为止甚至对究竟什么是制造柔性还没有一个公认的定义，缺乏对各种制造柔性进行概括的概念框架，对制造柔性的偏面认识及低效管理，甚至造成柔性制造系统的运行性能还不如传统制造系统的情况[7]。 本文从理论上研究了制造柔性的基本概念，讨论了现有各种制造柔性的特点及其对制造系统综合运行性能的影响，提出了一个可用于对各种制造柔性进行概括的概念框架、最后对制造柔性的度量方法进行了初步探讨，旨在加深对制造柔性的认识以指导实践。 1 制造系统及制造柔性 以系统论的观点，任何系统的功能都可以抽象为一个利用系统资源，在满足系统约束和目标的前提下，将从系统环境中获得的输入转换为输出的过程。为了生存和发展，任何系统都应当具备某种对系统内外各种变化的适应能力，系统柔性就是指这种适应性l—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，制造约束包括时间、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。 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。 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。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。 2 各种制造柔性及其特点 有关研究文献[2，5]对各种制造柔性的含义、目的和实现技术等已作了很多研究。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加固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，又称混合比柔性，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；(10)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合能力，便制造系统能在多变的市场环境下求得生存与发展。 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[2，5]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—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，又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4(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)制造柔性涉及的二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。 3 制造柔性的概念框架 本文提出的制造柔性概念框架如图3所示，它综合了制造柔性的时间特性、所属的三种最基本的制造柔性以及制造柔性和产品及其制造过程等方向的相关性，它既可用于对现有的各种制造柔性进行概括，又可作为定义新的制造柔性的基础。 首先从制造柔性的时间特性来看，除静态的结构柔件外，动态柔件包括运行、战术和战略三个层次。以与产品和资源相关的制造柔性为例，(1)运行层，系统运行时工件队列长度和产品混合比变化所需的机器柔性，以及处理简单的机床故障、刀具磨损和资源竞用时需要的路径柔性；(2)战术层，市场产品需求波动时所需的批量柔件，以及处理加工设备较大故障时所需的操作柔性；(3)战略层：为满足新产品市场需求所需的市场柔性，以及当出现新的加工技术和设备时所需的扩展柔性。其次从制造柔性所涉及的对象来看，产品柔性和操作柔性与产品相关，人员柔性、机器柔性和物料运送柔性与制造资源相关，而路径柔性和过程柔性等与制造过程相关。最后从系统功能实现的角度，所有制造柔性均可归为范围柔性、反应柔性和状态柔性之一。不考虑时间特性的制造柔性在这个概念框架中的二维投影如图4所示。 4 制造柔性的度量 制造柔性的度量涉及两方面的问题：(1)现有制造系统的柔性有多大?(2)为适应未来的某种变化需要多大的柔性?制造柔性度量的困难性在于首先各种制造柔性的性质不同，其次制造柔性的两个方面也属于不同性质的问题，很难将它们统一起来进行定量的综合评判，当涉及到未来的变化时更难于获得精确的数据。目前提出的一些度量方法和模型[6-8]有的只适用于投资评估等个别情况，有的虽有良好的数学基础，但过于理论化而难于应用。 为了减小制造柔性度量的复杂件并便于实际应用。可对前述概念框架中三类最基本的制造柔性分别采用不同的方面进行度量。具体来讲，(1)范围柔性，用某种制造柔性可适应的变化范围来度量。例如批量柔性可用系统能获利的最小和最大生产批量来度量；(2)反应柔性，用适应某种变化所需时间或费用来度量。例如机器柔性可用不同操作间转换所需时间或费用来度量，过程柔性可用不同产品混合比间转换所需时间或费用来度量；(3)状态柔性 SF(State Flexibility)。状态柔性与系统对某种变化的敏感度STC(Sensitivity to Change)成反比，即SF＝1／STC。如果适应变化可以不需任何费用(C＝0)或者发生这种变化的概率很小(P＝0)，都可以认为系统对这种变化的敏感度为零，因而可设STC＝ C *P。设 X表示某种变化，则与此相关的费用 C和概率尸都应当是X的函数。例如当涉及到三种状态A、B、 C时，则存在9种状态变化的组合，即AA、AB、AC、BA、BB BC、CA、CB和CC，显然， 其中，n是可能变化的数目，i是变化的序号，C(Xi) 和P(Xi)分别是与变化 Xi相关的费用和概率。当系统中状态变化连续时，可以得到一个更为一般的公式，即： 是变化的上下界。 这里关键在于如何确定与未来某种变化相关的成本和可能性。对与产品相关的柔性来讲，式中的成本主要指由于产品变化所造成的与产品设计和材料等相关的成本，而发生的概率应当根据材料技术的发展、客户喜好的变化、竞争对手的策略以及对产品功能变化的预测等综合而定。对过程柔性来讲，式中的成本主要包括由于加工过程所需的设备更新造成的成本，而发生的概率可依据制造过程中的各种不确定性因素而定。 5 结论 随着精益生产、并行工程和敏捷制造等制造新概念的出现，加上柔性制造技术作为单纯的自动化技术，其实际应用并没有取得人们预期的效果，近年来对制造柔性的研究和应用没有得到足够重视。作为一种使能技术和制造哲理，柔性制造的概念与这些新的制造概念并不矛盾，如制造柔性同样强调技术、管理和人的综合作用，强调小组工作方式和信息技术的作用，其特点在于从多方面、多层次强调系统对各种变化的适应能力。通过对制造柔性概念框架及其度量体系的讨论，希望能加深人们对制造柔性的认识以指导实践。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/29/2004)