定制生产与物流

精益生产之工厂大规模个性化定制生产!

精彩导读

随着消费者需求的日益多样化,产品册品种也越来越多,如消费者不愿意花大量的时间在大量的商品中去挑选产品,于是造成多样化生产给企业带来较多的库存,增加了成本。为此,制造企业为适应市场的新趋势在生产管理中推出大规模定制生产方式。

 

 

 

随着消费者需求的日益多样化,产品册品种也越来越多,如消费者不愿意花大量的时间在大量的商品中去挑选产品,于是造成多样化生产给企业带来较多的库存,增加了成本。为此,制造企业为适应市场的新趋势在生产管理中推出大规模定制生产方式。

 

大规模定制(Mass Customization,MC)是一种集企业、客户、供应商、员工和环境于一体,在系统思想指导下,用整体优化的观点,充分利用企业已有的各种资源,在标准技术、现代设计方法、信息技术和先进制造技术的支持下,根据客户的个性化需求,以大批量生产的低成本、高质量和效率提供定制产品和服务的生产方式。

 

大规模定制的基本思想在于通过产品结构和制造流程的重构,运用现代化的信息技术、新材料技术、柔性制造技术等一系列高新技术,把产品的定制生产问题全部或者部分转化为批量生产,以大规模生产的成本和速度,为单个客户或小批量多品种市场定制任意数量的产品(Pine and Boynton)。

 

核心能力体现

 

大规模定制企业的核心能力表现为其能够低成本、高效率地为顾客提供充分的商品空间,从而最终满足顾客的个性化需求的能力上。

 

 

与传统定制比较

在满足客户个体需求上,传统的定制企业完全做得到,但传统的定制生产模式除小型工艺品外,只能生产有限品种的产品,企业的产品定位建立在有限数量的极个别的顾客需求上。因此传统定制企业存在规模相对较小、产品有限、生产周期长、成品成本高、质量不稳定等一系列问题。与传统的定制生产相比,大规模生产为顾客低成本、高效率地提供了大量的商品,但对顾客日益扩大的多样化、个性化需求不能适应。经济、科技的发展,社会的进步,基本商品的充盈,推进了顾客的个性化需求。

 

商品基本功能的满足,已不再是顾客的第一需求。张扬个性的需要成为制约商品选择的重要因素,因此大规模生产的理念和规范化产品的定位难以适应市场环境的这种变化。大规模定制模式通过定制产品的大规模生产,低成本高效率地为顾客提供充分的商品空间。因此大规模定制企业与传统的定制企业或大规模生产企业相比,其核心能力表现在其能够低成本、高效率地为顾客提供充分的商品空间,从而最终满足顾客的个性化需求的能力上。

 

准确获取客户需求

在科学技术尤其是信息技术高度发达的今天,企业的经营环境发生了根本性的变化。客户对企业产品和服务的满意与否将是企业生存与发展的关键因素,客户的满意将是企业获益的源泉。

 

准确地获取客户需求信息是满足客户需求的前提条件。大规模定制企业要提供定制的产品和服务满足每个客户个性化的需求,因而准确获取顾客需求的能力在实施大规模定制企业中就显得更加重要。MC企业通过电子商务、客户关系管理及实施一对一营销的有效整合来提升其准确获取顾客需求的能力。电子商务使MC企业跨越中间环节,实现直销,不但降低了产品的流通成本而且有助于企业及时准确地获取客户需求信息;另外电子商务系统提供了制造商与客户、制造商与合作伙伴快速沟通的平台,这个平台是MC企业理解和引导客户需求、与顾客与合作伙伴一起进行定制产品设计的基础条件。

 

客户关系管理(Customer Relationship Management,CRM)以客户为中心,通过对企业业务流程的优化整合。对客户资源进行研究和管理。从而提高客户的满意度和忠诚度。提高企业的运行效率和利润。CRM以客户为中心的思想与MC是一致的,大规模定制的企业通过CRM实施一对一营销。能够系统、全面、准确地获取客户个性化的需求,使客户需求定制信息在各部门传递共享,针对这些定制的信息安排设计、生产,为客户提供满意的定制产品。

 

敏捷产品开发设计能力

大规模定制企业要以多样化、个性化的产品来满足多样化和个性化的客户的需求,因此企业必须具备敏捷的产品开发设计能力。敏捷的产品开发设计能力是指企业以快速响应市场变化和市场机遇为目标,结合先进的管理思想和产品开发方法,采用设计产品族和统一并行的开发方式,对零件、工艺进行通用化,对产品进行模块化设计以减少重复设计,使新产品具备快速上市的能力。

 

MC企业通过面向产品族的设计能力、模块化设计能力、并行工程、质量功能配置能力和产品配置设计能力的有效整合来构建和提升大规模定制企业的敏捷产品开发设计能力。大规模定制的产品设计不再是针对单一产品进行,而是面向产品族进行设计。它的基本思想是开发一个通用的产品平台,利用它能够高效的创造和产生一系列派生产品。使得产品设计和制造过程的重用能力得以优化。有利于降低成本,缩短产品上市时间。还可以实现零部件和原材料的规模经济效应。而模块化设计是对产品进行市场预测、功能分析的基础上,划分并设计出一系列通用的功能模块,然后根据客户的要求,选择和组合不同模块,从而生成具有不同功能、性能或规格的产品。

 

 

 

模块化设计把产品的多样化与零部件的标准化有效地结合了起来。充分利用了规模经济和范围经济效应。并行工程是集成的、并行的设计产品及其相关的各种过程(包括制造过程和支持过程)的系统方法。这种方法要求产品开发人员从一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素,包括质量、成本、进度计划和用户的要求。并行工程是基于时间的竞争提出的设计方法。可大大缩短产品的开发时间,充分考虑到了产品的可制造性、可装配性,是大规模定制所需要的设计能力。

 

质量功能配置能力是在产品族规划中常采用到QFD 技术,它从质量保证的角度出发,通过一定的市场调查方法获取客户需求,采用矩阵图解法将客户需求的实现过程分解到产品开发的各个过程和各职能部门,通过协调各部门的工作以保证产品的最终质量。使得设计和制造的产品能真正满足客户的需求。产品配置设计能力是产品配置设计根据客户需求确定产品结构和物料清单(BOM),配置出相应的定制产品。在大规模定制模式下,产品品种繁多,如果没有一个有效的方法进行配置,大规模定制将变为大规模混淆。客户可能因为无法选择而放弃。产品配置设计可以方便地配置出满足客户需求的产品,实现了设计的快速响应,缩短了订单响应时间。

 

柔性制造能力

多样化和定制化的产品对企业的生产制造能力提出了更高的要求。传统的刚性生产线是专门为一种产品设计的,因此不能满足多样化和个性化的制造要求。MC要求企业具备柔性的生产制造能力。它主要通过企业柔性制造系统(flexible manufacturingsystem。FMS)与网络化制造的有效整合及采用柔性管理来构筑、提升其柔性的生产制造能力。FMS是由数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统。FMS是一种高效率、高精度和高柔性的加工系统。能根据加工任务或生产环境的变化迅速进行调整。以适宜于多品种、中小批量生产。

 

 

网络化制造是一种基于Internet的企业联盟式的制造模式;网络化制造通过改变企业的组织结构形式和工作方式。提高企业的工作效率、缩短产品的开发周期及提升企业的柔性制造能力。大规模定制生产企业通过FMS与网络化制造的有效整合所形成的柔性生产是一种市场导向型的按需生产。其优势是增强大规模定制企业的灵活性和应变能力,缩短产品的生产周期,提高设备的利用率,改善产品质量。企业要形成柔性的生产制造能力需要实施与之相应的柔性管理。柔性管理即在动荡变化的环境下针对市场的复杂多变性、消费需求的个性偏好。实施富有弹性的快速反应的动态管理。

 

制造系统模块化

与模块化的产品设计相似,模块化的生产单元具有标准的接口,具有良好的可替换性,当用户需求发生变化或出现意外故障时可以通过模块间的替换满足动态的需求变化,使制造系统具有柔性和快速响应能力,从而满足大规模定制的要求。根据企业的产品种类情况,由某些通用模块构建生产线平台,通过改变某些面向特定客户和应用的模块来调整生产线的产品范围。模块化制造系统的关键问题是模块之间的接口,包括硬件接口和信息接口。如果模块之间的接口是标准的,那么生产工程师就可以把来自不同供应商的设备集成到一个制造系统中。

 

模块化系统的优点在于它提高了系统的可重组性和可扩展性。当产品类型发生变化时,可通过更换相应的工艺模块来调节系统的适应能力。当产品需求量发生变化时,可通过增加(减少)某些关键模块单元或提高(降低)系统自动化程度来增加(减少)产量,同时保证一定的经济性。另外,模块化的生产线也使管理简化。

 

动态组合的布局方式

传统制造系统规划的一个重要方面是合理安排车间、制造单元的布局,以加快工件的流动,减少排队等待时间、运输时间等。大规模定制制造系统规划的目标除了包括传统的制造系统规划目标外,更重要的是要保证制造系统的动态组合和调整能力,以满足大规模定制所要求的柔性和快速响应能力。

 

 

柔性物流系统

大规模定制对物流系统的期望可以归纳为:可以传输任何体积、重量、形状的物品,不需要轨道,没有路线的约束,提高传输速度,减少安装时间,增加智能化向导能力和自恢复能力。传统的一体化的传送带、吊车、有导轨的自动导引车(AGV)等物料传输系统已经不能满足柔性物流的要求了。目前提出的一些物料运输系统和装置在柔性和可重组性方面都进行了一定的考虑。模块化的传送带将传送带模块分为线性传送带模块和连接传送带模块。通过这些模块的组合,可以形成不同形式的传送带,通过改变模块的方向和位置可以快速调整传输路线,而且通过二维传送带和三维传送带的组合可以形成各种类型的空间运输路线。

 

 

动态响应的控制机构

 

到目前为止,制造系统基本上有三种控制结构:集中控制结构、递阶控制结构和异构控制结构。其中异构控制结构将系统分解成近似独立的实体,实体通过预先定义的通信接口进行合作。实体之间消除主从关系,具有局部自治性,系统构成对实体是透明的,实体需要与其他实体合作。在异构控制结构中,每一个实体具有高度自治性,可以快速响应环境变化。大规模定制生产由于其订单到来的随机性,要求控制系统具有动态响应的特点。异构控制结构是大规模定制制造系统应该借鉴的结构。

 

减少生产准备工作

大规模定制生产仍然需要依靠流水式生产。在大批量生产模式下,制造商通过增加批量,将生产准备时间和成本分摊到尽可能多的产品中。大规模定制的极端情况是,每种产品的批量为一,批量为一的能力依赖于生产准备工作的减少。如果生产准备工作能够减少,那么制造商就可以做到按订单生产,生产准备工作的减少是大规模定制生产的重要前提。

 

 

 

 

 

柔性生产|少人化的7个实现方法

      制造成本主要是由材料费、外加工费、直接人工费、间接管理费等所组成,企业为了寻求降低制造成本,除了针对材料费着手大刀阔斧改善之外,另一个改善重点就是减少人事成本的过度负。若是出现人事成本占制造成本的比率偏高现象,就必须考虑如何做好“生产少人化”策略,以期能够真正落实降低成本大作战的实效。


       所谓的“生产少人化”是指:为了追随市场多样化与个性化的需求改变,制造工厂经过详细的产能分析评估后,并绘制人机搭配作业组合图,依此指派适当的作业员人数,用来从事需要数量产品的生产活动,主要是让每位作业员均发挥100%的人员工作效率,杜绝“闲人、闲时、闲事”的各项浪费不断发生。


       制造工厂为了要做好生产少人化工作,可透过各种提高工作效率的技巧与做法,尝试由多方面同步着手推进,除了进行生产人员的裁减与缩编,尚可引进机械化和自动化机器设备,达到“省力化”与“省人化”的效果,甚至是“无人化”的最高境界。

 

      少人化向来是丰田式生产体系的重要支柱之一,强调是以最少的人数来配合生产需要量的方法为了配合市场的快速变迁,采用不浪费的较少人数从事生产,对于人员、设备、作业方式等有关生产结构均必须加以探究,才能完全符合生产少人化的基本思维与实际做法,主要的部分包括下列7项:


     1. 流程式生产:让在制品一个接着一个依制程规定顺序完成所有生产作业,确实达到平稳化与均一化的目标,建立以最少人数与最适机器从事最精生产的根基。


     2. 作业标准化:确实让所有的生产作业单纯化与标准化,避免当制程变更、产能变动、人员异动等状况产生时,以减少进行职场教育训练的时间与费用,期使在短期内迅速顺利投产。


     3. 人机可分离:传统自动化往往是人员必须一直在机器旁,尚须用到部分无法离开机器的人力资源才能完成生产任务,少人化生产则尽量设法做到人员的工作与机器的运作能各自分开独立。


     4. 一人多工程:训练作业员能同时承担前后若干制程的相关作业,而不再是仅会操作一人多机的单能工,应积极使全员皆是精明能干的多能工好帮手。


    5. 可移动设备:制程变动机会愈形频仍,固定式机器设备的拆卸与安装实属不易,因此设备应具备体积小型化与拆装简易化的机能,并可在机架下方安装多只可移动的脚轮,使搬运与迁徙更为便利。


   6. 非定额编制:传统生产作业不论产量多少,大多数工厂均采用固定编额制,生产少人化则应使设备操作员隶属非固定编额,人员可依生产产量的多寡而进行增减调整。


   7. 交接互助带:当多能工在进行复数制程的作业时,前后交接的制程仍无法完全划分清楚,应朝发挥橄榄球式团队运作,藉由衔接制程部分的交集区域,共同完成互助合作与支持协助。


       总之,在现存消费需求巨变的环境之中,制造厂商为了持续发展与延续生存,必须配合市场有理与无理的需求变化,尽量藉由压低制造成本来换取应得的利润。而具有灵活弹性特色的“生产少人化”制造新策略,是为降低成本的具体可行方法之一。

 

 

 

 

 

 

精益生产:如何实现柔性生产

 

 

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求得生存和发展,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,柔性生产就是这些方法的总称。

 

具有柔性的制造系统、柔性生产能力,企业才能适应动态的市场需求。通过柔性的组织、设备和过程,快速地以大批量生产的成本制造多品种产品。

 

柔性包括三个方面:能力的柔性、容量的柔性、系统适应内部变化的柔性。其中,系统适应内部变化的柔性是指在设备故障、紧急订单或其他方面扰动的情况下,系统能够快速恢复运行的能力。具有柔性和快速响应能力是大规模定制制造系统的主要特点。信息集成技术、先进制造技术和先进的管理技术是大规模定制制造系统不可缺少的支撑技术。在大规模定制中,生产流程柔性的创新包括模块化设计、精益生产、信息技术以及数控制造设备的使用、可动态组合的生产线布局方式、动态响应的控制系统结构。

 

以下是一些有代表性的柔性生产的方法。

 

1.细胞生产方式

 

细胞生产方式有两个特点,一是规模小(生产线短,操作人员少),二是标准化之后的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:

 

简单应对产量的变化,通过复制一个或一个以上的细胞就能够满足细胞生产能力整数倍的生产需求;

 

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;

 

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;

 

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。

 

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秒或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.柔性设备的利用

 

从前,许多企业都会外购标准流水线用于生产,现在却逐步被自己拼装的简易柔性生产线(包括塑胶或金属的柔性管)取代。比较而言,柔性生产线首先可降低设备投资70%~90%;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。

 

4.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。这样做,不仅省去了生产线,而且搬运和转移效率大大提高。

 

5.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部分的固定生产线,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。

 

柔性生产总的趋势是,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,实现柔性生产可以大大地降低生产成本,强化企业的竞争力。

 

 

 

 

 

 

柔性制造,是否能为智能制造赢得竞争力的决胜点?

内容导读

“第四次工业革命”将开启一个前所未有的智能制造时代,但这并不会导致整个工业体系一夜之间江山变色,智能制造其实就是一个“柔性的过渡”,或者说这是一个面向“柔性自动化”的持续创新、演进过程。

刚性自动化窘境

  现今,工业4.0和智能制造已经是泛滥于学术界和媒体圈的前沿概念。可是,大多数人仍然将那些看得见的高度自动化的工业流水线误认为是工业4.0,以为智能制造就是大规模应用工业机器人、数控机床、智能传感器等先进设备而已。

  多年以来,中国制造业持续推进产业升级以寻求竞争力提升,而具体做法就是不断进行生产线的自动化升级改造。但这也使中国制造商逐渐面临“刚性自动化的窘境”,即生产线缺乏柔性、调整力不足,以致影响到市场适应性。目前,“刚性自动化的窘境”主要体现在技术、管理和供应链三个层面:

  技术刚性

  大规模的流水线生产方式实际上是工业2.0的概念,始于20世纪70年代的工业3.0时代,持续对工厂流水线进行自动化改造。1969年开始在汽车生产线中使用莫迪康(Modicon)可编程逻辑控制器,开启了自动化和信息化的产业升级。工业3.0解决的问题,是把自动化和信息化技术融入大规模工业生产中,将原来大规模工业生产中可能产生的质量问题极大地减少了。同时,因为把信息化技术融入规模化工业生产中,实现了成本的精准可控。

  工业3.0时代解决了质量和成本两大难题之后,产生了一个新问题——生产的柔性不足。机器生产的只是标准产品,当一条生产线实现全自动化以后,柔性也随之丧失,因为要依靠大量机器设备来完成生产(即硬件投资加大)。一旦市场需求、产品种类发生变化,硬件的更换成本非常高。

  一条生产线一个月可以生产1万辆汽车或者100万部手机,但是严重缺乏灵活性,就像一个人很健壮,但是胳膊腿不灵活。在当今这个创新加速的时代,这种“刚性自动化”越来越难以适应不断缩短的产品生命周期。

  管理刚性

  高度自动化的生产线都需要很先进的电脑设备用于控制与管理。相比欧美工业强国,中国工业企业的生产线管理明显是偏刚性的。从技术设备的先进程度看来,很多中国工业企业已不输欧美同类工厂。为什么一些中国工厂在自动化程度不输欧美同行的情况下,生产效率和市场适应性仍然落于下风?这更多是管理问题。中国工厂的专业分工非常细,甚至细化到工序,决定因素变成了熟练程度,而非专业水平。美国工厂的分工是流程分工,一个流程必须全部熟悉。

  中国大量工业企业在自动化水平不断提升的情况下,人员组织却精简有限。很多中国工厂的管理层次太多,管理层次是由人数决定的。中国工厂人员庞杂,职能部门分工细致,每个部门都有管理者。分工越细,就越需要管理人员来协调。而欧美工厂基本上都是一层管理,或者管理者就是一个人,在欧美国家,几个人的工厂很常见。欧美工厂讲究“流程管理”,流程稳定的好处就是高效有序;而中国工厂大多是“工序管理”,很多人在乱忙。

  永远是生产线适应产品、适应市场,而不是产品和市场适应生产线。一旦市场需求有变,产品设计发生大的改变,中国工厂就要动员大量人员调整大量工序,而欧美工厂只需协调少量人员调整相应流程即可。往往技术刚性不是最难克服的,管理刚性问题才是最难解决的,因为这会触碰内部人的利益问题。

  供应链刚性

  哪怕是最没有技术含量的产品组装,也会涉及非常复杂的供应链管理。要知道一部手机的零配件大概在100个左右,而一辆汽车的零配件不包括螺丝螺帽都有7000个以上,这个供应链管理的难度,对制造商形成非常大的考验。而更大考验是,如何让供应链的运转速度不跑输市场形势的变化。

  供应链管理中有一个著名的“啤酒游戏”,说的是市场终端需求的微小变化会被连锁放大,像多米诺骨牌一样最终反映到供应链上和制造厂家的库存中。零售商、批发商和制造商,任何一方的意图都是好的,都想好好满足市场需求,保持产品顺利地在系统中流通并避免损失。但因为制造商与消费者之间的层层阻隔,市场信息传递到生产环节,缓慢而零散,制造商往往数月后才能从订单中看到消费者需求的变迁。

  在此之前,制造商为了不失去销售产品的机会,不得不囤积主要原料和零部件,产品成本快速增加必然导致产品价格大幅提升,结果是销量陡减,产品价格开始像过山车一样快速下跌,而生产周期往往不可能在一夜之间调整过来,这就必然导致成品和原料零部件的库存积压,而这些库存都是高成本的。市场价格大跌的结果,使利润骤然下降。雪上加霜的是,库存占用了现金,周转变慢,企业的流动性危机接踵而至。

  供应链刚性在工业2.0时代就很严重了,大批量、规模化、流程固定的流水线生产方式始终面临一大风险——市场需求沿供应链出现越来越大的波动,销售速度和生产速度严重脱节,库存积压和流动性枯竭成为制造商挥之不去的噩梦。所以,工业企业家们无不竭力追求柔性制造(或者敏捷制造),实现生产速度和销售速度保持同步。

  从“固定打靶”到“快打飞碟”

  20世纪90年代,互联网技术开始在销售环节大规模应用,电子商务的迅速崛起,对传统制造商、零售商“将所有产品卖给所有人的策略”形成巨大冲击。海尔集团CEO张瑞敏在一次内部会议上说:“传统企业必须从过去的‘打固定靶’向‘打移动靶’乃至‘打飞碟’的方向转变。”

  大众市场减少了,小众市场增多了,不是产品应该“快消化”,而是市场需求“款多量少”了。互联网改变的不是需求碎片化、个性化的趋势本身,而是互联网使这种趋势得以集中爆发。互联网对商业环节的渗透和改造是逆向的,而且从PC互联网时代到移动互联网时代,这种渗透和改造的程度不断加深。

  PC互联网时代:互联网对传统产业的影响主要集中在产品走下生产线,接触消费者的“前台”,从与消费者最近的广告营销端开始,进入零售、渗透进分销环节,最终倒逼到生产制造环节。

  移动互联网时代:腾讯CEO马化腾曾研判,新一代信息技术正从“价值传递环节(前台)”向“价值创造环节(后台)”渗透,对原有传统行业起到很大的升级换代作用。“后台”的价值创造环节,包括供应链、设计、流水线、库存等。冷冰的“后台”曾离消费者很远,如今不但距离在拉近,而且有了情感与温度。

  据阿里研究院数据,目前,图书行业的零售端互联网化程度最高,保守估计超过50%,进而极大改变了图书产品的生产制造环节——“印刷出版”环节已经高度互联网化,数字出版、数字发行逐渐成为主流。纺织服装是另外一个零售端高度互联网化的产业,行业估计在30%以上,全国每100件服装就有30件是在互联网上销售出去的,这对上游生产制造产生了极大的倒逼力量——服装厂商不断改进生产方式和装备,增强制造过程中的弹性和灵活性,更快适应“多款少量的快时尚”。

  可是,对于更大范围的传统制造业厂商而言,互联网和电子商务带来的只有冲击。以淘宝、京东商城为代表的电商平台降低了流通成本,也使制造业面临一个价格越来越低、竞争越来越激烈的经营环境,却没有解决“与用户信息打通的问题”,即“制造商未能通过互联网锁定用户”。

  互联网解放了消费者,却没有解放生产者。为什么制造商不能通过互联网锁定用户?因为多数制造工厂依然是一个消费者摸不透的黑箱,箱子外面有ERP(企业资源计划)、CRM(客户关系管理)、电商平台……一切都很清晰,人们甚至能看到每一个快递员的实时定位。但是一旦进入工厂这个黑箱,大家就两眼一抹黑,每一个产品生产到哪一步了,每一个产品的每一个零部件来源,每一个工人的工作状态,产品的质量和可追溯性……除了工程师心里稍微有点数,连总经理都不知道真实情况,因为他面对的永远是一个由无数因素构建起来的复杂系统。

  不能锁定用户,何谈柔性制造?不能打开工厂“黑箱”,如何锁定用户?

  突破工厂“黑箱”

  突破工厂“黑箱”,并不是要将工厂车间的每个制造细节、所有流程工序透明化地呈现给用户看,而是要使工厂不再封闭和孤立——从上游原料零部件到终端产品,制造业的长期价值在于帮助下游客户赚钱。从终端到上游,要将用户需求的变化高效传达给产业链上的每个环节。

  在“互联网+制造业”的转型过程中,C2M(Customer-to-Manufactory,顾客直连工厂)模式非常热门。可是,并不是每个制造商都具备很强的“零售”能力,况且品牌塑造也需要持续努力并承受长期成本。实现C2M模式的最大考验,是能否做到“产业链协同”,这也是突破工厂“黑箱”的最大瓶颈。

  什么是“产业链协同”?比如,一个食品工厂接到零售商的一个订单,生产100箱面条、200箱饼干和300箱速冻水饺,月底交货。这个工厂埋头苦干,保质保量按期交货,这叫“单纯制造”。而“供应链协同”是工厂在生产过程中就向零售商了解,哪里面条畅销,在本月中旬已经低于最低安全库存了,马上就要断货;而饼干滞销,尚有大量库存;速冻水饺则是猪肉馅的好卖,韭菜馅的不好卖。于是,工厂加速面条的生产和交期,而延缓饼干的生产甚至减少产量,速冻水饺则是多配猪肉馅少配韭菜馅。这就是“供应链协同”的做法。

  任何一家工业企业,都是生存在一个稳定的产业链协作系统中的,它的约束条件从来就不是单一要素。产业链上的任何一个环节要想做到柔性产出,都需要上下游协同踏准节奏。

  “供应链协同”除了要求工业企业的产能产量根据市场的实际需求变化弹性释放,更需要研发设计、跟踪服务等不同环节加强整合,形成基于供应链流程的整合创新。过去,一个好的供应商标准就是精益制造、质量可靠、交货及时,现在更多要考量其主导研发、设计的能力能不能跟上。

  物联网、传感器、云计算等前沿技术的最大价值,不是让工业企业在更短时间做到更大产量,而是要使工业企业与上游供应商、下游销售端之间实现高度数据共享,增加生产柔性化程度,将一切环节直通用户实际需求。现在的市场竞争是产业链竞争,而非企业之间的单打独斗,能否胜出取决于各方共同的能力和效率,你跟供应商分享的越多,供应商响应你的节奏,整条产业链的效率就会更高。

  最大突破口:产品端创新

  工业4.0或者智能制造最终都是要实现高度自动化条件下的柔性生产,柔性自动化可以说是工业企业赢得智能竞争力的决胜点。实现柔性化生产,克服管理刚性和技术刚性并不是最具挑战性的部分,在互联网诞生之前,已经形成两个方向的重大创新:

  制造端创新:60年前就已实用化的“丰田生产方式”(即精益生产)已经极大突破了柔性制造问题。生产市场不需要的产品、过多生产是最大浪费,精益生产正是通过消除浪费来提高效率,这在本质上已经包含了产销和谐、产销匹配的深意。20年前,佳能的“细胞式生产方式”又将柔性化生产推进了一大步,不仅实现了多品种生产组装的快速切换,而且激发了工人的创新能力。

  产品端创新:20世纪90年代,戴尔电脑已经开始“大规模定制”和“线上直销”PC硬件产品,即对产品按功能进行划分而进行模块化设计,建立产品族和零部件族,内部实现零部件的标准化、通用化。这一模式成就了戴尔的辉煌,并作为一种商业思想广泛传播。

  制造业创新的世界格局至今没有发生根本改变,美国依然强于产品端创新,日本、欧洲延续了制造端创新的优势,中国、韩国则是在供应链协同、产业整合上有所突破。可是,产品端的任何重大创新都会导致产业链重构,接下来制造端、供应链都要随之发生大的调整,而供应链刚性是最难调整的。

  以高度依赖供应链的中国台湾制造商为例,他们擅长做代工,却并不知道自己的下一个关键产品是什么。即使是广达、和硕等大厂,都接触不到前端的渠道,也不是产业链的龙头,所以只能按客户规定的规格制造产品。产品设计一旦发生大的变动,产业链就被迫重塑、更换硬件(机器设备),这相当被动。台湾科技企业因为不掌控终端产品的创新与变迁,这种后知后觉的态度让其只能依靠供应链协同、代工生产,辛苦一生。更糟糕的是每次重大技术变革,台湾企业都要重新协同供应链,好像死过一回。

  中国大陆和韩国的制造业情况稍微好一点,能够在协同产业链的同时塑造自主品牌,也就能更好掌控自己的命运。培育品牌的主要目的不是获得镁光灯或者登上报纸头条,而是一个地区必须有前沿领军企业,要有能够直接倾听消费者声音的企业,要有能够创造流行趋势的企业。

  可见,不能局限在制造端看柔性生产,而产品端创新(设计创新或营销创新)恰恰是实现柔性制造的最大突破口。比如,同样是苹果手机,在苹果应用商店App Store的支持下,每个用户使用时下载的是不一样的,每一台手机也是个性化的产品,因为它承载了某一位用户独一无二的使用偏好。

  柔性制造的最终实现要依靠整个价值链体系的柔性化,而体系两端——提供柔性自动化技术的一端(欧洲、日本)和推进产品创新的一端(美国)是获利最大的,体系中间段(中国、韩国)则要承受协同供应链的巨大成本。举例来说,消费类电子产品几乎是所有工业品类中生命周期最短的,有的产品生命周期只有6个月,最多9个月,制造商即使不想这么快就淘汰掉原有设备,但频繁的生产线技术改造是绕不过去的,也是耗资巨大的,对利润的侵蚀也最严重。

  国务院参事汤敏教授认为,未来中国,以大批量生产、低成本取胜的劳动密集型产业外迁到东南亚势不可挡,中国唯一可以留下的就是小批量、定制化的柔性制造产能。

  其实,中国制造业最应该反守为攻、主动出击,强化产品端创新,主动颠覆和重构产业链,而不是疲于奔命地跟随调整。中国制造业除了要大规模改造生产制造系统,使之具备柔性化生产能力,更要在终端产品创新和营销创新上有所作为。

 
 
 
 
 

 

柔性制造,如何解决智能硬件从0到1的难题?

智能硬件创业很热,但也很难。从创意、定位、选型、设计、PCB(电路板)制作、焊接、调试、机壳,到包装、销售,整个硬件的研发过程纷繁复杂,任何一个细节都可能决定产品成败的关键。而其中最难的,则是从设计到小批量生产样机的过程。一旦产品出来,你只能祈祷它不会出什么问题,否则这些还未销售便已报废的产品便可能是压死骆驼最重的稻草,有很多初创企业往往就卡在了这里。

 

  因此,在产品量产之前先做一批样品,用来测试产品性能,并找出所有需要改进的地方则尤其重要。

 

  打样制作之难

 

 

  样品的工业生产方式与量产产品基本没有什么区别,但这其中最关键的便是开模。硬件产品往往都是量越大越便宜,因为量起来之后才能摊薄开模的成本。

 

  由于智能硬件的销量往往都是未知数(虽说可以利用众筹做一个预测),所以样品阶段的生产数量也是很少的,开模成为了成本花销上的大头,这对于资金本来就不充裕的初创企业而言很难承受。更何况,工厂也不愿意接这种难赚到钱的小单。曾有媒体报道,以前光打个样就需要南下深圳、广州等地找厂家,耗时 40 多天甚至更久,时间也是金钱。

 

  柔性制造解决打样难题?

 

 

  为了解决这个问题,有人提出了“柔性制造”这个概念。

 

  柔性生产,是指主要依靠有高度柔性的以计算机数控机床为主的制造设备来实现多品种、小批量的生产方式。它要求生产企业适应需求快速变化的新市场,减少中间库存。

 

  此前柔性生产旨在解决的问题其实是服装行业,该行业最大的一个特点就是上新特别快,可能一个款式还没卖完,新的款式就出了,循环往复,造成了企业巨大的库存压力。因此,有的企业开始尝试个性化定制这条 C2M 的路,试图从根本上解决尾货问题。而这便要求企业生产线具有一定的“柔性”,能够适应多品种、小批量的市场需求。

 

  这就需要对生产线进行改造,柔性生产其实早在 1965 年便已经被英国 Molins 公司首次提出了,但直到今天其仍然未能成为主流,其难度可见一斑。不过由于制造业不景气,工厂的升级迫在眉睫,同时好在国家正加大力度推动工业 4.0 进程,我们已经看见越来越多的传统工厂向着智能工厂以及更加柔性的方向发展。比如,现在一些服装专卖店里已经有了个性化定制之类的服务了。

 

  虽然要求更高的硬件领域实现柔性生产并不容易,但柔性生产在服装行业的表现至少给了我们希望。

 

  3D 打印有望打破硬件柔性生产的最后一块绊脚石?

 

 

  就像前面所说的那样,虽然硬件创业有这样那样的坑,但其中最关键的其实还是在于模具上面。上海卓旗科技 CEO 刘超告诉动点科技:“模具上面三分之一是材料费,三分之二则是人工费。”如果能从材料以及人工两方面着手,最终将开模的成本降下来,对未来硬件领域的柔性生产至关重要。

 

  材料方面,目前硬件开模普遍都是采用铜模或者钢模,成本都不低。而且,金属材料采用机床加工时所消耗的电费同样也是一笔巨大的负担。为此,有些企业已经开始尝试使用新型材料,比如石墨。 石墨与铜相比,有着消耗少、放电速度快、重量轻以及热膨胀系数小等优越性,最重要的,是其价格比铜要低百分之三十到六十。 因此石墨将在模具产业中占据重要地位。

 

  生产方式上,传统车床生产(CNC)方式是在制造模具时最常用的技术。虽然它能够提供高度可靠的结果,但同时也非常昂贵和费时,其有望被 3D 打印给颠覆。由 3D 打印机打印出的模具,在某种程度上能够用来做手板,并可以进行工程验证。如果利用 3D 打印机的立体成型、打印速度、打印成本等,对模具产业的影响是空前的。比如,利用 3D 打印技术可以根据模具外形设计更加复杂的用来冷却的水路,其与传统钻孔的水路相比,可提升 30-70%产能时效与质量良率。

 

  3D 打印并非完美,其目前在许多行业存在着问题。首先,3D 打印的成本目前还比较高; 其次,同样价位上,3D 打印对比传统模型精度要差很多,而且目前 3D 打印的材料在强度、韧性等性能上也有一定的局限。但是,3D 打印对行业的冲击基本已经形成。

 

  智能硬件,下一个创业风口

 

  中国人讲究顺势而为,创业其实一样。时代发展的一个大的趋势就是将人越来越紧密的连接起来。书信使得信息沟通再也不需要面对面;互联网则使得人们得以避免等待回信时的煎熬;移动互联网则使得人们再也不用蹲在电脑前。

 

  而紧随移动互联网之后,物与物之间的连接或将成为接下来科技发展的爆发点,而这便是智能硬件的天下。虽说硬件创业很难,但柔性生产在解决打样难题的同时也将为这个领域带来新的曙光。

 

 

 

 

 

 

 

在制造业的寒冬下,带你认识柔性制造

 

摘要:

什么是柔性生产,“柔性”是相对于“刚性”而言的,传统的“刚性”自动化生产线主要实现单一品种的大批量生产,可以从以下几个维度去分析柔性制造系统:1.设备柔性;2.工艺柔性;3.产品柔性;4.作息柔性;5.产能柔性;6.扩展柔性;7.生产柔性。

 

我们人类从猿人进化到人,体格上的变化致使肢体变小,减弱了攻击力,全身毛发进化成不足以在低温环境下保持体温,这些演化都是为了适应复杂生存环境。这让人起了贝爷的适应环境能力。

 

近几千年来,“环境”从来都在筛选着人类的基因,而“环境”同样也随着人类发展而不断变化。现在的人是不是变得更不能适应环境了?这要看我们对环境的定义。毫无疑问,现代人更加适应现代的“社会环境”。

 

从两个方面认识柔性制造     

 

第一方面是系统适应外部环境变化的能力,可用系统满足新产品要求的程度来衡量

 

第二方面是系统适应内部变化的能力,可用在有干扰(如机器出现故障)情况下,系统的生产率与无干扰情况下的生产率期望值之比来衡量   

 

“柔性”是相对于“刚性”而言的,传统的“刚性”自动化生产线主要实现单一品种的大批量生产。     

 

目前来看柔性制造的优点是生产率很高,由于所使用的设备是固定的,所以设备利用率也很高,单件产品的成本低。但是我们要付出昂贵的价格,如果你想大批量生产的的话现在是无法实现的,只能加工一个或几个相类似的零件。

 

如果想要获得其他品种的产品,则必须对其结构进行大调整,重新配置系统内各要素,其工作量和经费投入与构造一个新的生产线往往不相上下。刚性的大批量制造自动化生产线只适合生产少数几个品种的产品,难以应付多品种中小批量的生产,这也是现在普遍面临的问题。

 

 

柔性制造的模式其实广泛存在,比如我们生活中常见的定制,这种以消费者为导向的, 以需定产的方式对立的是传统大规模量产的生产模式。在柔性制造中,考验的是生产线和供应链的反应速度。比如目前在电子商务领域兴起的“C2B”“C2P2B”等模式体现的正是柔性制造的精髓所在。

 

柔性可以表述为两个方面

 

第一个方面,指生产能力的柔性反应能力,也就是机器设备的小批量生产能力:

 

其优点是生产率很高,由于设备是固定的,所以设备利用率 也很高,单件产品的成本低。但价格相当昂贵,且只能加工一个或几个相类似的零件,难以应付多品种中小批量的生产。

 

随着批量生产时代正逐渐被适应市场动态变化的生产所替换,一个制造自动化系统的生存能力和竞争能力在很大程度上取决于它是否能在很短的开发周期内,生产出较低成本、较高质量的不同品种产品的能力。柔性已占有相当重要的位置。    

 

第二个方面,指的是供应链的敏捷和精准的反应能力:

 

在柔性制造中,供应链系统对单个需求做出生产配送的响应。从传统“以产定销”的“产——供——销——人——财——物”,转变成“以销定产”,生产的指令完全是由消费者独个触发,其价值链展现为“人——财——产——物——销“这种完全定向的具有明确个性特征的活动。

 

在这个过程中不仅对生产的机器提出了重大的挑战,也对传统的供应链提出了革命性的颠覆。     

 

各国是如何定义柔性制造系统的?      

 

由一个传输系统联系起来的一些设备,传输装置把工件放在其他联结装置上送到各加工设备,使工件加工准确、迅速和自动化。中央计算机控制机床和传输系统,柔性制造系统有时可同时加工几种不同的零件。     ——美国国家标准局

 

柔性制造系统是 一个自动化的生产制造系统,在最少人的干预下,能够生产任何范围的产品族,系统的柔性通常受到系统设计时所考虑的产品族的限制。  ——国际生产工程研究协会

 

柔性制造系统是由数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统组成的自动化制造系统,它包括多个柔性制造单元,能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整,适用于多品种、中小批量生产。”简单地说,FMS是由若干 数控设备、物料运贮装置和计算机控制系统组成的并能根据制造任务和生产品种变化而迅速进行调整的自动化制造系统。   ——中国国家军用标准

 

柔性制造系统时光机

以这几个维度去分析柔性制造系统     

 

1、设备柔性——当要求生产一系列不同类型的产品时,机器随产品变化而加工不同零件的难易程度。

2 、 工艺柔性——制造一个给定的零件/产品类型的一个给定的一组的能力,每一个可能使用不同的材料。     

3 、产品柔性——系统独特的条件来改变生产一组新的零件或产品的经济和快速。     

4 、 作息柔性——处理故障的能力,并继续制造一组给定的部分/产品类型,使用替代路线。      

5 、 产能柔性——在系列不同的生产量保持盈利能力。

6 、扩展柔性——以模块化的方式逐步扩展的潜力。

7、生产柔性——一种系统所能产生的零件/产品类型的体积。

 

 

 

 

 

 

自动化技术与柔性生产的融合!

 

 

 
 
 

柔性制造系统是为了适应复杂制造任务而产生的。随着市场需求的变化,自动化、信息技术和管理科学的发展,柔性生产已经逐渐覆盖了工业生产的各个领域。

 

 

 

本文首先介绍了柔性生产的目标,着重论述了开放网络和设备的横向与纵向集成以及开放软件架构的融合、基于以软件集成为核心的新的集成开发平台(如AutomationStudio)的工厂集成和应用机器人的柔性物流系统,最后讨论了智能工厂中的信息技术集成及自动化系统与信息系统的融合。

 

1、引言

  柔性制造FMS概念的提出已经超过快半个世纪了,当时为了胜任更为复杂的汽车、船舶、重工机械的配件与组装生产而提出了这一概念。基于数控加工技术、自动化物流、AGV技术、计算机控制技术的集成来实现最终对变化产品的批量生产。然而,今天,柔性的生产已经不仅仅停留于类似零配件这类具有一定的刚性,具有可测量的加工对象和确定的组合流程。随着市场需求的变化、自动化技术、信息技术、管理科学的发展,柔性的生产需求已经逐渐覆盖于各个工业生产,包括消费品的生产领域如啤酒饮料、食品、印刷、塑料、消费电子等各个领域。

 

  因此,我们这里并非讨论FMS-狭义的柔性制造概念与技术,而是更为灵活和柔性的生产,基于对市场需求的变化、自动化技术的变化、信息技术融合等探讨今天广泛的柔性制造需求与实现。

 

2、柔性生产的目标

  现代企业市场运营均基于市场拉动型而不再是传统的推动型,这使得与传统FMS不同是为了解决生产组织中的问题,其核心是以解决自身生产的为目的,而今天的柔性生产是为了解决客户需求,目标在于客户需求。

 

  2.1更为个性化和差异化的市场

  2014年,可口可乐开始为消费者提供全新的标签设计,更具个性化,并且在印度等市场,可口可乐提供一些附件使得瓶子可以被继续使用,成为喷雾器、卷笔刀、酸奶的制作容器,这些都典型的显示了来自市场的差异化和个性化。一方面,消费者需求,而另一方面企业也不断通过今天的大数据分析来实现差异化的产品与服务,需求在不同的产业链从终端消费者延伸至生产企业,再到机械制造与系统提供商,延伸至自动化系统与方案提供商,这使得自动化技术必须面对这种需求来提供相应的解决方案。

 

  2.2成本的竞争压力

  事实上,成本竞争压力对于消费市场更为迫切,尽管矿泉水瓶能够耗费的材料是有限的,但是,巨大的产量需求会放大这个成本,即使1%的变化,生产系统能耗降低1%甚至意味着数百万成本的节省。今天,企业需要的不仅仅是更好地生产瓶子,还必须要尽量低的成本,技术必须为此做出贡献才能更具竞争力。

 

  2.3科学管理的发展

  管理科学也在不断的延伸,其通过不断的数学建模来实现生产计划、过程分析的优化为企业提高生产效率,而这些更为灵活的生产组织模式也必须借助于更为柔性的自动化系统、信息系统融合来实现,具有不同特性的领域的融合必须借助于可测量和可连接的系统来实现,也使得自动化必须在横向和纵向提供接口,而在设备级的生产数据和基于管理决策与优化分析的MES、CIMS必须得以融合。

 

3、开放自动化技术实现互联基础

  3.1开放的接口互联

  要实现柔性制造,必须打通横向与纵向的设备瓶颈,必须借助于开放的接口,工厂集成的瓶颈在于两个维度的考量:

  在横向集成设备难点在于不同公司的设备自动化组件供应商不同,总线标准不同,软件平台的不同,这是需要打通的第一个数据交互的环节,否则,无法实现集成的生产线将无法达成同步控制和高效的生产。取消传统生产系统的中间搬运或机台间的离散输送,从而实现连续的高效生产。

 

  在纵向则需考虑不同的产品之间的互联,实现从传感器到控制器到管理级的集成,这需要跨越实时域到非实时域数据的交互。

 

  3.1.1实时以太网技术

  实时以太网可以解决生产效率的问题,也可以实现在实时域和非实时域的数据集成。目前,基于软实时设计的架构可以从这个角度来实现垂直方向的集成,水平方向同样可以,例如:POWERLINK、PROFINET、Ethernet/IP均具有这样的能力,在uS级的分布式运动控制来实现设备级高速高精度加工、在不同控制器、车间级实现数据的横向与纵向连接。

 

  POWERLINK即是一个典型架构,可以采用Windows、Linxu上的软件直接驱动集成,这样就可以保证对于低实时性需求的管理级网络与高实时性的运动控制网络集成,POWERLINK网关用于区分其不同的数据调度。

 

 

图1 POWERLINK架构示意图

 

 3.1.2OPC-UA

  实时以太网解决互联的问题,而OPC-UA则解决连接中的数据访问标准接口,在应用级的接口统一标准,对于来自不同厂商的控制器,OPC-UA提供了MES、SCADA系统对于不同设备的数据采集应用层规范,这确保管理系统能够有效的获得数据并服务于管理数据的优化。

 

  3.2开放的软件

  柔性的制造工厂的基础开放性是对网络开放性的需求,而如同在机器领域一样,不同行业的应用也会不同,尤其是当自动化生产系统与管理系统融合时会存在较大的差异,难点在于通常的自动化系统其采用的RTOS和嵌入式开发平台工具等均基于与传统管理系统不同的架构,这使得两者融合就会非常难,往往会出现自动化的人不了解管理软件、专家软件的应用,而专家软件、管理软件又不了解自动化软件,这里形成很大的难度,而一些领先的自动化厂商在这方面取得了不菲的研发效果。

 

  3.2.1仿真建模

  MATLAB/Simulink这一工具对于很多行业工艺软件、控制算法的研究非常实用和专业,而在过去,从MATLAB/Simulink到PLC之间存在着鸿沟,在计算机上仿真的往往无法直接在PLC上使用,而需通过手动的代码转化移植到PLC上,而这两个领域的工程师又往往是代表不同的领域,Mathworks在2008年的SimulinkPLC为PLC提供了C代码,2012年推出ST结构文本的代码生成功能,这使得原来传统的PLC可以直接进行代码开发,B&R的AutomationStudio即有达到一键生成的能力与Simulink很好的对接,这确保了在不同的行业工艺算法可以被快速移植到PLC的运行。

 

  3.2.2EPLAN

  为了实现工程范例,EPLAN也与诸如贝加莱AutomationStudio这样的软件实现对接,可以将来自自动化厂商的配置图转化为电气接线图,同时基于EPLAN的配置也可以导入到自动化开发平台实现配置的生成。这一工具旨在降低工程量。

 

  3.2.3三维软件的集成

  这是更为普遍的做法,例如:不同的3D或者AutoCAD这样的软件可以为机械加工生成G代码,直接为通用运动控制架构下的CNC和机器人系统所接受,从而实现设备的全线集成。

 

  开放的软件不仅仅局限于仿真建模、工程图纸、三维集成,也包括通信、安全等,这一切代表着自动化与管理系统、行业专家系统的融合变得更为密切,必须在更为广泛的领域来实现对此的集成,以确保更为广泛的生产互联。

 

4、集成平台实现系统无缝连接

  对于工厂的集成,平台架构变得更为重要,这与传统的单机设备开发工具不同,新的集成开发平台需要在深度与广度方面的集成,深度对于集成开发平台包括行业专业库的标准化与开放的自定义库实现能力,而广度则在于满足互联、开放的软件接口、数据交互功能的设计,B&RAutomationStudio即是此类平台的典型

 

  4.1核心在软件集成

  工厂的集成从设备的智能化到产线互联,互联也包含了规划的软件集成,而这一切则是需要软件的互联而非仅仅硬件的互联。对于CNC&Robotics、定位控制、安全、液压,这些在传统架构下完全不同的控制而言,集成架构是可以在同一控制器的统一软件规划下无缝连接的,这确保了机器功能更为丰富的同时使得生产的效率在互联基础上实现更高的升级。

 

  无论是智能设备到产线,还是产线到规划的工厂,这些必须通过软件进行耦合,任何行业的特殊性最终必然通过软件形成来体现。

 

5、物流供应技术改变生产组织

  由于工厂的互联和生产组织的变化,原有的归于不同产业的系统也被纳入到现今的系统中,例如:机器人、物流设备。传统上,机器人本不被纳入自动化领域而归属于机械产业,物流也是一个独立的行业,而今天,新的工厂使得这一切与自动化更为紧密的结合。

 

  5.1机器人的在线物流

  机器人应用最大的贡献实际上是它使得工厂的机台间的衔接变得更为自由,由于生产速度越来越快,依赖于人工已经无法胜任这样的工厂输送频度,并且人工的额外扩充也在成本越来越高的时代不大现实,即更快地输送满足生产的节拍。另一方面,高自由度机器人在空间使得原有的生产机台组织变得更为自由,因为,机器人可以通过设置参数来实现空间的物流搬运、加工辅助等,而无需机台、机械设置的变化来实现,例如AGV输送使得传统的按照生产工件安装流程的大型物流输送变得更为简化,生产也变得更为柔性。

 

  5.2柔性物流系统

  物料供应今天变成了柔性制造的核心问题。我们探讨生产系统的自动化集成,然而,如果生产的物料供应不能按照生产所需实现自动给料、配送,那么,这样的智能生产就失去了意义,包括制成品如果无法快速被送入仓库进行分类存储和输出,那么一方面会产生上游无法给下游提供物料而生产无法供应,另一方面高速生产堆积在产线的产品阻碍了生产的延续。这是为什么物流今天也被纳入自动化领域的一个重要原因。

 

6、信息技术集成打通生产与管理

  国家关于“两化融合”的战略是为了解决这些生产系统的连贯问题,今天很多事实证明,这的确是一个瓶颈,我们讨论过很多自动化行业的理念如Industry4.0、智慧工厂、数字工厂等,这些在先进的企业可以初步实现,然而对于大部分传统生产而言,这依然是任重道远的发展过程。

 

  6.1MES集成

  很多企业的MES系统起源于IT产业,这使得他们对于自动化技术缺乏了解,而自动化厂商则不对MES进行了解。这是一个瓶颈,如何让MES与自动化融合则需要双方的紧密合作。MES处理生产工厂的数据,但目前仅限于粗放的生产排产、质量控制、看板等在线管理功能,不能更为深入地反映生产和管理的需求,很多MES仅仅停留于对原有来自欧美工厂的标准模型的应用,而这些模型来自于良好的数字化基础以及管理实践的基础。

 

  打通MES系统和自动化系统需要自动化系统先行打破原有的开放的通信、软件互联,实现数据基础—数字化,否则,又是空中楼阁的智能工厂。

 

  6.2能效管理

  在基础数据之上,我们可以实现能效管理,对工厂的生产流程中的电力、蒸汽、压缩气、水、原材料等进行供应量、供应时间的监控,能效是目前工厂效率提升最易于实现的部分,可以被纳入智慧工厂一期生产柔性项目。

 

7、结束语

  在当今现代化企业向工业4.0迈步的背景下,工厂中的“两化(即自动化与信息化)融合”已成为实现工厂柔性生产,以提高生产效率和产品质量的重大技术策略,自动化技术、信息技术与柔性制造的融合更是创建智能工厂必须解决的关键问题。

 

 

 

 

 

在柔性生产中保持高效

好久没聊设备智造的话题了,记得上次还是一个多月前,我们聊了关于设备停机时间的事儿。

 

是的,关于传统的设备制造和运营管理,设备的开机率很大一部分取决于故障停机时间。然而,随着产品市场逐渐细分,用户的购买需求开始从原来的单一品类、大批量逐渐趋向多品类和多批次时,我们发现,尽管生产线故障率依然很低,但是由于生产的产品切换次数的增加,设备生产的开机率和生产效率却下降了不少。

 

原来产线运行只生产品类很少(有时只有一两种)产品,而且由于批量大,一次设备可以开很久,没啥意外根本不需要停机,即使偶尔产品切换,由于次数少,所以对产品切换时间并不太在意。

 

 

然而现在的很多用户的采购量虽然没有变化,有的甚至增加了,但所需求的品类增加了,每个品类的数量却并没有那么多,在这种情况下,单纯增加面对不同品类产品的产线设备显然是很不划算的,正如前文书说的,增加设备投入不仅仅是简单的硬件购买,还有一系列的设备运维和人员成本的长期持续投入,而这些靠每个单个品类的需求数量是很难支撑的。所以,我们需要考虑的是,如何通过更少的设备投入来完成细分多品类的“柔性生产”,并保持高效。

 

事实上,关于“柔性制造”,在汽车制造领域,很早就已经有比较成熟的解决方法了,市面上同一款车往往有很多不同的配置组合,比如:天窗、发动机排量、颜色选择、音响配置 ... 等等,这些都是在一条生产线上完成的,无须为了不同功能配置增加工位和产线,有的甚至不同款的车都是在一条产线上制造的,比如我们知道的 GL8 商务车和君越就是这样。

 

 

为了实现这样的“柔性”生产,在车厂会根据生产工艺流程,将整车各个功能组件的装配按顺序分配到生产线上的各个工位,每个工位仅完成该工位所对应的功能部件的装配操作。不同型号的配置功能部件,按照订单需求事先发放到各个相应工位上。同时,如上图所示,每辆车的发动机盖上都会有一张本车的配置图表,当一辆新车来到某个工位,该工位的操作工会根据这个配置图表的“配方”选择相应的装配部件,并在规定的时间内按照标准的操作流程完成功能组件的装配。这样,各个工位完成了各自不同的功能配置,最终整条生产线可以生产出各种不同配置和型号的车辆,实现了“柔性”制造。

 

当然,汽车生产线是一个极其复杂的工厂制造体系,在很多方面有着其应用领域和环境的特殊性,但仅仅就“柔性制造”来说,汽车制造过程中很多理念和方法其实都是可以推广和借鉴到传统的通用工业化产品制造中的。

 

产品设计的模块化

 

现在工业化产品,但凡需要批量化生产制造,在产品设计时,就不能仅仅是产品本身功能的打造,同时也必须考虑到工业化制造流程。而要做到单一设备、产线生产产品的灵活性和多样性,将产品系列多样的功能属性模块化、部件化,是实现这种柔性化制造的基础。

 

 

所谓功能属性的模块化,就是将区分不同产品型号(或款式)的多个属性,落实到具备该属性功能的模块组件中,同一个功能属性组件可以有多个功能选项,但不同组件模块之间的接口则是标准的,这样,各个功能属性组件拼接在一起成为一个产品,而各个功能模块选项的改变会产生很多不同的组合,就成为具备不同功能的多个产品型号。

 

这里面说的功能组件,对于汽车来说就是,天窗、音响、发动机...等等;同样,对于矿泉水产品来说,就是不同形状和大小的瓶子、瓶盖、标签的变化组合,会让简单的饮料很多样化;对于手机,就是不同大小和分辨率的显示屏、不同内存、CPU...的各种组合,形成不同配置的手机产品......

 

工艺流程的标准化

 

工艺流程的标准化指的是,各个功能模块部件按照固定的工序拼装,每一道工序完成相应的功能模块部件的组装,并且,无论该工序组装的部件是哪种属性选项,都应该确保这个部件操作步骤的一致性。

 


换句话说,不管生产什么型号的产品,生产工艺流程和工序乃至到每一个步骤,都是相同的,不同的只是在每一步选择使用带有特定型号功能的模块部件。

 

配方管理

 

有了模块化设计的产品和标准化的工艺流程,其实“柔性制造”的基本架构就已经有了。基于标准化的工艺流程,就可以编写生成设备生产运行的自动化程序了,而将工艺流程中各个工序中与产品功能属性相关的选项,作为变量参数带入到程序当中去,设备产线就能够根据这些功能选项的各种组合,自动生产出配置不同的系列化产品了。如果让这些产品属性选项参数,可以通过人机界面操作录入,或者从上位信息系统批量导入,这就是传说中的配方管理了。

 

 

入门级的配方管理基本上可以做到将常用的产品属性参数以数组的方式保存,并可以根据所需生产的产品规格随时进行“一键式”的切换,省去大量工艺参数的输入;有些配方管理系统是可以与运营订单系统对接的,通过订单系统可以直接下载导入产品规格参数以及批次和批量,这样,设备甚至可以做到在没有任何停机的情况下快速切换生产产品规格,这个就属于比较高级的了。

 

技术支撑

 

前面谈的其实基本都是属于制造管理和流程方面的,但实际上在柔性制造的实操过程中,是必须有相应的技术支撑的。这里面首当其冲的自然是自动化技术,然后就是前面所说的配方管理,应该是属于 MES 的一部分了。不过在这里我并不想说太多关于软件和 IT 部分的内容,一方面搞 motion 的麥總在这个领域比较一知半解,另一方面,现在这个话题比较火,比我懂的、说的明白的人很多。

 

 

我在这里主要想提提一些和老本行相关的机电一体化技术。

 

前面说了工艺流程的标准化,事实上在柔性生产过程中,除了一致的操作流程,使用尽可能通用的操作工件(工具)也十分重要。很多时候,尽管配方参数切换和生产批次指令下达非常快,但在产品规格发生变化时,有很多机械部件也必须更换,比如:模具、机械凸轮、旋转切刀、夹具...等等,这些可都是真心费事费时的,很多时候为了提升设备效率,不得不将产品限定在几个固定型号上,而且设置批量生产的下限。

 

面对这种情况,如果需要进行“柔性生产”,就可以考虑应用一些机电一体化产品和技术,简化机械结构,并将原来只能通过机械工件更换才能调整的物理参数,通过软件配方的方式来切换。

 

比如,使用伺服同步系统,可以通过电子齿轮比的调整实现任意减速比的快速切换,也可以通过电子凸轮曲线的设定,替代机械凸轮式相位同步。

 

 

再比如,前文书曾经提到过的 XTS 系统,通过嵌入式的直线电机技术构成的环形轨道,在水平式包装机应用中,通过参数调整动子滑块的间距就可以实现不同规格的包装袋的填充,省去大量机械夹具更换的时间。

 

最后,我想提一下 3D 打印,很多人在谈到柔性制造时都会提到它。是的,借助 3D 打印技术,在软件上生成 3D 模型后,无须模具的加工制造,直接“打印”出所设计的产品,这使得生产的产品品类数量不再受到模具加工的限制,几乎可以加工出任何形状的产品式样。然而,就目前我所了解的主流 3D 打印技术和产品,受到其“扫描打印”方式的限制,其产品加工速度还是相对比较慢的,大部分产品的生产时间都要以分钟计,这个对于工业化的大批量需求差距还是有些大的。所以,尽管其很好的解决了制造柔性和灵活性,但从生产效率上还是需要不断提升才能满足工业生产的要求。