模块化制造系统

当今的市场已成为买方市场，随着市场的国际化，企业间的竞争也越加激烈。由于技术的飞速发展，产品的寿命周期逐渐缩短，从而导致客户的需求呈现多样化和个性化，所要定制的产品数量变少，同时还要求较短的交货期、较低的成本、较好的质量。这使企业面临着如何以大批量生产的经济效益定制产品的生产。?

    大批量定制生产(MassCustomization)作为一种正在迅速发展的制造模式，正在试图解决这一问题。大批量定制生产采用的基本方法是将定制产品的制造问题通过产品重组和过程重组转化为或部分转化为批量制造问题，即提供给用户的是全新的、定制的个性化产品，而实际产品则主要由标准的模块组成。?

    在大批量定制生产中，机床行业承担双重的任务：(1)制造装置本身的大批量定制化，这是一种可重构的、模块比的制造装备。组合机床及组合机床生产线已初步体现了大批量定制生产的思想。(2)为其它行业提供高度柔性、制造成本低廉、能满足大批量定制要求的制造装备。在大批量定制生产中，虽然大量采用标准模块组合成定制产品，但还是要快速和低成本地制造一些专用的零部件。?

    Rogers等人提出的模块化制造系统(MPS)也是这样一种高生产率和可重构的制造系统，它对大批量定制生产具有重要意义。?

    几种生产模式的比较

    机械制造企业中常用的生产模式有以下几种：?

    (1)刚性自动化生产线：大批量生产中的生产线将生产过程分得很细，对于提高生产率和保证产品质量具有重要意义，但系统柔性差，仅局限于少数产品，生产准备时间长。显然这种刚性的、高自动化的生产线不适应用户对产品多样化的需求，不能满足大批量定制生产的需要。?

    (2)机群式车间：机群式车间按工种功能进行组织结构分解和机床布置。其优点是柔性较大，效率不高，生产周期长，管理复杂。?

    (3)组合机床生产线：与传统的刚性生产线相比，组合机床生产线具有较大的柔性，较适合于批量较大的复杂零件的加工。对于大批量定制生产的实现要求来讲，还存在一些问题：诸如当产品结构有较大变化时，该设备可能会过时，造成浪费；对批量较小的零件生产并不适合，可能会使新产品的成本居高不下，缺乏竞争力；设备的交货期比较长，不能快速满足用户的需要。?

    (4)柔性制造系统：柔性制造系统是一种运用系统工程、成组技术和机电一体化技术，使多品种、小批量生产达到整体优化的自动化加工手段。这是一种采用数控加工机床、自动化输出装置、自动更换和贮存刀具、夹具及工件的装置以及计算机控制系统构成的可变换多种加工对象的综合自动化加工系统；是没有固定加工顺序和节拍的、在加工某种工件时能在不停机调整的条件下自动向另一种工件转换的制造系统。?

    柔性制造系统存在的问题是：投资大、系统复杂，控制和管理难度大、其柔性限制在一定范围内，只能加工某一大类的零件。?

    (5)单元制造系统和独立制造岛：单元制造系统和独立制造岛是将某一类零件集中在一起加工，并将加工这类零件所需的机床集中在一起，从而减少物流路线，提高生产效率和加工质量，简化生产管理，并为工人提供了更多的学习机会，使工人有更多的自主权。单元制造系统和独立制造岛比较适合多品种小批量制造企业中大量的相似零件的加工制造。?

    (6)虚拟企业：为了解决以大批量的效益进行定制产品生产的问题，美国的先进制造技术计划中将敏捷制造作为美国的21世纪制造战略。?

    实现虚拟企业的生产应具备以下基本条件：①已建立起能将正确的信息在正确的时间送给正确的人的信息高速公路；②已建立起大量的分工合理的专业化的模块化企业；③在社会上相互信任、相互合作、遵纪守法的企业文化占主导地位。?

    在我国，短时期内，敏捷制造的方式还不能全面推开。对国内企业进行的敏捷制造发展战略的调查表明，企业认为对加工业务承包出去存在的问题是：运输费用较高，增加了产品成本，降低了产品的竞争力；企业专业化分工体系不健全，产品质量控制难；交货期难以控制，管理费用高；不讲信用，投机取巧的现象时有发生。?

    (7)模块化制造系统：模块化制造系统是一种针对技术难度一般的产品的新的制造系统，是一种在标准化和模块化系统基础上建立的“柔性”生产系统。其特点是，当有一个新产品投产时，标准化的模块可以快速组成一个新的制造系统，当产品生产完成后，组成制造系统的模块可以拆下来用于其它新产品的制造系统。而这些标准化的模块可从一个贮备有大量模块的租货公司租赁。对于技术难度一般、批量较小或中等的产品，模块化制造系统能满足大批量定制生产的需要，具有高生产率和高柔性的特点。

    上述7种生产模式的对比见下表。从表中可看到，除了刚性生产线外，其它6种制造系统模式都能或多或少地满足大批量定制生产的要求。这些制造系统都有自己的最佳产品适应范围。从面向大批量定制生产的角度来看，模块化制造系统对于复杂程度一般、有一定批量的产品的生产具有较大的优势，如投资小、效率高、柔性大等；虚拟企业的基础——信息高速公路的投资很大，并且加工件的运输费用较高，但具有更大的柔性。?

    表七种生产模式的比较

    刚性生产线－机群式车间－组合机床生产线－柔性制造系统－单元制造系统－虚拟企业－模块化制造系统

    投资：大－中等－较大－大－中等－很大－小

    柔性：很小－很大－中等－大－大－很大－大

    效率：很高－低－高－高－中－高－高

    运输成本：低－中－低－低－低－高－低

    合理的批量：很大－较小－大－中等－中、小－很小－中、小

    合理的产品生产周期：很长－较短－较长－短－短－很短－短

    零件的复杂性：复杂－中等－复杂－复杂－中等－复杂－中等

    典型加工零件和产品：标准紧固件－汽轮机中的大部分零件—汽车零件－飞机上的复杂零件－相似件，如轴类件－新产品上的零件－家用电器上的零件

    模块化制造系统的概念

    模块化制造系统通过标准化的、基本的制造系统模块进行重构，快速得到面向定制产品的制造系统，是一种高生产率和高柔性的制造系统。该制造系统具有以下几类模块：加工基本模块、模块化驱动单元、模块化的刀具和夹具以及可重构的控制系统。这些模块的定义为：?

    (1)加工基本模块(PMP:ProcessMachinePrimilives)：?

    主要用于加工和改变原材料的状态，如挤压、钻孔、铣削等。基本模块的功能是与现有的加工设备相类似，但对于模块，最强调的是遵循精确、预定义、示范性和可控制的标准。?

    (2)模块化驱动单元(MAE：ModularActuatorElements)：?

    主要用于完成执行任务部件的运动。?

    (3)模块化的刀具和夹具(MTJ：ModularToolingandJigging)：

    这是与加工基本模块和模块化驱动单元相匹配的刀具和夹具模块。?

    (4)可重构的控制系统(CCS:ConfigurableControlSystem)：?

    包括各种模块化制造系统子系统的程序、指令和同步化的信息网络。?

    模块化制造系统的设计主要是硬件的选择和任务的配置，因此需要相应的工具。由于制造系统的模块化，在产品设计阶段就可精确地确定产品制造的可行性、成本和投资的回收等问题。

    模块化制造系统通过建立集成的“准地(JustInPlace)”零部件加工和装配系统，从而可以有效地减少零部件运输、进料等工作，消除由此引起的“装配瓶颈”。而且可显著减少成本，因为零件的运输成本常常要占到零件成本的20%。?

    模块化制造系统的优点是：对于新产品而言，由于标准的模块化而带来的生产系统的简化，并和自动化相结合，将帮助显著缩短生产周期。由于模块化制造系统的设计是高度自动化的，硬件是模块的，因此能很快地设计和重构低成本的生产系统。?

    模块化制造系统由于其建立方便、模块的适应范围广、可重构性强等特点，可以建立一个模块化制造系统的租赁市场。在这一市场中，建立一个模块化制造系统租赁公司，该公司准备了大量的各种不同的制造系统标准模块。可以向需要建立新产品制造系统(设备、生产线、装配线)的企业提供各种加工基本模块、模块化驱动单元、模块化的刀具和夹具以及可重构的控制系统。企业可以迅速在几天内建立起支持新产品生产的系统。当该产品不再生产时，该模块化制造系统可以容易地拆除，并将各模块退回给租赁公司。当然还需要一个设计和制造这些模块的公司。?

    如何建立模块化制造系统

    模块化制造系统的制造模式不可能在短时间内完成，在确立模块化制造系统前，应进行如下一些准备工作：?

    (1)根据最终用户的需求，对模块化制造系统中的各模块进行分析和设计；?

    (2)建立模块性能、尺寸和控制的开放性标准；?

    (3)在产品设计时就要考虑到模块化制造系统方法带来的约束要求。产品所有的生产操作尽量满足“制造和装配过程模块集”规定的范围来执行。同样，应尽量避免具有长周期的制造过程(如浇铸)，因为模块化制造系统的目的是尽可能扩大模块的利用率，以确保资金投入的高回报率；?

    (4)开发先进的设计与分析工具，以便支持设计者进行与模块化制造系统相关的产品快速并行设计，确保产品设计满足由模块化制造系统带来的约束。?

    模块化制造系统中产品设计与制造过程选择的制约条件：?

    (1)过程选择：所有的零部件必须能够通过加工基本基元而加工出来；?

    (2)周期需求：只要在可能的地方，所有的零部件必须“准时(JIT)”“准地(JIP)”进行制造；

    (3)质量和可靠性：所有的作业和过程的选择必须力争具有几乎100%的可靠性；?

    (4)操作和装配：所有的零部件要使用根据模块化驱动单元建立的简单实用的单元进行处理和装配；?

    (5)原材料成本：坚决杜绝不必要的昂贵原材料。?

    模块化制造系统设计开始于从与模块化制造系统有关的产品设计中“提取”信息。用于模块化制造系统设计的产品描述主要是产品结构分析表。?

    在模块化制造系统设计中首先要根据产品批量和产品的复杂程度确定加工机器基元的模块数。这要求识别哪一种加工机器基元导致子装配线的生产周期低于生产输出速率所要求的周期。如果一个加工机器基元的生产周期太低，则增加加工机器基元单元的数量直至达到所要求的生产周期。模块化制造系统的设计图定义了从产品设计(即装配命令)、装配过程和模块化制造系统生产周期需求得到的加工机器基元模块的数量和排序的顺序。?

    模块化制造系统对我国制造业发展的意义

    模块化制造系统可以满足过程集成和系统重构的要求。过程集成强调的是高效率，这要求制造系统的集成模块是一些能完成制造过程多项任务的多功能的专用机床。系统重构强调的是高柔性，这可以通过对机床设备和机床中的一些模块的重新配置变换来实现。模块化制造系统能显著减少产品对制造系统的功能约束，能通过减少非加工时期来提高生产率，从而使制造系统在未来的快速的技术和市场变化中得以生存。?

    由于模块化制造系统可以以较低的成本实现很大一类产品的大批量定制生产，因此对于我国的制造业发展、提高我国制造企业的竞争力和大批量定制生产的能力具有重要意义。企业可以通过对模块化制造系统的快速重构，迅速转产生产出满足市场需求的产品。企业也可由制造模块的租赁公司帮助建立模块化生产线，快速将新产品推向市场。?

    以前我国曾搞过组合夹具，并建立了不少组合夹具站。由于信息传递不畅，企业在进行夹具设计时往往很难迅速知道组合夹具的规格，如何组合自己所需的夹具以及从何处可迅速得到组合夹具，结果组合夹具的发展受到挫折。?

    模块化制造系统的发展应将产品设计和模块化制造系统结合在一起，并采用计算机和网络技术支持产品设计和模块化制造系统的设计，使两者集成起来，真正做到面向制造的设计。利用网络技术还可使分布在各地的产品设计师和工艺师迅速知道制造系统的模块类型、存放位置、组合方式等信息，知道产品的制造成本。这样可避免出现类似以往组合夹具经历的挫折。