先進(jìn)制造技術(shù)中面向多品種小批量生產(chǎn)的精益生產(chǎn)研究

1、先進(jìn)制造技術(shù)中面向多品種小批量生產(chǎn)的精益生產(chǎn)研究摘要：本文主要簡述先進(jìn)制造系統(tǒng)的發(fā)展歷史，并從五個(gè)方面對(duì)其發(fā)展趨勢進(jìn)行簡單地分析與歸納，最后具體對(duì)多品種小批量下的精益生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行簡要介紹和分析。關(guān)鍵字：先進(jìn)制造系統(tǒng) 精益生產(chǎn) 工業(yè)工程前言 自20世紀(jì)50年代末以來，以計(jì)算機(jī)為代表的信息服務(wù)業(yè)呈現(xiàn)出幾何型的增長方式發(fā)展，力圖將經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重心由制造業(yè)專業(yè)到信息服務(wù)業(yè)等第三產(chǎn)業(yè)，制造業(yè)正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。為此，傳統(tǒng)的制造業(yè)必須與其它新興產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，將其發(fā)展成為一門技術(shù)含量高、附加值大的產(chǎn)業(yè)。近十幾年來，先進(jìn)制造技術(shù)（Advanced Manufacturing Technology，簡稱AMT）

2、1以信息為主導(dǎo)，結(jié)合最新的理論與理念，向全球化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化以及環(huán)保全面協(xié)調(diào)的綠色化發(fā)展，期間計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)、敏捷制造(AM)、并行工程(CE)、虛擬生產(chǎn)(VM)、精益生產(chǎn)(LP)、智能制造(IM)、綠色制造(GM)等先進(jìn)的制造模式都應(yīng)運(yùn)而生。 隨著發(fā)展的不斷深入，先進(jìn)制造技術(shù)（AMT）不僅利用大量應(yīng)用計(jì)算機(jī)信息技術(shù)，而且吸取其它學(xué)科的理論和方法，AMT變得越來越集成化和復(fù)雜化。2比如由于生產(chǎn)系統(tǒng)中，生產(chǎn)調(diào)度的固有復(fù)雜性，促使調(diào)度吸取了其它學(xué)科中大量研究成果，如運(yùn)籌學(xué)、 人工智能、 系統(tǒng)仿真、 大型系統(tǒng)和最近，控制理論，和其他部門的工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)。345設(shè)備布局中，大量的啟

3、發(fā)式算法的運(yùn)用。6以及數(shù)學(xué)規(guī)劃，Bellman的動(dòng)態(tài)編程7和基于人工智能方法8的實(shí)現(xiàn)。 本文主要簡述先進(jìn)制造系統(tǒng)的發(fā)展歷史，并從五個(gè)方面對(duì)其發(fā)展趨勢進(jìn)行簡單地分析與歸納，最后具體對(duì)多品種小批量下的精益生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行簡要介紹和分析。 正文一、先進(jìn)制造系統(tǒng)發(fā)展 制造活動(dòng)是社會(huì)最基本的活動(dòng)，也是人類創(chuàng)造物質(zhì)財(cái)富的基本手段。從全世界整體來看，國民生產(chǎn)總值（GDP）的1/3是制造業(yè)創(chuàng)造的，工業(yè)生產(chǎn)總值4/5是制造業(yè)創(chuàng)造的，國家財(cái)政收入的1/3是制造業(yè)提供的，出口的90%是制造業(yè)提供的。制造是全面建設(shè)小康社會(huì)的第一支柱產(chǎn)業(yè)，經(jīng)濟(jì)活動(dòng)部門中64%以上屬于制造業(yè)，工業(yè)就業(yè)人數(shù)中90%屬于制造業(yè)，整個(gè)社會(huì)50%的

4、就業(yè)由制造業(yè)提供，工業(yè)稅收80%由制造業(yè)提供。9而制造系統(tǒng)是人類為了以最有效的方式實(shí)現(xiàn)從原料到產(chǎn)品轉(zhuǎn)換的必然產(chǎn)物?？v觀先進(jìn)制造系統(tǒng)的發(fā)展歷史，大體可將其的發(fā)展歷程分為五個(gè)階段： 第一個(gè)階段：剛性制造系統(tǒng)。該階段大致在20世紀(jì)50年代之前，主要以專業(yè)機(jī)床和自動(dòng)單機(jī)等組成的剛性流水生產(chǎn)線生產(chǎn)為代表。其特點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)固定產(chǎn)品的高生產(chǎn)率生產(chǎn)，適應(yīng)大批量生產(chǎn)，但是很難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)的改變。該階段的生產(chǎn)模式主要是以手工勞動(dòng)密集型或機(jī)械化設(shè)備密集型少品種大批量生產(chǎn)。 第二階段：數(shù)控加工系統(tǒng)。該階段在20世紀(jì)50年代至70年代初期間，由計(jì)算機(jī)、微電子、信息和自動(dòng)化技術(shù)快速發(fā)展，數(shù)控加工技術(shù)（NC & CN

5、C）同時(shí)產(chǎn)生并迅速成熟。數(shù)控加工系統(tǒng)的特點(diǎn)是柔性高、速度快、適應(yīng)多品種、中小批量的生產(chǎn)。期間也誕生了許多先進(jìn)制造模式，其中包括以準(zhǔn)時(shí)化生產(chǎn)（JIT）與自働化（jidoka）為支柱，結(jié)合成組技術(shù)（GT）與品質(zhì)管理（QC）的精益生產(chǎn)（LP）；依靠計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床和模塊化技術(shù)支持其高柔性和高自動(dòng)化的柔性制造也在1965年以“系統(tǒng)24” (MolinsSystem-24)10提出。 第三階段：柔性加工系統(tǒng)。該階段在20世紀(jì)70年代期間，由數(shù)控機(jī)床、加工中心、柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）、柔性制造線（FML）、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）等組成。柔性加工系統(tǒng)的特點(diǎn)是增強(qiáng)制造企業(yè)的靈活性

6、和應(yīng)變能力，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，提高設(shè)備使用效率和員工勞動(dòng)生產(chǎn)率以及改善產(chǎn)品質(zhì)量等。 第四階段：計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。該階段在20世紀(jì)70年代末20世紀(jì)末，主要由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)（CAPP）、計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)（CAM）等所有的企業(yè)技術(shù)和管理功能組成。其主要特征是強(qiáng)調(diào)制造全過程的系統(tǒng)性和集成性，以解決企業(yè)生存與競爭的六大指標(biāo)TQCSFE。11 第五階段：智能制造系統(tǒng)。該階段是20世紀(jì)80年代末至今，智能制造是指利用計(jì)算機(jī)模擬制造業(yè)人類專家的分析、判斷、推理、構(gòu)思和決策等智能活動(dòng),并將這些智能活動(dòng)與智能機(jī)器有機(jī)地融合起來,將其貫穿應(yīng)用 于整個(gè)制造企業(yè)的各個(gè)子系統(tǒng),

7、以實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造企業(yè)經(jīng)營運(yùn)作的高度柔性化和高度集成化,從而取代或延伸制造環(huán)境 中人類專家 的部分腦力勞動(dòng),并對(duì)制造業(yè)人類專家的智能信息進(jìn)行搜集、存儲(chǔ)、完善、共享、繼承與發(fā)展。其主要特征是加工過程的智能監(jiān)視、診斷和控制；信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、生產(chǎn)過程中的只能調(diào)度、規(guī)劃、仿真與優(yōu)化等。 綜上所述可知，在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展與市場需求的多樣化與多層化條件下，先進(jìn)制造系統(tǒng)的發(fā)展趨勢可從生產(chǎn)方式、生產(chǎn)過程、生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)技術(shù)及資源配備五個(gè)方面進(jìn)行歸納。（如圖1）圖1 先進(jìn)制造系統(tǒng)發(fā)展趨勢二、多品種小批量環(huán)境下精益生產(chǎn)方式研究 精益生產(chǎn)(LP)是由美國麻省理工學(xué)院(MIT)的國際汽車組織(IMVP)所提出,現(xiàn)在全世界汽

8、車行業(yè)中已得到這樣的共識(shí),“在汽車工業(yè)中,精益生產(chǎn)最終必然取代原來的大量生產(chǎn)方式?！?3。但是在多品種小批量環(huán)境下的精益生產(chǎn)方式有存在這它的局限性。如何對(duì)精益生產(chǎn)方式進(jìn)行改進(jìn)，使其能夠適應(yīng)多品種小批量生產(chǎn)是眾多企業(yè)近幾年一直面臨的問題。時(shí)至今日這個(gè)問題也沒有得到有效的解決。 目前，國內(nèi)外對(duì)多品種小批量生產(chǎn)在作業(yè)計(jì)劃與提前期或拖期有一定的研究。Karmarkar 等人14和 Zipkin15研究表明生產(chǎn)提前期與生產(chǎn)批量大小，生產(chǎn)品種的不同和訂單投放時(shí)間這些因素密切相關(guān)，嚴(yán)重依賴于加工中心的生產(chǎn)組織。Karmarkar 等人14，Zipkin15，Shanthikumar 和 Buzacott16

9、采用排隊(duì)模型來分析生產(chǎn)系統(tǒng)的提前期問題，這種模型也能夠根據(jù)排隊(duì)時(shí)間來計(jì)算在制品和提前期最小化時(shí)的生產(chǎn)批量。但是它的局限性是它們假定生產(chǎn)過程必須處于穩(wěn)定平衡以及重復(fù)性制造環(huán)境中，模型方法的效果在持續(xù)變化的動(dòng)態(tài)環(huán)境中是很差的。 本質(zhì)上講，job shop 加工問題屬于多品種小批量生產(chǎn)問題。Baker17通過作業(yè)排序方法來研究提前期問題。Palekar18對(duì)一個(gè)包含阻塞情況的周期性 CONWIP流水車間的作業(yè)排序和在制品水平進(jìn)行了研究。 何楨等人19對(duì)應(yīng)用啟發(fā)式算法對(duì) job shop 排序縮短生產(chǎn)提前期進(jìn)行了大量的研究。王瑋等人22建立帶有隸屬度函數(shù)的單件和批量制造業(yè)模糊交貨期下的準(zhǔn)時(shí)化生產(chǎn)計(jì)劃模

10、型，將以往確定性準(zhǔn)時(shí)化生產(chǎn)計(jì)劃問題擴(kuò)展到模糊不確定性準(zhǔn)時(shí)化生產(chǎn)計(jì)劃，并為實(shí)際生產(chǎn)計(jì)劃的編制提供了一種有效方法 毛建忠和吳智銘23以成組技術(shù)為基礎(chǔ)，提出了一種使提前期和拖期懲罰最小的 job shop 調(diào)度模型，并把啟發(fā)式算法與拉格朗日松弛技術(shù)結(jié)合起來給出了求解這一調(diào)度模型的方法。 趙偉等人24建立多級(jí)混流裝配線的調(diào)度模型研究了使不同生產(chǎn)級(jí)上各零部件的消耗量盡可能保持均勻的調(diào)度問題，并用遺傳算法和模擬退火方法進(jìn)行求解。 牛海軍和孫樹棟25針對(duì)單機(jī)分批作業(yè)準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)方式，研究了總加工成本最小化目標(biāo)下不允許出現(xiàn)拖期的批調(diào)度問題，并給出了一個(gè)使得目標(biāo)函數(shù)最小的確定最優(yōu)分批與各批次的開始時(shí)間的啟發(fā)式算法

11、陳偉達(dá)和 達(dá)慶利26提出了一種求解job shop準(zhǔn)時(shí)調(diào)度問題的兩層遺傳算法來解決工藝路線可變的job shop準(zhǔn)時(shí)調(diào)度問題。 國外學(xué)者Askin等人以及國內(nèi)西南交通大學(xué)的康杰研究發(fā)現(xiàn)，拉動(dòng)控制方式（諸如看板、DBR和CONWIP控制策略）比推動(dòng)控制方式更容易控制，會(huì)導(dǎo)致更高的系統(tǒng)性能。在拉動(dòng)系統(tǒng)中有很少的阻塞，因?yàn)樵谥破返淖儺愒跍p少。通過第二章的對(duì)物流與庫存控制策略的分析可以發(fā)現(xiàn)，看板控制策略由于多適用于重復(fù)性很強(qiáng)的穩(wěn)定的生產(chǎn)環(huán)境，精益生產(chǎn)的柔性不足很大程度上就是由于看板的設(shè)置使得調(diào)整產(chǎn)量和變換品種變得很困難（看板總是根據(jù)過去需求的物料種類和數(shù)量來生產(chǎn)，如果需求變化，就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重問題）。同樣

12、，如果企業(yè)的生產(chǎn)品種和產(chǎn)量頻繁變化，企業(yè)也就很難做到均衡生產(chǎn)，看板拉動(dòng)生產(chǎn)就無從談起；CONWIP控制策略能較好的適用多品種小批量生產(chǎn)環(huán)境，但是當(dāng)系統(tǒng)存在嚴(yán)重的瓶頸時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致大量庫存和生產(chǎn)停頓；DBR控制策略需要及時(shí)地識(shí)別系統(tǒng)的瓶頸所在，并且要求瓶頸不能頻繁、動(dòng)態(tài)變動(dòng)，然而在多品種小批量生產(chǎn)環(huán)境下，系統(tǒng)瓶頸卻經(jīng)常隨品種不同而轉(zhuǎn)移。因此在多品種小批量生產(chǎn)環(huán)境下，單獨(dú)采用任何一種控制策略都可能出現(xiàn)問題。本文提出混合準(zhǔn)時(shí)制(JIT)、約束理論(TOC)與工作負(fù)荷控制(WLC)的精益制造資源計(jì)劃與控制模式能夠充分利用負(fù)荷控制的核心思想控制系統(tǒng)的輸入輸出(Input-Output)，消除訂單需求的波動(dòng)

13、，避免車間關(guān)鍵資源的“饑餓”(starvation)或“擁堵”(congestion)，為潛在的能力約束資源(CCRs, capacity constraint resources)提供少量穩(wěn)定的緩沖，平衡車間工作流；利用TOC的方法識(shí)別系統(tǒng)的制約因素，并通過重新設(shè)計(jì)以提升組織響應(yīng)市場需求與機(jī)會(huì)的有效性，特別運(yùn)用DBR (Drum-Buffer-Rope) 的方法進(jìn)行車間層次的基于瓶頸識(shí)別的生產(chǎn)排序；將JIT作為現(xiàn)場工作流的計(jì)劃與控制方式，實(shí)現(xiàn)適時(shí)、適品、適量生產(chǎn)。由此，實(shí)現(xiàn)對(duì)制造系統(tǒng)的有效控制和生產(chǎn)管理，從而大幅度提高生產(chǎn)運(yùn)作效率，提高資源利用率，解決企業(yè)面臨的拖期嚴(yán)重、制造成本高、不能及時(shí)

14、響應(yīng)客戶需求等問題。 總結(jié) 本文第一部分，按先進(jìn)制造系統(tǒng)的出現(xiàn)順序分五個(gè)階段簡述其發(fā)展歷史，再從五個(gè)方面對(duì)其發(fā)展趨勢進(jìn)行簡單地分析與歸納，第二部分對(duì)先進(jìn)制造系統(tǒng)中的精益生產(chǎn)在多品種小批量環(huán)境的運(yùn)用進(jìn)行簡要的分析，最后結(jié)合國內(nèi)外研究，提出綜合混合準(zhǔn)時(shí)制(JIT)、約束理論(TOC)與工作負(fù)荷控制(WLC)的精益制造資源計(jì)劃與控制模式來解決多品種小批量環(huán)境下精益生產(chǎn)方式的局限性。參考文獻(xiàn)<!-if !supportLists->1. <!-endif->馮琴. 先進(jìn)制造技術(shù)與發(fā)展趨勢J. 科技信息(學(xué)術(shù)研究),2007,19:325-326.<!-if !suppor

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