當(dāng)今的市場已成為買方市場，隨著市場的國際化，企業(yè)間的競爭也越加激烈。由于技術(shù)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品的壽命周期逐漸縮短，從而導(dǎo)致客戶的需求呈現(xiàn)多樣化和個(gè)性化，所要定制的產(chǎn)品數(shù)量變少，同時(shí)還要求較短的交貨期、較低的成本、較好的質(zhì)量。這使企業(yè)面臨著如何以大批量生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益定制產(chǎn)品的生產(chǎn)。?

    大批量定制生產(chǎn)(MassCustomization)作為一種正在迅速發(fā)展的制造模式，正在試圖解決這一問題。大批量定制生產(chǎn)采用的基本方法是將定制產(chǎn)品的制造問題通過產(chǎn)品重組和過程重組轉(zhuǎn)化為或部分轉(zhuǎn)化為批量制造問題，即提供給用戶的是全新的、定制的個(gè)性化產(chǎn)品，而實(shí)際產(chǎn)品則主要由標(biāo)準(zhǔn)的模塊組成。?

    在大批量定制生產(chǎn)中，機(jī)床行業(yè)承擔(dān)雙重的任務(wù)：(1)制造裝置本身的大批量定制化，這是一種可重構(gòu)的、模塊比的制造裝備。組合機(jī)床及組合機(jī)床生產(chǎn)線已初步體現(xiàn)了大批量定制生產(chǎn)的思想。(2)為其它行業(yè)提供高度柔性、制造成本低廉、能滿足大批量定制要求的制造裝備。在大批量定制生產(chǎn)中，雖然大量采用標(biāo)準(zhǔn)模塊組合成定制產(chǎn)品，但還是要快速和低成本地制造一些專用的零部件。?

    Rogers等人提出的模塊化制造系統(tǒng)(MPS)也是這樣一種高生產(chǎn)率和可重構(gòu)的制造系統(tǒng)，它對大批量定制生產(chǎn)具有重要意義。?

    幾種生產(chǎn)模式的比較

    機(jī)械制造企業(yè)中常用的生產(chǎn)模式有以下幾種：?

    (1)剛性自動(dòng)化生產(chǎn)線：大批量生產(chǎn)中的生產(chǎn)線將生產(chǎn)過程分得很細(xì)，對于提高生產(chǎn)率和保證產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義，但系統(tǒng)柔性差，僅局限于少數(shù)產(chǎn)品，生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間長。顯然這種剛性的、高自動(dòng)化的生產(chǎn)線不適應(yīng)用戶對產(chǎn)品多樣化的需求，不能滿足大批量定制生產(chǎn)的需要。?

    (2)機(jī)群式車間：機(jī)群式車間按工種功能進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)分解和機(jī)床布置。其優(yōu)點(diǎn)是柔性較大，效率不高，生產(chǎn)周期長，管理復(fù)雜。?

    (3)組合機(jī)床生產(chǎn)線：與傳統(tǒng)的剛性生產(chǎn)線相比，組合機(jī)床生產(chǎn)線具有較大的柔性，較適合于批量較大的復(fù)雜零件的加工。對于大批量定制生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)要求來講，還存在一些問題：諸如當(dāng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有較大變化時(shí)，該設(shè)備可能會(huì)過時(shí)，造成浪費(fèi)；對批量較小的零件生產(chǎn)并不適合，可能會(huì)使新產(chǎn)品的成本居高不下，缺乏競爭力；設(shè)備的交貨期比較長，不能快速滿足用戶的需要。?

    (4)柔性制造系統(tǒng)：柔性制造系統(tǒng)是一種運(yùn)用系統(tǒng)工程、成組技術(shù)和機(jī)電一體化技術(shù)，使多品種、小批量生產(chǎn)達(dá)到整體優(yōu)化的自動(dòng)化加工手段。這是一種采用數(shù)控加工機(jī)床、自動(dòng)化輸出裝置、自動(dòng)更換和貯存刀具、夾具及工件的裝置以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成的可變換多種加工對象的綜合自動(dòng)化加工系統(tǒng)；是沒有固定加工順序和節(jié)拍的、在加工某種工件時(shí)能在不停機(jī)調(diào)整的條件下自動(dòng)向另一種工件轉(zhuǎn)換的制造系統(tǒng)。?

    柔性制造系統(tǒng)存在的問題是：投資大、系統(tǒng)復(fù)雜，控制和管理難度大、其柔性限制在一定范圍內(nèi)，只能加工某一大類的零件。?

    (5)單元制造系統(tǒng)和獨(dú)立制造島：單元制造系統(tǒng)和獨(dú)立制造島是將某一類零件集中在一起加工，并將加工這類零件所需的機(jī)床集中在一起，從而減少物流路線，提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量，簡化生產(chǎn)管理，并為工人提供了更多的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，使工人有更多的自主權(quán)。單元制造系統(tǒng)和獨(dú)立制造島比較適合多品種小批量制造企業(yè)中大量的相似零件的加工制造。?

    (6)虛擬企業(yè)：為了解決以大批量的效益進(jìn)行定制產(chǎn)品生產(chǎn)的問題，美國的先進(jìn)制造技術(shù)計(jì)劃中將敏捷制造作為美國的21世紀(jì)制造戰(zhàn)略。?

    實(shí)現(xiàn)虛擬企業(yè)的生產(chǎn)應(yīng)具備以下基本條件：①已建立起能將正確的信息在正確的時(shí)間送給正確的人的信息高速公路；②已建立起大量的分工合理的專業(yè)化的模塊化企業(yè)；③在社會(huì)上相互信任、相互合作、遵紀(jì)守法的企業(yè)文化占主導(dǎo)地位。?

    在我國，短時(shí)期內(nèi)，敏捷制造的方式還不能全面推開。對國內(nèi)企業(yè)進(jìn)行的敏捷制造發(fā)展戰(zhàn)略的調(diào)查表明，企業(yè)認(rèn)為對加工業(yè)務(wù)承包出去存在的問題是：運(yùn)輸費(fèi)用較高，增加了產(chǎn)品成本，降低了產(chǎn)品的競爭力；企業(yè)專業(yè)化分工體系不健全，產(chǎn)品質(zhì)量控制難；交貨期難以控制，管理費(fèi)用高；不講信用，投機(jī)取巧的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。?

    (7)模塊化制造系統(tǒng)：模塊化制造系統(tǒng)是一種針對技術(shù)難度一般的產(chǎn)品的新的制造系統(tǒng)，是一種在標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化系統(tǒng)基礎(chǔ)上建立的“柔性”生產(chǎn)系統(tǒng)。其特點(diǎn)是，當(dāng)有一個(gè)新產(chǎn)品投產(chǎn)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化的模塊可以快速組成一個(gè)新的制造系統(tǒng)，當(dāng)產(chǎn)品生產(chǎn)完成后，組成制造系統(tǒng)的模塊可以拆下來用于其它新產(chǎn)品的制造系統(tǒng)。而這些標(biāo)準(zhǔn)化的模塊可從一個(gè)貯備有大量模塊的租貨公司租賃。對于技術(shù)難度一般、批量較小或中等的產(chǎn)品，模塊化制造系統(tǒng)能滿足大批量定制生產(chǎn)的需要，具有高生產(chǎn)率和高柔性的特點(diǎn)。

    上述7種生產(chǎn)模式的對比見下表。從表中可看到，除了剛性生產(chǎn)線外，其它6種制造系統(tǒng)模式都能或多或少地滿足大批量定制生產(chǎn)的要求。這些制造系統(tǒng)都有自己的最佳產(chǎn)品適應(yīng)范圍。從面向大批量定制生產(chǎn)的角度來看，模塊化制造系統(tǒng)對于復(fù)雜程度一般、有一定批量的產(chǎn)品的生產(chǎn)具有較大的優(yōu)勢，如投資小、效率高、柔性大等；虛擬企業(yè)的基礎(chǔ)——信息高速公路的投資很大，并且加工件的運(yùn)輸費(fèi)用較高，但具有更大的柔性。?

    表七種生產(chǎn)模式的比較

    剛性生產(chǎn)線－機(jī)群式車間－組合機(jī)床生產(chǎn)線－柔性制造系統(tǒng)－單元制造系統(tǒng)－虛擬企業(yè)－模塊化制造系統(tǒng)

    投資：大－中等－較大－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

    運(yùn)輸成本：低－中－低－低－低－高－低

    合理的批量：很大－較小－大－中等－中、小－很小－中、小

    合理的產(chǎn)品生產(chǎn)周期：很長－較短－較長－短－短－很短－短

    零件的復(fù)雜性：復(fù)雜－中等－復(fù)雜－復(fù)雜－中等－復(fù)雜－中等

    典型加工零件和產(chǎn)品：標(biāo)準(zhǔn)緊固件－汽輪機(jī)中的大部分零件—汽車零件－飛機(jī)上的復(fù)雜零件－相似件，如軸類件－新產(chǎn)品上的零件－家用電器上的零件

    模塊化制造系統(tǒng)的概念

    模塊化制造系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)化的、基本的制造系統(tǒng)模塊進(jìn)行重構(gòu)，快速得到面向定制產(chǎn)品的制造系統(tǒng)，是一種高生產(chǎn)率和高柔性的制造系統(tǒng)。該制造系統(tǒng)具有以下幾類模塊：加工基本模塊、模塊化驅(qū)動(dòng)單元、模塊化的刀具和夾具以及可重構(gòu)的控制系統(tǒng)。這些模塊的定義為：?

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

    主要用于加工和改變原材料的狀態(tài)，如擠壓、鉆孔、銑削等。基本模塊的功能是與現(xiàn)有的加工設(shè)備相類似，但對于模塊，最強(qiáng)調(diào)的是遵循精確、預(yù)定義、示范性和可控制的標(biāo)準(zhǔn)。?

    (2)模塊化驅(qū)動(dòng)單元(MAE：ModularActuatorElements)：?

    主要用于完成執(zhí)行任務(wù)部件的運(yùn)動(dòng)。?

    (3)模塊化的刀具和夾具(MTJ：ModularToolingandJigging)：

    這是與加工基本模塊和模塊化驅(qū)動(dòng)單元相匹配的刀具和夾具模塊。?

    (4)可重構(gòu)的控制系統(tǒng)(CCS:ConfigurableControlSystem)：?

    包括各種模塊化制造系統(tǒng)子系統(tǒng)的程序、指令和同步化的信息網(wǎng)絡(luò)。?

    模塊化制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是硬件的選擇和任務(wù)的配置，因此需要相應(yīng)的工具。由于制造系統(tǒng)的模塊化，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就可精確地確定產(chǎn)品制造的可行性、成本和投資的回收等問題。

    模塊化制造系統(tǒng)通過建立集成的“準(zhǔn)地(JustInPlace)”零部件加工和裝配系統(tǒng)，從而可以有效地減少零部件運(yùn)輸、進(jìn)料等工作，消除由此引起的“裝配瓶頸”。而且可顯著減少成本，因?yàn)榱慵倪\(yùn)輸成本常常要占到零件成本的20%。?

    模塊化制造系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：對于新產(chǎn)品而言，由于標(biāo)準(zhǔn)的模塊化而帶來的生產(chǎn)系統(tǒng)的簡化，并和自動(dòng)化相結(jié)合，將幫助顯著縮短生產(chǎn)周期。由于模塊化制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是高度自動(dòng)化的，硬件是模塊的，因此能很快地設(shè)計(jì)和重構(gòu)低成本的生產(chǎn)系統(tǒng)。?

    模塊化制造系統(tǒng)由于其建立方便、模塊的適應(yīng)范圍廣、可重構(gòu)性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以建立一個(gè)模塊化制造系統(tǒng)的租賃市場。在這一市場中，建立一個(gè)模塊化制造系統(tǒng)租賃公司，該公司準(zhǔn)備了大量的各種不同的制造系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)模塊。可以向需要建立新產(chǎn)品制造系統(tǒng)(設(shè)備、生產(chǎn)線、裝配線)的企業(yè)提供各種加工基本模塊、模塊化驅(qū)動(dòng)單元、模塊化的刀具和夾具以及可重構(gòu)的控制系統(tǒng)。企業(yè)可以迅速在幾天內(nèi)建立起支持新產(chǎn)品生產(chǎn)的系統(tǒng)。當(dāng)該產(chǎn)品不再生產(chǎn)時(shí)，該模塊化制造系統(tǒng)可以容易地拆除，并將各模塊退回給租賃公司。當(dāng)然還需要一個(gè)設(shè)計(jì)和制造這些模塊的公司。?

    如何建立模塊化制造系統(tǒng)

    模塊化制造系統(tǒng)的制造模式不可能在短時(shí)間內(nèi)完成，在確立模塊化制造系統(tǒng)前，應(yīng)進(jìn)行如下一些準(zhǔn)備工作：?

    (1)根據(jù)最終用戶的需求，對模塊化制造系統(tǒng)中的各模塊進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)；?

    (2)建立模塊性能、尺寸和控制的開放性標(biāo)準(zhǔn)；?

    (3)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮到模塊化制造系統(tǒng)方法帶來的約束要求。產(chǎn)品所有的生產(chǎn)操作盡量滿足“制造和裝配過程模塊集”規(guī)定的范圍來執(zhí)行。同樣，應(yīng)盡量避免具有長周期的制造過程(如澆鑄)，因?yàn)槟K化制造系統(tǒng)的目的是盡可能擴(kuò)大模塊的利用率，以確保資金投入的高回報(bào)率；?

    (4)開發(fā)先進(jìn)的設(shè)計(jì)與分析工具，以便支持設(shè)計(jì)者進(jìn)行與模塊化制造系統(tǒng)相關(guān)的產(chǎn)品快速并行設(shè)計(jì)，確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)滿足由模塊化制造系統(tǒng)帶來的約束。?

    模塊化制造系統(tǒng)中產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造過程選擇的制約條件：?

    (1)過程選擇：所有的零部件必須能夠通過加工基本基元而加工出來；?

    (2)周期需求：只要在可能的地方，所有的零部件必須“準(zhǔn)時(shí)(JIT)”“準(zhǔn)地(JIP)”進(jìn)行制造；

    (3)質(zhì)量和可靠性：所有的作業(yè)和過程的選擇必須力爭具有幾乎100%的可靠性；?

    (4)操作和裝配：所有的零部件要使用根據(jù)模塊化驅(qū)動(dòng)單元建立的簡單實(shí)用的單元進(jìn)行處理和裝配；?

    (5)原材料成本：堅(jiān)決杜絕不必要的昂貴原材料。?

    模塊化制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)開始于從與模塊化制造系統(tǒng)有關(guān)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中“提取”信息。用于模塊化制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品描述主要是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析表。?

    在模塊化制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)中首先要根據(jù)產(chǎn)品批量和產(chǎn)品的復(fù)雜程度確定加工機(jī)器基元的模塊數(shù)。這要求識(shí)別哪一種加工機(jī)器基元導(dǎo)致子裝配線的生產(chǎn)周期低于生產(chǎn)輸出速率所要求的周期。如果一個(gè)加工機(jī)器基元的生產(chǎn)周期太低，則增加加工機(jī)器基元單元的數(shù)量直至達(dá)到所要求的生產(chǎn)周期。模塊化制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖定義了從產(chǎn)品設(shè)計(jì)(即裝配命令)、裝配過程和模塊化制造系統(tǒng)生產(chǎn)周期需求得到的加工機(jī)器基元模塊的數(shù)量和排序的順序。?

    模塊化制造系統(tǒng)對我國制造業(yè)發(fā)展的意義

    模塊化制造系統(tǒng)可以滿足過程集成和系統(tǒng)重構(gòu)的要求。過程集成強(qiáng)調(diào)的是高效率，這要求制造系統(tǒng)的集成模塊是一些能完成制造過程多項(xiàng)任務(wù)的多功能的專用機(jī)床。系統(tǒng)重構(gòu)強(qiáng)調(diào)的是高柔性，這可以通過對機(jī)床設(shè)備和機(jī)床中的一些模塊的重新配置變換來實(shí)現(xiàn)。模塊化制造系統(tǒng)能顯著減少產(chǎn)品對制造系統(tǒng)的功能約束，能通過減少非加工時(shí)期來提高生產(chǎn)率，從而使制造系統(tǒng)在未來的快速的技術(shù)和市場變化中得以生存。?

    由于模塊化制造系統(tǒng)可以以較低的成本實(shí)現(xiàn)很大一類產(chǎn)品的大批量定制生產(chǎn)，因此對于我國的制造業(yè)發(fā)展、提高我國制造企業(yè)的競爭力和大批量定制生產(chǎn)的能力具有重要意義。企業(yè)可以通過對模塊化制造系統(tǒng)的快速重構(gòu)，迅速轉(zhuǎn)產(chǎn)生產(chǎn)出滿足市場需求的產(chǎn)品。企業(yè)也可由制造模塊的租賃公司幫助建立模塊化生產(chǎn)線，快速將新產(chǎn)品推向市場。?

    以前我國曾搞過組合夾具，并建立了不少組合夾具站。由于信息傳遞不暢，企業(yè)在進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)時(shí)往往很難迅速知道組合夾具的規(guī)格，如何組合自己所需的夾具以及從何處可迅速得到組合夾具，結(jié)果組合夾具的發(fā)展受到挫折。?

    模塊化制造系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)將產(chǎn)品設(shè)計(jì)和模塊化制造系統(tǒng)結(jié)合在一起，并采用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)和模塊化制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使兩者集成起來，真正做到面向制造的設(shè)計(jì)。利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還可使分布在各地的產(chǎn)品設(shè)計(jì)師和工藝師迅速知道制造系統(tǒng)的模塊類型、存放位置、組合方式等信息，知道產(chǎn)品的制造成本。這樣可避免出現(xiàn)類似以往組合夾具經(jīng)歷的挫折。