模块化生产系统:一个新的制造模式

我们认识到全世界的消费品制造商正面临着主要的新要求,包括更短的产品生命周期和日益激烈的竞争。作为回应,企业正在进行重组并远离传统集中生产来寻求新的制造生产方法。特别是,设计制造可以降低生产成本和缩短交货期已经得到了普遍认可。然而, 使用当今的工作组织和业务结构来优化设计制造是难以实现的。一个潜在的问题是缺乏科学框架用于生产。为了解决这个需求,本文提出了基于从标准化模块化构建生产系统的机器的一个激进的、影响广泛的新的制造模式。称为模块化生产系统(MPS),旨在“硬”低-中等技术消费品,如经典儿童玩具等商品和厨房电器。MPS的基本原理被提出，目的是作为一种支持产品和生产系统的设计，然而其长期影响和工作性能这一概念仍需进行讨论。

关键词:新的制造模式,模块化制造虚拟制造。

1.介绍

制造业的全球竞争和变化的消费者需求导致产品多样性的增加的趋势和创新,缩短产品生命周期,降低单位成本和追求更高的产品质量。因此,低收入和高科技产品制造商正在经历价格能否保持竞争力新的要求和挑战。值得一提的是，除了降低成本成为新型制造商还具有以下重要战略意义:

1. 缩短“设计到市场”的交货期。这是导致需要设计“正确第一时间”,因为没有足够的时间来纠正设计错误,或重新设计产品的低成本高质量；
2. 确保所有货物都以高质量和一致的质量生产；
3. 预测生产成本和交货期；
4. 改变生产能力，没有显着的成本或生产周期；
5. 经常引入新产品以保留或获得市场份额。

计算机的应用和并行工程工作实践的采用大大提高了制造商在完成这些新的目标的效率。然而正如下面的章节中所述,显而易见它的进一步发展受到的基本结构和制造业务的方法的限制。为了克服这些问题,本文提出了一种全新的商业模式低-中等技术消费品的生产,这是基于从标准化模块化构建灵活的生产系统子系统。此外,这种方法旨在提供一个系统的产品设计和生产系统设计之间的联系。建立一个拥有灵活配置的生产线，将更有效地满足新的生产要求。

2. 模块化生产系统:一个新的制造模式

模块化生产系统(MPS)的概念已被建议作为一种克服局限性造成缺乏模块化机标准。此外,MPS试图提供一个全新的制造业务框架。模块的标准是基于一套统一的“减少”的“原始”的生产要素, 迄今为止MPS模块化水平低于之前所有的生产系统。模块类别包括四类:加床加工生产、运动单元、模块卡具和可配置的模块化夹具控制系统。不可置否的是在这些类别中模块的合适选用将建立高效、自动化、集成的生产系统。

3. 模块化制造概念

几个世纪以来，标准化模块，子系统或组件的人工制品的建立已经很普遍。 在工程产品设计的背景下，Stoll（1986）指出模块化结构通过使用标准组件的不同组合允许“标准化多样性”。 他还指出，模块化设计抵制了过时，缩短了重新设计，通过使用现有模块实现新设计，降低成本，并轻松维护。 此外，在已经广泛建立模块化构造方法的情况下，如在使用标准部件（例如集成电路电阻器和电容器）的电子制造中，设计过程通常由复杂的设计和验证工具辅助。

关于制造机械制造，模块化概念已经使用多年。 例如，许多机床制造商主要通过配置其现有的机器子系统来生产定制的机床（Hu等人，1993）。 Festo，SMC和Parker等自动化设备供应商提供专有的模块化硬件，如执行器单元和夹具，用于构建模块化工作处理系统。 此外，虽然传统上与“硬自动化”相关，但这种模块化机械手方法正在获得认可，作为实现拟人机器人的承诺灵活性的替代手段。（Weston等人，1989; Canny和Goldberg，1992）。

模块化概念也用于整个生产系统的构建。 这种方法的注意到的益处包括以下：

（1）在组织生产的方式上提供更大的范围，并有机会重新配置生产以满足短期和长期目标（Merchant，1985）;

（2）允许使用机器系统，工具，人，组织结构，信息流，控制和计算机系统的最简单的集成组合执行给定任务所必需的过程。（Davis，1991）;

（3）帮助消除自动化岛屿，进一步重新利用机械（Tsukune，et al。，1993）。

然而，Tsukune等人（1993）还注意到，目前存在限制模块化制造进展的显着问题：（1）目前使用的大量制造机器元件使模块化生产系统的设计和控制变得模糊;

（2）设计，生产和控制过程基于完全不同的模型; 这导致在设计工具操作的“理想化世界”和制造发生的“真实世界”之间的复杂转换。 这些问题主要来自于没有模块化机械的标准。 此外，对于建筑元素应该是什么没有一致意见。 例如，“机器模块”当前包括从完整机床（例如具有集成控制器的机器人）到机器构建元件（例如致动器单元，电机或传输系统）的一切。 实际上，用于构造机械的制造机械和硬件的这种多样性主要由于生产要求的广泛多样性而存在。

4. MPS的工作原理

MPS是一种以配置一套减少的标准化的“原始”生产要素为基础的新的制造方法。特别是,在与电子制造类比的基础上, “原始”的MPS模块以类似于栅极阵列取代IC器件(如计数器和定时器)的方式取代“原始”生产机械的“复杂”的子系统。此外,相信类似的重大利益,如(生产)设计过程的形式化和随后的自动化将会产生。

MPS概念识别的模块包括四个类或类别:过程机器图元、运动单元、夹具和可配置的控制系统。基于这些模块类别,相信可以使用运动模块、夹具和控制系统来构建使用过程机器基元的“核心”的整个自动化生产系统。

为了了解采用这种生产系统建设方法的方式和原因,首先必须澄清MPS试图促进的两个新的制造原则:就地生产部件生产和自动化生产系统设计。

4.1就地生产的零件生产

MPS概念的一个中心目标是通过消除主要的组装任务来简化自动化装配。特别是,通过建立集成的“就地生产”组件生产和装配系统,由组件定位、传输和馈电引起的“装配瓶颈”实际上可以消除。此外,在组件供应商和制造商之间的进度和运输方面的费用可以减少或几乎消除。这些储蓄本身可以是相当可观的,因为用目前的时间生产方法的组件运输往往占组件成本费用的20%。因此,通过大大减少装配劳工或特殊用途的自动化装配机器的需求,结果通常会节省大量成本,尽管组件成本可能增加(因为注射陶瓷脱模、冲压和冲压机械等个别工艺机械的使用将与目前的方法相比)。

4.2自动化生产系统设计

配置设计任务通常服从正式的设计程序。利用知识工程编程方法实现设计过程已成为众多工程设计工具。示例包括用于建模机械工程子组件(特奥巴尔德等)的芽。, 1993年 ) ,《傲慢》(米塔尔等人), 1986年 )用于设计纸张进给系统和组合夹具设计系统(非政府组织和leow , 1994年 )。同样,由于MPS主要是设计一个硬件选择和配置任务,预计可以生产正式的MPs设计程序和工具。此外,这些工具还将影响制造方面,例如生产可行性、成本和投资回报,这些情况在产品设计阶段可以准确确定。

5.MPS带来的好处

在这些新的集成制造和系统生产系统设计原则的基础上,以下章节总结了如何通过采用MPs方法,满足第1节中新的制造目标。

5.1缩短“设计到市场”的交货期

明确地设计产品以便于制造和装配被认为是减少“上市时间”的主要手段之一。 因为MPS方法允许开发系统MPS设计过程（尽管在本质上计算复杂），设计过程的自动化是可行的。 这种自动化，结合标准化模块化的简化生产系统构造，将有助于通过为新产品专门设计和配置MPS而显着缩短生产周期。

5.2确保所有货物都以高质量和一致的质量生产

MPS利用系统原理，组合已知性能和可靠性的单元导致具有同等可预测的性能和可靠性的系统。因此，如果选择适当的标准并且MPS设计算法是正确的，则MPS方法将确保产品以一致和已知的质量生产。

5.3预测生产成本和交货期

MPS通过对生产的所有方面进行建模，支持虚拟制造。因此，由于MPS设计是面向计算机的，因此认为生产系统成本和施工时间可以在硬件投资之前预测。

5.4改变生产能力，没有显着的成本或生产周期

通过具有MPS硬件的精确计算机模型和用于MPS设计的系统过程，相信可以容易地改变MPS的元件和结构以匹配整个生命周期市场需求中的生产率。 因此，生产系统可以“最佳”调整，以最大限度地利用模块化机械。

5.5经常引入新产品以保留或获得市场份额

由于MPS设计是自动化的，并且硬件是模块化的，因此可以“快速地”配置和重新配置生产系统，而没有显着的成本和时间。 此外，冗余模块化硬件可以在以后再次用于另一个MPS。

6.建立MPS所需的意义和工作

显然，这种新的制造模式不能“一夜之间”实现，在实现这一概念之前需要大量的研究工作和投资。 特别是，执行“中期计划”概念的核心是需要：

(1)建立机械模块性能，尺寸和控制的“开放”标准;

(2)改变对产品设计和制造工艺选择的重视，以满足MPS方法所施加的约束特别地，所有生产操作必须由规定范围的“处理模块”来执行。 此外，具有低精度或可靠性的那些过程将失去优势，因为在生产机器中存在很少的（如果有的话）冗余。 同样，具有较长循环时间的工艺（如铸造）也不太可取，因为MPS理念旨在最大化模块的利用率，从而确保高资本投资回报;

(3)生产先进的设计和分析工具，支持设计师快速并行设计产品和相关的MPS。 特别地，这种支持工具解决的功能必须包括：

（i） 确保产品设计符合MPS方法规定的过程约束;

（ii） 协助产生整体MPS的结构布局;

（iii）支持由模块式执行器单元，模块化夹具，装配等构建的任何特殊用途材料处理和部件传送机械的设计;

（iv）生成和验证对整个生产系统进行排序所必需的控制逻辑。。

7. 用于MPS的结构布局设计的设计工具

为了推进MPS的理念，正在进行的研究集中于生成通用的系统设计程序，以确定整个MPS的结构布局。特别是，以下小节概述了原型MPS设计程序，已经开发以帮助选择和布置用于以指定速率制造MPS导向产品的PMP模块（Enright，1994）。开发的程序包括三个主要阶段：产品分析，MPS设计的产品表示和MPS合成。

7.1产品分析

MPS设计从与相关MPS的设计相关的产品设计中“提取”信息开始。 特别地，产品分析旨在：

（1）识别可以彼此独立地生产和组装以形成MPS子组件的部件组;

（2）确定形成给定MPS子组件的每个部件的工艺模块和组装顺序;

（3）定义所有子组件和剩余组件合并构建最终产品的顺序。

目前，已经开发了使用形态图方法的产品分析程序，类似于用于组装和制造系统的当前一代设计（Dewhurst和Boothroyd，1983），用于基于圆柱形的产品，典型地为诸如火炬或自行车泵。该方法基于这样的概念，即设计者首先识别关键部件，称为基本部件，子组件的构造顺序可以基于该关键部件。

7.2 MPS设计的产品表示

随后产生产物构建分析表其代表产物分析的结果。 这些表包括定义以下内容的信息：

（1）子组件的构件;

（2）基础组分;

（3）构建子组件的明确顺序;

（4）用于制造每个部件的处理机原始（PMP）;

（5）制造周期时间基于每个组件一个PMP。

此外，定义如何将子组件互连以形成最终产品的信息存储在产品构造分析（PCAG）中。 这些表是随后合成MPS的基础。

7.3 MPS合成

MPS合成程序的第一阶段是确定以所需生产量制造产品所需的PMP模块的数量。这需要识别哪些PMP（如果有的话）导致子组装周期时间低于生产输出速率所需的时间。如果PMP的周期时间太短，则该PMP单元的数量增加，直到实现所需的周期时间。或者，设计者可能希望重新考虑产品设计并选择不同的过程。这种“平衡”过程周期时间导致修改的PCAT和修改的PCAG。从修改的PCAT和PCAG图中产生称为MPS设计图的示意图此图定义了从产品设计（即装配顺序），装配过程和MPS周期时间要求导出的PMP模块的数量和顺序。

迄今为止开发的MPS合成方法仍然处于发展的初期阶段，并且需要大量的进一步工作才能产生有效的MPS设计工具。 特别是，进一步的工作重点是：

（1）扩大和增强产品分析形态图的范围;

（2）扩展MPS合成过程，使得确定PMP单元的几何配置;

（3）制定PMP模块的标准。 特别是，我们目前正在调查影响塑料注塑PMP装置标准的因素（Oey，1993）。

8. 讨论和结论

本文概述了基于使用有限范围的标准化“原始”机器元件的消费部门制造的新方法。为了实现这种模块化生产系统（MPS）概念，将需要开发机器模块标准和新的设计技术和工具。 提供长期投资即将到来，预估MPS概念将提供克服当前问题所需的重大飞跃，阻碍成本效益的灵活制造。 特别是，预估MPS方法将为消费制造业中的主要时代提供框架，其特征在于：

（1）适用于各种低至中等技术消费品的生产系统设计和运行的标准和“通用”模式;

（2）通过模块配置灵活生产，可能使生产系统在几周或甚至几天内设计和建造;

（3）在产品设计阶段准确预测生产参数（如操作成本）的能力;

（4）由于竞争供应符合“开放”MPS模块标准的机器而导致的制造机械成本的显着降低;

（5）一旦特定产品的生产完成，重复使用机器模块;

（6）极少需要专门设计的夹具，模具和软件;

（7）更小的生产系统，因为只有专门针对产品要求的机械装置安装在车间。

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