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工业工程论文:制造系统柔性的评价研究

论文编号:lw201708261806541926 所属栏目:工业工程论文 发布日期:2018年01月28日 论文作者:无忧论文网
第 1 章   绪   论 

1.1   研究背景 
技术创新周期的缩短、产品多样性的需求以及买方市场的转化,对汽车制造业的冲击是巨大的,准确地进行需求预测变得异常困难。研究表明,全球汽车制造业的需求预测错误率在 50%以上,由此导致的产能不足或者产能过剩问题,为企业带来高昂的制造成本[1]。更为重要的是,即使对于一些确定提交的订单,仍然有诸如设计修改、供货不足、设备故障、准时送达以及质量缺陷等一系列偶发性问题存在。在这种环境下,制造企业不能单纯地依靠产品成本和质量取胜,还需具备在不可预测的环境下,以最快的响应速度,最大限度地满足用户需求的能力,即系统的柔性。 对制造系统柔性的探索主旨在于以更低的交货期提供高质量低成本的产品[2]。汽车制造行业面临着一系列不可预知的因素,即所谓的  “动荡性”,这些动荡因素来源于系统内部和外部:内部因素主要是人力资源、产品技术、新方法、组织结构变化等的影响;外部因素主要是市场环境的影响 [3]。在工业 4.0 浪潮的驱动下,现代制造系统理应具有提供多品种、混合品种生产的柔性。制造系统柔性的研究就是为了满足制造系统能根据产品多样性和产量调整的要求,迅速响应并尽量满足需求不确定性。实际上,制造系统本身在环境不稳定状况下所体现出的柔性,取决于在低库存等级和产能柔性的前提下处理需求波动的能力,并进一步体现在无需成本浪费或交期滞后作为代价的产品及时输出。因此,未来的制造系统必须提高其柔性以增加市场竞争能力。制造系统的柔性研究作为制造系统性能评价的一个热点前沿方向,具有重要的理论研究价值和现实应用意义。 
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1.2   国内外研究现状
柔性的概念随着制造系统的发展而逐渐完善。随着时代的进步、新产品的演变以及不断升级的全球竞争,迫切需要制造系统具有较高的响应性和适应性。 为了适应不断变化的需求,制造系统先后经历了专用制造系统、柔性制造系统、可重构制造系统的发展历程。专用制造系统起源于二十世纪初,当时制造业的生产能力远远落后于社会消费需求,制造业追求的是低成本、高效率的生产方式。到二十世纪下半叶,市场趋于饱和,制造业关注的焦点转变为快速向客户提供个性化服务,柔性制造系统应运而生。柔性制造系统是由计算机控制系统和物流系统连接起来的一系列自动化加工和辅助设备,允许在现有系统的限度内调整生产能力来快速响应用户或技术发展对于产品品种、性能和数量的需求变化,而不会物理地更改制造系统本身[1]。 对制造系统柔性的探究始于二十世纪七十年代,Mandelbaum  认为柔性是制造系统应对外部环境变化不确定性的能力,可以快速且经济地从生产一种产品或零件转换到生产另一种产品或零件[4][5]。Nyhuis 认为柔性是一种特征,柔性代表对预定义的范围做出反应的能力[6]。Chen 等将柔性定义为制造系统可以快速而经济地响应外界环境的能力[7]。Krijnen 认为柔性是一种组织特征,是组织为了保持自身的持续竞争力而进行不断自我优化的能力[8]。Tilio 等人指出,柔性可以理解为系统在不改变其结构的情况下而能实现某种目的的能力[9]。Upton 认为柔性是对环境变化作出相应的调整,以最小的时间和成本达到增加产品范围和快速响应变化的能力[10]。Sethi 等人将柔性定义为制造系统可以通过调整自身资源来满足外界要求的生产不同产品的能力[12]。 综上所述,笔者亦认同柔性为系统的一种特征,具有应对外部环境变化不确定性的能力,可以以最小的时间和成本增加产品范围和响应快速变化。 
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第 2 章   制造系统柔性的评价指标选取 

对制造系统的柔性进行评价,首选要选择合适有效的评价指标。本章拟通过指标选取的原则和方法,结合前人的研究提取出制造系统柔性的评价指标。 

2.1   指标选取的原则和方法 
柔性是系统的重要特征,考虑到制造系统的柔性能够实现工厂结构和运行流程的适应性,本文认为柔性评价的指标选取应该遵循系统性、完整性、明确性、可比性和可操作性等原则。制造系统的柔性指标选取的关键是要将影响制造系统柔性的主要因素进行深入分析,寻找各因素间的异同点以及对柔性评价起到的作用,最终将这些因素进行整合,从而获得柔性评价的主要指标。指标选取过程中也会遇到一些次要的影响因素,因此需要使用一定的方法对各指标理清主次关系,构成实际有效的评价指标。常用的指标筛选方法有德尔菲法、最小均值方差法和极大极小离差法[43]。
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2.2   影响制造系统柔性的因素分析 
作为制造系统的重要特征,柔性与制造系统自身的运营情况密切相关。前人从各个角度对制造系统的柔性进行定量评价,Brill 提出通过制造系统设备执行任务的效率来评估柔性,将质量、时间、成本等因素作为评估制造系统设备效率的指标,根据一组特定的任务,基于制造设备完成该任务的效率来计算制造系统的柔性[35]。Wahab 的工作主要集中在衡量和评估设备的柔性,指出高度的设备柔性意味着将生产的产品分配给最有效的设备的过程,通过预期的设备效率和流程的权重来计算设备的柔性[37]。Avittathur  和  Swamidass 指出一个有效的制造系统,应该具有更好的执行和处理变化的能力。因此,将整个制造系统的效率作为制造系统柔性评价的指标[38]。Seebacher 通过计算原定的交货时间和实际订单交货时间的偏差来评估柔性[41]。Andersson 和 M. Bellgran 提出制造系统的性能评估对于推动和管理生产改进至关重要,使用全局设备效率和生产力的组合可以成功地推动生产改进,达到合适的制造状态[42]。Morgan Swink 等通过大量的文献研究,提出从五个方面提升制造系统的运营能力:劳动力开发、过程质量管理、准时化生产、供应商关系管理和产品过程开发,其中涉及到时间、质量、资源利用率、设施布局、人和工艺技术等多个要素[44]。Kristy 等使用全面质量管理(TQM)、准时化生产  (JIT)和全员生产维护(TPM)三个指标对制造系统的性能进行研究,确定高性能和低性能的制造工厂在实施 TQM,JIT和 TPM 实践方面的差异[46]。Hvolby 等通过问卷调查对中小企业制造性能评价,使用五个评价指标:成本、交货时间、质量、产能利用率和准时交货,结果发现按时交货和质量水平是中小企业在生产中最关注的[47]。Winkler 等建立了交货时间和系统效率的二维模型,来评价离散制造系统的柔性[48]。
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第 3 章   制造系统柔性的评价模型建立 .... 15 
3.1   制造系统的性能指标 ..... 15 
3.2   制造系统的效率指标 ..... 17 
3.3   制造系统的转换成本指标 ...... 22 
3.4   制造系统柔性的模型及评价 ........... 24 
3.5   本章小结 ....... 28 
第 4 章   X 公司制造系统柔性的评价实例研究 ........... 29 
4.1   引言 ...... 29 
4.2   X 公司现状 .... 29 
4.2.1   企业概况 ..... 29
4.2.2   X 公司制造系统现状 .... 30 
4.3   X 公司制造系统的柔性评价 ............ 33 
4.3.1   X 公司制造系统的柔性程度 .......... 34 
4.3.2   X 公司制造系统柔性的评价分析 ........... 42 
4.4   X 公司制造系统的柔性评价管理系统 ..... 45 
4.5   本章小结 ........ 57 
第 5 章   总结与展望 .......... 59 
5.1   总结 ....... 59
5.2   展望 ....... 60 

第 4 章   X 公司制造系统柔性的评价实例研究 

4.1   引言 

为了验证本文提出的制造系统柔性评价方法的正确性和可用性,本文以 X 公司的制造系统为研究对象开展实例分析。首先,通过价值流图析对 X 公司的运行现状进行描述;进而对 X 公司制造系统的柔性状态进行评价;最后,为便于信息的统计和处理以及更加直观清晰地展示系统柔性状态,提出一种基于 HTML5 标准的柔性评价管理系统。X 公司主要生产汽车万向节传动轴,与一汽大众比邻,新建建筑占地面积为13590 ㎡,总建筑面积为 14556 ㎡,图 4.1 为 X 公司的车间平面布局图。服务客户为目前中国主要的轿车生产厂家,如一汽大众和一汽轿车等,就近向中国东北地区的汽车厂家提供等速万向节传动轴配套服务,成为多家客户的金牌供应商。同时,X 公司近年开始重视人才的引进和培养,走出工厂进入重点高校招聘研究生人才。X 公司主要承担等速万向节传动轴、FOR 外星轮、ICS 实轴/空心轴、TULIP三销轴叉、OVL 移动节外星轮和 IVL 移动节内星轮等关键零部件的机械加工和总成装配。企业生产传动轴的种类较多,不同时期需要