制造柔性的概念框架及其度量

引言
    隨著自動(dòng)化、組織管理特別是信息技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用。與產(chǎn)品、制造過(guò)程組織和系統(tǒng)運(yùn)行管理等方面相關(guān)的制造柔性變得越來(lái)越重要。人們對(duì)制造柔性的類型^[2，5]、相關(guān)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)和評(píng)測(cè)方法^[3-5]、制造柔性與生產(chǎn)率和產(chǎn)品交貨期間的關(guān)系^[5-8]等方面做了大量研究，提出了相關(guān)的結(jié)構(gòu)框架^[3，5]、分析評(píng)測(cè)和投資決策模型^[6，7]。但由于制造柔性的涉及面廣，各種制造柔性的實(shí)質(zhì)、目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)方法各不相同。它們之間及其與制造系統(tǒng)綜合性能間存在錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系，到目前為止甚至對(duì)究竟什么是制造柔性還沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的定義，缺乏對(duì)各種制造柔性進(jìn)行概括的概念框架，對(duì)制造柔性的偏面認(rèn)識(shí)及低效管理，甚至造成柔性制造系統(tǒng)的運(yùn)行性能還不如傳統(tǒng)制造系統(tǒng)的情況^[7]。
    本文從理論上研究了制造柔性的基本概念，討論了現(xiàn)有各種制造柔性的特點(diǎn)及其對(duì)制造系統(tǒng)綜合運(yùn)行性能的影響，提出了一個(gè)可用于對(duì)各種制造柔性進(jìn)行概括的概念框架、最后對(duì)制造柔性的度量方法進(jìn)行了初步探討，旨在加深對(duì)制造柔性的認(rèn)識(shí)以指導(dǎo)實(shí)踐。
1 制造系統(tǒng)及制造柔性
    以系統(tǒng)論的觀點(diǎn)，任何系統(tǒng)的功能都可以抽象為一個(gè)利用系統(tǒng)資源，在滿足系統(tǒng)約束和目標(biāo)的前提下，將從系統(tǒng)環(huán)境中獲得的輸入轉(zhuǎn)換為輸出的過(guò)程。為了生存和發(fā)展，任何系統(tǒng)都應(yīng)當(dāng)具備某種對(duì)系統(tǒng)內(nèi)外各種變化的適應(yīng)能力，系統(tǒng)柔性就是指這種適應(yīng)性l—制造系統(tǒng)的功能模型如圖1所示，其中制造資源包括操作人員、機(jī)床設(shè)備、刀夾量具和計(jì)算機(jī)軟件硬件等，制造約束包括時(shí)間、成本和質(zhì)量等方面的要求，制造目標(biāo)為獲取最大利潤(rùn)，制造過(guò)程包括市場(chǎng)、采購(gòu)與供應(yīng)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、裝配和銷售等生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)和支持活動(dòng)。

    制造柔性是指制造系統(tǒng)及系統(tǒng)元件對(duì)產(chǎn)品多樣性和系統(tǒng)內(nèi)外各種變化及不確定性的適應(yīng)能力。系統(tǒng)內(nèi)部的變化包括機(jī)床故障、動(dòng)態(tài)變化的加工時(shí)間和工件隊(duì)列長(zhǎng)度、不同的產(chǎn)品混合比、加工廢品和人員缺勤等，而外部不確定性包括原材料短缺、緊急訂單、原材料和產(chǎn)品的價(jià)格波動(dòng)、競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的決策和客戶喜好的變化，還包括技術(shù)進(jìn)步和新的組織管理原則等。制造柔性和產(chǎn)品及其制造過(guò)程直接相關(guān)，涉及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、加工制造、生產(chǎn)組織與控制等方面。是產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員、制造工程師和生產(chǎn)管理者們所共同關(guān)心的問(wèn)題。
    基于上述制造系統(tǒng)的功能模型，從系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的角度，可以定義以下三種最基本的制造柔性：
    (1)范圍柔性，指系統(tǒng)輸出可以在某個(gè)范圍內(nèi)變化的能力，可變范圍越大，柔性越高。例如在滿足獲取相應(yīng)利潤(rùn)的前提下，生產(chǎn)批量如能隨市場(chǎng)需求作動(dòng)態(tài)變化，則系統(tǒng)具有批量柔性。(2)反應(yīng)柔性，指通過(guò)對(duì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換過(guò)程作必要的調(diào)整以響應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)外各種可能變化的容易程度，表現(xiàn)在時(shí)間和成本方面所需的開(kāi)銷，這種開(kāi)銷越大，柔性越高。例如產(chǎn)品改變時(shí)，必須更換相應(yīng)的刀、夾具及控制程序，顯然具有多種加工能力的加工中心比普通機(jī)床更容易實(shí)現(xiàn)所需調(diào)整，因而具有更高的機(jī)器柔性。它是一種反應(yīng)柔性。(3)狀態(tài)柔性，指在系統(tǒng)輸入或內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)仍能滿足給定約束并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的能力，反映了系統(tǒng)抵抗干擾維持原有功能的能力，也可看作系統(tǒng)對(duì)狀態(tài)變化的敏感程度，這種抗干擾能力越好，敏感度越低，則系統(tǒng)柔性越高。例如機(jī)床出現(xiàn)故障時(shí)，可通過(guò)調(diào)度將工件安排到別的機(jī)床，從而以不同的路徑完成工件加工，這種路徑柔性即是一種狀態(tài)柔性。
2 各種制造柔性及其特點(diǎn)
    有關(guān)研究文獻(xiàn)[2，5]對(duì)各種制造柔性的含義、目的和實(shí)現(xiàn)技術(shù)等已作了很多研究。為便于討論，這里首先對(duì)制造系統(tǒng)中主要的制造柔性按其涉及的范圍歸納加固2所示并簡(jiǎn)述如下。
    (1)機(jī)器柔性：機(jī)器能完成多種加工操作的能力，利于實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)、降低庫(kù)存費(fèi)用、提高機(jī)器利用率和縮短力加工周期；（2)物料運(yùn)送柔性：物料運(yùn)送設(shè)備能運(yùn)送多種物料的能力，提高物料運(yùn)送設(shè)備的可獲得性和利用率；(3)操作柔性：具有多種加工工藝的工件能以多種方式進(jìn)行加工的能力，以便在機(jī)器出現(xiàn)故障時(shí)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)度；(4)人員柔性：掌握多種操作技能的人員能在不同崗位上工作的能力；(5)路徑柔性：制造系統(tǒng)能通過(guò)多種路徑完成工件加上的能力，以便平衡機(jī)床負(fù)荷，增強(qiáng)系統(tǒng)在機(jī)床故障、刀具磨損等情況下系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定忖和可靠性。(6)過(guò)程柔性：制造過(guò)程能同時(shí)生產(chǎn)多種產(chǎn)品的能力，又稱混合比柔性，通過(guò)提供多樣化的產(chǎn)品以提高客戶服務(wù)水平，(7)產(chǎn)品柔性：在產(chǎn)品中增加、去除或更換某些零部件的能力，以增強(qiáng)對(duì)市場(chǎng)產(chǎn)品需求的響應(yīng)能力；(8)批量柔性：制造系統(tǒng)能在多種生產(chǎn)批量下獲得相應(yīng)利潤(rùn)的能力，以維持系統(tǒng)在各種需求水平下的獲利性；(9)擴(kuò)展柔性：制造系統(tǒng)擴(kuò)展其生產(chǎn)能力的能力，利于企業(yè)拓展新的市場(chǎng)，并使制造系統(tǒng)具有開(kāi)放性；(10)生產(chǎn)柔性：制造系統(tǒng)在不增加重要制造設(shè)施的前題下制造多種產(chǎn)品的能力，使系統(tǒng)能完成多樣化的生產(chǎn)任務(wù)；(11)市場(chǎng)柔性：制造系統(tǒng)適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的市場(chǎng)環(huán)境的綜合能力，便制造系統(tǒng)能在多變的市場(chǎng)環(huán)境下求得生存與發(fā)展。
    各種制造柔性對(duì)系統(tǒng)綜合性能的影響表現(xiàn)在降低制造成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短交貨期，增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，提高生產(chǎn)率和客戶服務(wù)水平等方面。企業(yè)實(shí)際所需的制造柔性與產(chǎn)品需求、制造過(guò)程特點(diǎn)、系統(tǒng)內(nèi)外各種不確定因素、技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r和經(jīng)營(yíng)戰(zhàn)略等因素有關(guān)。從有關(guān)文獻(xiàn)[2，5]中至少可以列舉出50多種不同的制造柔性，制造柔性概念的寬泛性和復(fù)雜性，使得僅從功能實(shí)現(xiàn)的角度還不能建立完整的描述制造柔性的概念框架。下面從制造柔性涉及的對(duì)象及其時(shí)間特性等方面，對(duì)這些制造柔性及其特點(diǎn)作進(jìn)一步討論。
    各種制造柔性除了涉及的范圍不同外，還具有以下特點(diǎn)：(1)絕對(duì)性和相對(duì)性的統(tǒng)一：機(jī)器柔性等作為系統(tǒng)的固有屬性。具有絕對(duì)性，而路徑柔性等作為—種決策屬性，與系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境密切相關(guān)，具有相對(duì)性，例如有時(shí) FMS的運(yùn)行效率可能還沒(méi)有剛性生產(chǎn)線高；(2)制造技術(shù)和生產(chǎn)組織管理方法的統(tǒng)一：機(jī)器柔性等制造柔性的獲得一方面需要數(shù)控技術(shù)、刀具和工件交換裝置及多功能夾具與托盤(pán)等制造技術(shù)，又需要掌握多種技能的操作人員和小組工作方式等組織實(shí)施和運(yùn)行管理手段4(3)制造柔性的時(shí)間特性是靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的統(tǒng)一：由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定的柔性是靜態(tài)柔件，如車間設(shè)備布局、生產(chǎn)控制系統(tǒng)中的功能配置等，它決定了系統(tǒng)元件和功能的分布及相互關(guān)系，限定了系統(tǒng)重構(gòu)時(shí)所需變化的可能性及范圍，例如網(wǎng)絡(luò)型扁平結(jié)構(gòu)比金字塔型遞階結(jié)構(gòu)的柔性要高；而需要通過(guò)動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)運(yùn)行才能體現(xiàn)的柔性屬于動(dòng)態(tài)柔性，不同的動(dòng)態(tài)柔性所涉及到的變化的時(shí)間范圍及其對(duì)制造系統(tǒng)性能的影響程度也不同；(4)制造柔性涉及的二類對(duì)象及其組成的兩個(gè)方面：制造系統(tǒng)功能模型中的產(chǎn)品、制造過(guò)程和制造資源都有與其相應(yīng)的制造柔性。另外制造柔性作為系統(tǒng)適應(yīng)各種變化的能力，包括適應(yīng)變化的范圍和容易程度兩個(gè)方面。
3 制造柔性的概念框架
    本文提出的制造柔性概念框架如圖3所示，它綜合了制造柔性的時(shí)間特性、所屬的三種最基本的制造柔性以及制造柔性和產(chǎn)品及其制造過(guò)程等方向的相關(guān)性，它既可用于對(duì)現(xiàn)有的各種制造柔性進(jìn)行概括，又可作為定義新的制造柔性的基礎(chǔ)。
    首先從制造柔性的時(shí)間特性來(lái)看，除靜態(tài)的結(jié)構(gòu)柔件外，動(dòng)態(tài)柔件包括運(yùn)行、戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略三個(gè)層次。以與產(chǎn)品和資源相關(guān)的制造柔性為例，(1)運(yùn)行層，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)工件隊(duì)列長(zhǎng)度和產(chǎn)品混合比變化所需的機(jī)器柔性，以及處理簡(jiǎn)單的機(jī)床故障、刀具磨損和資源競(jìng)用時(shí)需要的路徑柔性；(2)戰(zhàn)術(shù)層，市場(chǎng)產(chǎn)品需求波動(dòng)時(shí)所需的批量柔件，以及處理加工設(shè)備較大故障時(shí)所需的操作柔性；(3)戰(zhàn)略層：為滿足新產(chǎn)品市場(chǎng)需求所需的市場(chǎng)柔性，以及當(dāng)出現(xiàn)新的加工技術(shù)和設(shè)備時(shí)所需的擴(kuò)展柔性。其次從制造柔性所涉及的對(duì)象來(lái)看，產(chǎn)品柔性和操作柔性與產(chǎn)品相關(guān)，人員柔性、機(jī)器柔性和物料運(yùn)送柔性與制造資源相關(guān)，而路徑柔性和過(guò)程柔性等與制造過(guò)程相關(guān)。最后從系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的角度，所有制造柔性均可歸為范圍柔性、反應(yīng)柔性和狀態(tài)柔性之一。不考慮時(shí)間特性的制造柔性在這個(gè)概念框架中的二維投影如圖4所示。
4 制造柔性的度量
    制造柔性的度量涉及兩方面的問(wèn)題：(1)現(xiàn)有制造系統(tǒng)的柔性有多大?(2)為適應(yīng)未來(lái)的某種變化需要多大的柔性?制造柔性度量的困難性在于首先各種制造柔性的性質(zhì)不同，其次制造柔性的兩個(gè)方面也屬于不同性質(zhì)的問(wèn)題，很難將它們統(tǒng)一起來(lái)進(jìn)行定量的綜合評(píng)判，當(dāng)涉及到未來(lái)的變化時(shí)更難于獲得精確的數(shù)據(jù)。目前提出的一些度量方法和模型^[6-8]有的只適用于投資評(píng)估等個(gè)別情況，有的雖有良好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，但過(guò)于理論化而難于應(yīng)用。
    為了減小制造柔性度量的復(fù)雜件并便于實(shí)際應(yīng)用�？蓪�(duì)前述概念框架中三類最基本的制造柔性分別采用不同的方面進(jìn)行度量。具體來(lái)講，(1)范圍柔性，用某種制造柔性可適應(yīng)的變化范圍來(lái)度量。例如批量柔性可用系統(tǒng)能獲利的最小和最大生產(chǎn)批量來(lái)度量；(2)反應(yīng)柔性，用適應(yīng)某種變化所需時(shí)間或費(fèi)用來(lái)度量。例如機(jī)器柔性可用不同操作間轉(zhuǎn)換所需時(shí)間或費(fèi)用來(lái)度量，過(guò)程柔性可用不同產(chǎn)品混合比間轉(zhuǎn)換所需時(shí)間或費(fèi)用來(lái)度量；(3)狀態(tài)柔性 SF(State Flexibility)。狀態(tài)柔性與系統(tǒng)對(duì)某種變化的敏感度STC(Sensitivity to Change)成反比，即SF＝1／STC。如果適應(yīng)變化可以不需任何費(fèi)用(C＝0)或者發(fā)生這種變化的概率很小(P＝0)，都可以認(rèn)為系統(tǒng)對(duì)這種變化的敏感度為零，因而可設(shè)STC＝ C *P。設(shè) X表示某種變化，則與此相關(guān)的費(fèi)用 C和概率尸都應(yīng)當(dāng)是X的函數(shù)。例如當(dāng)涉及到三種狀態(tài)A、B、 C時(shí)，則存在9種狀態(tài)變化的組合，即AA、AB、AC、BA、BB、BC、CA、CB和CC，顯然， 其中，n是可能變化的數(shù)目，i是變化的序號(hào)，C(X_i)
和P(X_i)分別是與變化 X_i相關(guān)的費(fèi)用和概率。當(dāng)系統(tǒng)中狀態(tài)變化連續(xù)時(shí)，可以得到一個(gè)更為一般的公式，即：是變化的上下界。
    這里關(guān)鍵在于如何確定與未來(lái)某種變化相關(guān)的成本和可能性。對(duì)與產(chǎn)品相關(guān)的柔性來(lái)講，式中的成本主要指由于產(chǎn)品變化所造成的與產(chǎn)品設(shè)計(jì)和材料等相關(guān)的成本，而發(fā)生的概率應(yīng)當(dāng)根據(jù)材料技術(shù)的發(fā)展、客戶喜好的變化、競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的策略以及對(duì)產(chǎn)品功能變化的預(yù)測(cè)等綜合而定。對(duì)過(guò)程柔性來(lái)講，式中的成本主要包括由于加工過(guò)程所需的設(shè)備更新造成的成本，而發(fā)生的概率可依據(jù)制造過(guò)程中的各種不確定性因素而定。
5 結(jié)論
    隨著精益生產(chǎn)、并行工程和敏捷制造等制造新概念的出現(xiàn)，加上柔性制造技術(shù)作為單純的自動(dòng)化技術(shù)，其實(shí)際應(yīng)用并沒(méi)有取得人們預(yù)期的效果，近年來(lái)對(duì)制造柔性的研究和應(yīng)用沒(méi)有得到足夠重視。作為一種使能技術(shù)和制造哲理，柔性制造的概念與這些新的制造概念并不矛盾，如制造柔性同樣強(qiáng)調(diào)技術(shù)、管理和人的綜合作用，強(qiáng)調(diào)小組工作方式和信息技術(shù)的作用，其特點(diǎn)在于從多方面、多層次強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)對(duì)各種變化的適應(yīng)能力。通過(guò)對(duì)制造柔性概念框架及其度量體系的討論，希望能加深人們對(duì)制造柔性的認(rèn)識(shí)以指導(dǎo)實(shí)踐。