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柔性制造：多样化和定制化需求下的生产模式变革
来源:上海中创研究院/深思有形 | 作者:唐小于 | 发布时间: 2024-10-16 | 150 次浏览 | 分享到:
“柔性制造”与“刚性生产”对应，传统的“刚性”自动化生产线主要实现单一品种的大批量生产，而随着消费结构升级，传统生产模式难以满足消费者个性化、定制化、时效性需求，在此背景下，柔性制造应运而生，其具有灵活性、敏捷性、模块化与智能化等特点，近年来在制造业中得到越来越广泛的应用。
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“柔性制造”与“刚性生产”对应，传统的“刚性”自动化生产线主要实现单一品种的大批量生产，而随着消费结构升级，传统生产模式难以满足消费者个性化、定制化、时效性需求，在此背景下，柔性制造应运而生，其具有灵活性、敏捷性、模块化与智能化等特点，近年来在制造业中得到越来越广泛的应用。



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以灵活敏捷应对多样化定制化需求


在国家“十四五”规划纲要中，专门对柔性制造进行了界定，即柔性制造是指一种应对大规模定制需求而产生的新型生产模式。柔性制造通过灵活、可调整的生产系统，可以迅速响应需求变化，快速地完成定制化产品生产任务，其主要有几大特征：

一是灵活性与定制性。柔性制造通过自动化的生产制造系统，能根据制造任务或生产环境的变化灵活变换，实现多产品混线生产，满足定制化需求，解决生产品类“多”的难点。

二是敏捷性与高效性。通过优化生产管理系统，增强供应链的资源配置柔性，可实现供应链对定制需求的敏捷响应和快速交付，解决需求变化“快”的难题。

三是模块化与通用化。模块化是柔性制造系统构建的基本理念，柔性制造模式通过设计出一系列通用的功能模块，并根据用户的要求对模块进行选择和组合，可以构成不同功能或功能相同但性能、规格不同的产品，适应不同客户的需求和订单量。

四是自动化与智能化。在定制化需求下，订单产品参数可能各不相同，而设备和生产线的自动化则是实现快速、高效柔性生产要求的重要保障。此外，柔性制造的一大关键在于对不同需求任务的快速响应、灵活调整，这就要求构建生产的过程管控能力，对生产方案的信息化、数字化、可视化和联动化提出了更高需求，通常需借助工业互联网、机器人、智能传感、微电子等技术和手段实现。



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柔性制造的三种模式：从单元到系统到工厂




按柔性程度和规模划分，柔性制造可分为三种模式：


1、柔性制造单元FMC（Flexible Manufacturing Cell）


FMC是柔性制造的基本单元，其一般由单台数控机床、加工中心、工件自动输送及更换系统等组成。相较于传统数控机床，FMC更为灵活，其配有物料传输装备和工件装卸交换装置，可根据生产任务的变化自动更换刀具和夹具，同时可实现工件搬运、装卸的自动化，因而可实现多品种产品混流加工。由于柔性制造单元规模小、投资少、建造周期短，目前在各类中小制造业企业中已有较广泛的应用，特别是在汽车、模具、机械制造等行业，涉及箱体零件、壳体零件、盘类零件、异形零件等的加工时，都有FMC的身影；此外，在航天航天领域，针对大型飞机或火箭零部件制造批量较小，但种类繁多的问题，应用FMC也能实现高效生产。
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图1 柔性制造单元（图源：机械公社）


2、柔性制造系统FMS（Flexible Manufacuring System）


FMS由加工、物流、信息流三个子系统组成，即包含多台数控设备、物料储运系统和统一的信息控制系统，是一个能适应加工对象变换的智能自动化机电制造系统。相比于FMC，柔性制造系统规模更大、控制与管理功能更强，适合加工形状复杂、加工工序多、批量较大的产品。目前，柔性制造系统已在多个行业广泛应用，如在汽车制造领域，随着消费者对汽车外观、内饰等设计的个性化需求增加，传统的单品种、大批量生产方式向多品种、中小批量及“变种变量”的生产方式过渡，而FMS根据各设备的运转情况进行灵活分配生产，就能高效进行变种变量生产。


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图2 柔性制造系统中的各类子系统

3、柔性制造工厂FMF（Flexible Manufacuring Factory）



柔性制造工厂将制造、产品开发、经营管理结合起来，可实现整个工厂的柔性化和自动化。FMC或FMS更多涉及设备柔性或工艺柔性，但单一或局部的柔性制造实现并不能实现真正意义上的柔性化制造，更多只是加工的自动化的局部能力的提升。而在柔性制造工厂内，柔性能力不只局限在制造环节，通过CAD/CADM软件、MES生产管理软件、智能排产软件、ERP等系统的应用，FMF可实现设计开发、加工制造、物料储运、生产管理的全流程系统柔性。同时，FMF一般还有适应柔性生产的供应链管理方式，在供应链规划、管理和控制等方面进行全面调整和优化，如借助信息技术实现供应链的透明化和协同管理等，从而增强市场反应能力。

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竞争格局：欧美日领先，中国加速部署



柔性制造模式发源于海外，欧美日等国家和地区工业化程度完备，在柔性制造系统的开发、工业企业应用方面已较为成熟，我国柔性制造产线的部署规模、设备先进性等与国际领先水平都还有差距。


1、国际上柔性制造发展已较为成熟


欧美柔性制造发展历史悠久，在上世纪六七十年代，柔性制造便已在欧美的工厂里萌芽，经过50多年的发展，欧美已孕育出多家全球领先的柔性制造系统供应商，如芬兰的芬发自动化（Fastems）、德国库卡集团（KUKA）、美国的麦迪克公司（MIDACO）等。日本柔性制造应用规模大，相比于美国、德国等工业强国，日本工业制造偏重于精密制造领域，汽车及零配件、机床、机器人和电子电器是日本传统优势工业，也是柔性产线适宜布局的领域，因此日本柔性制造模式的应用走在全球前列。上世纪90年代全世界有1200套左右柔性制造系统投入运行，其中日本就拥有400套，约占全球的1/3。

表1 柔性制造系统全球领军企业典型案例

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2、我国与国际水平相比还有一定差距


我国对于柔性制造的发展及运用起步较晚，20世纪90年代，国家开始推广CIMS（集成制造系统）应用，部分企业开始导入柔性制造系统，但由于当时控制技术、信息技术如RFID（射频识别技术）等应用还不是很成熟，导致一些企业已建成的柔性制造系统实际运行情况并不如预期，加上投资金额较大，许多企业都持观望态度。此后多年，由于我国在高级计划排程、智能调度等工业软件水平上与国外发达国家仍有差距，柔性制造系统无法发挥应有的效益，柔性制造发展一直较为缓慢。近年来，随着工业智能化进程的不断深入，柔性制造引发了越来越多的关注，加上国家大力推广，柔性制造在航空航天、汽车制造等领域应用逐渐增多。但总体而言，无论是在柔性生产设备的开发还是在应用广泛性方面，我国与国际先进水平相比都还有不小差距。

表2 上海柔性制造代表企业

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3、上海研发、应用均走在全国前列


上海工业自动化与智能化水平高，无论是上游设备系统开发还是下游制造的应用都走在全国前列。一是已集聚一批柔性制造设备和系统供应商。上海已吸引一批柔性制造系统国际领军企业落户，如芬兰的芬发自动化（Fastems）、德国的库卡集团等，其与上海制造业企业合作广泛，已在上海建成多条柔性生产线，如芬发自动化为上海奇众阀门打造高端定制柔性生产线等。此外，上海还有一批本土柔性制造设备和系统供应商正在加速崛起，如交大智邦、英集斯自动化、优博多维等。二是在汽车、航天等领域广泛运用。目前，上海已有较多柔性制造模式的实践，如汽车领域，博世华域、保隆汽车、汇众汽车、延锋汽车内饰等企业都配置了柔性生产线；航天领域，航天八院800所打造了工业互联网的航天多品种小批量产品智能化柔性制造新型能力，有力支撑了航天产品多批次、小批量敏捷柔性化生产。在工信部发布的《2023年度智能制造优秀场景公示名单》中，产线柔性配置入选项目有5个，入选项目数量在各省市中位居第一。



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多点发力支持柔性制造未来发展

1、支持柔性制造模式发展


支持制造或工程企业发展面向客户需求驱动的研发优化、智慧营销客户协同和供应商精益协同等新制造模式。鼓励企业开展共性技术研发，开发标准化产品或装备，加强模块化设计能力，通过标准化产品或装备的个性化集成，拓展个性化定制服务。支持企业打造贯穿全业务链的工业大数据平台，基于销量预测数据和算法分析，配备零部件库存、制定生产计划，柔性化改造生产系统，提升大批量个性化定制生产能力。

2、创新快速敏捷的柔性供应链


支持供应链管理企业运用物联网、区块链、大数据分析等新一代信息技术，打造敏捷响应、精益供给、高效协同的智慧供应链网络，为制造业客户提供供应链计划、采购物流、线边物流、交付物流、信息追溯等集成服务。推动物流仓储企业智能化转型，整合智能输送、分拣、存储等装备及定制化开发的物流软件系统，实现物流作业的高效运行。


3、

加大柔性制造项目示范应用力度

开展柔性制造试点示范行动，支持若干有示范性、引领性、标志性的柔性制造项目，构建一批中小制造企业柔性制造转型样板，发挥好柔性制造试点示范的引领、推广、带动作用，促进典型经验在更大范围内推广。


4、

加速培养和引进各类“柔性”人才

柔性制造是一种智能型生产方式，客观上要求高素质、复合型人才去掌握和运用它。比如柔性制造需要技术人员一专多能，并有很强的开拓创新能力，能根据消费者的个性化需求迅速研制出新产品，并快速制定和调整好相应的生产工艺设备；此外，对以顾客需求和偏好为导向的柔性制造方式的管理，也是对管理者能力的一种挑战。因此，需健全人才激励机制，加大与柔性制造相关的各层次人才培养和引进力度，畅通引才渠道，完善人才服务等。

5、

优化柔性制造发展的生态环境

搭建柔性制造系统供应商与其他制造业企业合作交流平台，组织召开柔性制造高峰论坛等活动，面向广大中小企业，普及柔性制造装备和软件、先进管理理念、关键制造工艺等，为柔性制造发展营造良好环境，共同推进柔性制造模式的应用与推广。