模块化生产制造系统（共12篇）
模块化生产制造系统 篇1
0 引言
产品制造是产品整个生命周期过程中从需求分析、功能设置、物料选择、产品设计、生产和管理、销售和服务、直到产品最终消亡的全过程[1]。神光Ⅲ激光装置装校系统的制造包括产品全生命周期中从系统总体功能分析到生产、加工、安装、使用、维护的全过程。装校系统的目标功能是实现激光装置中由光学元件和机械元件构成的在线可替换单元 (linear replace unit, LRU) 在满足洁净要求的前提下实现其位置变化及在激光装置中的安装、拆卸、替换等。由于LRU种类多, 大小和重量各不相同, 而装校系统需要完成多个LRU的“一对多”的装校方式, 会采用较多的大口径光学元件, 因而装校系统必须同时满足局部高洁净度、高定位精度、大尺寸、长行程、高效率等要求, 属于复杂机电系统。
在分析系统特征和功能的基础上, 本文提出采用模块化集成制造模式实现装校系统的集成制造, 阐述了模块化集成制造框架、系统集成制造的模块化分解、系统模块化集成、并行协同制造等关键技术, 解决了系统实现过程中的洁净、精度、效率等方面的问题。
1 功能定义和细化
产品功能是产品用途和各种特性的综合, 由技术系统体现。通常情况下, 产品功能没有详细的说明, 工程师需要根据顾客需求, 将问题用工程语言和符号清晰、规范地表达出来, 以描述产品功能[2]。
技术系统整体功能对应系统的总功能, 常用“黑箱法”来进行整体功能建模[3,4]。把技术系统看作黑箱, 其内部构造形式未知, 黑箱接收输入, 改变或者修改输入, 观测黑箱产生的输出, 分析比较其能量、物料、信息的输入/输出转换关系, 求得总功能。装校系统总体功能是实现洁净环境中形成的LRU, 保持局部洁净通过非洁净区域安装到洁净的激光装置中去, 其过程如图1所示。
复杂系统难以直接求得满足总功能的原理方案, 基本方法是利用系统分解性原理, 把综合功能分解成若干子功能, 建立功能系统, 通过子功能工作完成综合功能的任务。功能系统可分解为具有树状功能结构的功能树, 功能树起于总功能, 按分功能、二级分功能进行分解, 其末端为功能元。常用于创建功能树的方法有两种:采用自顶向下系统化的功能分析系统技术法[5] (function analysis system technique, FAST) 和采用自底向上的减件-运行法[6]。虽然是两种截然相反的设计方法, 但对于已有的产品设计都非常有效[3]。在设计早期, 一般采用FAST获得产品功能树, 并采用减件-运行法进行检查。
FAST以逻辑顺序来展示功能, 并对其主次关系进行排序, 检验功能之间的相互依赖关系, 且根据功能重要性不同, 设置各级功能, 进行功能分解、细化, 获得装校系统所需要具备的装校、洁净闭环、运输、定位、对接等次级功能。建立的装校系统功能树如图2所示。
2 模块化集成制造框架
模块化集成制造是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上, 划分并设计出一系列功能模块, 通过模块的选择和组合来构成不同产品, 以满足市场不同需求的一种制造方法。模块化集成制造中模块所处的层次水平决定产品制造过程的优化程度, 采用功能元层次模块可缩短功能元求解过程, 如果采用更高层次模块, 则可进一步分解细化功能, 从而更大程度地优化制造过程。模块化集成制造在功能设置分解以及概念设计阶段就进行模块规划和选用, 模块化思想贯穿产品市场分析、设计、加工、装配、产品使用、维修和报废的整个过程。模块化集成制造体系框架如图3所示。
模块是模块化产品的基本组成元素, 是实体概念, 同时具有相同功能和相同结合要素, 与功能体系中的功能分支或节点相对应, 具有某种确定功能和接口结构的、典型的通用独立单元。不同模块的研发和改进相对独立, 其信息处理过程被包含在模块内部, 通过标准界面与其他模块相互连接[7]。模块由一些零件 (元器件) 组成, 一个部件结构成为模块的条件是:部件的功能、空间以及其他接口特征在模块化产品特定标准接口允许的范围内[8]。对产品系统进行分析研究时, 要把其中含有相同或相似功能的单元分离出来, 用标准化原理进行统一、归并和简化, 使其以通用单元的形式独立存在, 亦即通过分解而得到模块, 然后通过不同的模块集成来构成多种产品[9]。
3 关键技术
3.1模块化分解
机械产品是相对完整的系统, 可以从多个角度进行分解。常常采用的分解方式是按照产品结构和组成将其分为若干部件 (机构) 和零件, 这种分解方式会导致系统比较松散, 带来集成的复杂性。采用系统功能分析的方法, 将机械产品总功能分解为比较简单的分功能, 使每个分功能的输入量和输出量关系更为明确, 从而求得各分功能的工作原理解[6], 这在一定程度上有利于功能集成。但对于复杂系统, 这种从系统功能分析入手, 通过功能分析、功能求解、功能元组合达到系统功能要求, 并且整体性能最优的方式, 在实现过程中存在运算量大、集成困难的问题。模块化集成制造方式, 可以降低系统分解和集成过程中的运算量与集成的复杂程度。系统功能模块化分解流程如图4所示。
有效的模块化分解过程必须遵循公理化设计, 也就是模块化分解过程必须满足独立公理和信息公理。Suh[10]针对产品功能特点提出功能独立设计公理, 指出“一个最优设计必须保持功能需求的独立性”。也就是说, 必须在产品的一个功能与产品的其他功能互不相关的前提下进行模块化分解, 否则需要将耦合的功能进一步分解以满足独立公理。
以功能相关分析为主进行模块划分的方法, 是将产品的总功能分解为一系列子功能, 并按照一定的相关性影响因素进行聚类分析。文献[11]从子功能之间的功能相关、装配相关、信息相关、空间相关的角度对功能进行分类划分。文献[12]提出一种功能模型定量化建模方法, 将模型中各个子功能与产品中传递的能量流、物流和信号流相关联, 并以客户需求程度为衡量尺度, 建立需求、功能数据库, 并将功能与需求的关系定量化, 由此作为模块划分与模块发展的主要依据[13]。根据以上方法, 结合装校系统的实际工程情况, 我们将装校系统模块化分解为升降机构系统模块、密封框架模块、密封机构系统模块、转向系统模块、行走系统模块、提升机构模块、水平调整机构模块、平面调整机构模块等, 如图5所示 (A-B部分) 。
模块化集成制造模块数据仓库包括模块数据库、模块性能参数仓库、模块功能库, 是模块化分解的依据。模块系统中的模块主要来自三个方面, 即成型模块、改型模块和新模块。成型模块就是市场上能够直接供应的模块, 该种方式的模块化集成制造, 在功能分解时应使功能元与市场供应相结合, 尽量选用市场上能够直接提供的功能产品。可以在需求分析、功能分析、功能分解阶段就提供明确的解决方法, 以明确产品制造过程, 缩短产品制造流程, 减少产品制造过程中的不确定因素。在市场供应的各种零部件或者成套供应系统的基础上, 抽象功能原理, 进行模块组合或者改型, 得到改型模块。可以采用基于案例的推理 (case-based reasoning, CBR) 方式[14]、基于原型的推理 (prototype-based reasoning, PBR) 方式[15], 也可以采用基于规则的推理 (rule-based reasoning, RBR) 方式[16]获得改型模块。某些功能由于环境或者空间等限制, 可能没有现成的模块可以采用, 需要建立满足功能要求的新模块。TRIZ方法对于改型模块、新模块创建和定义有一定的指导作用。
3.2模块化集成
模块组合和集成需要考虑各模块在结构上的关联和在控制信息上的关联, 是一个需要充分考虑如何确定合理的整体布局形式、恰当的传动和支承结构、适宜的检测控制硬件与信息处理方法等问题的过程[13]。模块化集成实际上是分系统与分系统之间的关系, 也就是接口集成。接口集成包括结构上的关联和特性参数的一致性:结构上, 相互连接的界面包括接触面的形状、大小、方向、位置以及相关的连接尺寸, 界面的表面特性也是很重要的部分;不同的分系统之间存在相互之间的参数匹配和协调问题。根据模块化分解得到的功能模块集成得到部件, 形成功能完备的装校系统, 其集成结构如图5所示 (B-C部分) 。
实际生产过程中的模块化集成是模块的总装配。装配是费用高的生产环节, 复杂产品的装配费用占生产成本的30%～50%, 甚至更高, 是制约生产自动化的主要因素[17]。因此, 最大限度地简化装配成为复杂产品降低产品成本的有效手段。采用模块化集成方式, 装配对象是功能独立的模块, 而不是零部件, 因此可大大简化装配的复杂程度、降低装配过程中的不确定因素。另一方面, 集成制造模式中的模块可以由不同地域、厂家独立完成, 在真实装配集成之前难以进行预装、试装等操作, 可以采用虚拟装配的方式实现集成过程的模拟, 尽早发现集成阶段可能出现的问题。传统的零部件组装也可以采用虚拟装配实现模拟, 但实现的难度和工作量与模块化集成虚拟装配是完全不可比的。由于模块化集成的对象相对独立, 且功能明确, 因此, 模块化集成虚拟装配相对于零部件虚拟装配来说易于实现, 其层次结构如图6所示。
3.3并行协同过程
模块化集成制造模式能最大限度地实现“集成地、并行地设计产品及其相关过程 (包括制造过程和支持过程) ”。产品开发人员从一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废的所有因素, 包括质量、成本、进度计划和用户要求。模块化集成制造不仅能并行实现模块之间的概念产生、设计、测试、生产、装配, 而且能并行进行模块的概念设计、技术设计、工程设计、原型及测试、加工和装配, 从而缩短制造时间, 优化并缩短制造流程, 减少制造过程中的不确定因素。装校系统模块化集成制造模式并行协同过程如图7所示。
4 讨论
4.1系统功能分解粒度
在基于功能设计的方法中, 产品功能分析分解是设计活动中的一个关键步骤。工程设计的通用设计过程模型多数采用自顶向下的分解方法, 先获得系统总功能, 然后进行分解获得子功能, 进一步分解得到功能元。从功能分解与重组角度进行产品方案构思的自顶向下的制造过程的关键是功能分解的终点, 即功能分解的粒度确定问题:功能分解粒度过细, 会导致由功能到结构映射计算量非常庞大以及创新程度不够;粒度过粗, 可能失去很多具有创造性的解, 有时甚至出现无解的情况。Sturges等[18]认为, 当分解到“已有部件、过程、子系统的功能抽象”的“支持功能” (supported function) 时, 分解应该停止。谢进等[19]认为最佳的功能粒度应该是能够实现功能到结构形式的对应。
模块化集成制造将构成产品的功能元或者子功能作为通用的基本组成单元, 称之为模块, 产品制造过程就变成模块组合和开发新模块的过程。将功能元集对应的基本行为划分为若干个基本行为子集, 考虑基本机构的“结构—功能”的特性, 将基本机构的行为集与基本行为子集进行动态最优匹配, 进而设置模块或者选用模块, 这样采用较少模块就可以满足需要的设计功能要求。模块化集成制造在功能分解时根据功能和结构的实际情况采用模块化的分解方式, 功能细化到功能模块则功能分解停止, 模块系统为产品模块化分解提供数据支撑。
4.2对洁净度、精度和效率的影响
装校系统需要在低洁净度环境下 (ISO8) 实现局部高洁净 (ISO5) 操作, 由此对装校系统的某些组成部分有较高要求, 模块化集成制造方式可实现不同使用环境下的模块在相应的洁净环境中集成, 只有局部高洁净要求的模块及包含的系统需要在高洁净环境中集成, 从而避免了一体化的制造方式的整个装校系统在最高洁净度环境中进行全部零部件总装需要的大面积洁净场所和长时间的装配约束, 在满足洁净要求的同时, 减少保持洁净环境所消耗的能源。
模块化集成制造是子系统层次的标准化, 系统精度经过分解后由相应模块子系统来实现, 系统集成主要是界面耦合。子系统级的模块由专业厂家进行设计、加工、装配、调试, 实现系统所要求的精度, 系统集成不影响各子系统的运行精度、定位精度和控制精度, 有助于保证产品质量和可靠性, 同时避免总装时的大量调试所需要的人力、物力和时间消耗, 而且具有良好的可维修性。
采用虚拟装配的方式, 有助于极早发现系统集成中可能出现的问题, 从而提高效率和节约成本。一体化制造方式由于零部件多、形状各异 (图6a) , 总装虚拟装配存在装配路径规划运算量大、虚拟装配工作量大等问题, 需要专门软件提供技术支撑, 而且受制于虚拟装配整体技术发展的制约;而模块化集成方式所需的模块子系统数量较少、形状相对规范, 装配路径的空间迂回余地较大、方向明确, 装配规划、装配过程运算量和工作量都大大减少, 易于在通用的三维CAD软件上实现, 效率大大提高。
5 结束语
本文提出了模块化集成制造体系框架, 分析了模块化集成制造的模块化分解、模块化集成、并行协同制造等关键技术及其实现过程中的重要方法。采用模块化集成方式, 实现装校系统模块化分解, 获得功能独立的机构子系统模块, 经过设计、生产、测试、子系统虚拟装配及模块集成, 实现系统制造。研制的装校系统, 经过假负载、真负载两轮实际使用过程的检验, 表明其能实现LRU装校需要的功能, 满足洁净度、精度、效率等方面的要求。模块化集成制造在提高效率、缩短周期、降低成本、提高产品质量和可靠性、降低制造过程中的风险和不确定性等方面具有明显优势, 但需要人员、技术、资金以及相关信息的支撑。在模块数据较少的早期优势并不明显。
摘要：为高速度、高质量地实现神光Ⅲ激光装置的装校, 在分析系统特征和功能的基础上, 提出采用模块化集成制造模式进行装校系统的集成制造。阐述了模块化集成制造的模块化分解、系统模块化集成和并行协同制造等关键技术。装校系统模块化集成制造解决了系统实现过程中的洁净、精度和效率等方面的问题。
关键词：集成制造,模块化,过程,装校系统,激光装置
模块化生产制造系统 篇2
申请报告
项目编制单位：北京智博睿投资咨询有限公司
资金申请报告编制大纲（项目不同会有所调整）第一章 电池模块和系统（电池包）产品项目概况 1.1电池模块和系统（电池包）产品项目概况
1.1.1电池模块和系统（电池包）产品项目名称 1.1.2建设性质
1.1.3电池模块和系统（电池包）产品项目承办单位 1.1.4电池模块和系统（电池包）产品项目负责人
1.1.5电池模块和系统（电池包）产品项目建设地点
1.1.6电池模块和系统（电池包）产品项目目标及主要建设内容
1.1.7投资估算和资金筹措
1.2.8电池模块和系统（电池包）产品项目财务和经济评论
1.2电池模块和系统（电池包）产品项目建设背景
1.3电池模块和系统（电池包）产品项目编制依据以及研究范围
1.3.1国家政策、行业发展规划、地区发展规划
1.3.2项目单位提供的基础资料
1.3.3研究工作范围
1.4申请专项资金支持的理由和政策依据
第二章 承办企业的基本情况 2.1 概况 2.2 财务状况 2.3单位组织架构
第三章 电池模块和系统（电池包）产品产品市场需求及建设规模 3.1市场发展方向
3.2电池模块和系统（电池包）产品项目产品市场需求分析
3.3市场前景预测
3.4电池模块和系统（电池包）产品项目产品应用领域及推广
3.4.1产品生产纲领
3.4.2产品技术性能指标。
3.4.3产品的优良特点及先进性
3.4.4电池模块和系统（电池包）产品产品应用领域
3.4.5电池模块和系统（电池包）产品应用推广情况
第四章 电池模块和系统（电池包）产品项目建设方案
4.1电池模块和系统（电池包）产品项目建设内容
4.2电池模块和系统（电池包）产品项目建设条件
4.2.1建设地点
4.2.2原辅材料供应
4.2.3水电动力供应
4.2.4交通运输
4.2.5自然环境
4.3工程技术方案 4.3.1指导思想和设计原则
4.3.2产品技术成果与技术规范
4.3.3生产工艺技术方案
4.3.4生产线工艺技术方案
4.3.5生产工艺
4.3.5安装工艺
4.4设备方案
4.5工程方案
4.5.1土建
4.5.2厂区防护设施及绿化
4.5.3道路停车场
4.6公用辅助工程
4.6.1给排水工程
4.6.2电气工程
4.6.3采暖、通风
4.6.4维修
4.6.5通讯设施
4.6.6蒸汽系统
4.6.7消防系统
第五章 电池模块和系统（电池包）产品项目建设进度
第六章 电池模块和系统（电池包）产品项目建设条件落实情况 6.1环保
6.2节能
6.2.1能耗情况
6.2.2节能效果分析
6.3招投标
6.3.1总则
6.3.2项目采用的招标程序
6.3.3招标内容
第七章 资金筹措及投资估算 7.1投资估算
7.1.1编制依据
7.1.2编制方法
7.1.3固定资产投资总额
7.1.4建设期利息估算
7.1.5流动资金估算
7.2资金筹措
7.3投资使用计划
第八章 财务经济效益测算
8.1财务评价依据及范围 8.2基础数据及参数选取
8.3财务效益与费用估算
8.3.1年销售收入估算
8.3.2产品总成本及费用估算
8.3.3利润及利润分配
8.4财务分析
8.4.1财务盈利能力分析
8.4.2财务清偿能力分析
8.4.3财务生存能力分析
8.5不确定性分析
8.5.1盈亏平衡分析
8.5.2敏感性分析
8.6财务评价结论
第九章 电池模块和系统（电池包）产品项目风险分析及控制
9.1风险因素的识别
9.2风险评估
9.3风险对策研究
第十章 附件
10.1企业投资项目的核准或备案的批准文件； 10.2有贷款需求的项目须出具银行贷款承诺函； 10.3项目自有资金和自筹资金的证明材料； 10.4环保部门出具的环境影响评价文件的批复意见；
10.5城市规划部门出具的城市规划选址意见（适用于城市规划区域内的投资项目）；
10.6有新增土地的建设项目，国土资源部门出具的项目用地预审意见；
10.7节能审查部门出具的节能审查意见； 10.8项目开工建设的证明材料；
酒店集团餐饮生产模块化探究 篇3
关键词：酒店集团；传统餐饮生产；模块化生产；大批量定制
中图分类号：F719．3 文献标识码：A
Modularization in F&B Production of Hotel Groups
WANG Sheng-guo,CHEN Jue
(Tourism CollegeZhejiang Gongshang University,Hangzhou 310018,China)
Abstract:Large hotel groups have the absolute advantage in China's F&B industry,so that even one group can operate many hotels in one city in different styles. It becomes the most important issue to develop the group in a sustainable way that how the hotel group can adapt to the change of demand in the new age and how to adapt to the demand of group F&B production development. The paper introduces how the idea of modularizedproduction can innovate the traditional F&B production so as to meet of consumers demand in a broad way.
Key words:
中国的餐饮市场经过20多年的改革与发展，已进入了一个全新的发展阶段。大型酒店集团在中国餐饮业已占有绝对优势，如：东方航空酒店集团已有30家酒店，三星级以上的酒店就有12家，建筑面积达到了20万平方米。个别酒店集团在一个城市就经营着多家大中型酒店，甚至由一个城市逐步发展到全国，如：杭州“红泥”餐饮集团公司独资开设的大中型餐饮企业已有十多家（杭州4家、上海4家、南京1家、北京1家、仪征1家、长兴1家、宁波1家），并列入全国餐饮百强企业行列。那么，酒店集团如何适应发展阶段的变化要求；如何适应酒店集团餐饮生产的要求和风格特点一致的要求；如何适应新世纪餐饮发展潮流的要求；如何满足广大消费者个性化、人性化的餐饮要求等自然成为酒店集团可持续发展的头等大事或需要关注的大事。首先，酒店集团必须把上述四方面作为企业发展过程中需要重点研究的课题或重要的内容来加以探讨与研究，并整理和制订出相适应的经营理念、经营方式来满足不同层次、多样化的餐饮消费需求。同时，选用科学的、先进的生产方式来组织酒店集团的产品生产，使其提供的产品无论在同一个城市或不同的城市均能达到规范化、标准化、统一化的标准。从而使酒店集团的餐饮生产，达到加工合理、配菜简洁、生产迅速、品种多样、质量统一、营养健康的要求，使酒店集团的餐饮生产逐步接轨世界。
一、酒店集团餐饮生产现状与未来发展
目前酒店集团的餐饮生产状况仍然处于手工操作阶段，虽然有了一部分机械设备或个别酒店集团开设了中央厨房，但是，总体来讲距离机械化生产或工业化生产仍然存在着较大的距离。其主要原因有以下四方面：
1.传统中式点菜餐饮以丰富多彩的菜点品种来提供个性化、人性化的服务。而这些产品在生产过程的有效控制和产品质量的稳定性，都必须依赖于人的工作责任心、操作技艺和个人状态（包括身体状况、心理状况，以及传统习惯和饮食爱好等等方面的原因，这些原因均会影响到个人的发挥），如某一方面出现差错，就容易导致产品质量不稳定或产品的差异。
2.个人习惯和师承的不同或生产缺少标准化工艺的制约，也会导制产品的多样性。由于，各地对菜点制作的方法和特点理解不同、看法不同、审美观点不同，就容易造成菜点在制作上的差异。特别，缺少投量标准、工艺标准和质量标准，势必会导制所有的产品，多种的制作方法和多种的成品特点，在一定程度上必然会影响到消费者的餐饮情趣和企业的声誉。
3.中国菜是个庞大的食品家族，产品多达60000余种，很难使每一名操作人员都熟悉和掌握产品的工艺流程和制作特点。从而造成了生产的混乱和产品质量的不确定性；导致了餐饮业很难在短时间内获得标准化工艺的数据，直接影响或阻碍了中国餐饮业在短时间内实现机械化生产或工业化生产的可能性。
4.中国的餐饮市场正朝着多样化、个性化的方向发展，餐饮业为了迎合和满足消费者的需求，就必须不断地推出新产品来吸引消费者。而多样化和个性化的菜点设计，需要有一大批人去研究探讨。而我国目前餐饮业最缺此类人才，从而造成了餐饮市场产品雷同或千篇一律的现象。而对于信息技术或高科技技术在餐饮业的运用，仅仅停留在点菜、结算等等方面。而对于菜点制作流程和菜点创新设计，仅仅停留在一种想象或理论上的研究，它必然会影响到餐饮业的发展和菜点的不断创新。
为此，酒店集团必须面对现实，借鉴其它行业先进的经验和方式来提升酒店集团餐饮生产的科学化，即：根据酒店集团餐饮生产的实际情况、供应情况和消费情况，确定一种新的餐饮生产模式，来改善或提高酒店集团餐饮生产的落后状况，从而达到和接近国际餐饮的生产标准。而模块化生产恰好符合传统中式点菜餐饮的生产要求（多样化和个性化的生产要求），并能满足当前餐饮消费变化快的特点，应该说是新世纪酒店集团餐饮生产的一种全新模式，它不仅可以促使中国的餐饮业早日实现标准化生产，而且还可以帮助中国的餐饮业早日实现机械化生产或工业化生产。
二、模块化生产的概念、基本理念和模块化餐饮生产设想
（一）模块化生产的概念、基本理念
模块化生产的概念是在产品（尤其是制造装备）模块化设计基础上发展形成的。模块化设计是对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能，不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列的功能性模块（通用模块和个性模块），通过模块的合理选择和组合来构成不同的能满足顾客不同需求的个性化产品的一种设计方法。它的基本理念是按照模块化原则将制造系统分解成一些结构和功能独立的标准单元模块，然后按照特定模块化产品的制造要求进行模块的组合，创造一种柔性的生产环境或条件，使生产系统能够很快地适应新产品的生产需要。其本质就是在现代计算机技术和信息技术的支持下，采用模块化原理对产品及其生产系统进行全面建设，以提高系统的柔性和可变性。为此，酒店集团的餐饮生产必须根据模块化生产的基本理念，将菜点生产的工艺流程有目的的分解成若干个生产模块（主体模块、辅助模块和模块接口），并通过模块与模块之间的有机组合或计算机的科学编排来组织生产和设计新菜点。当然，在组织生产或设计新菜点时也不能忽视酒店的定位、服务对象、消费者承受能力和当代餐饮发展潮流的变化趋势等因素，从多方面、多角度满足消费者求新多变的心理要求。
（二）模块化餐饮生产的设想
模块化生产是实现大批量定制的具体方法和途经。因此，模块化生产必须符合大规模定制的生产理论，如：1970 年,托夫勒(Alvin Toffler) 在其《Future Shock》一书中提出了一种全新的生产方式的设想:以类似于标准化或大批量生产的成本和时间,提供满足用户特定需求的产品和服务； 1987 年, 达维斯(Stan Davis) 在《Future Perfect》一书中首次将这种生产方式称为“Mass Customization”,即大批量定制,简称MC。同时，也必须符合大批量定制的原理，如：美国学者Pine则提出，大批量定制的目标在合理的价格下提供足够多的产品花色品种类型使几乎每个人都能从中找到自己想要的（这些也被认为是大批量定制的广义式概念）。基于这个概念，笔者将模块化餐饮生产的设想建立在仿照制造业类似的基础上，将模块化餐饮生产划分为餐饮产品本身的模块化和生产流程的模块化。
餐饮产品本身的模块化涉及到餐饮产品的标准化和餐饮产品族的建立。企业需对提供的产品和服务，特别是菜点等有形要求实施标准化，并在标准化的基础上结合顾客的需求确定产品结构的生产模块，如：鸡丁菜肴生产模块、鸡丝菜肴生产模块、鸡块菜肴生产模块和整鸡菜肴生产模块，等等。产品结构的模块化涉及到两个主要问题，一是产品的标准化，即：产品通过筛选、归纳、整理成标准数据，再整合为标准模块。 二是在标准模块的基础上建立产品族，即在各种模块之间建立起关联，形成最终产品的范围和品种，模块化餐饮生产设想图如图1所示。
生产流通的模块化，是将中式菜点进行系统的分析，并在分析的基础上，把模块化原理运用于产品的整个设计与制作过程,并将产品的部件形成多种生产模块，以不同模块的组合和计算机的程序编排来组织生产或设计产品（半成品）。并在不同模块接口（各种传热接口）的制约下，形成多样化和个性化的产品或新产品,真正使中式菜点的生产与设计，能符合标准化、模块化和机械化的生产要求。
三、模块化生产是酒店集团餐饮生产未来的发展方向
为了能使中式菜点的生产与设计，能符合标准化、模块化或机械化的生产要求，就必须将生产原料、工艺流程等进行系统的划分，使其符合或达到模块化或大批量定制的生产要求和设计要求。
（一）生产原料的模块化划分
生产原料的模块化划分是餐饮生产和菜点设计，最为基础也是最为重要的内容之一。它不仅涉及到生产流程是否科学合理，而且还关系到产品是否具有创新性和能否达到菜点多样化、个性化和人性化的要求。按照模块化生产的原理，生产原料一般划分为二大类：一是主体模块；二是辅助模块。
1.主体模块是指产品的主体，又称通用模块或公用模块。它既可以是整型原料，也可以是改刀后的碎散型原料，但必须在整个产品中占主导地位，即：
2.辅助模块是指产品中的辅助部分，又称个性模块。辅助模块一般可分为配料类模块和调料类模块。
配料类模块是指形状小、数量少、色彩鲜艳、质地脆嫩或形态优美的一类配料。
调料类模块是指各种调味品和香料，经过加工、调制后的复合调味品。
虽然，二种辅助模块使用量都很少，但它可以改变菜点的色泽、形状、滋味和香味。是制作和设计个性化和人性化菜点的重要基础，更是设计新菜点的关键因素之一。
(二)传热介质的模块化划分
传热介质的模块化划分是指菜点制作过程中给予产品加热的一部分因素。模块接口一般可分为液态传热接口、气态传热接口、固态传热接口和非热熟处理接口等四大类。由于，模块接口的性质不同和主、辅模块的性质各异，就可以生产出风味各异、品种多样化或个性化的菜点。为此，模块接口对菜点制作与创新设计具有制约作用，也就是讲设计新菜点必须考虑到模块接口与主体模块、辅助模块之间的相互关系，即：主体模块、辅助模块的性状和功能、营养等等方面的因素，只有三者符合了生产要求，才有可能生产[LL]出色、香、味、形、质、营俱美的佳肴或符合多样化和个性化的生产要求。反之，就不可能组织传统菜点的生产或新菜点的设计。由此可见，模块接口对菜点制作起着决定性的作用，也是保证菜点达到菜点属性要求的重要因素之一。
（三）模块化生产与菜点设计
菜点多样化并不是仅仅根据人们的构想和饮食要求来设计菜点，也可以根据主体模块辅助模块和模块接口的科学、合理的搭配或计算机的程序编排来设计菜点。首先，这二种设计方法都不能忽视顾客、竞争者、美食家、制作者、管理者等意见或提供的信息；其次，还必须结合企业经营的理念、企业的定位和消费者反馈的意见来进行创新设计，如：主体模块与辅助模块的营养互补、食疗互补、形状互补、色泽互补、滋味互补和价格互补；不同的模块接口、不同的温度、不同的加热时间均能达到多样化、个性化的设计要求，甚至于还能设计出价廉物美、消费者欢迎、符合模块化生产的美食。如：以鱼片为例，即可生产出下列传统名菜和创新设计出下列创新菜肴。见表1
参考文献：
［1］王圣果. 信息化与中国的餐饮业. ［J］ 商业研究，2006（4）.
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［3］ 陈觉. 超越麦当劳的中式餐饮运营新哲学［J］.饮食文化研究，2004（4）.
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［5］ 张建业、李勇平.餐饮产品标准化生产与定制化生产是宾馆餐饮的取胜之道［J］.旅游科学，2003（3）.
［6］ Silveira, G D, Borenstein D,Fogliatto F S. Mass Customization: Literature review and research direction [J], International Journal of Production Economics, 2001.（1）
（责任编辑：阿莲）
模块化生产制造系统 篇4
模块化生产加工系统是德国FESTO公司生产的教学设备, 体现了机电一体化技术的实际应用。该设备是一套开放式的设备, 用户可根据自己的需要选择设备组成单元的数量和类型。由多个单元组成的系统可以体现出自动生产线的控制特点。传感器一般处于研究对象或检测控制系统的最前端, 是感知、获取与检测信息的窗口, 是自动化系统不可缺少的组成部分, 是实现自动控制的主要环节。
模块化生产加工系统中主要用到了光电传感器、电感式传感器、电容式传感器和磁感应式传感器等四类传感器。
一、光电式传感器
光电传感器是把光信号转变为电信号, 不仅可测光的各种参量, 还可把其他非电量变换为光信号以实现检测与控制, 又称为光敏传感器, 或光电探测器。光电传感器具有无损伤、不接触测量元件、灵敏度高、精度高、测量范围广、响应速度快、体积小、重量轻、寿命长、可靠等特点。
1. 对射式光电传感器
对射式光电传感器的光发射器和光接收器处于相对位置, 面对面安装。光纤 (探头) 共有两根, 一根用于导出光线, 一根用于导入光线, 其作用只是传导光。若有物体通过光路, 发射器和接收器之间的光线被阻断, 引起传感器输出信号的变化。因此, 对射式光电传感器是检测不透明物体最可靠的检测模式。如安装在模块化加工系统供料单元送料模块料仓中的对射式光电传感器, 就用于检测料仓中有无工件。
2. 反射式光电传感器
反射式光电传感器的发射端和接收端是做在一起的, 在工业生产中用的最多的是漫反射式和镜反射式光电传感器。
(1) 漫反射式光电传感器
漫反射式光电传感器集发射器和接收器于一体, 二者处于同一侧位置, 利用光照射到被测物体上后反射回来的光线而工作。由于没有反光板, 正常情况光反射器发射的光, 接收器是无法接收到的, 只有当被检测物经过时, 将光发射器发射的光部分反射回来, 使光接收器得到光信号, 传感器才产生输出信号。对于表面光亮或其反射率极高的被检测物体, 漫反射式光电传感器是首选的检测模式。
(2) 镜反射式光电传感器
镜反射式光电传感器也是集发射器和接收器于一体, 二者处于同一侧位置, 在其相对位置安置一个反光镜。利用光反射镜, 发射器发出的光线经过反射回到光接收器。在光的传输路上如果没有被检测物体, 则接收器可以接收到发射器发出的光线。如果在光的传输路上有被检测物体, 则接收器接收不到光线, 引起传感器输出信号的变化。在检测单元中, 镜反射式光电传感器作为安全检测之用。
二、电感式传感器
电感式传感器是利用线圈自感或互感系数的变化来实现非电量电测的一种装置, 能对位移、压力、振动、应变、流量等参数进行测量。它具有结构简单、灵敏度高、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强及测量精度高等一系列优点, 因此在机电控制系统中得到广泛的应用。电感接近式传感器属于一种有开关量输出的位置传感器, 又称为电感式接近开关。这种接近开关所能检测的物体必须是金属物体。在加工单元, 电感式接近开关用于旋转工作台的定位, 驱动工作台旋转。
三、电容式传感器
电容式传感器是以各种类型的电容作为敏感元件, 将被测物理量的变化转换为电容量的变化, 再由转换电路 (测量电路) 转换为电压、电流或频率, 以达到检测的目的。因此, 凡是能引起电容量变化的有关非电量, 均可用电容式传感器进行电测变换。电容式接近开关亦属于一种具有开关量输出的电容传感器, 其检测物体既可以是金属导体, 也可以是绝缘的液体或粉状物体。当检测物体是非金属时, 检测距离要减小。在检测单元中, 电容式传感器和漫反射式光电传感器配合使用用于识别工件的颜色和材质。
四、磁感应式传感器
磁感应式传感器是一种将磁信号转换为电信号的器件或装置, 具有体积小、惯性大、动作快等优点。磁感应传感器用永久磁铁驱动时, 多作检测之用, 如作为限位开关使用, 取代靠碰撞接触的行程开关, 可提高系统的可靠性和使用寿命, 在PLC控制器中常用作位置控制的通讯信号。磁感应传感器只能检测磁性介质, 检测范围与磁场强度有关。在操作手单元中, 在磁性无杆气缸的两端分别安装有磁感应传感器, 以检测操作手运行位置。
下面以模块化生产加工系统中的成品分装单元为例, 分析传感器技术在模块化加工系统中的应用。
成品分装单元的作用是对加工后的工件按照材质和颜色进行分拣, 将它们分别放置在3个不同的滑槽上。该单元由工料检测模块、传送模块组成。
工料检测模块:工料检测模块用于识别工件的材质和颜色。该模块由漫反射式光电传感器、电感式传感器及光电传感器和阻挡气缸组成。漫反射式传感器位于传送带的起始位置, 当工件被放置在传送带的起始位置时, 首先受到漫反射式传感器的检测。此时, 传感器的光线被遮挡后返回, 就输出信号“1”。所以, 漫反射式传感器用于检测传送带有无工件传送。电感式传感器和光电传感器用于检测工件的颜色和材质。电感式传感器在有金属物质接近时就动作, 输出信号“1”;光电传感器对于接近它的物体反射回的光线达到一定程度时发生动作, 可以用于识别非黑色物体。所以, 这3个传感器单独使用时, 无法达到检测的目的;当它们联合检测工件时, 就可以实现工件和材质的识别。表1为传感器检测信号的真值表。
模块化生产制造系统 篇5
基金项目：国家自然科学基金 批准号：71272242
摘要：模块化生产是特定条件下出现的一种新的生产方式，随着模块化的不断发展，在汽车制造行业发挥越来越重要的作用，每个车企都在试图发挥模块化的最大效用。本文主要研究了模块化的发展、组织模式以及在我国汽车业的发展现状。本文认为模块化生产为我国汽车业的发展提供了良好的契机，我国车企应充分把握住这个机遇，发展民族汽车产业。
关键词：汽车业；模块化；零部件供应商
引言
模块及模块化的概念最初来源于产品生产领域，主要是为了将产品分解成多个部分进行设计与生产。Ulrich&Tung认为，可以根据产品设计的两个特点来定义模块化，即设计的实体结构（物理结构）和功能结构之间的相似性，以及实体组件之间的相互影响最小化。Ulrich将模块化定义为“将功能结构中的功能要素与实际产品中的实体要素一一对应，并对要素间的非成对界面予以详细说明”。这种模块化结构有很多优势：单个模块功能的分解有利于各模块最大化发挥自身的功能；减少对难以认知的界面的设置；方便在产品生命周期内的操作和使用。
一、汽车产业模块化进程及特征
产品的构建模式根据功能和物理结构相对应关系，可分为集成化和模块化。集成化产品是两者之间的多对多关系，而模块化的产品则是是一对一的关系。计算机是模块化产品的典型代表，因为计算机产品可以比较清楚的分解为多项明确的子功能，如运算、控制等，而这些功能都是由对应的CPU、主板、硬盘等物理结构来实现。模块化结构全面、具体的规定了每个零件的功能等要素特征，因而这些零部件由谁来生产并不十分重要，只要是符合生产规定的要求，就可以实现相应的功能，这才是最重要的。
汽车业长期以来都是以产业链的垂直分工为基础，它本身就是一种模块化程度较低的产品，甚至有一些学者认为汽车本身就是一体化的产品。但是，迫于成本、技术创新等方面的压力，各大汽车公司开始采取模块化的生产管理方式。为了降低生产成本，节省装配时间，缩短上市周期，各大汽车公司开始要求零件制造商成套、成系统的供应，向装配模块化发展。
尽管各个汽车厂商已经开始优化零部件供应，汽车的模块化程度与国外先进企业相比还是较低。从产品的技术层面来看，一方面，汽车产品的重量、体积等都比较大，不便于产品各模块的远距离运输，所以，模块供应商多集中在生产厂商的周围，这样就失去了资源全球配置的机会；另一方面，汽车的外形设计及内部构造的`设计比较复杂，不容易实现结构的模块化。从市场需求的层面来看，客户对汽车产品的个性化需求是购买前的个性化与使用后的兼容性的统一，并且更偏重于前者。而用户的个性化需求则要求汽车制造商不断研发新的车型，在满足客户需求的过程中，模块化技术就是通过选用不同的部件从而得到变型的模块，然后通过这些变型的模块组成不同的变形车。这样既可以节约成本，又能缩短产品的生产周期，缩短客户等待时间，提升客户满意度。因此，汽车制造商是产品模块化设计及生产的主导力量。
二、汽车产业模块化的组织模式
汽车产业的模块化过程包括产品设计到制造完成整个过程，汽车制造厂商作为界面规则的设计者，根据模块化设计完成整车的结构和功能的模块化分解，建立相关的检验标准等。而在这个过程中，模块供应商有着很大的自主权，特别是在模块设计方面，并负责模块的设计、开发、制造以及售后服务等，除此之外还负责把模块供应至整车厂的模块化装配线，完成组装。图一展示了汽车制造的模块化过程。
图一模块化汽车制造过程
模块化技术是在系统设计规则的要求下，实现其功能所需要的内部知识的集合，可分为关键模块技术和一般模块技术。关键模块的内部技术一般都比较复杂，与其他模块间都有联系，另外，它的模块功能构成整个模块化系统的主体或者成为主体的重要组成部分。可见，关键模块包含了这个模块系统的大部分标准信息，他们之间的相互作关系形成的关键模块层规定了其与一般模块的联系规则。关键模块技术具备产业技术平台的基本特征，往往会引起整个模块系统的变动，因此它是模块化产业的技术平台。（如图二所示）。
图二模块化产业技术系统的结构
模块化的发展改变了传统汽车的生产组织方式，为组织变革提供了契机。到目前为止，汽车产业的生产组织方式主要包括欧美的扁平结构和日本的金字塔结构。扁平结构是车企直接与零部件企业进行交易，而金字塔结构则是有多个层级的零部件企业，通过层层供应零部件，最终到达汽车组装企业，所以与组装企业直接交易的企业数量要比扁平结构要少的多。对传统的生产组织结构来说，金字塔模式更加符合模块化的发展要求。丰田公司根据这种模块化关系首创了“认可图纸方式”，事先由组装企业确定零部件的基本要求，然后交给零部件企业去设计图纸，反过来再让组装企业验证设计图纸的合理性，获得认可之后就可以投入生产，这也可以看作是设计的模块化。因此，为了使模块化更好的服务于企业发展，欧美车企的生产组织模式需要更大程度的变革。与此同时，强调使用模块化来进行研发的日本企业，最近几年也迫于降低生产成本的压力，不得不突破现有的组织模式，进行全球性采购。
三、模块下中国汽车发展现状
企业在其生命周期的早期阶段往往是模仿跟进其它成熟企业，重点开发低端市场，而在发展的过程中则需要掌握更多的系统知识，以此来改进开发更符合客户需求的车型，提升整车开发技术。这就要求我国企业要自主掌握关键模块知识，对关键模块拥有自主知识产权，这样才能打破跨国公司对中国车企的技术垄断。在扩张成长的过程中，车企为了防止技术提供方恶意中断技术供给或拒绝技术适应性改进，必须要摆脱原有关键模块技术提供方的技术垄断，实现对关键模块知识的自主掌握。
我国车企是一个类似环状结构的生产组织模式，以整车制造为中心，多个零部件企业环绕在它的周围。处于中心的是整车企业，与他们关系最为密切的是核心零部件供应企业，仅仅环绕在它的周围；再往外一层是骨干零部件企业，这些企业一般都有整车厂的参股或由整车厂直接控股，具有独立法人资格，其生产都要遵循整车厂的安排；最外面一层就是协作企业，他们与整车厂在年初的时候制定供需计划，生产计划均按上述计划执行，两者是供需关系。但是在中国大部分零部件生产企业离整车厂都比较远，而有实力的供货商多是拥有外资背景的企业，所以在供货商的选择上整车厂显得尤为重视。在市场经济的条件下，选取多个供应商，使之充分竞争，综合考虑，选择最优合作对象。当然，也有独家供货方的情况存在，这就需要双方制定详细的规则，严密的合同，来保证双方的利益。我国零部件企业的空间布局相对都比较集中，都分布在车企的周围。比如上海、江苏等地的零部件制造商多为上海大众及通用提供相应的零部件。这种布局的形成有产业布局需要方面的因素，也有地方保护主义的色彩。但是随着市场经济的建立和竞争的加剧，这种配套体系正在被打破。
四、结语
模块化的设计和生产使模块间的竞争变的更加激烈，模块更新速度快，既缩短了产品的开发周期，又最大限度的满足了客户需求，因此任何一个企业都不可能在所有的系统模块上都保持领先，这将给汽车产业链上下游的企业体统更大的发展机会，因为模块的选择和技术功能的组合存在很大的发展空间。因此，我国车企在新的国际分工环境下，应当充分抓住模块化生产多带来的巨大机会，融入到全球模块化生产网络，逐步成为有竞争力的车企
参考文献
[1]申诚.模块化:一种新生产组织方式的导入[J].企业改革与管理,,09:5-6.
模块化生产制造系统 篇6
[关键词]生产运营管理；实践教学；模式
《生产运作管理》是现如今高校管理类专业的专业核心课程，该课程内容涉及学科众多，对学生的前期知识积累要求较高，目前传统的教学中重理论讲解，对实践环节投入相对较少，大多停留在课堂简单案例分析的阶段，这就让学生对学习该课程变得更加困难，学习效果不理想。企业实习与企业调研作为高校实践教学的重要平台，对学生动手能力和创新能力的培养具有重要作用。本文将探讨如何发挥学生为主体，借助企业调研构建《生产运作管理》课程实践教学新体系。
1.《生产运营管理》课程教学改革
本次教学改革对象为成都信息工程大学银杏酒店管理学院2012级信息管理与信息系统专业学生，在课程的教学内容、教学方法、教学组织形式、实践环节及最终考试形式上进行了相应的改革尝试，具体做法如下：
1.1教学内容设计上的改革《生产运营管理》作为一门管理类的综合性课程，涉及交叉学科众多，单纯的理论讲解让学生难以接受，所以在课堂教学过程中应该综合理论学习与实例分析，新加入学生的课外企业调查活动，提高学生本身的课堂及课外参与度，积极发挥以学生的主体性，刺激学生的求知欲。这样既为《生产运营管理》增加了鲜活的实践资料，又培养了学生的综合能力。
1.2《生产运营管理》教学方法、教学组织形式改革《生产运营管理》主要是研究企业生产系统的设计、运行、维护和管理，这对在校大学生来说是相对抽象的，仅通过课本知识是难以很深入理解的。为了达到预期的教学效果，让学生对课程产生学习兴趣并获得丰富的收获，在教学方法及教学组织形式中，不断进行创新，有利于教师与学生及学校三方获益。为此本次教学改革，在传统方法相结合的基础上，还增加了以下教学方法：
第一，多媒体辅助教学。多媒体教学虽然在高校已经非常普及，但是大多数教师仅是把它作为陈列课本世纪知识的一个工具，极大了缩小了多媒体在现代教学中的作用。在《生产运营管理》的教学过程中，应该多运用多媒体给学生呈现课本中没有涉及到但又是与本课程极大相关的知识，图表及影片，这样既提高了学生学习兴趣，又增加了学习的知识面。
第二，增加实际案例分析。案例分析是课堂上教会学生如何运用课本知识的一个有效方法，大学课堂的理论讲解少不了案例的支持，但课本上的案例都比较的陈旧，数据比较过时，使得对不断变化的现实问题的支撑力降低，所以在这次的教学改革过程中，不断的增加新案例，对实际问题进行剖析，会更加增加教学过程的科学性，也更会大大吸引学生的注意力。
第三，引入形象图表分析。生产运作管理作为一门综合性交叉学科，理论综合性较强，学生接受困难。在教学过程中，不断的增加简单新颖的形象图表有利于学生对理论知识的深刻理解，在学习过程中更容易的接受知识并灵活的运用。
第四，有效利用学院网络平台应用。纸质版的传统作业提交形式已经开始让不少大学生感到没有新意并且越来越不认真对待。在本课程的教学过程中，取消学生的纸质版作业，改为利用学校网络教学平台来有效连接学生——作业——老师，既让学生感觉到创新，又提高了学生的参与，把被动作业变成了主动作业，大大的提高了学生的学习和作业兴趣。
第五，小组学习讨论。小组学习法已经普遍运用于各个高校的各种课堂中，既有利于学生之间的沟通，也为学生与教师的沟通增加了更多的机会。本课程在教学过程中，主要是让学生进行小组案例讨论，并在有限的准备时间后向全班同学展示各组最终讨论的结果并加以解释，这不但让学生参与其中，而且培养了相互沟通，团队合作的精神，提高了学习在课堂中的兴趣。
2.《生产运营管理》教学实践改革
《生产运作管理》是高等学校经济管理类各专业的主干课程，其传统教学中一直存在重理论轻实务、重科学知识轻传授能力的问题，其实践教学环节比较薄弱，大多停留在实验室教学的阶段。企业实习基地作为高校实践教学的重要平台，对学生动手能力和创新能力的培养具有重要作用。本文将探讨如何依托高校企业实习基地，构建《生产运作管理》课程实践教学新模式。
《生产运作管理》实践教学新模式与传统的实验室教学具有很大的不同，它将充分依托企业实习基地，根据企业实习基地的条件和生产实际进行实践教学体系设置，主要包括课程认识实习、课程设计实习、企业考察实践等三个方面内容。
2.1课程认识实习
本课程认识实习是结合课程教学内容要求，组织学生到企业实习基地参观企业生产车间、生产工艺流程、生产物流、库存管理等，使学生对实习企业的生产运作过程和设施有初步的感性认识，对本课程的深入学习打下基础，这是一种比较好的理论联系实践的实践教学方法。课程认识实习一般安排在课程理论教学的前期，时间大约为半天或一天，主要学生参观企业实习基地为主。
2.2课程设计实习
在课程理论教学结束后，让学生自行组织进入当地的一些比较熟悉的企业进行生产运作流程的考察，了解企业的实际运行情况，并要求学生利用自己所学知识和方法，对企业在生产与运作过程中出现的相关问题，进行分析并提出解决方案，从而完成本课程的设计。课程的设计实习的时间可以定为两周，让学生在调查过程中有充分的时间去了解企业和企业的文化，为本课程学习提供一定的实际案例支撑，让学生能够更好的把理论运用于实际生活当中去。
2.3企业考察实践
本课程的企业考察实践是利用寒暑假社会實践机会，学生以小组的形式，由专业老师带队组织学生进入社会实际企业进行实地考察与生产实践。企业的实践时间安排定为半个月。在去企业之前，教师与学生共同讨论在企业中可能存在的一些问题，并结合课本资料进行一定程度的讨论，明确在实际实践中要完成的目标与任务，让学生有目的的进入企业实践。企业生产实践可以提高学生观察问题、分析问题和解决问题的能力。
3.结论
通过此次课程的教学环节及实践环节的改革，大大提高了学生们对本课程的学习兴趣，激发了学生对课程学习的热情，加深了对课程本身的理解和对实践项目的掌握；同时减化了课程的难度，让学生在学习过程中更加的主动积极。
参考文献
[1]陈荣秋.《生产运作管理》（第三版）[M].北京：科学出版社，2015
[2]陈荣秋，马士华.生产与运作管理[M].北京：高等教育出版社，1999.
科研项目
2014-2015，四川省教育厅教学改革科研项目。
模块化生产制造系统 篇7
一、MPS的结构与功能
机电一体化培训实验室的教学设备MPS是典型的生产加工物流系统, 由5个独立的单元组成, 包括:供料单元、检测单元、加工单元、提取单元和存储单元。整个系统基本涵概了加工和检测一个工件的全部过程, 体现了自动化生产线上物流、能量流和信息流的概念。其过程为:供料单元从料仓中分离工件毛坯, 并通过摆动气缸将工件毛坯送到检测单元;检测单元确定待测工件的材质特征和高度, 剔除废品或将合格工件送到加工单元;加工单元对工件进行加工, 并检查工件的加工尺寸;提取单元从加工单元移走工件, 将合格品送到存储单元或将不合格品送至废品滑道;存储单元对检测合格的工件按其特征属性进行分类并送到不同滑道中。
M P S的工作每个单元由一台独立的西门子S 7-300PLC控制, CPU为315-2DP (带PROFIBUS接口) ;各工作单元可以单独工作, 也可以组成系统完成整个加工过程。目前各工作站之间通信采用的是I/O方式, 即一个工作单元PLC的输出与另一工作单元PLC的输入相连, 从而实现各工作站的协调动作。这种控制方式存在以下缺点:1.占用PLC资源多;2.信号远距离传输抗干扰能力差;3.不符合现代工业控制系统网络化结构的理念;4.MPS系统不具备上位计算机监控功能。
为了解决上述存在的问题, 紧跟工业自动化控制领域的步伐, 采用现场总线技术、软PLC技术和组态软件技术对MPS的控制系统进行改造。
二、MPS监控系统的构成
MPS监控系统采用PROFIBUS总线连接各个工作单元的PLC与主控计算机, 构成基于PC的自动化监控系统。PC机运行Win AC作为PROFIBUS总线的1类主站, PC机运行Win CC作为PROFIBUS总线的2类主站, 其系统结构如图1所示。包括:监控计算机、PROFIBUS总线适配卡、PLC (S7-300) 、PROFIBUS-DP总线网络。分布在现场的PLC节点分别连接生产线的送料、检测、加工、提取和存储单元, 并通过PROFIBUS-DP通信接口与总线相连;监控计算机运行软PLC软件Win AC和组态软件Win CC并通过总线适配卡和连接在PROFIBUS-DP总线网络上的各个单元的PLC之间进行实时通信, 从而实现整个模块化生产加工系统的分散控制和集中监管。
三、MPS监控系统的组态
调试与检验基于PC的现场总线系统前必须组建总线网络, 并进行网络组态。组态是在STEP 7软件中完成的, 主要分为以下3步。
第1步:组态基于Win AC的PC主站。启动SIMATIC Manager, 创建一个新的工程, 并在此工程下插入一个“SIMATIC PC Station”。将默认名“SIMATIC PC Station (1) ”改成站名“Win AC”。在SIMATIC Manager中选择Win AC, 双击“Configuration”, 进入HWConfig硬件组态编辑器。在HWConfig窗口右边的硬件目录中选择Win LC V4.1, 用鼠标拖入左边的2号插槽中, Win LC是Win AC中的Logic Controller组件。在硬件目录中选择V4.1下的CP 5613, 将它拖放到左边Win LC下的IF1插槽中, 与在PC Station中的组态一致。接着自动弹出Properties-PROFIBUS对话框, 单击new按钮新建一个PROFIBUS总线, 设置总线的参数, 并设置本站的PROFIBUS地址为1, 基于Win AC的PC主站组态完成界面如图2所示。
第2步:组态S7-300 PLC从站。MPS各个工作单元的PLC包括CPU和信号接口模块, 这些硬件信息也需要组态。以检测单元为例说明PLC的组态过程, 在刚刚建好的工程中插入一个SIMATIC 300 Station, 将默认名“SIMATIC 300 (1) ”改成站名“Testing”。在SIMATIC Manager左边浏览窗口中选择站点Testing, 双击Hardware, 进入HW Config硬件组态编辑器。对S7-300的机架、电源、CPU、信号接口模块等按其实际配置类型和物理地址进行组态, 其中在CPU的组态中设置总线地址, Testing站地址设为3。
第3步:点击Net Pro按钮查看整个PROFIBUS总线网络组态信息, 并将组态信息通过编程通讯电缆下载到PLC并进行确认, 依次完成各Win AC主站与PLC从站的组态后, 便构成了PROFIBUS朌P总线网络。组态好的界面如图3所示。
控制系统的PLC程序是采用西门子公司S7系列PLC的软件包STEP7 V5.4设计开发而成。程序设计采用结构化编程, 应用组织块 (OB) 、功能块 (FB) 、功能 (FC) 及数据块 (DB) 组成对MPS系统的控制系统程序。STEP7 V5.4界面友好, 编程方便, 在线调试便捷, 具有梯形图 (LAD) 、语句表 (STL) 和功能图 (FBD) 三种编程形式并可随意切换和组合使用。STEP7中有许多固定的系统功能 (SFC) , 其中SFC14和SFC15分别用于通过PR0Fl BUS-DP总线读/写I/O设备参数。
四、MPS监控界面的实现
监控界面由西门子的组态软件Win CC (Windows Control Center) 建立, 它使用最新的软件技术, 可在Windows环境中提供各种监控功能, 确保安全可靠地控制生产过程。Win CC运行于计算机环境, 可以与多种自动化设备及控制软件集成, 具有丰富的项目设置、可视窗口和菜单选项, 使用方式灵活, 功能齐全。用户在其友好的界面下进行组态、编程和数据管理, 可以生成所需的监控画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等。
在组态软件中为了实现PROFIBUS网络的PC主站与PLC从站之间的通信, 首先要对总线适配卡CP 5613进行初始化, 然后在Win CC的变量管理模块中添加通信驱动SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE。接着在PROFIBUS通道中建立新的驱动程序连接, 设置相应的参数, 完成与S7-300 PLC通信通道的建立;在Soft PLC通道中建立新的驱动程序连接, 设置相应参数, 完成与Win AC的通信连接。然后新建变量, 将Win CC与PLC、软PLC之间需要通信的数据一一建立变量, 以完成Win CC与PLC、软PLC之间的数据通信。将变量划分为不同的组以便于更好地管理这些变量。
在图形编辑器 (Graphics Editor) 中使用基本元件或图形库中的对象制作生产监控画面, 将变量与每个画面对象连接, 即相当于画面中各对象与现场设备相连, 从而实现在画面上监视和控制现场设备。模块化生产加工系统的监控界面如图4所示。
五、结束语
本文将一种先进的控制系统结构理念:基于PC与现场总线的分布式控制系统应用于模块化生产加工系统的改造中。经过调试, 实现了PROFIBUS主站 (PC+Win AC) 与各个单元PLC从站之间的正常通信, 通过Win CC组态软件建立了MPS的监控界面, 实现了系统运行状态的实时监控, 检查了整体方案的可行性;验证了整个系统信息传递及控制的可靠性、准确性和实时性。该系统将逻辑控制、人机界面和数据处理集成在一个开放式的PC平台上, 最大限度地利用了现有资源, 为实现基于PC的自动化控制系统的应用提供了实践条件。
摘要：本文在介绍了模块化生产加工系统 (MPS) 结构和功能的基础上, 着重阐述了应用WinCC组态软件与WinAC软PLC改造MPS的方法, 监控主机 (PC) 运行软PLC作为主站与MPS各工作单元PLC从站进行通信, 构成分布式控制网络;通过组态软件创建动态监控界面, 实现对MPS工作过程的实时监控。
关键词：组态软件,软PLC,模块化生产加工系统
参考文献
[1]孙树文, 杨建武, 李屹, 等.PROFIBUS总线与软P L C在分布式监控系统中的应用[J].制造业自动化, 2007, 9:56-59
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[4]张海, 王小明.FESTO MPS在自动化控制系统实验教学中的应用[J].机床与液压, 2007, 11:134-136
模块化生产制造系统 篇8
在模块化生产线控制系统中,由于模块品种较多,批量较小,设计变化快,交货期短,根据模块特点和生产情况,决定研发以物料传输自动化为主的柔性生产线,来适应模块装配需要。该生产线由可转位的自动化物料仓库、自动化送料小车以及11个操作工位组成。
为了实现对装配线的合理调度,必须选择合适的控制技术。装配线(模块化生产线)包括11个装配工位,1个输送小车,1个自动回转库,2台工控机,只有采用适当的传输控制技术,才能组成一个完整的控制体系,才能正确执行调度命令,从而实现装配的自动化。
用可编程控制器PLC做控制系统的核心[1,2],成本较低,稳定性很高,程序编写、调试方便,但PLC在人机对话、故障判断等方面有一些不便,需要对编程非常熟悉的专业人员进行操作。并且要想直观地了解生产过程和监控信号的动态变化必须选择一个上位机来配合PLC,才能组成较好的自动控制系统。因此,本系统采用安装有组态软件的工控机与PLC通信,共同组成生产监控系统。
1 控制系统硬件要求
本系统采用两级递阶控制结构。上层用工控微机,下层采用PLC(装卸位采用工控微机),控制网络采用工业成熟的工控总线网络Profibus。上层采用工控微机实现对整个生产线的监控和调度。下层PLC实现对生产线、送料小车、存储仓库及各个工位的控制。
控制系统硬件结构如图1所示。工位2～11的控制器(PLC)通过EM277通信模块与Profibus DP线相连,并且通过RS485接口连接显示操作屏TD-400C(文本显示器),操作人员通过TD-400C实现与主站的信息交换。工位1是物料出入工位,用于工控机进行管理。工控机通过网卡连接主站,通过USB接口连接条码打印机,通过RS232接口连接读码器。此工控机运行“装卸位管理软件”,进行零件的信息编码、零件信息与操作信息的上传和下载、装卸状态的指示等操作。
2 控制系统的软件要求
2.1 送料小车软件要求
能够根据调度控制命令完成工件的传送及与仓库的驳接;工位PLC接受操作指令,完成对工位的控制,并通过显示屏显示操作内容、登陆信息等。以上全部通过开发PLC控制程序实现。
操作人员通过TD-400C实现与主站的信息交换的操作流程如图2所示。
2.2 主站的软件要求
主站软件主要由三大部分组成:生产模型(工件模型)生成系统、调度管理系统[3]、实时监控系统。具体软件系统结构如图3所示。
生产模型生成系统具有通用性,可以面向不同的产品和组装线。针对一个特定的产品和特定的生产线,它生成一个特定的生产模型文件,供调度管理系统使用。它的生成功能基于以下三个模块完成:产品定义模块、工位定义模块、工序编辑模块。生产模型系统仅在补充新产品或对生产线进行软重构时使用,生产线正常工作时可不启动。
调度管理系统必须作为系统进程自动启动[3],并要运行于生产线工作的始终,因此要有防止被关闭的功能。调度管理系统启动时,在指定的目录下寻找生产线状态记录表并打开,按状态记录表的产品记录自动载入相应的模型文件,接着建立与实时监控系统交换数据的数据通道,用生产线状态记录表中的数据将管道初始化。如果用中间数据库技术代替数据管道技术,则可以用中间数据库的功能代替生产线状态记录表,则调度管理系统启动时,在指定的目录下打开中间数据库即可。在以上任务完成后,“运行监控系统”命令被激活。实时监控系统被启动运行,与中间数据库连接,主站软件处于“准备好”状态。
调度管理系统的基本任务是根据生产模型文件中的数据和关系、现场的状态、实时监控系统的请求、优先权原则等,产生控制策略,决定对来自生产线的请求作何反应。其控制意图通过实时监控系统执行,其需要的现场信息也通过实时监控系统采集。
实时监控系统一边监视各个工位、送料小车、回转仓库的情况,例如工位现在是否忙碌,小车上是否有料,回转仓库的仓贮位置是否空闲等,并将监视到的情况实时向调度管理系统汇报,一边接受调度管理系统命令,转发至生产现场执行。
3 控制系统软件的程序设计
3.1 PLC控制程序
部分PLC的控制程序如下:
其中:Alarm为报警号。报警0显示:是否请求任务,确定按F5,取消按F6。报警2显示:操作已被取消。报警3显示:任务完成,确认按F5,取消按F6。报警7显示:等待小车中,小车装载完毕后按F7确认。报警8显示:可以进行操作,申请任务按F1。
3.2 主站软件的设计
3.2.1 生产模型生成系统的设计
生产模型生成系统含有三个模块:产品定义、工位定义、工序编辑。产品定义模块至少含有“新建”、“打开”和“保存”三个子菜单。每新建一个产品时,即创造一个新的模型数据文件。当保存产品时,即保存当前模型文件。已存在的模型文件可用“打开”命令打开。工位定义,可以建立和删除工位。工序编辑,对当前打开的产品,为其添加工序,同时给工序制定优先级、操作工位,也可为工序增加文本注释内容。
3.2.2 调度管理系统和实时监控系统
本项目是通过Profibus-DP网络采集各个工位的状态,由WinCCV6收集这些数据[4],并保存到数据库中。根据模型文件及生产计划,生成产品状态表。当工位的状态发生改变时,根据产品的加工状态作出调度。调度的结果保存到送料小车控制表中,小车根据控制表的变化执行调度命令,最终实现对产品装配的调度。整个调度程序通过WinCC中的VBS脚本来实现[5]。
1)对通用工位(工位2～11)上料请求的响应流程如图4所示。
请求动作程序的工作流程如下:程序不断扫描工位状态,当有工位提出上料申请时,触发上料申请动作(例如:工位2提出上料申请,触发工位2上料动作G2_req.bac)。然后搜索产品加工状态表,查看是否有工件需要申请上料的工位进行加工。如果没有继续扫描,如果有选取优先级最高的工件,并判断此前的工序是否加工完成,如果以上条件满足,判断小车状态是否可用,如果不可用,继续扫描等待;如果可用,进行一些参数设置后生成小车运动指令。
2)对通用工位(工位2～11)加工完成触发的流程如图5所示。
完成动作触发流程:扫描工位状态,如果某工位发出完成信号,为了调度工件到下一个加工工位或回库,首先判断小车是否空闲,如果小车不可用,则工件在次工位等待,此工位不能申请上料;如果小车可用,判断加工工件的下一个工序所用的工位是否申请,如果没有申请,则工件回库,如果申请工件直接到下一个加工工位。
4 结语
装配线现已经完成了实际安装,调度监控系统进行了初步调试。本文所设计的调度监控系统能够提高装配线的自动化程度,明显提高了装配的效率,达到了预期的控制效果。为设备的安全、稳定和长期运行发挥了很大的作用,有利于企业降低生产成本,提高产品在市场中的竞争力。
摘要：为了提高模块生产线的装配速度,针对模块的特点,提出了研发以物料传输自动化为主的柔性生产线来适应模块装配需要。该生产线控制系统主要由工控机与可编程控制器PLC组成。使用组态软件进行监控画面的编制,通过组态软件监控界面连接PLC来监控各个工位和运动小车的状态,实现装配线的实时监控、数据采集与处理。系统结构简单,实用性好,应用性强。
关键词：可编程控制器,组态软件,实时监控,人机界面
参考文献
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[4]王实,刘晓明.深入浅出西门子WINCC V6[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.
模块化生产制造系统 篇9
模块化装配是一种用于制造行业装配生产的新型生产模式, 在汽车制造中得到广泛的应用。应用模块化装配生产不仅可以提升汽车制造质量、安全系数, 还可以提高装配效率、降低装配成本, 对企业行业发展具有极大的促进作用[1,2]。以下主要讨论模块化装配概念、特点和应用优势, 以及目前汽车前悬架与动力总成、车门、仪表盘以及后轴等几大主要总成的模块化装配。
2 模块化装配概念及特点
传统汽车制造装配流程只分有为部装和总装, 或者分有组装与合装几个流程, 到1997年才正式首次提出“模块化”这一生产概念[3]。模块也被归入产品的一部分, 包括输出、输入接口与几何连接扣, 将同类或相关的模块进行排列组合最后完成最终产品, 每个模块均是汽车设计及制造相对独立又可通用的功能单元。模块主要具有3个特点, 一是独立性, 在汽车生产的整个流程科对每个模块进行单独地设计、修改、调试、制造, 相对独立有利于各企业的专业化化生产;二是互通性, 无论是纵系列、横系列还是跨系列, 各系列均有其相同结构特征, 因此能够实现模块系列内部以及跨系列间的通用;三是互换性, 各个模块接口部分的设计均有一定的参数、尺寸和结构的标准, 因此型号相同的模块均可实现互换, 能够很好地满足各类产品的生产需求[4]。
3 在汽车总装生产工艺中的具体应用
3.1 前悬架与动力总成模块化装配
前悬架模块包括动力转向器、下控制臂、前稳定杆、副车架、左右制动器、转向高油管、横拉杆等总成部件;动力总成包括压缩机、阻力转向泵、驱动轴、变速器、起动机、发动机等总成部件;对两个模块分别进行组装, 然后再将其合装就形成了前悬架与动力总成模块, 如图1所示。该模块的组装要求主要有3点, 第一, 前悬架与动力总成模块需在托盘上妥善放置并固定牢固, 避免发生滑落、误伤事件;第二, 应好动力总成模块同固定支撑托盘间的相对定位, 需要根据车型结构选取合适的定位方式, 如有必要可自行设计适用的定位方法;第三, 支撑托盘应确保有360°的旋转度, 以便于操作工作人员的操作。
3.2 仪表盘模块化装配
仪表盘模块主要包括组合仪表、仪表线束、CD/DCD、储物盒、仪表横梁、温度传感器、组合仪表罩、转向管柱和仪表盘本体等部件。在进行模块化设计时主要注意6个方面的因素:第一, 仪表盘横梁需确保中间轴具备足够的强度, 可承载仪表盘总成的全部重力;第二, 仪表横梁位置以及工艺孔数量应严格按照相关要求设计;第三, 仪表盘本体材质性能良好, 确保表面具有较高的耐刮擦系数;第四, 确保分装台高度同人机工程有关要求相符合;第五, 根据车型与相关工装要求确定仪表盘翻转方式;第六, 横梁两端应焊接定位稍, 且后者需配有凹槽, 从而保证仪表盘悬挂的牢固性, 便于工作人员操作。除此之外, 还应充分考虑助力机械手部件的相关设计要点, 主要有四点:一是认真校核前门左右两处设计以及室内空间, 保证机械手能够在车内顺利出入;二是结合机型以及客户要求确定机械手抓取方式, 通常选用支座托起或者稍孔式;三是机械手的移动速度应同流水线速度保持一致, 且设置机械手移动达最大行程位时的报警装置;四是应遵循三点定位原理, 避免机械手抓取过程发仪表台部件旋转的情况。
同传统装配方式相比, 仪表盘模块化装配具有明显的优势, 一是在上线前, 能够通过电检设备进行电路的检查以排查异常隐患;二是可利用机械手进行仪表盘总成抓取等操作, 极大地减轻操作员的工作强度;三是可保障车身同仪表盘的精准定位;四是能够缩减室内作业次数与频率, 将面漆碰伤、遗留部件等风险降到最低。
3.3 车门模块化装配
车门模块包括密封条、门护板、外后视镜、玻璃升降装置、扬声器、车门线束等部件, 在进行模块化装配时需要注意2个方面。一方面, 车门张开角度达到最大位时, 内部线束端子与门线束端子应有足够的插接空间, 通常以Y方向为准预留8~10mm左右的插接空间, 便于护套的安装以及端子的插接;另一方面, 门铰链应为可拆式设计结构, 通常选用拆螺旋式和拆轴式2种, 在拆装连接螺旋前应确认无其他零部件遮挡, 同时控制好力矩, 以免造成因扳手定扭力矩过大而对钣金表层造成碰伤的情况。应用模块化装配方式进行车门装配具有多种有优点:第一, 操作人员能够不借助弯腰、靠、躺等方式, 而直接进行装配生产工作, 劳动强度减轻且效率明显提高;二是可将生长线宽度方向的利用率最大化, 提高取件便利性;三是室内相关操作中, 操作人员无需进行开关门的操作, 极大地降低作业期间碰伤面漆的风险;四是零件装配具有一致性, 方便控制, 对提高制造质量有极大的帮助。
3.4 后轴总成模块化装配
后轴总成模块包括后制动器、后减震器、后轴、后手制动拉索等组成部件, 如图2所示。进行后轴总成模块化装配时需注意以下几点:第一, 工装是平面活动度应达360°, 便于操作人员装配;第二, 装配过程应确保后轴总成支撑托快的牢固性、稳定性, 以免发生滑脱事件;第三, 需合理设计吊点位置, 保证安全、顺利地将后轴总成转运至合装小车;第四, 旋转工装过程应认真评估四周空间环境, 避免受到设备干扰。
4 模块化装配生产的应用优势
第一, 模块化装配能够弥补传统汽车装配生产中生产环节繁多的缺陷, 由串联模式转换为并联模式, 极大地缩减了装配生长线长度, 适用于各类车型的高效化、柔性化、高质化生产, 降低投资成本。第二, 模块化装配可满足大型企业大规模、多配置以及大批量生产的生产要求, 同时适用于综合性区域和独立车间的装配生产工作, 并且模块化装配多类零件设计为一个模块进行生产和组装, 然后再总装各个模块, 既可以有效地避免组装零部件数量与种类过多而出现漏装、错装的风险、减轻劳动强度, 还提升了生产效率。第三, 提升汽车制造企业的市场应变能力和竞争力, 模块化装配可实现多类车型的混合生产, 能够根据市场需求快速地对车型进行合理地改进, 使企业具有较强的市场适应与应变能力。并且模块接口具有其独立性和标准性, 如果需要改进或者升级车型, 只需要对相应的模块进行单独研发和调整, 减少了研发改进的时间和成本, 有利于增强企业的市场竞争力。
5 结语
随着社会经济和生产技术的持续、快速进步, 汽车的市场需求也越来越高, 同时消费者对舒适、快捷、安全的需求也对汽车性能与质量提出了更高的要求, 基本需求也更加多样化, 这给汽车制造企业带来了极大的挑战。在此背景下, 如何提高生产装配效率、汽车质量以及降低成本成为了提高企业效益和竞争力的关键, 模块化装配生产是一种可减轻劳动强度、提升作业效率和制造质量、降低成本的新型生产方式, 汽车制造企业应该合理应用这一装配生产技术, 充分发挥其装配生产优势, 从而增强企业的整体实力。
摘要：汽车总装配为汽车制造的最终工艺环节, 这一环节的生产装配工艺不仅关系到汽车成品的质量, 还关系到企业的总装成本投入和利润, 在这一环节应用模块化装配具有提高装配效率、提高装配质量和降低成本等多种优势。本文主要从概念及特点、具体应用及应用优势3个方面探讨汽车总装配生产工艺中模块化装配生产技术的应用。
关键词：生产工艺,模块化装配生产,汽车总装
参考文献
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[3]袁凤, 张连莹.模块化装配生产在汽车总装生产工艺中的应用[J].中小企业管理与科技下旬刊, 2016 (02) :213-214.
模块化生产制造系统 篇10
近年来,机电产品再制造工程发展迅速,企业通过实施生命周期末端的再制造策略,可以在很大程度上降低企业成本,提高竞争力。据统计,仅以汽车启动电机为例,其可再制造率达50%[1]。但很多产品在设计时没有考虑到一次生命周期结束后的再制造过程,常出现生命周期末端难以再制造或零部件过度使用而无法再制造的被动局面,因此在产品设计阶段将产品再制造性作为一项重要的产品性能进行综合考虑,开展主动再制造设计已经变得十分必要。
目前,还没有一种完善的方法可以全面地从设计阶段解决产品再制造中所遇到的问题,随着社会需求的多样化和小批量、多品种生产模式的发展,模块化作为一种系统的、标准的和普适的思维方法,得到了广泛的应用[2]。模块化设计已从早期单纯追求功能属性模块划分发展为产品生命周期全过程多属性决策,同时在产品生命周期末端策略中也发挥了重要的作用。为了对多个设计目标进行协调,Gershenson等[3]从零部件属性独立性、过程独立性、过程相似性三方面提出了面向生命周期的模块化设计方法;Victor等[4]进一步细化了模块化设计的生命周期驱动因素,并运用遗传算法进行模块构建。在模块化指标确定方面,Xing[5]等提出了产品技术因子的概念,并基于模糊集理论建立了一种产品升级性的数学模型,以产品更替的兼容性、拓展用途的适应性、生命周期导向的模块性三项性能作为揭示和评估产品全面的升级潜力的主要指标;Qian等[6]将环境意识准则引入模块化分析中,建立了一种半定量化的环境影响模块化分析模型。
由此可见,面向主动再制造的产品模块化能够成为实现再制造设计的重要手段。传统的模块化设计在准则制订方面主观性较强。在方法论方面,基于模块化底层概念即相似性方面的研究不多,而且大多从产品功能、标准化、易于制造等角度考虑模块的划分。本文从产品多生命周期的观点出发,研究产品构成形式,基于再制造设计模块化相似性度量方法进行产品模块划分,旨在通过各项再制造客户需求分析,从产品结构宏观模块构成角度进行主动再制造设计,从而满足人们对于产品再制造性能的需求。
1 主动再制造模块化设计流程
再制造具有极大的节能节材潜力,从产品设计阶段就开展面向再制造的设计是实现产品(零部件)级循环利用,提高产品竞争力的有效途径。模块化设计是一种实现既定的产品生命周期特征的标准驱动方法[7],在许多情况下,如果能够合理地划分模块,就能够实现一个模块或一组零部件集合的生命周期末端重用,图1所示为富士施乐公司生产的复印机通过先进的模块化设计实现升级再制造[8];反之,如果不能很好地划分模块,由于需要消耗大量的人力和成本,零部件有可能无法被重新使用。表1[9]所示为部分生命周期阶段的模块化驱动清单。
主动再制造的产品模块化是在概念设计阶段进行产品结构宏观配置和调控的有效途径。它从产品再制造客户需求入手,综合分析各项再制造信息资料(如来自市场、企业、用户等的信息),进行信息归纳整理,进而形成面向再制造的模块化设计准则,基于准则的多维度,结合相似性度量方法进行模块划分,其设计流程如图2所示。
2 再制造客户需求分析及约简
再制造客户需求是针对用户、厂家、再制造工厂等多方调研而得到的复杂信息,若想把它变为可用的再制造设计信息,必须进行科学分类,以明确信息的有效性,并对个别突兀信息进行筛选和取舍。KJ分析法[10]是一种创新性思维方法,可被用来进行信息的归纳和总结。
再制造模式的发展取决于多方面因素,如资源环境压力、企业利润驱动、市场需求等。通过市场调研、寻访再制造企业专家和产品使用者等方式,可获取产品再制造特性的客户需求,见表2。
此时所获得的再制造产品客户需求,概念相对模糊,性能要求种类繁多,应进一步对其进行分析,开展信息二次加工,科学归纳再制造客户需求的层次结构。
通过KJ分析法对客户需求进行归纳,如图3所示。
3 主动再制造模块划分准则
本文针对再制造客户需求的基本要求,即耐久性好、多生命周期、拆卸/装配性能好、再制造工艺相容,结合产品生命周期各阶段(材料选择、使用、回收、再制造)特征,制订面向再制造的产品模块划分准则。
3.1 材料的选择与配置阶段
该阶段是产品整个生命周期的初始阶段,材料的选择应在满足各项基本功能需求的前提下,综合考虑材料的环境属性,如材料生产过程能耗、排放、材料是否属于有毒有害物质、可重用性能如何等。部分材料的能量含量和环境影响状况(Eco-Indicator99法)[11]见表3。
准则1:材料环境影响相似性准则。应尽量将具有相同或相近生态指数的零部件划分在同一模块内。
对于不同材料的零部件,通过材料环境影响相似性准则进行零件的聚类,从而能够将相同或相近环境影响的零部件划分在同一模块中。对环境影响大的零部件,考虑采用再制造等生命周期末端策略对其进行处理,从而最大程度地减小对环境的影响和资源能源消耗;对环境影响小的零部件可以考虑采取填埋、材料回收等低级处理方式,从而降低生命周期末端处理难度。
设零件i与j之间材料环境影响相似性因子为Ime(i,j),则
式中,mi、mj分别为零件i、j的质量;EIi、EIj分别为零件i、j的生态指数;0<Ime(i,j)≤1,当Ime(i,j)=1时,零件i与j环境影响程度相同。
另外,随着材料科学特别是材料表面工程的不断发展,在目前和未来相当长的时间内,材料选择阶段所体现出的产品可再制造性能主要体现在材料可修复/自修复性能以及材料的再制造工艺相容性方面。
准则2:材料再制造工艺相容性准则。应尽量将相同或相容材料的零件划分在同一模块内。
主动再制造设计中材料再制造工艺相容性包含两层含义,第一层含义是指零件材料之间混合使用不会互相排斥,可以使用同一回收工艺进行整体回收的特性。如果两材料无需进一步的回收工艺,能直接混合回收,则认为极相容,设定分值为1.0;如果两材料无法混合回收且无法采用回收工艺进行分离,则认为极不相容,设定分值为0;其他情况则取值为0~1之间,材料之间的相容性越好,取值越大。常用工程塑料的相容性见表4。
定义零件i与j之间材料的交互性因子为
式中,r为材料的相容性值,0<r<1。
材料再制造工艺相容性第二层含义是指零件材料间可以采用相同或相近再制造工艺进行再制造加工的特性,即材料的再制造工艺相似性可以用材料的基体材料与再制造涂覆材料的润湿性进行表征。一般以接触角θ来判断润湿情况,如图4所示,Fg-l、Fs-l、Fg-s分别为气-液界面张力、固-液界面张力、气-固界面张力。润湿不良的金属匹配有Fe-Ag,Fe-Pb,Fe-Cd,Fe-Bi等,Ni-Cr-B-Si系列合金与低中碳钢表面润湿性良好[12]。
如果两材料可以采用相同再制造工艺进行再制造加工,可认定为极相容,设定分值为1.0;如果无法采用相同或相似再制造工艺进行再制造加工,可认定为极难相容,设定分值为0;其他情况则设定分值为0~1之间。定义零件i与j之间材料再制造工艺的交互性因子为
式中,r为材料的再制造工艺相似性值,0<r<1。
材料再制造工艺相容性为
式中,ωm1、ωm2分别为两类再制造相容性交互因子权重,且ωm1+ωm2=1。
3.2 使用阶段
在使用过程中,再制造设计模块划分的要求主要集中在使用寿命及维护性两方面。
准则3:使用寿命准则。具有相近使用寿命的基本零部件应划分在同一模块内。
与常规设计不同的是,主动再制造设计应尽量使得产品同一模块内的零部件失效发生在同一时间,这样不仅能够延长产品的使用寿命(一般来说,产品的失效时间是由使用寿命最短的零件决定),而且能够使得模块内零部件在同一时间再制造。
定义基本模块之间使用寿命原则的交互性因子为
式中,Li、Lj分别为基本模块i、j的使用寿命。
准则4:维护性准则。应将具有相同或相近维护需求的基本模块划分到同一模块内。
良好的维护性能可以集成各项维修资源,降低维修策略的复杂度,延长产品寿命周期。维护性表现在可维护随机相关性与可维护经济相关性两个方面:
(1)可维护随机相关性是指各零部件的转移概率取决于模块中其他部件的状态,即当一零部件失效时,与之发生作用的另一零部件可能失效的概率。这种情况下的相关性交互值Imc(i,j)就可以用这种关联失效发生的概率表示。
(2)可维护经济相关性是指在维修模块中某一零部件时,同时对另一零部件进行维修资源共享的可能性。这种情况下的相关性交互值Ims(i,j)可以用模块之间共享维修资源的程度表示。
定义基本模块之间维护性的交互性因子为
式中,ωmc、ωms分别为不同维护关系的权值,且ωmc+ωms=1。
3.3 回收再利用阶段
产品废弃后回收处理方式可以分为三类不同的级别:重用、材料回收、能量回收及填埋。其中,产品和零部件重用是一种高级的再利用方式,此类技术正处于发展阶段,成本较高;材料回收、焚烧填埋等技术较为成熟,处理成本较低。各回收方式下环境负荷和资源损耗效应趋势如图5所示。
在考虑回收材料的环境影响的前提下,零部件的回收价值是决定产品零部件生命周期末端回收方式的主要依据。
准则5:经济性准则。具有相同或相近回收价值的零部件应划分到同一模块内。
零部件的回收价值由材料成本、加工制造过程中所赋予的价值和其回收处理成本综合决定。设零件i、j的质量分别为mi、mj,单位回收价值分别为(Cc+Cm-Ct)i、(Cc+Cm-Ct)j,其中Cc为材料成本,Cm为制造成本,Ct为回收处理成本。
定义基本模块之间可回收经济性交互性因子为
式中,WRi、WRj分别为零部件i、j的回收价值。
3.4 再制造加工阶段
再制造加工阶段产品的再制造性能设计原则主要体现在两方面:分解指导原则和重新组装原则[13]。产品能够实现无损拆解是进行再制造加工的保障,在早期设计阶段,对产品的可拆卸性和拆卸工艺性进行分析和研究,减少产品的零件数,改善产品的拆卸工艺性,降低产品拆卸成本和缩短拆卸时间,从而在设计阶段就解决拆卸中存在的各种问题。
准则6:可拆卸性准则。产品各零部件之间尽可能采用易于拆卸的连接方式,并减少彼此间的接口数。
产品零部件间的拆卸复杂度主要取决于零部件间的连接方式和相应的拆解难度。表5所示为通过多次拆解实验分析得到的连接方式和相应的拆解难度值[14],设零部件之间的拆卸关系交互性因子为Id(i,j),Id(i,j)根据不同的连接方式分别赋予不同的数值。
3.5 模块的功能和物理独立性
物质、能量和信息是产品系统与外界进行作用的三种运动流,一种产品至少以一种运动流为主实现其产品功能。满足模块的功能和物理独立性是合理地进行产品模块划分的前提。图6为产品系统物质流、能量流、信息流示意图,其中P1,P2,…,P8为零件编号,假设P1、P3、P6、P8划分到一个模块,余下零件划分到另一模块。
物理独立性原则主要是指在产品与外界进行物质、能量和信息交互的过程中,应将交互作用较强的零部件划分到同一模块中。除此之外,产品系统是以结构为功能基础的,一定的产品结构必然会体现一定的功能。因此,两零部件之间的结构交互关系亦是产品模块化功能的基础。表6所示为结构功能交互性(物质、能量、信息、结构)模糊关系定义,其取值范围为0~1,取值越大交互作用越强。
准则7:功能物理独立性准则。具有强物理交互性和功能交互性的零部件应划分到同一模块。
两零部件之间的物理交互性主要体现为零部件间的物质、能量和信息交互作用的强弱,功能交互性体现为结构交互关系的强弱。
定义基本模块之间物理和功能交互性因子为
式中,ω1、ω2、ω3、ω4分别为物质、能量、信息及结构交互因子权值;Ips(i,j)为相应的交互因子。
4 主动再制造设计模块划分方法
为了便于将再制造模块化设计各准则同模块划分方法相结合,基于准则合理高效地进行各零部件的相似性度量,结合模糊动态聚类分析方法,构建产品零部件相似性矩阵,通过定量分析进行产品主动再制造设计模块划分。
首先,基于层次分析法[15]分析各准则相对重要度,分别赋予材料环境影响相似性准则、材料再制造工艺相容性准则、使用寿命准则、维护性准则、可拆卸性准则、经济性准则、功能物理独立性准则权值为0.12、0.16、0.2、0.15、0.22、0.05、0.10。建立产品各零部件的模糊相似矩阵R,R为n×n阶矩阵,其元素rij为零件i与零件j的相似性交互值:
其中,n为产品零件数,rij值越大表示交互性越强。rij具有以下两种性质:
(1)自反性:rii=1 i=0,1,…,m
(2)对称性:rij=rjii,j=0,1,…,m
为了使矩阵R满足传递性,需要将R改造为等价矩阵R*。通过求传递闭包t(R),可以赋予模糊相似矩阵传递性,将其改造为模糊等价矩阵,同时保留了自反性和对称性,二次方法[16]是一种较为常用的传递闭包求解方法。生成模糊等价矩阵后,设定阈值λ(λ∈[0,1]),然后根据λ-截矩阵将模糊等价矩阵转换成0~1阵,最终得到各零部件的动态聚类图。当λ=1时,各个零件自成一类;当λ=0.8时,即各零件之间有八分相似,则将其聚为一类;λ值越小,相似性要求越低。
模块划分完成后,为了判定不同λ值所得各模块的划分是否合理,设置SV值进行判定,SV为模块内零部件关联强度与模块间关联度之比,较高的SV值意味着较强的模块独立性。以模块m1为例,模块内零部件关联强度及模块间关联度值如图7所示。
模块内零部件关联强度采用模块内各零部件间最小相似性交互因子进行表征,如模块m1内零部件关联强度表示为α1max。
模块间关联度采用模块间的最小近邻数进行表征,定义模块间的最小近邻数如下:
设两模块为m1、m2,则m1、m2间的最小近邻数为n12,即m1、m2间各零部件相似性交互因子最大值。
设模块为m1,m2,…,mn,其SV值分别取SV1,SV2,…,SVn,均值为,均方差为MSV,则
不同λ值所划分模块中,取SV均值较大且均方差较小的λ值为最优,此时所划分的模块独立性较强且模块划分均衡。
5 实例验证
选定某款洗碗机产品为研究对象,进行方法的应用示范。洗碗机产品标准化程度不高,结构、材料改动空间大,通过合理的设计,能够在很大程度上提高其回收再制造性能。建立洗碗机三维模型,忽略紧固件和部分小型连接件,进行简化,如图8所示。
以内胆17和杯组件10为例进行分析,装配结构见图9,零部件信息表见表7。
计算其相似性交互值如下:
材料环境影响相似性Ime(i,j)=(3.4×1.67)/(4.1×3.58)=0.3717;
材料再制造工艺相容性Icr(i,j)=ωm1Im(i,j)+ωm2Ic(i,j)=0.075,材料的交互性因子取0.1,材料的再制造工艺相似性值取0.05,ωm1=ωm2=0.5;
使用寿命交互性Il(i,j)=14/25=0.56;
维护性Ia(i,j)=ωmcImc(i,j)+ωmsIms(i,j)=0.554,其中可维护随机相关性交互值取0.4,可维护经济相关性交互值取0.62,ωmc为0.3,ωms为0.7;
可拆卸性Id(i,j)=0.35,结合表5的连接方式和相应的拆解难度,获取两零部件间的拆卸难度值并进行归一化处理,确定拆卸关系交互值为0.35;
经济性Ie(i,j)=(6.3×1.67)/(4.5×3.85)=0.607;
功能物理独立性Ip(i,j)=ω1Ip1(i,j)+ω2Ip2(i,j)+ω3Ip3(i,j)+ω4Ip4(i,j)=0.64,其中ω1、ω2、ω3、ω4分别取0.2、0.1、0.05、0.65,其对应的交互值为0.05、0.02、0.005、0.87。
零件17和零件10的相似性交互值为
按照上述方法,可以得到洗碗机各零部件的模糊相似矩阵R:
求传递闭包t(R)=R6,取不同阈值λ(λ=0.55,0.6,0.65,0.7,0.75)进行模块划分,分别计算其模块化SV值、均值、均方差MSV,图10所示为不同阈值下模块化SV值、均值、均方差对比。
由图10可见,λ取0.60时,其均值最大,且均方差MSV=1.53486最小,可见此时模块划分较为合理,此时零部件划分为以下四个模块:M1={1,2,5,6,8,9,15,16,17};M2={3,4,7,18,19,20};M3={11,12,13,14};M4={10}。
模块M1、M2、M3、M4的划分符合产品生命周期各阶段主动再制造设计的要求,同时兼顾产品功能结构实现和物理(如现实中的拆卸条件)可行性。由于主动再制造设计模块划分要素涵盖了生命周期全过程特别是生命周期末端,模块划分以后可能局部会出现物理或功能冲突结构,对于此类情况,在下一步研究工作中,可以通过基于TRIZ的可拆卸连接结构设计[17]等冲突解决方法加以解决。
摘要：针对面向主动再制造的产品模块化问题,提出了模块化设计流程,结合产品生命周期各阶段特性,从材料的选择与配置、再制造加工性能、使用与维护性、经济性、功能物理可行性等方面制订产品主动再制造模块划分准则。结合模糊动态聚类分析方法,构建产品零部件相似性矩阵,进行产品零部件模块划分,并基于模块内/模块间关联度分析,选取最优阈值,实现模块优化。最后以某款洗碗机产品为例,验证了该方法的有效性。
模块化生产制造系统 篇11
一、ERP生产计划模块存在的主要问题
1、无限能力的假设前提过于理想化
企业制定计划生产可促进生产环节更具有科学性，对资金与原料进行合理分配，避免发生资源短缺建设项目终止的情况。这一规划从表面情况分析具有很强的科学性，但在实际使用中却存在很多问题，以生产计划为例。在设计阶段工作人员的计划过于理想，原料的使用情况以及生产能力都是按照最好状态来进行的，并没有将影响因素加入其中，这样得到的计划报表并不具有可行性。无线能力指的是企业在对未来发展方向以及生产阶段进行规划时总是往好的一面想，并且最大限度的提升生产规模。造成计划在企业中并不能开展，并且现有的设施条件不能实现计划目标，造成计划与现实脱轨，没有起到引导作用。生产环节受多种因素制约，企业在假设过程中将原料的量全部加入计算中，缺少对损耗部分的分析，这样得出的结果只能是理想方案，并不能反应真实情况。这种分析计划方法使企业的抗风险能力下降，在运转过程中与脱离市场经济的变化，只是依靠自身设定的计划来开展生产活动，当市场发生变动后产品很难再找到销路。便出现了积压、滞留等情况。生产计划的合理性体现在使用阶段，并且要在规划中体现先进性，可减少企业运转中的损耗。
2、生产计划与控制相分离
制定出的生产计划并不具备控制能力，只是对一段时间内的生产情况做出简单的规划。当一套完整的计划设计成型后，由于缺少监管控制，需要很长一段时间才会在生产环节落实，而市场往往已经发生变动，计划方案便显得落后，应用时很难对生产盈利起到促进作用。由于落实不及时造成计划失去可行性的情况在企业中最为常见。出落实之外，控制还体现在产量上。一份科学的生产计划应具有变动性，当产品的生产量达到饱和后，可对其进行宏观调控，减少计划生产量，可保持产品的销售价格不变。这种控制力却是生产计划中所缺少的，两项工作只能在生产环节单独开展，很容易引发基层生产矛盾。企业在运营过程中会对市场做出全面调查，并对一段时间内的变化进行预测，这样在设计规划时可更科学的进行，这也是控制的体现形式之一。要实现管理目的，将计划方案应用在实际生产中，必然要与控制相配合，在日常工作中互补，即使出现不稳定因素也会在得到有效的解决，并不会影响长期发展目标的实现。沟通配合不但体现在工作内容中，更重要的是解决管理制度中存在的分离问题。
二、优化ERP生产计划模块的对策
ERP计划模块是基于计算机设备来构建的，可灵活变动，在计划时要考虑企业的真实能力，将可能发生的风险项目加入其中，这样在使用阶段更具有科学依据。系统在对数据进行分析计算时会将误差浮动范围显示出来，可作为生产原料投入量的影响参考，同时还可将损耗量展现出来。对ERP生产方案进行优化处理，可解决计划过于理想化而失去真实性的问题，还能将控制管理引入计划中，帮助在基层快速得到落实，解决真实存在的弊端。若开展过程中遭受到阻碍，还可通过整改模块来解决，将不合理的部分去除，引入新的计划理念。生产计划中要体现出材料的搭配使用，保障原料充足，可为生产环节提供足够的能量，材料缺少的情况下可适当降低生产量，这样可以保障产品的质量，解决材料对市场的影响问题。
1、引入APS
计划就是排序，就是先做什么，后做什么的问题。可以想象，上百台各种设备、数千人同时要完成各种任务，怎样才能在各种约束（设备能力、人员、时间、场地、物料等）条件下以及随时可能发生变化（动态）的，实现多个目标最优化的选择（交货期、设备有效使用率、最低成本等）？APS被誉为供应链优化引擎。其对所有资源具有同步的、实时的、具有约束能力的模拟能力，对物料、机器设备、人员、供应、客户需求、运输等影响计划因素，还是长期的或短期的计划都具有可优化、可对比和可执行性。当每一次改变出现时，APS就会同时检查能力约束、原料约束、需求约束、运输约束、资金约束等，这就保证了供应链计划在任何时候都有效。APS是一种基于SCM和约束理论的先进计划与调度系统，包含大量数学模型、优化及模拟技术。对制造业而言，APS能及时响应客户要求，快速同步计划，提供较精确的交货日期，减少在制品与成品库存，并自发考虑供应链的所有约束，自动识别潜在瓶颈，提高资源利用率，从而改善企业的管理水平。
2、实施ERP与MES系统集成
MES是根据APS的排程计划去执行并实时反馈，其对每个人员、每个设备、每个物料的生产资源的工作计划。MES系统集成实现生产任务监控、限额发料、生产过程执行的信息流在双方系统之间的传递。MES对生产过程进行实时监视、诊断和控制，完成生产单元整合和系统优化，在生产过程层中进行物料平衡、制订生产计划、实时排产、优化生产计划，实现了从订单下达到产品交付整个生产过程的优化管理。当工厂里面有实时事件发生时，MES能及时做出反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。这种对状态变化的迅速响应使得MES能够减少企业内部没有附加值的活动，有效地指导工厂的生产运作过程，从而使其既能提高工厂及时交货能力、提高物料的流通性，又能提高生产回报率，使整个企业有了一个自上而下无缝连接的信息平台，自动执行计划层制定的生产计划，从收集的实时数据中提取ERP系统所需的正确信息，使企业中需要相互联系的各信息系统和以产品生产为纽带的各部门紧密联系、协作，使企业获得最大的效益，从而解决了生产与计划之间的“断层”问题。
小结
在当今顾客驱动的环境下，制造商必须具有在面对不确定性的事件中不断修改计划的能力，要做到这一点，企业的制造加工过程、数据模型、信息系统和通信基础设施必须无缝地连接且实时运作，因而供应链同步化是企业最终实现敏捷SCM的必然选择。智能、协同、全局以及集成四方面必然是先进生产计划所应具备的特点。
模块化生产制造系统 篇12
20世纪80年代以来,一种更加顺应可持续发展要求的废旧产品处理方式——绿色再制造(Green Remanufacturing)引起了全社会的广泛重视。绿色再制造是以产品全寿命周期理论为指导,以废旧产品性能提升为目标,以优质、高效、节能、节材、环保为准则,以先进技术和产业化生产为手段,来修复、改造废旧产品的一系列技术措施或工程活动的总称。再制造产品的优势十分明显,其性能可达到或超过原型机新品,而成本仅为新品的50%左右,节能60%,节材70%以上,经济效益和社会效益突出。
各大率先进行废旧产品回收和再制造加工的企业在实践中认识到,如果早在新产品的设计阶段就考虑产品使用寿命到期后的回收和再制造阶段的相关要求,融入新产品的可再制造性的设计理念,就可以显著地提高再制造的效益,更好地实现资源的可持续发展战略。
面向再制造的产品设计(Design for Remanufacturing),是指按照再制造的目的设计产品,在产品设计阶段对产品的再制造性进行充分考虑,并提出再制造性指标和要求,使得产品到达寿命末端时具有良好的再制造能力。
(一)LCA在面向再制造的产品设计中的使用
LCA,Life Cycle Assessment,简称生命周期评价。国际标准组织(ISO)给出的LCA是:汇总和评价一个产品或服务体系在整个寿命周期所有投入与产出对环境造成的和潜在的影响的方法。可见,生命周期评价主要用于评估产品在它的生产、使用到回收整个过程中,对环境造成的影响。包括所耗费的原材料、能源以及所产生的排放。
面向再制造的产品设计应该在新产品设计阶段就考虑产品服役周期结束后需要进行拆解和回收利用,运用LCA的方法对产品从原材料的选择、设计加工、销售运输、回收清洁、拆解检测、再制造加工、再制造成品组装等各个环节充分考虑对资源的消耗和对环境的影响,尽量提高产品的再制造性。
面向再制造的产品设计完成了由传统的“被动解决问题”向“主动预防问题产生”的方向的转变,是产品设计思想的一次创新和变革,大大节约了资源和能源,并将带来巨大的经济和社会效益。
(二)设计重点是提高产品的再制造性
面向再制造的产品设计的重点是提高产品的再制造性。再制造性(Remanufacturability)也称为可再制造性,是产品本身的一种属性,是决定废旧产品进行再制造的前提,是面向再制造的产品设计中的重要内容。其定义可描述为:再制造性是产品设计过程赋予产品的一种固有属性,是指由于各种原因产品退役后,综合考虑各种因素,该产品经过再制造加工后达到规定性能时,获取原产品价值的能力。
再制造性评价具有明显的阶段性,主要包括新产品设计开发阶段和废旧产品再制造前的决策阶段。其中,新产品设计开发阶段十分关键,产品在新产品设计阶段就已经将材料性能、各零部件的连接方式、产品结构等因素确定了下来。废旧产品的再制造性的影响因素,既包括该产品在新品设计阶段就确定下来的那些因素,又包括产品服役期满后的产品状况、当时的再制造技术的发展状况、环境和经济状况等因素。所以,产品的再制造性具有动态性、个体性、地域性和时间性等特点,即使同一产品在不同情况下的再制造性也是不同的。可见,在新产品设计阶段就考虑其后期回收和再制造的需要,尽量提高产品的再制造性是十分必要的。
二、实施绿色模块化设计是提高产品再制造性的有效途径
面向再制造的产品设计需要同时解决这样一些难题:使产品在设计之初就全面考虑该产品在其多生命周期内的环境属性及零部件的重复使用性,无论是所选用材料还是产品的结构,连接方法设计都能方便其日后的维修、升级,以及产品废弃后的拆解、回收和处理,同时保证与环境得有更好的协调性。显然,原有的传统设计方法不能满足这些要求。面向再制造的绿色模块化设计方法正是在这种情况下提出来的,绿色模块化设计是提高产品再制造性的有效途径。
(一)面向再制造的绿色模块化设计的含义
绿色设计(Green Design)是指在产品整个生命周期内优先考虑产品环境属性,如可拆卸性、可回收性、可维护性和可充分利用性等,并将其作为设计目标,在满足环境目标要求的同时,保证产品应有的基本性能、使用寿命和质量等。在产品的设计阶段就考虑其回收、拆解等需要,才能最终实现产品的回收和再制造效率。
模块是产品的子结构,它与产品的功能元素子集有一一对应的关系。产品的模块化设计,就是在产品设计时,根据原材料属性、产品的结构,以及日后的使用功能、升级、维修,废弃后的回收、拆卸等因素,将产品划分为不同的模块单位,把离散的零件聚合成模块。产品的模块化设计,既可以在产品生产时大批量生产模块化的半成品,降低生产成本,获得规模效应;又可以根据顾客的个性化需要,将不同功能的模块进行组合,提高了产品对市场差异化需求的响应能力。
绿色设计和模块化设计密切相关。绿色设计要求产品易维修与升级,不易轻易淘汰;绿色设计要求产品具有可拆解性和易回收性,经简单再制造加工后就能恢复或超过原品性能并能被再次利用。这些正需要模块化设计思想来实现。模块化设计方便失效模块的简易替换和产品的快速升级,延长产品的使用寿命,减少产品的丢弃和环境的破坏,与绿色设计的某些理念不谋而合。通过绿色模块的构建,产品比传统产品具有更好的多方面效益,产品的功能属性和环境属性能同时满足,效果十分显著。
面向再制造的绿色模块化设计方法是将绿色设计和模块化设计进行有机结合后,运用于产品的再制造性设计阶段中,使产品同时满足易于拆解和装配、易于修复和升级、环境友好性等再制造性的指标和要求。在模块化的设计时,考虑产品的再制造性,让产品在寿命末端回收之后,能容易地拆卸为不同的模块,且尽可能减小各模块内的可再制造性的差异,则可提高产废旧产品回收利用率。这种设计方法是一种顺应时代发展的崭新的设计方法,有助于实现制造业的可持续发展。
(二)面向再制造的绿色模块化设计的优点
1. 能有效提高产品的易拆解和装配性
再制造加工过程包括前期对回收产品的拆解环节,和后期将再制造后的零部件装配为再制造成品的环节。所以,面向再制造的产品设计一定要考虑零部件的易拆解和装配性,这既影响再制造过程的效率,又影响再制造产品的质量。
再制造的拆解不同于再循环,需要确保拆解过程中尽可能少地损坏零部件。因此,产品结构设计,连接件的数量和类型,以及拆解深度的选择成为面向再制造的产品设计的重点内容。不同的产品结构将导致不同的拆解方法和拆解难度。常见的拆解方法有两种:有损拆解和无损拆解。常见的有损拆解是机械裂解或粉碎。机械产品中常见的连接方式有四种:可拆解连接、活动连接、半永久性连接和永久性连接。前三种连接一般都可以拆解,第四种则只能采用有损拆解的方法。
产品结构设计时应改变传统的连接方式,零部件之间尽量不采用焊接或粘接的连接方式,代之以易于拆解的连接方式。扣压和螺钉的方式便于拆解,前者较后者又更容易拆解、更省时。连接件方面,卡式接头和插入式接头更容易拆解和装配,已经有越来越多的企业在产品设计时就采取了这些类型的连接方式。尤其是一些易损零件,由于更换次数较多,在设计其安装结构时就考虑其易拆性,较多采用插入式结构设计、标准化插口设计等。如计算机主板上的插槽与上面插装线路板的连接方式。
采用绿色模块化设计既能明显简化产品结构,又能大量减少连接件的数量和类型,大大提高产品的易拆解和装配性,并减少产品的破损率,提高产品的拆卸和装配效率。
2. 有助于提升产品的易分类性
同一部机器上往往有钢、铁、铝、铜、塑料、木材等不同的材料,它们的表面常常有油漆覆盖,不易区分,应加强标识,便于拆卸和分类存放。同一材质、不同形状和尺寸的零部件,由于加工方式或使用机床的不同,也要进行标识和分类,提高总的再制造效率。
采用绿色模块化设计有助于大量减少零部件的数量和种类,使拆解后的零部件更易于分类和识别,将使再制造生产加工时间大为缩短。
3. 能显著提升产品的易修复性和升级性
再制造工程包括再制造加工和过时产品的性能升级。前者主要针对报废的产品,把有剩余寿命的废旧零部件作为再制造毛坯,采用表面工程等先进技术使其性能恢复,甚至超过新品。后者对过时的产品通过技术改造改善产品的技术性能,使原产品能跟上时代的要求。所以,对原制造品进行修复和技术升级是再制造过程中的一个重要部分。
实施绿色模块化设计,可以采用易于替换的标准化零部件和可以改造的产品结构并预留模块接口,以备升级之需,在必要时即可通过模块替换或增加模块实现产品修复或升级,减少拆解中的破损,增强再制造加工和产品升级改造的效率。
三、面向再制造的绿色模块化设计的具体实现步骤
在进行产品的再制造性设计时要兼顾产品材料的合理性、易运输装卸性、易拆解和装配性、易于分类性、易清洗性、易修复和升级性。面向再制造的绿色模块化设计方法将绿色设计和模块化设计进行了有机结合,其具体实现步骤归纳如下:
1.进行用户需求分析
面向再制造的绿色模块化设计活动首先从分析用户对产品的需求开始。在调查、了解用户对产品的功能、使用寿命、价格、需求量、升级性能等具体要求后,考虑该产品采用绿色模块化设计的可行性。如果经过分析,在满足环境属性的前提下用户对该产品的要求均可满足,则该产品的绿色模块化设计的可行性获得通过,面向再制造的绿色模块化设计活动可以进入下一环节。
2.选取合理的产品参数定义范围
面向再制造的绿色模块化设计活动的第二步,是选取合理的产品参数定义范围。通常,产品参数分为三类,即动力参数、运动参数和尺寸参数。合理地选取产品的参数定义范围十分重要。如果参数定义范围过高,将造成能源和资源等的浪费,有悖于绿色模块化设计的思想;如果参数定义范围过低,又满足不了客户的要求。通常的做法是先定义主参数,然后在参数满足用户需求的基础上实现尽可能高的绿色化和模块化。
3.确定合理的产品系列型谱
面向再制造的绿色模块化设计活动的第三步,是系列型谱的制定,即合理确定绿色模块化设计的产品种类和规格型号。型谱过大过小都不好。如果型谱过大,则产品规格众多,市场适应能力强,环境属性好,模块通用程度高,但工作量也相应增大,人力资源能耗大,成本上升,总体来说效果并不好;反之,则又会走向另一个极端,效果也不好。因此,产品系列型谱的制定至关重要。
4.产品的模块划分与选择
面向再制造的绿色模块化设计活动的第四步,是产品模块的划分与选择,这是模块化方法最重要的内容。通常根据产品的功能,将其分为基本功能、次要功能、特殊功能和适应功能等,然后划分相应的模块。模块的划分使得产品的设计过程思路清晰,并有利于产品报废退役后的零部件回收、重新利用或升级换代。
5.绿色模块的组合
面向再制造的绿色模块化设计活动的第五步,是模块的组合。划分完模块后,将这些模块按照直接组合、集装式组合或改装后组合等方法组合成系统。组合时要考虑今后的易拆解性、不易损坏性及产品的节能省时等环境友好性特征。
6.对设计好的产品进行分析校验
面向再制造的绿色模块化设计活动的第六步,是用机械零件设计软件包、优化设计软件包、有限元软件包等现代设计工具对设计好的产品进行分析、计算和校验。如果分析校验不合要求,就要回到模块选择上进行修改、完善,重新整合模块,直至产品符合要求。
7.产品设计的绿色度与模块度指标评价
面向再制造的绿色模块化设计活动的最后步骤,是采用层次分析法(AHP)及模糊综合评价法等数学工具对产品再制造设计的绿色度和模块度指标进行计算及评价,再根据计算结果对产品的有关参数加以调整或进行重新设计。
参考文献
[1]朱胜,姚巨坤.再制造设计理论及应用[M].北京:机械工业出版社,2009.
[2]苏和平,等.绿色产品及绿色设计[J].哲里木畜牧学院学报,2000,(2):75.