隨著工業(yè)智能化進程的不斷深入，柔性制造引發(fā)了越來越多的關注。柔性化生產(chǎn)也被認為是智能技術賦能傳統(tǒng)工業(yè)的核心使命之一。
“柔性生產(chǎn)”（Flexible Production）這一在1965年就被提出的概念，其內(nèi)涵也隨著技術的突破和實踐的發(fā)展而不斷發(fā)展著?，F(xiàn)階段，柔性生產(chǎn)主要指經(jīng)數(shù)字系統(tǒng)控制，通過精益生產(chǎn)、智能化人機排位和智能排產(chǎn)技術，實現(xiàn)多品種、小批量的快速生產(chǎn)方式。
理想狀態(tài)下，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)的構建有利于提高企業(yè)的靈活性，使企業(yè)能夠快速高效地滿足客戶個性化需求，降低成本，并提升創(chuàng)新能力，從而在快節(jié)奏的市場中獲得競爭優(yōu)勢。此外，它還支持小批量生產(chǎn)，減少環(huán)境影響，并通過改善質(zhì)量控制和加快產(chǎn)品上市時間，提高客戶滿意度和忠誠度。
相關實踐數(shù)據(jù)也反映出，一些企業(yè)的確從柔性生產(chǎn)方案中獲益。
比如國內(nèi)某家電企業(yè)通過重構柔性液晶生產(chǎn)線，實現(xiàn)了按訂單快速調(diào)整產(chǎn)線布局，自動更新設備參數(shù)等，將轉產(chǎn)時間縮短了93%，產(chǎn)能提升了10%。
另一家同類型企業(yè)通過生產(chǎn)要素的全面互聯(lián)感知，構建工業(yè)指揮大腦，以小批量定制工單驅(qū)動，基于數(shù)據(jù)模型和智能算法優(yōu)化生產(chǎn)資源配置，實時進行調(diào)度，使得設備綜合效率提升了23%，生產(chǎn)效率提升了45%。
此外，國內(nèi)某車企通過構建定制訂單聯(lián)動的柔性供應鏈體系，能夠準確傳遞定制訂單的供貨需求，快速組織生產(chǎn)和交付采購訂單，定制化能力提升了35％。
正是因為上述優(yōu)勢，近年來我國柔性制造相關行業(yè)也呈現(xiàn)快速增長的態(tài)勢，相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國柔性制造行業(yè)的市場規(guī)模年均增長率超過18%。2022年的市場規(guī)模為2488.32億元左右，增長率為20%。預計在2029年該行業(yè)的市場規(guī)模約達到8568.43億元。
柔性制造的發(fā)展有哪些充分條件與必要條件？柔性生產(chǎn)方案主要由哪些環(huán)節(jié)構成？具體的柔性生產(chǎn)單元包含哪些要素？推進柔性生產(chǎn)改造有哪些障礙和難點？本文將就這些內(nèi)容展開討論。
消費變革驅(qū)動柔性生產(chǎn)
在第一次工業(yè)革命的推動下，人類社會進入了機器大規(guī)模生產(chǎn)的時代，物質(zhì)生產(chǎn)效率得到顯著提升。福特的流水線制造方法的引入進一步加速了這一進程，解決了物資短缺問題，使得更多人能夠享受到先進的工業(yè)產(chǎn)品。然而，這種生產(chǎn)方式有一個副作用，就是大量同質(zhì)化產(chǎn)品對個性化需求的抹殺。
大規(guī)模同質(zhì)化產(chǎn)品是商業(yè)廣告興起的有力推手之一，大同小異的產(chǎn)品為了搏出位，需要耗費大量的資源用于廣告營銷，最后再將這些成本轉嫁給消費者買單。
與此同時，布道式的營銷模式也嚴重損害了消費者的自主權。品牌方以布道者的姿態(tài)，去定義所謂的“時尚”和“潮流”，通過頻繁地洗腦讓消費者接受有限的幾款產(chǎn)品，并將其視為流行。
《線車宣言》一書中曾對這種狂轟濫炸式的、布道般的廣告營銷進行了批評，認為它們是工業(yè)化發(fā)展過程中的“新教廷”。
大量同質(zhì)化產(chǎn)品讓商家的角力點從產(chǎn)品本身轉移到了廣告和營銷上。早期傳播渠道有限，只有擁有巨大資源的賣方才能通過電視、廣播、紙媒，以及市中心和機場旺鋪等這些有限但是價格高昂的渠道獲得露出機會，并構筑品牌溢價的護城河。
這些品牌很少也很難去聆聽消費者的真實需求，而是借由占據(jù)的渠道去宣揚自己的產(chǎn)品。它們構筑場景、打造價值體系，然后向大眾布道，恨不能將品牌變成一種信仰，讓消費者無腦追隨。
正因為此，馬爾庫塞在其《單向度的人》一書中才指出，“消費者”是消費社會中一幫人強加給另一幫人的結果。這幫人自認為是先知先覺者，可以把一種關于這個世界的“心理無知”強加給另一幫人，給后者塑造生活模式和樣板。這是一種“霸權行徑”。
《線車宣言》中提到，市場不應該是鋪天蓋地的廣告和天花亂墜的營銷，市場的本質(zhì)應該是買賣雙方之間的溝通和對話。然而，傳統(tǒng)的那種買賣雙方洽談后再進行個性化定制生產(chǎn)的關系模式，被工業(yè)化進程的車輪給無情碾碎了。
今天，數(shù)字技術的發(fā)展給消費平權創(chuàng)造了可能性。
首先，互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展彌合了買賣雙方之間的信息不對等，消費者的購買行為日趨細致、專業(yè)和個性化，他們對消費的了解比以前深入了很多，清楚自己的消費動機和行為。消費者有意愿也有能力獲取關于某件產(chǎn)品充分的信息，以及該產(chǎn)品與同類產(chǎn)品相比的優(yōu)缺點。
其次，電商的興起也大幅拓寬了消費渠道，讓消費者有了更多的選擇。
我們正在經(jīng)歷的是一個買方市場崛起的時代，買賣雙方關系開始發(fā)生逆轉，消費者在市場博弈中開始掌握更多的主動權。
隨著商品信息日益豐富和多樣化，消費者的選擇范圍與渠道不斷擴大，購買行為的側重點也從單純的產(chǎn)品質(zhì)量轉向整個購買過程的價值體驗。
消費模式正在從一成不變的標準化產(chǎn)品向定制化、個性化產(chǎn)品演變。例如，服裝行業(yè)正在推進在線定制服務，家具行業(yè)正大力推廣全屋定制解決方案，汽車行業(yè)正加速實現(xiàn)用戶直連制造模式，而鋼鐵行業(yè)則見證了小批量訂單需求的增長。
在這一需求變革趨勢下，傳統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)模式已難以在保持成本可控的同時迅速響應和滿足這些需求。因此，工廠迫切需要發(fā)展柔性生產(chǎn)能力，借助規(guī)?；a(chǎn)帶來的低成本優(yōu)勢，以實現(xiàn)生產(chǎn)多樣化、批量靈活和交貨周期短的個性化訂單。
柔性生產(chǎn)的關鍵技術
需求側的倒逼是發(fā)展柔性生產(chǎn)的充分條件，而多項前沿技術的突破及融合，則是柔性生產(chǎn)得以發(fā)展的必要條件。代表性的技術有：
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)使設備、機器和系統(tǒng)能夠相互連接和通信，實時收集和交換生產(chǎn)數(shù)據(jù)。這種互聯(lián)互通不僅提高了生產(chǎn)效率，還使得生產(chǎn)過程能夠根據(jù)實時數(shù)據(jù)進行自我調(diào)整，增加了制造過程的靈活性。
人工智能與機器學習：通過人工智能和機器學習算法，制造系統(tǒng)能夠預測市場變化、優(yōu)化生產(chǎn)流程、提高質(zhì)量控制，并實現(xiàn)智能決策支持。這些能力對于響應快速變化的市場需求和實現(xiàn)個性化定制生產(chǎn)至關重要。
數(shù)字孿生技術：數(shù)字孿生是指創(chuàng)建一個物理實體的虛擬副本，使企業(yè)能夠在不影響實際生產(chǎn)線的情況下模擬、分析和測試生產(chǎn)過程。這種技術大大提高了產(chǎn)品設計和生產(chǎn)流程的靈活性與效率。
先進機器人技術：包括協(xié)作機器人在內(nèi)的先進機器人技術，使得機器人能夠更安全、更靈活地與人類工作人員共同作業(yè)。這不僅提高了生產(chǎn)效率，還允許快速調(diào)整生產(chǎn)線以適應不同產(chǎn)品的生產(chǎn)。
3D打印技術：3D打印或增材制造技術使得從單件到小批量生產(chǎn)的定制化生產(chǎn)成為可能。這項技術支持復雜設計的快速原型制作和生產(chǎn)，極大地增加了制造的靈活性。
云計算和大數(shù)據(jù)：云計算提供了強大的數(shù)據(jù)處理能力，使企業(yè)能夠存儲、分析海量數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)做出快速決策。大數(shù)據(jù)分析有助于優(yōu)化生產(chǎn)流程、預測設備維護需求和改善供應鏈管理。
柔性制造系統(tǒng)（FMS）：柔性制造系統(tǒng)本身就是一種技術突破，它結合了自動化設備、機器人、計算機控制系統(tǒng)和信息技術，以實現(xiàn)高效、靈活的生產(chǎn)能力。
在上述幾大技術的基礎上，企業(yè)主要通過四個方面的協(xié)同來實現(xiàn)生產(chǎn)的柔性化：
模塊化產(chǎn)品的快速開發(fā)： 借助先進的數(shù)字化建模工具和數(shù)據(jù)管理平臺，企業(yè)可以高效選用、配置、組合各種產(chǎn)品模塊。這一過程不僅依賴于豐富的產(chǎn)品模塊庫、設計知識庫和配置規(guī)則庫，而且能夠通過參數(shù)化設計快速迭代模塊，從而實現(xiàn)針對特定需求的定制化產(chǎn)品設計和工藝方案。
資源的柔性配置與動態(tài)調(diào)度： 通過泛在網(wǎng)絡連接各類生產(chǎn)資源，實現(xiàn)對生產(chǎn)要素狀態(tài)的實時感知，針對小批量定制需求，精準制定生產(chǎn)計劃、物料需求和車間作業(yè)排程。此外，根據(jù)訂單變化和生產(chǎn)異常實時調(diào)整計劃和資源，實現(xiàn)資源配置和調(diào)度的極高柔性化。
自適應加工能力的增強： 依托于可重構的生產(chǎn)線、靈活的工裝夾具和高效的線上物流系統(tǒng)，企業(yè)能夠?qū)蝹€或小批量產(chǎn)品實現(xiàn)精確識別、資源匹配及整個生產(chǎn)過程的精確控制。這不僅提高了生產(chǎn)效率，也使得企業(yè)能夠靈活應對多品種、小批量的定制化生產(chǎn)需求。
建立柔性供應鏈體系： 通過打通產(chǎn)業(yè)鏈與供應鏈，建立涵蓋研發(fā)、生產(chǎn)、運營等環(huán)節(jié)的供應鏈協(xié)同機制，企業(yè)能夠基于跨企業(yè)的數(shù)據(jù)共享和實時反饋，增強供應鏈的資源配置柔性、業(yè)務協(xié)同動態(tài)性和對變化的快速適應性，從而針對定制需求實現(xiàn)敏捷響應和快速交付。
柔性生產(chǎn)方案的構成
柔性生產(chǎn)方案主要包括三個主要組成部分：柔性生產(chǎn)系統(tǒng)、數(shù)字化加工設備和物料儲運系統(tǒng)。其中：
柔性生產(chǎn)系統(tǒng)充當生產(chǎn)車間的“指揮中心”，負責收集和處理數(shù)據(jù)，監(jiān)控設備運行，發(fā)出生產(chǎn)指令。該系統(tǒng)的主要任務包括工藝規(guī)范管理、生產(chǎn)排程調(diào)整、數(shù)據(jù)收集、現(xiàn)場管理、生產(chǎn)進度跟蹤、設備狀態(tài)監(jiān)控和質(zhì)量控制等。通過實時監(jiān)控和調(diào)整，系統(tǒng)確保生產(chǎn)的靈活性和響應能力，從而適應生產(chǎn)需求的變化。
數(shù)字化加工設備通過數(shù)字控制技術與柔性生產(chǎn)系統(tǒng)緊密集成，實現(xiàn)了與系統(tǒng)的無縫鏈接。設備能夠?qū)崟r上傳運行狀態(tài)和生產(chǎn)進度到可視化智能看板，使技術人員能夠及時掌握產(chǎn)品質(zhì)量，提高設備效率，降低返工率和生產(chǎn)浪費。此外，它們還能詳細記錄員工工作量和產(chǎn)品質(zhì)量，便于追溯和績效評估。
物料儲運系統(tǒng)負責物料、半成品和成品的有效周轉和倉儲管理。該系統(tǒng)通常包括智能吊掛系統(tǒng)、自動引導車（AGV）、中轉臺和倉庫等組成部分。通過與柔性生產(chǎn)系統(tǒng)的集成，物料儲運系統(tǒng)能夠接收指令并受到持續(xù)監(jiān)控，確保物料配送的速度和準確性，實現(xiàn)倉儲的智能化管理。
整體而言，柔性生產(chǎn)方案通過信息化、數(shù)字化和可視化管理全流程，不僅實現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的完整存儲和分析，還提高了內(nèi)部和外部環(huán)境調(diào)整的能力。這奠定了基礎，以滿足企業(yè)對多樣化、小批量和快速交付需求的挑戰(zhàn)，推動企業(yè)從傳統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)模式向高附加值、個性化定制轉型。
柔性生產(chǎn)單元實例
在宏觀的柔性方案之下，具體的柔性生產(chǎn)單元長什么樣子呢？
孫科星等人利用OPC UA、S7.Net、Http等先進通信協(xié)議，建立了一個由4臺西門子810D系列數(shù)控機床、KUKA工業(yè)機器人和西門子1200系列PLC等設備組成的柔性加工單元。
這個單元不僅包括上下料工作臺、轉運機械臂、線邊庫，還整合了數(shù)據(jù)采集與交互系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)、可視化系統(tǒng)以及電氣系統(tǒng)等，形成了一個綜合的柔性生產(chǎn)環(huán)境。
通過工業(yè)以太網(wǎng)的支持，該單元實現(xiàn)了車間制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、3維可視化系統(tǒng)、機床、轉運機械臂、線邊庫、柔性單元調(diào)度系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理模塊的全面互聯(lián)。這種互聯(lián)使得原材料能夠高效地從線邊庫被轉移到加工站，而調(diào)度系統(tǒng)則基于實時設備狀態(tài)將材料分配到空閑的機床上加工，進一步優(yōu)化生產(chǎn)流程。
該套數(shù)字化柔性機加單元分為設備層、控制層和管理層。
設備層構成了生產(chǎn)車間的核心，涵蓋了所有參與生產(chǎn)加工活動的設備，包括數(shù)控機床、物料轉運機械臂、自動化PLC設備和RFID系統(tǒng)等，這些設備不僅是生產(chǎn)制造的基石，也為車間監(jiān)控系統(tǒng)提供了關鍵數(shù)據(jù)。
這一層的設備運行狀態(tài)對整個生產(chǎn)流程有著直接的影響。通過采用先進的數(shù)據(jù)采集技術，車間能夠收集來自這些基礎設備的數(shù)據(jù)，為整個生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析和決策支持提供數(shù)據(jù)基礎。
控制層充當智能監(jiān)控和管理系統(tǒng)的心臟與大腦，為模型的實時動態(tài)、生產(chǎn)進度、物流搬運以及設備運行狀態(tài)等關鍵操作提供了必要的動力和基礎。這一層依賴于大量實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和控制指令，以確保生產(chǎn)過程的順暢運行和高效管理。
實時數(shù)據(jù)通過連接生產(chǎn)現(xiàn)場的通信服務器實時獲取，而歷史數(shù)據(jù)則來源于專門的歷史數(shù)據(jù)庫；同時，生產(chǎn)指令則是直接從車間的信息管理系統(tǒng)中提取。通過高效的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這些底層數(shù)據(jù)被捕獲并通過車間的現(xiàn)場總線技術傳輸至數(shù)據(jù)處理層，最后通過函數(shù)調(diào)用將數(shù)據(jù)以JSON格式導入至可視化系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的有效整合和信息的透明流通。
管理層專注于根據(jù)當前生產(chǎn)實況，定制監(jiān)控系統(tǒng)展示的關鍵信息，這一層涵蓋了進度管理、現(xiàn)場管理和效能管理三個關鍵領域。
進度管理功能使得用戶能夠查詢到具體生產(chǎn)線和單個產(chǎn)品的加工進度，以及整個生產(chǎn)計劃的實施狀態(tài)?，F(xiàn)場管理則專注于監(jiān)控設備的實時運行狀況和整個車間的生產(chǎn)狀態(tài)，這包括設備的即時活動、運行狀況，以及轉運機械臂的位置和動態(tài)，并能夠在出現(xiàn)任何生產(chǎn)線異常時迅速發(fā)出警報。效能管理通過與制造執(zhí)行系統(tǒng)的整合，對設備的使用效率和任務的完成情況進行跟蹤、統(tǒng)計和反饋，確保生產(chǎn)過程的高效運行。
柔性生產(chǎn)方案推進的障礙
毋庸置疑，在追求高度定制化和快速響應市場變化的當代產(chǎn)業(yè)環(huán)境中，柔性制造系統(tǒng)是不可或缺的關鍵解決方案。然而，將這一理念轉化為實踐操作，企業(yè)需要面對多方面的挑戰(zhàn)。
首先，高昂的初始投資是許多企業(yè)面臨的主要障礙。柔性生產(chǎn)系統(tǒng)的實施不僅需要在先進技術和設備上進行大量投資，還需要對員工進行系統(tǒng)性培訓。特別是對于規(guī)模較小的中小企業(yè)而言，這項投資可能是一個重大的財務負擔。
其次，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)的復雜性也是一個不容忽視的挑戰(zhàn)。隨著生產(chǎn)流程的復雜化，管理和維護的難度隨之增加，這可能導致生產(chǎn)效率下降和成本上升。為此，企業(yè)必須確保員工接受適當?shù)呐嘤柡椭С?，同時確保系統(tǒng)的設計既高效可靠又用戶友好。
再次，將柔性生產(chǎn)系統(tǒng)與企業(yè)的其他系統(tǒng)（如庫存管理和客戶關系管理系統(tǒng)）整合起來也是一個復雜且耗時的任務。這不僅需要大量的技術投資，還需要在員工培訓上下功夫。
最后，在采用柔性生產(chǎn)系統(tǒng)的過程中，保持產(chǎn)品質(zhì)量的一致性也是一個挑戰(zhàn)。定制化生產(chǎn)可能導致產(chǎn)品質(zhì)量的波動。
寫在最后
生產(chǎn)模式始終隨著市場需求和技術創(chuàng)新而發(fā)生著變化。
傳統(tǒng)的大批量生產(chǎn)模式雖然解決了物資的基本供應問題，但卻未能滿足消費者對個性化產(chǎn)品的渴望。而今，數(shù)字技術、智能制造和自動化技術的飛速發(fā)展帶來了柔性制造的興起，這不僅是一場技術革命，也是消費者與生產(chǎn)者關系的一次重塑。
柔性制造的發(fā)展有望實現(xiàn)生產(chǎn)效率與產(chǎn)品多樣性之間的平衡，使得消費者能夠獲得符合個性化需求的高質(zhì)量產(chǎn)品，同時生產(chǎn)者也能以高效的方式滿足這些需求。
這種模式的本質(zhì)，是在大規(guī)模生產(chǎn)的基礎上，恢復那種最初的、基于人與人之間直接交流和溝通的消費場景和生產(chǎn)關系，遠離了品牌對消費者單向的影響和馴化。
因此，柔性制造可以被視為是一次由技術驅(qū)動的生產(chǎn)與消費關系的復興，它重新定義了生產(chǎn)者和消費者之間的互動方式，為個性化需求和大規(guī)模生產(chǎn)之間找到了一個創(chuàng)新的平衡點。
參考文獻：
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《中國柔性制造行業(yè)報告》，智研瞻產(chǎn)業(yè)研究院
《線車宣言》，中國青年出版社
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