学
习课程：现代制造技术
单选题
1.我国制造业的总产值居世界： 回答：正确
1.
2.
3.
4. A 错误！未找到引用源。第4位 B 错误！未找到引用源。第3位 C 错误！未找到引用源。第2位 D 错误！未找到引用源。第1位
2.把原料和信息转化为各种物品以满足人类需求的过程，即为： 回答：正确
1.
2.
3. A 错误！未找到引用源。制作 B 错误！未找到引用源。创新 C 错误！未找到引用源。制造
4. D 错误！未找到引用源。创造
3.并行工程的好处在于： 回答：正确
1.
2.
3.
4. A 错误！未找到引用源。结束环节可以迅速地做一些调整来满足市场的需求 B 错误！未找到引用源。开始环节可以迅速地做一些调整来满足市场的需求 C 错误！未找到引用源。每个环节都可以迅速地做一些调整来满足市场的需求 D 错误！未找到引用源。中间环节可以迅速地做一些调整来满足市场的需求
4.并行工程进行并行、一体化设计的一种系统化的对象是： 回答：正确
1.
2.
3.
4. A 错误！未找到引用源。产品及零件 B 错误！未找到引用源。产品及设备 C 错误！未找到引用源。产品及工艺装备 D 错误！未找到引用源。产品及相关过程
5.如果生产过程是比较稳定的，最后的分布图就应该是： 回答：正确
1.
2.
3.
4. A 错误！未找到引用源。点阵分布 B 错误！未找到引用源。平均分布 C 错误！未找到引用源。随机分布 D 错误！未找到引用源。正态分布
6.流程的出品分布图是不稳定的，也是不可预测的，其原因是： 回答：正确
1.
2.
3.
4. A 错误！未找到引用源。共同起因 B 错误！未找到引用源。设备故障 C 错误！未找到引用源。特别起因 D 错误！未找到引用源。人员操作失误
7.大且重；大量大批；加工时间长，调整时间短，应该采用： 回答：正确
1.
2.
3.
4. A 错误！未找到引用源。平行移动方式 B 错误！未找到引用源。顺序移动方式 C 错误！未找到引用源。平行顺序移动方式 D 错误！未找到引用源。以上都不对
8.制造业总产值在国内生产总值中所占的比重一直维持在： 回答：正确
1.
2.
3.
4. A 错误！未找到引用源。10%以上 B 错误！未找到引用源。40%以上 C 错误！未找到引用源。30%以上 D 错误！未找到引用源。20%以上
9.产品设计必须从： 回答：正确
1.
2.
3.
4. A 错误！未找到引用源。“美观设计”、“经济地制造”的角度出发 B 错误！未找到引用源。“易于制造”、“经济地制造”的角度出发 C 错误！未找到引用源。“易于制造”、“美观制造”的角度出发 D 错误！未找到引用源。“易于制造”、“美观设计”的角度出发
10.度量生产过程效率的标准是： 回答：正确
1.
2.
3.
4. A 错误！未找到引用源。产量 B 错误！未找到引用源。生产率 C 错误！未找到引用源。产值 D 错误！未找到引用源。利润
11.周期时间是指： 回答：正确
1.
2.
3.
4. A 错误！未找到引用源。部件在制造系统中的时间 B 错误！未找到引用源。周期和生产准备时间 C 错误！未找到引用源。生产准备时间 D 错误！未找到引用源。从原材料到成品的时间
12.在异常和危险情况下系统生存的关键是： 回答：正确
1.
2.
3.
4. A 错误！未找到引用源。强健性 B 错误！未找到引用源。安全性 C 错误！未找到引用源。操作性 D 错误！未找到引用源。实践性
13.状态空间结构理论的形成是在： 回答：正确
1.
2.
3.
4. A 错误！未找到引用源。二十世纪六七十年代 B 错误！未找到引用源。二十世纪八九十年代 C 错误！未找到引用源。二十世纪四五十年代 D 错误！未找到引用源。二十世纪二三十年代
14.小而轻；大量大批；加工时间长，调整时间短；对象专业化, 应该采用： 回答：正确
1.
2.
3.
4. A 错误！未找到引用源。平行移动方式 B 错误！未找到引用源。顺序移动方式 C 错误！未找到引用源。平行顺序移动方式 D 错误！未找到引用源。以上都不对
15.在离散式的生产方式中,1000件/年属于 回答：正确
1.
2.
3.
4. A 错误！未找到引用源。少量生产 B 错误！未找到引用源。中量生产 C 错误！未找到引用源。大量生产 D 错误！未找到引用源。超量生产
第一讲 制造系统入门（上）
我国制造业的总产值仅次于美国、日本、德国，居世界第4位，制造业总产值在国内生产总值中所占的比重一直维持在40%以上，中国财政收入的一半来自于制造业，制造业吸收了将近一半的城市就业人口，农村剩余劳动力转移也有将近一半流入了制造业，中国制造业总体规模仅相当于美国的1/5，劳动生产率只有美国的1/23，日本的1/25，德国的1/18。
制造系统设计和控制课程主要介绍制造系统的设计与控制原理，将工程学与管理学综合起来确定制造业的效率、费用、质量和柔性，内容包括工厂物理、质量、为制造而进行的系
统设计和操作，除了基础知识以外，还着重讲解现代制造系统的发展方向，包括并行工程、敏捷制造、精益制造等几个方向。
制造的定义
人们通常所说的制造业就是普遍意义上理解的工厂，但是工厂不仅仅是一个单一的单元，而是一个系统，要把整个的工厂理解为一个系统，就要包括人造和天然因素。科技发展到今天，很多的系统都是来源于人造的系统，包括高速公路的系统等等，系统的优化和设计也是很多数学家所研究的主要方面，那么，制造系统到底是一个什么概念呢？
什么是制造系统
制造的定义就是：制造是把原料和信息转化为各种物品以满足人类需求的过程。
在这个定义上可以看到，制造业不仅仅要转化原料，还要把很多信息转化为大家需要的物品，特别是从20世纪90年代初网络高速发展以来，信息在制造业中的作用越来越重要。如今世界各地，无论是在生产、销售还是市场中，都把信息当作基本建设的模块，从广义上来讲，很多系统都可以作为一个制造系统的原型。
【案例】
大学
广义上的制造系统非常多，比如可以把一所大学看作是一个制造系统，在一位学生整个4年的学习过程中，对于学校来说，其实是一个生产和制造人才的过程，学生进入学校后，就相当于一个没有加工的原始材料，在4年的学习中，通过老师的讲解、课堂的学习和课外的作业等一些方法的学习，最后成为一个合格的人才。其流程如下图所示：
大学的人才培养流程图
传统的制造系统其整个的流程是：首先作市场的调查与研发，知道了市场需要什么样的产品以后，把这些最原始的市场需求转化成为概念设计，成为模块和纸上的原型，通过这些步骤就可以知道需要哪些真正的硬件。而且，除了外形设计以外，还要分析需要哪些部件，需要知道制造的过程以及装配和连接，包括最后的测试等等，最终，通过制造，整个产品成型后推向市场。
下面是一个制造系统的分析和解释图，在图中，原材料进到制造系统后，通过工厂的操
作、物料管理、检验加工等一系列的过程，引入设计和市场制造的计划，最后将成型的产品推向市场。
图1-1 传统制造系统的流程
图1-2 制造系统
在中国，制造业的现状特点是：
◆ 规模小(很多小工厂)：2004年世界500强前12个企业销售收入为24 028亿美元，超过中国国有及有规模的非国有企业（219 463个）的销售收入187 815亿元。
◆ 资本少(研发投入更少)：2005年中国制造业500强的平均研发投入只占这些企业主营业务收入的1.88%。而同期西方先进国家企业的研发投入则占主营业务收入的8%～10%。
◆ 基础弱(先进的管理技术没有使用)：多数企业的业务流程不尽规范合理，部门岗位职责不尽明确，基础数据不全且不准确，规章制度不完善和现场管理不到位等问题也十分突出。
中国在未来的30年发展过程中，制造业还是有巨大的发展前途的，不光是因为廉价的劳动力和受过良好教育的工程师，从另外一个方面来讲，中国已经形成了制造产业链，包括很多零部件，也在中国生产和制造，加之中国的地理位置得天独厚，良好的政治环境和经济环境，从长远来讲制造业的发展前景非常广阔。
现代制造系统的发展状况
1．并行工程（Concurrent engineering)
并行工程的定义如下：
并行工程是指从产品开发的初始阶段就由开发设计人员、工艺技术人员、质量控制人员、生产制造人员、营销人员，有时甚至还加上协作厂家、用户代表共同工作，使每个部门在产品开发初期就可以从各自的角度出发，评价设计是否合理、可行的一种工程。
为了清楚的对并行工程的基本概念进行阐述，可通过下面的生产过程图来理解：
图1-3 生产过程示意图
由于制造系统的来源是从用户的需求开始，从用户的需求到功能再到整个产品的物理领域，比如要生产一台电脑就需要对一些硬件和外形进行设计，因此产品的制造流程基本上分为四个领域：
第一个是用户领域，就是从了解用户的需求开始；第二个是功能领域，就是从用户的需求到产品需要提供什么样的功能；第三个是物理领域，就是产品的功能怎么通过一些软件和硬件来实现；最后是流程，就是怎样通过生产制造把软件硬件装配到一起后提供一个比较完美的产品。
制造系统的四个领域和四个层次如下：
表1-1 制造系统的四个领域和四个层次表
传统的生产是一个单方向的流程，从用户开始到生产制造，整个过程是一个推动的过程，现在的市场变化非常迅速，顾客的需求往往通过市场无法准确地了解和获得，在这种情况下，从用户领域和流程领域就需要经常的紧密配合。因此，现在更提倡并行工程，所谓并行工程是指用户领域调研，功能领域的设计，物理和流程的生产制造等等，组成一个团队同时进行，所谓并行就是同时进行。
并行工程的好处在于每个环节都可以迅速地做一些调整来满足市场的需求，并行工程小
组的成员包括计划的管理者、项目的管理者、设计工程师、制造工程师、流程工程师、产品管理者等等。
2．产品设计与工艺设计的结合（Design for Manufacturing）
工厂除了设计产品以外，还要对生产流程进行设计，以前的情况往往是设计产品的人跟设计流程的人并不在一起工作，这通常会导致生产制造出现严重问题，现在比较流行的趋势是把产品的设计和工艺流程的设计整合起来，在产品设计的时候，不仅仅要想到顾客，而且要想到制造的难易程度，如果一个非常优秀的产品在制造过程中非常困难，就会使得制造成本大大增加，产品推出后不一定能满足市场的需求。产品的设计和工艺的设计相结合，其结果就使得产品制造比较容易，也比较经济。
因此，产品设计与工艺设计的结合 (DFM)，应把产品设计作为制造工艺设计的第一步，产品设计必须从“易于制造”、“经济地制造”的角度出发。
3．计算机辅助设计（Computer Aided Design）
从上世纪90年代初到今天，网络发展将近15年，在这15年中，由于通讯费用的急剧下降，给全球的制造业带来了根本性的革命，信息产品革命影响到全人类的各个环节和步骤，包括制造业。
现在，一个产品的设计研发可以在一个国家，制造和生产可以在另外一个国家，市场又可以在第三个国家，这样带来的结果就会在每一个国家每一个地区都有明确的分工和定义。
产品从设计制造到推向市场，这个过程可以被分解成很多单元，可以在世界上最便宜的地方分别做每个单元的事情，产品不仅仅能够满足市场的需求，价格低廉，而且整个生产制造的供应链弹性非常大。
由于网络的使用，很多的生产制造过程，甚至设计都是由计算机辅助完成的，CAD就是计算机辅助设计的英文缩写，有很多这类的软件，包括CAM计算机辅助管理和CAPP计算机辅助流程控制软件，所有的软件都能够在一起相互交换数据，使得全球范围内信息流程能够非常快地共享和使用。
这样，很多大的公司就可以在世界各地布局，包括微软、IBM等公司，它们在中国不仅仅设立制造中心，还设立研发中心，使得信息流程迅速增加，研发可以24小时不停地进行，生产制造也一样，很多工厂现在都采用了白天黑夜的倒班制度，计算机辅助的设计使整个信息流通更加流畅。
计算机辅助设计(CAD)的特点：
◆ 不仅在产品设计(CAD)，而且在流程设计(CAPP)(CAM)上大量使用电脑辅助的软件 ◆ 全球化的设计，制造，市场
◆ 低廉的通讯费用
4．成组技术（Group Technology）
成组技术 (Group Technology)是利用零件的相似性（形状、尺寸、加工过程）来进行多品种小批量生产的科学方法。最初，它主要作为一种工艺组织方法，用来合理组织生产技术准备及生产过程管理，随着零件分类编码系统的不断完善以及成组技术与计算机应用的结合，成组技术的应用已经扩展到产品设计、工艺设计、生产计划、设施布置等环节。
在成组技术（GT）的产生与发展中，很多国家为它做出了贡献，1959年米特洛凡诺夫创立成组技术，德国阿亨工业大学的奥匹兹领导制定了“工件分类编码系统”，美国与日本将GT与数控技术、计算机技术结合,为在GT基础上发展CAD,CAPP和建设FMS创造了必要条件。
成组技术的优越性在于：
◆ 可采用专业化程度较高的机床设备和工艺装备
◆ 按一定的生产纲领和各工序加工工作量配备生产设备和工人
◆ 设备可按零件族典型工艺顺序布置，使物流顺畅
◆ 工件在工序间的传递可采用平行或平行顺序方式，以缩短生产周期减少在制品 ◆ 对生产单元可实行经济类责任制，发挥每个人的积极性创造性
柔性制造系统（FMS）
柔性制造系统（FMS）是由计算机控制的、以数控机床（NC）和加工中心（MC）为基础、适应多品种中小批量生产的自动化制造系统，其特点是：
◆ 可同时加工多种不同工件
◆ 一台机床加工完一种零件后可在不停机调整的条件下，按计算机指令转换加工另一种零件
◆ 各机床之间的联系是灵活的，工件在机床间的传输无固定的流向和节拍
柔性制造系统是从西方发达社会发展起来的，最早是由日本和美国这两个制造业大国提出的这个概念。所谓柔性制造系统是指整个制造系统的弹性很大，要实现很大的弹性，西方发达国家采用的方法是使用大量的机器人和使用大量的生产制造中心。同一个生产制造中心可以生产不同的零件，带来的结果是整个的流水线可以迅速改换生产所需，这就会使产品的流水线弹性非常大。
柔性制造系统发展到今天已经有20年的历史了，整个柔性制造系统在西方国家曾经是非常热门的概念，但现在已成了末路黄花。
现在中国的制造业正在迅猛地发展，而且发展的势头非常强劲，除了中国的人力资源极其便宜以外，最大的考虑就是中国拥有最大的柔性。
【案例】
某人做出口贸易，经常需要将产品装入40尺的集装箱，他的公司有6个工人团队，一天能装5个左右的集装箱，别人问他“你为什么需要这么多工人，为什么不采用一两个工人而使用叉车？”
通过仔细观察就可以发现，使用6个工人团队的效率和工作柔性要比使用叉车的工艺弹性大很多，而且效率高很多，一个40尺的集装箱在国外完全采用机械化的叉车装卸，叉车将货物放入集装箱的时候，在往下降的过程中整个叉车的顶上留有很大的空间，大约为30到50厘米，而且由于货物的形状不同，两边会留有很多空当，当整个叉车插进去的时候，整个叉车上的物品未必都能放到集装箱里头，可见使用自动化的叉车存在着三个问题，而使用人工装卸，这三个问题就全部可以解决，装货物时会把集装箱所有的空间装满，工人的工资也比使用叉车要低。
西方讲究自动化、机器人、柔性制造系统、加工中心等等的概念，但在中国制造业突飞猛进的过程中可以看出，柔性的过程也会有不同的诠释。
【案例】
在10年前，电池的生产基本上被西方国家垄断，电池生产过程完全是一个自动化的过程，高度机械化，人工用的非常少，但中国开始生产电池以后，东南沿海诞生了很多家电池制造企业，整个电池制造使用非常简单的手工制造，使用大量的工人，工人的弹性要远远比制造自动化的流水线弹性大，而且投资要小很多，在这样的情况下，整个生产线弹性和柔性都非常大，其产品的市场占领程度也越来越大。
从长远的竞争来讲，使用人工如果恰当的话，并没有特别多的坏处，因此一定要因地制宜，了解自己的需求，找出自己合适的发展模式。
生产效率会由于机器工作方式的不同而有所不同，这需要通过以下几种情况进行分析： ◆ 第一种情况，只有一台机器进行工作的时候，假设为全部工作 (无故障）状态，则如下图所示：
◆ 第二种情况，也是只有一台机器进行工作的时候，假设机器有时有故障，其他的时间都工作，则：
◆ 第三种情况，假设有很多机器，而且全部没有机器故障，没有缓冲，则：
◆ 第四种情况，假设有很多机器（同样的工作时间），没有机器故障，没有缓冲，则：
◆ 第五种情况，假设有很多机器而且每台机器之间有缓冲，有机器故障，则：
3．如何提高生产效率
从上面的分析可以看到，生产效率的提高与诸多因素有关，因此，良好的生产效率就需要达到：
◆ 最慢的机器生产效率提高 ◆ 减低机器故障 ◆ 加入缓冲区
◆ 加入生产流程的控制
4．广义的故障(随机事件)
广义的故障(随机事件)可以是如下的情况之一或情况综合： ◆ 机器故障 ◆ 机器准备时间 ◆ 无操作员
◆ 等待工件、工件堆积
在这些故障中，等待造成的危害会导致： ◆ 使用率太低 ◆ 流水线停止 ◆ 库存
而库存、流程部件 (Work-In-Process)会导致： ◆ 增加成本 ◆ 可能被损坏 ◆ 可能过期 ◆ 增加准备时间
第四讲 制造系统的设计（中）
周期和生产准备时间 (Cycle Time and Lead Time)
一般情况下，周期和生产准备时间 (Cycle Time and Lead Time)的工作流程如下图所示：
图2-9 周期和生产准备时间工作流程
周期时间= 部件在制造系统中的时间 Little’s 定理指出： L = λw
在公式中，L代表平均库存，λ代表平均生产率，W代表平均周期时间。
1．周期时间(Cycle Time)
例如：生产时间 = 1, 单件生产时，假设其生产流程如下图所示：
则：生产效率 = 1 周期时间 = 5 min 库存 = 5
当多件生产时，假设其生产流程如下图所示：
假设生产效率为3 分钟，每一组的数量为1000则：
周期时间 = 1 000 ×3 + 1 000× 3 + 1 000 ×3 = 9 000 分钟
对于单件生产的周期时间，假设其生产流程如图所示，生产时间为3 minutes，则： 周期时间 = 1 000 × 3 + 2 ×3 = 3 006 min
2．零件在加工过程中的移动方式
零件在加工过程中的移动方式分为三种： ◆ 顺序移动方式
顺序移动方式指一批零件或产品在上道工序全部加工完成后，整批转移到下道工序加工的移动方式。
加工批量n＝4，工序数m＝4，各道工序时间
t1＝10min t2=5min t3=15min t4=10min 其顺序移动方式示意图如下：
图2-10 顺序移动方式示意图
生产周期计算公式就为
其中， n为生产批量， m为生产工序数， 为生产i工序单件工时， 为生产顺序移动方式，生产周期为：
例： ＝4×（10＋5＋15＋10）=160min ◆ 平行移动方式
平行移动方式指每个产品或零件在上道工序加工完后，立即转到下道工序加工，使各个零件或产品在各道工序上的加工平行地进行。
生产周期计算公式：
在公式中， 指工序时间最长的工序时间 例： ＝（10＋5＋15＋10）＋（4－1）×15 ＝40＋45＝85min
平行移动方式的时间计算可以用下图所示：
图2-11 平行移动方式的时间计算
◆ 平行顺序移动方式
平行顺序移动方式即一批零件或产品，既保持每道工序的平行性，又保持连续性的作业移动方式，如下图所示：
图2-12 平行顺序移动方式工作流程示意图
其计算公式为：
相邻两工序中，工时较短的工序单件工时 =160－（4－1）×（5＋5＋10）＝100min 或
其中， t较大指比相邻工序单件工时均较大的工序单件工时， t较小指比相邻工序单件工时均较小的工序单件工时，例如：
=40＋（4－1）×（10+15－5）＝100min
表2-1 三种移动方式的比较表
典型制造系统的设计准则
典型制造系统的设计准则，需要考虑以下的因素： ◆ 平衡(Leveling) ◆ 平均(Balancing)
◆ 单零件流水线(Single-piece flow)
◆ 尽量少的物料搬运(Low materials handling) ◆ 短的生产准备时间(Low setup time) ◆ 小的生产坯料(Smaller lot size) ◆ 低的在制品(Low WIP)
◆ 快速的反馈(Faster feedback)
第五讲 制造系统的设计（下）
制造系统的操作
制造系统的操作，要区分为推式 (MRP, ERP, etc) 和拉式 (JIT)系统进行研究，同时，批量与单件生产也会有根本性的区别。
【案例】
生产纸飞机操作步骤
本实验的目的就是阐释拉动系统能大幅降低WIP，通过本实验，就可解释推动、平动、看板、瓶颈、生产时间、停止时间、线平衡和工人操作的态度。
本实验需要的准备工作包括： 100张白纸 3张颜色纸 彩色笔
实验数据采集表包括：
制造时间表(12张),每个操作台3张(3次操作) 单件流动时间表3张 彩色纸单件流动时间表1张 生产纸飞机操作步骤如下图所示：
图1 生产纸飞机操作步骤图
如果采用推式生产流程，每个操作台1人，共4人，1个质检员，7个计时员，则： ○ 每个台1个，用表1(共4人）；
○ 5号在最后记录流程时间(纪录第1个飞机做好到第21个飞机做好的时间,用表2)； ○ 6号记录彩色纸的流程时间，用表3； ○ 7号记录每次的WIP,用白板表4； 其材料流向为：
图2 推式生产材料流向
当采用推式生产时，每个工作台只管自己的生产，可以用FIFO(先入先出的办法）进行生产。 当采用拉式生产每次3件时，每次3件货在看板箱开始工作，每次看板里没有要出的货开始下一个看板。 当采用拉式生产每次1件时，如下图所示：
图3 拉式生产材料流向
其中，制造时间表如下：
表1 制造时间表
操作台号________________________
总时间（秒）：
平均时间（秒）：
单件流动时间表如下：
表2 单件流动时间表
表3 彩色纸单件流动时间表
白板数据采集表如下：
表4 白板数据采集表
操作时间：__________________
通过该实验，就可以清楚地指出瓶颈在哪里，同时也可以看到，在拉式生产中，不工作也是好的,要不就得增加库存。
【自检2-1】
请参照案例中生产纸飞机的操作步骤，组织15人参与，分别以推式和拉式生产方式进行纸飞
机的制作，并填写制造时间表、单件流动时间表、彩色纸单件流动时间表、白板数据采集表，然后对结果进行分析，并写出您的体会。
活动体会：
____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________
第六讲 制造系统的控制
在制造流水线中，一个良好的控制，除了对生产流水线的一些参数提前设计以外，必须在生产的过程中，对生产的流程进行控制。
强健性(Robustness)
为什么要进行流程控制？由于在制造的流动过程中有一些随机性，这种随机性可以用打靶实验来解释。如下图所示：
图3-1 打靶实验的随机性
打靶能否打好，主要取决于两个方面，第一是能不能每一次都打到靶心上，第二是不仅一次可以打很准，还要求每次都打的比较准，每一次都能打到靶心，在一个长时间内，要进行多次的、重复的打击，就必然有一定的随机性出现。
生产流水线也有两个方向，第一是每次都能生产出好的产品，第二是长时间内要求都能够生产合适的产品，就如同打靶实验一样，一图中没有一枪打到靶心上，而是都打到了靶的外面；二图中不仅没打到靶心，而且打的比较乱，比较随机；三图中全部的都打在右上角，打的非常集中，也非常准确，但是却全没有在靶心，在这种情况下，可以通过调整靶心和瞄准器，或者改变弹道来打到靶心；四图中靶都打到了靶心，既集中又准确，这就是在生产流程中需要达到的目标，也就是强建性的所在。
强健性(Robustness) ，也译作强壮性、稳健性、鲁棒性，是控制理论术语之一，它是在异常和危险情况下系统生存的关键，比如计算机软件在输入错误、磁盘故障、网络过载或有意攻击情况下，能否不死机、不崩溃，就是该软件的鲁棒性。所谓“鲁棒性”，是指控制系统在一定（结构、大小）的参数摄动下，维持某些性能的特性。根据对性能的不同定义，可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性。以闭环系统的鲁棒性作为目标设计得到的固定控制器称为鲁棒控制器。
控制系统的鲁棒性研究是现代控制理论研究中一个非常活跃的领域，鲁棒控制问题最早出现在上个世纪人们对于微分方程的研究中Black首先在他的1927年的一项专利上应用了鲁棒控制。 二十世纪六七十年代，状态空间结构理论的形成是现代控制理论的一个重要突破。状态空间的结构理论包括能控性、能观性、反馈镇定和输入输出模型的状态空间实现理论，它连同最优控制理论和卡尔曼滤波理论一起，使现代控制理论形成了严谨完整的理论体系，并且在宇航和机器人控制等应用领域取得了惊人的成就。
鲁棒控制理论发展到今天，已经形成了很多引人注目的理论。其中控制理论是目前解决鲁棒性问题最为成功且较完善的理论体系。Zames在1981年首次提出了这一著名理论，他考虑了对于一个单输入、输出系统的控制系统，设计一个控制器，使系统对于扰动的反映最小。在他提出这一理论之后的20年里，许多学者发展了这一理论，使其有了更加广泛的应用。当前这一理论的研究热点是在非线形系统中的控制问题。另外还有一些关于鲁棒控制的理论如
结构异值理论和区间理论等。
变异：共同和特别起因
在生产中，不仅希望准确，而且还要集中，每一次生产过程中，每一个零件都不大一样，所带来的结果就会使得总的成品有一个分布图。
如果生产过程是比较稳定的，最后的分布图就应该是一个正态分布，但在实际生产中，真正想达到的目标与现状会有一定的差别，就像打靶实验中，很可能全部打在一个集中的地方，但是都不在靶心上，就是平均值不大一样，这时候可能是平均值产生了偏差，第二种是打的比较分散，公差很大，正态分布图就会很偏。
变异的引起，原因就是共同和特别起因导致每一件都不一样，如下图所示的正态分布：
图3-2 正态分布
多件在一起，会形成一个图案，如果过程稳定，形成的分布图如下：
图3-3 多件的正态分布
出现偏差后的分布图可能有以下几种情况或几种情况的组合：
图3-4 出现偏差后的正态分布
如果只有共同起因，流程的出品分布图是稳定的，也是可预测的，如下图中，前四个图像是在时间线中进行生产的尺寸统计图像，由于流程的出品分布具有稳定性，就可以推导出第五个图像，图中用虚线表示：
图3-5 预测的流程出品
但如果有特别起因，流程的出品分布图是不稳定的，也就是不可预测的。例如，在下图中，每次的流程出品都有差异，因此，对第五次的流程出品进行的预测就没有科学依据，这种预测也就没有可信度。
图3-6 不可预测的流程出品
一个生产流程往往有两种可能性，一是特别原因或特殊原因，二是共同原因，特别原因是指整个生产流程中无法预先知道、无法预先控制的原因，比如今天的天气，员工上班的早晚，这些因素都属于特殊原因，都有不可预测的可能，所以导致的结果会使整个流水线具有不可预测性。
例如下面的运行图中，以时间轴为横轴，以产品为纵轴，可以看到，大概生产到20次以后，出来的产品直径有了变化，而且连续几个点都是上升，一直到30点的时候才下降，在这个过程中，有可能生产流程发生一些变化，但是仅仅看这个图，还不知道流水线到底发生了什么样的变化，因此也完全没有办法做预防。
图3-7 变异运行图
流程控制
统计流程控制的目的
针对上面的情况，就需要做流程控制，只有解决了特殊起因，流程才能够比较好的控制下来，所以需要分析起因的原因，然后对原因从根本上进行解决，采取改正措施以后才能够保证下一次不会发生同样的问题。这里，可以采用统计流程控制的办法来解除特别起因，保证下一次没有特别起因的发生，从而保证改正的措施使整个流程长治久安。
统计流程控制的目的可以简单地归纳为：查出干扰(特别起因)，采取改正措施。统计流程控制的目的可以用下图来表示：
图3-8 统计流程控制的目的
介绍统计控制方法，就要提及中央极限定理，所谓中央极限定理，其核心在于： ◆ 大量的独立事件有正态分布的连续概率分布图
◆ 增加样品的数量会增加平均估计的精确度
控制图
从上面的中央极限定理定义可以看出，正态分布的连续概率分布图，一旦数量足够大以后，产生的最后结果一定是一个正态分布结果，它能够增加产品样本的数量，精度也会越高。因此，如果想要知道百分之一百的确定，就可以采用百分之一百的取样，取样的样本数量越大，精度当然就越高。
这个方法在生产流程上的运用，最早源于日本，在二战以后，日本聘请了很多美国专家，主要是以苏哈戴明为主的统计专家，这些专家给他们介绍了怎样使用统计方法来进行生产流程的控制问题。下图显示了100次取样，每次平均10个样件建立的控制图。
图3-9 以100次取样，每次平均10件样品建立的Shewhart控制图
在图中，上限为UCL, 下限为LCL，小群大小 5
如果以10次取样,每次平均10件样品建立的控制图，在51步的时候变化如下图所示：
图3-10 以10次取样,每次平均10件样品，在51步的时候变化控制图
制作控制图，就可以在制造过程中做以下工作：
◆ 收集数据:即收集数据画在图上；
◆ 控制:计算流程的上下控制线，找出流程失控的特殊原因并及时更正；
◆ 流程能力:找出流程失控的普通原因并在系统上进行更正，重复以上步骤并不断提高。
图3-11 制造控制图
那么，如何设立上下限？一般的方法是：点在上下限之外，某事出错，起因也可以找出来。通过上下限以便分配突出出错的点，而控制图的上下限通常如下定义：
◆ 上限 (UCL) = x + 3σsg
◆ 下限 (LCL) = x-3σsg
其中，σsg代表子集的标准偏差。
控制图的标准定义：
◆ σsub group =σsg ≠σprocess
◆ σsubgroup = σprocess/√n process
◆ UCL = x + 3σ/√n
◆ LCL = x -3σprocess/√n
如果n 增加的话, UCL and LCL 将更加靠近中间线, 使得控制区间变小。
控制图的好处非常多，设计好的控制图就可以达到：
◆ 现场工人可以用来控制流程
◆ 使得流程与质量和成本一致，可预测
使用控制图更可以使得流程达到：
◆ 高质量
◆ 低单件成本
◆ 高的有效产量
◆ 提供流程控制的公认工具
◆ 区别共同和特别起因，提供管理人员行动的依据
流程能力
流程能力主要的衡量系数为：
◆ Cp = Range/6σ
◆ Cpk = min { (USL - uLT) /3sST, (uLT - LSL)/3sST}
如何提高流程能力，是制造业中经常碰到的问题，人们常说生产流程能力达不到，需要购买新的机器，需要提供新的数据，而流程能力的改进，需要集中解决影响本区域的共同原因，包括机器不好，生产流水线设计的比较差等等，主要通过对系统进行改变。改进流程以后，需要画新的流程图，对整个系统要不断的监控，进而确保修改的有效性。
图3-12 流程能力改善的过程
【案例】
有如下的流程：
其流程平均值 = 0.738
标准偏差,σ =0.0725
上限 = 0.900
下限 = 0.500
因此，就可以得出规格的正常化为：
使用正态分布图，在标准以外的部分应该为：
PUCL= 0.0129
PLCL = 0.0005
Ptotal = 0.0134
所以，该流程能力指数为：
CPK = Zmin/3 = 2.23 / 3 = 0.74
因此，提高流程能力就意味着：
◆ 改进过程的慢性表现, 集中解决影响所有区间的共同原因。这些通常要求管理层对系统进行改正
◆ 改进后的流程需要再画流程控制图
◆ 不断地监控系统确保修改的有用性
【自检3-1】
对以下的描述请您判断其正误：
1.制造系统是一个将生产要素转变成离散型产品的输入输出系统。 （ ）
2.“大批量生产”（Mass Production）生产方式形成于十九世纪。 （ ）
3.多品种、中小批量生产日渐成为制造业的主流生产方式。 （ ）
4.“批量法则”当今已不适用。 （ ）
5.全能工厂模式不符合“批量法则”。 （ ）
6.在产品设计中应用成组技术可以大大减小新设计的工作量。 （ ）
7.设计标准化是工艺标准化的前提。 （ ）
8.采用成组技术后，工装系数可以大大提高。 （ ）
9.敏捷制造只能在实力雄厚的大公司实施。 （ ）
见参考答案3-1
【自检3-2】
试分析在多品种、中小批量生产越来越占主导地位的情况下，“批量法则”是否还适用？
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____________________________________________________________
见参考答案3-2
学
习课程：现代制造技术
单选题
1.我国制造业的总产值居世界： 回答：正确
1.
2.
3.
4. A 错误！未找到引用源。第4位 B 错误！未找到引用源。第3位 C 错误！未找到引用源。第2位 D 错误！未找到引用源。第1位
2.把原料和信息转化为各种物品以满足人类需求的过程，即为： 回答：正确
1.
2.
3. A 错误！未找到引用源。制作 B 错误！未找到引用源。创新 C 错误！未找到引用源。制造
4. D 错误！未找到引用源。创造
3.并行工程的好处在于： 回答：正确
1.
2.
3.
4. A 错误！未找到引用源。结束环节可以迅速地做一些调整来满足市场的需求 B 错误！未找到引用源。开始环节可以迅速地做一些调整来满足市场的需求 C 错误！未找到引用源。每个环节都可以迅速地做一些调整来满足市场的需求 D 错误！未找到引用源。中间环节可以迅速地做一些调整来满足市场的需求
4.并行工程进行并行、一体化设计的一种系统化的对象是： 回答：正确
1.
2.
3.
4. A 错误！未找到引用源。产品及零件 B 错误！未找到引用源。产品及设备 C 错误！未找到引用源。产品及工艺装备 D 错误！未找到引用源。产品及相关过程
5.如果生产过程是比较稳定的，最后的分布图就应该是： 回答：正确
1.
2.
3.
4. A 错误！未找到引用源。点阵分布 B 错误！未找到引用源。平均分布 C 错误！未找到引用源。随机分布 D 错误！未找到引用源。正态分布
6.流程的出品分布图是不稳定的，也是不可预测的，其原因是： 回答：正确
1.
2.
3.
4. A 错误！未找到引用源。共同起因 B 错误！未找到引用源。设备故障 C 错误！未找到引用源。特别起因 D 错误！未找到引用源。人员操作失误
7.大且重；大量大批；加工时间长，调整时间短，应该采用： 回答：正确
1.
2.
3.
4. A 错误！未找到引用源。平行移动方式 B 错误！未找到引用源。顺序移动方式 C 错误！未找到引用源。平行顺序移动方式 D 错误！未找到引用源。以上都不对
8.制造业总产值在国内生产总值中所占的比重一直维持在： 回答：正确
1.
2.
3.
4. A 错误！未找到引用源。10%以上 B 错误！未找到引用源。40%以上 C 错误！未找到引用源。30%以上 D 错误！未找到引用源。20%以上
9.产品设计必须从： 回答：正确
1.
2.
3.
4. A 错误！未找到引用源。“美观设计”、“经济地制造”的角度出发 B 错误！未找到引用源。“易于制造”、“经济地制造”的角度出发 C 错误！未找到引用源。“易于制造”、“美观制造”的角度出发 D 错误！未找到引用源。“易于制造”、“美观设计”的角度出发
10.度量生产过程效率的标准是： 回答：正确
1.
2.
3.
4. A 错误！未找到引用源。产量 B 错误！未找到引用源。生产率 C 错误！未找到引用源。产值 D 错误！未找到引用源。利润
11.周期时间是指： 回答：正确
1.
2.
3.
4. A 错误！未找到引用源。部件在制造系统中的时间 B 错误！未找到引用源。周期和生产准备时间 C 错误！未找到引用源。生产准备时间 D 错误！未找到引用源。从原材料到成品的时间
12.在异常和危险情况下系统生存的关键是： 回答：正确
1.
2.
3.
4. A 错误！未找到引用源。强健性 B 错误！未找到引用源。安全性 C 错误！未找到引用源。操作性 D 错误！未找到引用源。实践性
13.状态空间结构理论的形成是在： 回答：正确
1.
2.
3.
4. A 错误！未找到引用源。二十世纪六七十年代 B 错误！未找到引用源。二十世纪八九十年代 C 错误！未找到引用源。二十世纪四五十年代 D 错误！未找到引用源。二十世纪二三十年代
14.小而轻；大量大批；加工时间长，调整时间短；对象专业化, 应该采用： 回答：正确
1.
2.
3.
4. A 错误！未找到引用源。平行移动方式 B 错误！未找到引用源。顺序移动方式 C 错误！未找到引用源。平行顺序移动方式 D 错误！未找到引用源。以上都不对
15.在离散式的生产方式中,1000件/年属于 回答：正确
1.
2.
3.
4. A 错误！未找到引用源。少量生产 B 错误！未找到引用源。中量生产 C 错误！未找到引用源。大量生产 D 错误！未找到引用源。超量生产
第一讲 制造系统入门（上）
我国制造业的总产值仅次于美国、日本、德国，居世界第4位，制造业总产值在国内生产总值中所占的比重一直维持在40%以上，中国财政收入的一半来自于制造业，制造业吸收了将近一半的城市就业人口，农村剩余劳动力转移也有将近一半流入了制造业，中国制造业总体规模仅相当于美国的1/5，劳动生产率只有美国的1/23，日本的1/25，德国的1/18。
制造系统设计和控制课程主要介绍制造系统的设计与控制原理，将工程学与管理学综合起来确定制造业的效率、费用、质量和柔性，内容包括工厂物理、质量、为制造而进行的系
统设计和操作，除了基础知识以外，还着重讲解现代制造系统的发展方向，包括并行工程、敏捷制造、精益制造等几个方向。
制造的定义
人们通常所说的制造业就是普遍意义上理解的工厂，但是工厂不仅仅是一个单一的单元，而是一个系统，要把整个的工厂理解为一个系统，就要包括人造和天然因素。科技发展到今天，很多的系统都是来源于人造的系统，包括高速公路的系统等等，系统的优化和设计也是很多数学家所研究的主要方面，那么，制造系统到底是一个什么概念呢？
什么是制造系统
制造的定义就是：制造是把原料和信息转化为各种物品以满足人类需求的过程。
在这个定义上可以看到，制造业不仅仅要转化原料，还要把很多信息转化为大家需要的物品，特别是从20世纪90年代初网络高速发展以来，信息在制造业中的作用越来越重要。如今世界各地，无论是在生产、销售还是市场中，都把信息当作基本建设的模块，从广义上来讲，很多系统都可以作为一个制造系统的原型。
【案例】
大学
广义上的制造系统非常多，比如可以把一所大学看作是一个制造系统，在一位学生整个4年的学习过程中，对于学校来说，其实是一个生产和制造人才的过程，学生进入学校后，就相当于一个没有加工的原始材料，在4年的学习中，通过老师的讲解、课堂的学习和课外的作业等一些方法的学习，最后成为一个合格的人才。其流程如下图所示：
大学的人才培养流程图
传统的制造系统其整个的流程是：首先作市场的调查与研发，知道了市场需要什么样的产品以后，把这些最原始的市场需求转化成为概念设计，成为模块和纸上的原型，通过这些步骤就可以知道需要哪些真正的硬件。而且，除了外形设计以外，还要分析需要哪些部件，需要知道制造的过程以及装配和连接，包括最后的测试等等，最终，通过制造，整个产品成型后推向市场。
下面是一个制造系统的分析和解释图，在图中，原材料进到制造系统后，通过工厂的操
作、物料管理、检验加工等一系列的过程，引入设计和市场制造的计划，最后将成型的产品推向市场。
图1-1 传统制造系统的流程
图1-2 制造系统
在中国，制造业的现状特点是：
◆ 规模小(很多小工厂)：2004年世界500强前12个企业销售收入为24 028亿美元，超过中国国有及有规模的非国有企业（219 463个）的销售收入187 815亿元。
◆ 资本少(研发投入更少)：2005年中国制造业500强的平均研发投入只占这些企业主营业务收入的1.88%。而同期西方先进国家企业的研发投入则占主营业务收入的8%～10%。
◆ 基础弱(先进的管理技术没有使用)：多数企业的业务流程不尽规范合理，部门岗位职责不尽明确，基础数据不全且不准确，规章制度不完善和现场管理不到位等问题也十分突出。
中国在未来的30年发展过程中，制造业还是有巨大的发展前途的，不光是因为廉价的劳动力和受过良好教育的工程师，从另外一个方面来讲，中国已经形成了制造产业链，包括很多零部件，也在中国生产和制造，加之中国的地理位置得天独厚，良好的政治环境和经济环境，从长远来讲制造业的发展前景非常广阔。
现代制造系统的发展状况
1．并行工程（Concurrent engineering)
并行工程的定义如下：
并行工程是指从产品开发的初始阶段就由开发设计人员、工艺技术人员、质量控制人员、生产制造人员、营销人员，有时甚至还加上协作厂家、用户代表共同工作，使每个部门在产品开发初期就可以从各自的角度出发，评价设计是否合理、可行的一种工程。
为了清楚的对并行工程的基本概念进行阐述，可通过下面的生产过程图来理解：
图1-3 生产过程示意图
由于制造系统的来源是从用户的需求开始，从用户的需求到功能再到整个产品的物理领域，比如要生产一台电脑就需要对一些硬件和外形进行设计，因此产品的制造流程基本上分为四个领域：
第一个是用户领域，就是从了解用户的需求开始；第二个是功能领域，就是从用户的需求到产品需要提供什么样的功能；第三个是物理领域，就是产品的功能怎么通过一些软件和硬件来实现；最后是流程，就是怎样通过生产制造把软件硬件装配到一起后提供一个比较完美的产品。
制造系统的四个领域和四个层次如下：
表1-1 制造系统的四个领域和四个层次表
传统的生产是一个单方向的流程，从用户开始到生产制造，整个过程是一个推动的过程，现在的市场变化非常迅速，顾客的需求往往通过市场无法准确地了解和获得，在这种情况下，从用户领域和流程领域就需要经常的紧密配合。因此，现在更提倡并行工程，所谓并行工程是指用户领域调研，功能领域的设计，物理和流程的生产制造等等，组成一个团队同时进行，所谓并行就是同时进行。
并行工程的好处在于每个环节都可以迅速地做一些调整来满足市场的需求，并行工程小
组的成员包括计划的管理者、项目的管理者、设计工程师、制造工程师、流程工程师、产品管理者等等。
2．产品设计与工艺设计的结合（Design for Manufacturing）
工厂除了设计产品以外，还要对生产流程进行设计，以前的情况往往是设计产品的人跟设计流程的人并不在一起工作，这通常会导致生产制造出现严重问题，现在比较流行的趋势是把产品的设计和工艺流程的设计整合起来，在产品设计的时候，不仅仅要想到顾客，而且要想到制造的难易程度，如果一个非常优秀的产品在制造过程中非常困难，就会使得制造成本大大增加，产品推出后不一定能满足市场的需求。产品的设计和工艺的设计相结合，其结果就使得产品制造比较容易，也比较经济。
因此，产品设计与工艺设计的结合 (DFM)，应把产品设计作为制造工艺设计的第一步，产品设计必须从“易于制造”、“经济地制造”的角度出发。
3．计算机辅助设计（Computer Aided Design）
从上世纪90年代初到今天，网络发展将近15年，在这15年中，由于通讯费用的急剧下降，给全球的制造业带来了根本性的革命，信息产品革命影响到全人类的各个环节和步骤，包括制造业。
现在，一个产品的设计研发可以在一个国家，制造和生产可以在另外一个国家，市场又可以在第三个国家，这样带来的结果就会在每一个国家每一个地区都有明确的分工和定义。
产品从设计制造到推向市场，这个过程可以被分解成很多单元，可以在世界上最便宜的地方分别做每个单元的事情，产品不仅仅能够满足市场的需求，价格低廉，而且整个生产制造的供应链弹性非常大。
由于网络的使用，很多的生产制造过程，甚至设计都是由计算机辅助完成的，CAD就是计算机辅助设计的英文缩写，有很多这类的软件，包括CAM计算机辅助管理和CAPP计算机辅助流程控制软件，所有的软件都能够在一起相互交换数据，使得全球范围内信息流程能够非常快地共享和使用。
这样，很多大的公司就可以在世界各地布局，包括微软、IBM等公司，它们在中国不仅仅设立制造中心，还设立研发中心，使得信息流程迅速增加，研发可以24小时不停地进行，生产制造也一样，很多工厂现在都采用了白天黑夜的倒班制度，计算机辅助的设计使整个信息流通更加流畅。
计算机辅助设计(CAD)的特点：
◆ 不仅在产品设计(CAD)，而且在流程设计(CAPP)(CAM)上大量使用电脑辅助的软件 ◆ 全球化的设计，制造，市场
◆ 低廉的通讯费用
4．成组技术（Group Technology）
成组技术 (Group Technology)是利用零件的相似性（形状、尺寸、加工过程）来进行多品种小批量生产的科学方法。最初，它主要作为一种工艺组织方法，用来合理组织生产技术准备及生产过程管理，随着零件分类编码系统的不断完善以及成组技术与计算机应用的结合，成组技术的应用已经扩展到产品设计、工艺设计、生产计划、设施布置等环节。
在成组技术（GT）的产生与发展中，很多国家为它做出了贡献，1959年米特洛凡诺夫创立成组技术，德国阿亨工业大学的奥匹兹领导制定了“工件分类编码系统”，美国与日本将GT与数控技术、计算机技术结合,为在GT基础上发展CAD,CAPP和建设FMS创造了必要条件。
成组技术的优越性在于：
◆ 可采用专业化程度较高的机床设备和工艺装备
◆ 按一定的生产纲领和各工序加工工作量配备生产设备和工人
◆ 设备可按零件族典型工艺顺序布置，使物流顺畅
◆ 工件在工序间的传递可采用平行或平行顺序方式，以缩短生产周期减少在制品 ◆ 对生产单元可实行经济类责任制，发挥每个人的积极性创造性
柔性制造系统（FMS）
柔性制造系统（FMS）是由计算机控制的、以数控机床（NC）和加工中心（MC）为基础、适应多品种中小批量生产的自动化制造系统，其特点是：
◆ 可同时加工多种不同工件
◆ 一台机床加工完一种零件后可在不停机调整的条件下，按计算机指令转换加工另一种零件
◆ 各机床之间的联系是灵活的，工件在机床间的传输无固定的流向和节拍
柔性制造系统是从西方发达社会发展起来的，最早是由日本和美国这两个制造业大国提出的这个概念。所谓柔性制造系统是指整个制造系统的弹性很大，要实现很大的弹性，西方发达国家采用的方法是使用大量的机器人和使用大量的生产制造中心。同一个生产制造中心可以生产不同的零件，带来的结果是整个的流水线可以迅速改换生产所需，这就会使产品的流水线弹性非常大。
柔性制造系统发展到今天已经有20年的历史了，整个柔性制造系统在西方国家曾经是非常热门的概念，但现在已成了末路黄花。
现在中国的制造业正在迅猛地发展，而且发展的势头非常强劲，除了中国的人力资源极其便宜以外，最大的考虑就是中国拥有最大的柔性。
【案例】
某人做出口贸易，经常需要将产品装入40尺的集装箱，他的公司有6个工人团队，一天能装5个左右的集装箱，别人问他“你为什么需要这么多工人，为什么不采用一两个工人而使用叉车？”
通过仔细观察就可以发现，使用6个工人团队的效率和工作柔性要比使用叉车的工艺弹性大很多，而且效率高很多，一个40尺的集装箱在国外完全采用机械化的叉车装卸，叉车将货物放入集装箱的时候，在往下降的过程中整个叉车的顶上留有很大的空间，大约为30到50厘米，而且由于货物的形状不同，两边会留有很多空当，当整个叉车插进去的时候，整个叉车上的物品未必都能放到集装箱里头，可见使用自动化的叉车存在着三个问题，而使用人工装卸，这三个问题就全部可以解决，装货物时会把集装箱所有的空间装满，工人的工资也比使用叉车要低。
西方讲究自动化、机器人、柔性制造系统、加工中心等等的概念，但在中国制造业突飞猛进的过程中可以看出，柔性的过程也会有不同的诠释。
【案例】
在10年前，电池的生产基本上被西方国家垄断，电池生产过程完全是一个自动化的过程，高度机械化，人工用的非常少，但中国开始生产电池以后，东南沿海诞生了很多家电池制造企业，整个电池制造使用非常简单的手工制造，使用大量的工人，工人的弹性要远远比制造自动化的流水线弹性大，而且投资要小很多，在这样的情况下，整个生产线弹性和柔性都非常大，其产品的市场占领程度也越来越大。
从长远的竞争来讲，使用人工如果恰当的话，并没有特别多的坏处，因此一定要因地制宜，了解自己的需求，找出自己合适的发展模式。
生产效率会由于机器工作方式的不同而有所不同，这需要通过以下几种情况进行分析： ◆ 第一种情况，只有一台机器进行工作的时候，假设为全部工作 (无故障）状态，则如下图所示：
◆ 第二种情况，也是只有一台机器进行工作的时候，假设机器有时有故障，其他的时间都工作，则：
◆ 第三种情况，假设有很多机器，而且全部没有机器故障，没有缓冲，则：
◆ 第四种情况，假设有很多机器（同样的工作时间），没有机器故障，没有缓冲，则：
◆ 第五种情况，假设有很多机器而且每台机器之间有缓冲，有机器故障，则：
3．如何提高生产效率
从上面的分析可以看到，生产效率的提高与诸多因素有关，因此，良好的生产效率就需要达到：
◆ 最慢的机器生产效率提高 ◆ 减低机器故障 ◆ 加入缓冲区
◆ 加入生产流程的控制
4．广义的故障(随机事件)
广义的故障(随机事件)可以是如下的情况之一或情况综合： ◆ 机器故障 ◆ 机器准备时间 ◆ 无操作员
◆ 等待工件、工件堆积
在这些故障中，等待造成的危害会导致： ◆ 使用率太低 ◆ 流水线停止 ◆ 库存
而库存、流程部件 (Work-In-Process)会导致： ◆ 增加成本 ◆ 可能被损坏 ◆ 可能过期 ◆ 增加准备时间
第四讲 制造系统的设计（中）
周期和生产准备时间 (Cycle Time and Lead Time)
一般情况下，周期和生产准备时间 (Cycle Time and Lead Time)的工作流程如下图所示：
图2-9 周期和生产准备时间工作流程
周期时间= 部件在制造系统中的时间 Little’s 定理指出： L = λw
在公式中，L代表平均库存，λ代表平均生产率，W代表平均周期时间。
1．周期时间(Cycle Time)
例如：生产时间 = 1, 单件生产时，假设其生产流程如下图所示：
则：生产效率 = 1 周期时间 = 5 min 库存 = 5
当多件生产时，假设其生产流程如下图所示：
假设生产效率为3 分钟，每一组的数量为1000则：
周期时间 = 1 000 ×3 + 1 000× 3 + 1 000 ×3 = 9 000 分钟
对于单件生产的周期时间，假设其生产流程如图所示，生产时间为3 minutes，则： 周期时间 = 1 000 × 3 + 2 ×3 = 3 006 min
2．零件在加工过程中的移动方式
零件在加工过程中的移动方式分为三种： ◆ 顺序移动方式
顺序移动方式指一批零件或产品在上道工序全部加工完成后，整批转移到下道工序加工的移动方式。
加工批量n＝4，工序数m＝4，各道工序时间
t1＝10min t2=5min t3=15min t4=10min 其顺序移动方式示意图如下：
图2-10 顺序移动方式示意图
生产周期计算公式就为
其中， n为生产批量， m为生产工序数， 为生产i工序单件工时， 为生产顺序移动方式，生产周期为：
例： ＝4×（10＋5＋15＋10）=160min ◆ 平行移动方式
平行移动方式指每个产品或零件在上道工序加工完后，立即转到下道工序加工，使各个零件或产品在各道工序上的加工平行地进行。
生产周期计算公式：
在公式中， 指工序时间最长的工序时间 例： ＝（10＋5＋15＋10）＋（4－1）×15 ＝40＋45＝85min
平行移动方式的时间计算可以用下图所示：
图2-11 平行移动方式的时间计算
◆ 平行顺序移动方式
平行顺序移动方式即一批零件或产品，既保持每道工序的平行性，又保持连续性的作业移动方式，如下图所示：
图2-12 平行顺序移动方式工作流程示意图
其计算公式为：
相邻两工序中，工时较短的工序单件工时 =160－（4－1）×（5＋5＋10）＝100min 或
其中， t较大指比相邻工序单件工时均较大的工序单件工时， t较小指比相邻工序单件工时均较小的工序单件工时，例如：
=40＋（4－1）×（10+15－5）＝100min
表2-1 三种移动方式的比较表
典型制造系统的设计准则
典型制造系统的设计准则，需要考虑以下的因素： ◆ 平衡(Leveling) ◆ 平均(Balancing)
◆ 单零件流水线(Single-piece flow)
◆ 尽量少的物料搬运(Low materials handling) ◆ 短的生产准备时间(Low setup time) ◆ 小的生产坯料(Smaller lot size) ◆ 低的在制品(Low WIP)
◆ 快速的反馈(Faster feedback)
第五讲 制造系统的设计（下）
制造系统的操作
制造系统的操作，要区分为推式 (MRP, ERP, etc) 和拉式 (JIT)系统进行研究，同时，批量与单件生产也会有根本性的区别。
【案例】
生产纸飞机操作步骤
本实验的目的就是阐释拉动系统能大幅降低WIP，通过本实验，就可解释推动、平动、看板、瓶颈、生产时间、停止时间、线平衡和工人操作的态度。
本实验需要的准备工作包括： 100张白纸 3张颜色纸 彩色笔
实验数据采集表包括：
制造时间表(12张),每个操作台3张(3次操作) 单件流动时间表3张 彩色纸单件流动时间表1张 生产纸飞机操作步骤如下图所示：
图1 生产纸飞机操作步骤图
如果采用推式生产流程，每个操作台1人，共4人，1个质检员，7个计时员，则： ○ 每个台1个，用表1(共4人）；
○ 5号在最后记录流程时间(纪录第1个飞机做好到第21个飞机做好的时间,用表2)； ○ 6号记录彩色纸的流程时间，用表3； ○ 7号记录每次的WIP,用白板表4； 其材料流向为：
图2 推式生产材料流向
当采用推式生产时，每个工作台只管自己的生产，可以用FIFO(先入先出的办法）进行生产。 当采用拉式生产每次3件时，每次3件货在看板箱开始工作，每次看板里没有要出的货开始下一个看板。 当采用拉式生产每次1件时，如下图所示：
图3 拉式生产材料流向
其中，制造时间表如下：
表1 制造时间表
操作台号________________________
总时间（秒）：
平均时间（秒）：
单件流动时间表如下：
表2 单件流动时间表
表3 彩色纸单件流动时间表
白板数据采集表如下：
表4 白板数据采集表
操作时间：__________________
通过该实验，就可以清楚地指出瓶颈在哪里，同时也可以看到，在拉式生产中，不工作也是好的,要不就得增加库存。
【自检2-1】
请参照案例中生产纸飞机的操作步骤，组织15人参与，分别以推式和拉式生产方式进行纸飞
机的制作，并填写制造时间表、单件流动时间表、彩色纸单件流动时间表、白板数据采集表，然后对结果进行分析，并写出您的体会。
活动体会：
____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________
第六讲 制造系统的控制
在制造流水线中，一个良好的控制，除了对生产流水线的一些参数提前设计以外，必须在生产的过程中，对生产的流程进行控制。
强健性(Robustness)
为什么要进行流程控制？由于在制造的流动过程中有一些随机性，这种随机性可以用打靶实验来解释。如下图所示：
图3-1 打靶实验的随机性
打靶能否打好，主要取决于两个方面，第一是能不能每一次都打到靶心上，第二是不仅一次可以打很准，还要求每次都打的比较准，每一次都能打到靶心，在一个长时间内，要进行多次的、重复的打击，就必然有一定的随机性出现。
生产流水线也有两个方向，第一是每次都能生产出好的产品，第二是长时间内要求都能够生产合适的产品，就如同打靶实验一样，一图中没有一枪打到靶心上，而是都打到了靶的外面；二图中不仅没打到靶心，而且打的比较乱，比较随机；三图中全部的都打在右上角，打的非常集中，也非常准确，但是却全没有在靶心，在这种情况下，可以通过调整靶心和瞄准器，或者改变弹道来打到靶心；四图中靶都打到了靶心，既集中又准确，这就是在生产流程中需要达到的目标，也就是强建性的所在。
强健性(Robustness) ，也译作强壮性、稳健性、鲁棒性，是控制理论术语之一，它是在异常和危险情况下系统生存的关键，比如计算机软件在输入错误、磁盘故障、网络过载或有意攻击情况下，能否不死机、不崩溃，就是该软件的鲁棒性。所谓“鲁棒性”，是指控制系统在一定（结构、大小）的参数摄动下，维持某些性能的特性。根据对性能的不同定义，可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性。以闭环系统的鲁棒性作为目标设计得到的固定控制器称为鲁棒控制器。
控制系统的鲁棒性研究是现代控制理论研究中一个非常活跃的领域，鲁棒控制问题最早出现在上个世纪人们对于微分方程的研究中Black首先在他的1927年的一项专利上应用了鲁棒控制。 二十世纪六七十年代，状态空间结构理论的形成是现代控制理论的一个重要突破。状态空间的结构理论包括能控性、能观性、反馈镇定和输入输出模型的状态空间实现理论，它连同最优控制理论和卡尔曼滤波理论一起，使现代控制理论形成了严谨完整的理论体系，并且在宇航和机器人控制等应用领域取得了惊人的成就。
鲁棒控制理论发展到今天，已经形成了很多引人注目的理论。其中控制理论是目前解决鲁棒性问题最为成功且较完善的理论体系。Zames在1981年首次提出了这一著名理论，他考虑了对于一个单输入、输出系统的控制系统，设计一个控制器，使系统对于扰动的反映最小。在他提出这一理论之后的20年里，许多学者发展了这一理论，使其有了更加广泛的应用。当前这一理论的研究热点是在非线形系统中的控制问题。另外还有一些关于鲁棒控制的理论如
结构异值理论和区间理论等。
变异：共同和特别起因
在生产中，不仅希望准确，而且还要集中，每一次生产过程中，每一个零件都不大一样，所带来的结果就会使得总的成品有一个分布图。
如果生产过程是比较稳定的，最后的分布图就应该是一个正态分布，但在实际生产中，真正想达到的目标与现状会有一定的差别，就像打靶实验中，很可能全部打在一个集中的地方，但是都不在靶心上，就是平均值不大一样，这时候可能是平均值产生了偏差，第二种是打的比较分散，公差很大，正态分布图就会很偏。
变异的引起，原因就是共同和特别起因导致每一件都不一样，如下图所示的正态分布：
图3-2 正态分布
多件在一起，会形成一个图案，如果过程稳定，形成的分布图如下：
图3-3 多件的正态分布
出现偏差后的分布图可能有以下几种情况或几种情况的组合：
图3-4 出现偏差后的正态分布
如果只有共同起因，流程的出品分布图是稳定的，也是可预测的，如下图中，前四个图像是在时间线中进行生产的尺寸统计图像，由于流程的出品分布具有稳定性，就可以推导出第五个图像，图中用虚线表示：
图3-5 预测的流程出品
但如果有特别起因，流程的出品分布图是不稳定的，也就是不可预测的。例如，在下图中，每次的流程出品都有差异，因此，对第五次的流程出品进行的预测就没有科学依据，这种预测也就没有可信度。
图3-6 不可预测的流程出品
一个生产流程往往有两种可能性，一是特别原因或特殊原因，二是共同原因，特别原因是指整个生产流程中无法预先知道、无法预先控制的原因，比如今天的天气，员工上班的早晚，这些因素都属于特殊原因，都有不可预测的可能，所以导致的结果会使整个流水线具有不可预测性。
例如下面的运行图中，以时间轴为横轴，以产品为纵轴，可以看到，大概生产到20次以后，出来的产品直径有了变化，而且连续几个点都是上升，一直到30点的时候才下降，在这个过程中，有可能生产流程发生一些变化，但是仅仅看这个图，还不知道流水线到底发生了什么样的变化，因此也完全没有办法做预防。
图3-7 变异运行图
流程控制
统计流程控制的目的
针对上面的情况，就需要做流程控制，只有解决了特殊起因，流程才能够比较好的控制下来，所以需要分析起因的原因，然后对原因从根本上进行解决，采取改正措施以后才能够保证下一次不会发生同样的问题。这里，可以采用统计流程控制的办法来解除特别起因，保证下一次没有特别起因的发生，从而保证改正的措施使整个流程长治久安。
统计流程控制的目的可以简单地归纳为：查出干扰(特别起因)，采取改正措施。统计流程控制的目的可以用下图来表示：
图3-8 统计流程控制的目的
介绍统计控制方法，就要提及中央极限定理，所谓中央极限定理，其核心在于： ◆ 大量的独立事件有正态分布的连续概率分布图
◆ 增加样品的数量会增加平均估计的精确度
控制图
从上面的中央极限定理定义可以看出，正态分布的连续概率分布图，一旦数量足够大以后，产生的最后结果一定是一个正态分布结果，它能够增加产品样本的数量，精度也会越高。因此，如果想要知道百分之一百的确定，就可以采用百分之一百的取样，取样的样本数量越大，精度当然就越高。
这个方法在生产流程上的运用，最早源于日本，在二战以后，日本聘请了很多美国专家，主要是以苏哈戴明为主的统计专家，这些专家给他们介绍了怎样使用统计方法来进行生产流程的控制问题。下图显示了100次取样，每次平均10个样件建立的控制图。
图3-9 以100次取样，每次平均10件样品建立的Shewhart控制图
在图中，上限为UCL, 下限为LCL，小群大小 5
如果以10次取样,每次平均10件样品建立的控制图，在51步的时候变化如下图所示：
图3-10 以10次取样,每次平均10件样品，在51步的时候变化控制图
制作控制图，就可以在制造过程中做以下工作：
◆ 收集数据:即收集数据画在图上；
◆ 控制:计算流程的上下控制线，找出流程失控的特殊原因并及时更正；
◆ 流程能力:找出流程失控的普通原因并在系统上进行更正，重复以上步骤并不断提高。
图3-11 制造控制图
那么，如何设立上下限？一般的方法是：点在上下限之外，某事出错，起因也可以找出来。通过上下限以便分配突出出错的点，而控制图的上下限通常如下定义：
◆ 上限 (UCL) = x + 3σsg
◆ 下限 (LCL) = x-3σsg
其中，σsg代表子集的标准偏差。
控制图的标准定义：
◆ σsub group =σsg ≠σprocess
◆ σsubgroup = σprocess/√n process
◆ UCL = x + 3σ/√n
◆ LCL = x -3σprocess/√n
如果n 增加的话, UCL and LCL 将更加靠近中间线, 使得控制区间变小。
控制图的好处非常多，设计好的控制图就可以达到：
◆ 现场工人可以用来控制流程
◆ 使得流程与质量和成本一致，可预测
使用控制图更可以使得流程达到：
◆ 高质量
◆ 低单件成本
◆ 高的有效产量
◆ 提供流程控制的公认工具
◆ 区别共同和特别起因，提供管理人员行动的依据
流程能力
流程能力主要的衡量系数为：
◆ Cp = Range/6σ
◆ Cpk = min { (USL - uLT) /3sST, (uLT - LSL)/3sST}
如何提高流程能力，是制造业中经常碰到的问题，人们常说生产流程能力达不到，需要购买新的机器，需要提供新的数据，而流程能力的改进，需要集中解决影响本区域的共同原因，包括机器不好，生产流水线设计的比较差等等，主要通过对系统进行改变。改进流程以后，需要画新的流程图，对整个系统要不断的监控，进而确保修改的有效性。
图3-12 流程能力改善的过程
【案例】
有如下的流程：
其流程平均值 = 0.738
标准偏差,σ =0.0725
上限 = 0.900
下限 = 0.500
因此，就可以得出规格的正常化为：
使用正态分布图，在标准以外的部分应该为：
PUCL= 0.0129
PLCL = 0.0005
Ptotal = 0.0134
所以，该流程能力指数为：
CPK = Zmin/3 = 2.23 / 3 = 0.74
因此，提高流程能力就意味着：
◆ 改进过程的慢性表现, 集中解决影响所有区间的共同原因。这些通常要求管理层对系统进行改正
◆ 改进后的流程需要再画流程控制图
◆ 不断地监控系统确保修改的有用性
【自检3-1】
对以下的描述请您判断其正误：
1.制造系统是一个将生产要素转变成离散型产品的输入输出系统。 （ ）
2.“大批量生产”（Mass Production）生产方式形成于十九世纪。 （ ）
3.多品种、中小批量生产日渐成为制造业的主流生产方式。 （ ）
4.“批量法则”当今已不适用。 （ ）
5.全能工厂模式不符合“批量法则”。 （ ）
6.在产品设计中应用成组技术可以大大减小新设计的工作量。 （ ）
7.设计标准化是工艺标准化的前提。 （ ）
8.采用成组技术后，工装系数可以大大提高。 （ ）
9.敏捷制造只能在实力雄厚的大公司实施。 （ ）
见参考答案3-1
【自检3-2】
试分析在多品种、中小批量生产越来越占主导地位的情况下，“批量法则”是否还适用？
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见参考答案3-2