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。柔性化生产也被认为是智能技术赋能传统工业的核心使命之一。
“柔性生产”（Flexible Production）这一在1965年就被提出的概念，其内涵也随着技术的突破和实践的发展而不断发展着。现阶段，柔性生产主要指经数字系统控制，通过精益生产、智能化人机排位和智能排产技术，实现多品种、小批量的快速生产方式。
理想状态下，柔性生产系统的构建有利于提高企业的灵活性，使企业能够快速高效地满足客户个性化需求，降低成本，并提升创新能力，从而在快节奏的市场中获得竞争优势。此外，它还支持小批量生产，减少环境影响，并通过改善质量控制和加快产品上市时间，提高客户满意度和忠诚度。
相关实践数据也反映出，一些企业的确从柔性生产方案中获益。
比如国内某家电企业通过重构柔性液晶生产线，实现了按订单快速调整产线布局，自动更新设备参数等，将转产时间缩短了93%，产能提升了10%。
另一家同类型企业通过生产要素的全面互联感知，构建工业指挥大脑，以小批量定制工单驱动，基于数据模型和智能算法优化生产资源配置，实时进行调度，使得设备综合效率提升了23%，生产效率提升了45%。
此外，国内某车企通过构建定制订单联动的柔性供应链体系，能够准确传递定制订单的供货需求，快速组织生产和交付采购订单，定制化能力提升了35％。
正是因为上述优势，近年来我国柔性制造相关行业也呈现快速增长的态势，相关统计数据显示，我国柔性制造行业的市场规模年均增长率超过18%。2022年的市场规模为2488.32亿元左右，增长率为20%。预计在2029年该行业的市场规模约达到8568.43亿元。
柔性制造的发展有哪些充分条件与必要条件？柔性生产方案主要由哪些环节构成？具体的柔性生产单元包含哪些要素？推进柔性生产改造有哪些障碍和难点？本文将就这些内容展开讨论。
消费变革驱动柔性生产
在第一次工业革命的推动下，人类社会进入了机器大规模生产的时代，物质生产效率得到显著提升。福特的流水线制造方法的引入进一步加速了这一进程，解决了物资短缺问题，使得更多人能够享受到先进的工业产品。然而，这种生产方式有一个副作用，就是大量同质化产品对个性化需求的抹杀。
大规模同质化产品是商业广告兴起的有力推手之一，大同小异的产品为了搏出位，需要耗费大量的资源用于广告营销，最后再将这些成本转嫁给消费者买单。
与此同时，布道式的营销模式也严重损害了消费者的自主权。品牌方以布道者的姿态，去定义所谓的“时尚”和“潮流”，通过频繁地洗脑让消费者接受有限的几款产品，并将其视为流行。
《线车宣言》一书中曾对这种狂轰滥炸式的、布道般的广告营销进行了批评，认为它们是工业化发展过程中的“新教廷”。
大量同质化产品让商家的角力点从产品本身转移到了广告和营销上。早期传播渠道有限，只有拥有巨大资源的卖方才能通过电视、广播、纸媒，以及市中心和机场旺铺等这些有限但是价格高昂的渠道获得露出机会，并构筑品牌溢价的护城河。
这些品牌很少也很难去聆听消费者的真实需求，而是借由占据的渠道去宣扬自己的产品。它们构筑场景、打造价值体系，然后向大众布道，恨不能将品牌变成一种信仰，让消费者无脑追随。
正因为此，马尔库塞在其《单向度的人》一书中才指出，“消费者”是消费社会中一帮人强加给另一帮人的结果。这帮人自认为是先知先觉者，可以把一种关于这个世界的“心理无知”强加给另一帮人，给后者塑造生活模式和样板。这是一种“霸权行径”。
《线车宣言》中提到，市场不应该是铺天盖地的广告和天花乱坠的营销，市场的本质应该是买卖双方之间的沟通和对话。然而，传统的那种买卖双方洽谈后再进行个性化定制生产的关系模式，被工业化进程的车轮给无情碾碎了。
今天，数字技术的发展给消费平权创造了可能性。
首先，互联网技术的发展弥合了买卖双方之间的信息不对等，消费者的购买行为日趋细致、专业和个性化，他们对消费的了解比以前深入了很多，清楚自己的消费动机和行为。消费者有意愿也有能力获取关于某件产品充分的信息，以及该产品与同类产品相比的优缺点。
其次，电商的兴起也大幅拓宽了消费渠道，让消费者有了更多的选择。
我们正在经历的是一个买方市场崛起的时代，买卖双方关系开始发生逆转，消费者在市场博弈中开始掌握更多的主动权。
随着商品信息日益丰富和多样化，消费者的选择范围与渠道不断扩大，购买行为的侧重点也从单纯的产品质量转向整个购买过程的价值体验。
消费模式正在从一成不变的标准化产品向定制化、个性化产品演变。例如，服装行业正在推进在线定制服务，家具行业正大力推广全屋定制解决方案，汽车行业正加速实现用户直连制造模式，而钢铁行业则见证了小批量订单需求的增长。
在这一需求变革趋势下，传统的大规模生产模式已难以在保持成本可控的同时迅速响应和满足这些需求。因此，工厂迫切需要发展柔性生产能力，借助规模化生产带来的低成本优势，以实现生产多样化、批量灵活和交货周期短的个性化订单。
柔性生产的关键技术
需求侧的倒逼是发展柔性生产的充分条件，而多项前沿技术的突破及融合，则是柔性生产得以发展的必要条件。代表性的技术有：
工业物联网：工业物联网使设备、机器和系统能够相互连接和通信，实时收集和交换生产数据。这种互联互通不仅提高了生产效率，还使得生产过程能够根据实时数据进行自我调整，增加了制造过程的灵活性。
人工智能与机器学习：通过人工智能和机器学习算法，制造系统能够预测市场变化、优化生产流程、提高质量控制，并实现智能决策支持。这些能力对于响应快速变化的市场需求和实现个性化定制生产至关重要。
数字孪生技术：数字孪生是指创建一个物理实体的虚拟副本，使企业能够在不影响实际生产线的情况下模拟、分析和测试生产过程。这种技术大大提高了产品设计和生产流程的灵活性与效率。
先进机器人技术：包括协作机器人在内的先进机器人技术，使得机器人能够更安全、更灵活地与人类工作人员共同作业。这不仅提高了生产效率，还允许快速调整生产线以适应不同产品的生产。
3D打印技术：3D打印或增材制造技术使得从单件到小批量生产的定制化生产成为可能。这项技术支持复杂设计的快速原型制作和生产，极大地增加了制造的灵活性。
云计算和大数据：云计算提供了强大的数据处理能力，使企业能够存储、分析海量数据，并根据这些数据做出快速决策。大数据分析有助于优化生产流程、预测设备维护需求和改善供应链管理。
柔性制造系统（FMS）：柔性制造系统本身就是一种技术突破，它结合了自动化设备、机器人、计算机控制系统和信息技术，以实现高效、灵活的生产能力。
在上述几大技术的基础上，企业主要通过四个方面的协同来实现生产的柔性化：
模块化产品的快速开发： 借助先进的数字化建模工具和数据管理平台，企业可以高效选用、配置、组合各种产品模块。这一过程不仅依赖于丰富的产品模块库、设计知识库和配置规则库，而且能够通过参数化设计快速迭代模块，从而实现针对特定需求的定制化产品设计和工艺方案。
资源的柔性配置与动态调度： 通过泛在网络连接各类生产资源，实现对生产要素状态的实时感知，针对小批量定制需求，精准制定生产计划、物料需求和车间作业排程。此外，根据订单变化和生产异常实时调整计划和资源，实现资源配置和调度的极高柔性化。
自适应加工能力的增强： 依托于可重构的生产线、灵活的工装夹具和高效的线上物流系统，企业能够对单个或小批量产品实现精确识别、资源匹配及整个生产过程的精确控制。这不仅提高了生产效率，也使得企业能够灵活应对多品种、小批量的定制化生产需求。
建立柔性供应链体系： 通过打通产业链与供应链，建立涵盖研发、生产、运营等环节的供应链协同机制，企业能够基于跨企业的数据共享和实时反馈，增强供应链的资源配置柔性、业务协同动态性和对变化的快速适应性，从而针对定制需求实现敏捷响应和快速交付。
柔性生产方案的构成
柔性生产方案主要包括三个主要组成部分：柔性生产系统、数字化加工设备和物料储运系统。其中：
柔性生产系统充当生产车间的“指挥中心”，负责收集和处理数据，监控设备运行，发出生产指令。该系统的主要任务包括工艺规范管理、生产排程调整、数据收集、现场管理、生产进度跟踪、设备状态监控和质量控制等。通过实时监控和调整，系统确保生产的灵活性和响应能力，从而适应生产需求的变化。
数字化加工设备通过数字控制技术与柔性生产系统紧密集成，实现了与系统的无缝链接。设备能够实时上传运行状态和生产进度到可视化智能看板，使技术人员能够及时掌握产品质量，提高设备效率，降低返工率和生产浪费。此外，它们还能详细记录员工工作量和产品质量，便于追溯和绩效评估。
物料储运系统负责物料、半成品和成品的有效周转和仓储管理。该系统通常包括智能吊挂系统、自动引导车（AGV）、中转台和仓库等组成部分。通过与柔性生产系统的集成，物料储运系统能够接收指令并受到持续监控，确保物料配送的速度和准确性，实现仓储的智能化管理。
整体而言，柔性生产方案通过信息化、数字化和可视化管理全流程，不仅实现了生产数据的完整存储和分析，还提高了内部和外部环境调整的能力。这奠定了基础，以满足企业对多样化、小批量和快速交付需求的挑战，推动企业从传统的大规模生产模式向高附加值、个性化定制转型。
柔性生产单元实例
在宏观的柔性方案之下，具体的柔性生产单元长什么样子呢？
孙科星等人利用OPC UA、S7.Net、Http等先进通信协议，建立了一个由4台西门子810D系列数控机床、KUKA工业机器人和西门子1200系列PLC等设备组成的柔性加工单元。
这个单元不仅包括上下料工作台、转运机械臂、线边库，还整合了数据采集与交互系统、调度系统、可视化系统以及电气系统等，形成了一个综合的柔性生产环境。
通过工业以太网的支持，该单元实现了车间制造执行系统（MES）、3维可视化系统、机床、转运机械臂、线边库、柔性单元调度系统以及数据处理模块的全面互联。这种互联使得原材料能够高效地从线边库被转移到加工站，而调度系统则基于实时设备状态将材料分配到空闲的机床上加工，进一步优化生产流程。
该套数字化柔性机加单元分为设备层、控制层和管理层。
设备层构成了生产车间的核心，涵盖了所有参与生产加工活动的设备，包括数控机床、物料转运机械臂、自动化PLC设备和RFID系统等，这些设备不仅是生产制造的基石，也为车间监控系统提供了关键数据。
这一层的设备运行状态对整个生产流程有着直接的影响。通过采用先进的数据采集技术，车间能够收集来自这些基础设备的数据，为整个生产系统的数据分析和决策支持提供数据基础。
控制层充当智能监控和管理系统的心脏与大脑，为模型的实时动态、生产进度、物流搬运以及设备运行状态等关键操作提供了必要的动力和基础。这一层依赖于大量实时数据、历史数据和控制指令，以确保生产过程的顺畅运行和高效管理。
实时数据通过连接生产现场的通信服务器实时获取，而历史数据则来源于专门的历史数据库；同时，生产指令则是直接从车间的信息管理系统中提取。通过高效的数据采集系统，这些底层数据被捕获并通过车间的现场总线技术传输至数据处理层，最后通过函数调用将数据以JSON格式导入至可视化系统，实现了数据的有效整合和信息的透明流通。
管理层专注于根据当前生产实况，定制监控系统展示的关键信息，这一层涵盖了进度管理、现场管理和效能管理三个关键领域。
进度管理功能使得用户能够查询到具体生产线和单个产品的加工进度，以及整个生产计划的实施状态。现场管理则专注于监控设备的实时运行状况和整个车间的生产状态，这包括设备的即时活动、运行状况，以及转运机械臂的位置和动态，并能够在出现任何生产线异常时迅速发出警报。效能管理通过与制造执行系统的整合，对设备的使用效率和任务的完成情况进行跟踪、统计和反馈，确保生产过程的高效运行。
柔性生产方案推进的障碍
毋庸置疑，在追求高度定制化和快速响应市场变化的当代产业环境中，柔性制造系统是不可或缺的关键解决方案。然而，将这一理念转化为实践操作，企业需要面对多方面的挑战。
首先，高昂的初始投资是许多企业面临的主要障碍。柔性生产系统的实施不仅需要在先进技术和设备上进行大量投资，还需要对员工进行系统性培训。特别是对于规模较小的中小企业而言，这项投资可能是一个重大的财务负担。
其次，柔性生产系统的复杂性也是一个不容忽视的挑战。随着生产流程的复杂化，管理和维护的难度随之增加，这可能导致生产效率下降和成本上升。为此，企业必须确保员工接受适当的培训和支持，同时确保系统的设计既高效可靠又用户友好。
再次，将柔性生产系统与企业的其他系统（如库存管理和客户关系管理系统）整合起来也是一个复杂且耗时的任务。这不仅需要大量的技术投资，还需要在员工培训上下功夫。
最后，在采用柔性生产系统的过程中，保持产品质量的一致性也是一个挑战。定制化生产可能导致产品质量的波动。
写在最后
生产模式始终随着市场需求和技术创新而发生着变化。
传统的大批量生产模式虽然解决了物资的基本供应问题，但却未能满足消费者对个性化产品的渴望。而今，数字技术、智能制造和自动化技术的飞速发展带来了柔性制造的兴起，这不仅是一场技术革命，也是消费者与生产者关系的一次重塑。
柔性制造的发展有望实现生产效率与产品多样性之间的平衡，使得消费者能够获得符合个性化需求的高质量产品，同时生产者也能以高效的方式满足这些需求。
这种模式的本质，是在大规模生产的基础上，恢复那种最初的、基于人与人之间直接交流和沟通的消费场景和生产关系，远离了品牌对消费者单向的影响和驯化。
因此，柔性制造可以被视为是一次由技术驱动的生产与消费关系的复兴，它重新定义了生产者和消费者之间的互动方式，为个性化需求和大规模生产之间找到了一个创新的平衡点。
参考文献：
《Flexible production: The Key to Success: Flexibility in Mass Customization》，FasterCapital
《数字化与可视化柔性机加单元管控系统》，兵工自动化
《基于定制需求的服装柔性生产模式构建》，天津纺织科技
《中国智能制造发展研究报告—智能工厂》，中国信通院
《中国柔性制造行业报告》，智研瞻产业研究院
《线车宣言》，中国青年出版社
《意愿经济，大数据重构消费者主权》，电子工业出版社
