先进制造技术发展趋势.pdf

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1、先进制造技术发展趋势 9.1 概述 9.1.1 什么是先进制造技术 先进制造技术是当代信息技术、自动化技术、现代企业管理技术和通用制造技术 的有机结合；是传统制造技术不断吸收机械、电子、信息、材料、能源及现代管理技 术成果，将其综合应用于制造全过程，实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，获 得理想技术经济效果的制造技术的总称。包括计算机技术、 自动控制理论、 数控技术、 机器人、 CAD CAM 技术、CIM技术以及网络通信技术等在内的信息自动化技术的迅猛 发展，为先进制造技术的发展和应用提供了日益增多的高效能手段。 先进制造技术主要包括三个技术群：主体技术群、支撑技术群和制造技术基础设 施群

2、。其具体内容主要有：现代设计技术、精密及超精密加工技术、精密快速成型技 术、特种加工技术、制造业综合自动化、过程工业综合自动化、系统管理技术等。 1. 先进制造技术中的主体技术群 主体技术群包括面向制造的设计技术群与制造工艺技术群。 (1) 设计技术群。指用于生产准备的工具群与技术群。包括产品、工艺过程和工 厂设计，如计算机辅助设计(CAD)及工艺过程建模和仿真、系统工程集成技术、快速 样件成型技术、并行工程技术(CE)、面向环境的设计 (DFE)。 (2) 制造工艺技术群。指用于产品制造的过程及设备，包括材料生产工艺、加工 工艺，连接和装配、测试和检验技术。 2. 先进制造技术中的支撑技术群

3、 支撑技术群是使主体技术群发挥作用的基础和核心，是实现先进制造系统的工 具、手段和系统集成的基础技术，包括信息技术、传感器技术和控制技术。信息技术 中包括网络和数据库技术、集成平台和集成框架技术、接口和通信、基于知识的决策 支持系统以及软件工程方面的技术。先进制造系统中的控制技术将向智能控制方面发 展。智能控制系统具有根据过程和环境模型以及传感器数据实时决策的能力。这方面 具有潜力的领域是人工神经网络和模糊逻辑的研究。网络和数据库技术是先进制造技 术中的关键技术。通过全球网络实现信息的快速传递和共享，使企业之间的联合成为 可能。 3先进制造技术中的制造技术基础设施群 这是指为了管理好各种适当技

4、术群的开发，促进技术在整个国家工业企业内推广 应用而采用的各种方案和机制；是使先进的制造技术与企业组织管理体制，以及使用 技术的人员协调工作的系统工程。它主要包括质量管理、用户供应商交互作用、人 员培训和教育、全局监督和基准评测、技术获取和利用。 在利用先进制造技术的未来企业中，继续教育和培训已变得日益重要。未来的企 业面临的是多变的市场和激烈竞争的环境。聘用职员的关键是看他能否多专、多能地、 能动地迅速适应产品变化、工作岗位变化、所需技能变化以及促进这些变化的知识能 力。显然，教育和培训是抵消环境不断变化所带来的潜在打击和忧虑的要素。所以， 对于企业而言，要想有效提高其竞争能力，综合教育和培

5、训计划是基础。 9.1.2 先进制造技术的特点 21 世纪的市场竞争，就是先进制造技术的竞争。 先进制造技术贯穿了从产品设计、 加工制造到产品销售及使用维修等全过程，因此，21 世纪的先进制造技术应具有下列 特点： 1. 以低消耗创造高效益、高劳动生产率 低消耗意味着低成本，从而可以创造高效益。降低能源的消耗和有效地利用能源 成为未来制造业十分关心的问题。工业生产消耗了发达国家大量能源。人们希望不断 提高生活水准，但也会带来全球能源的高消耗，从而引起人们对节能的关注。改进原 有生产过程可以有效地降低工业过程的能耗。例如：大范围内实现质量控制，不仅在 其他方面受益，而且也节省了用于生产不合格产品

6、而消耗的能源。 2. 提供有竞争力的优质可售产品 先进制造企业提出了产品终身质量保证。“质量”一词的含义已不仅仅是“零缺 陷”了。由于越来越多的公司都能有效地保证产品无缺陷，因此，人们把“质量”重 新定义为“零缺陷”与“用户满意”。产品的工程设计过程也不仅仅是为保证其无缺 陷，而且还要从许多方面使用户满意。这样的产品才有竞争力。 3. 采用适用、先进的工艺装备 计算机技术、自动化技术、新材料技术、传感技术、管理技术等的引入，使制造 技术成为一个能驾驭生产过程的物质流、能量流和信息流的系统工程。适用、先进的 工艺和装备能快速生产出产品，并保证质量。 4. 具有迅捷响应市场的能力 当前，工业正进入

7、市场和经济因素高度分散、快速变化、不可预测的时代。企业 为了求得生存就必须对付这些频繁的变化，要想在不断变化的环境中做到迅速响应， 就必须重视技术与管理的结合；重视制造过程组织和管理体制的简化与合理化，使硬 件、软件和人集成的大系统的组成和体系结构具备前所未有的柔性。这体现了未来制 造系统的先进性。 5. 满足环境保护和生态平衡的要求 现今，环境问题已成为企业运行的关键因素。随着社会对环境问题越来越关注， 要求企业工艺系统以及设备向“环境安全型”组织转化。面对环境的日益破坏，世界 范围内环保热潮不断高涨。政府及民间组织对制造业提出更严格的要求。于是，人们 提出了面向环境的设计 (DFE)。美国

8、 IBM，DEC 及 AT&T等大公司率先采用了DFE思想。 DFE节约了材料和能源的消耗，提高产品的重新利用率，增强了企业的经济效益。 9.1.3 先进制造技术的产生背景 先进制造技术的产生和发展是与现代高新技术的飞速发展及制造业所面临的市 场竞争环境密不可分的。随着“冷战”时代的结束及世界市场的发展，市场竞争日趋 激烈， TQCS(T ：Time to market,Q:Quality,C:Cost,S:Service)成为企业共同追求的 目标。早期的市场竞争主要是围绕如何降低成本，特别是劳动力成本，于是刚性大规 模生产线就应运而生。进入20世纪 70 年代后，随着电子信息技术的发展，产品

9、成本 因素的组成发生了根本变化，降低成本的焦点转到了如何提高企业的整体效率。美国 从 20 世纪 70 年代开始提出 CIM哲理；日本采用准时生产JIT(JustInTime)准则压缩 库存，提高资金周转率；采用精良生产(Lean Production)方法，去掉生产过程中一 切不产生价值的环节。这些都获得了一定的成功。20 世纪 80 年代，工厂的一切活动 转到以满足用户要求为核心，为了赢得市场，必须提高新产品的上市速度，于是产生 了并行工程 CE(Concurrent Engineering) 的思想，在 20 世纪 90年代初，欧洲制造业 出现了一个新现象，人们开始把注意力集中在以CIM

10、S为基础的“以人为中心的生产 系统 APS(Anthropocentric Production System)”，APS是组织管理、人、技术三者 的集成，其中人是核心。新的竞争环境要求企业具有极大的柔性，能快速响应市场。 为了夺回在制造业的领先地位，美国在 CIM和 CE的基础上，又认真研究了日本的JIT 和精良生产，于 1991年进一步提出了敏捷制造(Agile Manufacturing)的新概念。与 APS相似，如何提高制造系统的智能，如何把人更有效地集成到CIM中，人们又提出 了智能制造 (Intelligent Manufacturing)的思想。而敏捷制造被认为是全面提高企 业竞

11、争能力的 21 世纪制造策略，是在CIM和 CE基础上更大范围内企业之间的集成。 在这种策略下的虚拟公司 (Virtual Company) 通过信息高速公路和其他公司进行合作， 以对市场机遇作出敏捷的响应。虚拟制造(VM)则是在计算机上模拟产品的制造和装配 全过程，以期尽早发现可能发生的问题。 9.2 几种典型先进制造技术简介 9.2.1 智能制造 一、智能制造研究的背景 近年来，由于市场竞争的冲击和信息技术的推动，传统的制造产业正经历着一场 重大的变革，围绕提高制造业水平这一中心的新概念、新技术层出不穷，智能制造正 是在这一背景下孕育而生的。 从市场竞争方面来看，当前和未来企业面临的是一个

12、多变的市场和激烈竞争的环 境。社会的需求正从大批量产品转向小批量、甚至单件产品上。企业要在这样的市场 环境中立于不败之地，必须从产品的时间、质量、成本和服务(TQCS) 等方面提高自身 的竞争力，以快速响应市场频繁的变化。企业在生产活动中的机敏性和智能就显得尤 为重要。 从制造系统自身来看，它是一个信息系统。制造过程是对市场信息、开发信息、 制造信息、服务信息和管理信息等获取、加工和处理的过程。制造所得的产品实质上 是物质、能量和信息三者的统一体。因此，制造水平提高的关键在于系统处理制造信 息能力的提高。由于市场的竞争、产品性能的完善、结构的复杂和需求的个性化，导 致现代制造过程中信息量的激增

13、，信息种类多样化和信息质量的复杂化( 残缺和冗余 信息) ，要求未来制造系统具有更强的信息加工能力，特别是信息的智能加工能力。 尽管对企业和制造系统有这样的要求，但是，由于过去人们对制造技术的注意力 多集中在制造过程的自动化上，从而导致在制造过程中自动化水平不断提高的同时， 产品设计及生产管理效率提高缓慢。生产过程中人们的体力劳动虽然得到了极大解 放，但脑力劳动的自动化程度(即决策自动化程度 ) 却很低，各种问题求解的最终决策 在很大程度上仍依赖于人的智慧。并且，随着竞争的加剧和制造信息量的增加，这种 依赖程度将越来越大。另一方面，从20 世纪 70 年代开始，发达国家为了追求廉价的 劳动力，

14、逐渐将制造业移向了发展中国家， 从而引起本国技术力量向其他行业的转移， 同时发展中国家专业人才严重短缺，其结果制约了制造业的发展。因此，制造产业企 盼着自身的智能，以减小对人类智慧的依赖，解决人才供求的矛盾。智能制造技术 IMT(Intelligent Manufacturing Technology)和智能制造系统 IMS(Intelligent Manufacturing System)正是顺应上述情况而得以发展。 二、智能制造的含义 智能制造技术 (IMT) 是指在制造工业的各个环节，以一种高度柔性与高度集成的 方式，通过计算机模拟人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，

15、旨在取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动，并对人类专家的制造智能进行收集、 存储、完善、共享、继承与发展的技术。基于IMT的制造系统 (IMS) 则是一种借助计 算机，综合应用人工智能技术、并行工程、现代管理技术、制造技术、信息技术、自 动化技术和系统工程技术，在国际标准化和互换性的基础上，使得制造系统中的经营 决策、生产规划、作业调度、制造加工和质量保证等各个子系统分别智能化，成为网 络集成的高度自动化制造系统。 智能制造系统的特点突出表现在： 1制造系统的自组织能力自组织能力是指IMS中的各种智能设备，能够按照工 作任务的要求， 自行集结成一种最合适的结构， 并按照最优的方式运行。 完成任

16、务后， 该结构随即自行解散，以备在下一个任务中集结成新的结构。自组织能力是IMS的一 个重要标志。 2制造系统的自律能力IMS能根据周围环境对自身作业状况的信息进行监测和 处理，并根据处理结果自行调整控制策略，以采用最佳行动方案。这种自律能力使整 个制造系统具备抗干扰、自适应和容错等能力。 3自学习和自维护能力IMS能以原有的专家知识为基础，在实践中不断进行学 习，完善系统知识库，并删除库中有误的知识，使知识库趋向最优。同时，还能对系 统故障进行自我诊断、排除和修复。 4整个制造环境的智能集成IMS在强调各生产环节智能化的同时，更注重整个 制造环境的智能集成。这是IMS与面向制造过程中的特定环

17、节、特定问题的“智能化 孤岛”的根本区别。 IMS覆盖了产品的市场、开发、制造、服务与管理整个过程，把 它们集成为一个整体，系统地加以研究，实现整体的智能化。 IMS的研究是从人工智能在制造中的应用AIM(Artificial Intelligent in Manufacturing)开始的，但又有所不同。人工智能在制造领域的应用，是面向制造过 程中特定对象的，研究结果导致了“自动化孤岛”的出现，人工智能在其中起辅助和 支持的作用。而 IMS是以部分取代制造中人的脑力劳动为研究目标的，并且要求系统 能在一定范围内独立地适应周围环境，开展工作。 同时，IMS不同于计算机集成制造系统CIMS ，C

18、IMS强调的是企业内部物流料的集 成和信息流的集成；而IMS强调的则是更大范围的整个制造过程的自组织能力。但两 者又是密切相关的， CIMS中众多研究内容是 IMS发展的基础，而 IMS又将对 CIMS提 出更高的要求。集成是智能的基础，而智能又推动集成达到更高水平，即智能集成。 因此， 有人预言，下一世纪的制造工业将以双I(Intelligent和 Integration)为标志。 三、智能制造研究的支撑技术 1人工智能技术 IMT 的目标是用计算机模拟制造业人类专家的智能活动，取代或延伸人的部分脑 力劳动，而这些正是人工智能技术研究的内容。因此，IMS离不开人工智能技术 ( 专家 系统、人

19、工神经网络、模糊逻辑) 。IMS智能水平的提高依赖着人工智能技术的发展。 同时，人工智能技术是解决制造业人才短缺的一种有效方法。当然，由于人类大脑活 动的复杂性，人们对其认识还很片面，人工智能技术目前尚处于低级阶段，此时IMS 中的智能主要是人 ( 各领域专家 ) 的智能。但随着人们对生命科学研究的深入，人工智 能技术一定会有新的突破，最终在IMS中取代人脑进行智能活动，将IMS推向更高阶 段。 2并行工程 针对制造业而言，并行工程的含义是指产品概念的形成和设计，与其生产和服务 系统的实现相并行，即在制造过程的设计阶段就考虑到产品全生命周期的各环节，集 成并共享各环节和各方面的制造智能，并行地

20、开展产品制造各环节的设计工作。并行 工程作为一种重要的技术方法学，应用于IMS中，将最大限度地减少产品设计的盲目 性和设计的重复性。 3虚拟制造技术 虚拟制造技术是随着计算机多媒体技术的发展而发展起来的一项新兴技术。它是 以计算机支持的仿真技术为前提，对设计、制造等生产过程进行统一建模，在产品设 计阶段，实时地、并行地以多媒体的方式模拟出产品未来制造的全过程，以及制造过 程对产品设计的影响，并预测产品性能和产品的制造技术，即在产品设计阶段就模拟 出该产品的整个生命周期，从而更有效、更经济、更灵活地组织生产。同时，使工厂 和车间的设计与布局更加合理。以此达到产品开发周期最短，产品成本最低，产品质

21、 量最优，生产效率最高。虚拟制造技术应用于IMS，为并行工程的实施提供了必要的 保证。 4信息网络技术 信息网络技术是制造过程的系统和各个环节“智能集成”化的支撑。信息网络是 制造信息及知识流动的通道。因此，此项技术在IMS研究和实施中占有重要地位。 四、智能制造研究的内容 1智能制造理论和系统设计技术 智能制造概念的正式提出至今时间还不长，其理论基础与技术体系仍在形成过程 中，它的精确内涵和关键设计技术仍需进一步研究，其内容包括：智能制造的概念体 系、智能制造系统的开发环境与设计方法、以及制造过程中的各种评价技术等。 2智能制造单元技术的集成 人们在过去的工作中，以研究人工智能在制造领域中的

22、应用为出发点，开发出了 众多的面向制造过程中特定环节特定问题的智能单元，形成了一个个“智能化孤 岛”。它们是智能制造研究的基础。为使这些“智能化孤岛”面向智能制造，使其成 为智能制造的单元技术，必须研究它们在IMS中的集成，同时进一步完善和发展这些 智能单元。它们包括： (1) 智能设计。应用并行工程和虚拟制造技术，实现产品的并行智能设计。 (2) 生产过程的智能规划。在现有的检索式、半创成式CAPP 系统的基础上，研究 和开发创成式 CAPP 系统，使之面向 IMS。 (3) 生产过程的智能调度。 (4) 智能监测、诊断和补偿。 (5) 生产过程的智能控制。 (6) 智能质量控制。 (7)

23、生产与经营的智能决策。 3智能机器的设计 智能机器是 IMS中模拟人类专家智能活动的工具之一。因此，对智能机器的研究 在 IMS研究中占有重要的地位。 IMS常用的智能机器包括智能机器人、智能加工中心、 智能数控机床和自动引导小车AGV(Automated Guided Vehicle)等。 五、智能制造系统的构成及典型结构 由于 IMS结构体系尚处于研究阶段，在此只作简单探讨。 从智能组成方面考虑， IMS是一个复杂的智能系统，它是由各种智能子系统按层 次递阶组图 91MIS结构图成，构成智能递阶层次模型。该模型最基本的结构称为元智 能系统 MIS(MetaIntelligent Syste

24、m)。其结构如图所示，大致分为三级：学习维护 级、决策组织级和调度执行级。学习维护级，通过对环境的识别和感知，实现对MIS 进行更新和维护，包括更新知识库、更新知识源，更新推理规则以及更新规则可信度 因子等；决策组织级，主要接受上层MIS下达的任务，根据自身的作业和环境状况， 进行规划和决策，提出控制策略。在IMS中的每个 MIS的行为都是上层 MIS的规划调 度与自身自律共同作用的结果，上层MIS的规划调度是为了确保整个系统能有机协同 地工作，而 MIS自身的自律控制则是为了根据自身状况和复杂多变的环境，寻求最佳 途径完成工作任务。因此，决策组织级要求有较强的推理决策能力；调度执行级，完 成

25、由决策组织级下达的任务，并调度下一层的若干个MIS并行协同作业。 MIS是智能系统的基本框架，各种具体的智能系统是在此MIS基础之上，对其扩 充。具备这种框架的智能系统具有以下特点：决策智能化；可构成分布式并行智 能系统；具有参与集成的能力；具有可组织性和自学习、自维护能力。 从智能制造的系统结构方面来考虑，未来智能制造系统应为分布式自主制造系统 (Distributed Autonomous Manufacturing Sytem)。该系统由若干个智能施主 (Intelligent Agent)组成。根据生产任务细化层次的不同，智能施主可以分为不同 的级别。如一个智能车间可称为一个施主，它调

26、度管理车间的加工设备，它以车间级 施主身份参与整个生产活动；同时对于一个智能车间而言，其间的智能加工设备也可 称为智能施主，它们直接承担加工任务。无论哪一级别的施主，它与上层控制系统之 间通过网络实现信息的联接，各智能加工设备之间通过自动引导小车(AGV)实现物质 传递。在这样的制造环境中，产品的生产过程为：通过并行智能设计出的产品，经过 IMS智能规划，将产品的加工任务分解成一个个子任务，控制系统将子任务通过网络 向相关施主“广播”。若某个施主具有完成此子任务的能力，而且当前空闲，则该施 主通过网络向控制系统投出一份“标书”。“标书”中包含了该施主完成此任务的有 关技术指标，如加工所需时间，

27、加工所能达到精度等内容。如果同时有多个施主投出 “标书”，那么，控制系统将对各个投标者从加工效率、加工质量等方面加以仲裁， 以决定“中标”施主。“中标”施主若为底层施主(加工设备 )，则施主申请，由AGV 将被加工工件送向“中标”的加工设备，否则，“中标”施主还将子任务进一步细分， 重复以上过程，直至任务到达底层施主。这样，整个加工过程， 通过任务广播、投标、 仲裁、中标，实现生产结构的自组织。 六、智能制造研究的发展情况 “智能制造”是人们在研究“人工智能在制造业中的应用”的过程中发展起来 的。 美国是“智能制造”的发祥地。 Purdue 大学智能制造国家工程中心(IMSERC) 最早 正式

28、提出“智能制造”，并付诸实施。目前已开发出40 多个机械制造方面的制造智 能化单元系统。该中心今后的目标是研究各智能单元系统的集成和开发分布式智能制 造系统。“智能制造”的研究正在美国多所大学蓬勃开展。 欧洲对智能制造同样重视。自1987年以来，每两年召开一届智能制造研讨会， 并将论文汇编成书出版。同时，欧共体的跨国研究计划ESPRIT( 欧洲信息技术研究发 展战略计划 ) 和 EUREKA( 欧洲高技术发展计划 ) 中有多个项目是关于智能制造基础问题 的研究。 日本则凭借其雄厚的技术力量涉足智能制造领域。并倡导国际合作。1989 年 10 月，由日本当时的国际贸易和工业大臣，现任东京大学校长

29、的Hiroyuki yoshikawa 教授提出了智能制造国际合作计划。该计划于1993年 2 月正式实施，由日本、美国、 加拿大、欧盟各国、澳大利亚参加。 我国对智能制造的研究业已展开。“八五”期间，华中理工大学、清华大学、南 京航空学院、西安交通大学四所高等院校在国家自然科学基金委员会的资助下，对智 能制造系统基础理论、智能化单元技术、智能机器等方面进行了研究，并已取得阶段 性成果。 9.2.2 敏捷制造 一、敏捷制造企业的产生及其特点 目前，各方面的发展都在驱使制造业中大规模生产系统的转变。随着市场竞争的 加剧和用户要求不断提高，大批大量的生产方式正朝单件、多品种方向转化。于是美 国于

30、1991年提出敏捷制造的设想。大规模生产系统是通过大量生产同样产品来降低 成本，而采用新的生产系统能获得敏捷性生产用户定做的数量很少的高质量产品，并 使单件成本最低。 在敏捷制造企业中，可以迅速改变生产设备和程序，生产多品种的新型产品。在 大规模生产系统中，即使提高及时生产(JIT) 能力和采用精良生产，各企业仍主张独 立进行生产。企业间的竞争促使各企业不得不进行规模综合生产。而敏捷制造系统促 使企业采用较小规模的模块化生产设施，促使企业间的合作。每一个企业都将对新的 生产能力做出部分贡献。在敏捷制造系统中，竞争和合作是相辅相成的。在这种系统 中，竞争的优势取决于产品投放市场的速度，满足各个用

31、户需要的能力以及对公众给 予制造业的社会和环境关心的响应能力。 敏捷制造将一些可重新编程、重新组合、连续更换的生产系统结合成一个新的、 信息密集的制造系统，以使生产成本与批量无关。对于一种产品，生产10万件同一 型号产品和生产 10 万件不同型号的产品，其成本应无明显差异，敏捷制造企业不是 采用以固定的专业部门为基础的静态结构，而是采用动态结构。其敏捷性是通过将技 术、管理和人员三种资源集成为一个协调的、相互关联的系统来实现。 敏捷制造企业的特点就是多企业在信息集成的基础上的合作与竞争。信息技术是 支持敏捷制造的一个有力的关键技术。所以，基于开放式计算机网络的信息集成框架 是敏捷制造的重要研究

32、内容。在计算机网络和信息集成基础结构之上构成的虚拟制造 环境，根据客户需要和社会经济效益组成虚拟公司或动态联合公司。这是未来企业组 织的最高形式，它完全是由市场机遇驱动而组织起来的。这样使企业的组成和体系结 构具备前所未有的柔性。 二、敏捷制造的特征 与传统的大量生产方式相比，敏捷制造主要具有以下特征： (1) 全新的企业合作关系虚拟企业(Virtual Enterprise)或动态联盟。 什么是虚拟企业 ?虚拟并非没有。推出高质量、低成本的新产品的最快的办法是 利用不同地区的现有资源，把它们迅速组合成为一种没有围墙的、超越空间约束的、 靠电子手段联系的、统一指挥的经营实体虚拟企业。虚拟企业的

33、特点是： 1) 功能的虚拟化在虚拟制造的组织形态下， 一个企业虽具有制造、 装配、营销、 财务等，但在企业内部却没有执行这些功能的机构，所以称之为功能虚拟。在这种情 况下，企业仅具有实现其市场目标的最关键的功能，其他的功能，在有限的资源下， 无法达到足以竞争的要求， 因此将它虚拟化， 以各种方式借助外力来进行组合和集成， 以形成足够的竞争优势。这是一种分散风险的、争取时间的敏捷制造策略，它与“大 而全、小而全”策略是完全对立的。 2) 组织的虚拟化虚拟企业的另一特点是组织的虚拟化。虚拟企业是市场多变的 产物，为了适应市场环境的变化， 企业的组织结构也要做到能够及时反映市场的动态。 企业的结构不

34、再是固定不变的，已经逐步倾向于分布化，讲究轻薄和柔性，呈扁平网 络结构。虚拟企业可以根据目标和环境的变化进行组合，动态地调整组织结构。 3) 地域的虚拟化运用信息高速公路和全国工厂网络，把综合性工业数据库与提 供服务结合起来，还能够创建地域上相距万里的虚拟企业集团，运作控股虚拟公司， 排除传统的多企业合作和建立集团公司的各种障碍。 (2) 大范围的通讯基础结构。在信息交换和通讯联系方面，必须有一个能将正确 的信息在正确的时间送给正确的人“准时信息系统”(JustInTimeInformation System)，作为灵活的管理系统的基础，通过信息高速公路与国际互联网络将全球范 围的企业相联。

35、(3) 为订单而设计、为订单而制造的生产方式。 (4) 高度柔性的、模块化的、可伸缩的生产制造系统。这种柔性生产系统往往规 模有限，但成本与批量无关，在同一系统内可生产出的产品品种是无限的。 (5) 柔性化、模块化的产品设计方法。 (6) “高质量”的产品。敏捷制造的质量观念已变成整个产品生命周期内的用户 满意，企业的这种质量跟踪将持续到产品报废为止。 (7) 有知识、有技术的人是企业成功的关键因素。在敏捷企业中，认为解决问题 靠的是人，不是单纯的技术，敏捷制造系统的能力将不是受限制于设备，而只受限于 劳动者的想像力、创造性和技能。 (8) 基于信任的雇佣关系。雇员与雇主之间将建立一种新型的“

36、社会合同”的关 系，大家能意识到为了长远利益而和睦相处。 (9) 基于任务的组织与管理。敏捷制造企业的基层单位是“多学科群 体”(MultiDiscipline Team)的项目组，是以任务为中心的一种动态组合，敏捷企业 强调权力分散，把职权下放到项目，提倡“基于统观全局的管理”模式，要求各个项 目组都能了解全局的远景，胸怀企业全局，明确工作的目标和任务的时间要求，而完 成任务的中间过程则完全可以自主。 (10) 对社会的正效应。大量生产方式通常只关心企业本身效益，不关心对社会的 影响，所以通常会带来不同程度的环境污染、能源浪费及失业等社会问题。而敏捷制 造则要全面消除企业生产给社会造成的不利

37、影响，企业必须完全服务于社会。 三、敏捷制造研究的内容 敏捷制造被认为是21 世纪的先进制造策略，目前研究的主要内容为： (1) 分布式数据库子系统。 (2) 分布式群决策软件子系统。 (3) 智能控制子系统。 (4) 智能传感器子系统。 (5) 基于知识的人工智能研究。 (6) 快速合作子系统。 (7) 工厂网络子系统。 (8) 企业集成子系统。 (9) 用户交互子系统。 (10) 人与技术接口子系统。 (11) 教育培训子系统。 (12) 模块化可重构的硬件子系统。 (13) 仿真与建模子系统。 (14) 废物处理和消除子系统。 (15) 零故障方法学子系统。 (16) 节能子系统。 (1

38、7) 动态合作子系统。 (18) 性能测量与评价子系统。 9.2.3 并行工程 一、什么是“并行工程” 并行工程 CE(Concurrent Engineerimg) ，是近年来国际制造业中兴起的一种新型 企业组织管理哲理，旨在提高产品质量，降低产品成本和缩短开发周期。目前，人们 普遍采用 R.I. Winner在国防分析研究所 (IDA)R338 研究报告中的定义：“并行工 程是对产品及其相关过程 ( 包括制造过程和支持过程 ) 进行并行， 一体化设计的一种系 统化的工作模式。这种工作模式力图使开发者们从一开始就考虑到产品全生命周期 (从概念形成到产品报废 )中的所有因素，包括质量、成本、进

39、度与用户要求。”CE 包 括四方面的内容，称为CE的四“C ”性：并行性、约束性、协调性和一致性。 并从全局优化的角度出发，对集成过程进行管理与控制，同时对已有产品开发过 程进行不断的改进与提高，以克服传统串行产品开发过程大反馈造成的长周期与高成 本等缺点，增强企业产品的竞争能力。从经营方面考虑，并行工程意味着产品开发过 程重组 (Reengineering)，以便并行地组织作业。 二、并行工程的特点 与传统设计方法相比，并行工程主要特点为：设计的出发点是产品的整个生命周 期的技术要求；并行设计组织是一个包括设计、制造、装配、市场销售、安装及维修 等各方面专业人员在内的多功能设计组，其设计手段

40、是一套具有CAD ，CAM ，仿真、测 试功能的计算机系统，它既能实现信息集成，又能实现功能集成，可在计算机系统内 建立一个统一的模型来实现以上功能。并行设计能与用户保持密切的对话，可以充分 满足用户要求， 可缩短新产品投放市场的周期， 实现最优的产品质量、 成本和可靠性。 图 9-2 传统序列化研制过程 传统的工程设计是按阶段顺序进行的，对一个新产品的开发大多采用所谓“抛过 墙式”的序列化设计开发过程，见图9-2。产品从上一部门递交给下一部门( 例如，设 计开发部工艺部制造加工部总装测试部等) ，各部门都按自己的需求修改，很 少考虑到下一部门的需求 ( 可制造性、可装配性、可测试性、可维修性

41、等) 。即使有所 考虑( 如很有经验的设计人员 ) ，也不可能把下一个后续过程的要求详尽地反映出来。 由于这种传统的序列化研制过程不能在设计的早期反映产品在整个生命周期内的各 种需求，使所制造的产品存在较多的缺陷，也就导致从概念设计到工艺过程设计的多 次修改，而且在不同的环节重复这一过程，造成了对原设计的大量改动，甚至是产品 的返工，延长了产品的开发周期。据统计，产品成本的 70% 是在概念设计阶段确定的， 但概念设计的修改费用占总费用的比例很小，而产品序列化研制过程的设计修改费用 将大大增加，详细设计修改的费用是概念设计修改的10 倍；生产工艺制造阶段修改 的费用是详细设计修改的10倍，所以

42、序列化研制方法难以适应激烈的市场竞争。 并行工程是一种用来综合、协调产品的设计及其相关过程包括制造和保障过 程的系统化方法。这种方法使研制人员从一开始就考虑从方案设计直到产品报废 整个周期的所有要素。这种设计开发过程允许不同的研制阶段并行进行，且有一段搭 接时间，见图 9-3。 图 9-3 并行研制过程 其特点是： (1) 在每一后续阶段开始时，前一阶段尚未结束。 (2) 在后续阶段刚开始时，绝大多数信息是单向传输的( 由上向下流动 )，但经过 一段时间后就变成双向的了，亦即在两个阶段的人员之间有了信息交流。 (3) 当后续阶段发现以前的阶段存在问题时，可及时反馈信息，以便对上一阶段 的设计进

43、行修改。同时，前一阶段应将现行方案提交给后一阶段的工作人员，以便观 察是否会产生矛盾和不协调的问题。 因此，采用并行的研制过程必须要求不同研制阶段的所有成员都能了解所研制产 品的总目标和技术要求。 并行工程同 CIM一样，是一种经营哲理、一种工作模式。这不仅体现在产品开发 的技术方面，也体现在管理方面。CE对信息管理技术提出了更高要求，不仅要求对产 品信息进行统一管理与控制，而且要求能支持多学科领域专家群体的协同工作 (Teamwork)，并要求把产品信息与开发过程有机地集成起来，做到把正确的信息在正 确的时间以正确的方式传递给正确的人。 并行工程的基础技术研究目前主要集中在以下6 方面： (

44、1) 面向并行工程的组织机构研究。 (2) 面向并行工程的管理决策支持系统。 (3) 面向并行工程的新设计学科。 (4) 面向并行工程机理的CAD CAPP CAM CAE 。 (5) 建模与仿真技术。 (6) 基于计算机的知识信息、工具集成技术。 三、并行工程 (CE)的理论基础与运行机理 1CE的理论基础 从本质上讲，CE是一种以空间换取时间、 处理系统复杂的系统化方法(Systematic Approach) ，它以信息论、控制论和系统论为理论基础，在数据共享、人机交互等工 具及集成上述工具的智能技术支持下，按多学科、多层次协同(Synergy) 一致的组织 方式工作。与传统串行工作模式

45、相比，它大大地扩大了系统状态空间，大大地缩短了 复杂问题交互式求解进程的迭代次数，促使最终目标一次成功(Do Right First)，以 非线性的管理机制和整体性(Holism) 思想，赢得集成附加的协同效益。 2CE的运行机理 (1) “并行工程”法与“串行工程”法的比较 “串行工程”法的特点是：方案设计与制造过程设计两大进程的集合性、序列性 和反复性。 这种方法的不足之处在于方案设计过程中不能及早考虑制造过程以及质量 保证等问题，必然造成设计与制造脱节。若开发的产品不能满足需求，必然要求再设 计，使整个产品开发过程变成设计、加工、测试、评价、修改的大循环，而且可能多 次重复这一过程， 从

46、而使设计改动量大， 产品开发周期长、 开发成本高。图 9-4 为“串 行工程”产品开发流程的一个例子。 图 9-4 “串行工程”的产品开发流程实例 “并行工程”法的特点在于其集成性、并行性和交互性。在并行工程中，产品设 计与制造两大过程不再脱节。产品生命周期中的所有因素在产品开发过程中均加以考 虑。例如，初始设计方案可立即作为生产过程设计的依据；而制造可行性论证结果又 可返回至产品设计阶段，使设计方案和设计图纸及时得到修正。因而可大大缩短产品 开发周期，提高产品质量，降低成本，减少返工率及废品率。“并行工程”产品开发 流程见图 9-5。 图 9-5“并行工程”产品开发流程实例 (2)CE 的运

47、行机理 CE不是某种现成的系统或结构，不能像软件或硬件产品一样买来安装即可运行。 它是一种自顶向下进行规划、自底向上进行实施的哲理。 企业在 CE环境中进行产品开发设计、分析、制造等一系列活动，这些活动的完 成由 CE目标和 CE原则来进行控制。 这里 CE的目标为：提高全过程中全面的质量；降低产品生命周期中的成本；缩 短产品的研制开发周期。为实现CE目标，需遵循 CE规则，即：有效的领导方法；不 断地进行过程的改善； 开发并管理信息和知识财富； 通过长期计划和决策来获得效益。 将 CE思想贯穿于产品开发过程中，需要管理、设计、制造、支持等知识源的有 机协调。它不仅依靠各知识源之间有效的通信，

48、同时要求有良好的决策支持结构，其 运行机理的要点为：突出人的作用、强调人的协同工作；一体化、并行地进行产 品及其有关过程的设计，其中，尤其要注意早期概念设计阶段的并行协调；重视满 足客户的要求； 持续地改善产品有关的过程，CE的工程模式中要注意持续、尽早地 交换、协调、完善关于产品有关的制造支持等各种过程的约定和定义，从而有助于 CE三个目标的实现；注意CE中信息与知识财富的开发与管理；注重目标的不变 性；5 个“不”： CE不是不费力就能成功的“魔术方法”，CE不能省去产品串行工 程中的任一环节， CE不是使设计与生产重叠或同时进行，CE不同于“保守设计”， CE不需保守测试策略。 四、并行

49、工程的工程实现 采用 CE后取得的成效要通过工程实现来体现。实施CE必须要有合适的 CE环境 与条件、实施策略与步骤、实施框架及相应的工具与技术。 1CE环境 在产品的整个生命周期中，特别是对于产品的设计，CE环境主要包括： (1) 统一的产品模型。保证了产品信息的惟一性，并必须有统一的企业知识库， 使小组人员能以同一种“语言”进行协同工作。 (2) 一套高性能的计算机网络。小组人员能在各自的工作站或微机上进行仿真， 或利用各自的 CAD ，CAM ，CAPP 系统。 (3) 一个交互式的、良好的用户界面，实现CAD ，CAM ，CAE 的系统集成，有统一 的数据库和知识库，使小组人员能同时以不同角度参与或解决各自的设计问题。 在 CE环境中，企业要采用计算机仿真技术模拟生产过程，实现优化设计，省去 了传统的从设计到制作样品的过程，既缩短了时间， 降低了成本， 又保证了设计质量。 2实施 CE的必要条件与步骤 实施 CE必须具备下列条件：上层管理部门的切实支持；建立多学科小组； 计算机技术的支持；应用工具的支持。 CE实施过程可分为三个阶段，即：规划阶段，对集成CE的信息系统进行自顶 向下的分析；开发阶段，采集和开发由现有的设计、开发和生产方法到CE方法所 需的技术和手段；实施阶段，包括采购和安装所需的硬件，调