21世紀的先進生產(chǎn)制造方式

1、面向21世紀的“先進制造與管理模式”隨著全球化市場競爭日趨激烈，顧客應用要求的個性化，產(chǎn)品需求向多元化發(fā)展，促使企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模從單品種大批量朝多品種變批量的方向發(fā)展，給企業(yè)提出了新的要求。制造企業(yè)要在競爭中立于不敗，必須要采用先進的制造技術與先進的管理方法，降低生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期，并能快速響應市場需求的變化。同時，制造企業(yè)為提高競爭力，快速占領市場，在競爭的同時還需不斷促成有關企業(yè)之間的區(qū)域性聯(lián)合或跨國合作，以形成動態(tài)聯(lián)盟。在這種背景下，一些先進的制造模式和管理模式不斷出現(xiàn)和發(fā)展。本文就目前國內(nèi)外所關注的有關先進制造模式和管理模式給予簡單介紹。第一部分 先進制造模式一、虛擬制造(VM-Vir

2、tual Manufacturing)20世紀80年代就提出了虛擬制造(VM)的概念，到90年代得到廣泛重視和發(fā)展。VM是一種新的制造技術，它以信息技術、仿真技術和虛擬現(xiàn)實技術為支持，在產(chǎn)品設計或制造實現(xiàn)之前，就能使人感到未來產(chǎn)品的性能或制造過程狀態(tài)，從而可以提前作出決策與優(yōu)化實施方案。1VM的概念虛擬制造是一個處于發(fā)展中的新概念，目前還沒有一個完全統(tǒng)一的定義，又因為VM研究的出發(fā)點，側(cè)重面及應用場合的不同，所以，VM就有各種不同的定義。1）Kimura、Onosato等定義：VM是現(xiàn)實制造系統(tǒng)上虛擬環(huán)境下的映射，是針對現(xiàn)實制造環(huán)境的虛擬模型，該模型為生產(chǎn)規(guī)劃、調(diào)度和管理提供測試環(huán)境。2）Ch

3、etan Shukla等定義：VM是一個發(fā)展中的研究領域，其目的是通過虛擬現(xiàn)實技術將各種與制造者有關的技術集成起來。3）Hitchcock等定義：VM是一個用于提高制造業(yè)內(nèi)各級決策和控制能力的集成的，虛擬的制造環(huán)境。4）Nahavandi、Preece等定義：VM是已經(jīng)存在或不存在的制造系統(tǒng)的仿真模型，該模型具有與制造過程，過程控制和管理以及產(chǎn)品有關的所有信息。5）Lin定義：VM是應用計算機模型和制造過程來輔助產(chǎn)品的設計和制造。6）Iwata定義：VM是實現(xiàn)溝通制造工程和信息基礎結(jié)構建立新型信息基礎結(jié)構最有希望的方法。KILee和SDNoh定義：VM系統(tǒng)是表示現(xiàn)實制造系統(tǒng)物理和邏輯結(jié)構與特性

4、的一種集成計算機模型。近幾年來，我國一些單位，特別是863/CIMS主題項目，對虛擬制造也進行了不少研究，并結(jié)合企業(yè)進行了不同程度的實施，取得了一定的效果。2VM的關鍵技術VM的關鍵技術主要包括：各種建模技術、仿真技術、控制技術及所需的支持技術等。1）建模技術·產(chǎn)品、過程及生產(chǎn)系統(tǒng)建模；·虛擬公司的建模；·虛擬制造環(huán)境與現(xiàn)實環(huán)境之間的結(jié)構、功能等的映射關系的管理、維護、監(jiān)控、更新等問題；·基于分布式并行處理環(huán)境下的虛擬制造開放式體系結(jié)構模型；·面向整個產(chǎn)品生命周期的綜合經(jīng)濟模型和產(chǎn)品評價體系模型。2）仿真技術指運行和操作構成VM系統(tǒng)各種模型的所

5、有仿真方法和技術及多模型集成的仿真技術。3）控制技術·模型部件的組織、調(diào)度策略及交換技術；·仿真過程的工作流程與信息流程的控制；·概念設計與制造方法、加工過程、成本估算集成技術；·將動態(tài)的、分布的、協(xié)作模型的集成技術；·實現(xiàn)最佳設計的沖突求解技術；·基于仿真的推理技術；·模型及仿真結(jié)果的驗證，確認技術；·虛擬制造環(huán)境下，產(chǎn)品開發(fā)過程中的高度與控制機制，以及面向產(chǎn)品開發(fā)過程中的組織與管理問題。4）支持技術·數(shù)據(jù)庫技術·產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術·人工智能在企業(yè)各級組織、產(chǎn)品生命周期各階段決策中的應

6、用；·虛擬環(huán)境下多種協(xié)同機制技術；·綜合可視化技術；·計算機軟硬件集成技術及網(wǎng)絡通訊技術。二、并行工程(CE-Concurrent Engineering)1988年美國國防分析研究所(IDA)的R.I.Winner提交了題為“并行工程(Concurrent Engineering)在武器系統(tǒng)采購中的作用”的研究報告中提出了并行工程的概念。并行工程的出現(xiàn)是為了解決傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)模式由于不能在設計早期很好地考慮產(chǎn)品生命周期中的各種因素，致使設計更改頻繁，延長了產(chǎn)品開發(fā)周期，增加了產(chǎn)品的成本，并且還不能得到用戶需求的滿足這一難題。從而為企業(yè)贏得市場競爭提供了先進的制造

7、模式。1并行工程的概念并行工程的定義為：并行工程是為達到產(chǎn)品及其相關的各種過程(包括制造過程和支持過程)的一體化并行設計而采取的一種系統(tǒng)性的方法。這種方法力圖使開發(fā)者從一開始就要考慮到整個產(chǎn)品的生命周期的所有要素，從方案開始直到各方面的安排包括質(zhì)量、成本、進度以及用戶需求等。這一定義有兩個主要觀點：一是并行工程要求設計和制造過程的多項計劃任務同時平行交叉進行；二是在設計階段中很早就要考慮到一項產(chǎn)品的所有要素。這就是說，CE是關于設計過程的方法，它要在設計過程中全面地考慮到相關過程的各種問題，強調(diào)在生產(chǎn)前完成全部設計。CE的技術構思是設計過程的集成，它不僅是可加工性、可靠性和可維護性設計，還包括

8、產(chǎn)品的美觀性，耐用性甚至產(chǎn)品報廢后可處理性等更多需求的設計，其目的是優(yōu)化設計。CE的實施改變了制造業(yè)的企業(yè)結(jié)構和工作方式，可縮短產(chǎn)品設計周期，優(yōu)化生產(chǎn)過程，降低成本，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，提高產(chǎn)品創(chuàng)新能力，增強企業(yè)市場競爭力。2CE的關鍵技術CE的實施有以下關鍵技術1）產(chǎn)品開發(fā)過程建模技術并行工程與傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的本質(zhì)區(qū)別在于它把產(chǎn)品開發(fā)的各個活動作為一個集成的過程，從全局優(yōu)化的角度出發(fā)，對該集成過程進行管理和控制，并對已有的產(chǎn)品開發(fā)過程不斷地進行改進和提高，這種方法就稱為產(chǎn)品開發(fā)過程重組。產(chǎn)品開發(fā)過程建模是其關鍵技術。在并行工程中，產(chǎn)品開發(fā)過程建模，就是對企業(yè)中產(chǎn)品開發(fā)過程的描述、抽象和提煉，并以此

9、為基礎完成對產(chǎn)品開發(fā)過程的規(guī)劃、仿真和分析，產(chǎn)生適合并行工程要求的產(chǎn)品開發(fā)過程的組織方案。這一方案是對產(chǎn)品開發(fā)過程進行監(jiān)控和管理的基礎。2）產(chǎn)品生命周期的數(shù)字定義技術在并行工程中，產(chǎn)品生命周期的數(shù)字定義技術主要包括：全局產(chǎn)品模型定義；CAX和DFX等最具并行工程特色的技術；產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術。全局產(chǎn)品模型就是按照集成化的思想定義產(chǎn)品開發(fā)過程的功能模型，構造數(shù)據(jù)流圖、數(shù)據(jù)字典和全局信息模型。CAX主要包括CAD、CAM、CAPP、CAE等。DFX是指面向性能的設計DFP、面向裝配的設計DFA、面向制造的設計DFM、面向測試的設計DFT、面向質(zhì)量的設計DFQ、面向成本的設計DFC及面向服務的設計DF

10、S等。產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術是指采用DBMS、PDM等產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理工具，有效地、有規(guī)則地存取、集成、管理、控制產(chǎn)品數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的使用流程。3）決策支持技術并行工程產(chǎn)品開發(fā)過程得以實現(xiàn)的前提條件之一是必須建立全局的決策管理模型，在相應的決策模型的支持下，產(chǎn)品開發(fā)活動形成有機的整體。決策支持主要包括：用戶需求定義與保證。應用質(zhì)量功能配置是一種把用戶需求作為最終質(zhì)量保證因素映射到產(chǎn)品開發(fā)活動的系統(tǒng)化方法；產(chǎn)品開發(fā)過程的協(xié)同管理與控制。在并行工程中，可能存在資源不平衡、設計活動之間關于產(chǎn)品定義不一致、開發(fā)過程對上游設計評估不一致等沖突問題，都需要進行協(xié)同管理與控制；群組協(xié)同工作支持技術，是指基于計算機環(huán)境的各

11、種軟件工具，如多媒體會議系統(tǒng)，各種群件、辦公自動化系統(tǒng)等。4）支持平臺技術并行工程的實施，計算機網(wǎng)絡與通訊技術，數(shù)據(jù)信息的存取，管理與控制的數(shù)據(jù)庫管理和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術是很重要的平臺支撐技術。三、精良生產(chǎn)(LP-Lean Prochuction)精良生產(chǎn)是美國麻省理工學院(MIT)于是1989年和1990年出版的美國制造業(yè)的衰退及對策奪回生產(chǎn)優(yōu)勢和改變世界的機器兩本專著中提出的概念，實際上在此之前日本在這方面已作了大量工作，如日本豐田汽車公司早已在這方面作了大量的實踐。1LP的概念LP是在生產(chǎn)實踐中總結(jié)出來的新的生產(chǎn)概念。它的目的是要在一個企業(yè)里同時獲得極高的生產(chǎn)效率，極佳的產(chǎn)品質(zhì)量和很好的生

12、產(chǎn)柔性。在生產(chǎn)組織上強調(diào)各部門相互密切合作的綜合集成。這不僅限于生產(chǎn)過程本身，尤其重視產(chǎn)品開發(fā)，生產(chǎn)準備和生產(chǎn)之間的合作和集成。精良生產(chǎn)首先在產(chǎn)品質(zhì)量上追求盡善美，保證用戶產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)都感到滿意。在企業(yè)內(nèi)部的生產(chǎn)組織上充分考慮人的因素，采用靈活的小組工作方式和強調(diào)相互合作的并行工作方式。在物料管理方面，準時的物料后勤供應的零庫存的目標，使再制品大大減少，節(jié)約流動資金。在生產(chǎn)技術上，采用適度的自動化技術，明顯提高了生產(chǎn)效率。這一切，都使企業(yè)資源能夠得到合理的配置和充分的利用。LP的主要特征有：1）面向客戶 企業(yè)重視客戶的需求，與客戶保持密切的聯(lián)系，不僅向客戶提供服務，還要洞悉客戶的思想和要

13、求，以最快的速度和最適宜的價格向客戶提供優(yōu)質(zhì)的適銷新產(chǎn)品去占領市場。2）以人為本 企業(yè)重視職工的作用，強調(diào)一專多能，以企業(yè)各部門的專業(yè)人員組成面向項目產(chǎn)品的工作小組，賦于每個職工有一定的獨立自主權，充分發(fā)揮員工的積極性和創(chuàng)造性。3）以精簡為手段 要精簡一切生產(chǎn)中不創(chuàng)造價值的工作，減少管理層次，精簡組織機構，簡化開發(fā)過程和生產(chǎn)過程，減少非生產(chǎn)費用，強調(diào)一體化質(zhì)量保證。4）精益求精 企業(yè)要持續(xù)不斷地改進生產(chǎn)，降低成本，力求達到零廢品，零庫存和產(chǎn)品品種多樣化。2LP的關鍵技術實現(xiàn)LP的關鍵技術有成組技術(GT)、準時生產(chǎn)(JIT)、全面質(zhì)量管理(TQM)三大支柱技術和網(wǎng)絡環(huán)境支持下的并行工程技術。1

14、）成組技術(GT)應用GT技術可將原生產(chǎn)系統(tǒng)的老模式改變成流水型和單元型的新模式，可使企業(yè)工作簡化和有序。這是實現(xiàn)多品種、小批量、低成本、高柔性、按顧客定單組織生產(chǎn)的基礎。2）準時生產(chǎn)(JIT)JIT是實施LP的核心，它以市場需求為驅(qū)動，按質(zhì)、按量、按時提供市場需求的產(chǎn)品，是縮短生產(chǎn)周期，加快資金周轉(zhuǎn)和降低生產(chǎn)成本的主要方法。3）全面質(zhì)量管理(TQM)LP要求企業(yè)職工重視產(chǎn)品質(zhì)量，采用TQM是保證產(chǎn)品質(zhì)量，樹立企業(yè)形象和達到零缺陷的主要措施。4）計算機網(wǎng)絡及其網(wǎng)絡環(huán)境下的并行技術這是實現(xiàn)LP的基層支持技術。在先進制造系統(tǒng)中網(wǎng)絡技術(包括硬件、軟件技術)都是不可缺少的。并行技術在實施LP中，主要

15、反映在產(chǎn)品的設計中。四、敏捷制造(AM-Agile Manufacturing)1988年美國通用汽車公司和里海(lehigh)大學一起提出了敏捷制造的概念。1991年由里海大學的Dr.Roger和Dr.Rich Dove為首的百余名專家，向美國國會提交了題為21世紀制造企業(yè)戰(zhàn)略的報告，報告提出了通過實施敏捷制造戰(zhàn)略奪回美國在制造業(yè)的領先地位。1992年，美國成立了敏捷制造企業(yè)協(xié)會(AMEF)，該協(xié)會每年均要召開有關敏捷制造的國際會議。目前，美國在該領域處于領先地位，美國已有上百個公司，企業(yè)在進行敏捷制造的實踐。我國也有一些單位在研究敏捷制造技術。1993年我國863/CIMS主題專家組就開始

16、跟蹤研究敏捷制造技術，并結(jié)合我國制造企業(yè)的實際情況，布置了一系列的研究開發(fā)項目。1AM的概念敏捷制造是制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的一個新的概念，目前世界有不少國家在研究AM，但尚無公認的定義。美國敏捷制造的提出者認為：AM被定義為能在不可預測的持續(xù)變化的競爭環(huán)境中使企業(yè)繁榮和成長，并且具有面對由顧客需求的產(chǎn)品和服務驅(qū)動的市場作出迅速響應的能力。敏捷制造是作為替代大量生產(chǎn)的一種新型制造模式，是人們尋求的一種新的制造策略。敏捷制造的目標是建立一種對用戶需求作出靈敏快速反應的市場競爭力強的制造組織和活動。敏捷制造有豐富的內(nèi)涵：·AM的出發(fā)點是多樣化，個性化的市場需求和瞬息萬變的經(jīng)營機遇，是一種“訂單式

17、”的制造方式；·AM反映的是制造企業(yè)駕馭變化，把握機遇和發(fā)動創(chuàng)新的能力。·AM強調(diào)人的積極因素，強調(diào)有知識、精技能、善合作、能應變的高素質(zhì)的員工，充分弘揚人機系統(tǒng)中人的主觀能動性；·AM推行面向產(chǎn)品過程的小組工作方式，企業(yè)間有機驅(qū)動而形成的動態(tài)聯(lián)盟。敏捷制造的基本特征是智能和快捷。智能是指利用人的智力、知識、經(jīng)驗和技藝等內(nèi)在的能力，同時也利用人工智能技術?？旖菔侵笇︻櫩万?qū)動的市場的響應靈活而快捷。敏捷制造就是根據(jù)市場的變化，通過信息交換網(wǎng)絡將不同地域、不同企業(yè)的制造資源進行組合，以快捷的方式生產(chǎn)市場所需要的產(chǎn)品。2AM的關鍵技術在21世紀制造企業(yè)戰(zhàn)略中，所描述的2

18、006年美國敏捷制造企業(yè)模式中，含有20多項使能技術。其中最為重要的有：1）基礎技術-CIM技術。計算機集成制造(CIM)是敏捷制造的基礎技術，CIM技術是一種組織、管理與運行企業(yè)生產(chǎn)的技術，它利用計算機硬件、軟件，綜合運用現(xiàn)代管理技術，制造技術、信息技術、自動化技術、系統(tǒng)工程技術，將企業(yè)生產(chǎn)全過程中有關人、技術、經(jīng)營管理三要素及其信息流與物流有機地集成并優(yōu)化運行，以實現(xiàn)產(chǎn)品高質(zhì)、低耗、快速上市，從而使企業(yè)贏得市場競爭。2）環(huán)境技術網(wǎng)絡通訊技術。企業(yè)實施敏捷制造，必須逐步建立企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)和企業(yè)外部網(wǎng)。利用內(nèi)部網(wǎng)實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部工作組之間的交流和并行工作，利用外部網(wǎng)，實現(xiàn)資源共享，異地設計和異地制造，

19、及時地、最佳地建立動態(tài)聯(lián)盟。3）統(tǒng)一技術標準化技術。標準化技術是實現(xiàn)集成、網(wǎng)絡通訊的重要技術之一，首先要作企業(yè)內(nèi)部的產(chǎn)品設計、制造、管理的標準化、規(guī)范化，還要充分利用電子技術的有關國際標準，以便進入國際合作大環(huán)境，參加國際動態(tài)聯(lián)盟。4）虛擬技術建模和仿真技術。這一部分的關鍵技術在虛擬制造中已有詳述。5）協(xié)同技術并行工程技術。并行工程技術是對產(chǎn)品及相關過程(包括制造過程和支持過程)進行并行、一體化設計的系統(tǒng)化技術。其關鍵技術在并行工程中有詳述。五、綠色制造(GM-Green Manufacturing)由于全球經(jīng)濟以前所未有的高速度持續(xù)發(fā)展，給環(huán)境帶來了嚴重的污染，結(jié)果帶來了全球變暖、臭氧層破壞

20、，酸雨、空氣污染、水源污染、土地嚴重沙化等惡果。據(jù)統(tǒng)計，造成環(huán)境污染的排放物有70%以上來自制造業(yè)，它們每年約產(chǎn)生出55億噸無害廢物和7億噸有害廢物。這早就引起人們對環(huán)境治理的重視，但傳統(tǒng)的環(huán)境治理方法是末端治理，不能從根本上實現(xiàn)對環(huán)境的保護，必須從源頭上進行治理。對制造業(yè)來說，就是要考慮產(chǎn)品整個生命周期對環(huán)境的影響，最大限度地利用原材料、能源、減少有害廢物和固體、液體、氣體的排放物，改進操作安全，減輕對環(huán)境的污染。1996年美國制造工程師學會(SME)發(fā)表了關于綠色制造的藍皮書Green Manufacturing，提出了綠色制造的概念，并對其內(nèi)涵和作用等問題進行了較詳細的介紹。1綠色制造(

21、GM)的概念由于綠色制造提出的較晚，其要領和內(nèi)函尚處于探索階段，至今還沒有統(tǒng)一的定義。綜合當前的研究，綠色制造可定義為：綠色制造是一個綜合考慮環(huán)境影響資源效率的現(xiàn)代制造模式，其目標是使得產(chǎn)品從設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個產(chǎn)品生命周期中，對環(huán)境影響(負作用)最小，資源效率最高。綠色制造的理論基礎是社會生態(tài)學，它是人與構成環(huán)境的各種自然要素的組合及其形成的各種生態(tài)關系的組合。從制造業(yè)來看，綠色制造涉及三大領域即：制造領域(包括產(chǎn)品生產(chǎn)周期全過程)；環(huán)境領域；資源領域。綠色制造的內(nèi)容涉及到綠色設計及其相關的綠色材料，綠色工藝、綠色包裝，綠色處理等問題。從產(chǎn)品生命周期看，綠色制造涉及到

22、市場需求，產(chǎn)品設計和開發(fā)、資源供應、制造生產(chǎn)、包裝儲運、銷售服務、產(chǎn)品報廢處理等整個過程。由此可看出，綠色制造的目標是產(chǎn)品周期時間短(T)，產(chǎn)品質(zhì)量好(Q)，產(chǎn)品成本低（C），服務支持優(yōu)(S)，能最大限度地消除環(huán)境的負影響(E)。即TQCSE。提高制造業(yè)的競爭力。2綠色制造的關鍵技術綠色制造技術已成為世界各國關注的熱點，不少專家學者對其進行研究，我國也有一些科研單、，高等院校、企業(yè)對綠色制造技術進行了廣泛的研究和探索。目前研究的綠色制造的關鍵技術有：1）綠色制造的理論框架主要研究綠色制造模式的有關概念，適用范圍和系統(tǒng)框架，其目的是為實施綠色制造技術和研究提供總的指導。2）綠色產(chǎn)品生命周期設計技

23、術·綠色材料 使材料在制備、使用以及用后處理等生命周期的各階段，具有最大的資源利用率和最小的環(huán)境影響。·綠色工藝 對制造業(yè)，綠色工藝指清潔工藝，既提高經(jīng)濟效益，又減少環(huán)境影響的工藝。·綠色包裝 選擇包裝材料，改進產(chǎn)品結(jié)構，減少重量，包裝簡化，使產(chǎn)品包裝達到對環(huán)境影響最小。·綠色設計 綠色設計不僅包括產(chǎn)品設計，還包括產(chǎn)品制造過程和制造環(huán)境的設計。·綠色處理 面向環(huán)境的產(chǎn)品回收處理技術。3）綠色制造的評估標準和方法衡量綠色制造對環(huán)境的影響，首先要制定有關標準，如：·制造過程物料資源消耗評估標準；·制造過程能源消耗評估標準；

24、83;制造過程排放評估標準；·產(chǎn)品使用過程對環(huán)境污染評估標準；·產(chǎn)品壽命終結(jié)后對環(huán)境污染評估標準。各種評估標準制定后，就要研究評估方法問題，評估方法包括定性評估方法和定量的評估方法。4）綠色制造的集成技術綠色制造的集成技術包括：·綠色制造領域的集成：包括制造領域(產(chǎn)品生命周期全過程)，環(huán)境領域、資源領域的集成；·綠色制造問題的集成：包括綠色設計及相關的綠色材料、綠色工藝、綠色包裝、綠色處理的集成；·綠色制造效益的集成：包括綠色制造的社會效益和企業(yè)經(jīng)濟效益的集成；·綠色制造的過程集成：綠色制造覆蓋了產(chǎn)品生命周期的每一過程，它是以數(shù)據(jù)庫、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標準的產(chǎn)品生命周期的各過程的集成。六、智能制造(IM-Intelligent Manufactur