《機械CADCAM》課件第10章

第10章機械CAD/CAM

技術(shù)的發(fā)展10.1計算機集成制造系統(tǒng)10.2并行工程10.3敏捷制造10.4虛擬制造習(xí)題與思考題10.1計算機集成制造系統(tǒng)10.1.1CIMS的概念

1．CIMS的定義計算機集成制造(ComputerIntegratedManufacturing，CIM)的概念早在1974年由美國的約瑟夫·哈林頓(JosephHarrington)博士首先提出。哈林頓博士提出的CIM概念有兩個基本觀點：一是企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營活動是一個不可分割的整體、要統(tǒng)一考慮；二是整個生產(chǎn)過程實質(zhì)上是一個數(shù)據(jù)的采集、傳遞和加工處理的過程，最終形成的產(chǎn)品可以看做是數(shù)據(jù)的物質(zhì)表現(xiàn)。

CIM概念在最初提出時，并未引起廣泛關(guān)注，直到80年代以后，CIM才成為制造業(yè)的熱門話題。然而，盡管現(xiàn)代CIM的內(nèi)涵和實踐有了很大的發(fā)展，但哈林頓博士關(guān)于CIM的兩個基本觀點，仍然是CIM的核心思想。

CIM是企業(yè)組織、管理與運行的一種新哲理。它運用現(xiàn)代多種先進科學(xué)技術(shù)實現(xiàn)企業(yè)的信息流、物質(zhì)流及價值流(資金流)的集成和優(yōu)化運行，是企業(yè)贏得市場競爭的經(jīng)營戰(zhàn)略思想。

CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem)即計算機集成制造系統(tǒng)，是按CIM哲理建成的復(fù)雜的人機系統(tǒng)。它是在自動化技術(shù)、信息技術(shù)及制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過計算機及其軟件，將制造工廠全部生產(chǎn)活動所需的各種分散的自動化系統(tǒng)有機地集成起來，適合于多品種、中小批量生產(chǎn)的總體高效益、高柔性的智能制造系統(tǒng)。CIMS不是現(xiàn)有生產(chǎn)模式的計算機化和自動化，它是在新的生產(chǎn)組織原理和概念指導(dǎo)下形成的一種新型生產(chǎn)實體。

2．CIMS的特征在功能上，CIMS包含了整個工廠的全部生產(chǎn)經(jīng)營活動，即從市場需求分析、生產(chǎn)經(jīng)營決策、產(chǎn)品設(shè)計、加工制造、質(zhì)量管理、經(jīng)營銷售等一直到售后服務(wù)的全部活動，各部分的活動通過計算機以信息流的形式進行交互、集成和控制。

CIMS與傳統(tǒng)的自動化有所不同，其范圍及復(fù)雜程度要大得多。CIMS涉及的自動化不是工廠各個環(huán)節(jié)的自動化或計算機及其網(wǎng)絡(luò)(即“自動化孤島”)的簡單相加，而是它們的有機集成。這里的集成當(dāng)然也包括人的集成。

3．現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)(ContemporaryIntegratedManufacturingSystem，CIMS)是計算機集成制造系統(tǒng)新的發(fā)展階段，是在繼承計算機集成制造系統(tǒng)優(yōu)秀成果的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。如果說計算機集成制造系統(tǒng)的特征是集成，其使能技術(shù)主要是計算機技術(shù)，那么，現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的特征是集成和優(yōu)化，其使能技術(shù)是計算機技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)?，F(xiàn)代集成制造系統(tǒng)是將傳統(tǒng)的制造技術(shù)與現(xiàn)代信息技術(shù)、管理技術(shù)、自動化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)進行有機結(jié)合，通過計算機技術(shù)使企業(yè)產(chǎn)品在全生命周期中有關(guān)的組織、經(jīng)營、管理和技術(shù)有機集成和優(yōu)化運行，在企業(yè)產(chǎn)品全生命周期中實現(xiàn)信息化、智能化、集成優(yōu)化，達到產(chǎn)品上市快、服務(wù)好、質(zhì)量優(yōu)、成本低的目的，進而提高企業(yè)的柔性、健壯性和敏捷性，使企業(yè)在激烈的市場競爭中立于不敗之地。從集成的角度看，早期的計算機集成制造系統(tǒng)側(cè)重于信息集成，而現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的集成概念在廣度和深度上都有了極大的擴展，除了信息集成外，還實現(xiàn)了企業(yè)產(chǎn)品全生命周期中的各種業(yè)務(wù)過程的整體優(yōu)化，即過程集成，并發(fā)展到企業(yè)優(yōu)勢互補的企業(yè)之間的集成階段。10.1.2CIMS的基本構(gòu)成和體系結(jié)構(gòu)

1．CIMS的基本構(gòu)成從功能角度看，CIMS包含制造工廠的設(shè)計、制造及經(jīng)營管理三方面的功能，而這三者的集成需要有一個支撐環(huán)境，即分布式數(shù)據(jù)庫和計算機網(wǎng)絡(luò)，以及指導(dǎo)集成運行的系統(tǒng)技術(shù)。圖10.11993年CIMS輪式圖美國制造工程師學(xué)會(SME)提出：CIMS的功能體系結(jié)構(gòu)可用輪式圖表示，并于1985年提出這種SME輪式圖結(jié)構(gòu)的第一版本。1993年，SME推出了CIMS功能構(gòu)成的新版本，如圖10.1所示。該輪式圖由六層組成，分別為：(1)用戶；(2)人、技術(shù)和組織；(3)共享的知識和系統(tǒng)；(4)過程；(5)資源和職責(zé)；(6)制造基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。輪式圖將顧客作為輪式圖的核心，充分表明要贏得競爭的勝利(即要占領(lǐng)市場)，就必須滿足用戶不斷增長的需要。所以，滿足用戶的需求是成功實施CIMS的關(guān)鍵，即用戶是CIMS的核心。

2．CIMS的體系結(jié)構(gòu)在對傳統(tǒng)的制造管理系統(tǒng)功能需求進行深入分析的基礎(chǔ)上，美國提出了CIMS分級控制結(jié)構(gòu)，如圖10.2所示。它由工廠級、車間級、單元級、工作站級和設(shè)備級共五級組成。每一級又可進一步分解成子級或模塊，并由數(shù)據(jù)驅(qū)動，還可以擴展成樹狀結(jié)構(gòu)。圖10.2CIMS分級控制模型

1)工廠級控制系統(tǒng)工廠級控制系統(tǒng)是最高一級控制，進行生產(chǎn)管理，履行“廠部”職能。它的規(guī)劃時間范圍(指任何控制級完成任務(wù)的時間長度)可以是從幾個月到幾年的資源分配。這一級按主要功能又分為三個子系統(tǒng)：生產(chǎn)管理、信息管理和制造工程。

(1)生產(chǎn)管理。它跟蹤主要項目，制定長期生產(chǎn)計劃，明確生產(chǎn)資源需求，確定所需的追加投資，算出剩余生產(chǎn)能力，匯總質(zhì)量性能數(shù)據(jù)，根據(jù)生產(chǎn)計劃數(shù)據(jù)確定交給下一級的生產(chǎn)指令。

(2)信息管理。其功能是通過用戶-數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)必要的行政或經(jīng)營的管理，如成本估算、庫存統(tǒng)計、用戶訂單處理、采購、人事管理以及工資單處理等。

(3)制造工程。其功能一般都是通過用戶-數(shù)據(jù)接口，在人的干預(yù)下實現(xiàn)的。CAD是其中的一個子系統(tǒng)，用于設(shè)計幾何尺寸規(guī)格和提出部件、零件、刀具和夾具的材料表。另一個子系統(tǒng)是工藝過程設(shè)計子系統(tǒng)，用于編制每個零件從原材料到成品的全部工藝規(guī)程。

2)車間級控制系統(tǒng)這一級控制系統(tǒng)負責(zé)協(xié)調(diào)車間的生產(chǎn)和輔助性工作，以及完成上述工作的資源配置。其規(guī)劃時間范圍從幾周到幾個月。它設(shè)有兩個主要模塊：任務(wù)管理模塊和資源分配模塊。

(1)任務(wù)管理模塊：負責(zé)安排生產(chǎn)能力計劃，對訂單進行分批處理，啟用和撤銷“虛擬”單元，把任務(wù)及資源分配給各單元，跟蹤訂單直到完成，跟蹤設(shè)備利用情況，安排所有切削刀具、夾具、機器人、機床及物料運輸設(shè)備的預(yù)防性維修，以及其他輔助性工作。

(2)資源分配模塊：負責(zé)分配單元級進行各項目具體加工時所需的工作站、儲存區(qū)、托盤、刀具及材料等。它還根據(jù)“按需”原則，把一些工作站分配給特定的“虛擬”單元，動態(tài)地改變AMRF的組織結(jié)構(gòu)。

3)單元級控制系統(tǒng)這一級負責(zé)相似零件分批通過工作站的順序和管理物料儲運、檢驗及其他有關(guān)輔助工作。它的規(guī)劃時間范圍可以從幾小時到幾周。具體的工作內(nèi)容是完成任務(wù)分解、資源需求分析，向車間級報告作業(yè)進展和系統(tǒng)狀態(tài)，決定分批零件的動態(tài)加工路線，安排工作站的工序，給工作站分配任務(wù)以及監(jiān)控任務(wù)的進展情況。

4)工作站級控制系統(tǒng)這一級控制系統(tǒng)負責(zé)指揮和協(xié)調(diào)車間中一個設(shè)備小組的活動。它的規(guī)劃時間范圍可以從幾分鐘到幾小時。

5)設(shè)備級控制系統(tǒng)該控制系統(tǒng)是機器人、機床、測量儀、小車、傳送裝置等各種設(shè)備的控制器。采用這種控制是為了加工過程中的改善修正、質(zhì)量檢測等方面的自動計量和自動在線檢測、監(jiān)控。這一級控制系統(tǒng)向上與工作站控制系統(tǒng)接口連接，向下與廠家供應(yīng)的設(shè)備控制器連接。

3．CIMS的主要功能模塊從技術(shù)的角度而言，CIMS的組成一般可分成四個應(yīng)用系統(tǒng)和兩個支撐系統(tǒng)。這四個應(yīng)用系統(tǒng)分別是工程設(shè)計系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)、制造自動化系統(tǒng)和質(zhì)量保證系統(tǒng)；兩個支撐系統(tǒng)是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，圖10.3表示了上述六個分系統(tǒng)之間的邏輯關(guān)系。圖10.3CIMS的功能和支撐系統(tǒng)之間的邏輯關(guān)系

(1)管理信息系統(tǒng)(MIS)：以MRPⅡ為核心，包括預(yù)測、經(jīng)營決策、各級生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)技術(shù)準備、銷售、供應(yīng)、財務(wù)、成本、設(shè)備、工具、人力資源等管理信息功能。該系統(tǒng)通過信息的集成，達到縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低流動資金占用，提高企業(yè)應(yīng)變能力的目的。

(2)工程設(shè)計系統(tǒng)(CAD/CAPP/CAM/CAE)：用計算機來輔助產(chǎn)品設(shè)計、工藝、制造及性能測試等工作，目的是使產(chǎn)品開發(fā)活動更高效、更優(yōu)質(zhì)、更自動化地進行。

(3)制造自動化系統(tǒng)(MAS)：由數(shù)控機床、加工中心、清洗機、測量機、運輸小車、立體倉庫、機器人以及多級分布式控制(管理)計算機等設(shè)備及相應(yīng)的支持軟件組成。該系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)品的工程技術(shù)信息、車間層的加工指令，完成對零件毛坯加工的作業(yè)調(diào)度及制造，使產(chǎn)品制造活動優(yōu)化，具有周期短、成本低、柔性高的特點。

(4)質(zhì)量保證系統(tǒng)(CAQ)：包括質(zhì)量決策，質(zhì)量檢測與數(shù)據(jù)采集，質(zhì)量評價、控制與跟蹤等功能。CAQ系統(tǒng)伴隨從產(chǎn)品設(shè)計、制造、檢驗到售后服務(wù)的整個過程，以實現(xiàn)產(chǎn)品的高質(zhì)量、低成本，達到提高企業(yè)競爭力的目的。

(5)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(DBMS)：支持CIMS各個分系統(tǒng)，是覆蓋企業(yè)全部信息的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。它在邏輯上是統(tǒng)一的，在物理上可以是分布的全局數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，以實現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)的共享和信息集成。

(6)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(NetworkSystem)：是支持CIMS各分系統(tǒng)的開放型網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，采用國際標準和工業(yè)標準規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以實現(xiàn)異種機互聯(lián)。它以分布為手段，滿足各應(yīng)用分系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)支持服務(wù)的不同需求，支持資源共享、分布處理、分布數(shù)據(jù)庫、分層遞階和實時控制。10.1.3CIMS的關(guān)鍵技術(shù)

CIMS的關(guān)鍵技術(shù)包括：信息集成、過程集成、管理集成和企業(yè)集成。

1．信息集成針對設(shè)計、管理和加工制造中大量存在的自動化孤島，實現(xiàn)信息正確、高效的共享和交換，是改善企業(yè)技術(shù)和管理水平必須首先解決的問題。信息集成的主要內(nèi)容有：

(1)企業(yè)建模和系統(tǒng)設(shè)計方法。沒有企業(yè)模型就很難科學(xué)地分析和綜合企業(yè)各部分的功能關(guān)系、信息關(guān)系以至動態(tài)關(guān)系。企業(yè)建模及設(shè)計方法解決了一個制造企業(yè)的物流、信息流、價值流(如資金流)、決策流的關(guān)系，這是企業(yè)信息集成的基礎(chǔ)。

(2)異構(gòu)環(huán)境下的信息集成。所謂異構(gòu)，是指系統(tǒng)中包含了不同的操作系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫及應(yīng)用軟件。如果各個部分的信息不能自動地交換，則很難保證信息傳送和交換的效率與質(zhì)量。異構(gòu)信息集成主要解決三個問題：不同通信協(xié)議的共存及向ISO/OR的過渡；不同數(shù)據(jù)庫的相互訪問；不同商用應(yīng)用軟件之間的接口。

2．過程集成企業(yè)為了提高T(Time)、Q(Quality)、C(Cost)、S(Serve)方面的水平，除了信息集成這一技術(shù)手段之外，還可以對過程進行重構(gòu)(processreengineering)。要將產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計中的各個串行過程盡可能多地轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿羞^程，在設(shè)計時應(yīng)考慮到下游工作中的可制造性、可裝配性，并在設(shè)計時考慮質(zhì)量(質(zhì)量功能分配)，這樣可以減少開發(fā)過程的反復(fù)現(xiàn)象，從而縮短開發(fā)時間。

3．管理集成企業(yè)中的各種管理信息系統(tǒng)日趨完善，如：企業(yè)資源計劃(EnterpriseResourcePlanning，ERP)以實現(xiàn)企業(yè)產(chǎn)、供、銷、人、財、物的管理為目標；供應(yīng)鏈管理(SupplyChainManagement，SCM)以實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部與上游企業(yè)之間的物流管理；客戶關(guān)系管理(CustomerRelationshipManagement，CRM)則可幫助企業(yè)建立、挖掘和改善與客戶之間的關(guān)系。以實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計、工藝和制造過程為主要任務(wù)的CAD/CAM與它們之間的集成可以將企業(yè)的業(yè)務(wù)流程緊密地連接起來，對產(chǎn)品開發(fā)的所有環(huán)節(jié)(如訂單、采購、庫存、計劃、制造、質(zhì)量控制、運輸、銷售、服務(wù)、維護、財務(wù)、成本和人力資源等)進行高效、有序的管理，做到由內(nèi)而外地整合企業(yè)的管理，建立從企業(yè)的供應(yīng)決策到企業(yè)內(nèi)部技術(shù)、工藝、制造和管理部門，再到用戶之間的信息集成，從而實現(xiàn)企業(yè)與外界的信息流、物流和資金流的順暢傳遞，有效地提高企業(yè)的市場反應(yīng)速度和產(chǎn)品開發(fā)速度，確保企業(yè)在競爭中取得優(yōu)勢。

4．企業(yè)集成為充分利用全球制造資源，把企業(yè)調(diào)整成具有適應(yīng)全球經(jīng)濟、全球制造的新模式，CIMS必須解決資源共享、信息服務(wù)、虛擬制造、并行工程、資源優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)平臺等關(guān)鍵技術(shù)，以更快、更好、更經(jīng)濟地響應(yīng)市場。10.2并行工程10.2.1并行工程的概念產(chǎn)品的開發(fā)過程是指從產(chǎn)品需求分析到產(chǎn)品最終定型的全過程，包括產(chǎn)品的設(shè)計、測試、制造和裝配過程。傳統(tǒng)的產(chǎn)品的開發(fā)方式是一種串行的過程，各階段的工作是按順序方式進行的，即一種“拋過墻”的產(chǎn)品開發(fā)過程，如圖10.4所示。這種開發(fā)方法在設(shè)計的早期不能全面地考慮其下游的可制造性、可裝配性和質(zhì)量可靠性等多種因素，設(shè)計錯誤往往要在設(shè)計后期，甚至在制造階段才被發(fā)現(xiàn)，形成了設(shè)計—制造—修改設(shè)計—重新制造的大循環(huán)，導(dǎo)致產(chǎn)品開發(fā)周期較長，開發(fā)成本過高，質(zhì)量無法保證等問題。圖10.4傳統(tǒng)的產(chǎn)品串行開發(fā)方式為了克服串行開發(fā)方式的固有缺點，人們提出了并行工程的概念。應(yīng)用并行工程對產(chǎn)品的開發(fā)采用并行模式，該模式力圖使開發(fā)者從一開始就考慮到整個產(chǎn)品的生命周期，將下游環(huán)節(jié)的可靠性、技術(shù)、生產(chǎn)條件等作為設(shè)計環(huán)節(jié)的約束條件加以考慮，開發(fā)過程的各階段工作交叉進行，及早發(fā)現(xiàn)與其相關(guān)過程不相匹配的地方，及時評估、決策，以達到縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高質(zhì)量、降低成本的目的。其過程如圖10.5所示。由圖可看出，并行開發(fā)過程與串行開發(fā)過程之間存在著明顯區(qū)別。兩者在產(chǎn)品創(chuàng)新、質(zhì)量、生產(chǎn)成本和柔性方面的比較如表10.1所示。圖10.5產(chǎn)品的并行開發(fā)模式表10.1串行工程和并行工程的比較競爭優(yōu)勢并行工程串行工程產(chǎn)品質(zhì)量在生產(chǎn)前已考慮到產(chǎn)品的制造問題，容易獲得滿意的質(zhì)量設(shè)計和制造之間溝通不足，致使產(chǎn)品質(zhì)量無法達到最優(yōu)化生產(chǎn)成本產(chǎn)品的制造更為容易，生產(chǎn)成本降低新產(chǎn)品開發(fā)成本較低，制造成本可能較高生產(chǎn)柔性適于小批量、多品種生產(chǎn)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品適于大批量、少品種、技術(shù)含量較低的產(chǎn)品產(chǎn)品創(chuàng)新較快地推出新產(chǎn)品，能從產(chǎn)品開發(fā)中學(xué)習(xí)到及時修正的方法及創(chuàng)新意識，新產(chǎn)品投放市場快，競爭能力強不易獲得最新技術(shù)以及市場需求變化趨勢，不利于產(chǎn)品創(chuàng)新美國國防分析研究所在1988年給出的并行工程的定義是：“并行工程(ConcurrentEngineering，CE)是一種系統(tǒng)的集成方法，它采用并行方法處理產(chǎn)品設(shè)計及其相關(guān)過程，包括制造過程和支持過程。這種方法可以使產(chǎn)品開發(fā)人員從一開始就能考慮到產(chǎn)品從概念設(shè)計到消亡的整個生命周期里的所有因素，包括質(zhì)量、成本、作業(yè)調(diào)度及用戶需求等?！庇纱丝梢姡⑿泄こ淌且环N以加速產(chǎn)品開發(fā)過程為目的，集成和并行地設(shè)計產(chǎn)品及其相關(guān)的各種過程(包括制造過程和支持過程)的系統(tǒng)方法。它以信息的集成為基礎(chǔ)，通過組織多學(xué)科的產(chǎn)品開發(fā)小組，利用各種計算機輔助手段，實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)過程的集成。從根本上講，CE是一種制造哲理，這種哲理把人們對制造系統(tǒng)的集成從信息上升到過程。同時，CE也是一種企業(yè)制造戰(zhàn)略，這種戰(zhàn)略把CAD/CAM/CAE的集成化和面向工程的設(shè)計結(jié)合起來。近幾年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)和電子商務(wù)技術(shù)的發(fā)展，CE向著更高的層次發(fā)展，即協(xié)同工程(CollaborativeEngineering，CE)，協(xié)同工程又被稱做新一代并行工程。協(xié)同工程是在產(chǎn)品開發(fā)過程中通過并行開發(fā)產(chǎn)品及其相關(guān)過程，反映消費者期望，控制產(chǎn)品生命周期、成本、產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)品推向市場的時間的一種系統(tǒng)方法，并且利用信息技術(shù)(IT)支持其信息交換。10.2.2并行工程的特點

1．并行性并行工程克服了產(chǎn)品串行開發(fā)方式的固有弊病，把時間上有先有后的知識處理和作業(yè)實施變?yōu)橥瑫r考慮和盡可能同時處理或并行處理，可使開發(fā)產(chǎn)品的周期大大短于傳統(tǒng)的串行工程，而且在并行方式中信息流是雙向的，而不是串行方式中那樣的單向的信息流。

2．整體性并行工程把產(chǎn)品開發(fā)過程看成是一個有機整體。實際上，在空間中似乎是相互獨立的各項作業(yè)和知識處理單元之間都存在著不可分割的內(nèi)在聯(lián)系，特別是有豐富的雙向信息聯(lián)系。所以，并行工程強調(diào)從全局考慮問題，產(chǎn)品開發(fā)者從一開始就考慮到產(chǎn)品整個生命周期中的所有因素。

3．協(xié)同性并行工程特別強調(diào)人們的群體協(xié)同工作。這是因為，現(xiàn)代產(chǎn)品的特性已越來越復(fù)雜，產(chǎn)品開發(fā)過程涉及的學(xué)科門類和專業(yè)人員也越來越多，如何取得產(chǎn)品開發(fā)過程的整體最優(yōu)是并行工程追求的目標，其中關(guān)鍵是如何很好地發(fā)揮人們的群體作用。

(1)強調(diào)有效的組織模式。擁有一個有較強的管理才能、組織才能，熟悉產(chǎn)品開發(fā)過程的多學(xué)科知識，懂得系統(tǒng)工程的理論和方法的項目負責(zé)人，由具備合理的人才結(jié)構(gòu)的各部門人員組成小組協(xié)同工作。

(2)強調(diào)一體化。并行地進行產(chǎn)品及有關(guān)過程的設(shè)計，尤其要注意早期概念設(shè)計階段的并行協(xié)調(diào)。

(3)強調(diào)協(xié)同效率，消除串行模式中各部門之間的壁壘，使各部門能協(xié)調(diào)一致地工作，提高整體效益。

4．集成性并行工程是一種系統(tǒng)的集成方法。其集成特性主要包括：

(1)人員集成：設(shè)計者、制造者、管理者、后勤保障人員(負責(zé)質(zhì)量、銷售、采購、服務(wù)等人員)以及用戶應(yīng)集成為一整體。

(2)信息集成：產(chǎn)品全生命周期中各類信息的獲取、表示、存儲和操作工具都集成在一起，并組成統(tǒng)一的信息管理系統(tǒng)、產(chǎn)品信息模型和產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型。

(3)功能集成：企業(yè)內(nèi)部各部門間的功能集成以及產(chǎn)品主開發(fā)企業(yè)與外部協(xié)作企業(yè)間的功能集成。

(4)技術(shù)集成：產(chǎn)品開發(fā)全過程中涉及的多學(xué)科知識以及各種技術(shù)、方法的集成，形成集成的知識庫和方法庫。0.2.3并行工程的關(guān)鍵技術(shù)

1．產(chǎn)品開發(fā)過程重組并行工程與傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的本質(zhì)區(qū)別在于，它把產(chǎn)品開發(fā)的各種活動作為一個集成的、并行的開發(fā)過程，該過程中強調(diào)下游過程在產(chǎn)品開發(fā)的早期參與設(shè)計過程；從全局優(yōu)化的角度出發(fā)，對產(chǎn)品的開發(fā)過程進行管理和控制，進行產(chǎn)品開發(fā)過程建模、仿真和優(yōu)化，不斷地改善產(chǎn)品開發(fā)過程，減少不必要的重復(fù)設(shè)計環(huán)節(jié)，使產(chǎn)品開發(fā)過程更合理、更有效。

2．并行工程協(xié)同工作環(huán)境在并行產(chǎn)品開發(fā)模式下，產(chǎn)品的開發(fā)是由分布在異地的采用一種計算機軟件工作的多學(xué)科小組之間完成的。多學(xué)科小組之間及小組內(nèi)部各組成人員之間存在著大量的相互依賴關(guān)系，并行工程協(xié)同環(huán)境應(yīng)能支持集成產(chǎn)品開發(fā)團隊(IntegratedProductTeam，IPT)的異地協(xié)同工作。協(xié)調(diào)系統(tǒng)用于各類設(shè)計人員協(xié)調(diào)和修改設(shè)計、傳遞設(shè)計信息，便于做出有效的群體決策，解決相應(yīng)的矛盾。計算機支持的協(xié)同工作是并行工程最重要的一種實施方式，也是并行工程發(fā)展的必然途徑與趨勢。

3．?dāng)?shù)字化產(chǎn)品建模與CAX/DFX使能工具基于一定的數(shù)據(jù)標準，建立產(chǎn)品全生命周期的數(shù)字化產(chǎn)品模型，特別是基于STEP標準的特征模型，是高效快速實現(xiàn)不同設(shè)計工具之間信息交換的基礎(chǔ)，也是完成計算機模擬仿真的基礎(chǔ)。產(chǎn)品設(shè)計的主模型是產(chǎn)品開發(fā)過程中唯一的數(shù)據(jù)源，用于定義覆蓋產(chǎn)品開發(fā)各個環(huán)節(jié)的信息模型。數(shù)字化定義工具是指廣義的計算機輔助工具集，最典型的有CAD、CAE、CAPP、CAM、CAFD(計算機輔助工裝系統(tǒng)設(shè)計)等。面向工程的設(shè)計(DFX)是支持設(shè)計的工具總稱，它的概念覆蓋了產(chǎn)品設(shè)計、制造、使用、報廢回收的整個生命周期，使產(chǎn)品在設(shè)計階段就能考慮到生產(chǎn)制造階段的問題。面向工程的設(shè)計方法提倡在設(shè)計中考慮后續(xù)階段的問題，即通過各方信息的綜合，使其設(shè)計能反映正確的過程，而不是反復(fù)地、大循環(huán)地修改直到形成正確的過程。目前，面向工程的設(shè)計有面向裝配的設(shè)計(DFM)、面向質(zhì)量的設(shè)計(DFQ)、面向可靠性的設(shè)計(DFR)和面向拆卸的設(shè)計(DFD)等，它們廣泛應(yīng)用于并行工程產(chǎn)品開發(fā)的各個環(huán)節(jié)，被稱為并行工程的使能工具。10.3敏捷制造10.3.1敏捷制造的概念

1．敏捷制造提出的背景

20世紀80年代以來，市場變化越來越快，競爭也日益激烈，企業(yè)的生存與發(fā)展更多地取決于其響應(yīng)市場需求的敏捷能力。20世紀80年代，原西德和日本已經(jīng)可以生產(chǎn)出高質(zhì)量的工業(yè)品和高檔的消費品而與美國的產(chǎn)品競爭，并源源不斷地推向美國市場，面對日本強大的競爭優(yōu)勢，美國和西歐都在總結(jié)經(jīng)營不利的教訓(xùn)，調(diào)整各自的技術(shù)路線。隨著美國產(chǎn)品在世界市場中所占份額不斷下降，美國人已清楚地認識到制造業(yè)是一個國家國民經(jīng)濟的支柱，為了使美國保持領(lǐng)先地位，重振其制造能力，美國國防部根據(jù)國會指令，委托美國里海大學(xué)(LehighUniversity)的亞科卡(Ioacoca)研究所，于1991年在研究和總結(jié)美國制造業(yè)的現(xiàn)狀和潛力后，發(fā)表了具有劃時代意義的《21世紀制造企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略》報告，其中提出一種新的制造模式——敏捷制造(AgileManufacturing，AM)。敏捷制造一問世就得到美國政府、工業(yè)界以及學(xué)術(shù)界的重視和支持，美國國防部高級研究計劃局(DARPA)和美國自然科學(xué)基金(NSF)先后資助了多項與敏捷制造相關(guān)的研究，并建立了敏捷制造協(xié)會(AgilityForum)。這一新的制造哲理在全世界產(chǎn)生了巨大的反響，并取得了引人注目的實際效果。

2．敏捷制造的概念敏捷制造的基本定義為：以先進的柔性生產(chǎn)技術(shù)和動態(tài)組織結(jié)構(gòu)為特點，以高素質(zhì)協(xié)同良好的工作人員為核心，實行企業(yè)間的網(wǎng)絡(luò)集成，形成快速響應(yīng)市場的社會化制造體系。敏捷制造的基本思想是通過把動態(tài)靈活的虛擬組織結(jié)構(gòu)、先進的柔性生產(chǎn)技術(shù)和高素質(zhì)的人員進行全方位的集成，從而使企業(yè)能夠從容應(yīng)付快速變化和不可預(yù)測的市場需求。敏捷制造是一種提高企業(yè)競爭能力的全新制造組織模式，于概念上在下列方面具有重要的突破：

(1)全新的企業(yè)概念。將制造系統(tǒng)空間擴展到全國乃至全世界，通過企業(yè)網(wǎng)絡(luò)建立信息交流高速公路，建立虛擬企業(yè)，以競爭能力和信譽為依據(jù)選擇合作伙伴，組成動態(tài)公司。它不同于傳統(tǒng)觀念上的有圍墻的有形空間構(gòu)成的實體空間。虛擬企業(yè)從策略上講不強調(diào)企業(yè)全能，也不強調(diào)一個產(chǎn)品從頭到尾都由自己開發(fā)、制造。

(2)全新的組織管理概念。簡化過程，不斷改進過程，提倡以人為中心，用分散決策代替集中控制，用協(xié)商機制代替遞階控制機制，提高經(jīng)營管理目標，精益求精，盡善盡美地滿足用戶的特殊需要。敏捷企業(yè)強調(diào)技術(shù)和管理的結(jié)合，在先進柔性制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過企業(yè)內(nèi)部的多功能項目組與企業(yè)外部的多功能項目組——虛擬公司，把全球范圍內(nèi)的各種資源集成在一起，實現(xiàn)技術(shù)、管理和人的集成。敏捷企業(yè)的基層組織是多學(xué)科群體，是以任務(wù)為中心的一種動態(tài)組合。

(3)全新的產(chǎn)品概念。敏捷制造的產(chǎn)品進入市場以后，可以根據(jù)用戶的需要進行改變，得到新的功能和性能，即使用柔性的、模塊化的產(chǎn)品設(shè)計方法，依靠極其豐富的通信資源和軟件資源，進行性能和制造過程仿真。敏捷制造的產(chǎn)品保證其在整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)都能讓用戶滿意，企業(yè)的這種質(zhì)量跟蹤將持續(xù)到產(chǎn)品報廢為止，甚至包括產(chǎn)品的更新?lián)Q代。

(4)全新的生產(chǎn)概念。產(chǎn)品成本與批量無關(guān)，從產(chǎn)品看是單件生產(chǎn)，而從具體的實際和制造部門看，卻是大批量生產(chǎn)。高度柔性的、模塊化的、可伸縮的制造系統(tǒng)的規(guī)模是有限的，但在同一系統(tǒng)內(nèi)可生產(chǎn)出產(chǎn)品的品種卻是無限的。

3．敏捷制造的實現(xiàn)技術(shù)為了推進敏捷制造的實施，1994年由美國能源部制定了一個實施敏捷制造技術(shù)(TechnologiesEnablingAgileManufacturing，TEAM)的5年計劃(1994—1999年)，該項目涉及聯(lián)邦政府機構(gòu)、著名公司、研究機構(gòu)和大學(xué)等100多個單位。從敏捷制造哲理到敏捷制造實踐依賴于相應(yīng)的實現(xiàn)技術(shù)，如圖10.6所示。圖10.6敏捷制造實現(xiàn)技術(shù)敏捷制造實現(xiàn)技術(shù)包括敏捷制造方法論、敏捷制造基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以及敏捷制造使能技術(shù)三部分。其中，敏捷制造方法論是由在敏捷制造哲理指導(dǎo)下的敏捷制造模式與敏捷制造實施方法構(gòu)成的，而敏捷制造實施方法則是在敏捷制造模式的指導(dǎo)下，采用敏捷制造基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與依附到該基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中的敏捷制造使能技術(shù)來具體操作的。10.3.2動態(tài)聯(lián)盟敏捷制造是一種新的制造哲理。敏捷制造并不意味著需要以高額的投資為前提，也不需要拋棄所有過去的生產(chǎn)過程和結(jié)構(gòu)，而是強調(diào)如何利用舊的、可靠的生產(chǎn)過程和生產(chǎn)要素來構(gòu)成新系統(tǒng)，生產(chǎn)出更多的新產(chǎn)品。動態(tài)聯(lián)盟就是利用已有的社會技術(shù)基礎(chǔ)，通過重組來實現(xiàn)敏捷制造的有效方式。動態(tài)聯(lián)盟是敏捷制造的基本組織形態(tài)，其含義是指企業(yè)群體為了贏得某一機遇性市場競爭，圍繞某種新產(chǎn)品開發(fā)，通過選用不同組織/企業(yè)的優(yōu)勢資源，綜合成單一的靠網(wǎng)絡(luò)通信聯(lián)系的階段性經(jīng)營實體。動態(tài)聯(lián)盟具有集成性和時效性兩大特點。它實質(zhì)上是不同組織/企業(yè)間的動態(tài)集成，隨市場機遇的存亡而聚散。在具體的表現(xiàn)上，結(jié)盟可以是同一大公司的不同組織部門，也可以是不同國家的不同公司。動態(tài)聯(lián)盟的思想基礎(chǔ)是雙贏(Win-Win)，聯(lián)盟中的各個組織/企業(yè)互補結(jié)盟，以整體的優(yōu)勢來應(yīng)付多變的市場，從而共同獲利。動態(tài)聯(lián)盟的建立基礎(chǔ)和運作特點不同于現(xiàn)有的大公司集團，前者是面向機遇的臨時結(jié)盟，是針對產(chǎn)品過程的部分有效資源的互補綜合，后者則一般是各企業(yè)所有資源的永久簡單疊加。動態(tài)聯(lián)盟需要相應(yīng)的技術(shù)支撐。美國人在題為《21世紀制造企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略》的描述美國敏捷制造企業(yè)模式的報告中提出了20個技術(shù)使能子系統(tǒng)。一般認為，現(xiàn)有企業(yè)在向敏捷化轉(zhuǎn)變過程中，應(yīng)著重解決以下技術(shù)問題：

(1)計算機集成制造(CIM)技術(shù)。CIM技術(shù)是一種組織、管理與運行企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)。它借助于計算機硬、軟件，綜合應(yīng)用現(xiàn)代管理技術(shù)、制造技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)等，將企業(yè)生產(chǎn)全過程中有關(guān)人、技術(shù)、經(jīng)營管理三要素及信息流、物料流有機集成并優(yōu)化運行。它為實現(xiàn)敏捷制造的集成環(huán)境打下堅實的基礎(chǔ)，是敏捷制造的基礎(chǔ)技術(shù)。

(2)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。要實現(xiàn)敏捷制造，企業(yè)需要具有通信連通性，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是必備的。利用企業(yè)網(wǎng)可實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部工作小組之間的交流和并行工作，而利用全國網(wǎng)、全球網(wǎng)共享資源可實現(xiàn)異地設(shè)計和異地制造，且及時、有效地建立動態(tài)聯(lián)盟。

(3)標準化技術(shù)。以網(wǎng)絡(luò)和集成為基礎(chǔ)的制造離不開信息的交流，交流的前提是有統(tǒng)一的交流規(guī)則，這就是標準化的工作。要建立、完善和貫徹產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標準STEP、電子數(shù)據(jù)交換標準EDI以及超文本數(shù)據(jù)交換標準SGML等一系列統(tǒng)一的信息交換標準。

(4)虛擬技術(shù)。敏捷制造通過動態(tài)聯(lián)盟和虛擬制造來實現(xiàn)，因而對產(chǎn)品經(jīng)營過程進行建模和仿真，采用虛擬技術(shù)進行產(chǎn)品設(shè)計與制造是十分必要的。要對產(chǎn)品生命周期中的各項原型和步驟進行模擬和仿真，實現(xiàn)虛擬制造。

(5)協(xié)同技術(shù)。通過組成多學(xué)科的產(chǎn)品開發(fā)小組協(xié)同工作，利用各種計算機輔助工具，可使產(chǎn)品開發(fā)的各階段既有一定的順序又能并行，而在產(chǎn)品開發(fā)的早期又能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計和制造中的問題。

(6)過程技術(shù)。動態(tài)聯(lián)盟是面向具體產(chǎn)品而動態(tài)創(chuàng)建的虛擬公司，其組織結(jié)構(gòu)具有臨時性和動態(tài)性，加上其產(chǎn)品研制過程的創(chuàng)新性和協(xié)同特性，使得動態(tài)聯(lián)盟的管理應(yīng)采用基于項目的管理方式進行。因此，它能有效支持企業(yè)業(yè)務(wù)重組、業(yè)務(wù)過程集成、項目管理和群組協(xié)同的過程管理，對實施動態(tài)聯(lián)盟具有重要的支持作用。此外，企業(yè)資源管理計劃系統(tǒng)(ERP)、人工智能、決策支持系統(tǒng)、集成平臺技術(shù)等也是支持敏捷制造和動態(tài)聯(lián)盟的重要技術(shù)。10.3.3動態(tài)聯(lián)盟的遠程協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)動態(tài)聯(lián)盟的遠程協(xié)同設(shè)計是指通過計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組織和管理各種異地的設(shè)計資源(設(shè)計知識、設(shè)計工具、設(shè)計人員)，對其進行優(yōu)化配置，最終形成一種支持產(chǎn)品快速設(shè)計的工程設(shè)計方法。

1．設(shè)計系統(tǒng)構(gòu)成遠程異地協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)的實現(xiàn)要依靠基于Internet的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。由于Internet的發(fā)展，它為網(wǎng)絡(luò)用戶提供了標準的網(wǎng)絡(luò)底層協(xié)議和功能眾多的服務(wù)，這些服務(wù)能夠滿足網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享和通信的要求。遠程協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖10.7所示。圖中只列出了一個客戶端和一個服務(wù)器端，實際運行時客戶端的數(shù)量是不受限制的，服務(wù)器端可由多個企業(yè)或單位結(jié)成聯(lián)盟。圖10.7遠程協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)該系統(tǒng)采用Browser/Server結(jié)構(gòu)，以Internet的Web服務(wù)器為中心。在服務(wù)器端基于Web服務(wù)器開發(fā)出為設(shè)計組織者和設(shè)計者提供各種服務(wù)功能的服務(wù)程序，這些服務(wù)程序由超文本標記語言(HTML)編寫，通過使用活動服務(wù)器頁(ASP)或其他Web服務(wù)擴展方法來實現(xiàn)各項網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用功能。對數(shù)據(jù)庫的訪問可采用ODBC或JDBC技術(shù)。通過Internet還可提供E-mail、FTP等多項服務(wù)。在客戶端，協(xié)作者通過瀏覽器與服務(wù)器連接，使用服務(wù)器提供的各項功能，訪問數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)各種形式的信息交流。

2．設(shè)計系統(tǒng)的功能模塊根據(jù)功能作用的不同，可以將遠程協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)劃分為系統(tǒng)管理模塊、設(shè)計組織模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、流程管理模塊和權(quán)限管理模塊，如圖10.8所示。圖10.8遠程協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計組織模塊的主要功能是完成遠程協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)的組織工作。主要功能包括：①在設(shè)計組織者完成任務(wù)分解后進行任務(wù)的發(fā)布，讓其他的設(shè)計者通過瀏覽任務(wù)發(fā)布頁面來得到協(xié)作設(shè)計信息；②將任務(wù)以網(wǎng)頁的方式提供給設(shè)計者，由設(shè)計者進行設(shè)計申請，同時建立協(xié)作關(guān)系；③在設(shè)計的整個過程中維護協(xié)作關(guān)系。通信模塊的主要功能是在設(shè)計者和設(shè)計組織者之間建立通信聯(lián)系，包括建立通信地址表，建立電子郵件聯(lián)系、多媒體聯(lián)系以及維持系統(tǒng)負載平衡等。數(shù)據(jù)管理模塊的主要功能是文檔的傳輸和管理。文檔傳輸可采用FTP的方式。在數(shù)據(jù)文檔中可設(shè)置專門的數(shù)據(jù)位標識文檔的設(shè)計狀態(tài)(未設(shè)計、未審核、已審核)?？蛻粼赪eb瀏覽器中可使用各種方式來查看文檔數(shù)據(jù)(三維圖形采用三維圖形瀏覽器觀察，其他數(shù)據(jù)采用表格進行觀察)。流程管理模塊的功能是管理設(shè)計流程。主要功能包括：①在設(shè)計的初始階段制定設(shè)計流程，分發(fā)給各設(shè)計者；②在設(shè)計中根據(jù)設(shè)計者的反饋來修改設(shè)計流程，并將其通知各設(shè)計者；③當(dāng)設(shè)計者之間發(fā)生設(shè)計沖突時，建立沖突解決協(xié)商機制，解決設(shè)計沖突。權(quán)限管理模塊的主要功能是對設(shè)計者和設(shè)計組織者進行權(quán)限的設(shè)置，并將權(quán)限設(shè)置信息保存在權(quán)限設(shè)置表中。另外，還用它來建立身份認證制度，通過Web提供的身份認證機制查詢權(quán)限設(shè)置信息，給不同的客戶以不同的訪問權(quán)限。

3．協(xié)同設(shè)計與開發(fā)相關(guān)企業(yè)可以通過網(wǎng)絡(luò)組建動態(tài)聯(lián)盟，進行遠程協(xié)同設(shè)計、開發(fā)。利用動態(tài)聯(lián)盟提供的服務(wù)，這些企業(yè)能快速并行地組織不同的部門或集團成員將產(chǎn)品從設(shè)計轉(zhuǎn)入生產(chǎn)，快速地將產(chǎn)品制造廠家和零、部件供應(yīng)廠家組合成虛擬企業(yè)，形成高效經(jīng)濟的供應(yīng)鏈。同時，在產(chǎn)品實現(xiàn)過程中，各參與單位能夠就用戶需求、計劃、設(shè)計、模型、生產(chǎn)進度、質(zhì)量以及其他數(shù)據(jù)進行實時交換和通信。圖10.9所示為利用遠程協(xié)同設(shè)計的基本原理建立的動態(tài)聯(lián)盟的運行模式。利用網(wǎng)絡(luò)控制中心提供的聯(lián)盟動態(tài)標區(qū)，發(fā)起聯(lián)盟的企業(yè)(盟主)和相關(guān)企業(yè)進行項目咨詢、價格投標、資格審查等系列操作，以便確定盟友。聯(lián)盟組成后，盟主和盟友共同負責(zé)進度管理和諸如版本、工藝圖等相關(guān)檔案的管理。在整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)，聯(lián)盟內(nèi)部和外部企業(yè)可以通過在線技術(shù)討論區(qū)對相關(guān)問題進行探討。圖10.9動態(tài)聯(lián)盟的運行模式制造企業(yè)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)體系的建設(shè)將大大加強企業(yè)與企業(yè)、企業(yè)與科研機構(gòu)之間的信息交流，同時還能有效地將國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域連接起來。此外，它還將為進一步實施先進制造網(wǎng)絡(luò)化工程、遠程設(shè)計與制造、遠程合作研究和聯(lián)合技術(shù)開發(fā)等現(xiàn)代化企業(yè)運行模式積累經(jīng)驗?？梢韵嘈?，隨著網(wǎng)絡(luò)體系的進一步發(fā)展和完善，其支持的敏捷制造內(nèi)涵也將發(fā)生相應(yīng)的變化。通過對敏捷制造和遠程協(xié)同設(shè)計技術(shù)的進一步深入研究，更加先進的敏捷制造模式將會被不斷開發(fā)出來并得以實施。10.4虛擬制造10.4.1虛擬制造的概念

1．虛擬制造產(chǎn)生的背景隨著計算機技術(shù)、建模與仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的飛速發(fā)展，可以為機電產(chǎn)品的設(shè)計、加工、分析以及生產(chǎn)的組織和管理提供一個虛擬的仿真環(huán)境，從而實現(xiàn)“在計算機上模擬制造的全過程”，在產(chǎn)品投入實際生產(chǎn)前即對其可制造性及其他性能進行論證，保證一次生產(chǎn)就能成功，以此達到節(jié)約生產(chǎn)成本、加快上市時間，快速響應(yīng)用戶需求和市場變化的目的。虛擬制造就是在這種情況下于20世紀90年代由美國首先提出的，并立即引起了大學(xué)科研機構(gòu)及企業(yè)界的高度重視。

2．虛擬制造的定義虛擬制造是一種全新概念，許多學(xué)者從不同角度對虛擬制造的內(nèi)涵進行了描述，并給出相應(yīng)的定義。美國空軍Wright實驗室會同一些技術(shù)領(lǐng)域的專家，提出了虛擬制造的初步定義，認為：“虛擬制造是一個集成的、綜合的建模與仿真環(huán)境，以增強各層次的決策與控制水平。”佛羅里達大學(xué)的GloriaJ.Wiens等人認為：“虛擬制造是與實際一樣在計算機上執(zhí)行的制造過程，其中虛擬樣機能夠在實際制造前對產(chǎn)品的功能及可制造性的潛在問題進行預(yù)測?！瘪R里蘭大學(xué)的EdwardLin等人認為：“虛擬制造是一個利用計算機模型和仿真技術(shù)來增強產(chǎn)品與過程設(shè)計、工藝規(guī)劃、生產(chǎn)規(guī)劃和車間控制等各級決策與控制水平的一體化的、綜合性的制造環(huán)境。”綜上所述，虛擬制造是實際制造在計算機上的本質(zhì)實現(xiàn)，即采用計算機仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在高性能計算機及高速網(wǎng)絡(luò)的支持下，在計算機上群組協(xié)同工作，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗以及企業(yè)各級過程的管理與控制等產(chǎn)品制造的本質(zhì)過程，以增強制造過程各級的決策與控制能力。

3．虛擬制造技術(shù)與虛擬制造系統(tǒng)虛擬制造技術(shù)(VirtualManufacturingTechnology，VMT)是由多學(xué)科先進知識形成的綜合系統(tǒng)技術(shù)，是以計算機支持的仿真技術(shù)為前提，對設(shè)計、制造等生產(chǎn)過程進行統(tǒng)一建模，在產(chǎn)品設(shè)計階段，實時地、并行地模擬出產(chǎn)品未來制造全過程及其對產(chǎn)品設(shè)計的影響，預(yù)測產(chǎn)品性能、產(chǎn)品制造成本、產(chǎn)品的可制造性，從而更有效、更經(jīng)濟、更靈活地組織制造生產(chǎn)，使工廠和車間的資源得到合理配置，以達到產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本最小化，產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量最優(yōu)化，生產(chǎn)效率最高的目的。虛擬制造系統(tǒng)(VirtualManufacturingSystem，VMS)是基于虛擬制造技術(shù)實現(xiàn)的制造系統(tǒng)，是現(xiàn)實制造系統(tǒng)(RealManufacturingSystem，RMS)在虛擬環(huán)境下的映射。虛擬制造系統(tǒng)生產(chǎn)的產(chǎn)品是可視的虛擬產(chǎn)品，是一個數(shù)字化產(chǎn)品，它具有真實產(chǎn)品所必須具有的特征，并具有動態(tài)結(jié)構(gòu)及決策、控制、調(diào)度、管理等四個機制。虛擬制造技術(shù)和虛擬制造系統(tǒng)涉及整個產(chǎn)品開發(fā)和制造過程的方方面面：對于產(chǎn)品來說，涉及整個產(chǎn)品生命周期的各個方面；對于制造過程來說，涉及整個工廠的各個方面。

4．虛擬制造的特點

(1)全數(shù)字化的產(chǎn)品。通過數(shù)字化產(chǎn)品模型反映產(chǎn)品從無到有再到消亡的整個演變過程，與數(shù)字化的最終產(chǎn)品相關(guān)的全部信息(包括產(chǎn)品配置結(jié)構(gòu)、零件信息CAD/CAPP/CAM/CAE文件、材料清單等)是電子化文檔；采用數(shù)字樣機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的物理樣機，具有真實產(chǎn)品所具有的特征，技術(shù)人員和用戶可以進行分析和評價。

(2)基于模型的集成。通過模型集成實現(xiàn)制造系統(tǒng)中人員、組織管理、物流、信息流和能量流的高度集成，通過產(chǎn)品模型、過程模型、活動模型和資源模型的組合與匹配，仿真特定制造系統(tǒng)中的設(shè)備布置、生產(chǎn)活動、經(jīng)營活動等行為，從而確保產(chǎn)品開發(fā)的可能性、合理性、經(jīng)濟性和高適應(yīng)性。

(3)柔性的組織模式。虛擬制造系統(tǒng)提供的環(huán)境不是針對某個特定的制造系統(tǒng)建立的，但能夠?qū)μ囟ㄖ圃煜到y(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)、流程管理與控制模式、生產(chǎn)組織的原則等提供決策依據(jù)。因此，虛擬制造系統(tǒng)必然具有柔性的組織模式。

(4)分布式的協(xié)同工作環(huán)境。分布在不同地點、不同部門、不同專業(yè)背景的人員，可以在同一產(chǎn)品模型上協(xié)同工作，交流和共享信息；與產(chǎn)品有關(guān)的各種信息、過程信息、資源信息以及各種知識，均可以分布式存放和異地獲取；技術(shù)人員可以使用位于不同地點上的各種工具軟件。

(5)仿真結(jié)果的高可信度。虛擬制造的目標是通過仿真技術(shù)來檢驗設(shè)計出的產(chǎn)品或制定出的生產(chǎn)規(guī)劃等，使得產(chǎn)品開發(fā)或生產(chǎn)組織一次成功，這就要求模型能夠真實地反映實際對象。

(6)人與虛擬制造環(huán)境交互的自然化。虛擬制造環(huán)境以人為中心，使研究者能夠沉浸在由模型創(chuàng)建的虛擬環(huán)境中，通過多種感知渠道直接感受不同媒體映射的模型運行信息，并利用人本身的智能進行信息融合，產(chǎn)生綜合映射，從而深刻把握事物的內(nèi)在本質(zhì)。

5．虛擬制造的分類按照與生產(chǎn)各個階段的關(guān)系，將虛擬制造分成3類，即以設(shè)計為核心的虛擬制造、以生產(chǎn)為核心的虛擬制造和以控制為中心的虛擬制造，如圖10.10所示。

(1)以設(shè)計為核心的虛擬制造把制造信息引入到整個設(shè)計過程中，利用制造仿真來優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，從而在產(chǎn)品設(shè)計階段就可以對所設(shè)計的零件甚至整機進行可制造性分析，包括加工過程的工藝分析，鑄造過程的熱力學(xué)分析，運動部件的運動學(xué)分析，甚至包括加工時間、加工費用、加工精度分析等。該虛擬制造通過在計算機上制造產(chǎn)生許多“軟”樣機，來解決“設(shè)計出來的產(chǎn)品是什么樣”的問題。

(2)以生產(chǎn)為核心的虛擬制造將仿真技術(shù)引入到生產(chǎn)過程中，通過建立生產(chǎn)過程模型來評估和優(yōu)化生產(chǎn)過程，以便低費用、快速地評估不同的工藝方案、資源需求計劃和優(yōu)選生產(chǎn)過程，例如組織與重新組織技術(shù)。該虛擬制造主要解決“這樣組織生產(chǎn)是否合理”的問題。

(3)以控制為中心的虛擬制造的核心是通過對制造設(shè)備和制造過程進行仿真，來建立虛擬的制造單元，對各種制造單元的控制策略和制造設(shè)備的控制策略進行評估，從而實現(xiàn)車間級的基于仿真的最優(yōu)控制。該虛擬制造主要解決“這樣控制是否合理、是否最優(yōu)”的問題。圖10.10虛擬制造的分類10.4.