先进制造技术发展趋势 页

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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9.1.2 先进制造技术的特点9.1.3 先进制造技术的产生背景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、CADCAM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

2、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。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

3、验技术。2. 先进制造技术中的支撑技术群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

4、为了管理好各种适当技术群的开发，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

5、和培训计划是基础。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而消耗的能源。2. 提

6、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，工业正进入市场和经济因素高度分散、快速变化、不可预测的

7、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IBM，DEC及AT&T等大公司率先采用了DFE思想。DFE节约

8、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

9、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CIMS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

10、、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

11、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 9.2.2 敏捷制造9.2.3 并行工程9.2.4 虚拟制造系统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

12、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，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。

13、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，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

14、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，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

15、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

16、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

17、 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，CIMS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

18、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

19、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、

20、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

21、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

22、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)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

23、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 System)。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

24、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

25、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

26、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，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

27、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。198

28、9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

29、单件、多品种方向转化。于是美国于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

30、度，满足各个用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内容。在

31、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。虚拟企业的特点是：1)功能的虚拟化在虚拟

32、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

33、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。(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

34、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“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

35、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

36、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。(17)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

37、，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

38、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

39、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

40、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

41、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

42、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：(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CADCAPPCAMCAE。(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

43、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

44、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

45、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、

46、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，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”

47、，CE不需保守测试策略。四、并行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

48、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，调整相应业务系统以适应新的设计方法和管理，训练人员以适应新的岗位。3 CE的实施框架当企业具备实施CE的必备条件

49、后，为实现CE目标，要构成一个能协调地支持企业中管理、设计、制造、技术等活动的、由人、方法、工具等组成的、完整的一体化系统框架“CE实施框架”。框架实质上是对CE实施过程中所涉及诸要素的一种结构化描述。(1)框架的主要性能能及时、尽早、完整、持续地掌握客户的要求与优先考虑的问题；并行、一体化地将要求转化成最优的产品定义制造过程及支持过程；持续地评价和完善产品过程和支持。这些性能通过下面的三个子框架协调完成。(2)以人为主导的组织管理子框架该子框架包括：组成一个一体化的、分层次的行政指挥系统；建立多学科、多功能小组小组群；企业组织和文化作相应改变。(3)计算机辅助工具子框架该子框架可分为7类：信

50、息管理类，包括信息获取、信息表示、信息操作和信息源管理系统；集成技术类，包括CE集成支持环境、工程设计与特性的描述语言、网络技术、数据库集成技术、知识处理技术、软件工程技术；建模仿真实验分析类，包括建模技术、仿真技术、实验分析技术；设计技术类，包括公理化设计、面向制造的设计(DFM)、设计科学概念、面向装配的设计(DFA)、制造工艺设计规则、成组技术、故障模式与效应分析、价值工程等；计算机辅助生产制造技术类，包括计算机辅助工艺设计、测试、检测、车间单元控制管理、数据库、机器人、柔性制造单元系统、CADCAPPCAM集成技术等技术工具；全面质量管理控制技术类，主要包括建立CE使用的质量模型，质量

51、系统与其他过程子系统的集成与协助控制等；决策支持技术类，CE过程中存在大量半结构非结构的决策、多目标综合平衡、突发事件决策和群决策等，其中，冲突处理是一个难点，组成以人为中心的智能辅助决策系统是一个重要的研究课题。(4)方法集子框架该子框架用于协助解决CE实施中遇到的下列三项任务：了解客户要求。建立过程控制。改进过程。企业在具备实施CE的必备条件后，可利用CE实施框架，按CE实施步骤，构成CE环境，从而实现高质量、低成本、周期短的CE目标。9.2.4 虚拟制造系统一、虚拟制造技术(Virtual Manufacturing Technology)虚拟制造技术(VMT)可以通俗而形象地理解为：在

52、计算机上模拟产品的制造和装配全过程。换句话说，借助建模和仿真技术，在产品设计时，就可以把产品的制造过程、工艺设计、作业计划、生产调度、库存管理以及成本核算和零部件采购等生产活动在计算机屏幕上显示出来，以便全面确定产品设计和生产过程的合理性。虚拟制造技术是一种软件技术，它填补了CADCAM技术与生产过程和企业管理之间的技术鸿沟，把企业的生产和管理活动在产品投入生产之前就在计算机屏幕上加以显示和评价，使工程师能够预见可能发生的问题和后果。采用虚拟制造技术可以给企业带来下列效益：提供关键的设计和管理决策对生产成本、周期和能力的影响信息，以便正确处理产品性能与制造成本、生产进度和风险之间的平衡，做出正

53、确的决策；提高生产过程开发的效率，可以按照产品的特点优化生产系统的设计；通过生产计划的仿真，优化资源的利用，缩短生产周期，实现柔性制造和敏捷制造；可以根据用户的要求修改产品设计，及时作出报价和保证交货期。引入虚拟制造技术应该是一个渐进的过程，它的首要前提是已经掌握CADCAM技术并积累了一定的经验。其次是已经初步建立了企业的管理信息系统，基础数据齐全，工时定额和成本核算比较科学，在计算机管理方面具有较好的基础和条件。二、虚拟制造系统(Virtual Manufacturing System)虚拟制造系统(VMS)是基于虚拟制造技术(VMT)实现的制造系统，是现实制造系统RMS(Real Man

54、ufacturing System)在虚拟环境下的映射，而现实制造系统是物质流、信息流、能量流在控制机的协调与控制下在各个层次上进行相应的决策，实现从投入到输出的有效的转变，而其中物质流及信息流协调工作是其主体。为简化起见可将现实制造系统划分为两个子系统：现实信息系统RIS(Real Information System)和现实物理系统RPS(Real Physical System)。RPS由存在于现实中的物质实体组成，这些物质实体可以是材料、零部件、产品、机床、夹具、机器人、传感器、控制器等。当制造系统运行时，这些实体有特定的行为和相互作用，如运动、变换、传递等，制造系统本身也与环境以物质

55、和能量的方式发生作用。RIS由许多信息、信息处理和决策活动组成，如设计、规划、调度、控制、评估信息，它不仅包括设计制造过程的静态信息，而且还包括制造过程的动态信息。假设有一个计算机系统能够接受来自RIS的信息和控制命令，执行所接受的控制命令，并将执行状态返回到RIS。如果所返回的状态报告与RPS返回的状态报告一致，那么，这种模拟RPS响应的计算机系统称为虚拟物理系统VPS(Virtual Physical System)。VPS是RPS在虚拟空间的映射，组成VPS的虚拟实体是RPS中的真实实体在虚拟空间的映射，是RPS中真实实体的抽象模型。这些抽象模型与真实实体一一对应，并具有与真实实体相同的

56、性能、行为和功能。同样，如果一个计算机系统能模拟RIS的功能，那RPS中的机器就不能区分控制命令是来自RIS还是来自计算机系统。这种能够模拟RIS并为RPS产生控制命令的计算机系统就称为虚拟信息系统VIS(Virtual Information System)。由VPS和VIS构成的制造系统称为虚拟制造系统VMS。VMS不消耗现实资源和能量，所生产的产品是可视的虚拟产品，具有真实产品所必须具有的特征，它是一个数字产品。三、VMS的功能及其体系结构虚拟制造系统是在虚拟制造思想指导下的一种基于计算机技术的集成的、虚拟的制造系统系统的全面集成。在信息集成的基础上，通过组织管理、技术、资源和人机集成实

57、现产品开发过程的集成。在整个产品开发过程中，在基于虚拟现实、科学可视化和多媒体等技术的虚拟使用环境、虚拟性能测试环境以及虚拟制造环境等虚拟环境下，在各种人工智能技术和方法的支持下，通过集成地应用各种建模、仿真分析技术和工具，实现集成的、并行的产品和过程开发，以及对产品设计、制造过程、生产规划、调度和管理的测试，利用分布式协同求解，以提高制造企业内各级决策和控制能力，使企业能够实现自我调节、自我完善、自我改造和自我发展，达到提高整体的动作效能、实现全局最优决策和提高市场竞争力的目的。基于虚拟制造系统的全面集成如图96所示。虚拟制造系统提供以下功能：(1)通过虚拟制造系统实现制造企业产品开发过程的

58、集成。根据制造企业策略，基于虚拟制造系统，在信息集成和功能集成的基础上，实现产品开发过程的集成。通过对整个产品开发过程的建模、管理、控制和协调，对企业资源、技术、人员进行合理组织和配置，面向产品整个生命周期，实现制造企业策略与企业经营、工程设计和生产活动的集成(纵向集成)以及在产品开发的各个阶段分布式并行处理虚拟环境下多学科小组的协同工作(横向集成)，快速适应市场和用户需求的变化，以最快的速度向市场和用户提供优质低价产品。图9-6 基于虚拟制造(2)实现虚拟产品设计虚拟制造仿真闭环产品开发模式。各种建模、仿真和分析技术和工具的大量使用，使产品开发从过去的经验方法跨到预测方法，实现虚拟产品设计虚

59、拟制造仿真闭环产品开发模式。虚拟制造系统能够在产品开发的各个阶段，根据用户对产品的要求，对虚拟产品原型的结构、功能、性能、加工、装配制造过程以及生产过程在虚拟环境下进行仿真，并根据产品评价体系提供的方法、规范和指标，为设计修改和优化提供指导和依据。由于以上开发过程都是在虚拟环境下针对虚拟产品原型进行的，所以大大缩短了开发时间，节约了研制经费，并能在产品开发的早期阶段发现可能存在的问题，使其在成为事实之前予以解决。又由于开发进程的加快，能够实现对多个解决方案的比较和选择。(3)提高产品开发过程中的决策和控制能力。(4)提高企业自我调节、自我完善、自我改造和自我发展的能力。基于企业建模的虚拟制造系

60、统，通过信息集成、组织管理集成、智能集成、资源集成、技术集成、串并行工作机制集成、过程集成和人机集成等，实现企业的全面集成，为使其能够根据复杂多变的竞争环境，不断调整组织结构，优化运营过程，合理配置人、财、物力资源，革新技术和提高人员素质等提供了一种系统的方法和途径，使企业的自我调节、自我完善、自我改造和自我发展的能力大为提高。根据对虚拟制造系统功能的讨论，我们提出了一种虚拟制造系统体系结构，如图9-7所示。图9-7虚拟制造系统体系结构四、VMS的要求VMS是RMS在虚拟环境下的映射，是RMS模型化、形式化和计算机化的抽象描述和表示。VMS和RMS有相似的功能，其区别主要是VMS生产数字产品，

61、而不生产真实产品。实现VMS的主要要求有：(1)功能一致性VMS的功能应该与相应的RMS是一致的，VIS产生并发送的信息和控制命令在功能上应与相应的RIS一致，VPS响应控制命令并返回状态报告在功能上应与相应的RPS一致，在VIS内部、VIS与其他VISRIS之间，以及VIS与VPSRPS之间的信息通讯与交换应能正常进行。(2)结构相似性VMS的结构应与相应的RMS在结构上是相似的，结构相似性可提供给用户一种直观方式进行定义、组织和修改等。(3)组织的柔性VMS是面向未来制造系统的，是面向市场、面向用户需求的，因此VMS的组织与实现应具有非常高的柔性。在建立制造系统的各种抽象模型时，应采用模块

62、化方法或面向对象技术，注重各种模型与模块的重用性和重组性，注重各种模块之间的组合能力。(4)集成化VMS涉及的内容很多，应注意采用系统工程、知识工程、并行工程、人机工程等多学科先进技术，实现“全集成”，即信息集成、智能集成、串并行工作机制集成和人机集成。(5)智能化实现虚拟制造系统中各个环节的智能化，着重实现虚拟环境下分布式并行处理的智能协同求解和虚拟环境下系统全局的最优决策。五、VMS的开发环境由于产品、制造环境和工厂业务活动的不同，制造活动的总体结构可能是不同的，所以，为适应不同的情况，必须提供能够灵活、方便地建立、组织、装配VMS的开发环境。开发环境分为三个层次：目标系统层、虚拟制造模型

63、层和模型构造层。(1)模型构造层 提供用于描述制造活动及其对象的基本建模结构。有两种通用模型：产品过程模型和活动模型。活动模型描述人和系统的各种活动。产品过程模型按自然规律描述可实现每一物品及其特征，如物体的干涉、重力的影响等。 产品模型描述出现在制造过程中的每一物品，不仅包括目标产品，而且包括制造资源，如机床、材料等。过程模型描述产品属性、功能及每一制造工艺的执行，过程模型包括像牛顿动力学这种很有规律的过程也包括像金属切削、成形这种很复杂的工艺过程。(2)虚拟制造模型层 通过使用产品过程模型和活动模型定义有关制造活动与过程的各种模型，这些模型包括各种工程活动，如产品设计、生产设备、生产管理、生产过程以及相应的目标产品、材料、半成品、工具和其他制造资源。这些模型应该根据产品类型、工业和国家的不同而不同，但是通过使用低层的模型构造层容易实现各种模型的建立与扩展。任务组织与管理模型用来实现制造活动的灵活组织与管理，以便构造各种VMS。(3)目标系统层根据市场变化、用户需求，通过低层的虚拟制造模型层来组成各种专用的VMS。六、VMS研究内容VMT和VMS是国际上20世纪90年代初提出的概念，其理论基础与体系尚未完全形成，