第五讲先进制造新概念课件.ppt

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1、智能制造系统l(1)概述l 进入20世纪80年代以后，制造系统的柔性自动化和集成化发展很快，这表明人类在体力劳动方面通过采用自动化技术得到了极大的解放，但是在制造系统中涉及人类脑力劳动方面的自动化程序仍然很低，人在制造过程中处理问题和解决问题的脑力劳动的自动化问题，尚没有解决，人还没有真正从复杂的生产过程中解放出来。制造系统中各种问题的求解和决策尚在很大程度上依靠人的智慧。因此，如何通过计算机模拟人类专家的智能活动，在柔性化、集成化的制造自动化系统中提高它的决策自动化，创建智能制造系统(Intel1ignet Manufacturing System，IMS)巳被许多国家的政府、工业界的科学技

2、术人员所重视。智能制造系统l IMS的定义及特征l 定义l 智能制造包括智能制造技术(IMT)和智能制造系统(IMS)。l 智能制造系统是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中能以一种高度柔性与集成的方式，借助计算机借助计算机模拟人类专家的智能活动进行分析、推理、判断、模拟人类专家的智能活动进行分析、推理、判断、构思和决策等，从而取代或延伸制造环境中人的构思和决策等，从而取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动。部分脑力劳动。同时，收集、存储、完善、共享、继承和发展人类专家的智能。智能制造系统l 特征l 与传统的制造系统相比智能制造系统具有以下特征：l a 自组织能力

3、l 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。完成任务以后，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。智能制造系统lb 自律能力l IMS能根据周围环境和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。lc 自学习和自维护能力l IMS能以原有专家知识为基础，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。智能

4、制造系统ld 整个制造环境的智能集成l 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涵盖了产品的市场、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。智能制造系统l智能制造系统(Intel1ignet Manufacturing System，IMS)的研究主要集中在以下五个方向：l IMS结构系统化、标准化的原理与方法；l IMS信息的通信网络；l用于IMS的最佳智能生产与控制设备；l提高IMS设备质量及性能的新材料应用与研究lIMS的社会、环

5、境和人的因素。智能制造系统l(2)智能制造系统的主要研究状况l 智能制造系统是在制造系统的各个环节中融入人工智能技术，使它们具有人类专家的“智慧”。能自行决策，自行判断所处状态并作出必要的应对，能自我修正错误，能应付外界的突发事件，能进行故障的自诊断和预测、预报等。智能制造系统l智能设计l 智能设计包含设计智能产品和开发产品设计的智能CAD系统。l 提高机器的智商，是智能设计的重要方面。20世纪80年代以来“傻瓜傻瓜照相机照相机的出现是一个突出的例子现在傻瓜相机拍出的照片已接近专业摄影师的水平。此外在家用电器中也有类似的成果，如自动洗衣机能根据衣服脏的程度自动调节洗涤时间等。此外，如汽车在高速

6、公路上行汽车在高速公路上行驶时能自动保持车距，机器人能根据抓取物体的驶时能自动保持车距，机器人能根据抓取物体的状态自动调整抓取位姿状态自动调整抓取位姿等。这些都需要运用人工神经网络和模糊决策理论。智能制造系统l智能设计l 傻瓜相机l 切削参数自动生成智能制造系统l智能智能CAPP系统系统l 人工智能技术在CAPP中的应用已经进行了许多年，现在开发的创成式CAPP系统，绝大部分是CAPP专家系统，而且也已发展为CAPP专家系统开发工具的研究。但并不是说智能CAPP的研究已经完善了，因为这些已开发的系统中还有专家知识的精确程序描述问题、系统的自学习能力问题、决策过程的解释问题及多方案合理选择和应变

7、决策等方面，还有许多技术问题没有解决。现在正进行着人工神经网络与专家系统结合起来的开发研究。智能制造系统l智能智能CAPP系统系统l 传统方法：再生式CAPPl 智能系统：创成式CAPP智能制造系统l智能机器人l 在制造系统中采用工业机器人来替代人的体力劳动和部分智能劳动，可以说是智能制造系统研究中进展最快和最突出的例子。现在，机器人在自动化的制造系统中的应用已愈来愈普遍。现代机器人能通过工业摄像机和各种力学、声学、光学传感器感受外部世界，象人一样具有视觉、听觉、触觉、甚至味觉、嗅觉，并且还具有语言功能。机器人还具有某些人的决策功能如躲避碰撞，改变位姿和动作路径等。但是机器人如何根据所感知的所

8、有信息，像人脑一样综合进行分析处理和快速作出反应，尚有许多研究工作要做，因为人脑的思维活动机理还远没有完全掌握。智能制造系统l智能机器人l 机器人足球（多智能主体）l 移动机器人躲避碰撞l 机器人抓取物体智能制造系统l4）故障的智能诊断l 复杂制造系统的故障诊断问题，一直是人们关注的技术研究领域，因为它直接影响系统运行的可靠性和利用率。现在用人工神经网络同专家系统结合起来研究的智能混合系统已取得可喜的成果、它可以用专家系统进行推理，用神经网络实现诊断和决策，以发挥各自的长处。也有采用人工神经网络与模糊理论相结合的机理对机械故障进行诊断的成功例子。智能制造系统l4）故障的智能诊断l 火箭点火的倒

9、计时 l 复杂自动化设备的故障诊断l 刀具状态（磨损、破损）监控智能制造系统l智能控制l 能根据外部环境的变化来自动调整系统参数以适应这种变化，这是制造系统的智能控制问题。对于无法用数学模型来实现这种控制的系统，就必须采用人工智能技术。利用人工神经网络实现加工过程中切削用量的自适应控制和自动辨识数控机床的轮廓加工误差实现在线校正，都属于智能控制的范畴。智能制造系统l智能控制l 机器人装配l 主动减振l 切削过程自激振动的消除敏捷制造系统l 敏捷制造AM(Agile Manufacturing)lAM产生的背景l 自一次世界大战以后，日本和西欧各国的经济遭受战争破坏，工业基础几乎被彻底摧毁，只有

10、美国作为世界唯一的工业国，向世界各地提供工业产品。所以美国的制造商们在60年代以后的策略是扩大生产规模。到了70年代，西欧发达国家和日本的制造业已基本恢复，不仅可以满足本国对工业的需求，甚至可以依靠本国廉价的人力、物力生产廉价的产品打入美国市场，致使美国的制造商们将策略重点由规模转向成本。80年代，原西德和日本已经可以生产高质量的工业品和高档的消费品与美国的产品竞争，并源源不断地推向美国市场，又一次迫使美国的制造商将制造策略的重心转向产品质量。进入90年代，当丰田生产方式在英国产生了明显的效益之后，美国人认识到只降低成本、提高质量还不能保证赢得竞争，还必须缩短产品开发周期，加速产品的更新换代。

11、当时美国汽车更新换代的速度已经比日本慢了许多，因此速度问题成为美国制造商们关注的重心。“敏捷”从字面上看正是表明要用灵活的应变去对付快速变化的市场需求。敏捷制造系统l 敏捷制造AM(Agile Manufacturing)lAM产生的背景l 用户对产品的需求：l 价格l 质量l 供货周期敏捷性l 敏捷性是对于在急速变化、连续分敏捷性是对于在急速变化、连续分裂的全球市场中提供高质量、高性能、裂的全球市场中提供高质量、高性能、按用户要求配置的商品和服务而盈利的按用户要求配置的商品和服务而盈利的挑战挑战 的反应。的反应。l 敏捷性是动态的，没有尽头的，是专门承上启下预见未来的，是进攻性的抓住变化，和

12、始终面向企业发展的。敏捷制造系统lAM的内涵及概念l1）AM的内涵l 敏捷制造的概念是美国里海大学亚科卡研究所于1991年提出来的。l “美国机械工程师学会”对敏捷制造做如下定义：l “敏捷制造就是指制造系统在满足低成本敏捷制造就是指制造系统在满足低成本和高质量的同时，对变幻莫测的市场需求的快和高质量的同时，对变幻莫测的市场需求的快速反应速反应”。敏捷制造系统l 反映敏捷能力的六个方面：l 对市场的快速反应能力。判断和预见市场变化并对其快速地作出反l 应的能力。l 竞争力。企业获得一定生产力、效率和有效参与竞争所需的技能。l 柔性。以同样的设备与人员生产不同产品或实现不同目标的能力。l 快速。

13、以最短的时间执行任务(如产品开发、制造、供货等)的能力。l 企业策略上的敏捷性。企业针对竞争规则及手段的变化、新的竞争 l 对手的出现、国家政策法规的变化、社会形态的变化等做出快速反l 应的能力。l 企业日常运行的敏捷性。企业对影响日常运行的各种变化，如用户l 对产品规格、配置及售后服务要求的变化、用户订货和供货时间的 l 变化、原料供货出现问题及设备出现故障等做出快速反应的能力。敏捷性l敏捷可以和产品的生产周期联系在一起表示快速；l它可以和大批用户化生产联系在一起表示适应性；l也可以和动态联盟联系在一起表示畅通的供应链和 l 各种方式的联系；l它可以和重购联系在一起-表示生产过程的不断改进；

14、l它可以和一个具有自学习、自调整能力的组织形式联l 系在一起-表示一系列的职业培训和教育；l它可以和精良生产联系在一起-表示更高的资源利用l 率。敏捷制造系统l l2）实现AM的关键技术：l 以柔性生产技术柔性生产技术和动态组织结构为特点，l 以高素质、协同良好的工作人员为核心，l 实施企业间网络集成，l 形成快速响应市场的社会化制造体系。l 敏捷制造系统l2）实现AM的关键技术：l先进制造技术：l柔性制造技术：l l 敏捷制造系统l2）实现AM的关键技术：l先进制造技术：l柔性制造技术：l l 快速模具制造快速模具制造真空成型技术是现阶段塑料零件小批量最通用的技术敏捷性包含的主要内容l 一般

15、而言，企业的敏捷性可被理解为企业在不断变化和不可预测的全球化竞争环境中成功获得市场的一种主动性综合应变能力，这种综合应变能力涵盖了：l (1)企业对市场需求的快速响应性；l (2)企业组织形态的动态可重组性、可重用性与可扩 l 展性；l (3)企业管理方式的自适应性；l (4)制造资源的分布性、可配置性及可重构性；l (5)制造系统柔性；l (6)制造活动的协同性。企业对市场需求的快速响应性l 企业对市场需求的快速响应性是敏捷制造的首要通用度量指标，它是指对不可预测因素的反应能力。它不仅主要体现在企业具备快速捕捉稍纵即逝的市场机遇的能力，而且依赖于快速的产品开发、制造及销售机制，使得满足T(T

16、ime)、Q(Quality)、C(Cost)、S(Service)、E(Enviroment)要求的产品能及时地传递到客户手中，从而达到双赢之目标。l 在敏捷制造环境下，企业对市场的快速响应是一种主动行为，取决于敏捷的企业组织形态、制造资源的分布、敏捷的全局制造控制调度与管理、协同工作等。企业组织形态的动态可重组性、可重用性与可扩展性企业组织形态的动态可重组性、可重用性与可扩展性l 企业的组织形态是指企业功能部门的设置和相互关系的建立。企业的组织形态包含两个层面上的含义，即企业内部的柔性组织问题和企业间的联接关系。l 传统的企业组织形态是一种刚性的、层次式的结构。例如，一个企业在顶层通常包括

17、在董事会监管之下的总经理及其相关企业运作领导核心成员。在总经理的领导下，各个职能部门如财务、生产、设计、工艺、人事、供销、车间等各司其职。同时，部门又被进一步分解成为科室、工段等。有时，科室、工段又被进一步划分成仅具单一功能的小组。毋需讨论，这种层次式组织结构对市场的主动响应性明显不足。l 企业组织形态的动态可重组性、可重用性与可扩展性企业组织形态的动态可重组性、可重用性与可扩展性l 为适应企业敏捷性的需求，企业在组织形态上要做重大变革。首先，在企业内部的柔性组织层面上应打破原有的刚性组织体系，以产品为中心，将团队式的企业业务基本处理单元(包括多学科协作功能小组、制造单元)作为构成企业组织形态

18、的基本单位，建立一种“扁平结构”协同体系。在此体系中，各功能小组的职能在权限上是同等的、并行的。这样，对企业内部的任何一项业务处理就会省略掉许多中间环节，从而大大增加了企业对业务活动的响应性。l 然而，对企业内部组织形态的敏捷性改造仅仅是第一步，下一步应做的是建立企业间的联接关系。通常，企业间的联接关系可由供应链和动态企业联盟两种模式确定。其中，从供应链关系构造企业间关联应是传统生产模式的一种简单延伸，而从动态企业联盟的角度构造企业间组织形态恰是敏捷制造的核心。l 显而易见，由于采用了上述企业组织形态的模块化构建思想，企业制造单元、多学科功能小组的可重用性以及通过它们的企业可重组性、可扩展性变

19、得易于实现。企业管理方式的自适应性l 由于企业组织形态的变更，与企业敏捷性相关的管理方式也必须作重大变化，以便能够对企业组织形态的变更作自适应性调整。其中，应变管理、企业业务流程重组管理、动态联盟运作及过程管理等在确保管理模式的自适应方面均起重要作用。l 应变管理是指在策略层面上对企业敏捷性的变化决策过程进行动态管理的一项技术。应变管理是一种主动型管理，是确保企业敏捷性的战略措施。l 一旦企业作出相关的应变决策、则下步将是对企业与企业间的组织形态和业务过程进行必要的调整。l 动态联盟运作及过程管理则从全局的角度集成、控制、调度、管理所形成的动态企业联盟的物流、信息流、资金流、资源等。制造资源的

20、分布性、可配置性及可重构性l 企业的敏捷性亦体现在其制造资源的分布性与可配置性方面。l 制造资源涵盖了设备资源、人力资源、场所资源、技术与工艺资源等。制造资源作为企业敏捷化的基础支撑，被包含在构成企业动态组织形态的基本单元之中。无论是供应链型还是动态企业联盟型敏捷制造模式，这些基本单元均是按地理分布的，并通过企业的组织形态加以关联。l 事实上，产品的客户化、市场化以及制造的T、Q、C需求是产生企业可变因素的原因之一。为适应这些可变因素，依附于制造单元与多学科功能小组的制造资源应具有可配置性。l 例如模块化可重构加工机床、并联机床可作为适应于企业敏捷性需求的物理性可配置的制造设备；制造单元控制器

21、软件的可再配置性可从逻辑层面加以实现；制造单元的布局可从逻辑层面实现；多学科设计小组的人力资源及技术资源等的配置既可从物理角度亦可从逻辑角度实现。制造系统的柔性及集成性l 制造系统是企业组织形态、制造资源配置、运行调度与管理三大实体的集成，其逻辑框架由敏捷制造模式体现。组织形态的可重组性、制造资源的可重构性、运行调度与管理的自适应性决定了集成后的制造系统具备柔性。制造活动的协同性l 制造活动的协同性也是企业敏捷化度量的一个重要指标。构成敏捷制造系统的制造单元与多学科功能小组等的地理分布性、工作任务的合作要求以及它们之间的动态联接性均要求相应的协同工作机制的支持。这种支持是贯穿于企业敏捷制造系统

22、的整个生命周期的，包括协同产品设计、协同制造、协同产品商务等多项内容。敏捷制造系统l2）AM主要概念l 全新企业概念。将制造系统空间扩展到全国乃至全世界，通过企业网络建立信息交流高速公路，建立“虚拟企业”，以竞争能力和信誉为依据选择合作伙伴，组成动态公司。它不同于传统观念上的有围墙的有形空间构成的实体空间。虚拟企业从策略上讲不强调企业全能，也不强调一个产品从头到尾都是自己开发、制造。敏捷制造系统l全新的组织管理概念。简化过程，不断改进过程；提倡以“人”为中心，用分散决策代替集中控制，用协商机制代替递阶控制机制：提高经营管理目标，精益求精，尽善尽美地满足用户的特殊需要；敏捷企业强调技术和管理的结

23、合，在先进柔性制造技术的基础上，通过企业内部的多功能项目组与企业外部的多功能项目组虚拟公司把全球范围内的各种资源，集成在一起，实现技术、管理和人的集成。敏捷制造系统l全新的产品概念。敏捷制造的产品进入市场以后，可以根据用户的需要进行改变，得到新的功能和性能，即使用柔性的、模块化的产品设计方法。依靠极大丰富的通信资源和软件资源，进行性能和制造过程仿真。敏捷制造的产品保证用户在整个产品生命周期内满意，企业的这种质量跟踪将持续到产品报废为止，甚至包括产品的更新换代。敏捷制造系统l全新的生产概念。产品成本与批量无关，从产品看是单件生产，而从具体的实际和制造部门看，却是大批量生产。高度柔性的、模块化的、

24、可伸缩的制造系统的规模是有限的，但在同一系统内可生产出产品的品种却是无限的。敏捷制造系统l3）敏捷制造AM的基本特点lAM是自主制造系统l AM具有自主性，每个工件和加工过程、设备的利用以及人员的投入都由本单元自己掌握和决定，这种系统简单、易行、有效。再者，以产品为对象的AM，每个系统只负责一个或若干个同类产品的生产，易于组织小批或单件生产，不同产品的生产可以重叠进行。如果项目组的产品较复杂时，可以将之分成若干单元，使每一单元对相对独立的分产品的生产负有责任，分单元之间分工明确，协调完成一个项目组的产品。敏捷制造系统lAM是虚拟制造系统l AM系统是一种以适应不同产品为目标而构造的虚拟制造系统

25、，其特色在于能够随环境变化迅速地动态重构，对市场的变化做出快速的反应，实现生产的柔性自动化。实现该目标的主要途径是组建虚拟企业。其主要持点是：l a、功能的虚拟化。企业虽具有完备的企业职能，但没有执行这些功能的机构。l b、组织的虚拟化。企业组织是动态的，倾向于分布化，讲究轻薄和柔性，呈扁平网状结构。l c、地域的虚拟化。企业中产品开发、加工、装配、营销分布在不同地点，通过计算机网络加以联结。敏捷制造系统lAM是可重构的制造系统l AM系统设计不是预先按规定的需求范围建立某过程，而是使制造系统从组织结构上具有可重构性、可重用性和可扩充性三方面的能力，它有预计完成变化活动的能力，通过对制造系统的

26、硬件重构和扩充，适应新的生产过程，要求软件可重构，能对新制造活动进行指挥、调度及控制。企业敏捷化l一般而言，一个经过敏捷化改造的企业至少已具备了以下几方面的特点：l (1)企业内部已有良好的网络环境。l (2)企业各类信息的标准化与电子化上作已具规模。l (3)企业的ISO认证与达标。l (4)企业已建立了一个实现敏捷化的员工培训与素质 l 改进体系。l (5)企业的组织结构与管理体系能为适应敏捷制造过l 程而实现快速重组；l (6)企业已引入并使用了各种适应了敏捷制造环境的l 使能技术与工具。企业敏捷化产品驱动的企业动态联盟l敏捷制造的一种最主要的实现模式是产品驱动的企业动态联盟。从生产模式

27、上看，企业动态联盟包括预测型制造和定单型制造两种。产品驱动的企业动态联盟l在企业动态联盟中，所有的企业均称为成员企业，根据成员企业所起的作用不同，可划分成盟主企业和盟员企业。盟主企业是企业动态联盟的发起者，掌握着产品设计与制造等的核心技术，具备面向市场的核心竞争力，并决定着将邀请哪些企业作为盟员企业加入。此外，盟主企业有责任控制与调度相关的制造链、供应链等。盟员企业则是由盟主企业根据相关条件或通过招投标机制在双赢的前提下选择确定的。企业动态联盟的建立流程l 参考敏捷制造的一般实施方法，企业动态联盟的建立流程包含四个阶段：l (1)第一阶段，目标确定。l (2)第二阶段，动态联盟建模及伙伴选择。

28、l (3)第三阶段，组织设计。l (4)第四阶段，实施。企业动态联盟的建立流程产品驱动的企业动态联盟并行工程 并行工程CE(Concurrent Engineering)lCE的提出及特征l 1）CE的提出l 传统产品开发的组织形式是一种线性阶段模式，产品开发过程是顺序过程：概念设计、详细设计、过程设计、加工制造、试验验证、设计修改、工艺设计、正式投产、营销。这种方法在设计的早期不能全面地考虑其下游的可制造性、可装配性和质量可靠性等多种因素，致使制造出来的产品质量不能达到最忧，造成产品开发周期长，成本高，难以满足激烈的市场竞争的要求。l 并行工程（并行工程（CE一一Concurrent Eng

29、ineering）l （1）并行工程的定义并行工程的定义 有的地方又称并行工程为同期工程（Simultaneous Engineering）。并行作业的思想早就存在，但其作为一种工程界的科学的方法始于20世纪80年代中期。制造系统与制造工程中的并行工程，目前人们普遍采用R.IWinner在美国国防分析研究所（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、进度与用户需求。l （2）并行工程的目标l 1）

30、提高全过程（包括设计/工艺制造/服务）中全面的质量。l 2）降低产品全生命周期中的成本（包括产品设计、制造、发送、支持、客户使用至产品报废等成本）。l 3）缩短产品研制开发周期（包括减少设计反复、降低设计时间/生产准备时间/制造时间/发送时间等）l（3）并行工程的运行机理和工作模式）并行工程的运行机理和工作模式 图1一27所示的是串、并行工程时序的比较。所谓串行工程是在前一工作环节完成之后才开始后一工作环节的工作，各个工作环节的作业时序上没有重叠和反馈，即使有反馈，也是事后的反馈。这种作业方法不能在产品设计阶段就及早地考虑后续的工艺设计、制造、装配和质量保证等问题，致使各个生产环节前后脱节，设

31、计改动量大，产品的开发周期长、成本高。而并行工程是将时间上先后的知识处理和作业实施过程转变为同时考虑和尽可能的同时处理的一种作业方式。即在产品设计阶段就同时进行工艺过程设计，考虑产品整个生产周期的所有因素，大大缩短产品投放市场的时间，这种方法在日、美企业中已经得到了比较广泛地应用。l 并行工程是一种经营哲理，采用并行的方式，在产品设计阶段就集中产品研制周期中的各有关工程技术人员，同步地设计或考虑整个产品生命同期中的所有因素，对产品设计、工艺设计、装配设计、检验方式、售后服务方案等进行统筹考虑、协同进行，图l28描述了并行工程的运行模式。在并行工程运行模式下，每个设计者可以像在传统的在并行工程运

32、行模式下，每个设计者可以像在传统的CADCAD工作站上一样进行工作站上一样进行自己的设计工作。借助于适当的通信工具，在公共数据库、知识库的支持下，设自己的设计工作。借助于适当的通信工具，在公共数据库、知识库的支持下，设计者之间可以相互进行通信，根据目标要求既可随时应其它设计人员要求修改自计者之间可以相互进行通信，根据目标要求既可随时应其它设计人员要求修改自已的设计，也可要求其它设计人员响应自己的要求。通过协调机制，群体设计小已的设计，也可要求其它设计人员响应自己的要求。通过协调机制，群体设计小组的多种设计工作可以并行协调地进行，其设计网络如图组的多种设计工作可以并行协调地进行，其设计网络如图l

33、 l2929所示。所示。并行工程l2）CE的特性l 并行特性。把时间上有先后的作业活动转变为同时考虑和尽可能同时处理和并行处理的活动。l整体特性。将制造系统看成是 一个有机整体，各个功能单元都存在着不可分割的内在联系，特别是有丰富的双向信息联系，强调全局性地考虑问题，把产品开发的各种活动作为一个集成的过程进行管理和控制，以达到整体最优的目的。并行工程l协同特性。特别强调人们的群体协同作用，包括与产品全生命周期(设计、工艺、制造、质量、销售、服务等)的有关部门人员组成的小组或小组群协同工作，充分利用各种技术和方法的集成。这种途径生产出来的产品不仅有良好的性能，而产品研制的周期也将显著缩短。l约束

34、特性。在设计变量(如几何参数、性能指标、产品中各零部件)之间的关系上，考虑产品设计的几何、工艺及工程实施的各种相互关系的约束和联系。并行工程lCE的理论基础与运行机理lCE的理论基础l 从本质上讲，CE是一种以空间换取时间来处理系统复杂性的系统化方法，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，以非线性的管理机制和整体性思想，赢得集成附加的协同效益。并行工程lCE的运行机理l CE不是

35、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。l 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，同时要求有良好的决策支持结构。其运行机理的要点为：并行工程l a 突出人的作用，强调人的协同工作。lb 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。lc重视满足客户的要求。ld 持续地改善产品有关的过程。CE的工作模式中要注意持续、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

36、现。le 注意CE中信息与知识财富的开发与管理。lf 注重目标的不变性。lg五个不”。CE不是不费力气就能成功的“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不需保守调试策略。并行工程lCE的体系结构及关键技术l1）CE的体系结构l在产品并行设计过程中，按四个阶段进行设计和评价：l产品概念设计l结构设计及其评价l详细设计及其评价l产品总体性能评价并行工程l2)CE的关键技术l产品开发过程的重构。并行工程的产品开发过程是跨学科群组在计算机软硬件工具和网络通信环境的支持下，通过规划合理的信息流动关系及协调组织资源和逻辑制约关系，

37、实现动态可变的开发任务流程。并行工程l集成产品信息模型。并行设计强调产品设计过程上下游协调与控制以及多专家系统协同工作，因此设计过程的产品信息交换成为关键问题，它是并行设计的基础。集成产品信息模型是为产品生命周期的各个环节提供产品的全部消息。基于STEP标准，对产品进行定义和描述。基于广义特征，建立产品生命周期内的集成产品信息模型。广义特征包括产品开发过程小全部特征信息。并行工程l并行设计过程协调与控制。并行设计的本质是许多大循环过程中包含小循环的层次结构，它是一个反复迭代优化产品的过程。产品设计过程的管理、协调与控制是实现并行设计的关键。产品数据管理能对并行设计起到技术支撑平台的作用。它集成

38、和管理产品所有相关数据及其相关过程。l 虚拟制造（虚拟制造（VM一一Virtual Manufacturing）l 虚拟制造是以现在的计算机仿真、建模为基础，集计算机图形学、智能技术、并行工程、人工现实技术和多媒体信息技术为一体，由多学科知识形成的综合系统技术。l 虚拟企业是全球制造的基础，在虚拟企业中的“虚拟”并非没有，它是利用不同地区的现有资源，最快推出高质量、低成本的新产品的办法，是把不同地区的现有资源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。l(1)虚拟企业的特点：虚拟企业的特点：l 1）功能的虚拟化。l 2）组织的虚拟化。l 3）地域的虚拟化。

39、l 虚拟制造技术将从根本上改变设计、试制、修改设计和规模生产的传统制造模式。在产品真正制造出之前，首先在虚拟制造环境中生产软件产品原型（Soft Prototype）代替传统的硬样品（Hard Prototype）进行试验，对其性能和可制造性进行预测和评价，从而缩短产品的设计与制造周期，降低产品的开发成本，提高系统快速响应市场变化的能力。l （2）虚拟企业的实质 它突破企业的有形界线并延伸企业的功能。原始的虚拟企业就是零件的外包加工的虚拟生产，即通常所说的“两头在内，中间在外”。这样就可以集中公司的人力资源，专攻附加值高的产品的开发、装配、营销和服务。由于没有设备的局限性，不同产品的生产调整费

40、很低，因而企业可以很快地反映市场上的变化，使企业具有较大的生产柔性，增加了竞争优势。l l虚拟制造或企业是实现敏捷制造的重要方法。这种企业不存在庞大的、固定不变的制造系统与组织实体。一旦市场与顾客有某种需求，虚拟企业通过信息网络寻找合适的工程、制造与管理实体，形成新的、临时的制造系统与该项目组的组织。并按并行工程的模式高速度、高质量、低成本设计与制造出符合这一特殊需求的新的产品（顾客化产品）。一旦任务完成，虚拟企业立即解散。各实体将回到原先组织，总结经验、改进原先基本单元、基本技术、基本工艺与基本服务。并在这次工程项目实践经验与市场需求推动下，在相关基础理论的最新成就支持下研究、设计与开发新的

41、、更为基本的、更加先进的工程实体、制造实体与服务实体。也为下一次更新的、更大风险、更大效益的机遇做好理论、技术与基本实体的准备。l （3）虚拟企业的策略是利用外部资源，减少投资风险，加速实现企业的市场目标。如图l33所示，描述了由远程网络构成的一个跨国虚拟企业的例子。l 在这样的企业中，产品的开发、市场营销、加工制造和装配调试分布在不同的地点，通过计算机网络加以连接和控制，并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，实时地进行资产重组，实现社会资源的优化。l 这些组织原则与工作策略完全符合自然界的进化规律与现代科学的基本原理。世界上的工作分成两大类，即：认识世界与改造世界。人们对世

42、界认识得越深刻、规律把握得越深透，就可能将世界改造得越好越彻底。但是人的精力总是有限的，任何部门与公司的资源也是有限的，因此，科学地分工与有效的合作是现代管理与组织的重要原则。虚拟制造企业就是这些科学思想的体现。l （4）网络上的虚拟企业及其虚拟制造信息服务 虚拟企业是全球制造的基础，网络化的全球制造不仅是跨国大公司的未来，中小企业也可以通过网络上的虚拟企业来实现全球制造。事实上，跨国公司为了实现全球制造，也正在逐步分布化和虚拟化。虚拟制造信息服务网络是网络化制造系统的一个重要组成部分。组织虚拟企业的第一步就是寻找合适的伙伴，虚拟制造信息服务网络可以及时提供企业所需的各种信息，例如查询：l 1

43、）产品、价格和供货期。l 2）产品设计的技术服务或专利。l 3）零件加工能力和费用。l 4）特种加工工艺方法。l 5）虚拟的产品展览室。l 6）运输和仓贮服务等。l l虚拟制造信息服务网络是以Internet为基础的专用信息网络，可以显著地加快信息的沟通。目前已经出现了不同类型的信息服务网络。它是以Internet为基础的黄页采购手册，借助它可以进行市场调查研究，实现网上实时订货和交易。更重要的是它可以提供专业技术或资源并有查询功能，为组织虚拟企业创造条件。l全球制造（全球制造（GM一一 Global Manufacturing）l 全球制造是在世界范围内实现企业多种柔性和敏捷性的一种新的制造

44、概念和模式。l 制造网络化与绿色制造（制造网络化与绿色制造（Green Manufacturing）l 由于网络技术特别是 Interned Intranet技术的发展，正在给企业制造活动带来新的变革，其影响的深度、广度和发展速度往往远超过人们的预测。基于网络的制造，包括以下几个方面：l l）制造环境内部的网络化，实现制造过程的集成。l 2）制造环境与整个制造企业的网络化，实现制造环境与企业中工程设计、管理信息系统等各子系统的集成。l 3）企业与企业间的网络化，实现企业间的资源共享、组合与优化利用。l 4）通过网络，实现异地制造。l 制造网络化也给制造绿色化提供了强有力的技术支撑，制造业量大面

45、广，对环境的总体影响很大。可以说，制造业一方面是创造人类财富的支柱产业，但同时又是当前环境污染的主要源头。环境、资源、人口是当今人类社会面临的三大主要问题。特别是环境问题，其恶化程度与日剧增，正在对人类社会的生存与发展造成严重威胁。近年来的研究和实践使人们认识到环境问题决非是孤立存在的，它和资源、人口两个问题有着根本性的内在联系。特别是资源问题，它不仅涉及人类世界有限的资源如何利用，而且它又是产生环境问题的主要根源。因此，最有效地利用资源和最低限度地产生废弃物，是l当前世界上环境问题的治本之道，如何使制造业尽可能少地产生环境污染也是当前环境问题研究的一个重要方面。由此绿色制造（Green ma

46、nufacturing）这一全新的概念由此应运而生。l 绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的影响（负作用）最小，资源效率最高。绿色制造是可持续发展战略在制造业中的体现，或者说绿色制造是现代制造业的可持续发展模式。l 绿色制造涉及的面很广，涉及到产品的整个生命周期。对制造环境和制造过程而言，绿色制造主要涉及到资源的优化利用、清洁生产和废弃物的最少化及综合利用。绿色制造是目前和将来制造自动化系统应该予以充分考虑的一个重大问题。l l 制造自动化是一个动态概念，有着十分广泛和深刻的内涵。目前制造

47、自动化技术的研究非常活跃，主要表现在制造系统中的集成技术和系统技术、人机一体化制造系统、制造单元技术、制造过程的计划和调度、柔性制造技术和适应现代生产模式的制造环境的研究方面。制造自动化技术的发展趋势可用“六化”简要描述，即制造全球化、制造敏捷化、制造网络化、制造虚拟化、制造全球化、制造敏捷化、制造网络化、制造虚拟化、制造智能化和制造绿色化。制造智能化和制造绿色化。l 精良生产（精良生产（LPLean Product on）l 精良生产是50年代日本丰田汽车公司首创的生产方式。精良生产又称为精益生产，集单件生产与大批量生产方式的优点，以“人”为中心，以“简化”为手段，以“尽善尽美”为最终目标，

48、使人员、设备大为减少，产品开发周期大为缩短，而生产出的产品品种更多，质量更好。这种生产方式到了20世纪60年代已经成熟，它不仅使丰田，而且使整个日本的汽车工业以至日本经济达到了今天的世界领先水平。l （1）精良生产方式）精良生产方式 是以最少投入来获得成本低、质量高、产品投放市场快、用户满意为目标的一种生产方式。与大批量生产方式相比较，采用精良生产方式的工厂中的工作人员、市场占用的场地、设备投资、新产品开发周期、工程设计所需工时、现场存货量等一切投入都大为减少，废品率也可大为降低。精良生产方式主张并力图消除一切非生产的费用，而且能生产出更多更好的满足用户各种需求的变型产品。表l2所示是20世纪

49、80年代中期日本精良生产方式与美国大批量生产方式在汽车工业产品设计、开发方面的各种指标的比较。l 由此可见，精良生产与大批量生产之间的根本区别在于目标的制定。大批量生产模式的目标是足够好，而精良生产的目标是力求不断完善、实现的方法是不断改进逐步优化。精良生产方式精良生产方式l精良生产LP(Lean production)l LP的提出及发展背景l 50年代初，制造技术的发展突飞猛进，数控、机器人、可编程序控制器、自动物料搬运器、工厂局域网、基于成组技术的柔性制造系统等先进制造技术和系统迅速发展但它们只是着眼于提高制造的效率，减少生产准备时间，却忽略了可能增加的库存而带来的成本的增加。当时日本丰

50、田汽车公司副总裁大野耐一先生开始注意到制造过程中的浪费是造成生产率低下和增加成本的根结，他从美国的超级市场受到启迪，形成了看板系统的构想，提出了报时生产制JIT。精良生产方式lLP的内涵及体系l 精良生产的核心内容是准时制生产方式JIT(Just in time)，该种方式通过看板管理，成功地制止了过量生产，实现了“在必要的时刻生产必要数量的必要产品”，从而彻底消除产品制造过程中的浪费，以及由之衍生出来的种种间接浪费，实现生产过程的合理性、高效性和灵活性。JIT方式是一个完整的技术综合体，包括经营理念、生产组织、物流控制、质量管理、成本控制、库存管理、现场管理等在内的较为完整的生产管理技术与方