现代生产与管理模式.ppt

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1、现代制造技术,2010年9月,电 子 课 件,第五章 现代生产与管理模式,5.1 成组技术 5.2 计算机辅助工艺过程设计5.3 精益生产5.4 敏捷制造5.5 并行工程5.6 虚拟制造,5.1 成组技术,5.1.1 成组技术的原理与相似性,市场竞争日益激烈，产品更新换代越来越快。多品种、中小批生产方式约占75%80%，产品的生产效率低、成本高、市场竞争能力差。如何用规模生产方式组织中小批产品的生产成组技术就是针对这种需求而发展起来的一种先进技术。充分利用事物间的相似性，将许多具有相似信息的研究对象归并成组，并用大致相同的方法去解决相似组中的生产技术问题，以达到规模生产的效果，这种技术统称为成

2、组技术。,5.1 成组技术,5.1.1 成组技术的原理与相似性,1.成组技术原理 成组技术的基本原理就是充分挖掘和利用零件之间的“相似性”，如图5-1所示。,2.零件相似性 前联邦德国的奥匹兹教授等人首先对零件相似性进行了系统研究，阿亨工业大学的机床与生产工程实验室在他领导下，对机床、发动机、矿山机械、仪表、纺织机械等26个产品中的45000种零件进行了统计分析，得出了有关零件相似性的几个重要规律。,5.1.1 成组技术的原理与相似性,（1）在机械制造业中，尽管产品功能、结构要素、几何尺寸等各不相同，但组成产品的各种零部件都可分为特殊件、相似件和标准件三大类。其中相似件约占零件种类的70%，是

3、实施成组技术的主要零件。（2）每类零件在同类产品中所占的数量存在一定稳定性，即零件种类与其数量的相关性。（3）在一定时期内，同类零件的最大尺寸不会有大的变动。,5.1.1 成组技术的原理与相似性,1.零件分类编码系统的作用（1）利用零件分类编码系统能够得出企业生产零件的频谱和特征信息，为企业进行生产合理化改造和制定技改、技措方针等提供重要的原始资料。（2）零件分类编码系统提供了十分有效的零件检索手段，能够使大量己有的、并被证明十分可靠的资料，得到重复利用；为计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助工艺设计（CAPP）提供技术支持。（3）零件分类编码系统是实现设计工艺标准化的基础。通过整理零件分类编

4、码，能汇集出相似结构、或相似工艺的零件组。,5.1.2 零件的分类编码系统,（4）零件分类编码系统的推广应用有利于实现专业化生产，成组技术是真正实现企业间、甚至行业间横向联系的可靠纽带，可以带来有效的经济效益和社会效益。（5）零件分类编码系统的应用有助于生产信息管理和使用的合理化。2.零件分类编码系统的结构 1）零件分类编码系统的总体结构（1）整体式结构。整个系统为一整体，中间不分段。通常功能单一，码位较少的分类编码系统常用这种结构形式。（2）分段式结构。整个系统按码位所表示的特征性质不同，分成23段，通常有主辅码分段式和子系统分段式两种形式。分段式结构的分类编码系统在使用上具有较好的灵活性，

5、能适应不同的应用需要。,5.1.2 零件的分类编码系统,2）零件分类编码系统码位之间的结构 分类编码系统各码位间的结构有三种形式。（1）树式结构（图5-2(a)）,5.1.2 零件的分类编码系统,（2）链式结构（图5-2(b)），也称为并列结构或矩阵结构。（3）混合式结构（图5-2(c)），指系统中同时存在以上所说的两种结构。3.常见零件分类编码系统 国内外公开发表的分类编码系统多达百余种，其形式和内容也是多种多样，码位从3位到80位不等。目前，国内外制造业中应用比较广泛的零件分类编码系统分别是OPITZ系统、KK3系统和JLBM1系统。,5.1.2 零件的分类编码系统,1）OPITZ系统 总

6、体结构如图5-3所示，由9位十进制数字代码组成。前5位为几何码（又称主码），分别代表零件的种类、基本形状、回转表面加工、平面加工、辅助孔、轮齿、型面加工。后4位为辅助码，分别代表主要尺寸（直径或边长）、材料类型、毛坯形状、加工精度。每一码位有10个特征码。该代码对回转体形状描叙比较完善，但对非回转体及零件外部尺寸的描述比较粗糙，尤其是对工艺特征描叙不够。使用这种编码系统可能会使一部分零件的代码具有不确定性。,5.1.2 零件的分类编码系统,5.1.2 零件的分类编码系统,5.1.2 零件的分类编码系统,5.1.2 零件的分类编码系统,2）KK3系统 由21位十进制数字代码组成，代码含义比较明确

7、，但位数太多，编码困难。采用手工编码几乎不可能完成。3）JLBM1系统 JLBM1系统是我国机械工业部门为在机械加工中推行成组技术而开发的一种零件分类系统，它采用混合式代码结构（图5-4），由15位代码组成。第1、2位码代表零件名称类别；第39位是形状与加工码（为主码）；第1015位代码为辅助码，分别代表材料、毛坯原始形态、热处理、主要尺寸、加工精度；每一码位有10个特征码。该编码系统吸收了以上两个编码系统的优点，但存在位数偏多的缺点。,5.1.2 零件的分类编码系统,5.1.2 零件的分类编码系统,4.企业零件分类编码系统的建立 一般有以下三种方法：1）企业自主研发 只适用于资金和技术力量都

8、比较雄厚的大企业，一般的中小型企业用这种方法并不经济实用。2）采用商品化的系统 需要比较大的投资，但比企业自主研发投入的时间要少 些，它使企业能够迅速、可靠地应用零件分类编码系统。3）改进公开出版的系统 很多企业都采用这种方式来开发自己的分类编码系统。,5.1.2 零件的分类编码系统,主要有视检法、生产流程分析法和编码分类法三类，其他方法大都是以上三种类型的衍生物。1.视检法（目测法）由具有一定经验的人员直接观测零件图或实际零件以及零件的制造过程，并依靠其经验作出判断，对零件进行分类成组。这种方法十分简单，在生产零件品种不多的情况下，可取得成功。但当零件种数比较多时，由于受人的观测和判断能力的

9、限制，往往难以获得满意的结果。据国外资料报导，当零件种数大于200时，要取得完全成功是比较困难的。,5.1.3 零件分类成组,2.生产流程分析法 以零件的加工工艺过程为依据，把工艺过程相近似的零件归为一类，形成加工族，并安排在一个加工单元内加工。应用生产流程分析法进行零件的分类成组时，首先要定义分类成组零件的范围和数量，是生产的所有零件还是一些典型零件需要分类？一旦确定了零件的范围，就可以按照下述步骤来进行分类：（1）数据收集；（2）工艺路线分类；（3）绘制机床零件相关矩阵；（4）分类成组；（5）检查并平衡机床负荷。,5.1.3 零件分类成组,3.编码分类法 首先要确定一个零件分类编码系统，并

10、利用该系统对需要分类的零件进行编码。然后制定各零件族的相似性标准，根据这一相似性标准进行零件的归组。为制定零件族相似性标准，又有特征码位法、码域法和特征位码域法三种方法。1）特征码位法（表5-1）,5.1.3 零件分类成组,5.1.3 零件分类成组,2）码域法（表5-2）,5.1.3 零件分类成组,3）特征码位码域法（表5-3）,5.1.3 零件分类成组,1.产品设计方面 产品的“三化”（标准化、系列化、通用化）是减少重复设计、减少基本零件种数的基本方法。成组技术的思想与产品“三化”的目标不谋而合。成组技术要求在新产品设计中尽量采用已有产品的零件，减少零件形状、零件上的功能要求以及尺寸的离散性

11、。成组技术要求各种产品间的零件尽可能相似，尽可能重复使用，不仅在同系列产品之中如此，在不同系列产品之间也尽可能如此。,5.1.4 成组技术的应用,2.制造工艺方面 成组技术最早用于成组工序，即把加工方法、安装方式和机床调整相近的零件归结为零件组，设计出适用于全组零件加工的成组工序。这样，只要能按零件组安排生产调度计划，就可以大大减少由于零件品种更换所需要的机床调整时间。此外，由于零件组内诸零件的安装方式和尺寸相近，可设计出应用于成组工序的公用夹具成组夹具。只要进行少量的调整或更换某些零件，成组夹具就能适用于全组零件的工序。为此，应将零件按工艺过程相似性分类以形成加工族，然后针对加工族设计成组工

12、艺过程。成组工艺过程是成组工序的集合，能保证按标准化的工艺路线采用同一组机床加工同组内的各零件。以成组技术指导的工艺设计合理化和标准化为基础，不难实现计算机辅助工艺过程设计（CAPP）及计算机辅助成组夹具设计。,5.1.4 成组技术的应用,3.生产组织与管理方面 将零件按工艺相似性分类形成加工组，加工同一组零件有其相应的一组机床设备。因此，成组生产系统要求按模块化原理组织生产，即采取成组生产单元的生产组织形式。在一个生产单元内由一组工人操作一组设备，生产一个或若干个相近的加工组，在此生产单元内可完成各零件全部或部分生产。零件成组后，成组批量比原来的批量扩大很多，因此可以经济、有效地采用可调的高

13、效机床或数控机床进行加工，迅速提高生产效率。另外，成组技术同时也是计算机辅助管理系统的基础之一。,5.1.4 成组技术的应用,4.成组技术与FMS、CIMS关系 以成组技术思想建立FMS，既使系统能加工足够多的零件品种，又可简化系统的结构。因此可以把成组技术作为建立FMS的基础。同时，在成组技术基础上建立的FMS相当于一个生产单元。这种FMS的生产单元实现了工艺过程的全部柔性自动化，从而把成组技术的实施提高到一个新的水平。CIMS是通过企业的信息集成以取得企业整体效益的计算机综合应用系统，信息集成是实施CIMS的基础。企业的信息包括从产品设计制造到生产经营与管理的所有信息，为了实现范围如此广泛

14、的信息的集成，需要对信息进行分类编码。可以应用成组技术的基本原理建立面向企业的信息分类编码系统，从而把系统中的有关环节连接到一起。我国CIMS实验工程及各CIMS应用工程都在不同层次上应用了成组技术，并取得了一定的经济效益。,5.1.4 成组技术的应用,5.成组技术的效益 在多品种、中小批生产企业实施成组技术所能获得的经济效益是多方面的。据国内外的研究表明，实施成组技术的综合技术经济经济效益如图5-5所示。,5.1.4 成组技术的应用,5.2 计算机辅助工艺过程设计,5.2.1 CAPP的概念,尽管CAPP系统的种类很多，但其基本结构都离不开零件信息的输入、工艺决策、工艺数据/知识库、人机界面

15、与工艺文件管理等五大部分。1.零件信息的输入 计算机目前还不能像人一样识别零件图上的所有信息，所以在计算机内部必须有一个专门的数据结构来对零件信息进行描述。如何描述和输入零件信息是CAPP最关键的问题之一。,2.工艺决策 工艺决策是整个系统的指挥中心。它的作用是以零件信息为依据，按预先规定的顺序或逻辑，调用有关工艺数据或规则，进行必要的比较、计算和决策，生成零件的工艺规程。3.工艺数据/知识库 工艺数据/知识库是系统的支撑工具。它包含了工艺设计所需要的所有工艺数据（如加工方法、切削用量、机床、刀具、夹具、量具、辅具以及材料、工时、成本核算等多方面的信息）和规则（包括工艺决策逻辑、工艺经验等，如

16、加工方法选择规则、排序规则）。如何表示工艺数据和知识，使知识库便于扩充和维护，并适用于各种不同的企业和产品，是CAPP系统需要迫切解决的问题。,5.2.1 CAPP的概念,4.人机界面 人机界面是用户的工作平台。包括系统菜单、工艺设计的界面、工艺数据知识的输入和管理界面，以及工艺文件的显示、编辑、打印输出等。5.工艺文件管理 一个系统可能有上千个工艺文件，如何管理和维护这些文件是CAPP系统的重要内容。,5.2.1 CAPP的概念,1.零件分类编码法 零件分类编码法是派生式CAPP系统采用的主要方法。其缺点是即使采用较长码位的分类编码系统，也只能达到“分类”的目的。对于一个零件究竞由多少形状要

17、素组成，各个形状要素的本身尺寸及相互位置尺寸、精度要求，分类编码法都无法解决。因此，如果需要对零件进行详细描述，就必须采用其他描述方法。2.零件表面元素描述法 任何一个零件都被看成是由一个或若干个表面元素所组成，这些表面元素可以是圆柱面、圆锥面、螺纹面。,5.2.2 CAPP系统中零件信息的描述,3.零件特征描述法 把单个特征表示为以形状特征为核心，由尺寸、公差和其他非几何属性共同构成的信息实体。针对机械加工工艺过程设计，我们可以把零件特征定义为：机械零件上具有特定结构形状和特定工艺属性的几何外形域，它与特定的加工过程集合相对应。零件信息模型是计算机内部对零件信息的一种描述与表达方式，该模型利

18、用计算机进行零件图绘制、工艺决策和推理、尺寸链计算、工序图生成、刀具路径规划以及仿真等工作。在CAPP系统内部如何组织和表达零件信息，使之既便于CAPP系统应用，又便于与CAD/CAM集成，是一个非常重要的课题。,5.2.2 CAPP系统中零件信息的描述,1.派生式CAPP系统 派生式CAPP系统，也称变异式CAPP系统，它是以成组技术为基础，利用零件的相似性，通过对产品零件的分类归组，可以把工艺相似的零件汇集成零件组，然后编制每个零件的标准工艺，并将其存入CAPP系统的数据库中。这种标准工艺是符合企业生产条件下的最优工艺方案。一个新零件的工艺，是通过检索类似零件的工艺并加以筛选或编辑而成，由

19、此得到了“派生”或“变异”这个术语。派生式CAPP系统工作原理如图5-6所示。,5.2.3 CAPP系统的类型及其应用,5.2.3 CAPP系统的类型及其应用,2.创成式CAPP系统 也称为生成式CAPP系统。它不是利用相似零件组的复合工艺修改或编辑生成，不需要派生法中的复合工艺文件；而是依靠系统中的决策逻辑和制造工艺数据信息生成。这些信息主要是有关各种加工方法的加工能力和对象，各种设备及刀具的适用范围等一系列的基本知识。工艺决策中的各种决策逻辑存入相对独立的工艺知识库，供主程序调用。创成式CAPP系统工作原理如图5-7所示。,5.2.3 CAPP系统的类型及其应用,5.2.3 CAPP系统的

20、类型及其应用,3.智能式CAPP系统 传统的创成式系统由于决策逻辑嵌套在应用程序中，系统结构复杂，不易修改。目前的研究工作主要转向智能式CAPP系统。在智能式CAPP系统中，工艺专家编制工艺的经验和知识存在知识库中，它可以方便地通过专用模块增删和修改，这就使系统适应性的通用性大大提高。智能式CAPP系统工作原理如图5-8所示。,5.2.3 CAPP系统的类型及其应用,5.2.3 CAPP系统的类型及其应用,目前，国内应用的CAPP系统多数为派生式。派生式CAPP系统开发完成后，工艺人员就可以便用该系统为实际零件编制工艺规程。具体步骤如下：（1）按照采用的分类编码系统对零件编码。（2）检索该零件

21、所在的零件族。（3）调出该零件族的标准工艺规程。（4）利用系统的交互式修订界面，对标准工艺规程进行筛选、编辑、或自动修订。有些系统能提供自动修订的功能，但这需要补充输入零件的一些具体信息。（5）将修订好的工艺规程存储起来，并按给定的格式打印输出。派生式CAPP系统的应用，不仅可以减少工艺人员编制工艺规程的工作，而且相似零件的工艺过程可达到一定程度上的一致性。此外，从技术上讲，派生式CAPP系统容易实现。,5.2.3 CAPP系统的类型及其应用,1.开目CAPP系统 不仅提供了基于数据库的大型工艺集成设计与管理环境，具备强大的处理复杂工艺数据表格的功能；而且提供了严格的工艺权限和工艺流程管理功能

22、，支持团队并行工艺开发，并提供了和二次开发接口工具。其工艺规程编制以开目CAD为平台，具有功能强大的绘图工具和文字编辑功能。在绘图方面除吸收了开目CAD的所有特点外，还特别提供了工艺简图外轮廓与加工面的特殊绘制方法。在编辑工艺内容时，可以查询系统提供的各种字符库、工程符号库以及企业的各种工艺资源库。提供了用于材料消耗定额计算和工时定额计算的公式管理器。,5.2.4 国内外常用的CAPP软件,2.天河CAPP系统 针对大、中型企业工艺制造信息化的解决方案，构建企业工艺、制造信息网络协同工作平台环境。包括工艺设计、工艺管理、企业数据处理、二次开发框架与接口、与PDM/ERP系统集成接口等模块；完全

23、基于网络、数据库，实用、智能、开放、安全、满足各专业的设计要求及系统集成要求。主要功能特点是：“所见所得”，高效实用；实时支持企业卡片标准的更新；可满足企业的工艺设计要求；自动汇总及报表；提供二次开发接口，满足集成要求；企业可方便地扩充天河CAPP的功能，迅速开发出适合本企业的专用CAPP系统；可以方便建立企业工艺管理模型，快速实现工艺任务流程管理；天河CAPP系统提供安全、实用、完善的权限系统、保证用户工艺数据的安全。,5.2.4 国内外常用的CAPP软件,3.西工大CAPP 西工大CAPP是陕西金叶西工大软件股份有限公司开发的集成化CAPP应用框架与开发平台。主要功能包括：产品结构管理、工

24、艺分工计划、材料定额、工艺设计、工艺信息管理、工艺文档管理、工艺审批流程管理、产品工艺配置、工艺文档浏览、工艺/制造资源管理、工艺知识推理、工艺信息建模、工艺卡片定制、用户管理、系统配置管理等。,5.2.4 国内外常用的CAPP软件,4.大天CAPP（GS-CAPP）GS-CAPP是杭州浙大大天信息有限公司的CAPP产品。可进行工艺过程卡及其工序卡的设计，自动统计生成管理用工艺文件，并对整个工艺设计流程进行控制和管理。系统基于分布式数据库设计，采用自顶向下的工艺设计与管理，支持产品零部件不同工艺的并行设计，内置GS-ZDDS二维绘图工具。,5.2.4 国内外常用的CAPP软件,5.思普CAPP

25、（SIPM/CAPP）SIPM/CAPP是上海思普信息技术有限公司的CAPP产品。思普工艺设计系统（简称SIPM系统）主要包括五个部分：SIPM/BASE基础数据维护系统、SIPM/CCPM工艺卡片格式定制系统、SIPM/PPCD工艺设计系统、SIPM/CAD工序图绘制系统、SIPM/PPDM产品数据管理系统。每个系统均能独立运行，整个工艺工作流程受思普产品数据管理系统 SIPM/PPDM的管理，形成了一个有机整体，为工厂工艺工作提供一个网络化的并行产品设计和工艺设计工作环境。,5.2.4 国内外常用的CAPP软件,6.山大华特CAPP（WIT-CAPP）WIT-CAPP是山东山大华特软件有限

26、公司自主开发的工艺设计与管理系统。它基于产品结构进行工艺数据管理，工艺文件有版本管理，支持分布式协同的工作模式，提供二次开发工具。,5.2.4 国内外常用的CAPP软件,5.3 精益生产（LP）,5.3.1 精益生产的特征和体系,1、精益生产的特征 有以下几个方面：1）以“人”为中心；2）以“简化”为手段；3）以“技术”为支撑；4）以“尽善尽美”为最终目标。,5.3.1 精益生产的特征和体系,2.精益生产的体系结构 准时生产（JIT）、全面质量管理（TQC）、成组技术（GT）、弹性作业人数和尊重人性是精益生产的主要支柱（图5-9）。,5.3.1 精益生产的特征和体系,1）准时生产（JIT）准时

27、制作业（Just-in-time）的基本含义是在所需要的时间、按所需要的数量生产所需要的产品（或零部件）。其目的是加快半成品的流动，将资金的积压减少到最低限度，从而提高企业的生产效益。2）全面质量管理（TQC）全面质量管理（Total Quality Control，TQC）是保证产品质量、树立企业形象和达到零缺陷的主要措施，是实施精益生产方式的重要保证。,5.3.1 精益生产的特征和体系,全面质量管理（TQC）有以下几层含义。（1）全方位质量管理。不仅对产品的功能质量进行管理，而且对现代质量概念的各个方面进行管理，包括寿命、可靠性、安全性及可负担性等方面的质量管理。（2）全过程质量管理。不仅

28、对加工制造过程进行管理，而且对市场调查、产品设计开发、外协准备、制造装配、检查试验、售后服务等影响产品质量的所有环节进行管理，重在排除上述过程中引起废品的因素，而不是在最终检查中剔除废品。（3）全员质量管理。企业的所有人员，上自经理，下至操作工人，全都参与质量管理，自己检查产品，100%地检查，自我纠正误差，不断改进方案。为了便于全员参加质量管理，需要下功夫使产品质量标准变得直观易懂，增强质量“可见性”，强化全员的质量意识。,5.3.2 精益生产的应用,1.在航空工业的应用 美国洛克希德公司认为精益生产方式适用于战斗机、战术运输机、导弹和卫星生产的所有领域，包括F-22这种末来主要型号战斗机。

29、为实现F-22项目规定的某些宏伟目标，例如在某些情况下，减少生产车间工作量的80%90%，公司总经理决定设立“重点工厂”，强调优化流程和消除浪费。这就必须按精益生产的思想进行设计和制造，并开始在现有的一些项目中实现精益生产。洛克希德公司的福特沃思分公司主动向美国空军许诺，每年降低1224架F-16C战斗机的价格，每架飞机的费用降低300万2000万美元。,5.3.2 精益生产的应用,2.在赛车企业的应用 英国的阿斯顿马丁（Astom Martin）公司是一家有着60余年豪华名牌赛车生产历史的明星企业。80年代未90年代初，公司的经营陷入了困境。为了走出困境，该公司1991年开始按照精益生产的思

30、路，采取了一系列改革措施。这些措施的要点是：（1）领导方面。承认企业根本的变化必须首先从领导层开始。（2）人员方面。消除管理人员与工作人员之间的壁垒，打开公司雇员参与管理的局面，并培育人际间的信任与合作关系，充分发挥人的作用。,5.3.2 精益生产的应用,（3）产品开发方面。引入并行工程的概念，成立并行工程产品开发小组，并将质量贯穿于整个产品开发过程。（4）生产方面。承认人是生产一线的主体；通过改变车间布置、减少换装时间和生产批量等措施来引入JIT，并采用看板控制生产过程和库存，从而消除了以前的生产秩序混乱、库存量高等问题。（5）供应方面。减少供应商，实行供应商证书制，实行JIT供货。（6）生

31、产能力方面。成立雇员参与的问题解决小组，致力于提高生产率的改进工作。（7）产品质量方面。通过过程质量控制来提高产品质量。,5.4 敏捷制造（AM）,5.4.1 敏捷制造的内涵及特点,1、敏捷制造的内涵 敏捷制造（又称为灵捷制造）作为一个新型制造模式，在概念和组成上在不断地更新和发展，目前尚无统一、公认的定义。通常可以这样认为：敏捷制造是在“竞争合作/协同”机制作用下，企业通过与市场/用户、合作伙伴在更大范围、更高程度上的集成，提高企业竞争能力，最大限度地满足市场用户的需求，实现对市场需求做出灵活、快速反应的一种制造新模式（图5-10）。,5.4.1 敏捷制造的内涵及特点,敏捷制造强调“竞争合作

32、/协同”，采用灵活多变的动态组织结构，改变过去以固定专业部门为基础的静态不变的组织结构，以最快的速度从企业内部某些部门和企业外部不同公司中选出设计、制造该产品的优势部分，组成一个单一的经营实体。企业制造的敏捷性不主张借助大规模的技术改造来刚性地扩充企业的生产能力，不主张构造拥有一切生产要素、独霸市场的巨型公司，制造的敏捷性提出了一条在市场竞争中获利的清新思路。,5.4.1 敏捷制造的内涵及特点,2.敏捷制造的特点 1）敏捷制造是自主制造系统 敏捷制造具有自主性，每个工件和加工过程、设备的利用以及人员的投入都由基本单元自己掌握和决定，使得系统简单、易行、有效。2）敏捷制造是虚拟制造系统 敏捷制造

33、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，其目标在于能够随着环境的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。3）敏捷制造是可重构制造系统,5.4.1 敏捷制造的内涵及特点,敏捷制造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个方面的能力。它有预计完成变化活动的能力，通过对制造系统的硬件重构和扩充，适应新的生产过程，要求软件可重用，能对新制造活动进行指挥、调度与控制。,5.4.1 敏捷制造的内涵及特点,1.产品设计和并行工程 产品设计和并行工程的使命就是按照客户需求进行产品设计、分析和优化，并在整个

34、企业内实施并行工程。通过产品设计和并行工程，产品设计者在产品的概念设计阶段就要考虑产品整个生命周期的所有重要因素，诸如质量、成本、性能，以及产品的可制造性、可装配性、可靠性、可维护性等。2.虚拟制造 虚拟制造提供了一个功能强大的模型和仿真工具集，并且在制造过程分析和企业模型中使用这些工具。,5.4.2 敏捷制造的关键技术,3.制造计划与控制 其任务就是描述一个集成的宏观（企业的高层计划）和微观（详细的生产系统信息，包括制造路径、详细数据以及支持各种制造操作的信息等）计划环境。该系统将使用基于特征的技术、与CAD数据库的有效连接方法、具有知识处理能力的决策支持系统等。4.智能闭环加工 智能闭环加

35、工就是应用先进的控制和计算机系统以改进车间的控制过程。当各种重要参数在加工过程中能够得到监视和控制时，产品质量就能够得到保证。智能的闭环加工将采用投资少、效益高、以计算机为基础的具有开放式结构的控制器，以达到改进车间生产的目标。,5.4.2 敏捷制造的关键技术,5.虚拟公司 虚拟公司是指企业群体为了赢得某一个机遇性市场竞争，迅速开发某一复杂的产品并推向市场。虚拟企业是由一个企业内部有优势的不同部分和有优势的不同企业，按照资源、技术和人员的最优配置，快速组成的一个功能单一的临时性的经营实体，因此能够迅速抓住市场机遇。这种以最快的速度把企业内部的优势和企业外部不同公司的优势集合起来所形成的竞争力，

36、是以固定专业部门为基础的静态不变的组织结构对市场的竞争力所无法比拟的。,5.4.2 敏捷制造的关键技术,5.4.3 实施敏捷制造的流程,1.企业敏捷制造战略选择 企业敏捷制造战略选择包括确定企业的敏捷制造战略，产品的吸引力与企业的相对竞争地位，要建立的竞争优势，竞争优势的基本优势分解，基本优势的获得性和合理性分析，战略的实施时机和实施策略分析等。在进行选择时必须做好相关的目标制定和目标管理。2.企业敏捷化建设 包括企业经营策略的相应转变和相关的技术准备。企业经营策略需作如下转变：1）员工的敏捷化培训；2）企业的功能/过程分析与重组；3）相应的组织/人员/信息/资源/功能的调整；4）企业的技术准

37、备。,5.4.3 实施敏捷制造的流程,3.敏捷制造系统构建 敏捷制造系统构建主要分为两部分：方案设计和方案实施。其主要任务则是从结构化分析与结构化设计的角度出发，进行系统逻辑层面的建模及物理系统的构建，从而形成功能、过程、组织、信息、资源间的交互与集成。4.敏捷制造系统的运行与管理 敏捷制造系统运行是在敏捷制造方法论的指导下，对系统的功能、过程、组织人员、信息、资源、利润框架等进行系统分析和综合管理。系统运行管理的主要内容有系统的描述与分析方法、决策、管理方法、评价体系/保证体系/安全体系、技术支持等。,5.4.3 实施敏捷制造的流程,5.5 并行工程,5.5.1 并行工程的概念,并行工程的提

38、出，改变了传统的串行工程的企业组织结构与工作方式、以及人们的思维方法。为了实现并行工程，首先要在设计阶段完成设计人员的集成（即组织一个多功能小组，强调小组成员的协同工作），共享信息，在统一有效的管理下，借助先进的通信手段，使各项工作交叉、并行、有序地进行，从而尽早考虑产品整个生命周期中的所有因素，尽快发现并解决问题，以确保设计与制造的一次成功。有人把并行工程环境比作一个并行工程轮，如图5-12所示。,5.4.1 并行工程的概念,5.5.2 并行工程的特点及效益,大量实践表明，实施并行工程可以获得明显的经济效益。据统计，实施并行工程可以使新产品开发周期缩短40%60%，早期生产中工程变更次数减少

39、一半以上，产品报废及返工率减少75%，产品制造成本降低30%40%。,5.5.3 并行工程的关键技术,1.产品开发过程的重构技术 企业要实施并行工程，就要对企业现有的产品开发流程进行深入分析，找出影响产品开发进展的根本原因，重新构造能为有关各方所接受的新模式。实现新的模式需要两个保证条件：一是组织上的保证；二是计算机工具和环境的支持，如DFA、DFM、PDM等。2.并行工程的开发团队（IPT）并行工程是按多功能组划分结构的，这就使得专业知识成为必须。产品开发组是由几个精通不同技术、专业学科的子单元组成的，各子单元的成员包括：产品计划人员、产品概念工程师和分析员、产品设计人员、原型设计工程师、制

40、造工程计划人员、管理和控制人员、计算机集成制造和装配人员、交货和支持成员等。,5.5.3 并行工程的关键技术,3.面向X的设计（DFX）较常用的是DFA和DFM。DFA的主要作用是：制定装配工艺规划，考虑装拆的可行性；优化装配路径；在结构设计过程中，通过装配仿真考虑装配干涉。DFA的应用将有效地减少产品最终装配向设计阶段的大反馈，能有效地缩短产品开发周期。同时，DFA也可以优化产品结构，提高产品质量。DFM作为一种设计方法，其主要思想是在产品设计时不但要考虑功能和性能要求，而且要同时考虑制造的可能性、高效性和经济性，即产品的可制造性（或工艺性）。其目标是在保证功能和性能的前提下使制造成本最低。

41、,5.5.3 并行工程的关键技术,4.产品信息集成 并行工程重组产品开发过程的行为，必然涉及产品信息的变化，包括数据结构和数据。5.计算机支持的协同工作（CSCW）计算机支持的协同工作（Computer Support Cooperative Work，CSCW）是研究在计算机技术支持的环境下（CS），特别是在计算机网络环境下，一个群体如何协同工作，完成一项共同的任务（CW）。它的目标是要设计出能支持各种各样的协同工作的工具、环境与应用系统。CSCW系统融计算机的交互性、网络的分布性和多媒体的综合性为一体，为并行工程环境下的多学科小组提供一个协同管理的方式与手段。,5.5.4 并行工程的发展和

42、应用,1.并行工程的发展阶段 在国外的研究和发展大致经历了以下几个阶段：1）理论研究与初步实践阶段（19851992）以美国国防部支持的DARPA/DICE计划、欧洲的ESPRITE II&III计划、日本的IMS计划等作为代表。2）企业的应用阶段（19911996）国外一些著名的大公司开始应用并行工程进行产品开发。3）新发展阶段（1996）这一阶段并行工程发展迅猛，各种新技术不断涌现。如可重用的产品设计方法、网络上的异地协同设计技术、设计中的虚拟现实技术、面向产品生命周期的设计方法学、基于知识的产品数据重用、基于企业级PDM的产品数据管理与共享技术等。,5.5.4 并行工程的发展和应用,2.

43、并行工程的应用 国外一些著名的大公司通过实施并行工程取得了显著的成效。比较典型的实例有波音公司波音777飞机的开发、美国洛克希德公司新型号导弹的开发等。1）波音公司波音777飞机开发；2）洛克希德公司新型号导弹的开发；3）并行工程在国内的应用。,5.6 虚拟制造,5.6.1 虚拟制造的产生和发展,1.虚拟制造的产生背景 随着建模与仿真技术的飞速发展，分布式交互仿真技术对复杂系统的设计与分析带来了巨大帮助，而这些复杂系统足以与现行生产系统相媲美。仿真技术及其相关的建模与优化技术正是信息技术与制造技术结合的桥梁，是企业产生最大经济效益的核心技术。技术计算机图形学、虚拟现实技术和可视化带给人们以强烈

44、的视觉冲击；工程技术人员和客户都迫切希望采用这些先进技术来改进传统制造业，为机械产品的设计、加工、分析以及生产的组织和管理提供一个虚拟的仿真环境，从而能够在计算机上组织和“实现”生产，在产品实际投入生产以前，就对其可制造性和可生产性等各方面的性能进行论证，保证一次投入生产就能够成功。,5.6 虚拟制造,5.6.1 虚拟制造的产生和发展,2.虚拟制造技术的发展 1）美国虚拟制造技术的进展 1994年，NIST开始联合一些大学科研机构、知名企业以及政府部门进行虚拟制造方面的研究，起动了一项长期的研究项目SIMA（System integration of manufacturing applica

45、tions）。该项目覆盖了设计、加工、装配和过程建模及车间控制和调度等方面的活动，着重进行制造信息的描述、系统接口规范的制定和相应测试床的开发等。典型的子项目有：,5.6.1 虚拟制造的产生和发展,（1）计算机协同设计；（2）设计实例库；（3）制造资源的数据表示；（4）以网络为中心的计算机辅助设计和制造；（5）开放式装配设计环境；（6）工程设计测试床。,5.6.1 虚拟制造的产生和发展,2）日本虚拟制造技术的发展 东京大学的Kimura教授等人认为：以模型驱动系统和模块化配置系统是虚拟制造的关键内涵。大阪大学的Onosato教授领导的研究小组强调虚拟制造系统与现实制造系统的兼容性和结构上的相似

46、性，认为虚拟制造系统应该在三个方面实现与现实制造系统的兼容：语义兼容、内容兼容和时间兼容。,5.6.1 虚拟制造的产生和发展,3）其他国家虚拟制造技术的发展 德国、法国、韩国、加拿大等国对虚拟制造技术的研究主要集中在将虚拟制造技术应用于车间级的调度仿真，以及加工、焊接、铸造或装配等过程的动画仿真。但多数研究只是在原有单项仿真的基础上，采用虚拟现实技术改善人机接口，仅仅提供能否加工出来或能否装配等定性分析，缺乏可制造性分析的定量信息；因此对企业的决策只能提供有限的信息，支持的力度还远远不够。,5.6.2 虚拟制造技术的内涵,1.虚拟制造的定义“虚拟制造”就是“在计算机上实现制造的本质内容”。虚拟

47、制造最终提供的是一个强有力的建模与仿真环境，使得产品的规划、设计、制造、装配等均可在计算机上来实现，并且能够对产品生产过程的方方面面提供支持。也就是说，虚拟制造应该包括交互式的设计过程、生产过程、工艺规划、调度、装配规划、从生产线到整个企业的后期服务、财务管理等业务的可视化。,5.6.2 虚拟制造技术的内涵,2.虚拟制造的特点 从虚拟制造的各种定义中，可以看出虚拟制造具有以下突出特点。1）全数字化的产品；2）基于模型的集成；3）柔性的组织模式；4）分布式的协同工作环境；5）仿真结果的高可信度；6）人与虚拟制造环境交互的自然化。,5.6.2 虚拟制造技术的内涵,3.虚拟制造的分类 虚拟制造根据其

48、应用范围，分为以设计为中心的虚拟制造、以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造三类。1）以设计为中心的虚拟制造 其核心思想是把制造信息引入到设计过程，利用制造仿真来优化产品设计，从而在设计阶段就可对设计零件甚至整机进行可制造性分析。包括加工过程的工艺分析，铸造过程的热力学分析，运动部件的运动学和动力学分析；甚至包括加工时间、加工费用和加工精度分析等。,5.6.2 虚拟制造技术的内涵,2）以生产为中心的虚拟制造 其核心思想是将虚拟制造引入到生产过程中，建立生产过程模型来评估和优化生产过程，以便降低费用，快速评价不同的工艺方案、资源需求计划、工艺计划等。其主要目标是可生产性评价，主要解决“这

49、样组织生产是否合理”的问题。3）以控制为中心的虚拟制造 其核心思想是通过对制造设备和制造过程进行仿真，建立虚拟的制造单元；对各种制造单元的控制策略和制造设备的控制策略进行评估，从而实现车间级的基于仿真的最优控制。单元控制器根据制造需求、规划和调度若干个工件在本制造单元的加工工序和各工序的顺序、加工时间等，而每台制造设备的控制器只规划和调度工件在本台设备上的加工顺序和加工代码等。,5.6.3 虚拟制造的关键技术,虚拟制造所涉及的技术领域十分广泛，根据各项技术在虚拟制造中的地位和作用，可以把这些技术划分为建模技术、仿真技术和虚拟现实技术。1）建模技术 是虚拟现实中的技术核心，也是难点之一。虚拟制造

50、系统是现实制造系统在虚拟环境下的映射，是模型化、形式化和计算机化的抽象描述和表示。虚拟制造建模的关键技术应包括：生产模型、产品模型和工艺模型的信息体系结构。（1）生产模型；（2）产品模型；（3）工艺模型。,5.6.3 虚拟制造的关键技术,2）仿真技术 就是应用计算机对复杂的现实系统经过抽象和简化形成系统模型，然后在分析的基础上运行此模型，从而得到系统一系列的统计性能。由于仿真是以系统模型为对象的研究方法，而不干扰实际生产系统，同时仿真可以利用计算机的快速运算能力，用很短时间模拟实际生产中需要很长时间的生产周期，因此可以缩短决策时间，避免资金、人力和时间的浪费。计算机还可以重复仿真，优化实施方案