先進制造技術第五章課件

先進制造技術東北大學先進制造與自動化研究所劉永賢

先進制造技術1摘要先進制造生產模式是應用與推廣先進制造技術的組織方式。本章闡述了在新的國際經濟、科技形勢下，制造業(yè)生產模式的演變和戰(zhàn)略目標。探討了先進制造生產模式有待解決的管理共性問題。在此基礎上簡述了敏捷制造、精益生產、并行工程、智能制造等先進制造模式的定義、內涵、特點、關鍵技術等，從管理及信息集成的角度，為推動制造模式的發(fā)展，闡述了計算機集成制造、企業(yè)資源計劃、虛擬制造、分散網絡化制造系統(tǒng)等管理綜合自動化技術的主要思路和要點。展望了制造業(yè)未來的競爭環(huán)境、競爭模式所面臨的主要挑戰(zhàn)和迎接這些挑戰(zhàn)的關鍵技術。

第五章先進制造生產模式摘要先進制造生產模式是應用與推廣先進制造技術的組織方式25．1制造業(yè)生產模式的演變及產生背景5．1．l制造業(yè)生產模式的演變5．1．2制造業(yè)生產模式產生的背景5．2先進制造生產模式創(chuàng)立基點及戰(zhàn)略目標5．2.1先進制造生產模式的創(chuàng)立基點5．2.2制造系統(tǒng)的工程屬性和經濟屬性5．2．3運營目標對制造系統(tǒng)的功能要求5，2.4先進生產模式的戰(zhàn)略目標5．3先進制造生產模式的管理5．3．1組織創(chuàng)新5．3.2集成經營5．3．3新的質量保證體系5．1制造業(yè)生產模式的演變及產生背景35．3.4重組工程5．3.5以人為本5．3．6人機分工，人機匹配5.3．7用分工協作代替全能5.3．8用并行或交叉作業(yè)代替串行作業(yè)5．4先進制造生產模式5．4．l敏捷制造AM（AgileManufacturing）5．4．2精益生產LP（LeanProduction）5．4．3并行工程CE（ConcurrentEngineering）5.4.4智能制造系統(tǒng)IMS（IntelligentManufactUringSystem）5．4．5全能制造系統(tǒng)HMS（HolosonManufacturingSystem）5．4．6綠色制造GM（GreenManufacturing）5．5管理綜合自動化技術

5．3.4重組工程4

5．5．l計算機集成制造系統(tǒng)CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem）5．5．2企業(yè)資源計劃ERP（EnterpriseResourcePlanning）以及智能資源計劃IRP（IntelligontResourcePlanning）5．5．3虛擬制造VM（VirtualManufacturing）5．5．4分散化網絡制造系統(tǒng)DNPS（DispersedNetworkedProductionSystem）

5．5．l計算機集成制造系統(tǒng)CIMS（Comput5

5．1制造業(yè)生產模式的演變及產生背景5．1．l制造業(yè)生產模式的演變人類制造業(yè)及制造系統(tǒng)生產模式的發(fā)展已有了漫長的歷史。但長期以來，人類社會處于手工技術和手工業(yè)的水平，制造業(yè)及制造生產模式的真正形成與發(fā)展，還只有近兩百年的歷史?；仡櫄v史，人類制造業(yè)的生產方式的發(fā)展大致經歷了四個主要階段。

1．手工與單件生產方式從1765年瓦特蒸氣動力機的發(fā)明，促使制造業(yè)取得了革命性的變化，引發(fā)了工業(yè)革命，出現了工場式的制造廠，從手工業(yè)到機器作業(yè)，從作坊到批量生產，生產率有了較大提高，揭開了近代工業(yè)化大生產的序幕。其基本特征是：（1）采用手動操作的通用機床，按用戶要求進行生產，生產的產品可靠性和一致性不能得到保證。（2）生產效率低，生產成本低。（3）生產者是整臺機器的作坊業(yè)主。（4）工廠組織結構松散，管理層次簡單。

2．大批量生產方式從19世紀中葉到20世紀中葉，由于E．Whitncy提出“互換性”與大批量生產，OliverEvons將傳送帶引入生產系統(tǒng)，F．W．Tnylor的“科學管理”，H．Ford開創(chuàng)的汽車裝配自動流水生產線，使制造業(yè)開始了第一次生產方式的轉換，這種模式推動了工業(yè)化進程，為社會提供了大量的經濟產品，促進了市場經濟的高度發(fā)展，成為各國仿效的生產方式。其主要特征是：5．1制造業(yè)生產模式的演變及產生背景6（1）實行從產品設計、加工制造到管理的標準化和專業(yè)化生產。

（2）采用移動式的裝配線和高效的專用設備。

（3）實行縱向一體化管理。把一切與最終產品相關的工作都歸并到廠內自制。

3．柔性自動化生產方式從50年代開始，人們逐漸認識到剛性自動化的不足：勞動分工過細，導致了大量功能障礙；對市場和用戶需求的應變能力較低；縱向一體化的組織結構形成了臃腫官僚的“大而全”的塔形多層體制。面對市場的多變性和顧客需求的個性化、產品品種和工藝過程的多樣化以及生產計劃與調度的動態(tài)性，迫使人們尋找新的生產方式，提高工業(yè)企業(yè)的柔性和生產率。

1952年美國麻省理工學院試制成功世界上第一臺數控銑床，揭開了柔性自動化的序幕：1958年研制成功“自動換刀鏜銑加工中心；1962年在數控技術基礎上，研制成功第一臺工業(yè)機器人、自動化倉庫和自動導引小車；1966年出現了用一臺大型通用計算機集中控制多臺數控機床的CNC系統(tǒng)：1965年英國莫林公司和美國辛辛那提公司建造了第一條由計算機集中控制的自動化制造系統(tǒng)，定名為柔性制造系統(tǒng)；70年代，出現了各種微型機數控系統(tǒng)、柔性制造單元、柔性生產線和自動化工廠。以上這些技術進步和發(fā)展，標志著柔性生產的開始。與剛性自動化的工序分散，固定節(jié)拍和流水生產的特征相反，柔性自動化的共同特征是：工序相對集中，沒有固定的節(jié)拍，物料的非順序輸送；（1）實行從產品設計、加工制造到管理的標準化和專業(yè)化生產7將高效率和高柔性融于一體，生產成本低；具有較強的靈活性和適應性。

4高效、敏捷與集成經營生產方式自70年代以來，不同時期不同國家的經濟增長、繁榮與停滯、衰退交替出現，企業(yè)所處的外部環(huán)境日趨復雜多變，使得世紀之交的企業(yè)面臨一系列前所未有的挑戰(zhàn)。

（1）市場需求波動，消費者行為更加具有選擇性，產品需求朝多樣化發(fā)展。開放——自由表達——多樣化潮流的發(fā)展，是消費者價值觀念結構性變化的必然結果，消費者不僅要求產品體現個性，且其需求的變化十分迅速。

（2）市場對產品性能、質量要求更高，產品壽命縮短。

（3）國際合作成為科學發(fā)展的強大勢頭。科學技術、經濟、生產及市場的全球化、一體化、社會化已成為必然趨勢，國家間的市場界線即將消失，企業(yè)經營處于全球化競爭環(huán)境之中，科技的發(fā)展對經濟和社會的影響將空前廣泛，愈加深刻。

（4）競爭日趨激烈。技術的迅速發(fā)展，市場的用戶化、經濟的全球化及基于不同基礎上的企業(yè)竟爭行為等組合作用的結果，使競爭形勢瞬息萬變，其速度遠遠超過了現有企業(yè)內部因素變化的速度，使得企業(yè)的生存與發(fā)展愈來愈取決于對市場變化的響應速度。

（5）技術的迅猛發(fā)展。大量新技術的不斷涌現，并向各個領域滲透，科技內部的交叉和聯系，以及科學技術與社會相互作用的進一步增強，使技術、知識及產品的更新速度加快，特別是計算機技術、信息技術的發(fā)展，將引起人類生產力的將高效率和高柔性融于一體，生產成本低；具有較強的靈活性和適應8飛躍和社會生產方式的巨變，是推動企業(yè)全面變革的主導力量。

近些年來，在日本、美國有關制造模式的新概念層出不窮，例如精益生產、敏捷制造、智能制造、并行工程等，這些新方法的出現徹底動搖了原有的管理理論和生產方式，以“專業(yè)化分工”和“科層遞階控制”為特征的傳統(tǒng)管理方式已經過時。這些新概念、新思想的出發(fā)點和目標并不一致，但他們共同特點是：

(1)技術為中心向以人為中心轉變，使技術的發(fā)展更加符合人類社會發(fā)展的需要。

（2）企業(yè)的組織結構將從金字塔式的多層次生產管理結構向分布式扁平的網絡結構轉變。

（3）從傳統(tǒng)的順序工作方式向并行工作方式轉變。

（4）制造系統(tǒng)的策略將集中在靈活組織社會資源，企業(yè)從按功能劃分部門的固定組織形式向動態(tài)的、自主管理的小組工作組織形式轉變。

（5）質量是企業(yè)尊嚴和品牌價值的起點，快速響應市場的競爭策略是制勝的法寶。

（6）企業(yè)從單純競爭走向既有競爭、又有結盟之路。

（7）技術創(chuàng)新將成為對世紀企業(yè)競爭的焦點。兩百多年來的歷程，充分顯示了技術推動與市場牽引兩項因素對制造生產模式發(fā)展的作用。飛躍和社會生產方式的巨變，是推動企業(yè)全面變革的主導力量。9

5．1．2制造業(yè)生產模式產生的背景為使制造業(yè)擺脫困境，人們仍沿傳統(tǒng)思路企望依靠制造技術的改進和管理方法的創(chuàng)新來解決問題。具體地講就是，抓住由于計算機的普及應用所提供的有利契機，以單項的先進技術（如CAD、CAM、CAPP、MRP、GT、CE、FMS等）和全面質量管理（TQC）作為工具與手段，來全面提高產品質量和贏得供貨時間。單項先進制造技術和TQC的應用確實取得了很大成效，但在響應市場的靈活性方面并沒有實質性的改觀，而且巨額投資和實際效果形成了強烈反差，其中以國內外應用FMS的教訓最為深刻。至此人們才意識到問題不在具體制造技術和管理方法本身，而是因為它們仍在大批量生產模式的舊框架之中。先進制造生產模式就是在對大批量生產模式的質疑、反思和揚棄中應運而生的。5．2先進制造生產模式創(chuàng)立基點及戰(zhàn)略目標5．2．l先進制造生產模式的創(chuàng)立基點為適應市場競爭新形勢的需要，加上科學技術發(fā)展提供的可能性，工業(yè)發(fā)達國家進一步重視制造系統(tǒng)理論的研究，相繼提出了一系列制造系統(tǒng)的新概念、新模式。諸如計算機集成制造（CIM）、精益生產（LP）、敏捷制造（AM）、并行工程（CE）、全能制造系統(tǒng)（HMS）、經營程序再造（BPR）、分形（fractal）制造和仿生（bionic）制造等等。根據相似工程的觀點，制造系統(tǒng)的各種模式，既然有其相同的目標或目的，必然具備相似的功能或能力。制造系統(tǒng)的功能要求既然相似，其哲理或方法，其機理或行為，其組織結構，其內部與外部要素之間的關系以及其表觀的性質便會5．1．2制造業(yè)生產模式產生的背景10有諸多的相似。而在研究或借鑒制造系統(tǒng)諸模式的相似性時，又必須同時注意研究其所依賴的條件，并根據自身條件的不同而有所變異。

先進制造生產模式，其本質就是集成經營。集成經營是在新的市場環(huán)境下，將企業(yè)經營所涉及的各種資源，過程與組織進行一體化的并行處理。通過集成使企業(yè)獲得精細、敏捷、優(yōu)質與高效的特征，以適應環(huán)境變化對質量、成本、服務及速度的新要求。聯合國在關于50年代西歐經濟增長的決定因素的報告中，首次指出并分析了技術、組織、人因三種資源對企業(yè)經營的關鍵作用。事實上技術、組織與人因三大資源集成構成了現代企業(yè)制造生產方式的基石。以此為基石的關鍵性支撐模式，目前普遍受到重視的主要有三類：①智能制造與柔性生產；②精益生產：②敏捷制造。為能實現制造企業(yè)的戰(zhàn)略目標，制造企業(yè)采用先進制造生產模式可從幾種途徑入手：制造技術、人的作用和制造組織；所依賴的手段主要是投資和創(chuàng)新。由圖5－l可以看出它們的特點與區(qū)別。5．2．2制造系統(tǒng)的工程屬性和經濟屬性從工程角度看，制造系統(tǒng)是一個由硬件、軟件和人員構成的動態(tài)技術系統(tǒng)。它在物料、信息和能量的流動過程中，將原材料轉變成產品，見圖5－2。從經濟角度看，制造系統(tǒng)作為一個企業(yè)，是一個由固定資產、流動資產和無形資產構成的動態(tài)經濟系統(tǒng)。它在資金的流動過程中，使資產增值并獲得收益，見圖5-3。圖5－2和圖5-3所示的工程模型和經濟模型分別描述了制造系統(tǒng)的工程和經濟的兩方面屬性。在市場經濟條件下，其經濟屬性是最根本的屬性。也就是有諸多的相似。而在研究或借鑒制造系統(tǒng)諸模式的相似性時，又必須11說，工程屬性服從于經濟屬性的要求。一個從工程屬性來看技術性能雖好，但從經濟屬性來看是虧損的制造系統(tǒng)，絕不是一個成功的制造系統(tǒng)。制造系統(tǒng)作為一個企業(yè)，其運營的主要形式。是實現資金與產品的相互轉化。通過這種相互轉化，使制造系統(tǒng)的工程和經濟兩方面屬性緊密聯系起來。制造系統(tǒng)作為企業(yè)，其運營的根本目標，是在經濟、政策、法規(guī)以及社會效益等環(huán)境的約束條件下（見圖5-3），持續(xù)地、最快最多地獲得利潤。為此，必須盡量增加銷售額，同時盡力降低成本。5．2.3運營目標對制造系統(tǒng)的功能要求先進制造生產方式的新模式在考慮問題的層次、范圍、角度和具體實施等方面有很大差別，但就目標而言，其根本的運營目標是最大限度地獲取利潤。為實現此目標，力圖使企業(yè)提高并具備下述四種能力：

(1）時間競爭能力。產品上市快，生產周期短，交貨及時。

（2）質量競爭能力。產品不僅可靠性高、而且用戶滿意。

（3）價格競爭能力。產品生產成本低。銷售價格適中。

（4）創(chuàng)新競爭能力。產品有特色，生產有柔性，競爭有策略。5．2．4先進生產模式的戰(zhàn)略目標表5－l對比了傳統(tǒng)制造生產模式和先進制造生產模式的主要特征。由此可概括出先進制造生產模式的主要戰(zhàn)略目標及共性。說，工程屬性服從于經濟屬性的要求。一個從工程屬性來看技術性能125．2．4．1獲取生產有效性為首要目標賣方市場的特征使大批量制造生產模式的生產有效性成為既定滿足的條件，致力于生產效率的提高成為了大批量制造生產模式的中心任務。當今復雜多變的市場環(huán)境，特別是消費者需求的主體化與多樣化傾向使得制造生產的有效性問題突現出來。先進制造生產模式不得不將生產有效性置于首位，由此導致制造價值定向（從面向產品到面向顧客）、制造戰(zhàn)略重點（從成本、質量到時間）、制造原則（從分工到集成）、制造指導思想（從技術主導到組織創(chuàng)新和人因發(fā)揮）等出現一系列的變化。5．2．4.2以制造資源集成為基本制造原則制造是一種多人協作的生產過程，這就決定了“分工”與“集成”是一對相互依存的組織制造的基本形式。制造分工與專業(yè)化可大大提高生產效率，但同時卻造成了制造資源少（技術、組織和人員）的嚴重割裂，前者曾使大批量生產模式獲得過巨大成功，而后者則使大批量生產模式在新的市場環(huán)境下陷入困境。5．2.4．3經濟性源于制造資源的快速有效集成經濟性是任何一種制造活動都要追求的主要目標。先進制造生產模式的經濟性體現在制造資源快速有效集成所表現出的制造技術的充分運用、各種形式浪費的減少、人的積極性的發(fā)揮、供貨時間的縮短和顧客滿意程度的提高等。5．2．4．4著眼于組織創(chuàng)新和人因發(fā)揮與以技術為主導的大量制造生產模式不同的是，先進制造生產模式更強調組織和人因的作用。技術、人員和組織是制造生產中不可缺少的三大必備資源。技術5．2．4．1獲取生產有效性為首要目標13是實現制造的基本手段，人是制造生產的主體，組織則反映制造活動中人與人的相互關系。技術作為用于實際目的的知識體系，它本身就源于人的實踐活動，也只有通過被人所掌握與應用才能發(fā)揮其作用。而在制造活動中人的行為又受到他所在組織的影響、誘導、制約和激勵。所以，制造技術的有效應用有賴于人的主動積極性，而人因的發(fā)揮在很大程度上取決于組織的作用。顯然，先進制造生產模式著眼于組織與人因是抓住了問題的關鍵。5．2．4．5重視發(fā)揮新技術和計算機信息的作用抓住由于計算機發(fā)展和應用所提供的契機，以最新技術（如CAD、CAM、CAE、CAID、CAPP、MRP、GT、CE以及FMS等）、全面質量管理（TQC）以及計算機網絡作為工具和手段，將這些當今先進的技術與組織變革和人因改善有效集成起來，便可發(fā)揮出巨大潛能。5．3先進制造生產模式的管理任何事物發(fā)展的各個階段，均有其創(chuàng)新和繼承，個性和共性兩個側面，制造系統(tǒng)也不例外，它雖有創(chuàng)新卻繼承了過去的某些原理，其創(chuàng)新模式各有特色，抽取其沿用的原理和共性，從管理角度來看先進制造生產模式有待解決的核心問題是：組織創(chuàng)新、集成經營、質量保證體系、重組工程、以人為本、人機分工，人機匹配、用分工協作代替全能、用并行或交叉作業(yè)代替串行作業(yè)。5．3．1組織創(chuàng)新未來企業(yè)之間的競爭，除了比誰的資源和技術具有關鍵性外，另一個決定性的因素就是組織的創(chuàng)新優(yōu)化。如圖5－4所示，制造系統(tǒng)的組織優(yōu)化包括空間組織優(yōu)是實現制造的基本手段，人是制造生產的主體，組織則反映制造活動14化與時間組織代化?？臻g組織優(yōu)化側重于制造系統(tǒng)的結構優(yōu)化，包括邏輯結構和物理結構優(yōu)化。時間組織優(yōu)化則主要針對信息流與物料流結構?，F代企業(yè)組織結構的特性主要體現在以下幾個方面：

1．靈活性利用不同地區(qū)的現有資源，迅速組合成為沒有圍墻的、超越空間約束的、靠電子手段聯系的統(tǒng)一指揮的經營實體——虛擬企業(yè)和虛擬單元，見圖5-5。它具有企業(yè)功能上的不完整性、地域上的分散性和組織結構上的非永久性。這種組織結構不是固定不變的，可以根據目標和環(huán)境的變化進行組合，動態(tài)地調整組織結構。

2.分散性由于知識、信息的分散性，制造企業(yè)面臨的環(huán)境具有隨機性、動態(tài)性和競爭性。企業(yè)內部管理日趨復雜，為了使資源信息快速、準確地提供給組織內各個潛在的決策者，也為了使決策者能迅速調動所需資源，需要用信息網絡將組織成員連接起來，形成組織結構的網絡化。

3.動態(tài)性圖5－6描繪了從傳統(tǒng)企業(yè)一維組織形式逐步過渡到多維的動態(tài)組織形式以及未來的能夠重組的組織形式。從圖中可見，要實現企業(yè)的目標，企業(yè)的組織結構將從傳統(tǒng)的、遞階層次的“機械結構型”向更適合市場競爭的“化學分子型”和“生物細胞型”轉變。成為扁平的多元化“神經網絡”。這種組織結構在整個產品生產周

化與時間組織代化。空間組織優(yōu)化側重于制造系統(tǒng)的結構優(yōu)化，包括15期是動態(tài)變化的可及時重組和解體。4.并行性產品開發(fā)工作雖然是有序的，但并不一定按簡單的串行方式相聯接，而是在時間坐標上相互重疊與交叉，小組內的成員并行工作，協同完成產品設計、制造、銷售等任務。見圖5．7并行工程的產品開發(fā)模式。

5.獨立性項目組在企業(yè)內是相對獨立的，項目負責人有權決策項目內的活動。

6.簡單性項目組內以簡單的工藝流程來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的整個工廠集中控制的復雜的流程。期是動態(tài)變化的可及時重組和解體。165．3．2集成經營代表精細、敏捷與柔性的“21世紀方式”的集成經營將成為21世紀的生產模式。集成經營是在新的市場環(huán)境下，運用系統(tǒng)集成思想與技術，將企業(yè)經營所涉及的各種資源、過程與活動進行一體化的并行處理。聯合國在關于50年代西歐經濟增長的決定性因素的報告中，首次指出并分析了技術、組織、人因三種資源對企業(yè)經營的關鍵作用。而后，人們又提出了由物料、信息及服務構成的“供應鍵”的概念，主張將市場、研究、開發(fā)、制造、銷售等方面作集成化考慮。此外，制造資源需求計劃（MRP-II）、計算機集成制造系統(tǒng)（GIMS）等都是集成經營的體現。特別是近年來提出的敏捷制造，則是一種打破傳統(tǒng)經營所面臨的組織、地域及時間壁壘的更高層次的集成經營，可實現國家乃至跨國范圍的集成經營。企業(yè)這種快速有效集成經營形式與傳統(tǒng)企業(yè)的概念完全不同，它的創(chuàng)建與運行提出了一系列新的管理問題：

(1）集成經營要有先進的工業(yè)信息網絡。

（2）集成經營的組織形式是一種動態(tài)聯盟。

（3）妥善處理知識產權和無形資產的評估、保護、轉移和歸屬。

（4）成員間相互信任與合作是成功的關鍵。

（5）利益驅動是各成員參加中心的推動力。（6）創(chuàng)造良好的外部環(huán)境和改善內部管理。

(7）建立新的投資及投資評價觀。（8）信息技術的支持。5．3．2集成經營175．3．3新的質量保證體系在目前消費者需求主體化、個性化和多樣化的趨勢下，對先進制造生產模式而言，質量成為多元化問題，甚至是國際化問題。

1．新的三維質量現

(1）全面質量滿意。首先體現在產品整個生命周期中用戶的滿意程度。由于用戶立場不同，服務需求度不一樣，用戶有不同的滿意感。但用戶有著共同的基本需要，包括產品功能、價格、服務、產品責任、可靠性、價值觀等。其次，全面質量滿意應包括企業(yè)本身的滿意。沒有企業(yè)的滿意是制造不出高質量產品的，對虛擬公司來說尤其如此。企業(yè)的滿意主要指一般員工、管理者以及所有者或股東三種人的滿意。再次，全面質量滿意應與自然和社會環(huán)境相適應，達到社會和國家的滿意。因為質量不只是企業(yè)與消費者之間的問題，還涉及到包括非消費者在內的大多數人，質量如果不能與自然和社會環(huán)境相適應，不能滿足社會和國家的需要，企業(yè)最終仍會走上失敗之路。第四，全面質量滿意應達到國際社會的滿意

（2）適度質量。這是質量的經濟性問題。先進制造生產模式是為了快速有效地集成制造資源。過高的、超過需要的質量則人為造成資源浪費，而過低則達不到全面滿意。因此，在解決了全面質量滿意的測度之后，如何運用經濟學原理確定適度的質量水平，就十分必要。

（3）質量的時間性。市場瞬息萬變，消費者的價值觀也在變化，因此質量具有時間性。在目前時間點上是適度質量的產品，若干時間后則可能是不良質量的。質量概念的歷史發(fā)展完全證實了質量時間性的存在。如何通過時間性來把握質量5．3．3新的質量保證體系18問題，也是一個新的研究領域。

2．新的質量保障體系先進制造生產模式的產生與發(fā)展以及人類質量觀念的不斷更新，要求新的質量保障體系必須是著眼于戰(zhàn)略層次、內容豐富的開放系統(tǒng)。從現代質量管理的理論角度講，建立先進制造生產模式下的質量保障體系應遵循以下三個基本原則。

(1）人本原則。建立質量保障體系并使其正常有效運行，人是起決定性作用的資源和要素。人因的發(fā)揮、信任員工、自主管理和員工參與都是人本原則的具體體現。這一切都有賴于對員工的質量培訓與質量教育。質量教育是質量保障體系的一項重要內容。

（2）過程監(jiān)控。質量管理目標也要通過對其過程監(jiān)控來實現，只有識別、組織、建立和協調各項質量過程網絡及其接口，才能創(chuàng)造、改進和提供穩(wěn)定的質量。這就是過程監(jiān)控原則。據此，新的質量保障體系的著眼點必須從過程的結果（產品質量）轉移到管理過程本身，以過程質量確保產品質量。

（3）體系管理。任何一個企業(yè)（組織），只有依據實際的環(huán)境條件，策劃、建立和實施質量體系，實施體系管理，才能管理有效。因此，必須以系統(tǒng)論、信息論與控制論為指導，實行體系管理。問題，也是一個新的研究領域。195．3.4重組工程重組工程是對現有生產過程進行根本性的再思考和徹底的再設計。以求大幅度地提高現今生產過程所追求的主要績效：成本、質量、服務和速度。它有四個基本觀點：

(1）過程觀點。生產過程涉及為達到生產目的而實施的一組邏輯上相關任務。它包括人、物流、能源、設備等的邏輯組合和實現特定目標的工作程序，因而必是有機聯系的。

（2）根本性的再思想。就是要摒棄過時的生產觀點和管理思想，重新深入思考“企業(yè)應該做什么”這一類基本問題。

（3）徹底的再設計。就是要進行全面創(chuàng)新，而不僅僅是在某些方面的改進性活動。

（4）大幅度提高績效。這是重組工程的目的，也是衡量它成功與否的標志。5．3．5以人為本在先進制造系統(tǒng)中，人的因素越來越受到廣泛重視，人的積極性能否充分發(fā)揮對先進制造生產方式至關重要。所以管理的職能不再是對人的監(jiān)督、控制和獎懲、而應是對人的不斷關心、激勵和培訓。其實現途徑為：

(1）對各種不同特點和專業(yè)特長的人才優(yōu)化組合。一個好的團隊應該充分考慮到人才之間性格、專長和能力的互補，這樣組合起來的群體作用會大大超過個體之和。反之會對企業(yè)的高效運作起破壞作用。

（2）創(chuàng)造以人為中心的企業(yè)文化和價值觀。員工應從控制對象轉變?yōu)槭跈鄬ο?．3.4重組工程20盡可能讓他們參與過程運營的日常決策，創(chuàng)建更加開放、更加簡捷的交流報告機制。

（3）跨學科項目團隊的建設將大大解放創(chuàng)造力，激發(fā)員工的積極性。傳統(tǒng)的工作模式，即長期從事一項工作會使員工與此項工作無關的能力喪失，墨守陳規(guī)和強求一致會扼殺人的創(chuàng)造力，人們將不知不覺地被異化，其員工的創(chuàng)造性和主觀能動性越來越低。在新的生產模式中，跨學科的團隊必須具備“開放式”思維、“網絡式”思維和“動態(tài)”思維，從而為員工的學習和創(chuàng)新提供動力源泉，這種網絡團隊要求員工掌握多門學科知識，具有對各種挑戰(zhàn)的應變能力，以并行方式集成每一個人的全部知識和技能，使員工具有很強的創(chuàng)新能力和很高的工作效率。

（4）團隊之間的互相信任是團隊成員合作的基礎。信任是減少偷懶行為和增強合作績效的最有效機制。它能充分發(fā)揮人的積極性與潛力，從而使團隊產生個人效用和他人效用同步增長。所以說以人為本，尊重人與信任人是團隊順利工作的前提。在團隊內部建立競爭與合作并存的機制，促進團隊在已有核心能力的基礎上不斷創(chuàng)新。5．3．6人機分工，人機匹配

1．人機分工原則人和機器各有所長，在制造系統(tǒng)中要加以分工，相互匹配，使總體功能優(yōu)化。其分工原則為：

(1）不宜用人者完全由機器完成。

（2）人可簡易完成，機器極難完成或不能完成者，應由人去完成。盡可能讓他們參與過程運營的日常決策，創(chuàng)建更加開放、更加簡捷的21

(3）人、機均可完成者，可根據技術、經濟條件，在兩種方案中選擇：①以機為主，人作后備，以提高系統(tǒng)的可靠性；②由人完成，條件具備時再向前者轉化

2人機系統(tǒng)均要考慮人文因素制造系統(tǒng)作為人機系統(tǒng)，其總體功能發(fā)揮的狀況，取決于人的作用的發(fā)揮狀況但人與機器不同，他發(fā)揮作用的積極性、主動性、創(chuàng)造性和能力，取決于如下人文因素：

(1）激勵政策。（2）良好企業(yè)文化和工作作風的建立。（3）充分的員工培訓和繼續(xù)教育。（4）合理的組織結構和崗位責任。（5）合理的運作規(guī)則和程序。（6）宜人的工作條件和環(huán)境。5．3．7用分工協作代替全能在現代社會，分工協作原則被擴展應用于企業(yè)之間。每個企業(yè)放棄全能，保留專長，各自發(fā)揮自身優(yōu)勢。利用企業(yè)間的分工協作，優(yōu)勢互補，實現共同目標。協作范圍可以跨行業(yè)、跨地區(qū)以至跨國界。協作領域可以是產品零部件配套生產、新技術研究和新產品開發(fā)。企業(yè)間協作關系，不是由指令，而是由共同利益驅動，由協約來保證。

.(3）人、機均可完成者，可根據技術、經濟條件，在兩種方案225．3．8用并行或交叉作業(yè)代替串行作業(yè)任何工程作業(yè)均有其流程特性，即先行工序與后續(xù)工序的順序不能顛倒，亦不能同時進行。在符合流程特性的前提下，將串行作業(yè)改為并行或交叉作業(yè)，是縮短工作總周期的一種廣為應用的方法。在生產技術準備工作中，通過一體化和并行地設計產品及其相關過程（包括制造過程和支持過程），利用計算機網絡和模擬仿真技術，對分布式進行的各種相關工作環(huán)節(jié)，按其流程順序傳送和反饋彼此相關信息。通過反復地相互迭代設計和仿真檢驗，使整個技術準備工作同時完成，以縮短工作周期。5．4先進制造生產模式

先進制造生產模式是應用推廣先進制造技術的組織方式，它以獲取生產有效性和適應環(huán)境變化對質量、成本、服務及速度的新要求為首要目標。以制造資源集成為基本原則，將企業(yè)經營所涉及的各種資源、過程與組織進行一體化的并行處理，使企業(yè)獲得精細、敏捷。優(yōu)質與高效的特征。在探索先進制造生產模式的種種嘗試中，西方工業(yè)發(fā)達國家走在了前列，其中在理論上初具體系，在實踐中亦取得成效的主要包括敏捷制造、精益生產、并行工程、智能制造。5．3．8用并行或交叉作業(yè)代替串行作業(yè)235．4．l敏捷制造AM（AgileManufactunng）5.4.1．1AM產生的背景自二次世界大戰(zhàn)以后，日本和西歐各國的經濟遭受戰(zhàn)爭破壞，工業(yè)基礎幾乎被徹底摧毀，只有美國作為世界上淮一的工業(yè)國，向世界各地提供工業(yè)產品。所以美國的制造商們在60年代以前的策略是擴大生產規(guī)模。到了70年代，西歐發(fā)達國家和日本的制造業(yè)已基本恢復，不僅可以滿足本國對工業(yè)的需求，甚至可以依靠本國廉價的人力、物力生產廉價的產品打入美國市場，致使美國的制造商們將策略重點由規(guī)模轉向成本。80年代，原西德和日本已經可以生產高質量的工業(yè)品和高檔的消費品與美國的產品競爭，并源源不斷地推向美國市場，又一次迫使美國的制造商將制造策略的重心轉向產品質量。進入90年代，當豐田生產方式在美國產生了明顯的效益之后，美國人認識到只降低成本、提高質量還不能保證贏得競爭，還必須縮短產品開發(fā)周期，加速產品的更新換代。當時美國汽車更新換代的速度已經比日本慢了許多，因此速度問題成為美國制造商們關注的重心?！懊艚荨睆淖置嫔峡凑潜砻饕渺`活的應變去對付快速變化的市場需求。1991年美國里海大學（LehighUniversity）在研究和總結美國制造業(yè)的現狀和潛力后，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，提出了敏捷制造和虛擬企業(yè)的新概念，其核心觀點是除了學習日本的成功經驗外，更要利用美國信息技術的優(yōu)勢，一奪回制造工業(yè)的世界領先地位。這一新的制造哲理在全世界產生了巨大的反響，并且已經取得了引人矚目的實際效果。

能讓他們參與過程運營的日常決策，創(chuàng)建更加開放、更加簡捷的交流報告機制。（3）跨學科項目團隊的建設將大大解放創(chuàng)造力，激發(fā)員工的積極性。傳統(tǒng)的工作模式，即長期從事一項工作會使員工與此項工作無關的能力喪失，墨守陳規(guī)和強求一致會扼殺人的創(chuàng)造力，人們將不知不覺地被異化，其員工的創(chuàng)造性和主觀能動性越來越低。在新的生產模式中，跨學科的團隊必須具備“開放式”思維、“網絡式”思維和“動態(tài)”思維，從而為員工的學習和創(chuàng)新提供動力源泉，這種網絡團隊要求員工掌握多門學科知識，具有對各種挑戰(zhàn)的應變能力，以并行方式集成每一個人的全部知識和技能，使員工具有很強的創(chuàng)螂目力和很高的工作效率。轟（4）團隊之間的互相信任是團隊成員合作的基礎。信任是減少偷懶行為和增強合作績的最有效機制。它能充分發(fā)揮人的積極性與潛力，從而使團隊產生個人效用和他人效用同步增長。所以說以人為本，尊重人與信任人是團隊順利工作的前提。在團隊內部建立競爭與合作并存的機制，促進團隊在已有核心能力的基礎上不斷創(chuàng)新。5．4．l敏捷制造AM（AgileManufactunn245.4．1．2AM的內涵及概念

1．AM的內涵

“美國機械工程師學會”（ASME）主辦的“機械工程”雜志1994年期刊中，對敏捷制造做了如下定義：“敏捷制造就是指制造系統(tǒng)在滿足低成本和高質量的同時，對變幻莫測的市場需求的快速反應”。因此，敏捷制造的企業(yè)，其敏捷能力應當反映在以下六個方面：

(1）對市場的快速反應能力。判斷和預見市場變化并對其快速地作出反應的能力。

（2）競爭力。企業(yè)獲得一定生產力、效率和有效參與競爭所需的技能。

（3）柔性。以同樣的設備與人員生產不同產品或實現不同目標的能力。

（4）快速。以最短的時間執(zhí)行任務（如產品開發(fā)、制造、供貨等）的能力。

（5）企業(yè)策略上的敏捷性。企業(yè)針對競爭規(guī)則及手段的變化、新的競爭對手的出現。國家政策法規(guī)的變化、社會形態(tài)的變化等做出快速反應的能力。

（6）企業(yè)日常運行的敏捷性。企業(yè)對影響其日常運行的各種變化，如用戶對產品規(guī)格、配置及售后服務要求的變化、用戶定貨量和供貨時間的變化、原料供貨出現問題及設備出現故障等做出快速反應的能力。

AM的基本思想是通過把動態(tài)靈活的虛擬組織結構、先進的柔性生產技術和高素質的人員進行全方位的集成，從而使企業(yè)能夠從容應付快速變化和不可預測的市場需求。它是

一種提高企業(yè)競爭能力的全新制造組織模式。5.4．1．2AM的內涵及概念25

2．AM主要概念

(1）全新企業(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)網絡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成的實體空間。虛擬企業(yè)從策略上講不強調企業(yè)全能，也不強調一個產品從頭到尾都是自己開發(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，用協商機制代替遞階控制機制；提高經營管理目標，精益求精，盡善盡美地滿足用戶的特殊需要；敏捷企業(yè)強調技術和管理的結合，在先進柔性制造技術的基礎上，通過企業(yè)內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的各種資源，集成在一起，實現技術、管理和人的集成。敏捷企業(yè)的基層組織是多學科群體，是以任務為中心的一種動態(tài)組合。敏捷企業(yè)強調權力分散，把職權下放到項目組。提倡“基于統(tǒng)觀全局的管理”模式，要求各個項目組都能了解全局的遠景，胸懷企業(yè)全局，明確工作的目標、任務和時間要求，而完成任務的中間過程則完全可以自主。

(3）全新的產品概念。敏捷制造的產品進入市場以后，可以根據用戶的需要進行改變，得到新的功能和性能，即使用柔性的、模塊化的產品設計方法。依靠極大豐富的通信資源和軟件資源，進行性能和制造過程仿真。敏捷制造的產品保證用戶在整個產品生命周期內滿意，企業(yè)的這種質量跟蹤將持續(xù)到產品報廢為止，甚至包括產品的更新換代。2．AM主要概念26

（4）全新的生產概念。產品成本與批量無關，從產品看是單件生產，而從具體的實際和制造部門看，卻是大批量生產。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)內可生產出產品的品種卻是無限的。5．4．1．3敏捷制造AM的基本特點

1．AM是自主制造系統(tǒng)

AM具有自主性，每個工件和加工過程、設備的利用以及人員的投入都由本單元自己掌握和泱定，這種系統(tǒng)簡單、易行、有效。再者，以產品為對象的AM，每個系統(tǒng)只負責一個或若干個同類產品的生產，易于組織小批或者單件生產，不同產品的生產可以重疊進行。如果項目組的產品較復雜時，可以將之分成若干單元，使每一單元對相對獨立的分產品的生產負有責任，分單元之間分工明確，協調完成一個項目組的產品。

2．AM是虛擬制造系統(tǒng)

AM系統(tǒng)是一種以適應不同產品為目標而構造的虛擬制造系統(tǒng)，其特色在于能夠隨環(huán)境的變化迅速地動態(tài)重構，對市場的變化做出快速的反應，實現生產的柔性自動化。實現該目標的主要途徑是組建虛擬企業(yè)。其主要特點是：

(1）功能的虛擬化。企業(yè)雖具有完備的企業(yè)職能，但沒有執(zhí)行這些功能的機構

（2）組織的虛擬化。企業(yè)組織是動態(tài)的，傾向于分布化，講究輕薄和柔性，呈扁平網狀結構。

（3）地域的虛擬化。企業(yè)中產品開發(fā)、加工、裝配、營銷分布在不同地點，通過計算機網絡加以聯結。

（4）全新的生產概念。產品成本與批量無關，從產品看是單件生27

3．AM是可重構的制造系統(tǒng)

AM系統(tǒng)設計不是預先按規(guī)定的需求范圍建立某過程，而是使制造系統(tǒng)從組織結構上具有可重構性、可重用性和可擴充性三方面的能力，它有預計完成變化活動的能力，通過對制造系統(tǒng)的硬件重構和擴充，適應新的生產過程，要求軟件可重用，能對新制造活動進行指揮、調度與控制。5．4．1．4AM企業(yè)的主要特征敏捷制造企業(yè)的特征及要素，構成了敏捷企業(yè)的基礎結構，通過一系列功能子系統(tǒng)的支持使敏捷制造的戰(zhàn)略目標得以實現。這些功能子系統(tǒng)，一般稱為“使能系統(tǒng)（EnablingSystem）”。敏捷企業(yè)特征主要包括：

并行工作繼續(xù)教育顧客拉動的組織結構動態(tài)多方合作尊重雇員向團隊成員施權改善環(huán)境柔性重構可獲得與可使用的信息具有豐富知識和適應能力的雇員

開放的體系結構

3．AM是可重構的制造系統(tǒng)28

一次成功的產品設計產品終生質量保證

縮短循環(huán)周期

．技術領先作用

．靈敏的技術裝備

．整個企業(yè)集成．具有遠見卓識的領導5．4．1．5AM戰(zhàn)略體系

敏捷制造戰(zhàn)略系統(tǒng)所包含的內容，詳見表5－2。

5.4．1．6實施AM的技術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”（TechnologiesEnablingAgileManufacturing－TEAM）的五年計劃（1994～1999），該項目涉及聯邦政府機構、著名公司、研究機構和大學等100多個單位。1995年，該項目的策略規(guī)劃和技術規(guī)劃公開發(fā)表，它將實施敏捷制造的技術分為產品設計和企業(yè)并行工程、虛擬制造、制造計劃與控制、智能閉環(huán)加工和企業(yè)集成五大類。

1．產品設計和企業(yè)并行工程產品設計和企業(yè)并行工程的使命就是按照客戶需求進行產品設計、分析和優(yōu)化，并在整個企業(yè)內實施并行工程。通過產品設計和企業(yè)并行工程，產品設計者

一次成功的產品設計29在概念優(yōu)化階段就可同時考慮產品整個生命周期的所有重要因素，諸如質量、成本、性能，以及產品的可制造性、可裝配性、可靠性、可維護性。

2虛擬制造虛擬制造就是“在計算機上模擬制造的全過程”.具體地說,虛擬制造將提供一個功能強大的模型和仿真工具集，并且在制造過程分析和企業(yè)模型中使用這些工具。過程分析模型和仿真包括產品設計及性能仿真、工藝設計及加工仿真、裝配設計及裝配仿真等；而企業(yè)模型則考慮影響企業(yè)作業(yè)的各種因素。虛擬制造的仿真結果可以用于制定制造計劃。優(yōu)化制造過程、支持企業(yè)高層進行生產決策或重新組織虛擬企業(yè)。由于產品設計和制造是在數字化虛擬環(huán)境下進行的，這就克服了傳統(tǒng)試制樣品投資大的缺點，避免失誤，保證投入生產一次成功。

3制造計劃與控制制造計劃與控制的任務就是描述一個集成的宏觀（企業(yè)的高層計劃）和微觀（詳細的信息生產系統(tǒng)，包括制造路徑、詳細的數據以及支持各種制造操作的信息等）計劃環(huán)境。該系統(tǒng)將使用基于特征的技術、與CAD數據庫的有效連接方法、具有知識處理能力的決策支持系統(tǒng)等。

4．智能閉環(huán)加工智能閉環(huán)加工就是應用先進的控制和計算機系統(tǒng)以改進車間的控制過程。當各種重要的參數在加工過程中能夠得到監(jiān)視和控制時，產品質量就能夠得到保證。智能的閉環(huán)加工將采用投資少、效益高、以微機為基礎的具有開放式結構的控制器，以達到改進車間生產的目的。

在概念優(yōu)化階段就可同時考慮產品整個生命周期的所有重要因素，諸30

5企業(yè)集成企業(yè)集成就是開發(fā)和推廣各種集成方法，在適應市場多變的環(huán)境下運行虛擬的、分布式的敏捷企業(yè)。TEAM計劃將建立一個信息基礎框架——制造資源信息網絡，使得地理上分散的各種設計、制造工作小組能夠依靠這個制造資源信息網絡進行有效的合作，并能夠依據市場變化而重組。

5．4.2精益生產LP（LeanProduction）5．4．2．1LP的提出及發(fā)展背景50年代初，制造技術的發(fā)展突飛猛進，數控。機器人、可編程序控制器，自動物料搬運器、工廠局域網、基于成組技術的柔性制造系統(tǒng)等先進制造技術和系統(tǒng)迅速發(fā)展，但它們只是著眼于提高制造的效率，減少生產準備時間，卻忽略了可能增加的庫存而帶來的成本的增加。當時日本豐田汽車公司副總裁大野耐一先生開始注意到制造過程中的浪費是造成生產率低下和增加成本的根結，他從美國的超級市場受到啟迪；形成了看板系統(tǒng)的構想，提出了準時生產制JIT。

豐田汽車在1953年先通過一個車間看板系統(tǒng)的試驗，不斷加以改進，逐步進行推廣，經過10年的努力，發(fā)展為準時生產制，同時又在該公司早期發(fā)明的自動斷絲檢測裝置的啟示下研制出自動故障檢報系統(tǒng)，從而形成了豐田生產系統(tǒng)。這種方式先在公司范圍內實現，然后又推廣到其協作廠、供應商、代理商以及汽車以外的各個行業(yè)，全面實現豐田生產系統(tǒng)。到80年代初，日本的小汽車、計算機、照像機、電視機以及各種機電產品自然而然地占領了美國和西方發(fā)達國家的市場，從而引起了美國為首的西方發(fā)達國家的驚恐和思考。5企業(yè)集成31美國麻省理工學院在剖析總結日本豐田汽車公司創(chuàng)造的豐田生產方式后，于1990年在國際汽車計劃（IMVP）研究報告中提出了以改革生產管理為中心的LP體系，他們稱之為“世界級制造技術的核心”。這個概念被德國人吸收，并在1992年宣布要以LP來“統(tǒng)一制造技術的發(fā)展方向”。德國Achen工業(yè)大學繼續(xù)發(fā)展了這個概念，描繪了21世紀的現代生產方式和目標，將其歸納為精益生產方式。5．4．2．2LP的內涵及體系精益生產的核心內容是準時制生產方式JIT（Justin4ime），該種方式通過看板管理，成功地制止了過量生產，實現了“在必要的時刻生產必要數量的必要產品”，從而徹底消除產品制造過程中的浪費，以及由之衍生出來的種種間接浪費，實現生產過程的合理性、高效性和靈活性。JIT方式是一個完整的技術綜合體，包括經營理念、生產組織、物流控制、質量管理、成本控制、庫存管理、現場管理等在內的較為完整的生產管理技術與方法體系。見圖5-8。

精益生產是在JIT生產方式、成組技術GT以及全面質量管理TQC的基礎上逐步完善的，構造了一幅以LP為屋頂，以JIT、GT、TQC為三根支柱，以CE和小組化工作方式為基礎的建筑畫面，見圖5．9。它強調以社會需求為驅動，以人為中心，以簡化為手段，以技術為支撐，以“盡善盡美”為目標。主張消除一切不產生附加價值的活動和資源，從系統(tǒng)觀點出發(fā)將企業(yè)中所有的功能合理地加以組合，以利用最少的資源、最低的成本向顧客提供高質量的產品服務，使企業(yè)獲得最大利潤和最佳應變能力。其特征具體可歸納為以下幾方面：

美國麻省理工學院在剖析總結日本豐田汽車公司創(chuàng)造的豐田生產32

(1）簡化生產制造過程，合理利用時間，實行拉動式的準時生產，杜絕一切超前、超量生產。采用快換工裝模具新技術，把單一品種生產線改造成多品種混流生產線，把小批次大批量輪番生產改變?yōu)槎嗯涡∨可a，最大限度地降低在制品儲備，提高適應市場需求的能力。

（2）簡化企業(yè)的組織機構，采用“分布自適應生產”，提倡面向對象的組織形式（000ObjectOrientedOrganizsation），強調權力下放給項目小組，發(fā)揮項目組的作用。采用項目組協作方式而不是等級關系。項目組不僅完成生產任務而且參與企業(yè)管理，從事各種改進活動。

（3）精簡崗位與人員，每一生產崗位必須是增值的，否則就撤除。在一定崗位的員工都是一專多能，互相替補，而不是嚴格的專業(yè)分工。（4）簡化產品開發(fā)和生產準備工作，采取“主查”制和并行工程的方法?？朔舜罅可a方式中由于分工過細所造成的信息傳遞慢、協調難、開發(fā)周期長的缺點

（5）減少產品層次。

（6）綜合了單件生產和大量生產的優(yōu)點，避免了前者成本高和后者僵化的弱點，提倡用多面手和通用性大、自動化程度高的機器來生產品種多變的大量產品

(6）建立良好的協作關系，克服單純縱向一體化的做法。把70％左右的產品零部件的設計和生產委托給協作廠，主機廠只完成約占產品30％的設計和制造。

（8）JIT的供貨方式。保證最小的庫存和最少的在制品數。為實現這種供貨關系，應與供貨商建立起良好的合作關系，相互信任，相互支持，利益共享。

（9）“零缺陷”的工作目標。精益生產追求的目標不是盡可能好一些，而是“零(1）簡化生產制造過程，合理利用時間，實行拉動式的準時生33缺陷”，即最低成本、最好質量、無廢品、零庫存與產品的多樣性。5．4．3并行工程CE（ConcurrentEngineering）5．4．3．1CE的提出及特性1．CE的提出傳統(tǒng)產品開發(fā)的組織形式是一種線性階段模式，產品開發(fā)過程是順序過程：概念設計～詳細設計～過程設計～加工制造～試驗驗證一設計修改～工藝設計—……正式投產一營銷，如圖5－10所示。這種方法在設計的早期不能全面地考慮其下游的可制造性、可裝配性和質量可靠性等多種因素，致使制造出來的產品質量不能達到最優(yōu)，造成產品開發(fā)周期長，成本高，難以滿足激烈的市場競爭的需要。1988年美國國家防御分析研究所完整地提出了并行工程的概念，即并行工程是集成地、并行地設計產品及其相關過程（包括制造過程和支持過程）的系統(tǒng)方法。這種方法要求產品開發(fā)人員在一開始就考慮產品整個生命周期中從概念形成到產品報廢的所有因素，包括質量、成本、進度計劃和用戶要求等。如圖5－11所示。由此可見，并行工程是一種現代產品開發(fā)中新發(fā)展的系統(tǒng)化方法，它以信息集成為基礎，通過組織多學科的產品開發(fā)小組，利用各種計算機輔助手段，實現產品開發(fā)過程的集成，達到縮短產品開發(fā)周期，提高產品質量，降低成本，提高企業(yè)競爭能力的目標。順序工程和并行工程在產品創(chuàng)新、質量、生產成本和柔性上的比較，如表5．3所列。缺陷”，即最低成本、最好質量、無廢品、零庫存與產品的多樣性。34

2．CE的特性(1）并行特性。把時間上有先后的作業(yè)活動轉變?yōu)橥瑫r考慮和盡可能同時處理和并行處理的活動。（2）整體特性。將制造系統(tǒng)看成是一個有機整體，各個功能單元都存在著不可分割的內在聯系，特別是有豐富的雙向信息聯系，強調全局性地考慮問題，把產品開發(fā)的各種活動作為一個集成的過程進行管理和控制，以達到整體最優(yōu)的目的（3）協同特性。特別強調人們的群體協同作用，包括與產品全生命周期（設計、工藝、制造、質量、銷售、服務等）的有關部門人員組成的小組或小組群協同工作，充分利用各種技術和方法的集成。這種途徑生產出來的產品不僅有良好的性能，而且產品研制的周期也將顯著縮短。（4）約束特性。在設計變量（如幾何參數、性能指標、產品中各零部件）之間的關系上，考慮產品設計的幾何、工藝及工程實施上的各種相互關系的約束和聯系。5．4．3．2CE的理論基礎與運行機理

l．CE的理論基礎從本質上講，CE是一種以空間換取時間來處理系統(tǒng)復雜性的系統(tǒng)化方法（SystematicApproach），它以信息論、控制論和系統(tǒng)論為理論基礎，在數據共享、人一機交互等工具及集成上述工具的智能技術支持下，按多學科、多層次協同一致的組織方式工作。與傳統(tǒng)串行工作模式相比，它大大地擴大了系統(tǒng)狀態(tài)2．CE的特性35空間，大大地縮短了復雜問題交互式求解進程的迭代次數，促使最終目標一次成功，以非線性的管理機制和整體性思想，贏得集成附加的協同效益。

2．CE的運行機理

CE不是某種現成的系統(tǒng)或結構，不能像軟件或硬件產品一樣買來安裝即可運行。它是一種自頂向下進行規(guī)劃、自底向上進行實施的哲理。將CE思想貫穿于產品開發(fā)過程中，需要管理、設計、制造、支持等知識源的有機協調。它不僅依靠各知識源之間有效的通信，同時要求有良好的決策支持結構。其運行機理的要點為：

(1）突出人的作用，強調人的協同工作。

（2）一體化、并行地進行產品及其有關過程的設計，其中，尤其要注意早期概念設計階段的并行協調。統(tǒng)計表明，概念設計階段的成本占產品全部成本的70％

（3）重視滿足客戶的要求。

（4）持續(xù)地改善產品有關的過程。CE的工作模式中要注意持續(xù)、盡早地交換、協調、完善關于產品有關的制造／支持等各種過程的約定和定義，從而有助于CE三個目標的實現。

（5）注意CE中信息與知識財富的開發(fā)與管理。

（6）注重目標的不變性。

(7）五個“不”。CE不是不費力氣就能成功的“魔術方法”；CE不能省去產品串行工程中的任一環(huán)節(jié)；CE不是使設計與生產重疊或同時進行；CE不同于“保守設計”；CE不需保守測試策略。空間，大大地縮短了復雜問題交互式求解進程的迭代次數，促使最終365．4．3．3CE的體系結構及關鍵技術

l．CE的體系結構在產品并行設計過程中，按四個階段進行設計和評價，如圖5－12所示。

(1）產品概念設計。對產品設計要求進行分組描述和表述，如設計實體的模式，以性質、屬性等之間的關系描述，并對方案優(yōu)選、產品批量、類型、可制造性和可裝配性評價，選出最佳方案，指導產品概念設計。

（2）結構設計及其評價。將產品概念設計獲得的最佳方案結構化，確定產品的總體結構形式以及零件部件的主要形狀、數量和相互間的位置關系：選擇材料，確定產品的主要結構尺寸，以獲得產品的多種結構方案，并對各種制造約束條件、加工條件、裝夾方案、工裝設計和零件標準化等，對各種方案進行評價和決策。選擇最佳結構設計方案或提供反饋信息，指導產品的概念設計和結構設計。

5．4．3．3CE的體系結構及關鍵技術37

（3）詳細設計及其評價。根據結構設計方案對零部件進行詳細設計。零件由許多個特征組合而成，進行特征設計的同時進行工藝設計（生成其加工方法、切削參數、刀具選用和裝央方式等），并對其可制造性進行評價，即時反饋修改信息，指導特征設計，實現了特征／工藝并行設計。

（4）產品總體性能評價。該階段由于產品信息較完善，對產品的功能、性能、可制造性和成本等采用價值工程方法對產品進行總體評價，并提出反饋信息，指導產品的概念設計、總體設計和詳細設計。在完成上述四個階段的設計和評價后，還必須進行工藝過程優(yōu)化，在完成產品設計、工藝設計和工裝設計的基礎上，對零件的實際加工過程進行仿真。從圖5－10可知，基于廣義特征建立的產品信息模式，為產品并行設計過程中各項活動的信息交換與共享提供了切實的保證。而并行設計控制器是一協調板，它對設計結構進行發(fā)布和接收設計的反饋信息，對設計過程中的上下游活動進行協調與控制。實現多學科工程技術人員以及專家系統(tǒng)的協同工作，控制方式有電子郵件、文件傳輸、遠程登錄、遠程布告牌和系統(tǒng)菜單操作等。并行設計是在各種資源約束下進行反復迭代（設計與修改），獲得產品最優(yōu)解和滿意解的過程。

2．CE的關鍵技術

(1）產品開發(fā)過程的重構。并行工程的產品開發(fā)過程是跨學科群組在計算機軟硬件工具和網絡通信環(huán)境的支持下，通過規(guī)劃合理的信息流動關系及協調組織資源和邏輯制約關系，實現動態(tài)可變的開發(fā)任務流程。為了使產品開發(fā)過程實現并行、協調，并能面向全面質量管理做出決策分析，就必須從產品特征、開發(fā)活動（3）詳細設計及其評價。根據結構設計方案對零部件進行詳細設38的安排、開發(fā)隊伍的組織結構、開發(fā)資源的配置、開發(fā)計劃以及全面的調度策略等各個側面來考慮它們對產品開發(fā)過程的影響。并行設計多視圖活動模型的第三個視圖是開發(fā)組織，該組織的人可以擔任第二個視圖中的角色。因此，一個并行設計單元的定義是：由某一個人擔任某一角色，針對某一個設計對象，在某一個規(guī)定的時間約束范圍內，利用指定的資源開展并行設計活動，完成某個設計任務。產品數據管理平臺系統(tǒng)將從三個視圖建立并行設計的支持環(huán)境，保證并行設計工作協調有序地進行。

（2）集成產品信息模型。并行設計強調產品設計過程上下游協調與控制以及多專家系統(tǒng)協同工作，因此設計過程的產品信息交換成為關鍵問題，它是并行設計的基礎。集成產品信息模型是為產品生命周期的各個環(huán)節(jié)提供產品的全部消息。基于STEP標準，對產品進行定義和描述。基于廣義特征，建立產品生命周期內的集成產品信息模型。廣義特征包括產品開發(fā)過程中全部特征信息，如：用戶要求、產品功能、設計、制造、材料、裝配、費用和評價等特征信息。基于面向對象O－O技術，采用Express語言描述和表達產品信息模型，并把EXpress語言中各實體映射到C＋十中的類，生成STEP中性文件，為CAD、CAPP、可制造性評價和制造集成與并行提供充分的信息。因此該模型是實現產品設計、工藝設計、產品制造、產品裝配和檢測等開發(fā)活動共享信息和并行進行的基礎和關鍵。

（3）并行設計過程協調與控制。并行設計的本質是許多大循環(huán)過程中包含小循環(huán)的層次結構，它是一個反復法代優(yōu)化產品的過程。產品設計過程的管理、協調與控制是實現并行設計的關鍵。產品數據管理（ProductDataManagement，PDM的安排、開發(fā)隊伍的組織結構、開發(fā)資源的配置、開發(fā)計劃以及全面39PDM）能對并行設計起到技術支撐平臺的作用。它集成和管理產品所有相關數據及其相關過程。在并行設計中，產品數據是在不斷地交互中產生的，PDM能在數據的創(chuàng)建、更改及審核的同時跟蹤監(jiān)視數據的存取，確保產品數據的完整性、一致性以及正確性，保證每一個參與設計的人員都能即時地得到正確的數據，從而使產品設計返回率達到最低。5．4．4智能制造系統(tǒng)IMS（IntelligentManufacturingSystem）5．4．4．1IMS的提出IMS是適應以下幾方面的情況需要而興起的：一方面是制造信息的爆炸性的增長，以及處理信息的工作量的猛增，這要求制造系統(tǒng)表現出更大的智能；另一方面是專業(yè)人材的缺乏和專門知識的短缺，嚴重制約了制造工業(yè)的發(fā)展，在發(fā)展中國家是如此，在發(fā)達國家，由于制造企業(yè)向第三世界轉移，同樣也造成本國技術力量的空虛；第三是動蕩不定的市場和激烈的競爭要求制造企業(yè)在生產活動中表現出更高的機敏性和智能；第四，CIMS的實施和制造業(yè)的全球化的發(fā)展，遇到兩個重大的障礙，即目前已形成的“自動化孤島”的聯接和全局優(yōu)化問題，以及各國、各地區(qū)的標準、數據和人一機接口的統(tǒng)一的問題，而這些問題的解決也有賴于智能制造的發(fā)展。5．4.4．2IMS的定義及特征1．定義

智能制造包括智能制造技術（IMI）和智能制造系統(tǒng)（IMS）。智能制造系統(tǒng)是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化智能系統(tǒng)，它在制造過程中能PDM）能對并行設計起到技術支撐平臺的作用。它集成和管理產品40以一種高度柔性與集成的方式，借助計算機模擬人類專家的智能活動進行分析、推理、判斷、構思和決策等，從而取代或延伸制造環(huán)境中人的部分腦力勞動。同時，收集、存貯、完善、共享、繼承和發(fā)展人類專家的智能。

2．特征與傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)相比智能制造系統(tǒng)具有以下特征：

(1）自組織能力。自組織能力是指IMS中的各種智能設備，能夠按照工作任務的要求，自行集結成一種最合適的結構，并按照最優(yōu)的方式運行。完成任務以后，該結構隨即自行解散，以備在下一個任務中集結成新的結構。自組織能力是IMS的一個重要標志。

（2）自律能力。IMS能根據周圍環(huán)境和自身作業(yè)狀況的信息進行監(jiān)測和處理，并根據處理結果自行調整控制策略，以采用最佳行動方案。這種自律能力使整個制造系統(tǒng)具備抗干擾、自適應和容錯等能力。

（3）自學習和自維護能力。IMS能以原有專家知識為基礎，在實踐中，不斷進行學習，完善系統(tǒng)知識庫，并刪除庫中有誤的知識，使知識庫趨向最優(yōu)。同時，還能對系統(tǒng)故障進行自我診斷、排除和修復。

（4）整個制造環(huán)境的智能集成。IMS在強調各生產環(huán)節(jié)智能化的同時，更注重整個制造環(huán)境的智能集成。這是IMS與面向制造過程中的特定環(huán)節(jié)、特定問題的“智能化孤島”的根本區(qū)別。IMS涵蓋了產品的市場、開發(fā)、制造、服務與管理整個過程，把它們集成為一個整體，系統(tǒng)地加以研究，實現整體的智能化。

IMS的研究是從人工智能在制造中的應用開始的，但又不同于它。人工智能在以一種高度柔性與集成的方式，借助計算機模擬人類專家的智能活動41制造領域的應用，是面向制造過程中特定對象的，研究的結果導致了“自動化孤島”的出現，人工智能在其中是起輔助和支持的作用。而IMS是以部分取代制造中人的腦力勞動為研究目標的，并且要求系統(tǒng)能在一定范圍內獨立地適應周圍環(huán)境，開展工作。同時，IMS不同于計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS），CIMS強調的是企業(yè)內部物料流的集成和信息流的集成，而IMS強調的則是最大范圍的整個制造過程的自組織能力，IMS難度更大。但兩者又是密切相關的，CIMS中的眾多研究內容是IMS發(fā)展的基礎，而IMS又將對cIMS提出更高的要求。集成是智能的基礎，而智能又推動集成達到更高水平，即智能集成。因此，有人預言，下一世紀的制造工業(yè)將以雙I（Intelligent和Integration）為標志。5．4．4．3IMS的支撐技術及研究熱點

l·IMS研究的支撐技術

(1）人工智能技術。IMT的目標是用計算機模擬制造業(yè)人類專家的智能活動，取代或延伸人的部分腦力勞動，而這些正是人工智能技術研究的內容。因此，IMS離不開人工智能技術（專家系統(tǒng)、人工神經網絡、模糊邏輯）。IMS智能水平的提高依賴著人工智能技術的發(fā)展。同時，人工智能技術是解決制造業(yè)人才短缺的一種有效方法，在現階段IMS中的智能主要是人（各領域專家）的智能。但隨著人們對生命科學研究的深入，人工智能技術一定會有新的突破，最終在IMS中取代人腦進行智能活動，將IMS推向更高階段。

（2）并行工程。針對制造業(yè)而言，并行工程作為一種重要的技術方法學，應用制造領域的應用，是面向制造過程中特定對象的，研究的結果導致了42于IMS中，將最大限度地減少產品設計的盲目性和設計的重復性。

（3）虛擬制造技術。用虛擬制造技術在產品設計階段就模擬出該產品的整個生命周期，從而更有效，更經濟、更靈活地組織生產，達到產品開發(fā)周期最短，產品成本最低，產品質量最優(yōu)，生產效率最高的目的。虛擬制造技術應用于IMS，為并行工程的實施提供了必要的保證。

（4）信息網絡技術。信息網絡技術是制造過程的系統(tǒng)和各個環(huán)節(jié)“智能集成”化的支撐。信息網絡是制造信息及知識流動的通道。因此，此項技術在IMS研究和實施中占有重要地位。

（5）自律能力構筑。即按集與理解環(huán)境信息和自身的信息并進行分析判斷和規(guī)劃自身行為的能力。強有力的知識庫和基于知識的模型是自律能力的基礎。

（6）人機一體化。IMS不單純是“人工智能”系統(tǒng)，而是人機一體化智能系統(tǒng)，是一種混合智能。想以人工智能全面取代制造過程中人類專家的智能，獨立承擔起分析、判斷、決策等任務，是不現實的。人機一體化一方面突出人在制造系統(tǒng)中的核心地位，同時在智能機器的配合下，更好地發(fā)揮出人的潛能，使人機之間表現出一種平等共事、相互“理解”、相互協作的關系，使二者在不同的層次上各顯其能，相輔相成。

(7）自組織與超柔性。智能制造系統(tǒng)中的各組成單元能夠依據工作任務的需要，自行組成一種最佳結構，使其柔性不僅表現在運行方式上，而且表現在結構形式上，所以稱這種柔性為超柔性，如同一群人類專家組成的群體，具有生物特征。

于IMS中，將最大限度地減少產品設計的盲目性和設計的重復性。432智能制造當前的研究熱點

(1）制造知識的結構及其表達，大型制造領域知識庫，適用于制造領域的形式語言、語義學。

（2）計算智能（ComputingIntelligence）在設計與制造領域中的應用，計算智能是一門新興的與符號化人工智能相對應的人工智能技術，主要包括人工神經網絡、模糊邏輯、遺傳算法等方法。

（3）制造信息模型（產品模型、資源模型、過程模型）。

（4）特征分析、特征空間的數學結構。

（5）智能設計、并行設計。

（6）制造工程中的計量信息學。

(7）具有自律能力的制造設備。

（8）通訊協議和信息網絡技術。

（9）推理、論證、預測及高級決策支持系統(tǒng)，面向加工車間的分布式決策支持系統(tǒng)。

（l0）車間加工過程的智能監(jiān)視、診斷、補償和控制。

（1l）環(huán)境技術和虛擬制造。

（l2）生產過程的智能調度、規(guī)劃、仿真與優(yōu)化等。2智能制造當前的研究熱點445．4．4．4IMS的構成及典型結構由于IMS結構體系尚處于研究階段，在此只作簡單探討。

從智能組成方面考慮，IMS是一個復雜的智能系統(tǒng)，它是由各種智能子系統(tǒng)按層次遞階組成，構成智能遞階層次模型。該模型最基本的結構稱為元智能系統(tǒng)（Meta－Intelligentsystem，M－IS）。其結構如圖5－13所示，大致分為學習維護級、決策組織級和調度執(zhí)行級三級。

學習維護級，通過對環(huán)境的識別和感知，實現對M-IS進行更新和維護，包括更新知識庫、更新知識源、更新推理規(guī)則以及更新規(guī)則可信度因子等。決策組織級，主要接受上層M－IS下達的任務，根據自身的作業(yè)和環(huán)境狀況，進行規(guī)劃和決策，提出控制策略。在IMS中的每個M-IS的行為都是上層M-IS的規(guī)劃調度和自身自律共同作用的結果，上層M-IS的規(guī)劃調度是為了確保整個系統(tǒng)能有機協同地工作，而M－IS自身的自律控制則是為了根據自身狀況和復雜多變的環(huán)境，尋求最佳途徑完成工作任務。因此，決策組織級要求有較強的推理泱策能力；調度執(zhí)行級，完成由決策組織級下達的任務，并調度下一層的若干個M－IS并行協同作業(yè)。M－IS是智能系統(tǒng)的基本框架，各種具體的智能系統(tǒng)是在此M一IS基礎之上。對其擴充。具備這種框架的智能系統(tǒng)具有以下特點：①決策智能化；＠可構成分布式并行智能系統(tǒng)；③具有參與集成的能力；④具有可組織性和自學習、自維護能力。

5．4．4．4IMS的構成及典型結構45從智能制造的系統(tǒng)結構方面來考慮，未來智能制造系統(tǒng)應為分布式自主制造系統(tǒng)（DistributedAutonomousManufacturingSystem）。該系統(tǒng)由若干個智能施主（IntelligentAgent）組成。根據生產任務細化層次的不同，智能施主可以分為不同的級別。如一個智能車間可稱為一個施主，它調度管理車間的加工設備，它以車間級施主身份參與整個生產活動；同時對于一個智能車間而言，它們直