未來的制造企業(yè)與關鍵技術

1、未來的制造企業(yè)與關鍵技術未來的制造企業(yè)與關鍵技術美國 “綜合制造技術導向 ”計劃介紹之三制造企業(yè)如何應對未來新的挑戰(zhàn)？美國導向計劃經(jīng)過全面、系統(tǒng)的分析研究，確定了影響美國制造企業(yè)發(fā)展并全面提升企業(yè)技術水平和快速反應能力的四大技術領域，即： “制造信息系統(tǒng) ”、 “建模與仿真 ”、 “制造工藝及裝備 ”、“企業(yè)集成 ”。導向計劃同時結合制造企業(yè)面臨的六大挑戰(zhàn)，提出了 40 項優(yōu)先發(fā)展的關鍵技術。制造信息系統(tǒng)技術信息技術是制造企業(yè)的重要基礎技術。信息技術的發(fā)展將給產(chǎn)品制造方式帶來一場新的革命。例如，高速網(wǎng)絡將制造企業(yè)各部門緊緊聯(lián)系起來，使制造商在產(chǎn)品設計、生產(chǎn)和維護過程中獲取大量信息。用戶通過互聯(lián)

2、網(wǎng)直接參與產(chǎn)品的設計與制造過程，定制自己需要的產(chǎn)品。在制造企業(yè)內(nèi)部，通過信息系統(tǒng)不間斷地對所需的物料進行識別、安排生產(chǎn)、向制造系統(tǒng)下達作業(yè)計劃、在線監(jiān)測產(chǎn)品質量、安排貨運以及向客戶開列帳單，實現(xiàn)整個制造過程無縫集成。展望未來，制造企業(yè)更需要加強制造過程與信息技術的緊密結合，原因是： 未來制造企業(yè)將以信息技術為基礎，充分共享制造知識，實現(xiàn)在線監(jiān)測和診斷，并達到產(chǎn)品的設計與制造一次成功。 未來制造企業(yè)將借助信息技術，實現(xiàn)制造知識的即時調(diào)用，更快更經(jīng)濟地完成從概念設計到產(chǎn)品成型的全過程，保證創(chuàng)新產(chǎn)品百分之百合格。 信息技術是獲取、存儲和共享制造知識的重要保障手段。借助信息技術，能以新的方式獲取、存儲

3、和共享各種制造知識，包括物料特性、制造工藝技術、以往成功的經(jīng)驗和失敗的教訓等。1. 未來的制造信息系統(tǒng)未來的制造信息系統(tǒng)最終將應用于完全集成的制造企業(yè)中，做到：信息實時訪問、數(shù)據(jù)和信息的即時調(diào)用、所有過程綜合平衡與優(yōu)化、問題預見與及時解決、發(fā)掘企業(yè)最大潛能。信息系統(tǒng)的全面聯(lián)通將使制造企業(yè)達到如下目標：工程、制造、銷售、售后服務等的全球化管理與控制；通過先進仿真與建模技術優(yōu)化產(chǎn)品設計和制造工藝，使產(chǎn)品設計與制造一次成功；大大縮短產(chǎn)品從設計到生產(chǎn)所用的時間；與其它企業(yè)建立團隊合作關系，共同響應客戶和市場的需求變化。2. 關鍵技術導向計劃確定了未來制造信息系統(tǒng)的如下10 項關鍵技術：信息驅動型無縫集

4、成企業(yè) 制造業(yè)企業(yè)將以動態(tài)變化的知識庫為基礎，在從捕捉市場機遇到產(chǎn)品生產(chǎn)直至報廢的整個生命周期，都能從知識庫中獲取相關的數(shù)據(jù)信息。當前功能單一且成本昂貴的企業(yè)資源管理系統(tǒng)將被成套廉價且易用的企業(yè)資源管理模塊所取代。共享的知識存儲系統(tǒng) 企業(yè)所需的部分信息將來自地區(qū)、國內(nèi)、全球等不同共享層次的知1 / 7識存儲系統(tǒng)，專業(yè)領域知識存儲系統(tǒng)將逐漸合并到多領域的綜合知識存儲系統(tǒng)中。企業(yè)可以在這些存儲系統(tǒng)基礎上建立起最佳知識演示中心，進行共享軟件工具、模型、知識的測試與評估?？蛻?/ 需求驅動型制造 客戶親自參與產(chǎn)品開發(fā)過程可以提供客戶滿意的產(chǎn)品，制造企業(yè)采用客戶 / 需求驅動的制造方式，使產(chǎn)品開發(fā)一次成

5、功，同時縮短周期、降低成本。一體化產(chǎn)品與過程開發(fā) 在集成開發(fā)環(huán)境下 ，可以綜合考慮產(chǎn)品的生產(chǎn)速度 、質量、成本效益，權衡利弊，同時根據(jù)下游工序選擇最佳的設計方案。全面互聯(lián)擴展型企業(yè) 在技術完備和互操作能力強的信息基礎設施基礎上，實現(xiàn)不同地域、不同文化背景的制造企業(yè)之間的緊密合作，構成全面互聯(lián)擴展型企業(yè)。不同企業(yè)的工作過程與系統(tǒng)的相關功能模塊相互溝通和自動互操作，可以在更廣范圍內(nèi)建立起動態(tài)的業(yè)務聯(lián)系。同時保證合作伙伴私有信息的擁有權。即插即用的互操作系統(tǒng)組件 用標準化軟件模塊實現(xiàn)制造信息系統(tǒng)的各項功能，取代傳統(tǒng)昂貴的用戶系統(tǒng)。所有企業(yè)都可以建立 “系統(tǒng)中的系統(tǒng) ”，根據(jù)業(yè)務環(huán)境和技術條件的變化進

6、行相應配置。設計與運行咨詢系統(tǒng) 基于信息技術的咨詢系統(tǒng)將幫助企業(yè)在產(chǎn)品各個階段作出正確決策。系統(tǒng)強大的快速仿真能力以及豐富的知識支持，將對企業(yè)面臨的問題、爭論和可能的解決途徑提供明確的答案。自修正、自適應運行系統(tǒng) 基于智能化模塊的制造企業(yè)信息系統(tǒng)將對運行中發(fā)生的問題或意外情況自動采取正確的修正措施。例如，為平衡企業(yè)不同功能的要求，不斷地修正和調(diào)整制造執(zhí)行計劃。自學習系統(tǒng) 柔性和適應性信息系統(tǒng)需要企業(yè)知識倉庫的支持，需要擁有全面的、最新的知識，需要系統(tǒng)自我調(diào)整、自我學習以更新信息。這些系統(tǒng)能監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)外部的數(shù)據(jù)源，獲取相關信息，并主動將其添加到企業(yè)知識倉庫中去?？珙I域設計集成在信息驅動型的一體化

7、產(chǎn)品與過程開發(fā)環(huán)境下，機械、電子、化工等領域的設計者可以根據(jù)同一產(chǎn)品模型協(xié)同工作，消除不同設計領域長期隔絕的狀態(tài)。而且隨著信息技術的應用，設計者將使用一套統(tǒng)一的科學化設計工具，以真正并行的方式從事設計與生產(chǎn)，避免各領域的重復交* 。建模與仿真技術建模與仿真將是21 世紀制造企業(yè)的一項關鍵支撐技術，在改進產(chǎn)品與工藝、縮短市場響應時間、降低產(chǎn)品成本方面具有其它技術無法比擬的重要作用。建模與仿真通過在虛擬環(huán)境下對產(chǎn)品制造過程的可* 預測與優(yōu)化，大大促進產(chǎn)品與工藝設計、過程運行、企業(yè)管理水平的提高。以前的產(chǎn)品與工藝的開發(fā)完全通過產(chǎn)品試驗完成的，這種試驗 - 分析 - 修改的過程占用了大量的時間，也增加

8、了不必要的成本?！安ㄒ?” 777飛機是第一架用三維建模技術進行設計的噴氣式客機，采用了數(shù)字化預裝配和并行工程技術，不用制作全尺寸樣機模型，大大減少了設計更改和錯誤量，確保了產(chǎn)品質量。汽車工業(yè)應用建模與仿真技術使新車設計到投產(chǎn)的時間從以前的 3 年縮短為 14 個月左右。聯(lián)合攻擊機（ jsf）通過先進的建模與仿真技術降低開發(fā)成本50% 左右。1. 未來的建模與仿真技術未來制造企業(yè)的產(chǎn)品與過程設計都將采用建模與仿真技術。其特點是：逼真的產(chǎn)品與2 / 7過程模型與所有相關的制造信息及企業(yè)信息動態(tài)相連； 基于模型的智能化、自修正學習系統(tǒng)實時響應外界的變化； 過程模型將控制和自動調(diào)整整個生產(chǎn)過程 ，提

9、高適應性； 企業(yè)總體模型將實現(xiàn)企業(yè)部門和業(yè)務過程集成，快速響應業(yè)務活動的變化； 通過企業(yè)信息系統(tǒng)實現(xiàn)所有系統(tǒng)和過程無阻礙互操作。未來完善的信息基礎設施將對未來建模與仿真系統(tǒng)提供強大的支持，分析工具同時在后臺運行，智能化計算機咨詢系統(tǒng)作出最佳決策，這樣，建立起全企業(yè)的控制系統(tǒng)。目前的臺式 pc 機和信息報告系統(tǒng)將被 “虛擬現(xiàn)場 ”系統(tǒng)所取代，操作、管理、設計人員將處于企業(yè)模型的不同層面上相互作用，協(xié)調(diào)工作。這種 “虛擬現(xiàn)場 ”系統(tǒng)具有如下優(yōu)點： 即時、正確掌握各類人員的工作狀況； 快速分析和評估，作出最佳決策； 迅速傳送修改和變化信息，自動更新企業(yè)模型。未來的建模與仿真系統(tǒng)和工具還具有如以下優(yōu)點

10、： 對形勢 、機遇和風險快速分析評價，并可 * 預測企業(yè)的預期行為 ； 快速優(yōu)化新產(chǎn)品設計 、生產(chǎn)工藝與設備以及業(yè)務運行過程 ，減少浪費，獲取最大的生產(chǎn)效率和收益； 實時或近實時自動分析產(chǎn)品的可生產(chǎn)性、經(jīng)濟可承受性以及其它因素，作出智能化的決策支持，優(yōu)化產(chǎn)品和過程； 發(fā)掘更多的產(chǎn)品與過程設計方案； 建立即插即用模型、仿真與支持工具的綜合性全球知識倉庫，幫助企業(yè)大幅度降低建模與仿真成本。2. 關鍵技術導向計劃確定了建模與仿真的如下10 項關鍵技術：從微觀到宏觀的連續(xù)建模 目前的產(chǎn)品與過程建模與仿真通常只針對某些特定參數(shù)，不適用于更大的范圍。未來的模型將沒有大小限制，可控范圍都可建模，甚至外延至整

11、個世界，模型仍將保持精確性。與可更新知識庫集成的科學化模型 未來仿真模型將根據(jù)現(xiàn)實世界的實踐，吸收模型用戶的知識和經(jīng)驗教訓自行學習和調(diào)整，盡量逼真地模擬現(xiàn)實世界。建模與仿真通用化 建模與仿真技術將從專門工具發(fā)展成為一項通用技術，廣泛支持制造企業(yè)運行過程。企業(yè)主管、基層管理人員、監(jiān)督人員和生產(chǎn)一線的工人通過與企業(yè)模型相連的虛擬界面實時得到有關信息，從而控制企業(yè)運行。隨著仿真技術及智能建模軟件的不斷發(fā)展，建模工具將越來越普及。智能設計與分析咨詢系統(tǒng) 智能化咨詢系統(tǒng)在產(chǎn)品生產(chǎn)的每一階段向開發(fā)人員提供有力的幫助，幫助設計人員克服障礙、避免誤設計并不斷優(yōu)化設計方案。實時的企業(yè)控制器 隨著建模與仿真的普及

12、，建立整個企業(yè)的實時、精確仿真模型。最終通過企業(yè)模型控制企業(yè)各項功能，實時監(jiān)控運行狀況，掌握運行狀態(tài)。同時利用企業(yè)模型估計預期行為的效果，確保企業(yè)不斷地對需求和外界條件變化作出響應。智能的自學習模型 下一代模型與仿真技術將學會根據(jù)自身需要、目標和外界需求不斷改善自己。例如，產(chǎn)品模型將不斷進行自身優(yōu)化，即在實時掌握各類信息（例如零件和原料的可用性、車間生產(chǎn)能力、加工設備和單元的工作能力等）的基礎上，使模型在環(huán)境適用性和可生產(chǎn)性等方面得到優(yōu)化。開放、共享的存儲系統(tǒng)和驗證中心隨著通用物料、過程和零部件等科學化建模與仿真工3 / 7作的大量開展，標準化模型與仿真?zhèn)}庫不斷充實，并由不同行業(yè)的制造商所共享

13、，大大減少各種業(yè)務和制造過程仿真建模的成本及時間。面向所有應用的集成產(chǎn)品與過程模型 建模與仿真將從少數(shù)幾個領域發(fā)展到支持制造企業(yè)運作的方方面面。制造過程模型和業(yè)務過程模型有相似性，將模型集成為覆蓋整個企業(yè)的宏觀模型，這樣使用戶準確預測環(huán)境變化對整個企業(yè)的影響，并對設計方案作出決策。模型的全面無縫互操作未來的仿真模型有極好的兼容性，可通過自定義接口即插即用。例如，新的組件無需人工協(xié)助就能有機地嵌入系統(tǒng)中。實時交互模型 為了確保模型的準確和實時， 未來仿真模型通過企業(yè)信息系統(tǒng)與所有相關數(shù)據(jù)實時鏈接，以適應業(yè)務的不斷變化。制造工藝與裝備技術制造工藝與裝備是制造企業(yè)的核心。除了一些實力雄厚的企業(yè)以外，

14、先進但成本昂貴的制造裝備與系統(tǒng)使很多企業(yè)，特別是中小企業(yè)望而卻步。1. 未來的制造工藝與裝備為了滿足未來低成本、環(huán)保及日益增長的客戶需求，企業(yè)的制造工藝與裝備必須進行根本性的變革。產(chǎn)品從概念到最終送到用戶手，完全采用集成制造系統(tǒng)。制造工藝將更加精密化、柔性化，適應性更強。未來的制造工藝與裝備技術的特點是： 通過對材料和工藝關系的深入研究與掌握，建立全面的、科學的過程模型； 建立基于知識的專家系統(tǒng)，給出加工過程的所有制造信息，包括工藝參數(shù)、工裝設計及控制數(shù)據(jù)等； 通過將信息直接送到柔性加工設備上，在閉環(huán)環(huán)境中加工產(chǎn)品； 優(yōu)化處理物料準備和工件傳送，提供產(chǎn)品的最佳工藝路線； 更換和改進對環(huán)境有害的

15、工藝，解決環(huán)保問題； 各個層次的制造過程實現(xiàn)智能控制。未來的控制工具采用模塊化設計和開放性結構，真正做到即插即用； 模塊化設計將縮短制造裝備的配置時間，降低采購和維護成本，并適用于各種制造企業(yè)。2. 關鍵技術導向計劃確定了制造工藝與裝備的如下10 項關鍵技術：產(chǎn)品生命周期零浪費 消除浪費是未來制造企業(yè)發(fā)展的強大推動力。不僅減少產(chǎn)品制造的浪費，而且擴展到產(chǎn)品整個生命周期，包括產(chǎn)品回收利用及零部件再制造，同時使一家企業(yè)的廢料成為另一企業(yè)的生產(chǎn)原料。產(chǎn)品開發(fā)一次成功 制造企業(yè)現(xiàn)行的逐次逼近設計法花費大、耗時多。制造與材料科學、建模與仿真、工程工具、柔性與智能制造工藝與裝備以及信息技術的發(fā)展，將使虛擬

16、的設計原型直接變成合格產(chǎn)品，大大減少產(chǎn)品開發(fā)時間和成本，并樹立新的經(jīng)營標準。智能控制系統(tǒng) 控制和傳感技術的發(fā)展預示著智能控制系統(tǒng)時代的來臨，使制造企業(yè)快速響應材料、產(chǎn)品設計、裝備狀態(tài)及其它因素的變化，提高企業(yè)效率和客戶滿意度。這4 / 7些控制系統(tǒng)不僅有效控制加工工藝與設備，還能預測問題，具有自學習、自調(diào)整和自恢復功能。創(chuàng)新的突破性工藝 隨著如納米技術、生物加工技術等先進技術的發(fā)展，許多傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝將被更新，推動建立嶄新的工業(yè)?？茖W化制造 通過構建基于科學的材料、工藝和裝備分析模型，使企業(yè)生產(chǎn)決策更加正確和科學化。智能設計與加工咨詢系統(tǒng)基于計算機的咨詢系統(tǒng)在產(chǎn)品與工藝設計、工裝選擇、工序安排

17、與控制、材料管理及其它方面發(fā)揮巨大輔助作用 ，提升企業(yè)分析和解決問題的能力。知識存儲系統(tǒng)和驗證中心 未來制造企業(yè)高效運行所需的知識驗證不是單個企業(yè)力所能及的。共享知識存儲系統(tǒng)和驗證中心將收集、分析、傳播各方面的知識。驗證中心將提供公正的驗證平臺。擴展型企業(yè)的分布式控制 21 世紀制造業(yè)的一個重要的標志是企業(yè)內(nèi)外部的制造工藝與裝備的集成。工藝與裝備不僅連接到單個企業(yè)內(nèi)的信息系統(tǒng)，而且也連接到與企業(yè)有關的所有合作伙伴。這些連接將擴展型企業(yè)的所有功能有效集成，并根據(jù)當前的運行情況作出決策和進行性能優(yōu)化調(diào)整。材料與表面工程 隨著材料與表面加工技術的發(fā)展，企業(yè)可根據(jù)客戶的材料和表面特性要求設計制造出低費

18、效比的合格產(chǎn)品，甚至即使定制數(shù)量只有一件。自由成形制造 自由成形制造技術能生產(chǎn)傳統(tǒng)工藝與裝備無法生產(chǎn)的零件，復雜三維零件無需采用特殊的加工方法和工裝直接從設計模型投入生產(chǎn)，并保證小批量生產(chǎn)的經(jīng)濟性。企業(yè)集成技術企業(yè)集成技術將人、加工過程、系統(tǒng)和技術緊密連接，保證正確的人在正確的時間和過程使用正確的資源和信息。利用企業(yè)集成技術，企業(yè)或擴展型企業(yè)在不可預測的動態(tài)市場中對所出現(xiàn)的市場機會和問題進行快速、準確決策。在當今許多先進制造企業(yè)中，有很多的技術已作為要素集成到產(chǎn)品生產(chǎn)與經(jīng)營系統(tǒng)中，如企業(yè)資源計劃和計算機輔助設計系統(tǒng)，前者包含許多業(yè)務功能，但缺乏產(chǎn)品生產(chǎn)過程的詳盡數(shù)據(jù)；后者包括產(chǎn)品和加工工藝仿真

19、及規(guī)劃功能，但缺乏特定的分析和信息集成能力。企業(yè)集成技術可以有效解決上述問題。1. 未來的企業(yè)集成技術未來的制造企業(yè)將所有功能和活動無縫互聯(lián)，當新的機遇來臨時，不同的合作者快速聯(lián)合，提高運行效率和響應速度。并行工程和集成產(chǎn)品與過程設計概念和支撐工具的發(fā)展，將產(chǎn)品生命周期所需的所有過程和工具集成為一個優(yōu)化的系統(tǒng)，顯著提高企業(yè)集成生產(chǎn)產(chǎn)品的能力。完全互聯(lián)的通信5 / 7與信息基礎結構使異地合作伙伴協(xié)同工作，利用企業(yè)集成技術使企業(yè)經(jīng)濟有效地管理自身運行和供應鏈。2. 關鍵技術導向計劃確定了企業(yè)集成如下10 項關鍵技術：企業(yè)經(jīng)營和生產(chǎn)的結合 通過經(jīng)營和制造生產(chǎn)業(yè)務功能的集成，彼此快速響應，從整個企業(yè)的

20、范圍作出最佳的決策和行動，顯著提高整體效率。供應鏈無縫集成與互操作 技術進步和企業(yè)分工細化要求企業(yè)有效提高供應鏈的管理能力。未來創(chuàng)新的過程與系統(tǒng)實現(xiàn)即插即用，所有集成接口由系統(tǒng)自動識別并管理，企業(yè)在選擇合作伙伴時只考慮能力和利潤因素，不用考慮供應商和經(jīng)銷商用的是何種業(yè)務或工程系統(tǒng)，供應商也不必擔心所用系統(tǒng)的互操作能力。集成產(chǎn)品生產(chǎn) 隨著啟動工具的發(fā)展，并行工程和集成產(chǎn)品與過程開發(fā)技術趨向成熟。這些工具將從產(chǎn)品概念設計到交付過程的所有功能集成起來，連續(xù)不斷地對產(chǎn)品和過程設計、制造計劃進行綜合平衡與優(yōu)化，滿足用戶需求。全面集成的產(chǎn)品生命周期管理 對全球環(huán)境和自然資源的重視，要求制造企業(yè)改進產(chǎn)品與工藝過程，消除對環(huán)境的負面影響，更多地實現(xiàn)綠色制造。生命周期的集成管理不僅降低產(chǎn)品成本，而且使產(chǎn)品與過程更安全可* 、更容易支持和維護。系統(tǒng)和過程自集成