先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展趨勢

1、第9章先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展趨勢9.1概述9.1.1什么是先進(jìn)制造技術(shù)9.1.2先進(jìn)制造技術(shù)的特點(diǎn)9.1.3先進(jìn)制造技術(shù)的產(chǎn)生背景先進(jìn)制造技術(shù)是當(dāng)代信息技術(shù)、自動化技術(shù)、現(xiàn)代企業(yè)管理技術(shù)和通用制造技術(shù)的有機(jī)結(jié)合；是傳統(tǒng)制造技術(shù)不斷吸收機(jī)械、電子、信息、材料、能源及現(xiàn)代管理技術(shù)成果，將其綜合應(yīng)用于制造全過程，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活生產(chǎn)，獲得理想技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果的制造技術(shù)的總稱。包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制理論、數(shù)控技術(shù)、機(jī)器人、CAtyCAM技術(shù)、CIM技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等在內(nèi)的信息自動化技術(shù)的迅猛發(fā)展，為先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供了日益增多的高效能手段。先進(jìn)制造技術(shù)主要包括三個(gè)技術(shù)群：主體技術(shù)

2、群、支撐技術(shù)群和制造技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施群。其具體內(nèi)容主要有：現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)、精密及超精密加工技術(shù)、精密快速成型技術(shù)、特種加工技術(shù)、制造業(yè)綜合自動化、過程工業(yè)綜合自動化、系統(tǒng)管理技術(shù)等。1 .先進(jìn)制造技術(shù)中的主體技術(shù)群主體技術(shù)群包括面向制造的設(shè)計(jì)技術(shù)群與制造工藝技術(shù)群。(1)設(shè)計(jì)技術(shù)群。指用于生產(chǎn)準(zhǔn)備的工具群與技術(shù)群。包括產(chǎn)品、工藝過程和工廠設(shè)計(jì)，如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)及工藝過程建模和仿真、系統(tǒng)工程集成技術(shù)、快速樣件成型技術(shù)、并行工程技術(shù)(CE)、面向環(huán)境的設(shè)計(jì)(DFE)o(2)制造工藝技術(shù)群。指用于產(chǎn)品制造的過程及設(shè)備，包括材料生產(chǎn)工藝、加工工藝，連接和裝配、測試和檢驗(yàn)技術(shù)。2 .先進(jìn)制造技術(shù)中的

3、支撐技術(shù)群支撐技術(shù)群是使主體技術(shù)群發(fā)揮作用的基礎(chǔ)和核心，是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制造系統(tǒng)的工具、手段和系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)技術(shù)，包括信息技術(shù)、傳感器技術(shù)和控制技術(shù)。信息技術(shù)中包括網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)、集成平臺和集成框架技術(shù)、接口和通信、基于知識的決策支持系統(tǒng)以及軟件工程方面的技術(shù)。先進(jìn)制造系統(tǒng)中的控制技術(shù)將向智能控制方面發(fā)展。智能控制系統(tǒng)具有根據(jù)過程和環(huán)境模型以及傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)決策的能力。這方面具有潛力的領(lǐng)域是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯的研究。網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)。通過全球網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息的快速傳遞和共享，使企業(yè)之間的聯(lián)合成為可能。3 先進(jìn)制造技術(shù)中的制造技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施群這是指為了管理好各種適當(dāng)技術(shù)群的開

4、發(fā)，促進(jìn)技術(shù)在整個(gè)國家工業(yè)企業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用而采用的各種方案和機(jī)制；是使先進(jìn)的制造技術(shù)與企業(yè)組織管理體制，以及使用技術(shù)的人員協(xié)調(diào)工作的系統(tǒng)工程。它主要包括質(zhì)量管理、用戶/供應(yīng)商交互作用、人員培訓(xùn)和教育、全局監(jiān)督和基準(zhǔn)評測、技術(shù)獲取和利用。在利用先進(jìn)制造技術(shù)的未來企業(yè)中，繼續(xù)教育和培訓(xùn)已變得日益重要。未來的企業(yè)面臨的是多變的市場和激烈競爭的環(huán)境。聘用職員的關(guān)鍵是看他能否多專、多能地、能動地迅速適應(yīng)產(chǎn)品變化、工作崗位變化、所需技能變化以及促進(jìn)這些變化的知識能力。顯然，教育和培訓(xùn)是抵消環(huán)境不斷變化所帶來的潛在打擊和憂慮的要素。所以，對于企業(yè)而言，要想有效提高其競爭能力，綜合教育和培訓(xùn)計(jì)劃是基礎(chǔ)。9.1.

5、2先進(jìn)制造技術(shù)的特點(diǎn)21世紀(jì)的市場競爭，就是先進(jìn)制造技術(shù)的競爭。先進(jìn)制造技術(shù)貫穿了從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工制造到產(chǎn)品銷售及使用維修等全過程，因此，21世紀(jì)的先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)具有下列特點(diǎn)：1 .以低消耗創(chuàng)造高效益、高勞動生產(chǎn)率低消耗意味著低成本，從而可以創(chuàng)造高效益。降低能源的消耗和有效地利用能源成為未來制造業(yè)十分關(guān)心的問題。工業(yè)生產(chǎn)消耗了發(fā)達(dá)國家大量能源。人們希望不斷提高生活水準(zhǔn)，但也會帶來全球能源的高消耗，從而引起人們對節(jié)能的關(guān)注。改進(jìn)原有生產(chǎn)過程可以有效地降低工業(yè)過程的能耗。例如：大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制，不僅在其他方面受益，而且也節(jié)省了用于生產(chǎn)不合格產(chǎn)品而消耗的能源。2 .提供有競爭力的優(yōu)質(zhì)可售產(chǎn)品先進(jìn)

6、制造企業(yè)提出了產(chǎn)品終身質(zhì)量保證?！百|(zhì)量”一詞的含義已不僅僅是“零缺陷”了。由于越來越多的公司都能有效地保證產(chǎn)品無缺陷，因此，人們把“質(zhì)量”重新定義為“零缺陷”與“用戶滿意”。產(chǎn)品的工程設(shè)計(jì)過程也不僅僅是為保證其無缺陷，而且還要從許多方面使用戶滿意。這樣的產(chǎn)品才有競爭力。3 .采用適用、先進(jìn)的工藝裝備計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動化技術(shù)、新材料技術(shù)、傳感技術(shù)、管理技術(shù)等的引入，使制造技術(shù)成為一個(gè)能駕馭生產(chǎn)過程的物質(zhì)流、能量流和信息流的系統(tǒng)工程。適用、先進(jìn)的工藝和裝備能快速生產(chǎn)出產(chǎn)品，并保證質(zhì)量。4 .具有迅捷響應(yīng)市場的能力當(dāng)前，工業(yè)正進(jìn)入市場和經(jīng)濟(jì)因素高度分散、快速變化、不可預(yù)測的時(shí)代。企業(yè)為了求得生存就必須

7、對付這些頻繁的變化，要想在不斷變化的環(huán)境中做到迅速響應(yīng)，就必須重視技術(shù)與管理的結(jié)合；重視制造過程組織和管理體制的簡化與合理化，使硬件、軟件和人集成的大系統(tǒng)的組成和體系結(jié)構(gòu)具備前所未有的柔性。這體現(xiàn)了未來制造系統(tǒng)的先進(jìn)性。5 .滿足環(huán)境保護(hù)和生態(tài)平衡的要求現(xiàn)今，環(huán)境問題已成為企業(yè)運(yùn)行的關(guān)鍵因素。隨著社會對環(huán)境問題越來越關(guān)注，要求企業(yè)工藝系統(tǒng)以及設(shè)備向“環(huán)境安全型”組織轉(zhuǎn)化。面對環(huán)境的日益破壞，世界范圍內(nèi)環(huán)保熱潮不斷高漲。政府及民間組織對制造業(yè)提出更嚴(yán)格的要求。于是，人們提出了面向環(huán)境的設(shè)計(jì)(DFE)o美國舊M,DEC及AT&T等大公司率先采用了DFE怎想。DFE節(jié)約了材料和能源的消耗，提

8、高產(chǎn)品的重新利用率，增強(qiáng)了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。9.1.3先進(jìn)制造技術(shù)的產(chǎn)生背景先進(jìn)制造技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展是與現(xiàn)代高新技術(shù)的飛速發(fā)展及制造業(yè)所面臨的市場競爭環(huán)境密不可分的。隨著“冷戰(zhàn)”時(shí)代的結(jié)束及世界市場的發(fā)展，市場競爭日趨激烈，TQCS(T:Timetomarket,Q:Quality,C:Cost,S:Service)成為企業(yè)共同追求的目標(biāo)。早期的市場競爭主要是圍繞如何降低成本，特別是勞動力成本，于是剛性大規(guī)模生產(chǎn)線就應(yīng)運(yùn)而生。進(jìn)入20世紀(jì)70年代后，隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品成本因素的組成發(fā)生了根本變化，降低成本的焦點(diǎn)轉(zhuǎn)到了如何提高企業(yè)的整體效率。美國從20世紀(jì)70年代開始提出CIM哲理；日本

9、采用準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)JIT(JustlnTime)準(zhǔn)則壓縮庫存，提高資金周轉(zhuǎn)率；采用精良生產(chǎn)(LeanProduction)方法，去掉生產(chǎn)過程中一切不產(chǎn)生價(jià)值的環(huán)節(jié)。這些都獲得了一定的成功。20世紀(jì)80年代，工廠的一切活動轉(zhuǎn)到以滿足用戶要求為核心，為了贏得市場，必須提高新產(chǎn)品的上市速度，于是產(chǎn)生了并行工程CE(ConcurrentEngineering)的思想，在20世紀(jì)90年代初，歐洲制造業(yè)出現(xiàn)了一個(gè)新現(xiàn)象，人們開始把注意力集中在以CIMS為基礎(chǔ)的“以人為中心的生產(chǎn)系統(tǒng)APS(AnthropocentricProductionSystem)”,APS是組織管理、人、技術(shù)三者的集成，其中人是核心。新的

10、競爭環(huán)境要求企業(yè)具有極大的柔性，能快速響應(yīng)市場。為了奪回在制造業(yè)的領(lǐng)先地位，美國在CIM和CE的基礎(chǔ)上，又認(rèn)真研究了日本的JIT和精良生產(chǎn)，于1991年進(jìn)一步提出了敏捷制造(AgileManufacturing)的新概念。與APS相似，如何提高制造系統(tǒng)的智能，如何把人更有效地集成到CIM中，人們又提出了智能制造(IntelligentManufacturing)的思想。而敏捷制造被認(rèn)為是全面提高企業(yè)競爭能力的21世紀(jì)制造策略，是在CIM和CE基礎(chǔ)上更大范圍內(nèi)企業(yè)之間的集成。在這種策略下的虛擬公司(VirtualCompany)通過信息高速公路和其他公司進(jìn)行合作，以對市場機(jī)遇作出敏捷的響應(yīng)。虛擬

11、制造(VM)則是在計(jì)算機(jī)上模擬產(chǎn)品的制造和裝配全過程，以期盡早發(fā)現(xiàn)可能發(fā)生的問題。9.2幾種典型先進(jìn)制造技術(shù)簡介9.2.1 智能制造9.2.2敏捷制造9.2.3并行工程9.2.4 虛擬制造系統(tǒng)9.2.5 智能制造一、智能制造研究的背景近年來，由于市場競爭的沖擊和信息技術(shù)的推動，傳統(tǒng)的制造產(chǎn)業(yè)正經(jīng)歷著一場重大的變革，圍繞提高制造業(yè)水平這一中心的新概念、新技術(shù)層出不窮，智能制造正是在這一背景下孕育而生的。從市場競爭方面來看，當(dāng)前和未來企業(yè)面臨的是一個(gè)多變的市場和激烈競爭的環(huán)境。社會的需求正從大批量產(chǎn)品轉(zhuǎn)向小批量、甚至單件產(chǎn)品上。企業(yè)要在這樣的市場環(huán)境中立于不敗之地，必須從產(chǎn)品的時(shí)間、質(zhì)量、成本和服

12、務(wù)（TQCS）等方面提高自身的競爭力，以快速響應(yīng)市場頻繁的變化。企業(yè)在生產(chǎn)活動中的機(jī)敏性和智能就顯得尤為重要。從制造系統(tǒng)自身來看，它是一個(gè)信息系統(tǒng)。制造過程是對市場信息、開發(fā)信息、制造信息、服務(wù)信息和管理信息等獲取、加工和處理的過程。制造所得的產(chǎn)品實(shí)質(zhì)上是物質(zhì)、能量和信息三者的統(tǒng)一體。因此，制造水平提高的關(guān)鍵在于系統(tǒng)處理制造信息能力的提高。由于市場的競爭、產(chǎn)品性能的完善、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜和需求的個(gè)性化，導(dǎo)致現(xiàn)代制造過程中信息量的激增，信息種類多樣化和信息質(zhì)量的復(fù)雜化（殘缺和冗余信息），要求未來制造系統(tǒng)具有更強(qiáng)的信息加工能力，特別是信息的智能加工能力。盡管對企業(yè)和制造系統(tǒng)有這樣的要求，但是，由于過去人

13、們對制造技術(shù)的注意力多集中在制造過程的自動化上，從而導(dǎo)致在制造過程中自動化水平不斷提高的同時(shí)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)及生產(chǎn)管理效率提高緩慢。生產(chǎn)過程中人們的體力勞動雖然得到了極大解放，但腦力勞動的自動化程度（即決策自動化程度）卻很低，各種問題求解的最終決策在很大程度上仍依賴于人的智慧。并且，隨著競爭的加劇和制造信息量的增加，這種依賴程度將越來越大。另一方面，從20世紀(jì)70年代開始，發(fā)達(dá)國家為了追求廉價(jià)的勞動力，逐漸將制造業(yè)移向了發(fā)展中國家，從而引起本國技術(shù)力量向其他行業(yè)的轉(zhuǎn)移，同時(shí)發(fā)展中國家專業(yè)人才嚴(yán)重短缺，其結(jié)果制約了制造業(yè)的發(fā)展。因此，制造產(chǎn)業(yè)企盼著自身的智能，以減小對人類智慧的依賴，解決人才供求的矛盾

14、。智能制造技術(shù)IMT（IntelligentManufacturingTechnology）和智能制造系統(tǒng)IMS（IntelligentManufacturingSystem）正是順應(yīng)上述情況而得以發(fā)展。二、智能制造的含義智能制造技術(shù)（IMT）是指在制造工業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)，以一種高度柔性與高度集成的方式，通過計(jì)算機(jī)模擬人類專家的智能活動，進(jìn)行分析、判斷、推理、構(gòu)思和決策，旨在取代或延伸制造環(huán)境中人的部分腦力勞動，并對人類專家的制造智能進(jìn)行收集、存儲、完善、共享、繼承與發(fā)展的技術(shù)?；贗MT的制造系統(tǒng)（IMS）則是一種借助計(jì)算機(jī)，綜合應(yīng)用人工智能技術(shù)、并行工程、現(xiàn)代管理技術(shù)、制造技術(shù)、信息技術(shù)、自動

15、化技術(shù)和系統(tǒng)工程技術(shù)，在國際標(biāo)準(zhǔn)化和互換性的基礎(chǔ)上，使得制造系統(tǒng)中的經(jīng)營決策、生產(chǎn)規(guī)劃、作業(yè)調(diào)度、制造加工和質(zhì)量保證等各個(gè)子系統(tǒng)分別智能化，成為網(wǎng)絡(luò)集成的高度自動化制造系統(tǒng)。智能制造系統(tǒng)的特點(diǎn)突出表現(xiàn)在：1 制造系統(tǒng)的自組織能力自組織能力是指IMS中的各種智能設(shè)備，能夠按照工作任務(wù)的要求，自行集結(jié)成一種最合適的結(jié)構(gòu)，并按照最優(yōu)的方式運(yùn)行。完成任務(wù)后，該結(jié)構(gòu)隨即自行解散，以備在下一個(gè)任務(wù)中集結(jié)成新的結(jié)構(gòu)。自組織能力是IMS的一個(gè)重要標(biāo)志。2 制造系統(tǒng)的自律能力IMS能根據(jù)周圍環(huán)境對自身作業(yè)狀況的信息進(jìn)行監(jiān)測和處理，并根據(jù)處理結(jié)果自行調(diào)整控制策略，以采用最佳行動方案。這種自律能力使整個(gè)制造系統(tǒng)具備

16、抗干擾、自適應(yīng)和容錯(cuò)等能力。3自學(xué)習(xí)和自維護(hù)能力IMS能以原有的專家知識為基礎(chǔ)，在實(shí)踐中不斷進(jìn)行學(xué)習(xí)，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(shí)，還能對系統(tǒng)故障進(jìn)行自我診斷、排除和修復(fù)。4整個(gè)制造環(huán)境的智能集成IMS在強(qiáng)調(diào)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)智能化的同時(shí)，更注重整個(gè)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覆蓋了產(chǎn)品的市場、開發(fā)、制造、服務(wù)與管理整個(gè)過程，把它們集成為一個(gè)整體，系統(tǒng)地加以研究，實(shí)現(xiàn)整體的智能化。IMS的研究是從人工智能在制造中的應(yīng)用AIM(ArtificialIntelligentinManufacturing)

17、開始的，但又有所不同。人工智能在制造領(lǐng)域的應(yīng)用，是面向制造過程中特定對象的，研究結(jié)果導(dǎo)致了“自動化孤島”的出現(xiàn)，人工智能在其中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(biāo)的，并且要求系統(tǒng)能在一定范圍內(nèi)獨(dú)立地適應(yīng)周圍環(huán)境，開展工作。同時(shí)，IMS不同于計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS,CIMS強(qiáng)調(diào)的是企業(yè)內(nèi)部物流料的集成和信息流的集成；而IMS強(qiáng)調(diào)的則是更大范圍的整個(gè)制造過程的自組織能力。但兩者又是密切相關(guān)的，CIMS中眾多研究內(nèi)容是IMS發(fā)展的基礎(chǔ)，而IMS又將對CIMS提出更高的要求。集成是智能的基礎(chǔ)，而智能又推動集成達(dá)到更高水平，即智能集成。因此，有人預(yù)言，下一世紀(jì)的制造工

18、業(yè)將以雙I(Intelligent和Integration)為標(biāo)志。三、智能制造研究的支撐技術(shù)1 人工智能技術(shù)IMT的目標(biāo)是用計(jì)算機(jī)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(shù)研究的內(nèi)容。因此，IMS離不開人工智能技術(shù)(專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯)。IMS智能水平的提高依賴著人工智能技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)，人工智能技術(shù)是解決制造業(yè)人才短缺的一種有效方法。當(dāng)然，由于人類大腦活動的復(fù)雜性，人們對其認(rèn)識還很片面，人工智能技術(shù)目前尚處于低級階段，此時(shí)IMS中的智能主要是人(各領(lǐng)域?qū)＜?的智能。但隨著人們對生命科學(xué)研究的深入，人工智能技術(shù)一定會有新的突破，最終在IMS

19、中取代人腦進(jìn)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，并行工程的含義是指產(chǎn)品概念的形成和設(shè)計(jì)，與其生產(chǎn)和服務(wù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)相并行，即在制造過程的設(shè)計(jì)階段就考慮到產(chǎn)品全生命周期的各環(huán)節(jié)，集成并共享各環(huán)節(jié)和各方面的制造智能，并行地開展產(chǎn)品制造各環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)工作。并行工程作為一種重要的技術(shù)方法學(xué)，應(yīng)用于IMS中，將最大限度地減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)的盲目性和設(shè)計(jì)的重復(fù)性。3 虛擬制造技術(shù)虛擬制造技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的一項(xiàng)新興技術(shù)。它是以計(jì)算機(jī)支持的仿真技術(shù)為前提，對設(shè)計(jì)、制造等生產(chǎn)過程進(jìn)行統(tǒng)一建模，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，實(shí)時(shí)地、并行地以多媒體的方式模擬出產(chǎn)品未來制造的全過程，以及制

20、造過程對產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響，并預(yù)測產(chǎn)品性能和產(chǎn)品的制造技術(shù)，即在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就模擬出該產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，從而更有效、更經(jīng)濟(jì)、更靈活地組織生產(chǎn)。同時(shí)，使工廠和車間的設(shè)計(jì)與布局更加合理。以此達(dá)到產(chǎn)品開發(fā)周期最短，產(chǎn)品成本最低，產(chǎn)品質(zhì)量最優(yōu)，生產(chǎn)效率最高。虛擬制造技術(shù)應(yīng)用于IMS,為并行工程的實(shí)施提供了必要的保證。4 信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是制造過程的系統(tǒng)和各個(gè)環(huán)節(jié)“智能集成”化的支撐。信息網(wǎng)絡(luò)是制造信息及知識流動的通道。因此，此項(xiàng)技術(shù)在IMS研究和實(shí)施中占有重要地位。四、智能制造研究的內(nèi)容1 智能制造理論和系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)智能制造概念的正式提出至今時(shí)間還不長，其理論基礎(chǔ)與技術(shù)體系仍在形成過程中，它的精

21、確內(nèi)涵和關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)仍需進(jìn)一步研究，其內(nèi)容包括：智能制造的概念體系、智能制造系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境與設(shè)計(jì)方法、以及制造過程中的各種評價(jià)技術(shù)等。2 智能制造單元技術(shù)的集成人們在過去的工作中，以研究人工智能在制造領(lǐng)域中的應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，開發(fā)出了眾多的面向制造過程中特定環(huán)節(jié)特定問題的智能單元，形成了一個(gè)個(gè)“智能化孤島”。它們是智能制造研究的基礎(chǔ)。為使這些“智能化孤島”面向智能制造，使其成為智能制造的單元技術(shù)，必須研究它們在IMS中的集成，同時(shí)進(jìn)一步完善和發(fā)展這些智能單元。它們包括：(1)智能設(shè)計(jì)。應(yīng)用并行工程和虛擬制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的并行智能設(shè)計(jì)。(2)生產(chǎn)過程的智能規(guī)劃。在現(xiàn)有的檢索式、半創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)

22、的基礎(chǔ)上，研究和開發(fā)創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)，使之面向IMS。(3)生產(chǎn)過程的智能調(diào)度。(4)智能監(jiān)測、診斷和補(bǔ)償。(5)生產(chǎn)過程的智能控制。(6)智能質(zhì)量控制。(7)生產(chǎn)與經(jīng)營的智能決策。3智能機(jī)器的設(shè)計(jì)智能機(jī)器是IMS中模擬人類專家智能活動的工具之一。因此，對智能機(jī)器的研究在IMS研究中占有重要的地位。IMS常用的智能機(jī)器包括智能機(jī)器人、智能加工中心、智能數(shù)控機(jī)床和自動引導(dǎo)小車AGV(AutomatedGuidedVehicle)等。五、智能制造系統(tǒng)的構(gòu)成及典型結(jié)構(gòu)由于IMS結(jié)構(gòu)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(gè)復(fù)雜的智能系統(tǒng)，它是由各種智能子系統(tǒng)按層次遞階組

23、圖91MIS結(jié)構(gòu)圖成，構(gòu)成智能遞階層次模型。該模型最基本的結(jié)構(gòu)稱為元智能系統(tǒng)MIS(MetaIntelligentSystem)o其結(jié)構(gòu)如圖所示，大致分為三級：學(xué)習(xí)維護(hù)級、決策組織級和調(diào)度執(zhí)行級。學(xué)習(xí)維護(hù)級，通過對環(huán)境的識別和感知，實(shí)現(xiàn)對MIS進(jìn)行更新和維護(hù)，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MIS下達(dá)的任務(wù)，根據(jù)自身的作業(yè)和環(huán)境狀況，進(jìn)行規(guī)劃和決策，提出控制策略。在IMS中的每個(gè)MIS的行為都是上層MIS的規(guī)劃調(diào)度與自身自律共同作用的結(jié)果，上層MIS的規(guī)劃調(diào)度是為了確保整個(gè)系統(tǒng)能有機(jī)協(xié)同地工作，而MIS自身的自律控制則是為了根據(jù)自身狀況

24、和復(fù)雜多變的環(huán)境，尋求最佳途徑完成工作任務(wù)。因此，決策組織級要求有較強(qiáng)的推理決策能力；調(diào)度執(zhí)行級，完成由決策組織級下達(dá)的任務(wù)，并調(diào)度下一層的若干個(gè)MIS并行協(xié)同作業(yè)。MIS是智能系統(tǒng)的基本框架，各種具體的智能系統(tǒng)是在此MIS基礎(chǔ)之上，對其擴(kuò)充。具備這種框架的智能系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：決策智能化；可構(gòu)成分布式并行智能系統(tǒng)；具有參與集成的能力；具有可組織性和自學(xué)習(xí)、自維護(hù)能力。從智能制造的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面來考慮，未來智能制造系統(tǒng)應(yīng)為分布式自主制造系統(tǒng)(DistributedAutonomousManufacturingSytem)。該系統(tǒng)由若干個(gè)智能施主(IntelligentAgent)組成。根據(jù)生產(chǎn)任

25、務(wù)細(xì)化層次的不同，智能施主可以分為不同的級別。如一個(gè)智能車間可稱為一個(gè)施主，它調(diào)度管理車間的加工設(shè)備，它以車間級施主身份參與整個(gè)生產(chǎn)活動；同時(shí)對于一個(gè)智能車間而言，其間的智能加工設(shè)備也可稱為智能施主，它們直接承擔(dān)加工任務(wù)。無論哪一級別的施主，它與上層控制系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息的聯(lián)接，各智能加工設(shè)備之間通過自動引導(dǎo)小車(AGV)實(shí)現(xiàn)物質(zhì)傳遞。在這樣的制造環(huán)境中，產(chǎn)品的生產(chǎn)過程為：通過并行智能設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品，經(jīng)過IMS智能規(guī)劃，將產(chǎn)品的加工任務(wù)分解成一個(gè)個(gè)子任務(wù)，控制系統(tǒng)將子任務(wù)通過網(wǎng)絡(luò)向相關(guān)施主“廣播”。若某個(gè)施主具有完成此子任務(wù)的能力，而且當(dāng)前空閑，則該施主通過網(wǎng)絡(luò)向控制系統(tǒng)投出一份“標(biāo)書”。

26、“標(biāo)書”中包含了該施主完成此任務(wù)的有關(guān)技術(shù)指標(biāo)，如加工所需時(shí)間，加工所能達(dá)到精度等內(nèi)容。如果同時(shí)有多個(gè)施主投出“標(biāo)書”，那么，控制系統(tǒng)將對各個(gè)投標(biāo)者從加工效率、加工質(zhì)量等方面加以仲裁，以決定“中標(biāo)”施主?！爸袠?biāo)”施主若為底層施主(加工設(shè)備)，則施主申請，由AGV將被加工工件送向“中標(biāo)”的加工設(shè)備，否則，“中標(biāo)”施主還將子任務(wù)進(jìn)一步細(xì)分，重復(fù)以上過程，直至任務(wù)到達(dá)底層施主。這樣，整個(gè)加工過程，通過任務(wù)廣播、投標(biāo)、仲裁、中標(biāo)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的自組織。六、智能制造研究的發(fā)展情況“智能制造”是人們在研究“人工智能在制造業(yè)中的應(yīng)用”的過程中發(fā)展起來的。美國是“智能制造”的發(fā)祥地。Purdue大學(xué)智能制造國

27、家工程中心(IMSERC)最早正式提出“智能制造”，并付諸實(shí)施。目前已開發(fā)出40多個(gè)機(jī)械制造方面的制造智能化單元系統(tǒng)。該中心今后的目標(biāo)是研究各智能單元系統(tǒng)的集成和開發(fā)分布式智能制造系統(tǒng)。“智能制造”的研究正在美國多所大學(xué)蓬勃開展。歐洲對智能制造同樣重視。自1987年以來，每兩年召開一屆智能制造研討會，并將論文匯編成書出版。同時(shí)，歐共體的跨國研究計(jì)劃ESPRIT(歐洲信息技術(shù)研究發(fā)展戰(zhàn)略計(jì)劃)和EUREKA歐洲高技術(shù)1989年10月，由日本當(dāng)時(shí)的發(fā)展計(jì)劃)中有多個(gè)項(xiàng)目是關(guān)于智能制造基礎(chǔ)問題的研究。日本則憑借其雄厚的技術(shù)力量涉足智能制造領(lǐng)域。并倡導(dǎo)國際合作。國際貿(mào)易和工業(yè)大臣，現(xiàn)任東京大學(xué)校長的H

28、iroyukiyoshikawa教授提出了智能制造國際合作計(jì)劃。該計(jì)劃于1993年2月正式實(shí)施，由日本、美國、加拿大、歐盟各國、澳大利亞參加。我國對智能制造的研究業(yè)已展開?！鞍宋濉逼陂g，華中理工大學(xué)、清華大學(xué)、南京航空學(xué)院、西安交通大學(xué)四所高等院校在國家自然科學(xué)基金委員會的資助下，對智能制造系統(tǒng)基礎(chǔ)理論、智能化單元技術(shù)、智能機(jī)器等方面進(jìn)行了研究，并已取得階段性成果。9.2.2 敏捷制造一、敏捷制造企業(yè)的產(chǎn)生及其特點(diǎn)目前，各方面的發(fā)展都在驅(qū)使制造業(yè)中大規(guī)模生產(chǎn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。隨著市場競爭的加劇和用戶要求不斷提高，大批大量的生產(chǎn)方式正朝單件、多品種方向轉(zhuǎn)化。于是美國于1991年提出敏捷制造的設(shè)想。大規(guī)

29、模生產(chǎn)系統(tǒng)是通過大量生產(chǎn)同樣產(chǎn)品來降低成本，而采用新的生產(chǎn)系統(tǒng)能獲得敏捷性生產(chǎn)用戶定做的數(shù)量很少的高質(zhì)量產(chǎn)品，并使單件成本最低。在敏捷制造企業(yè)中，可以迅速改變生產(chǎn)設(shè)備和程序，生產(chǎn)多品種的新型產(chǎn)品。在大規(guī)模生產(chǎn)系統(tǒng)中，即使提高及時(shí)生產(chǎn)(JIT)能力和采用精良生產(chǎn)，各企業(yè)仍主張獨(dú)立進(jìn)行生產(chǎn)。企業(yè)間的競爭促使各企業(yè)不得不進(jìn)行規(guī)模綜合生產(chǎn)。而敏捷制造系統(tǒng)促使企業(yè)采用較小規(guī)模的模塊化生產(chǎn)設(shè)施，促使企業(yè)間的合作。每一個(gè)企業(yè)都將對新的生產(chǎn)能力做出部分貢獻(xiàn)。在敏捷制造系統(tǒng)中，競爭和合作是相輔相成的。在這種系統(tǒng)中，競爭的優(yōu)勢取決于產(chǎn)品投放市場的速度，滿足各個(gè)用戶需要的能力以及對公眾給予制造業(yè)的社會和環(huán)境關(guān)心的響

30、應(yīng)能力。敏捷制造將一些可重新編程、重新組合、連續(xù)更換的生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)合成一個(gè)新的、信息密集的制造系統(tǒng)，以使生產(chǎn)成本與批量無關(guān)。對于一種產(chǎn)品，生產(chǎn)10萬件同一型號產(chǎn)品和生產(chǎn)10萬件不同型號的產(chǎn)品，其成本應(yīng)無明顯差異，敏捷制造企業(yè)不是采用以固定的專業(yè)部門為基礎(chǔ)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，而是采用動態(tài)結(jié)構(gòu)。其敏捷性是通過將技術(shù)、管理和人員三種資源集成為一個(gè)協(xié)調(diào)的、相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。敏捷制造企業(yè)的特點(diǎn)就是多企業(yè)在信息集成的基礎(chǔ)上的合作與競爭。信息技術(shù)是支持敏捷制造的一個(gè)有力的關(guān)鍵技術(shù)。所以，基于開放式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的信息集成框架是敏捷制造的重要研究內(nèi)容。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和信息集成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之上構(gòu)成的虛擬制造環(huán)境，根據(jù)客戶需要和

31、社會經(jīng)濟(jì)效益組成虛擬公司或動態(tài)聯(lián)合公司。這是未來企業(yè)組織的最高形式，它完全是由市場機(jī)遇驅(qū)動而組織起來的。這樣使企業(yè)的組成和體系結(jié)構(gòu)具備前所未有的柔性。二、敏捷制造的特征與傳統(tǒng)的大量生產(chǎn)方式相比，敏捷制造主要具有以下特征：(1)全新的企業(yè)合作關(guān)系虛擬企業(yè)(VirtualEnterprise)或動態(tài)聯(lián)盟。什么是虛擬企業(yè)？虛擬并非沒有。推出高質(zhì)量、低成本的新產(chǎn)品的最快的辦法是利用不同地區(qū)的現(xiàn)有資源，把它們迅速組合成為一種沒有圍墻的、超越空間約束的、靠電子手段聯(lián)系的、統(tǒng)一指揮的經(jīng)營實(shí)體一一虛擬企業(yè)。虛擬企業(yè)的特點(diǎn)是：1)功能的虛擬化在虛擬制造的組織形態(tài)下，一個(gè)企業(yè)雖具有制造、裝配、營銷、財(cái)務(wù)等，但在企

32、業(yè)內(nèi)部卻沒有執(zhí)行這些功能的機(jī)構(gòu)，所以稱之為功能虛擬。在這種情況下，企業(yè)僅具有實(shí)現(xiàn)其市場目標(biāo)的最關(guān)鍵的功能，其他的功能，在有限的資源下，無法達(dá)到足以競爭的要求，因此將它虛擬化，以各種方式借助外力來進(jìn)行組合和集成，以形成足夠的競爭優(yōu)勢。這是一種分散風(fēng)險(xiǎn)的、爭取時(shí)間的敏捷制造策略，它與“大而全、小而全”策略是完全對立的。2)組織的虛擬化虛擬企業(yè)的另一特點(diǎn)是組織的虛擬化。虛擬企業(yè)是市場多變的產(chǎn)物，為了適應(yīng)市場環(huán)境的變化，企業(yè)的組織結(jié)構(gòu)也要做到能夠及時(shí)反映市場的動態(tài)。企業(yè)的結(jié)構(gòu)不再是固定不變的，已經(jīng)逐步傾向于分布化，講究輕薄和柔性，呈扁平網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。虛擬企業(yè)可以根據(jù)目標(biāo)和環(huán)境的變化進(jìn)行組合，動態(tài)地調(diào)整組織

33、結(jié)構(gòu)。3)地域的虛擬化運(yùn)用信息高速公路和全國工廠網(wǎng)絡(luò)，把綜合性工業(yè)數(shù)據(jù)庫與提供服務(wù)結(jié)合起來，還能夠創(chuàng)建地域上相距萬里的虛擬企業(yè)集團(tuán)，運(yùn)作控股虛擬公司，排除傳統(tǒng)的多企業(yè)合作和建立集團(tuán)公司的各種障礙。(2)大范圍的通訊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。在信息交換和通訊聯(lián)系方面，必須有一個(gè)能將正確的信息在正確的時(shí)間送給正確的人"準(zhǔn)時(shí)信息系統(tǒng)"(JustInTimeInformationSystem),作為靈活的管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，通過信息高速公路與國際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)將全球范圍的企業(yè)相聯(lián)。(3)為訂單而設(shè)計(jì)、為訂單而制造的生產(chǎn)方式。(4)高度柔性的、模塊化的、可伸縮的生產(chǎn)制造系統(tǒng)。這種柔性生產(chǎn)系統(tǒng)往往規(guī)模有限，但成

34、本與批量無關(guān)，在同一系統(tǒng)內(nèi)可生產(chǎn)出的產(chǎn)品品種是無限的。(5)柔性化、模塊化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法。(6) “高質(zhì)量”的產(chǎn)品。敏捷制造的質(zhì)量觀念已變成整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)的用戶滿意，企業(yè)的這種質(zhì)量跟蹤將持續(xù)到產(chǎn)品報(bào)廢為止。(7)有知識、有技術(shù)的人是企業(yè)成功的關(guān)鍵因素。在敏捷企業(yè)中，認(rèn)為解決問題靠的是人，不是單純的技術(shù)，敏捷制造系統(tǒng)的能力將不是受限制于設(shè)備，而只受限于勞動者的想像力、創(chuàng)造性和技能。(8)基于信任的雇傭關(guān)系。雇員與雇主之間將建立一種新型的“社會合同”的關(guān)系，大家能意識到為了長遠(yuǎn)利益而和睦相處。(9)基于任務(wù)的組織與管理。敏捷制造企業(yè)的基層單位是“多學(xué)科群體"(MultiDiscipl

35、ineTeam)的項(xiàng)目組，是以任務(wù)為中心的一種動態(tài)組合，敏捷企業(yè)強(qiáng)調(diào)權(quán)力分散，把職權(quán)下放到項(xiàng)目，提倡“基于統(tǒng)觀全局的管理”模式，要求各個(gè)項(xiàng)目組都能了解全局的遠(yuǎn)景，胸懷企業(yè)全局，明確工作的目標(biāo)和任務(wù)的時(shí)間要求，而完成任務(wù)的中間過程則完全可以自主。(10)對社會的正效應(yīng)。大量生產(chǎn)方式通常只關(guān)心企業(yè)本身效益，不關(guān)心對社會的影響，所以通常會帶來不同程度的環(huán)境污染、能源浪費(fèi)及失業(yè)等社會問題。而敏捷制造則要全面消除企業(yè)生產(chǎn)給社會造成的不利影響，企業(yè)必須完全服務(wù)于社會。三、敏捷制造研究的內(nèi)容敏捷制造被認(rèn)為是21世紀(jì)的先進(jìn)制造策略，目前研究的主要內(nèi)容為：(1)分布式數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)。(2)分布式群決策軟件子系統(tǒng)。

36、(3)智能控制子系統(tǒng)。(4)智能傳感器子系統(tǒng)。(5)基于知識的人工智能研究。(6)快速合作子系統(tǒng)。(7)工廠網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)。(8)企業(yè)集成子系統(tǒng)。(9)用戶交互子系統(tǒng)。(10)人與技術(shù)接口子系統(tǒng)。(11)教育培訓(xùn)子系統(tǒng)。(12)模塊化可重構(gòu)的硬件子系統(tǒng)。(13)仿真與建模子系統(tǒng)。(14)廢物處理和消除子系統(tǒng)。(15)零故障方法學(xué)子系統(tǒng)。(16)節(jié)能子系統(tǒng)。(17)動態(tài)合作子系統(tǒng)。(18)性能測量與評價(jià)子系統(tǒng)。9.2.3 并行工程一、什么是“并行工程”并行工程CE(ConcurrentEngineering),是近年來國際制造業(yè)中興起的一種新型企業(yè)組織管理哲理，旨在提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本和縮短開

37、發(fā)周期。目前，人們普遍采用R.I.Winner在國防分析研究所(IDA)R338研究報(bào)告中的定義：“并行工程是對產(chǎn)品及其相關(guān)過程(包括制造過程和支持過程)進(jìn)行并行，一體化設(shè)計(jì)的一種系統(tǒng)化的工作模式。這種工作模式力圖使開發(fā)者們從一開始就考慮到產(chǎn)品全生命周期(從概念形成到產(chǎn)品報(bào)廢)中的所有因素，包括質(zhì)量、成本、進(jìn)度與用戶要求?！盋E包括四方面的內(nèi)容，稱為CE的四"C性：并行性、約束性、協(xié)調(diào)性和一致性。并從全局優(yōu)化的角度出發(fā)，對集成過程進(jìn)行管理與控制，同時(shí)對已有產(chǎn)品開發(fā)過程進(jìn)行不斷的改進(jìn)與提高，以克服傳統(tǒng)串行產(chǎn)品開發(fā)過程大反饋造成的長周期與高成本等缺點(diǎn)，增強(qiáng)企業(yè)產(chǎn)品的競爭能力。從經(jīng)營方面考

38、慮，并行工程意味著產(chǎn)品開發(fā)過程重組(Reengineering),以便并行地組織作業(yè)。二、并行工程的特點(diǎn)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，并行工程主要特點(diǎn)為：設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是產(chǎn)品的整個(gè)生命周期的技術(shù)要求；并行設(shè)計(jì)組織是一個(gè)包括設(shè)計(jì)、制造、裝配、市場銷售、安裝及維修等各方面專業(yè)人員在內(nèi)的多功能設(shè)計(jì)組，其設(shè)計(jì)手段是一套具有CADCAM仿真、測試功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它既能實(shí)現(xiàn)信息集成，又能實(shí)現(xiàn)功能集成，可在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)建立一個(gè)統(tǒng)一的模型來實(shí)現(xiàn)以上功能。并行設(shè)計(jì)能與用戶保持密切的對話，可以充分滿足用戶要求，可縮短新產(chǎn)品投放市場的周期，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的產(chǎn)品質(zhì)量、成本和可靠性。圖9-2傳統(tǒng)序列化研制過程傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)是按階段順序

39、進(jìn)行的，對一個(gè)新產(chǎn)品的開發(fā)大多采用所謂“拋過墻式”的序列化設(shè)計(jì)開發(fā)過程，見圖9-2o產(chǎn)品從上一部門遞交給下一部門(例如，設(shè)計(jì)開發(fā)部-工藝部-制造加工部-總裝測試部等)，各部門都按自己的需求修改，很少考慮到下一部門的需求(可制造性、可裝配性、可測試性、可維修性等)。即使有所考慮(如很有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員)，也不可能把下一個(gè)后續(xù)過程的要求詳盡地反映出來。由于這種傳統(tǒng)的序列化研制過程不能在設(shè)計(jì)的早期反映產(chǎn)品在整個(gè)生命周期內(nèi)的各種需求，使所制造的產(chǎn)品存在較多的缺陷，也就導(dǎo)致從概念設(shè)計(jì)到工藝過程設(shè)計(jì)的多次修改，而且在不同的環(huán)節(jié)重復(fù)這一過程，造成了對原設(shè)計(jì)的大量改動，甚至是產(chǎn)品的返工，延長了產(chǎn)品的開發(fā)周期。據(jù)

40、統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)品成本的70%M在概念設(shè)計(jì)階段確定的，但概念設(shè)計(jì)的修改費(fèi)用占總費(fèi)用的比例很小，而產(chǎn)品序列化研制過程的設(shè)計(jì)修改費(fèi)用將大大增加，詳細(xì)設(shè)計(jì)修改的費(fèi)用是概念設(shè)計(jì)修改的10倍；生產(chǎn)工藝制造階段修改的費(fèi)用是詳細(xì)設(shè)計(jì)修改的10倍，所以序列化研制方法難以適應(yīng)激烈的市場競爭。并行工程是一種用來綜合、協(xié)調(diào)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及其相關(guān)過程一一包括制造和保障過程一一的系統(tǒng)化方法。這種方法使研制人員從一開始就考慮從方案設(shè)計(jì)直到產(chǎn)品報(bào)廢整個(gè)周期的所有要素。這種設(shè)計(jì)開發(fā)過程允許不同的研制階段并行進(jìn)行，且有一段搭接時(shí)間，見圖9-3o圖9-3并行研制過程其特點(diǎn)是：(1)在每一后續(xù)階段開始時(shí)，前一階段尚未結(jié)束。(2)在后續(xù)階段剛開

41、始時(shí)，絕大多數(shù)信息是單向傳輸?shù)?由上向下流動)，但經(jīng)過一段時(shí)間后就變成雙向的了，亦即在兩個(gè)階段的人員之間有了信息交流。(3)當(dāng)后續(xù)階段發(fā)現(xiàn)以前的階段存在問題時(shí)，可及時(shí)反饋信息，以便對上一階段的設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。同時(shí)，前一階段應(yīng)將現(xiàn)行方案提交給后一階段的工作人員，以便觀察是否會產(chǎn)生矛盾和不協(xié)調(diào)的問題。因此，采用并行的研制過程必須要求不同研制階段的所有成員都能了解所研制產(chǎn)品的總目標(biāo)和技術(shù)要求。并行工程同CIM一樣，是一種經(jīng)營哲理、一種工作模式。這不僅體現(xiàn)在產(chǎn)品開發(fā)的技術(shù)方面，也體現(xiàn)在管理方面。CE對信息管理技術(shù)提出了更高要求，不僅要求對產(chǎn)品信息進(jìn)行統(tǒng)一管理與控制，而且要求能支持多學(xué)科領(lǐng)域?qū)＜胰后w的協(xié)同

42、工作(Teamwork),并要求把產(chǎn)品信息與開發(fā)過程有機(jī)地集成起來，做到把正確的信息在正確的時(shí)間以正確的方式傳遞給正確的人。并行工程的基礎(chǔ)技術(shù)研究目前主要集中在以下6方面：(1)面向并行工程的組織機(jī)構(gòu)研究。(2)面向并行工程的管理決策支持系統(tǒng)。(3)面向并行工程的新設(shè)計(jì)學(xué)科。(4)面向并行工程機(jī)理的CAQ/CAPfyCAWCAB(5)建模與仿真技術(shù)。(6)基于計(jì)算機(jī)的知識信息、工具集成技術(shù)。三、并行工程(CE)的理論基礎(chǔ)與運(yùn)行機(jī)理1 CE的理論基礎(chǔ)從本質(zhì)上講，CE是一種以空間換取時(shí)間、處理系統(tǒng)復(fù)雜的系統(tǒng)化方法(SystematicApproach),它以信息論、控制論和系統(tǒng)論為理論基礎(chǔ)，在數(shù)據(jù)

43、共享、人機(jī)交互等工具及集成上述工具的智能技術(shù)支持下，按多學(xué)科、多層次協(xié)同(Synergy)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?cái)U(kuò)大了系統(tǒng)狀態(tài)空間，大大地縮短了復(fù)雜問題交互式求解進(jìn)程的迭代次數(shù)，促使最終目標(biāo)一次成功(DoRightFirst),以非線性的管理機(jī)制和整體性(Holism)思想，贏得集成附加的協(xié)同效益。2 CE的運(yùn)行機(jī)理(1) “并行工程”法與“串行工程”法的比較“串行工程”法的特點(diǎn)是：方案設(shè)計(jì)與制造過程設(shè)計(jì)兩大進(jìn)程的集合性、序列性和反復(fù)性。這種方法的不足之處在于方案設(shè)計(jì)過程中不能及早考慮制造過程以及質(zhì)量保證等問題，必然造成設(shè)計(jì)與制造脫節(jié)。若開發(fā)的產(chǎn)品不能滿足需求，必

44、然要求再設(shè)計(jì)，使整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過程變成設(shè)計(jì)、加工、測試、評價(jià)、修改的大循環(huán)，而且可能多次重復(fù)這一過程，從而使設(shè)計(jì)改動量大，產(chǎn)品開發(fā)周期長、開發(fā)成本高。圖9-4為“串行工程”產(chǎn)品開發(fā)流程的一個(gè)例子。圖9-4“串行工程”的產(chǎn)品開發(fā)流程實(shí)例“并行工程”法的特點(diǎn)在于其集成性、并行性和交互性。在并行工程中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造兩大過程不再脫節(jié)。產(chǎn)品生命周期中的所有因素在產(chǎn)品開發(fā)過程中均加以考慮。例如，初始設(shè)計(jì)方案可立即作為生產(chǎn)過程設(shè)計(jì)的依據(jù)；而制造可行性論證結(jié)果又可返回至產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，使設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)圖紙及時(shí)得到修正。因而可大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，減少返工率及廢品率?！安⑿泄こ獭碑a(chǎn)品開發(fā)流

45、程見圖圖9-5“并行工程”產(chǎn)品開發(fā)流程實(shí)例(2)CE的運(yùn)行機(jī)理CE不是某種現(xiàn)成的系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)，不能像軟件或硬件產(chǎn)品一樣買來安裝即可運(yùn)行。它是一種自頂向下進(jìn)行規(guī)劃、自底向上進(jìn)行實(shí)施的哲理。企業(yè)在CE環(huán)境中進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)、分析、制造等一系列活動，這些活動的完成由原則來進(jìn)行控制。CE目標(biāo)和CE這里CE的目標(biāo)為：提高全過程中全面的質(zhì)量；降低產(chǎn)品生命周期中的成本；縮短產(chǎn)品的研制開發(fā)周期。為實(shí)現(xiàn)CE目標(biāo)，需遵循CE®則，即：有效的領(lǐng)導(dǎo)方法；不斷地進(jìn)行過程的改善；開發(fā)并管理信息和知識財(cái)富；通過長期計(jì)劃和決策來獲得效益。將CE思想貫穿于產(chǎn)品開發(fā)過程中，需要管理、設(shè)計(jì)、制造、支持等知識源的有機(jī)協(xié)調(diào)。它

46、不僅依靠各知識源之間有效的通信，同時(shí)要求有良好的決策支持結(jié)構(gòu)，其運(yùn)行機(jī)理的要點(diǎn)為：突出人的作用、強(qiáng)調(diào)人的協(xié)同工作；一體化、并行地進(jìn)行產(chǎn)品及其有關(guān)過程的設(shè)計(jì)，其中，尤其要注意早期概念設(shè)計(jì)階段的并行協(xié)調(diào)；重視滿足客戶的要求；持續(xù)地改善產(chǎn)品有關(guān)的過程,CE的工程模式中要注意持續(xù)、盡早地交換、協(xié)調(diào)、完善關(guān)于產(chǎn)品有關(guān)的制造/支持等各種過程的約定和定義，從而有助于CE三個(gè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)；注意CE中信息與知識財(cái)富的開發(fā)與管理；注重目標(biāo)的不變性；5“不”：CE是不費(fèi)力就能成功的“魔術(shù)方法”，CE不能省去產(chǎn)品串行工程中的任一環(huán)節(jié),個(gè)CE不是使設(shè)計(jì)與生產(chǎn)重疊或同時(shí)進(jìn)行，CE不同于“保守設(shè)計(jì)”，CE不需保守測試策略。四

47、、并行工程的工程實(shí)現(xiàn)采用CE后取得的成效要通過工程實(shí)現(xiàn)來體現(xiàn)。實(shí)施與步驟、實(shí)施框架及相應(yīng)的工具與技術(shù)。CE必須要有合適的CE環(huán)境與條件、實(shí)施策略1CE環(huán)境在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中，特別是對于產(chǎn)品的設(shè)計(jì),CE環(huán)境主要包括:(1)統(tǒng)一的產(chǎn)品模型。保證了產(chǎn)品信息的惟一性，并必須有統(tǒng)一的企業(yè)知識庫，使小組人員能以同一種“語言”進(jìn)行協(xié)同工作。(2) 一套高性能的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。小組人員能在各自的工作站或微機(jī)上進(jìn)行仿真，或利用各自的CARCAMCAPP系統(tǒng)。(3) 一個(gè)交互式的、良好的用戶界面，實(shí)現(xiàn)CARCAMCAE的系統(tǒng)集成，有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫和知識庫，使小組人員能同時(shí)以不同角度參與或解決各自的設(shè)計(jì)問題。在CE環(huán)

48、境中，企業(yè)要采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)模擬生產(chǎn)過程，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，省去了傳統(tǒng)的從設(shè)計(jì)到制作樣品的過程，既縮短了時(shí)間，降低了成本，又保證了設(shè)計(jì)質(zhì)量2 實(shí)施CE的必要條件與步驟實(shí)施CE必須具備下列條件：上層管理部門的切實(shí)支持；建立多學(xué)科小組；計(jì)算機(jī)技術(shù)的支持；應(yīng)用工具的支持。CE實(shí)施過程可分為三個(gè)階段，即：規(guī)劃階段，對集成CE的信息系統(tǒng)進(jìn)行自頂向下的分析；開發(fā)階段，采集和開發(fā)由現(xiàn)有的設(shè)計(jì)、開發(fā)和生產(chǎn)方法到CE方法所需的技術(shù)和手段；實(shí)施階段，包括采購和安裝所需的硬件，調(diào)整相應(yīng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)以適應(yīng)新的設(shè)計(jì)方法和管理，訓(xùn)練人員以適應(yīng)新的崗位。3 CE的實(shí)施框架當(dāng)企業(yè)具備實(shí)施CE的必備條件后，為實(shí)現(xiàn)CE目標(biāo)，要構(gòu)成一個(gè)

49、能協(xié)調(diào)地支持企業(yè)中管理、設(shè)計(jì)、制造、技術(shù)等活動的、由人、方法、工具等組成的、完整的一體化系統(tǒng)框架一一"CE實(shí)施框架”?？蚣軐?shí)質(zhì)上是對CE實(shí)施過程中所涉及諸要素的一種結(jié)構(gòu)化描述。(1)框架的主要性能能及時(shí)、盡早、完整、持續(xù)地掌握客戶的要求與優(yōu)先考慮的問題；并行、一體化地將要求轉(zhuǎn)化成最優(yōu)的產(chǎn)品定義制造過程及支持過程；持續(xù)地評價(jià)和完善產(chǎn)品過程和支持。這些性能通過下面的三個(gè)子框架協(xié)調(diào)完成。(2)以人為主導(dǎo)的組織管理子框架該子框架包括：組成一個(gè)一體化的、分層次的行政指揮系統(tǒng)；建立多學(xué)科、多功能小組/小組群；企業(yè)組織和文化作相應(yīng)改變。(3)計(jì)算機(jī)輔助工具子框架該子框架可分為7類：信息管理類，包括

50、信息獲取、信息表示、信息操作和信息源管理系統(tǒng)；集成技術(shù)類，包括CE集成支持環(huán)境、工程設(shè)計(jì)與特性的描述語言、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫集成技術(shù)、知識處理技術(shù)、軟件工程技術(shù)；建模/仿真/實(shí)驗(yàn)分析類，包括建模技術(shù)、仿真技術(shù)、實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)；設(shè)計(jì)技術(shù)類，包括公理化設(shè)計(jì)、面向制造的設(shè)計(jì)(DFM)、設(shè)計(jì)科學(xué)概念、面向裝配的設(shè)計(jì)(DFA)、制造工藝設(shè)計(jì)規(guī)則、成組技術(shù)、故障模式與效應(yīng)分析、價(jià)值工程等；計(jì)算機(jī)輔助生產(chǎn)制造技術(shù)類，包括計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)、測試、檢測、車間/單元控制管理、數(shù)據(jù)庫、機(jī)器人、柔性制造單元/系統(tǒng)、CAtyCAPfycamIM成技術(shù)等技術(shù)工具；全面質(zhì)量管理/控制技術(shù)類，主要包括建立CE使用的質(zhì)量模型，質(zhì)

51、量系統(tǒng)與其他過程子系統(tǒng)的集成與協(xié)助控制等；決策支持技術(shù)類，CE過程中存在大量半結(jié)構(gòu)/非結(jié)構(gòu)的決策、多目標(biāo)綜合平衡、突發(fā)事件決策和群決策等，其中，沖突處理是一個(gè)難點(diǎn)，組成以人為中心的智能輔助決策系統(tǒng)是一個(gè)重要的研究課題。(4)方法集子框架該子框架用于協(xié)助解決CE實(shí)施中遇到的下列三項(xiàng)任務(wù)：了解客戶要求。建立過程控制。改進(jìn)過程。企業(yè)在具備實(shí)施CE的必備條件后，可利用CE實(shí)施框架，按CE實(shí)施步驟，構(gòu)成CE環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、低成本、周期短的CE目標(biāo)。4 .2.4虛擬制造系統(tǒng)一、虛擬制造技術(shù)(VirtualManufacturingTechnology)虛擬制造技術(shù)(VMT)可以通俗而形象地理解為：在

52、計(jì)算機(jī)上模擬產(chǎn)品的制造和裝配全過程。換句話說，借助建模和仿真技術(shù)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，就可以把產(chǎn)品的制造過程、工藝設(shè)計(jì)、作業(yè)計(jì)劃、生產(chǎn)調(diào)度、庫存管理以及成本核算和零部件采購等生產(chǎn)活動在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出來，以便全面確定產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程的合理性。虛擬制造技術(shù)是一種軟件技術(shù)，它填補(bǔ)了CA*CAM技術(shù)與生產(chǎn)過程和企業(yè)管理之間的技術(shù)鴻溝，把企業(yè)的生產(chǎn)和管理活動在產(chǎn)品投入生產(chǎn)之前就在計(jì)算機(jī)屏幕上加以顯示和評價(jià)，使工程師能夠預(yù)見可能發(fā)生的問題和后果。采用虛擬制造技術(shù)可以給企業(yè)帶來下列效益：提供關(guān)鍵的設(shè)計(jì)和管理決策對生產(chǎn)成本、周期和能力的影響信息，以便正確處理產(chǎn)品性能與制造成本、生產(chǎn)進(jìn)度和風(fēng)險(xiǎn)之間的平衡，做出正

53、確的決策；提高生產(chǎn)過程開發(fā)的效率，可以按照產(chǎn)品的特點(diǎn)優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；通過生產(chǎn)計(jì)劃的仿真，優(yōu)化資源的利用，縮短生產(chǎn)周期，實(shí)現(xiàn)柔性制造和敏捷制造；可以根據(jù)用戶的要求修改產(chǎn)品設(shè)計(jì)，及時(shí)作出報(bào)價(jià)和保證交貨期。引入虛擬制造技術(shù)應(yīng)該是一個(gè)漸進(jìn)的過程，它的首要前提是已經(jīng)掌握CADCAM技術(shù)并積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。其次是已經(jīng)初步建立了企業(yè)的管理信息系統(tǒng)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)齊全，工時(shí)定額和成本核算比較科學(xué)，在計(jì)算機(jī)管理方面具有較好的基礎(chǔ)和條件。二、虛擬制造系統(tǒng)(VirtualManufacturingSystem)虛擬制造系統(tǒng)(VMS)是基于虛擬制造技術(shù)(VMT)實(shí)現(xiàn)的制造系統(tǒng)，是現(xiàn)實(shí)制造系統(tǒng)RMS(RealManufa

54、cturingSystem)在虛擬環(huán)境下的映射，而現(xiàn)實(shí)制造系統(tǒng)是物質(zhì)流、信息流、能量流在控制機(jī)的協(xié)調(diào)與控制下在各個(gè)層次上進(jìn)行相應(yīng)的決策，實(shí)現(xiàn)從投入到輸出的有效的轉(zhuǎn)變，而其中物質(zhì)流及信息流協(xié)調(diào)工作是其主體。為簡化起見可將現(xiàn)實(shí)制造系統(tǒng)劃分為兩個(gè)子系統(tǒng)：現(xiàn)實(shí)信息系統(tǒng)RIS(RealInformationSystem)和現(xiàn)實(shí)物理系統(tǒng)RPS(RealPhysicalSystem)。RPS由存在于現(xiàn)實(shí)中的物質(zhì)實(shí)體組成，這些物質(zhì)實(shí)體可以是材料、零部件、產(chǎn)品、機(jī)床、夾具、機(jī)器人、傳感器、控制器等。當(dāng)制造系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，這些實(shí)體有特定的行為和相互作用，如運(yùn)動、變換、傳遞等，制造系統(tǒng)本身也與環(huán)境以物質(zhì)和能量的方式發(fā)生

55、作用。RIS由許多信息、信息處理和決策活動組成，如設(shè)計(jì)、規(guī)劃、調(diào)度、控制、評估信息，它不僅包括設(shè)計(jì)制造過程的靜態(tài)信息，而且還包括制造過程的動態(tài)信息。假設(shè)有一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠接受來自RIS的信息和控制命令，執(zhí)行所接受的控制命令，并將執(zhí)行狀態(tài)返回到RISo如果所返回的狀態(tài)報(bào)告與RPS返回的狀態(tài)報(bào)告一致，那么，這種模擬RPS響應(yīng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)稱為虛擬物理系統(tǒng)VPS(VirtualPhysicalSystem)oVPS是RPS虛擬空間的映射，組成VPS的虛擬實(shí)體是RP計(jì)的真實(shí)實(shí)體在虛擬空間的映射，是RPS中真實(shí)實(shí)體的抽象模型。這些抽象模型與真實(shí)實(shí)體一一對應(yīng)，并具有與真實(shí)實(shí)體相同的性能、行為和功能。同樣，

56、如果一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能模擬RIS的功能，那RP計(jì)的機(jī)器就不能區(qū)分才制命令是來自RIS還是來自計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這種能夠模擬RIS并為RPS產(chǎn)生控制命令的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就稱為虛擬信息系統(tǒng)VIS(VirtualInformationSystem)。由VPS和VIS構(gòu)成的制造系統(tǒng)稱為虛擬制造系統(tǒng)VMSVM壞消耗現(xiàn)實(shí)資源和能量，所生產(chǎn)的產(chǎn)品是可視的虛擬產(chǎn)品，具有真實(shí)產(chǎn)品所必須具有的特征，它是一個(gè)數(shù)字產(chǎn)品。三、VMS勺功能及其體系結(jié)構(gòu)虛擬制造系統(tǒng)是在虛擬制造思想指導(dǎo)下的一種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的集成的、虛擬的制造系統(tǒng)系統(tǒng)的全面集成。在信息集成的基礎(chǔ)上，通過組織管理、技術(shù)、資源和人機(jī)集成實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)過程的集成。在整個(gè)產(chǎn)品開

57、發(fā)過程中，在基于虛擬現(xiàn)實(shí)、科學(xué)可視化和多媒體等技術(shù)的虛擬使用環(huán)境、虛擬性能測試環(huán)境以及虛擬制造環(huán)境等虛擬環(huán)境下，在各種人工智能技術(shù)和方法的支持下，通過集成地應(yīng)用各種建模、仿真分析技術(shù)和工具，實(shí)現(xiàn)集成的、并行的產(chǎn)品和過程開發(fā)，以及對產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過程、生產(chǎn)規(guī)劃、調(diào)度和管理的測試，利用分布式協(xié)同求解，以提高制造企業(yè)內(nèi)各級決策和控制能力，使企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)自我調(diào)節(jié)、自我完善、自我改造和自我發(fā)展，達(dá)到提高整體的動作效能、實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)決策和提高市場競爭力的目的?；谔摂M制造系統(tǒng)的全面集成如圖96所示。虛擬制造系統(tǒng)提供以下功能：(1)通過虛擬制造系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)過程的集成。根據(jù)制造企業(yè)策略，基于虛擬制造系統(tǒng)，在信息集成和功能集成的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)過程的集成。通過對整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過程的建模、管理、控制和協(xié)調(diào)，對企業(yè)資源、技術(shù)、人員進(jìn)行合理組織和配置，面向產(chǎn)品整個(gè)生命周期，實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)策略與企業(yè)經(jīng)營、工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)活動的集成(縱向集成)以及在產(chǎn)品開發(fā)的各個(gè)階段分布式并行處理虛擬環(huán)境下多學(xué)科小組的協(xié)同工作(橫向集成)，快速適應(yīng)市場和用戶需求的變化，以最快的速度向市場和用戶提供優(yōu)質(zhì)低價(jià)產(chǎn)品。圖9-6基于虛擬制造(2)實(shí)現(xiàn)虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)/虛擬制造仿真閉環(huán)產(chǎn)品開發(fā)模式。各種建模、仿真和分析技術(shù)和工具的大量使用，使產(chǎn)品開發(fā)從過去的經(jīng)驗(yàn)方法跨到預(yù)測