快速產品與過程實現
引言
面對21世紀持續(xù)多變和不可*預測的化市場競爭，美國能源部、*和國家自然科學基金會等單位在CIM、并行工程和敏捷制造的基礎上[1]，對制造業(yè)的發(fā)展趨勢進行了進一步研究，于1997年提出了下一代制造（NGM）的框架[2]。為在市場競爭中取得成功，NGM企業(yè)必須具有以下特征：（1）敏捷顧客。NGM企業(yè)與顧客協(xié)同工作，滿足顧客全生命周期的功能、成本和時間要求。（2）敏捷工廠和設備。NGM企業(yè)采用可重構、可伸縮和有效成本的制造過程、設備和工廠，以適應快速定制生產需要。（3）敏捷人力資源。NGM企業(yè)人員能適應柔性工作環(huán)境。（4）敏捷市場響應。NGM企業(yè)具有適應持續(xù)多變市場的制造策略。（5）核心能力組織。在企業(yè)內外，：NGM企業(yè)具有獲取產品開發(fā)、銷售、服務所需的知識和能力。（6）敏捷文化和實踐。NGM企業(yè)連續(xù)地改變核心能力、組織結構、文化和經營實踐，以預測和快速響應顧客的要求。為獲得上述NGM企業(yè)的特征，需要開發(fā)以下使能技術來克服制造業(yè)目前存在的障礙：（1）與經營過程有關的使能技術，包括快速產品與過程實現（RPPR），創(chuàng)新管理，更改管理；（2）與技術'有關的使能技術，包括下一代制造工藝和設備，建模和仿真，自適應信息系統(tǒng)；（3）與人有關的使能技術，包括人員柔性，知識供應鏈；（4）與集成有關的使能技術，包括動態(tài)聯(lián)盟建立，企業(yè)集成。其中RPPR是實現NGM企業(yè)的關鍵使能技術。本文著重研究RPPR的體系結構和使能技術，RPPR異地協(xié)同設計與制造的集成機制。
1 RPPR的體系結構
RPPR以顧客為核心，從顧客需求出發(fā)，采用集成產品和過程開發(fā)（IPPD）方法學，應用集成產品開發(fā)小組（IPT），在集成計算機環(huán)境中實現，如圖1所示。RPPR在企業(yè)間動態(tài)聯(lián)盟范圍內運行，其設計和制造活動包括顧客IPT、盟主IPT、合作伙伴IPT和供應鏈IPT。它集成了顧客需求和IPPD方法學的所有方面，這樣高度集成并行的環(huán)境更有效地減少了產品開發(fā)時間，為顧客提供*的產品。
2 RPPR的使能技術
RPPR的使能技術是快速產品與過程實現的關鍵。三個RPPR的關鍵使能技術是采用IPPD方法學的系統(tǒng)方法；提供快速通訊的集成計算機環(huán)境；以zui有效方法將人力資源集成到企業(yè)中。
2.1 采用IPPD方法學的系統(tǒng)方法
IPPD方法學是從并行工程演變而來的。IPPD是在集成計算機環(huán)境中應用IPT，將整個產品和開發(fā)過程生命周期所有學科和顧客、供應鏈以及合作伙伴盡早集成和并行應用的系統(tǒng)方法，以支持企業(yè)更快地設計更好產品，贏得*。采用IPPD方法學zui成功的例子是美國波音公司的777飛機。美國IBM、HP、通用電氣和通用汽車公司等都采用了IPPD方法學。國內采用并行工程也取得了良好的效果。然而，即使是波音777飛機也沒有*實施下游需求。波音公司發(fā)覺，盡管它們在詳細設計階段采用了數字產品設計模型，但早期選定的系統(tǒng)概念限制了它們采用*的替代設計。越來越多的公司認識到，應強調從概要設計開始的系統(tǒng)方法，因為概要設計決定了產品生命周期的70％～80％。在半導體制造中，雖然實現了產品和過程設計，但沒有與制造執(zhí)行系統(tǒng)集成起來。目前沒有公司綜合定義或開發(fā)了能成功連續(xù)縮短上市時間、產品性能和成本*折衷的關鍵因素或使能器。成功實施IPPD方法學需要開發(fā)一系列通用、集成和可靠的工具，包括：（1）現有技術、產品、質量、成本、利用率和制造能力的綜合評估方法；（2）IPT組織的實施辦法；（3）顧客需求的實時協(xié)同評估和驗證；（4）過程管理系統(tǒng)的建立和‘性能評價的方法學；（5）從概念到報廢全生命周期的協(xié)同產品設計與制造；（6）虛擬制造的應用，減少物理原型的需求；（7）為保證產品質量，減少產品zui終檢測的智能閉環(huán)過程控制。
2.2 企業(yè)范圍的集成計算機環(huán)境
集成計算機環(huán)境是快速和有效使用產品和過程信息的關鍵使能器。它包括企業(yè)公共數據庫、互操作開放系統(tǒng)標準、產品數據管理器和群件等。在產品和過程開發(fā)中，理想集成計算機環(huán)境是：（1）IPT以并行交互方式進行異地協(xié)同設計與制造；（2）在產品生命周期所有階段，通過集成的、邏輯上集中的、物理上分布的數據庫，實現信息共享；（3）產品和過程描述可追溯到明確的產品和制造過程定義；（4）管理和控制動態(tài)聯(lián)盟中的過程需求、過程決策和信息流；（5）通過應用基于案例推理、設計優(yōu)化、調度、基于規(guī)則設計、隨機設計評估等減少設計和制造風險；（6）實現設計、優(yōu)化和數據無縫連接等自動化的集成計算機應用；（7）提供與產品定義無縫連接的智能、可重構、閉環(huán)的制造能力；（8）支持決策和過程重構的*工具；（9）支持從上到下和從下到上的設計方法學；（10）記錄產品和過程生命周期信息的能力；（11）指導連續(xù)改進所有過程的準則。理想集成計算機環(huán)境可采用標準化、互操作系統(tǒng)、建模和仿真、消除任務冗余使其優(yōu)化等方式實現。現有商品化的集成計算機環(huán)境包括產品數據管理器（PDM）。PDM提供整個企業(yè)創(chuàng)建、搜索和控制產品信息的結構化機制。其中Metaphase是一個開放的、基于標準的PDM系統(tǒng)，它可通過廣域網支持異地設計和制造。目前，不同公司的PDM系統(tǒng)之間是不可互操作的，這就要求合作伙伴購買同一品牌的PDM系統(tǒng)或實現PDM系統(tǒng)之間的轉換。
2.3 與人和文化有關的問題
人的問題是變革的zui大障礙。當人們需要承擔風險接受挑戰(zhàn)時，往往對變革采取抵制的態(tài)度。NGM企業(yè)需要建立文化，使人們認為挑戰(zhàn)是機遇而不是威脅。NGM企業(yè)必須改進組織，將傳統(tǒng)遞階管理結構變?yōu)榫仃嚨摹⒒贗PT的組織；將決策過程和權利從個人移交給IPT，專家?guī)椭鶬PT在正確的時間作出正確的決策；建立敏捷IPT成員和領導的選擇機制，使其適應企業(yè)IPT成員不斷變化的環(huán)境；建立人事獎罰系統(tǒng)；加強技術培訓。
2.4 IPPD方法學、集成計算機環(huán)境、人和文化有關問題的集成
集成是使制造企業(yè)成功運行的關鍵。由于RPPR的范圍是企業(yè)間的動態(tài)聯(lián)盟，不單是一個工廠，管理如此復雜和動態(tài)的企業(yè)所需的知識超過了設備、材料、人員和技術的一般組合。這就需要開發(fā)模擬人的模型、人機界面技術、虛擬現實技術、多維面向用戶的綜合仿真、多媒體會議等手段來實現IPPD方法學、集成計算機環(huán)境、人和文化有關問題的集成。目前，以NGM企業(yè)為要求的如此高度的集成在制造企業(yè)中還沒有實現。然而，美國敏捷宇航制造研究中心（AAMRC）和電子敏捷制造研究所在這方面進行了大量的研究。AAMRC由美國學術機構與工業(yè)界組成，其目標是在宇航工業(yè)研究、開發(fā)和實施敏捷實踐、過程和使能技術，并成為世界宇航工業(yè)的敏捷領導中心。具體內容包括研究人員和工業(yè)合作伙伴成為宇航敏捷制造專家；進行*的宇航敏捷制造研究；研究結果在成員公司內廣泛應用；通過敏捷產品和服務獲得顯著收入；成為敏捷工業(yè)和大學合作的*。AAMRC通過敏捷經營實踐、經營過程和使能技術三個關鍵領域的研究，來實現總體目標。經營實踐包括企業(yè)及其環(huán)境的約束、文化和獎勵機制。經營過程是為達到經營目標的活動集合。使能技術包括系統(tǒng)集成體系結構、企業(yè)性能管理方法學、智能過程代理體系結構和信息基礎結構等。系統(tǒng)集成體系結構側重于敏捷制造企業(yè)信息系統(tǒng)研究。目前實現信息系統(tǒng)的方法是基于公共、靜態(tài)、中性格式共享數據庫的基本模型，它不適應在幾天或幾周內就建立一個動態(tài)聯(lián)盟。AAMRC從設計方法學領域提出了一個新的基本模型，開發(fā)了系統(tǒng)集成體系結構，以支持在上述時間范圍內創(chuàng)建新的動態(tài)聯(lián)盟。企業(yè)性能管理方法學用于評估實施敏捷實踐、過程和技術對企業(yè)戰(zhàn)略和戰(zhàn)術的影響。智能過程代理體系結構為制造過程信息的開發(fā)和重用提供軟件控制結構。該控制結構主要為了滿足多品種小批量生產時動態(tài)車間環(huán)境的需要，它可以在幾分或幾小時內重構和控制制造系統(tǒng)。信息基礎結構能使信息系統(tǒng)迅速重構。它包括來自動態(tài)聯(lián)盟合作伙伴的服務與軟件，以及促進合作的通迅手段。AAMRC實施的項目包括供應商集成、戰(zhàn)略信息系統(tǒng)、企業(yè)決策支持系統(tǒng)、并行工程設計結構、快速響應制造與檢測、光學定位與校準、基于視覺的零件識別和Marlow工具制造改進等。供應商集成目的是在生產過程前期減少將鋁板送至機床的準備時間，并簡化該過程。AAMRC幫助設計了新的經營過程，其結果是準備時間從356天減至15天，過程步驟數目從8減至5，并且材料及時被送至下一工序。AAMRC從該項目在敏捷性方面認識到了顧客的文化和組織對改變過程、明確質量責任及現有庫存計劃的影響。戰(zhàn)略信息系統(tǒng)在NorthropGrumman公司民用飛機部重組、實施和演示敏捷戰(zhàn)略計劃過程和信息系統(tǒng)。企業(yè)決策支持系統(tǒng)幫助TRACOR公司開發(fā)和增強企業(yè)指令、控制、通訊和智能（EC3I）的決策支持系統(tǒng)，它是加速和改進決策的使能技術。并行工程設計結構用CORBA和STEP標準為工程師提供電子產品級服務。AAMRC提出了STEP210應用協(xié)議的公共數據模型，開發(fā)了從PDM系統(tǒng)獲取產品屬性信息的程序。該軟件可快速評估產品部件修改對產品屬性的影響，加快了產品設計過程。快速響應制造與檢測、光學定位與校準、基于視覺的零件識別和Marlow工具制造改進等項目提高了快速制造產品的敏捷度。美國電子敏捷制造研究所建立了*電子產品異地設計與制造的綜合信息基礎結構，并進行了包括顧客、設計、制造、市場和供應鏈在內的異地設計與制造的演示項目。在*階段，一種電子產品在一個地點設計，同時在三個地點制造；在第二階段，三個不同產品在不同地點設計，并在一個相同地點制造。這些一對多和多對一的異地設計制造演示項目能理想地體現RPPR的哲理，并為新方法和工具提供了較好的定量評估基礎。
3 異地協(xié)同設計與制造的集成機制
RPPR的特點是由顧客、盟主、合作伙伴和供應鏈組成的IPT采用異地設計制造方式，由許多公司大規(guī)模協(xié)同完成設計和制造高質量的定制產品。它要求為各地的合作伙伴提供一致的信息，解決數據管理權限問題，同時考慮保留各自的獨立性。各公司常用計算機支持協(xié)同（CSCW）系統(tǒng)幫助完成異地設計與制造。根據上述RPPR特點，我們開發(fā)了基于過程管理系統(tǒng)的異地協(xié)同設計與制造的集成機制，如圖2所示。公司l、公司2和公司3是NGM企業(yè)中三個獨立的異地合作伙伴，它們?yōu)樾庐a品開發(fā)組成動態(tài)聯(lián)盟。它們之間在廣域網上進行異地協(xié)同設計和制造產品。
公司1主要從事產品設計，產生數字化樣機。其活動包括用CAD建立產品幾何和技術信息;用預裝配（DFA）產生裝配工藝規(guī)劃，消除干涉；用有限元分析改進和優(yōu)化產品和零件結構；用可制造‘性設計（DFM）進行產品設計的可制造性評價和經濟評價等。公司l進行設計的所有軟件封裝在PDM系統(tǒng)中。公司2進行零部件制造。其活動包括CAPP接收來自CAD產生的幾何和技術信息自動生成工藝規(guī)劃；計算機輔助夾具設計（CAFD）解決柔性夾具設計和分析問題；CAM生成刀位文件，產生NC代碼；加工過程仿真（MPS）提供驗證和糾正NC代碼；對產品進行加工。CAPP、CAFD、CAM、MPS等軟件封裝在PDM系統(tǒng)中，制造活動所需的物料和計劃等由MRPII系統(tǒng)管理。為管理企業(yè)的所有信息，應將設計與生產計劃和控制互連，可通過PDM系統(tǒng)輸出的物料單（BOM）與MRPII系統(tǒng)連接。公司3對產品進行總裝，其物料和計劃由MRPII系統(tǒng)管理。各公司的設計和制造活動由各自的過程管理系統(tǒng)控制。過程管理系統(tǒng)在功能上分為全局過程管理系統(tǒng)和局部過程管理系統(tǒng)。全局過程管理系統(tǒng)控制公司之間的協(xié)同設計和制造，局部過程管理系統(tǒng)控制公司內的活動和信息流。由于動態(tài)聯(lián)盟各公司之間具有非常強的獨立性，一般不可能。這樣，全局過程管理系統(tǒng)不是各公司之間的集中控制器，而只作為各公司之間的協(xié)調器。因此根據設計和制造活動的需要，各公司的過程管理系統(tǒng)都可作為全局過程管理系統(tǒng)，當然也作為本公司的局部過程管理系統(tǒng)。全局和局部過程管理系統(tǒng)都由過程建模、過程仿真、過程調度、過程監(jiān)控部分組成。過程建模確認產品設計和制造的功能需求，建立設計和制造的活動順序和活動問相互關系的模型；過程仿真分析和優(yōu)化過程的行為；過程調度提交任務給系統(tǒng)，并執(zhí)行相應過程；過程監(jiān)控自動獲取有關信息，比較計劃與過程歷史，從而確認是否有沖突情況發(fā)生，如果有非預期的沖突發(fā)生，采用人工或項目協(xié)調技術消除沖突。該集成機制的特點在于系統(tǒng)是開放和靈活的，合作伙伴可以靈活地加入或退出動態(tài)聯(lián)盟，合作伙伴的選擇也是交互和連接的過程；合作伙伴相互是*自治的，他們通過互相同意的協(xié)議合作；合作伙伴通過各自的過程管理系統(tǒng)控制其活動和信息流；每個合作伙伴的過程管理系統(tǒng)都可作為全局過程管理的協(xié)調器，這樣各合作伙伴是平等的，有利于動態(tài)聯(lián)盟的協(xié)作。
4 結論
快速產品與過程實現是NGM企業(yè)的關鍵使能技術。實踐表明，采用IPPD方法學，開發(fā)RPPR使能技術，實現IPPD方法學、集成計算機環(huán)境、人和文化有關問題的集成大大提高了產品的市場競爭能力。根據RPPR體系結構和IPPD方法學，上述建立的基于過程管理系統(tǒng)的異地協(xié)同設計與制造的集成機制已經在實踐中取得了較好的效果。
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