大学精品课件：现代制造系统(v4.1)6B 集成相关.ppt

1、现代制造系统,第6章 计算机集成制造系统（4） 东北大学秦皇岛分校 黄亮 n-xyz,第6章 计算机集成制造系统 6.1 计算机集成制造系统概述 6.2 企业资源计划简介 6.3 制造执行系统简介 6.4 其它相关理论与方法,6.4 其它相关理论与方法,除了上述计算机集成制造系统及其相关概念外，还存在许多从集成角度提高系统性能的先进理论与方法，包括 （1）产品全生命周期管理、 （2）并行工程、 （3）协同制造、（4）网络化制造、（5）企业动态联盟、（6）虚拟制造系统、（7）敏捷制造系统、（8）分布式制造系统、（9）云制造系统、（10）工业4.0、（11）全球制造和（12）面向21世纪的制造系统

2、。,（1）产品全生命周期管理（product life cycle management, PLM） 传统的市场营销学定义的产品生命周期为：导入、成长、成熟、衰退,这个已经不能概括产品生命周期的全过程。现在我们把这个四个阶段定义为：产品市场生命周期。 产品全生命周期管理则包含产品战略、产品市场、产品需求、产品规划、产品开发、产品上市、产品市场生命周期管理7个部分。为了与传统的产品生命周期的概念区分，因此称为产品的全生命周期。,引入产品全生命周期管理的核心意义在于通过考察产品产生到消亡的各个阶段，更好地定义产品，并以此为基础更好地设计产品，让产品获得持续的市场生命力。 由此，出现了产品全生命周期

3、设计（life cycle design，LCD）、全生命周期成本（life cycle cost，LCC）、全生命周期评价（life cycle assessment，LCA）和全生命周期仿真（life cycle simulation，LCS）等相关概念，主要应用领域为产品的设计阶段。 而目前的全生命周期管理软件（通常简称为PLM软件）的主要功能类似于产品数据管理（PDM），集成了CAD、CAE等设计工具，并支持新产品数据向生产的快速导入。,产品全生命周期设计（LCD）比起传统设计方法，更多地考虑产品的长期使用性能、制造成本等因素，目前其考虑最多的问题就是生态与环保问题，故有的文献将之称为

4、生态设计（Eco-Design）。,案例：啤酒产品的全生命周期设计不仅仅涉及啤酒酿造工艺和酿造设备的设计，还涉及啤酒的包装问题。 在瓶装啤酒中，包括啤酒瓶、瓶盖、标签等的设计。,案例，啤酒产品的全生命周期设计： 啤酒瓶是灌装含气液体并多次重复使用的包装容器，应具备足够的坚固性，同时又要减小质量、易于清洗； 瓶盖直接与啤酒接触，瓶盖材料和垫片材料应无毒性，并能保证在保质期内有足够的密封性能； 标签纸要有足够的牢度，以免在运输过程中脱落，印制图案的油墨应不含毒性。 显然，有关啤酒瓶、瓶盖、标签纸、印制油墨、黏结剂等问题都不是啤酒工艺设计师的擅长。 多学科的合作设计，可以从一开始就仔细谋划设计的各个

5、方面，集思广益，做出最佳的选择。这样不但可以增加产品成功开发的机会，而且可以缩短设计周期。,（2）并行工程（concurrent engineering，CE）,源于并行设计方法： 最早出现于 产品设计领域， 后来扩展到 整个制造过程。,并行设计（concurrent design）的相关研究很多，先后出现了一些不同的提法，例如同时工程（simultaneous engineering）和协同设计（co-design）(第13.1节)等。 直到上世纪80年代中期，美国国防分析研究所（IDA）的R. I. Winner提出的研究报告给出了并行工程（concurrent engineering，C

6、E）的定义： 并行工程是对产品及其相关过程（包括制造过程及其支持过程）技能型并行、一体化设计的一种系统化的工作方式，这种工作模式力图使开发者从一开始就要考虑到产品全生命周期中的所有因素，包括质量、成本、进度与用户需求。 并行工程的概念才明确形成。,目前，并行工程的目的不仅是缩短产品设计时间， 更重要的是融入了产品全生命周期设计思想，在产品的设计过程中考虑其它相关过程，包括加工工艺、装配、检验、质量保证、销售和维护等。 通过系统考虑和持续改进提高了产品的质量，并且更注重用户的需求。 根据上述思想，并行工程提出一些新的设计方法， 例如面向制造的设计（design for manufacturing

7、, DFM）和面向装配的设计（design for assembly, DFA）等。,目前，并行工程体系的主要思想包括： 在设计阶段考虑产品全生命周期中的所有方面。 将原本串行的工作在设计之初就并行开展，在某方面设计的初始阶段就能参考其它方面已获得的信息，避免因考虑不周全导致产品设计出现缺陷。 这些需要考虑的设计方面包括美学、耐用性、人机工程学、互换性、维修性、营销性、可制造性、可获得性、可靠性、可再制造性、安全性、进程计划性、可服务性、简单性、可测试性、可传送性、设备支持、人力支持、财力支持、与其它加工任务的冲突避免等。,重视客户的需求。 并行带来的另一个好处是开发设计与需求调研并行。这样，

8、用户可以在产品的设计阶段参与产品的改进工作，这对于最终产品能够最大限度地满足用户需求具有非常重要的意义。 对于设计阶段的早期需求分析，其准确程度对整个产品的设计与开发具有深刻的影响，包括成本的降低、产品设计与制造的有效性及符合用户需要等。 快速成型技术（例如3D打印机，第12.2节介绍）对上述工作的开展提供了有力的支持。,强调人们的协同工作。 强调在整个产品生命周期中各部分的工作要并行地在设计阶段就予以考虑。 在产品并行设计与开发过程中，矛盾与冲突的解决、问题的处理，要通过多功能工作小组之中的人们相互之间的协同来实现。（参考第3.1节精益生产中的小组工作法。） 目前，对设计阶段的协同方法的研究

9、比较多，主要从流程、协作（技术平台）和管理三个方面入手，统称为协同设计（co-design）（第13.1节）。,采用上述思想，实施并行工程的效果在于 产品设计及其有关过程的并行进行，使产品开发周期减少4060。 波音777客机的研发采用并行工程， 时间为4年半，比767客机缩短了一年。,采用上述思想，实施并行工程的效果在于 多功能工作小组（波音公司内部称为联合工作队（IPT）一体化进行产品及其相关过程的设计，使制造成本降低3040。 麦道公司（1997年与波音公司合并）的MD-11飞机采用并行工程的相关技术，全机零件减少了1473种，重量减少了432公斤，装配工时减少了3110小时。,采用上述

10、思想，实施并行工程的效果在于 产品及有关过程的并行优化使产品报废减少75。 设计质量改进，使早期生产中工程变更的次数减少一半以上。 美国建筑公司John Deere应用并行工程后，开发新建筑的成本和时间分别下降了30%和60%。 福特（Ford）、施乐（Xerox）、摩托罗拉（Motorola）、IBM和美国电话电报（AT&T）等公司也有应用并行工程的成功案例。,（3）协同制造 （collaborative production commerce） 协同制造指充分利用Internet技术为特征的网络技术、信息技术，将串行工作变为并行工程，实现供应链内及跨供应链间的企业产品设计、制造、管理和商务

11、等的合作的生产模式，最终通过改变业务经营模式与方式达到资源最充分利用的目的。 协同制造包含三个层次： 各个制造单元的协同（车间级）； 企业内各个工厂的协同（企业级）； 基于供应链的协同（跨企业）。 当前的研究重点在跨企业级。,协同制造产生的背景： 随着产品和制造过程复杂度的提高，单个企业越来越难以承受新产品开发和制造所需要的庞大的知识、技能和设备，仅靠单个企业的自身力量越来越难对付瞬息万变的全球市场。 面对这种新形势，传统“大而全”、“小而全”的企业模式遇到了巨大的挑战。,企业协同制造系统是一个由企业之间、企业与环境之间相互作用、相互影响而形成的社会。 随着一个个封闭市场的开放、国际贸易集团力

12、量的加强以及用户对产品和服务的自由流动的欢迎，随着通信和交通的迅速发展，全球制造业的集成已成为不可避免的趋势。,现代制造的特点之一为集成化，参考案例： 一架波音747飞机有450万个部件， 来自近10个国家的1000多家企业的1.5万多家工厂共同参与了飞机的制造。,协同制造的核心思想： 抓着本企业的优势所在，将优势工作放在本企业，其它工作寻找成本低廉的合作。,协同的对象包括： 上游供应商; 下游客户; 其他合作伙伴; 竞争对手。 协同的内容包括： 面向产品结构的分解和合作，即将产品分为许多零部件，分工协作； 面向产品价值链的分解和合作，即按产品设计、制造、装配、销售、维护等各环节进行分工协作；

13、 基于共同利益的合作，如资源共享、市场共享等。,企业协同制造的发展趋势：,企业协同制造的发展趋势： 朝紧密型（企业化）方向发展， 这方面的典型例子是跨国公司和跨国集团。 根据联合国的1997年投资报告的统计全球最大的100个经济体中，巨型跨国公司占51个，只有49个为国家经济体。 朝松散型（市场化）方向发展， 主要表现为一是中小企业大量涌现，二是大公司正在纷纷地把各部门改组为更小、更有自主权的利润中心，如事业部。,（4）网络化制造系统 （network manufacturing system） 网络化制造系统是指企业在网络化制造模式的指导思想、相关理论和方法的指导下，在网络化制造集成平台和软

14、件工具的支持下，结合企业具体的业务需求，设计实施的基于网络的制造系统。 上述定义包含了两层要求： 一是企业的组织结构为网络化结构； 二是应用网络化制造集成平台。,网络化制造系统涉及范围较广，与其说是一种制造模式，不如说是一种制造思想。 网络化制造系统的相关研究案例： 美国企业网（factory american net）已经在美国政府资助的“制造系统的敏捷基础设施”项目中得到实施。 德国Produktion2000框架方案旨在建立一个全球化的产品设计与制造资源信息服务网。 欧盟“第六框架计划”的一个主要目标是研究利用Internet技术改善联盟内各个分散实体之间的集成和协作机制。,网络化制造系

15、统的相关研究案例： 2000年2月,通用汽车公司、福特汽车和戴姆勒-克莱斯勒、雷诺-日产公司终止各自的零部件采购计划,转向共同建立零部件采购的电子商务市场，实现采购环节的动态联盟。 波音在设计波音787客机中，通过全球协同网络环境，采用这一最先进的网络协同方式。 空客公司于2004年组织欧洲多个国家的63个公司参加了VIVACE（value improvement through a virtual aeronautical collaborative enterprise）系统研究项目，经历了4年时间，构建了多学科协同研制的系统框架。,网络化制造系统的相关研究案例： 华中科技大学的杨叔子院士

16、提出基于Agent的网络化制造模式，及基于利益驱动的动态重组机制。 重庆大学的刘飞等提出“区域性网络化制造系统”， 对网络化制造的定义、内涵特征进行了描述, 并归纳出了支撑网络化制造的技术体系。 浙江大学的祁国宁和顾新建教授分析网络化制造的几种发展途径并指出了网络化制造模式在21世纪制造业中的重要地位。 贵州工业大学的谢庆生教授提出了基于ASP 模式的网络化制造系统结构，并针对我国的实际着重讨论了基于ASP 模式网络化制造的发展策略。,（5）企业动态联盟 （dynamic alliance of enterprises） 当市场出现新机遇时，具有不同资源与优势的企业为了共同开拓市场，共同对付其

17、他的竞争者而组织的、建立在信息网络基础上的共享技术与信息，分担费用，联合开发的、互利的企业联盟体。 企业动态联盟也称为动态组织联盟或虚拟企业（virtual organization），是一种跨企业制造系统的组织策略（参考第5.2节）。,（6）虚拟制造系统 （virtual manufacturing system） 此名词存在两个含义： 其一等同于虚拟企业、企业动态联盟的概念。（参考第5.2节） 其二指利用虚拟现实技术建立 产品模型、设备模型和车间模型， 辅助解决实际生产中设计与管理问题。 （参考第13.4节）,（7）敏捷制造系统 （agile manufacturing system, A

18、MS） 1991年，在美国国防部的资助下，美国通用汽车公司（GM）和里海（Lehigh）大学的雅柯卡（Iacocca）研究所组织了百余家公司，由通用汽车公司、波音公司、IBM、德州仪器公司、AT&T、摩托罗拉等15家著名大公司和国防部代表共20人组成了核心研究队伍，开展面向21世纪制造业的制造模式研究计划。 1994年，研究团队提出了21世纪制造企业战略，其中出现了敏捷制造（agile manufacturing, AM）的概念。,敏捷制造系统的核心思想： 提高企业对市场变化的快速反应能力，满足顾客的要求，除了充分利用企业内部资源外，还可以充分利用其它企业乃至社会的资源来组织生产。 该模式的重

19、点放在利用企业的外部资源上， 因此，其概念与 企业动态联盟、 虚拟企业 非常类似。,敏捷制造系统的 结构示意图,（8）分布式系统（distributed system） 原为地理学中的概念，指多个系统的集合，其中亚系统平行地相互作用。 近年来，被引入计算机学科，指建立在网络之上具有高度的内聚性和透明性的软件系统。 例如：万维网，架构在多台遵循统一协议（内聚性）服务器系统上，但对用户而言就像一个文档一样（透明性）。,分布式系统的一个成功应用领域是分布式计算， 即把一个需要非常巨大的计算能力才能解决的问题分成许多小的部分，然后把这些部分分配给许多计算机进行处理，最后把这些计算结果综合起来得到最终的

20、结果。 应用案例：对外星文明信号的搜索。,分布式计算系统与计算机集群， 也是计算机学科近期研究的一个热点。,分布式制造的概念与分布式计算类似， 是将一种产品制造所需要的资源分解成若干部分，由若干个地理位置不在一起的部门协同完成。研究的重点在于整个系统的信息管理与协调控制上。 分布式制造系统主要有两种模式： 一是在企业级，销售、设计与制造部门地理位置分离，靠网络实现信息的沟通。 二是在跨企业级，由多家企业共同实现大型产品（例如大型客机）的制造。,云制造是为降低制造资源的浪费，借用云计算（cloud computing）的思想，利用信息技术实现制造资源的高度共享，建立共享制造资源的公共服务平台。

21、企业用户无需再投入高昂的成本购买加工设备等资源，通过公共平台来购买租赁制造能力。 云制造的主要研究领域显然在跨企业级。,（9）云制造系统（cloud manufacturing system）,云制造的重点在于运用了云计算技术。 云是网络、互联网的一种比喻说法。过去在图中往往用云来表示电信网，后来也用来表示互联网和底层基础设施的抽象。 云计算（cloud computing）是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。,云制造思想的示意图：,云计算是分布式计算（distributed computing）、并行计算（parallel c

22、omputing）、效用计算（utility computing）、网络存储（network storage）、虚拟化（virtualization）、负载均衡（load balance）等传统计算机和网络技术发展融合的产物。,云计算的特点在于： 资源配置动态化； 需求服务自助化； 网络访问便捷化； 服务可计量化； 资源的虚拟化。,（10）工业4.0 （Industrie4.0） 也称作第四次工业革命，源于2011年汉诺威 工业博览会，是德国政府提出的高技术战略2020中的十大未来项目之一。 工业4.0旨在提升制造业的智能化水平，建立具有适应性、资源效率及人因工程学的智慧工厂，在商业流程及价值

23、流程中整合客户及商业伙伴。 其技术基础是网络-实体系统（物联网）。 2014年11月李克强总理访问德国期间，中德双方宣布两国将开展工业4.0合作。而借鉴德国工业4.0计划，是“中国制造2025”的既定方略。,物联网（Internet of things，IOT）： 利用局部网络或互联网等通信技术把传感器、控制器、机器、人员和物等通过新的方式联在一起，形成人与物、物与物相联，实现信息化、远程管理控制和智能化的网络。 目前，物联网的一些应用包括 智能家居、 保安系统、 移动购物、 食品追溯等。,（11）全球制造系统 （globe manufacturing system，GMC） 广义上指在世界范

24、围内实现跨企业制造的一种概念，体现了集成制造的思想，也包含了柔性和敏捷化制造的思想，同时也指制造系统的一个层次（第2.5节）。 狭义上指通用汽车（GM）于1996年提出的一种先进制造模式，为了与广义上的概念区分，也记作GM-GMC。其主要内容被概括成5大原则： 员工参与（People Involvement）、标准化（Standardization）、制造质量（Built In Quality）、缩短制造周期（Short Lead Time）、不断改进（Continuous Improvement）。 GM-GMC是精益生产（第3.1节）在通用汽车的应用与改进，在1998年合并入通用汽车新提出

25、的竞争制造系统之中（第3.7节）。,即近未来的制造模式。 这是一个覆盖范围很广的概念： 基本包含了上述所有制造模式的思想，并需要结合现代制造的特点（高效、柔性和集成）继续完善和改进。,（12）面向21世纪的制造模式,总结先进制造模式： “时势造英雄”，尽管先进制造理论众多，但谁能适应时代潮流，最终“一统江湖”，还需时间检验。 作为学习者，关键在于弄清所处时代的主要问题，理解先进制造理论中解决问题的思想，才能灵活选用，永不过时。 历史借鉴： 先秦诸子百家，只有儒家、道家、法家、墨家、名家、阴阳家、杂家、农家、纵横家、小说家十家后世留名，儒家一家独大。,课程要求（6.4）,理解并行工程的主要思想（3点）。 知道面向制造的设计、面向装配的设计和多功能工作小组属于并行工程体系。 知道并行工程和全产品生命周期主要应用于设计领域。 知道协同制造的核心思想， 以及可能的协同对象（4点）、 协同内容（3点）和发展趋势（2点）。 知道协同制造主要应用在跨企业层。,课程要求（6.4）,知道网络化制造、虚拟制造和全球制造系统的两层含义。 知道敏捷制造的主要应用在跨企业层。 知道分布式制造和云制造的关系。 知道上述两者的主要应用层次。 简单了解课程在第3章至第6章介绍的先进制造理论，理解其主要针对哪些现代制造的特点；能够根据一段案例介绍判断其应用了哪些先进制造模式。,