快速产品与过程实现

引言

面对21世纪持续多变和不可完全预测的全球化市场竞争，美国能源部、国防部和国家自然科学基金会等单位在CIM、并行工程和敏捷制造的基础上[1]，对制造业的发展趋势进行了进一步研究，于1997年提出了下一代制造(NGM)的框架[2]。为在市场竞争中取得成功，NGM企业必须具有以下特征：(1)敏捷顾客。NGM企业与顾客协同工作，满足顾客全生命周期的功能、成本和时间要求。(2)敏捷工厂和设备。NGM企业采用可重构、可伸缩和有效成本的制造过程、设备和工厂，以适应快速定制生产需要。(3)敏捷人力资源。NGM企业人员能适应柔性工作环境。(4)敏捷全球市场响应。NGM企业具有适应持续多变全球市场的制造策略。(5)核心能力组织。在企业内外，：NGM企业具有获取产品开发、销售、服务所需的知识和能力。(6)敏捷文化和实践。NGM企业连续地改变核心能力、组织结构、文化和经营实践，以预测和快速响应顾客的要求。为获得上述NGM企业的特征，需要开发以下使能技术来克服制造业目前存在的障碍：(1)与经营过程有关的使能技术，包括快速产品与过程实现(RPPR)，创新管理，更改管理；(2)与技术有关的使能技术，包括下一代制造工艺和设备，建模和仿真，自适应信息系统；(3)与人有关的使能技术，包括人员柔性，知识供应链；(4)与集成有关的使能技术，包括动态联盟建立，企业集成。其中RPPR是实现NGM企业的关键使能技术。本文着重研究RPPR的体系结构和使能技术，RPPR异地协同设计与制造的集成机制。

1 RPPR的体系结构

RPPR以顾客为核心，从顾客需求出发，采用集成产品和过程开发(IPPD)方法学，应用集成产品开发小组（IPT)，在集成计算机环境中实现，如图1所示。RPPR在企业间动态联盟范围内运行，其设计和制造活动包括顾客IPT、盟主IPT、合作伙伴IPT和供应链IPT。它集成了顾客需求和IPPD方法学的所有方面，这样高度集成并行的环境更有效地减少了产品开发时间，为顾客提供最优的产品。

2 RPPR的使能技术

RPPR的使能技术是快速产品与过程实现的关键。三个RPPR的关键使能技术是采用IPPD方法学的系统方法；提供快速通讯的集成计算机环境；以最有效方法将人力资源集成到企业中。

2.1 采用IPPD方法学的系统方法

IPPD方法学是从并行工程演变而来的。IPPD是在集成计算机环境中应用IPT，将整个产品和开发过程生命周期所有学科和顾客、供应链以及合作伙伴尽早集成和并行应用的系统方法，以支持企业更快地设计更好产品，赢得市场份额。采用IPPD方法学最成功的例子是美国波音公司的777飞机。美国IBM、HP、通用电气和通用汽车公司等都采用了IPPD方法学。国内采用并行工程也取得了良好的效果。然而，即使是波音777飞机也没有完全实施下游需求。波音公司发觉，尽管它们在详细设计阶段采用了数字产品设计模型，但早期选定的系统概念限制了它们采用最优的替代设计。越来越多的公司认识到，应强调从概要设计开始的系统方法，因为概要设计决定了产品生命周期的70％～80％。在半导体制造中，虽然实现了产品和过程设计，但没有与制造执行系统集成起来。目前没有公司综合定义或开发了能成功连续缩短上市时间、产品性能和成本最佳折衷的关键因素或使能器。成功实施IPPD方法学需要开发一系列通用、集成和可靠的工具，包括：(1)现有技术、产品、质量、成本、利用率和制造能力的综合评估方法；(2)IPT组织的实施办法；(3)顾客需求的实时协同评估和验证；(4)过程管理系统的建立和‘性能评价的方法学；(5)从概念到报废全生命周期的协同产品设计与制造；(6)虚拟制造的应用，减少物理原型的需求；(7)为保证产品质量，减少产品最终检测的智能闭环过程控制。

2.2 企业范围的集成计算机环境

集成计算机环境是快速和有效使用产品和过程信息的关键使能器。它包括企业公共数据库、互操作开放系统标准、产品数据管理器和群件等。在产品和过程开发中，理想集成计算机环境是：(1)IPT以并行交互方式进行异地协同设计与制造；(2)在产品生命周期所有阶段，通过集成的、逻辑上集中的、物理上分布的数据库，实现信息共享；(3)产品和过程描述可追溯到明确的产品和制造过程定义；(4)管理和控制动态联盟中的过程需求、过程决策和信息流；(5)通过应用基于案例推理、设计优化、调度、基于规则设计、随机设计评估等减少设计和制造风险；(6)实现设计、优化和数据无缝连接等自动化的集成计算机应用；(7)提供与产品定义无缝连接的智能、可重构、闭环的制造能力；(8)支持决策和过程重构的先进工具；(9)支持从上到下和从下到上的设计方法学；(10)记录产品和过程生命周期信息的能力；(11)指导连续改进所有过程的准则。理想集成计算机环境可采用标准化、互操作系统、建模和仿真、消除任务冗余使其优化等方式实现。现有商品化的集成计算机环境包括产品数据管理器(PDM)。PDM提供整个企业创建、搜索和控制产品信息的结构化机制。其中metaphase是一个开放的、基于标准的PDM系统，它可通过广域网支持异地设计和制造。目前，不同公司的PDM系统之间是不可互操作的，这就要求合作伙伴购买同一品牌的PDM系统或实现PDM系统之间的转换。nextpage

2.3 与人和文化有关的问题

人的问题是变革的最大障碍。当人们需要承担风险接受挑战时，往往对变革采取抵制的态度。NGM企业需要建立文化，使人们认为挑战是机遇而不是威胁。NGM企业必须改进组织，将传统递阶管理结构变为矩阵的、基于IPT的组织；将决策过程和权利从个人移交给IPT，专家帮助IPT在正确的时间作出正确的决策；建立敏捷IPT成员和领导的选择机制，使其适应全球企业IPT成员不断变化的环境；建立人事奖罚系统；加强技术培训。

2.4 IPPD方法学、集成计算机环境、人和文化有关问题的集成

集成是使制造企业成功运行的关键。由于RPPR的范围是企业间的动态联盟，不单是一个工厂，管理如此复杂和动态的企业所需的知识超过了设备、材料、人员和技术的一般组合。这就需要开发模拟人的模型、人机界面技术、虚拟现实技术、多维面向用户的综合仿真、多媒体会议等手段来实现IPPD方法学、集成计算机环境、人和文化有关问题的集成。目前，以NGM企业为要求的如此高度的集成在制造企业中还没有实现。然而，美国敏捷宇航制造研究中心(AAMRC)和电子敏捷制造研究所在这方面进行了大量的研究。AAMRC由美国学术机构与工业界组成，其目标是在宇航工业研究、开发和实施敏捷实践、过程和使能技术，并成为世界宇航工业的敏捷领导中心。具体内容包括研究人员和工业合作伙伴成为宇航敏捷制造专家；进行世界级的宇航敏捷制造研究；研究结果在成员公司内广泛应用；通过敏捷产品和服务获得显著收入；成为敏捷工业和大学合作的典范。AAMRC通过敏捷经营实践、经营过程和使能技术三个关键领域的研究，来实现总体目标。经营实践包括企业及其环境的约束、文化和奖励机制。经营过程是为达到经营目标的活动集合。使能技术包括系统集成体系结构、企业性能管理方法学、智能过程代理体系结构和信息基础结构等。系统集成体系结构侧重于敏捷制造企业信息系统研究。目前实现信息系统的方法是基于公共、静态、中性格式共享数据库的基本模型，它不适应在几天或几周内就建立一个动态联盟。AAMRC从设计方法学领域提出了一个新的基本模型，开发了系统集成体系结构，以支持在上述时间范围内创建新的动态联盟。企业性能管理方法学用于评估实施敏捷实践、过程和技术对企业战略和战术的影响。智能过程代理体系结构为制造过程信息的开发和重用提供软件控制结构。该控制结构主要为了满足多品种小批量生产时动态车间环境的需要，它可以在几分或几小时内重构和控制制造系统。信息基础结构能使信息系统迅速重构。它包括来自动态联盟合作伙伴的服务与软件，以及促进合作的通迅手段。AAMRC实施的项目包括供应商集成、战略信息系统、企业决策支持系统、并行工程设计结构、快速响应制造与检测、光学定位与校准、基于视觉的零件识别和Marlow工具制造改进等。供应商集成目的是在生产过程前期减少将铝板送至机床的准备时间，并简化该过程。AAMRC帮助设计了新的经营过程，其结果是准备时间从356天减至15天，过程步骤数目从8减至5，并且材料及时被送至下一工序。AAMRC从该项目在敏捷性方面认识到了顾客的文化和组织对改变过程、明确质量责任及现有库存计划的影响。战略信息系统在NorthropGrumman公司民用飞机部重组、实施和演示敏捷战略计划过程和信息系统。企业决策支持系统帮助TRACOR公司开发和增强企业指令、控制、通讯和智能(EC3I)的决策支持系统，它是加速和改进决策的使能技术。并行工程设计结构用CORBA和STEP标准为工程师提供电子产品级服务。AAMRC提出了STEP210应用协议的公共数据模型，开发了从PDM系统获取产品属性信息的程序。该软件可快速评估产品部件修改对产品属性的影响，加快了产品设计过程。快速响应制造与检测、光学定位与校准、基于视觉的零件识别和Marlow工具制造改进等项目提高了快速制造产品的敏捷度。美国电子敏捷制造研究所建立了先进电子产品异地设计与制造的综合信息基础结构，并进行了包括顾客、设计、制造、市场和供应链在内的异地设计与制造的演示项目。在第一阶段，一种电子产品在一个地点设计，同时在三个地点制造；在第二阶段，三个不同产品在不同地点设计，并在一个相同地点制造。这些一对多和多对一的异地设计制造演示项目能理想地体现RPPR的哲理，并为新方法和工具提供了较好的定量评估基础。

3 异地协同设计与制造的集成机制

RPPR的特点是由顾客、盟主、合作伙伴和供应链组成的IPT采用异地设计制造方式，由许多公司大规模协同完成设计和制造高质量的定制产品。它要求为各地的合作伙伴提供一致的信息，解决数据管理权限问题，同时考虑保留各自的独立性。各公司常用计算机支持协同(CSCW)系统帮助完成异地设计与制造。根据上述RPPR特点，我们开发了基于过程管理系统的异地协同设计与制造的集成机制，如图2所示。公司l、公司2和公司3是NGM企业中三个独立的异地合作伙伴，它们为新产品开发组成动态联盟。它们之间在广域网上进行异地协同设计和制造产品。

公司1主要从事产品设计，产生数字化样机。其活动包括用CAD建立产品几何和技术信息;用预装配(DFA)产生装配工艺规划，消除干涉；用有限元分析改进和优化产品和零件结构；用可制造‘性设计(DFM)进行产品设计的可制造性评价和经济评价等。公司l进行设计的所有软件封装在PDM系统中。公司2进行零部件制造。其活动包括CAPP接收来自CAD产生的几何和技术信息自动生成工艺规划；计算机辅助夹具设计(CAFD)解决柔性夹具设计和分析问题；CAM生成刀位文件，产生NC代码；加工过程仿真(MPS)提供验证和纠正NC代码；对产品进行加工。CAPP、CAFD、CAM、MPS等软件封装在PDM系统中，制造活动所需的物料和计划等由MRPII系统管理。为管理企业的所有信息，应将设计与生产计划和控制互连，可通过PDM系统输出的物料单(BOM)与MRPII系统连接。公司3对产品进行总装，其物料和计划由MRPII系统管理。各公司的设计和制造活动由各自的过程管理系统控制。过程管理系统在功能上分为全局过程管理系统和局部过程管理系统。全局过程管理系统控制公司之间的协同设计和制造，局部过程管理系统控制公司内的活动和信息流。由于动态联盟各公司之间具有非常强的独立性，一般不可能。这样，全局过程管理系统不是各公司之间的集中控制器，而只作为各公司之间的协调器。因此根据设计和制造活动的需要，各公司的过程管理系统都可作为全局过程管理系统，当然也作为本公司的局部过程管理系统。全局和局部过程管理系统都由过程建模、过程仿真、过程调度、过程监控部分组成。过程建模确认产品设计和制造的功能需求，建立设计和制造的活动顺序和活动问相互关系的模型；过程仿真分析和优化过程的行为；过程调度提交任务给系统，并执行相应过程；过程监控自动获取有关信息，比较计划与过程历史，从而确认是否有冲突情况发生，如果有非预期的冲突发生，采用人工或项目协调技术消除冲突。该集成机制的特点在于系统是开放和灵活的，合作伙伴可以灵活地加入或退出动态联盟，合作伙伴的选择也是交互和连接的过程；合作伙伴相互是完全自治的，他们通过互相同意的协议合作；合作伙伴通过各自的过程管理系统控制其活动和信息流；每个合作伙伴的过程管理系统都可作为全局过程管理的协调器，这样各合作伙伴是平等的，有利于动态联盟的协作。

4 结论

快速产品与过程实现是NGM企业的关键使能技术。实践表明，采用IPPD方法学，开发RPPR使能技术，实现IPPD方法学、集成计算机环境、人和文化有关问题的集成大大提高了产品的市场竞争能力。根据RPPR体系结构和IPPD方法学，上述建立的基于过程管理系统的异地协同设计与制造的集成机制已经在实践中取得了较好的效果。