未来的制造企业与关键技术

未来的制造企业与关键技术 未来的制造企业与关键技术 美国“综合制造技术导向”计划介绍之三 制造企业如何应对未来新的挑战？美国导向计划经过全面、系统的分析研究，确定了影 响美国制造企业发展并全面提升企业技术水平和快速反应能力的四大技术领域，即：“制造信息系统”、“建模与仿真”、“制造工艺及装备”、“企业集成”。导向计划同时结合制造企业面临的六大挑战，提出了40 项优先发展的关键技术。 制造信息系统技术信息技术是制造企业的重要基础技术。信息技术的发展将给产品制造方式带来一场新的革命。例如，高速网络将制造企业各部门紧紧联系起来，使制造商在产品设计、生产和维护过程中获取大量信息。用户通过互联网直接参与产品的设计与制造过程，定制自己需要的产品。在制造企业内部，通过信息系统不间断地对所需的物料进行识别、安排生产、向制造系统下达作业计划、在线监测产品质量、安排货运以及向客户开列帐单，实现整个制造过程无缝集成。 展望未来，制造企业更需要加强制造过程与信息技术的紧密结合，原因是：未来制造 企业将以信息技术为基础，充分共享制造知识，实现在线监测和诊断，并达到产品的设计与制造一次成功。未来制造企业将借助信息技术，实现制造知识的即时调用，更快更经济地完成从概念设计到产品成型的全过程，保证创新产品百分之百合格。信息技术是获取、存储和共享制造知识的重要保障手段。借助信息技术，能以新的方式获取、存储和共享各种制造知识，包括物料特性、制造工艺技术、以往成功的经验和失败的教训等。 1.未来的制造信息系统 未来的制造信息系统最终将应用于完全集成的制造企业中，做到：信息实时访问、数据 和信息的即时调用、所有过程综合平衡与优化、问题预见与及时解决、发掘企业最大潜能。 信息系统的全面联通将使制造企业达到如下目标：工程、制造、销售、售后服务等的全球化管理与控制；通过先进仿真与建模技术优化产品设计和制造工艺，使产品设计与制造一次成功；大大缩短产品从设计到生产所用的时间；与其它企业建立团队合作关系，共同响应客户和市场的需求变化。 2.关键技术 导向计划确定了未来制造信息系统的如下10 项关键技术： 信息驱动型无缝集成企业 制造业企业将以动态变化的知识库为基础，在从捕捉市场机遇到产品生产直至报废的整个生命周期，都能从知识库中获取相关的数据信息。当前功能单一且成本昂贵的企业资源管理系统将被成套廉价且易用的企业资源管理模块所取代。共享的知识存储系统 企业所需的部分信息将来自地区、国内、全球等不同共享层次的知识存储系统，专业领域知识存储系统将逐渐合并到多领域的综合知识存储系统中。企业可以在这些存储系统基础上建立起最佳知识演示中心，进行共享软件工具、模型、知识的测试与评估。 客户/需求驱动型制造 客户亲自参与产品开发过程可以提供客户满意的产品，制造企业采用客户/需求驱动的制造方式，使产品开发一次成功，同时缩短周期、降低成本。一体化产品与过程开发 在集成开发环境下，可以综合考虑产品的生产速度、质量、成本效益，权衡利弊，同时根据下游工序选择最佳的设计方案。 全面互联扩展型企业 在技术完备和互操作能力强的信息基础设施基础上，实现不同地域、不同文化背景的制造企业之间的紧密合作，构成全面互联扩展型企业。不同企业的工作过程与系统的相关功能模块相互沟通和自动互操作，可以在更广范围内建立起动态的业务联系。同时保证合作伙伴私有信息的拥有权。 即插即用的互操作系统组件 用标准化软件模块实现制造信息系统的各项功能，取代传统昂贵的用户系统。所有企业都可以建立“系统中的系统”，根据业务环境和技术条件的变化进行相应配置。 设计与运行咨询系统 基于信息技术的咨询系统将帮助企业在产品各个阶段作出正确决策。系统强大的快速仿真能力以及丰富的知识支持，将对企业面临的问题、争论和可能的解决途径提供明确的答案。 自修正、自适应运行系统 基于智能化模块的制造企业信息系统将对运行中发生的问题或意外情况自动采取正确的修正措施。例如，为平衡企业不同功能的要求，不断地修正和调整制造执行计划。 自学习系统 柔性和适应性信息系统需要企业知识仓库的支持，需要拥有全面的、最新的知识，需要系统自我调整、自我学习以更新信息。这些系统能监测系统内外部的数据源，获取相关信息，并主动将其添加到企业知识仓库中去。 跨领域设计集成 在信息驱动型的一体化产品与过程开发环境下，机械、电子、化工等领域的设计者可以根据同一产品模型协同工作，消除不同设计领域长期隔绝的状态。而且随着信息技术的应用，设计者将使用一套统一的科学化设计工具，以真正并行的方式从事设计与生产，避免各领域的重复交*。 建模与仿真技术 建模与仿真将是21 世纪制造企业的一项关键支撑技术，在改进产品与工艺、缩短市场响应时间、降低产品成本方面具有其它技术无法比拟的重要作用。建模与仿真通过在虚拟环境下对产品制造过程的可*预测与优化，大大促进产品与工艺设计、过程运行、企业管理水平的提高。以前的产品与工艺的开发完全通过产品试验完成的，这种试验-分析-修改的过程占用了大量的时间，也增加了不必要的成本。 “波音”777 飞机是第一架用三维建模技术进行设计的喷气式客机，采用了数字化预装配和并行工程技术，不用制作全尺寸样机模型，大大减少了设计更改和错误量，确保了产品质量。汽车工业应用建模与仿真技术使新车设计到投产的时间从以前的3 年缩短为14 个月左右。 联合攻击机（JSF）通过先进的建模与仿真技术降低开发成本50%左右。 1.未来的建模与仿真技术 未来制造企业的产品与过程设计都将采用建模与仿真技术。其特点是：逼真的产品与过程模型与所有相关的制造信息及企业信息动态相连；基于模型的智能化、自修正学习系统实时响应外界的变化；过程模型将控制和自动调整整个生产过程，提高适应性；企业总体模型将实现企业部门和业务过程集成，快速响应业务活动的变化；通过企业信息系统 实现所有系统和过程无阻碍互操作。 未来完善的信息基础设施将对未来建模与仿真系统提供强大的支持，分析工具同时在后台运行，智能化计算机咨询系统作出最佳决策，这样，建立起全企业的控制系统。目前的台式PC 机和信息报告系统将被“虚拟现场”系统所取代，操作、管理、设计人员将处于企业模型的不同层面上相互作用，协调工作。这种“虚拟现场”系统具有如下优点：即时、正确掌握各类人员的工作状况；快速分析和评估，作出最佳决策；迅速传送修改和变化信息，自动更新企业模型。 未来的建模与仿真系统和工具还具有如以下优点：对形势、机遇和风险快速分析评价，并可*预测企业的预期行为；快速优化新产品设计、生产工艺与设备以及业务运行过程， 减少浪费，获取最大的生产效率和收益；实时或近实时自动分析产品的可生产性、经济可 承受性以及其它因素，作出智能化的决策支持，优化产品和过程；发掘更多的产品与过程 设计方案；建立即插即用模型、仿真与支持工具的综合性全球知识仓库，帮助企业大幅度 降低建模与仿真成本。 2.关键技术 导向计划确定了建模与仿真的如下10 项关键技术： 从微观到宏观的连续建模 目前的产品与过程建模与仿真通常只针对某些特定参数，不适用于更大的范围。未来的模型将没有大小限制，可控范围都可建模，甚至外延至整个世界，模型仍将保持精确性。 与可更新知识库集成的科学化模型 未来仿真模型将根据现实世界的实践，吸收模型用户的知识和经验教训自行学习和调整，尽量逼真地模拟现实世界。 建模与仿真通用化 建模与仿真技术将从专门工具发展成为一项通用技术，广泛支持制造企业运行过程。企业主管、基层管理人员、监督人员和生产一线的工人通过与企业模型相连的虚拟界面实时得到有关信息，从而控制企业运行。随着仿真技术及智能建模软件的不断发展，建模工具将越来越普及。 智能设计与分析咨询系统 智能化咨询系统在产品生产的每一阶段向开发人员提供有力的帮助，帮助设计人员克服障碍、避免误设计并不断优化设计方案。 实时的企业控制器 随着建模与仿真的普及，建立整个企业的实时、精确仿真模型。最终通过企业模型控制企业各项功能，实时监控运行状况，掌握运行状态。同时利用企业模型估计预期行为的效果，确保企业不断地对需求和外界条件变化作出响应。 智能的自学习模型 下一代模型与仿真技术将学会根据自身需要、目标和外界需求不断改善自己。例如，产品模型将不断进行自身优化，即在实时掌握各类信息（例如零件和原料的可用性、车间生产能力、加工设备和单元的工作能力等）的基础上，使模型在环境适用性和可生产性等方面得到优化。 开放、共享的存储系统和验证中心 随着通用物料、过程和零部件等科学化建模与仿真工作的大量开展，标准化模型与仿真仓库不断充实，并由不同行业的制造商所共享，大大减少各种业务和制造过程仿真建模的成本及时间。 面向所有应用的集成产品与过程模型 建模与仿真将从少数几个领域发展到支持制造企业运作的方方面面。制造过程模型和业务过程模型有相似性，将模型集成为覆盖整个企业的宏观模型，这样使用户准确预测环境变化对整个企业的影响，并对设计方案作出决策。 模型的全面无缝互操作 未来的仿真模型有极好的兼容性，可通过自定义接口即插即用。例如，新的组件无需人工协助就能有机地嵌入系统中。 实时交互模型 为了确保模型的准确和实时，未来仿真模型通过企业信息系统与所有相关数据实时链接，以适应业务的不断变化。 制造工艺与装备技术 制造工艺与装备是制造企业的核心。除了一些实力雄厚的企业以外，先进但成本昂贵的 制造装备与系统使很多企业，特别是中小企业望而却步。 1.未来的制造工艺与装备 为了满足未来低成本、环保及日益增长的客户需求，企业的制造工艺与装备必须进行根 本性的变革。产品从概念到最终送到用户手，完全采用集成制造系统。制造工艺将更加精密 化、柔性化，适应性更强。未来的制造工艺与装备技术的特点是：通过对材料和工艺关系 的深入研究与掌握，建立全面的、科学的过程模型；建立基于知识的专家系统，给出加工过程的所有制造信息，包括工艺参数、工装设计及控制数据等；通过将信息直接送到柔性 加工设备上，在闭环环境中加工产品；优化处理物料准备和工件传送，提供产品的最佳工 艺路线；更换和改进对环境有害的工艺，解决环保问题；各个层次的制造过程实现智能 控制。未来的控制工具采用模块化设计和开放性结构，真正做到即插即用；模块化设计将 缩短制造装备的配置时间，降低采购和维护成本，并适用于各种制造企业。 2.关键技术 导向计划确定了制造工艺与装备的如下10 项关键技术： 产品生命周期零浪费 消除浪费是未来制造企业发展的强大推动力。不仅减少产品制造 的浪费，而且扩展到产品整个生命周期，包括产品回收利用及零部件再制造，同时使一家企 业的废料成为另一企业的生产原料。 产品开发一次成功 制造企业现行的逐次逼近设计法花费大、耗时多。制造与材料科学、 建模与仿真、工程工具、柔性与智能制造工艺与装备以及信息技术的发展，将使虚拟的设计 原型直接变成合格产品，大大减少产品开发时间和成本，并树立新的经营标准。 智能控制系统 控制和传感技术的发展预示着智能控制系统时代的来临，使制造企业快 速响应材料、产品设计、装备状态及其它因素的变化，提高企业效率和客户满意度。这些控 制系统不仅有效控制加工工艺与设备，还能预测问题，具有自学习、自调整和自恢复功能。 创新的突破性工艺 随着如纳米技术、生物加工技术等先进技术的发展，许多传统的生 产工艺将被更新，推动建立崭新的工业。 科学化制造 通过构建基于科学的材料、工艺和装备分析模型，使企业生产决策更加正 确和科学化。 智能设计与加工咨询系统 基于计算机的咨询系统在产品与工艺设计、工装选择、工序 安排与控制、材料管理及其它方面发挥巨大辅助作用，提升企业分析和解决问题的能力。 知识存储系统和验证中心 未来制造企业高效运行所需的知识验证不是单个企业力所 能及的。共享知识存储系统和验证中心将收集、分析、传播各方面的知识。验证中心将提供 公正的验证平台。 扩展型企业的分布式控制 21 世纪制造业的一个重要的标志是企业内外部的制造工艺 与装备的集成。工艺与装备不仅连接到单个企业内的信息系统，而且也连接到与企业有关的 所有合作伙伴。这些连接将扩展型企业的所有功能有效集成，并根据当前的运行情况作出决 策和进行性能优化调整。 材料与表面工程 随着材料与表面加工技术的发展，企业可根据客户的材料和表面特性 要求设计制造出低费效比的合格产品，甚至即使定制数量只有一件。 自由成形制造 自由成形制造技术能生产传统工艺与装备无法生产的零件，复杂三维零 件无需采用特殊的加工方法和工装直接从设计模型投入生产，并保证小批量生产的经济性。 企业集成技术 企业集成技术将人、加工过程、系统和技术紧密连接，保证正确的人在正确的时间和过 程使用正确的资源和信息。利用企业集成技术，企业或扩展型企业在不可预测的动态市场中 对所出现的市场机会和问题进行快速、准确决策。 在当今许多先进制造企业中，有很多的技术已作为要素集成到产品生产与经营系统中， 如企业资源计划和计算机辅助设计系统，前者包含许多业务功能，但缺乏产品生产过程的详 尽数据；后者包括产品和加工工艺仿真及规划功能，但缺乏特定的分析和信息集成能力。企 业集成技术可以有效解决上述问题。 1.未来的企业集成技术 未来的制造企业将所有功能和活动无缝互联，当新的机遇来临时，不同的合作者快速联 合，提高运行效率和响应速度。 并行工程和集成产品与过程设计概念和支撑工具的发展，将产品生命周期所需的所有过 程和工具集成为一个优化的系统，显著提高企业集成生产产品的能力。完全互联的通信与信 息基础结构使异地合作伙伴协同工作，利用企业集成技术使企业经济有效地管理自身运行和 供应链。 2.关键技术 导向计划确定了企业集成如下10 项关键技术： 企业经营和生产的结合 通过经营和制造生产业务功能的集成，彼此快速响应，从整个 企业的范围作出最佳的决策和行动，显著提高整体效率。 供应链无缝集成与互操作 技术进步和企业分工细化要求企业有效提高供应链的管理 能力。未来创新的过程与系统实现即插即用，所有集成接口由系统自动识别并管理，企业在 选择合作伙伴时只考虑能力和利润因素，不用考虑供应商和经销商用的是何种业务或工程系 统，供应商也不必担心所用系统的互操作能力。 集成产品生产 随着启动工具的发展，并行工程和集成产品与过程开发技术趋向成熟。 这些工具将从产品概念设计到交付过程的所有功能集成起来，连续不断地对产品和过程设计、 制造计划进行综合平衡与优化，满足用户需求。 全面集成的产品生命周期管理 对全球环境和自然资源的重视，要求制造企业改进产品 与工艺过程，消除对环境的负面影响，更多地实现绿色制造。生命周期的集成管理不仅降低 产品成本，而且使产品与过程更安全可*、更容易支持和维护。 系统和过程自集成