（机械制造及其自动化专业论文）面向大规模定制的工艺信息系统技术研究与实现.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着市场需求的拉动和技术进步的推动，越来越多的制造企业采取了从大批量 生产方式向大规模定制生产方式转变的策略。然而，目前大规模定制技术的研究 与应用，主要集中在利用c a d 、p d m 系统进行产品功能配置、产品变形设计以及 利用电子商务平台进行客户需求定制方面；但是对于连接设计与生产纽带的工艺 设计与工艺信息系统，缺乏针对性的研究。因此，迫切需要研究并开发面向大规 模定制的工艺信息系统，来满足大规模定制企业对于工艺设计与工艺信息管理的 要求。本文主要研究内容如下： ( 1 ) 在分析工艺信息系统及大规模定制技术研究应用现状的基础上，提出了开 发面向大规模定制的工艺信息系统的必要性。 ( 2 ) 研究大规模定制的基本原理、技术体系和开发设计技术。 通过对相似性原理、重用性原理等原理的分析，以及标准化技术、成组技术等 开发设计技术的研究，揭示了大规模定制生产方式的核心内涵和支持技术。 ( 3 ) 研究面向大规模定制的工艺信息系统基本特征。 结合大规模定制设计开发技术，对工艺系统进行需求分析，提出了面向大规模 定制工艺信息系统应具备的基本特征：基于相似性原理的成组化工艺设计、基于 工艺信息共享的系统集成、计算机辅助工时定额管理。并分别对基本特征进行了 分析阐述。 ( 4 ) 研究面向大规模定制的工艺信息系统实现关键技术。 从技术的实现环境、实现机理、实现过程、应用效果等方面，对系统实现的关 键技术：基于典型工艺的工艺设计、基于零件设计参数的参数化工艺设计、基于 p d m 的并行工艺过程设计、基于工种的模块化工时定额管理进行具体深入地研究。 ( 5 ) 研究面向大规模定制的工艺信息系统设计实现。 基于理论研究，对系统的总体结构和各模块功能进行设计。并从数据库设计入 手，开发了面向大规模定制的工艺信息系统。通过工艺信息系统在某大规模定制 企业的成功应用，验证了系统的实用性、智能性和高效性。 关键词：大规模定制，工艺信息系统，参数化工艺设计，系统集成，工时定额管理 西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t m o r e 趾dm o r em a n u f a c t i i r ee n t e r p r i s e si m p l 锄e n tt h ep l a nm a t 订a 璐f o r mm 猫s p m d u c “o ni n 幻m 勰sc u s t 0 i i l j z a t i o n ( m c ) d u et o 吐【ep u l l i n go f m 砌，c td e m a i i da i l dt h e p i l s h i l l go ft e c l l n 0 1 0 垂c a la d v a n c e h o w c v t l l em 勰sc u s t o i i l i z a l i o ni sn o w 璐l l a l l y f c s e a r c h e da n da p p l i e di 1 1m e 矗e l ds u c h 嬲：c o n 丘g u r ef i l n c h o n so fp m d u c t 锄dv a r i e t y d e s i 弘p r o d u c tb y 璐i n gc a d 锄dp d m ，c 戚o n d z ec l l s t o i n e r sd e m a l l db yu s i n g e l c c 仃o i l i cc o m m e r c ep l a t f o 咖；t h ep r o c e s sp l a n l l i n g 锄dp r o c e s si n f o n l l a t i o ns y s t 锄 w 1 1 i c hc o 衄e c t sd e s i g na n dm a n u f k t u r ca r er e s e a r c h e dl e 站t h e r e f 研e ，w es h o u l dt o r e s e a r c ha n dd “e l o pp r o c e s si i l i 0 r 旬彻t i o ns y s t e mf o ri i n p l 锄e n t i n gm ci no r d c rt o s a t i s 黟t h en e e do f p r o c e s sp l 舢i n ga n dp m c e s si n f o n a t i o ns y s t 锄髂s o o n 鹅p o s s i b l e t h em a i np o i m so f t l sp 印c r 舔f o l l o w s ： ( 1 ) p u t f o n v a r dt l l e p o i n t t h a t d e v e l o p i n gp r o c e s s i n f 0 n a t i o n s y s t e mf o r i i l l p l 锄e n t i i 培m ci sv e r ye s s e n t i a l ，a f t e ra n a l y z i i 玛t h ei n v e s t i g a t i o 璐a n da p p l i c a t i o l l s o f m ca n dp r o c e s si n f o m l a t l o ns y s t e m ( 2 ) r e s e a r c ht b eb 硒i cp r i n c i p l e ，s y s t e m a t i z e dt e c h l l i q u e s 孤dt h ed e v e l o p m e m p 1 砌1 i i l gt e c b n 0 1 0 9 yo f m c r e 、，e a lt l l ek 锄e 1i i l t e l l s i o na n ds u p p o nt e c l l i l 0 1 0 9 yo f m cb yr e s e a r c h i n gt h eb a s i c p 咖c i p l e 粕dt l l ed e v e l 叩m c n tp l a l l n i n gt e c h n 0 1 0 9 yo fm c t l l e 砸n c i p l ei n c l u d e s s i m i l “t y ，r e u s e ，甜l de t c t h ed e v e l o p m e l l t p l a l l i l i n gt e c l l l l o l o g y i n c l u d e s 吼柚d a r d i z a f i o nt e c h n o l o g y 锄d 掣d u pt e c l l r l o l o g y 飙de t c ( 3 ) r e s e a r c ht h eb 鸹i cc h 盯a c t e ro f m cp r o c e s si n f b 彻a t i o ns y s t e n l a c c o r d i n gt 0t l l ed c v e i o p m c i l tp l a i l i l i n gt c c l l i l o l o g yo f m c ，p r 叩o s e s 阻d r e s e a r c h e s t 1 1 eb 勰i cc h a r a c t e fo fm cp r o c e s si i l f o m 擅t i o ns y s t c m ，s u c h 嬲：t h e 笋o t l pp r o c e s s p l 删n gb 雒e do nt l l es i n m a r i t y 陋i p l e ，s y s t 锄i l l t c g r a t i o nb 船o do nt l l ep r o c e s s i l l f o m a t i o ns h a r ea n dc o i n p u t e ra i d e dn o m o f w o r k i n gh o l l rm a n a g e i n c n t ( 4 ) r e s e 粕ht h ek c yt c c l l l l o l o g yo f m cp r o c e s si l l f o m m t i o ns y s t e m t l l i d u g ht l l e 懿p e c t so f 呻l 锄e n t a t i o ne n v i f o n m e n t ，脚l e i l l e n t a _ c i o nm e c h a n j s m a n di m p l e m e m a t i o np m c e d u r e ，r e s e a r c hm ek e yt e c l l n 0 1 0 9 yo fm c p r o c e s si n f o 瑚a t i o n s y s t e m ， i i l c l u d e ： p m c e s sp l a n n i n gb a s e dt y p i c a lp r o c e s s ，p a r a m e t e r i z a t i o np f o c e s s p l a 蛐i n gb a s e do np a nd e s i 髓p a r a m e t e r ，c o n c u r r e n tp r o c e s sp 1 孤n i n gb 船e do np d m a l l dm o d u l 撕z a t i o nn o mo fw o r k j n gh o l l rm a n a g 锄c i l tb a s e do nt h et y p eo fw o r ki n d r o ( 1 u c t i o n 西北工业大学硕士学位论文a b s t r a c t ( 5 ) r e s e a r c h t 1 1 em c p r o c e s si n f o r n l a t i o ns y s t e mi m p l 锄e m a t i o n b 鸹e dt h et h e o r e t i c a li r e s t i g a t i o n ，d e s i g nm eo v e r a l la f c l l i t e c t i l r ea n de hm o d u l e 缸l c t i o no f 地s y s t 锄t h em cp r o c e s si n f o n t l a t i o ns y s t e mh a sb e e i ld e v e l o p e d b e g i 衄i n g w i t ht l l es y s t 锄龇- b 嬲ed e s i g n ，f l l n h e 肋o r e ，m es y s t 锄i sp r o v o d p r a c t i c d b i h 饥i m e l l i g e n ta n dh i g he m c i e n c yi np r o c e s sp l 删n gb ya p p l y i i l gi l lc e n a i n m a l l u f a c t i i r ce 1 1 t e r p r i s es u c c e s s f h l l y - k e yw o r d s ：m a s sc u s t o m i z a t i o l l ，p r o c e s si n f o 彻a t i o ns y s t e m ，p a r a m e t e r i z a t i o np r o c e s s p l 砌1 i i l g ，s y s t e mi m e g r a t i o n ，n o r i i lo f w o r k j n gh o l l rm a n a g e l n e n t m 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属于西北t 业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后迁_ l i j 本声明。 学位论文作者签名必痹 印 年3 月弘日 指导教师签名 a 司年岁 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明；所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式表明。 本人学侥论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学俺论文作者签名 1 咐1 把 汰丁 望曰 拖枷 西北工业大学硕士学位论文第l 章绪论 1 。1 现代生产方式的变革 第1 章绪论 1 1 1 大批量生产方式的发展 2 0 世纪初，亨利福特和斯隆创立了大批量( m 嬲sp r o d u c t i o n ) 生产方式。 大批量生产是在市场环境相对稳定的情况下，根据企业对市场的预测，以批量产 品为特征的生产活动。大批量生产方式的主要特点是采用标准的制造过程和标准 化的零部件，进行高效率的自动化作业，通过规模经济效益，降低生产成本，提 高产品质量。 第二次世界大战以后，高新技术，特别是电子技术的飞速发展，在传统的机 器中增添了控制系统，开辟了机器操纵机器的新时代。自动化技术和制造技术的 不断融合和进步，使制造业的生产逐步向自动化的大批量生产方向发展，供不应 求的卖方市场使得产量成为生产的主要目标。随着大批量生产的应用和普及，市 场上同类产品的数量急剧增加。在某些领域里，产品已经开始出现相对过剩，供 过于求的买方市场逐渐形成，产品的品牌靠质量，销售靠价格，利润靠成本，在 相对饱和的市场中同类产品的竞争日益激烈。 随着市场竞争的加剧和计算机技术在现代工业中的广泛应用，传统的制造业 面临着一场极其深刻的重大变革。为了适应这种变革，为了改变大批量生产方式 对市场变化的不适应性，解决传统定制生产中的成本高和交货期长等问题，日本、 德国和美国等工业发达国家分别提出了一系列新的生产方式，如精益生产和敏捷 制造等。这些新的生产方式分别从不同角度、不同侧面剖析了传统制造业所面临 的困境，提出了各自的解决办法，在实践的基础上，逐步深入地对其理论和方法 进行了研究。这些生产方式的推广普及以及在制造企业中的实际应用，提高了制 造企业的市场竞争力，展示了制造业在新技术、新环境中所面临的新的发展契机。 1 1 2 精益生产 精益生产方式综合了单件生产与大批量生产的优点，既避免了前者的高成本， 又避免了后者的僵硬化，精益的英文是“l e a n ”，原意是“瘦的”，在精益生产中 转意为“简化的”、“精良的”、“精益的”等【”。精益生产的基本原理是：一切从简， 即简化一切不必要的工作内容。同时，精益生产方式还特别强调在任何时候对任 西北工业大学硕士学位论文第1 章绪论 何事情都必须精益求精，企业始终只是处于良好而不是最佳状态，要不断加以改 进和完善。 美国麻省理工学院的研究小组调查结果表明，一般非精益制造企业中约有一半 员工、一半生产场地、一半新产品开发工作、一半库存量和一半设备投资都与增 加产品的附加价值无关。精益生产从简化着手，从而彻底改变了企业的面貌。精 益生产中的简化包括四个方面的内容：简化企业的组织机构，简化产品的开发过 程，简化零部件的制造过程，简化产品结构。 1 1 3 敏捷制造 敏捷制造的概念是1 9 9 1 年在一份2 1 世纪制造企业战略：一个工业主导的观 点的研究报告中提出的。根据这份报告中对敏捷制造企业的描述，敏捷制造可 定义为：敏捷制造是改变传统的大批量生产，利用先进制造技术和信息技术对市 场的变化做出快速响应的一种生产方式；通过可重用的、可重组的制造手段与动 态的组织结构和高素质的工作人员的集成，获得企业的长期经济效益。其基本原 理为：采用标准化和专业化的计算机网络和信息集成基础结构，以分布式结构连 接各类企业，构成虚拟制造环境；以竞争合作为原则在虚拟制造环境内动态选择 成员，组成面向任务的虚拟公司进行快速生产；系统运行目标是最大限度满足客 户的需求。 总之，敏捷制造就是由敏捷的员工用敏捷的工具，通过敏捷的生产过程制造出 敏捷的产品。敏捷制造提出的是一种思想和哲理，其本质在于促使企业充分认识 到变化已成为商务环境的主题，只有增强企业的敏捷性，才能使企业保持持久的 成长力。 1 1 4 大规模定制生产 自2 0 世纪7 0 年代以来，越来越丰富的商品供应带来了越来越激烈的市场竞争， 同时也促进了客户需求的多样化。客户不再满足被动地选择已经存在的商品，而 是需要能表达其意愿的产品。为满足客户需求和赢得市场竞争，制造商不得不在 生产定制和个性化产品的同时，满足其产品上市快、低成本和高质量的要求。大 规模定制为制造商提供了满足这些需求的一条途径。 1 9 7 0 年，美国著名未来学家a l v i nt o f f l e r 在他的名著f u t u r es h o c k 【2 l ( 未 来的冲击) 一书中，提出了一种全新的生产方式的设想：类似于标准化或大批量 生产的成本和时间，提供满足客户特定需求的产品和服务。1 9 8 7 年，s t a n l e yd a v i s 在f u t u r ep e r f e c t 【3 】( 未来的理想生产方式) 一书中首次将这种生产方式称为 2 西北工业大学硕士学位论文 第l 章绪论 “m 弱sc u s t o r n i z a t i o n ”，即大规模定制，简称m c 。1 9 9 3 年，美国著名大规模定制 专家j o s e p hp i n e 在他的名著大规模定制：企业竞争的新前沿【4 】中通过大量的 事例诠释和论证了大规模定制的生产模式，认为大规模定制将改变2 l 世纪的制造 业，这种现象正如大批量生产改变了2 0 世纪的制造业一样，从而揭开了全球性广 泛、深入地研究和实践大规模定制生产模式及其相关技术的序幕。 大规模定制生产方式的出现和逐渐普及是由市场需求的拉动和技术进步的推 动两者共同作用的结果。 当今的市场环境是，客户需求多样化、产品生命周期缩短、大市场和大竞争、 交货期成为主要的竞争因素、多品种小批量生产比例增大、可持续发展的呼声越 来越高等。制造业竞争的全球化和客户需求的多样化对制造业生产的产品提出了 更高的要求：更多的产品变化，更短的交货期，更低的产品成本和更高的产品质 量【。7 1 。并且，当前的国内外市场主要是买方市场，市场相对饱和。在买方市场上， 过剩的是一般性、大众化的产品，而创新产品的推出，要么较少，要么较迟缓， 处于供不应求的紧缺状态。 同时，信息技术和先进制造技术等的普及和应用支持了大规模定制生产方式的 发展。信息技术的发展对产品的开发设计、生产管理和制造过程产生了深远的影 响，使得产品的个性化定制成为可能，将在大规模定制中发挥巨大的作用；先进 制造技术的发展很快，在产品开发设计技术、现代企业管理和电子商务技术、先 进制造工艺和装备技术以及企业信息集成技术等方面都取得了很大进展，解决了 诸多大规模定制中的关键技术问题，为大规模定制的推广和普及扫除了障碍和铺 平了道路。 综上，大规模定制无疑是企业生产模式的一个重要发展方向。据美国乔治 华盛顿大学新兴技术预测委员会预测，到2 0 1 1 年，汽车、电器等3 0 以上的产品 将广泛实现大规模定制生产。 1 2 工艺信息系统研究应用现状及发展趋势 工艺信息系统的主要任务和目标就是基于产品信息，利用企业制造资源和制 造技术，制定详细的工艺技术指令文件，进行工艺技术准备，指导企业产品生产， 系统功能主要包括计算机辅助工艺设计和工艺信息管理两方面。因此工艺信息系 统在整个企业制造信息化工程中具有重要的信息纽带和桥梁作用【8 l 。 近几年，对工艺信息系统的研究主要集中在，利用c a p p 进行计算机辅助工 艺设计方面。我国院校、研究设计单位和企业自8 0 年代仞丌始，进行了c a p p 的 理论研究，近二十年在理论上和实践上均取得了重大成就，结合中国国情掌握了 c a p p 原理与方法，在各类机械企业进行了应用实践。企业、院校、研究部门共开 西北工业大学硕士学位论文第l 章绪论 发不同种类的c a p p 系统达一百多种，采用了样件法、派生法、半自动生成法及 专家系统等各种技术，有一部分已在企业长期应用【9 - ”】，c a p p 工程化开发已初具 规模。 目前绝大部分企业c a p p 的应用停留在工艺卡片的编辑、工艺信息的统计汇 总、工艺流程和权限管理等方面，虽然有效地提高了工艺设计的效率和标准化水 平，但是对于c a p p 应用的深度还不够，还不能有效地总结企业工艺的“设计经 验”和“设计知识”，如何利用工艺信息系统的有限智能，提高工艺设计的知识水 平，是企业关心的问题。因此需要工艺系统具备工艺知识与设计经验的整理、归 纳和重用等功能。 现代企业都十分注重管理，经营效益的好坏，管理是关键。企业工艺部门都 深刻认识到，单纯依靠c a p p 进行工艺设计已经不能满足工艺信息管理的要求， 因此，工艺信息系统的工艺信息管理功能应成为企业工艺部门关注的焦点问题。 工艺信息系统应拥有完备的工艺信息的管理功能；工艺信息不仅仅只包含工艺文 档，还包含与之密切相关的工艺分工信息，工艺工时定额信息，材料消耗定额信 息，以及在编制工艺过程中的协调信息( 如：更改通知、协作任务通知与请求、工 装需求通知) 。如果忽视工艺信息管理功能的研究与开发，则难以实现c a p p 信息 与c a d 、p d m 、e r p 的信息交流，更难以满足先进制造系统对工艺信息化的应用 和发展需求，甚至在计算机应用比较广泛的企业中也会失去应有的重要价值【”。 然而，由于不少企业c a d 、c a p p 、e r p 的应用是分阶段、不同时期应用的， 目前还存在着信息的孤岛，认为工艺信息系统仅是一个独立的单元，只要满足工 艺设计部门需求即可，没有从面向整个工艺领域、多层次、全方位、系统集成等 全局角度来考虑问题，因而出现了工艺信息不能共享、数据之间关联性的破坏、 数据统计的高难度等问题，工艺信息的价值还没有得到有效的发挥和利用。基于 p d m p l m ，支持产品全生命周期的工艺信息系统解决了这一难题，通过工艺信息 系统与企业各种应用系统的集成( c a d p d m e i 心m e s 等) ，实现了以整个产品为 对象的全生命周期的应用，以及产品工艺设计与管理的一体化。同时，制造工艺 过程定义的协同问题得到了很好的解决，各个制造工艺过程数据通过统一集中的 管理，既保证了数据间的关联性，又要有各自的独立性，支持了独立并行编辑控 制。 开放性是衡量工艺信息系统的一个重要因素。工艺的个性很强，同时企业的 工艺需求可能会有变化，工艺信息系统应不断满足新的技术、制造模式对其提出 的新的要求，以及持续满足客户的个性化和变化的需求。基于平台技术、具有二 次开发功能、可重构的工艺信息系统将是重要的发展方向。 综上，需要建立满足现代企业需求的先进、实用工艺信息系统，以提高工艺设 计手段，加强工艺设计管理，提高工艺设计水平和设计效率、设计质量，实现工 艺工作的全过程管理和协同设计制造，实现产品开发过程和信息的集成和统一， 4 西北工业大学硕士学位论文第l 章绪论 更加有效地对工艺信息和资源进行管理和控制。 1 。3 大规模定制研究应用现状 1 3 1 国外研究应用现状 在学术研究方面，9 0 年代以来，众多国外学者进行了大规模定制的理论研究。 2 0 0 0 年，华盛顿大学的一个专家组将m c 视为2 1 世纪的十大最具有突破性的技术 之一i ”】。之后大规模定制生产的研究一直是国外学术界研究的热点。目前国外学 者关于大规模定制的研究工作主要从敏捷产品开发、业务过程重组、质量功能部 署、模块化产品和过程、供应链管理等方面围绕解决生产的大规模与定制的个性 化之间的矛盾展开。美国把有关m c 的技术列为2 0 1 0 年十大远景规划之一，提出 了面向2 1 世纪的敏捷制造的战略，以实现资源共享和对市场机遇的快速反应，力 图做到以大批量的成本进行单件生产。 r e d l e i n 认为【1 6 】要解决m c 中成本、速度、多样化的要求，制造系统必须具备 适应性和柔性，能够适应小批量的生产，通过使用柔性制造系统，能够减少转移 时间和准备成本，同时采购和销售过程也要统一起来进行优化考虑，从整体上优 化m c 生产过程。 m a n i l l g h e l a n d j i a i l 】【i nj i a o 【1 7 】研究了一个面向m c 的电子产品开发项目，指 出，电子商务和m c 将融合为一种新的制造模式。通过因特网，将产品设计、过 程设计、订单处理和订单实现等集成在一起，成为一个高效率、高效益的增值业 务过程。 g i o v a i l i 等f 1 8 1 综述了近l o 多年来关于m c 的研究成果，系统地归纳了成功实施 m c 的6 种内部与外部影响因素，即存在多样化与定制的客户需求，适合的市场环 境与恰当的转型时机，完备的价值链，先进制造技术基础，可定制化的产品，知 识共享组织结构。g i o v a i l i 还指出m c 研究领域今后的发展方向是研究形式化的方 法学及其工程应用，能够将现有的组织结构与业务流程快速重组成m c 生产系统。 其研究成果，对m c 研究领域未来的发展具有指导意义。 在实际应用方面，目前大规模定制已经在企业界得到了广泛的应用，大规模定 制已经在机械、电子、服装、建筑和软件等行业体现出明显的优越性。在制造业 比较发达的美国、德国和r 本，许多领先的高技术公司都在实施大规模定制生产， 以保持和争取新的竞争优势。 计算机行业具有代表性的是美国戴尔( d e l l ) 计算机公司，公司将计算机定制 限定为几个关键模块，每种模块有不同的规格，模块具有高度通用性、互换性和 西北工业大学硕士学位论文 第l 章绪论 兼容性，从而可以定制出任意满足不同客户需求的产品，以专业化生产保证组件 和产品的高质量和低成本。此外，戴尔公司为了方便与客户进行直接联系，提供 了电子商务和在线定制服务，客户可在戴尔网站上轻松的选取他们所需要的主板、 c p u 、内存、硬盘等电脑配件，组装成自己所需要的计算机。 1 3 2 国内研究应用现状 在学术研究方面，国内对于大规模定制的研究稍晚，且主要集中在对大规模定 制设计( d f m c ) 的研究，目前的研究己经开始取得了一系列进展，特别是以国家高 技术研究发展计划8 6 3 项目与国家自然科学基金项目为背景的研究工作。国内众 多科研机构，如清华大学、浙江大学、中国科学院软件研究所、大连理工大学f 1 蚰、 重庆大掣2 3 i 等，其研究都已取得了阶段性成果。 其中，清华大学陈国权主持的国家高技术( 8 6 3 ) 计划项目“大规模定制的实施 方法及在我国企业的实证研究”。在研究中介绍了批量客户化的基木概念，分析总 结了西方企业在产品从产品设计、制造、装配、供应以及销售服务等产品不同生 命周期阶段实现客户化生产的基木方法。并基于在我国1 1 家机械制造企业的实际 调研，论述了它们实施客户化生产的不同方法【州。同时提出了企业实施m c 的总体 规划方法和3 2 种可供选择的m c 模式，以及经营过程重构是广大中国企业当前实 施m c 的有效途径的观点，并给出了重构的思路【2 5 】。 清华大学国家c i m s 工程技术研究中心肖田元f 2 6 】等认为m c 是未来汽车制造业 的生产模式，提出了汽车制造业的m c 实施策略、制造过程模型和系统总体构架， 经过比较分析确定“核心型”定制更适合于汽车制造业，分析了实施m c 的关键 技术问题，包括生产系统的集成技术、生产的调度与系统优化、生产过程质量保 证技术、基于虚拟制造的生产线设计与分析支撑系统等。该研究对我国汽车工业 通过实施m c 提升国际竞争力有指导意义。 浙江大学的祁国宁研究员与顾新建教授分别主持了8 6 3 计划项目“大批量定制 生产及其关键技术分析研究”和“面向大规模定制生产模式的现代化设计技术”。 他们提出了将传统的成组技术与最新的网络技术相结合，以及基于i n t e r n e t 的大 成组技术的设想，即在大范围内实现成组技术，对企业群体进行整体优化，将不 同企业的产品设计和制造的信息资源有序化，显著扩大相似件的成组范围，支持 企业高速度、高质量和低成本地制造出用户满意的产品，顾新建指出大成组技术 是实现大规模定制生产的有效途径f 2 7 1 。同时他们还提出了产品结构重组是实施计 算机集成产品工程的技术基础，产品的标准化与规范化技术是产品结构重组的重 要内容。从合理化工程的角度阐述了产品标准化与规范化工作的意义、内容及其 实施步骤i z “”j 。 6 西北工业大学硕十学位论文 第1 章绪论 香港学者j i a n x i i lj i a o ，m i t e c t d lm t s e i l g 等【3 2 4 5 】首次提出d f m c ( d e s i 印f o r m 鹪sc u s t o i i l i z a t i o n ，简称m c ) 的概念，其目标是在产品设计的早期阶段进行整 体概念设计时，考虑范围经济性和批量经济性；其核心是开发一个和基元层设计 过程集成的面向大规模定制的产品族结构，作为统一的产品建模和传递过程模型； 强调同时完成一组产品的设计。同时认为大规模定制生产在概念设计和初始开发 阶段就能有效地实现，提出了一种基于实例的进化设计方法，用于面向大规模定 制生产的产品设计，其本质在于将实例类和产品族结构作为设计过程模型的核心 部分。 在实际应用方面，从2 0 0 0 年开始国内陆续有一些制造企业，有计划、有目的 地推行大规模定制技术。宝钢作为国内钢铁龙头企业之一，在实施“大规模定制” 生产模式方面已取得了初步的成效。公司针对用户的特殊要求，大力发展产品“快 速变型设计( 在线改进设计) ”，对现有的生产数据分析，凭借丰富的设计经验及 参考类似产品的“新产品研发”成果，对客户的个性需求进行快速实现。同时， 公司通过b a o s t e c l 网站和“宝钢在线”电子商务平台，使宝钢内部各部门之间、 宝钢与客户之间的信息交流十分通畅，外部用户的个性需求可以便捷、准确地传 递给内部相关部门、工序和系统1 2 。 1 4 论文研究目的及研究内容 当前，人们生活质量的提高，导致多样化、个性化的定制需求快速增长，越来 越多的企业采取了从大规模生产模式向大规模定制模式转变的策略【3 ”。大规模定 制、多品种小批量生产、按订单生产等模式已成为制造业的主流，产品生命周期 缩短，更新换代加速，制造成本降低，质量改善是每一个生产企业必须面对的现 实。 随着制造企业信息化的深入发展，部分企业正在运用先进计算机集成制造技术 来推行大规模定制生产方式。因此，针对大规模定制企业产品需求动态化，产品 配置系列化、模块化，生产模式多品种、小批量等特点，需要建立适合大规模定 制企业高效运作的制造信息管理系统。然而，目前的大规模定制研究与应用，着 重集中在利用c a d 、p d m 软件进行产品功能配置、产品变形设计以及利用电子商 务平台进行客户需求定制方面；但是对于面向大规模定制的工艺信息系统在理论 研究方面才刚刚起步，工艺信息系统的应用与开发还未见报道。因此，对于面向 大规模定制的工艺信息系统还有许多技术问题需要进一步、针对性的研究。 研究并开发适合大规模定制生产企业的工艺信息系统，可以解决目前大规模 定制企业设计与生产部门相脱节，设计与制造信息没有合理、有效的衔接及组织 问题。更重要的是，为了满足大规模定制企业对于工艺设计的要求，需要针对大 7 西北工业大学硕士学位论文 第l 章绪论 规模定制企业的产品设计、生产系列化、敏捷化、模块化等特点，结合大规模定 制开发设计技术，研究出先进的计算机辅助工艺设计与管理方法，进一步优化工 艺设计，在工艺设计的标准化和规范化基础上，逐步实现工艺设计的自动化与优 化，改变工艺设计依赖于个人知识和经验的状况，实现企业工艺知识的积累、重 用与共享，最终达到提高工艺设计效率，缩短产品生产准备周期，节约产品制造 时间和成本的目的。因此，对于大规模定制生产企业的工艺设计方法的研究，以 及基于先进工艺设计方法的工艺信息系统的开发，具有很好的工程实用价值。 基于以上分析，结合工艺信息系统及大规模定制技术研究应用现状，提出论 文的研究内容： ( 1 ) 阐述大规模定制技术的基本原理及技术体系，重点研究面向大规模定制 的开发设计技术：产品设计与工艺设计标准化技术、成组技术、模块化设计技术、 并行工程技术、系统集成技术。 ( 2 ) 分析大规模定制企业设计生产方式的特点，结合大规模定制开发设计技 术，对工艺信息系统和工艺设计方法进行需求分析。在此基础上，提出面向大规 模定制工艺信息系统基本特征，并对基本特征进行阐述分析。 ( 3 ) 从实现环境、实现机理、实现过程等方面，对工艺信息系统实现的关键 技术进行具体深入的研究，并对采用关键技术获得的工艺设计效果进行总结评价。 ( 4 ) 对工艺信息系统进行总体结构和功能模块设计。对系统开发环境和数据 库进行选型。对工艺信息系统数据库进行概念设计和逻辑结构设计。利用面向对 象方法开发工艺信息系统。 1 5 论文章节安排 基于以上论述，本文主要对面向大规模定制的工艺信息系统基本特征，以及系 统实现的关键技术进行研究，最后介绍了系统设计开发实例和应用情况。全文共 分六章，主要研究内容与章节安排如下： 第一章，绪论 从现代生产方式的变革着手进行研究，论述了从大批量生产方式向大规模定制 生产方式转变的过程。分析了工艺信息系统的研究应用现状，以及大规模定制技 术国内外研究应用现状。在此基础上，阐述了论文的选题目的，提出了论文的研 究内容。 第二章，大规模定制的基本原理和技术体系 分别介绍了广义与狭义的大规模定制概念；研究了大规模定制技术的相似性原 理、重用性原理、定制点后移原理等基本原理，以及大规模定制的技术体系；简 要介绍了大规模定制的管理技术、制造技术，重点研究了面向大规模定制的开发 西北工业大学硕十学位论文第l 章绪论 设计技术：产品设计与工艺设计标准化技术、成组技术、模块化设计技术、并行 工程技术、系统集成技术。 第三章，面向大规模定制的工艺信息系统基本特征 结合大规模定制设计开发技术，在分析面向大规模定制工艺信息系统具体需求 特点的基础上，提出了面向大规模定制工艺信息系统基本特征。然后，分别对工 艺信息系统各项特征进行总体分析，阐述了采用典型工艺，参数化工艺设计的必 要性以及如何基于成组工艺的工艺设计；通过p d m c a p p 集成、c a p p e r p 集成 实现工艺信息共享；通过建立计算机辅助工时定额管理系统进行工时定额管理。 第四章，面向大规模定制的工艺信息系统关键技术研究 本章首先从典型工艺分类原则入手，研究了基于典型工艺的工艺设计。从零件 设计参数的组织与传递等方面，对工艺信息系统参数化工艺设计技术进行研究。 在分析传统串行工艺过程设计弊端的基础上，建立了并行工艺过程设计模型，并 通过p d m 系统与工艺信息系统集成，对基于p d m 的并行工艺过程设计实现技术 进行研究。通过探讨工时定额信息模型构建方式、工时定额管理系统模块化组织， 对基于工种的模块化工时定额管理技术进行研究。 第五章，面向大规模定制的工艺信息系统设计实现 本章介绍了面向大规模定制的工艺信息系统的开发环境和总体结构。对工艺信 息系统数据库进行了概念设计和逻辑结构设计。详细描述了典型工艺管理、参数 化工艺设计、并行工艺设计、工时定额等功能模块的系统运行实例。最后介绍了 系统在某国防制造企业的应用情况。 第六章，结束语 扼要地总结了本文的主要工作，并提出了五项需要进一步研究的工作。 9 西北工业大学硕士学位论文 第2 章大规模定制基本原理和技术体系 第2 章大规模定制基本原理和技术体系 2 1 大规模定制概念 广义的大规模定制，是作为一种现代生产和管理模式，面向多样化、细分的市 场和个性化的客户需求，在大规模的基础上生产和销售定制产品并提供相应的服 务，它代表通过高度的过程敏捷性、柔性和集成性向每个客户提供个性化的产品 和服务，从而获得范围经济的能力。 狭义的大规模定制，是作为一种方法和技术，一种集企业、客户、供应商和环 境等于一体，在系统思想指导下，用整体优化的观点，充分利用企业已有的各种 资源，以及综合标准化技术、现代设计方法学、信息技术、先进制造技术、柔性 的过程和敏捷的组织结构等，以接近大批量生产的效率和成本，提供能满足各个 客户特定需求的一系列产品，并提供相应的服务。它是一个贯穿营销、开发、生 产和递送全过程的系统的概念【3 8 l 。 2 2 大规模定制基本原理 2 2 1 相似性原理 相似首先是人类早期对自然界各种各样有着相近外形和特征的事物的一种潜 意识，随着人类对自然的认识的提高和不断改造，相似的意义不断得到深化，从 外表特征到事物的内在属性，都有着不同程度的相似，从而形成了相似理论。 大规模定制的关键是识别和利用大量不同产品和过程中的相似性。通过识别 和挖掘存在于产品和过程中的几何相似性、结构相似性、功能相似性和过程相似 性，利用标准化、模块化和系列化等方法减少产品的内部多样性，提高零部件和 生产过程的可重用性。 不同的产品和过程中存在大量相似的信息和活动，在大规模定制中，需要对 这些相似的信息和活动进行归纳，并进行统一的处理。例如，通过采用标准化、 模块化、系列化等方法，建立典型产品模型和典型工艺文件等。同时，通过相似 归并活动，不仅避免了大量设计信息冗余重复存储，节省了系统资源；而且相似 设计可以利用已有设计成果快速、高效地进行产品的设计与开发。 对于制造企业来讲，对于零件的相似性是指零件所具有的各种特征的相似，一 般包括结构相似性、材料相似性及工艺相似性【3 引。零件的相似性见表2 1 所示。 l o 西北工业大学硕士学位论文第2 章大规模定制基本原理和技术体系 表2 1 零件的相似性 基本形状相似 形状相似 形状要素及其布置位置相似 结构相似性 尺寸相似零件之间相对应的尺寸相近 零 精度相似零件的对应表面之间精度要求的相似 件 零件的材料种类相似 相材料相似性 毛坯形式相似 似 所需进行的热处理相似 性 加工零件各表面所用加工方法相似 加工设备相似 工艺相似性 零什加工工艺路线相似 各工序所用的夹具、刀具和量具相似 由于零件的结构形状、材料、精度相似性与工艺相似性之间密切相关，结构形 状、材料、精度决定工艺。例如，零件的基本形状、形状要素、精度要求和材料 常常决定应采用的加工方法和机床类型，零件的最大外廓尺寸决定着应采用的机 床规格等。因此，有人又把零件的结构形状、材料、精度的相似性称为基本相似性， 而把工艺相似性称为二次相似性。零件的相似性是零件分类的依据。在参数化工 艺设计过程中，对零件的分类则主要是综合考虑零件的基本相似性和工艺相似性， 把零件分为不同的加工工艺零件族。 2 2 2 重用性原理 在产品设计过程中，设计者在面临一个新的设计任务时，也同样自然地考虑以 前有无该类设计的相关经验，或者有无类似设计的相关实例，如果存在这样的经 验或实例，那么，我们在设计过程中就可以参照这些己有的设计经验或实例，来 进行新的设计。 所谓设计重用思想，是指在产品功能设计、概念设计、结构设计、详细设计、 工艺设计及围绕该产品的各种设计活动中重用、引用或参考已有的产品设计成果。 可重用集成设计单元是指为了重用目的而建立的设计单元。产品设计信息的重用， 既包括了己有零部件图纸、模型、工艺规划结果的直接重用，也包括了设计人员 头脑中对这些问题的解决原理、思路的间接重用：既包含了功能、解原理、结构 等领域内信息的重用，也包含从功能定义到解原理定义，再到结构定义的整个映 射过程的重用m 】。 在定制产品和服务中存在着大量可重新组合和可重复使用的单元( 包括可重 复使用的零部件和可重复使用的生产过程) 。通过采用标准化、模块化和系列化等 方法，充分挖掘和利用这些单元，充分重用零部件的附加值，将定制产品的生产 西北工业大学硕士学位论文 第2 章大规模定制基本原理和技术体系 问题通过产品重组和过程重组转化为或部分转化为批量生产问题。 可重用性是用来衡量产品设计信息可重用能力的一个标志。产品设计信息的 可重用性是指，与产品相关的设计信息在新产品设计过程中能够被再次使用的能 力。它对于产品设计开发的效率、产品的可维护性以及产品的质量和标准化都将 起重要的作用。 此外，在大规模定制中，零部件的可重用性并不仅仅指零部件设计信息的重 用，还包括在产品报废以后将零部件回收再制造，充分重用零部件的附加值，或 者在产品的使用过程中，通过对零部件的再制造，提高产品性能或增加产品功能。 2 2 3 定制点后移原理 大规模定制是产品设计、制造、管理等技术的有机结合。首先引入客户订单分 离点的概念，客户订单分离点( c u s t o m e ro r d e rd i s c o u p l i n gp o i n t ，c o d p ) 是指企业 生产活动中由基于预测的库存生产( m a l 【e - t o s t o c k ) 转向响应客户的需求的定制 订单生产的转折点【3 0 1 。c 0 d