【文章內容簡介】 劃 DICE(DARPA Initiative in Concurrent Engineering)。 分析研究所的研究報告中對并行工程作了如下的定義 :并行工程是一種對產品及其相關過程 (包括制造過程和有關的支持過程 )進行平行、一體化設計的系統化工作模式。 先進制造生產模式 這種模式力圖使開發(fā)人員從一開始就考慮到產品的生命周期 (從產品的概念形成到其報廢消亡 )中的一切因素 ,包括質量、成本、進度計劃和用戶需求。 圖 63 產品開發(fā)生命周期中不同階段對最終產品價值的影響 這個定義明確地指出 :系統化方法是并行工程的核心 ,它把產品設計的早期階段 ,特別是顧客需求這個最初的也是最重要的階段包括到系統中來。這是因為 ,產品開發(fā)的早期階段設計工作的正確與否決定了未來產品價值的主要 先進制造生產模式 部分 (據統計約占 50%),可是 ,它們所花費的費用只占很少的部分 (據統計約占 10%)。產品開發(fā)生命周期中不同階段對最終產品價值的影響如圖 63所示。 并行工程的本質是分析和優(yōu)化產品開發(fā)過程 ,并在信息集成的基礎上實現過程集成。對傳統設計和生產方式 ,概念設計的開支很小 ,但它卻是決定最終成本的最主要因素 。而最后的生產階段花費的成本最多 ,但對最終成本的動態(tài)影響卻很小。這說明按照傳統的設計和生產方式 ,即使在生產過程中做很大努力提高效率 ,成本卻很難下降。而并行工程對設計階段高度重視 ,雖花費較高成本 ,但卻提高了生產的一次成功率 ,生產過程中避免了傳統方式中常常出現的反復修改和浪費 ,從而使生產準備和制造時間大大縮短 ,生產成本顯著下降。并行設計是并行工程的哲理在 先進制造生產模式 產品設計開發(fā)活動中的具體體現。 并行工程有如下特性 : (1)并行特性 把時間上有先后順序的活動轉變?yōu)橥瑫r考慮和盡可能同時并行處理的活動。并行性有兩方面含義 :其一是在設計過程中通過專家把關 ,同時考慮產品生命周期的各個方面 。其二是在設計階段同時進行工藝 (包括加工工藝、裝配工藝和檢驗工藝 )過程設計 ,并對工藝設計的結果進行計算機仿真 ,直至用原型法生產出產品的樣件。 (2)整體特性 將制造系統看成是一個有機整體 ,設計、制造、管理等過程不再是一個個相互孤立的單元 ,而是將其納入一個系統考慮。設計過程不僅要給出圖樣和其他設計資料 ,還要考慮質量控制、成本核算、進度計劃等。把產品開發(fā)的各種活動作為一個集成的過程進行管理和控制 , 先進制造生產模式 以達到整體最優(yōu)的目的。 (3)協同特性 特別強調人們的群體協同作用 ,包括與產品全生命周期 (設計、工藝、制造、質量、銷售、服務等 )的有關部門人員組成的小組或小組群協同工作 ,充分利用各種技術和方法的集成。這種途徑生產出來的產品不僅有良好的性能 ,而且產品研制的周期也將顯著縮短。 (4)約束特性 在設計變量 (如幾何參數、性能指標、產品中各零部件 )之間的關系上 ,考慮產品設計的幾何、工藝及工程實施上的各種相互關系的約束和聯系。 實施并行工程的優(yōu)點有 : 1)縮短產品投放市場的時間。 并行工程技術的主要特點是可以大大縮短產品的開發(fā)和生產準備時間 ,使兩者部分相重合。 先進制造生產模式 2)降低成本。 并行工程可在三個方面降低成本。首先 ,可以將錯誤限制在設計階段 。其次 ,并行工程不同于傳統“反復試制樣機”的做法 ,而是靠軟件仿真和快速樣件生成實現“一次達到目的” ,省去了昂貴的樣機試制費用 。第三 ,由于在設計時即考慮加工、裝配、檢驗、維修等因素 ,產品在上市前的成本將會降低 ,上市后的運行費用也會降低。 3)提高質量。 采用并行工程技術 ,盡可能將所有質量問題消滅在設計階段 ,使所設計的產品便于制造 ,易于維護。 4)保證功能的實用性。 在設計過程中 ,同時有銷售人員參加 ,有時甚至還包括用戶 ,這樣才能保證去除冗余功能 ,降低設備的復雜性 ,提高產品的可靠性和實用性。 5)增強市場競爭能力。 并行工程可以較快推出適銷對路的產品 ,能夠降低生產制造成本 ,能夠保證產品質量 ,提高企業(yè) 先進制造生產模式 的生產柔性 ,因而 ,企業(yè)的市場競爭力得到加強。 美國國防分析研究所 IDA(Institute for Defense Analyses)的研究結果表明 ,并行工程的效益是顯著的 ,表現在 : 1)設計質量的改進 ,可使早期生產中工程更改次數減少一半以上。 2)由于產品設計及其有關過程的并行進行 ,產品開發(fā)周期可縮短 40%~60%。 3)多功能小組一體化的產品及其相關過程的設計 ,使制造成本降低 30%~40%。 要使產品開發(fā)的過程加快而且反復少 ,必須做到 : 1)采取有效的技術與工具加快每一過程。 2)弄清每一過程 ,掌握內在規(guī)律 ,力爭不產生或少產生差錯 , 先進制造生產模式 減少系統的不確定性。 3)通過正確而又及時的反饋機制與方法 ,減少產品開發(fā)中的反復。 上述前兩項主要由單元技術與方法來解決 ,如計算機輔助設計 (CAD)、計算機輔助工藝計劃 (CAPP)、管理信息系統 (MIS)等。第三項任務主要靠系統工程與系統理論的方法來解決。因此 ,并行工程是系統工程與系統理論在制造業(yè)中的應用。系統工程是一種科學方法 ,為了更好地達到某項復雜任務的目標 ,系統工程提出了一套完整的方法 ,對該項任務的構成要素、組織結構、信息流動和控制機制等進行科學的分析與有效的設計。 現實世界中 ,人們有兩種不同的工作方式 :串行作業(yè)和并行作業(yè)。制造系統與制造工程中的串行作業(yè)與并行作業(yè)如圖 先進制造生產模式 64所示。串行工程與并行工程各自的主要特點如下 : 1)傳統的串行作業(yè)方式是一個時間一件工作 。并行作業(yè)方式則是一個時間多件工作。 2)傳統的串行作業(yè)方式是工作區(qū)間相互獨立 ,順序進行 。并行作業(yè)是工作區(qū)間相互交叉與重疊。 3)傳統串行作業(yè)是多工種 (專業(yè) )相互獨立地工作 。并行作業(yè)是多工種的多功能小組協同一致地工作。資源有限的現實條件下 ,要集中力量首先做好時間常數大的過程的交互 ,或時間常數不大但是它們卻相互接近的過程的交互。為了快速做出合格的產品 ,要加快上游信息過程狀態(tài)的交互 ,保證最終產品一次成功。 先進制造生產模式 圖 64 串行與并行 a)串行 b)并行 先進制造生產模式 人們清楚地看到 :要使并行工程取得成功 ,約束的規(guī)劃、推理及管理是非常重要的。從這一意義上說 ,并行工程也可以看成是為了取得滿意的產品 ,在產品開發(fā)的生命周期中 ,對一組范圍廣泛的約束進行規(guī)劃、優(yōu)化推理和決策的過程。這里的約束有兩類 :資源的不等式約束 (如倉庫面積 圖 65 資源分類 只有 100m2)和客觀規(guī)律的等式約束 (如力等于質量乘加速度 F=ma)。推理有嚴格的邏輯推理和啟發(fā)式的智能推理。 先進制造生產模式 (1)資源的分類 資源一般分成物質資源、時間資源和空間資源。如圖 65所示的資源分類情況 ,物質資源有材料資源、人力資源。材料資源指的是地下資源處理后的原材料及其制成品 :零件和設備。人力資源是信息時代最重要的資源 ,分成技術人員與技藝人員兩種。 (2)資源約束的規(guī)劃與調度 為了做好資源的規(guī)劃與調度 ,首先要建立資源約束的模型 ,進而分析模型、發(fā)現關鍵的約束變量、消除冗余的約束變量 ,這樣可以大大縮小問題的范圍與求解空間 ,最后找出滿意的解答。資源約束的規(guī)劃與調度的基本過程如圖 66所示。 圖 66 資源約束的規(guī)劃與調度 先進制造生產模式 值得指出的是 :這里指的資源約束 ,是指選擇有限的、有競爭的那些資源作為約束變量 ,而不是根據自然物理規(guī)律來選擇資源約束變量。例如 ,空氣不是資源 ,因為它是無限的 (工程實際意義上 ),不存在競爭。但是 ,誰也清楚人們離開了空氣是無法生存的。先進制造系統是一種非常龐大的、復雜的非線性系統 ,約束變量非常多 ,約束空間非常大。在建立約束模型選擇資源變量時 ,一定要簡化 ,選擇有競爭的那些資源作為約束變量 ,而不是根據自然物理規(guī)律來選擇。 敏捷制造 敏捷制造 (AM,Agile Manufacturing)是美國 Lehigh大學和美國通用汽車公司于 1988年首次提出的制造生產新概念 ,在美國政府的資助和眾多企業(yè)參與下 ,它們于 先進制造生產模式 1991年提交了研究報告。該研究報告系統地描述了敏捷制造的基本思想和如何實現敏捷生產的構想 ,并得到企業(yè)界和學術界的廣泛認可 ,被譽為 “21世紀制造企業(yè)的主要形式” 。 1992年美國政府將其作為“ 21世紀制造企業(yè)的戰(zhàn)略” ,其核心觀點是利用美國信息技術的優(yōu)勢 ,奪回制造業(yè)的世界領先地位。 敏捷制造是一種全新的制造概念。雖然敏捷制造一提出即受到廣泛的重視和研究 ,但到目前為止 ,由于敏捷制造的內涵是一種哲理 ,正處于一個不斷發(fā)展的過程 ,因此 ,還沒有一個關于敏捷制造的公認定義。按照字面理解 ,敏捷(Agile)一詞是“聰明、機動和快速”的含義。 敏捷性(Agility)則指制造企業(yè)能快速滿足顧客對高質量、高性能產品和服務的要求 ,并能從急劇變化的市場中擊敗其他 先進制造生產模式 競爭對手 ,從而能盈利和獲勝的能力。敏捷制造思想的出發(fā)點是基于對多元化和個性化市場發(fā)展趨勢的分析 ,認為制造系統應盡可能具有高的柔性和快速反應能力 (即敏捷性 ),從而在變幻莫測、競爭激烈的市場中具有高的競爭能力。因此 ,敏捷制造是制造系統為實現快速反應和靈活多變的目標而采取的一種新的制造模式。 美國機械工程師學會 (ASME)主辦的 《 機械工程 》 雜志1994年期刊中 ,對敏捷制造作了如下定義 :“敏捷制造就是指制造系統在滿足低成本和高質量的同時 ,對變幻莫測市場需求的快速反應 ”。因此 ,敏捷制造的企業(yè) ,其敏捷能力應當反映在以下幾個方面 : 1)對市場的快速反應能力。判斷和預見市場變化并對其快速地做出反應的能力。 先進制造生產模式 2)競爭力。企業(yè)獲得一定生產力、效率和有效參與競爭所需的技能。 3)柔性。以同樣的設備與人員生產不同產品或實現不同目標的能力。 4)快速。以最短的時間執(zhí)行任務 (如產品開發(fā)、制造、供貨等 )的能力。 5)企業(yè)策略上的敏捷性。企業(yè)針對競爭規(guī)則及手段的變化、新的競爭對手的出現、國家政策法規(guī)的變化、社會形態(tài)的變化等做出快速反應的能力。 6)企業(yè)日常運行的敏捷性。企業(yè)對影響其日常運行的各種變化 ,如用戶對產品規(guī)格、配置及售后服務要求的變化、用戶訂貨量和供貨時間的變化、原料供貨出現問題及設備出現故障等做出快速反應的能力。 先進制造生產模式 AM的基本思想是把動態(tài)靈活的虛擬組織結構、先進的柔性生產技術和高素質的人員進行全方位的集成 ,從而使企業(yè)能夠從容應付快速變化和不可預測的市場需求。 它是一種提高企業(yè)競爭能力的全新制造組織模式。由此企業(yè)、組織管理、產品以及生產等概念都發(fā)生了全新的變化。 敏捷制造要求企業(yè)不同于傳統觀念上的有圍墻的有形空間構成的實體空間 ,而是通過網絡建立起來的信息交流高速公路 ,建立“虛擬企業(yè)” ,將制造系統空間擴展到全國乃至全世界 ,以競爭能力和信譽為依據選擇合作伙伴 ,組成動態(tài)公司。從策略上講不強調企業(yè)全能 ,也不強調一個產品從頭到尾都是自己開發(fā)、制造。 組織管理上 ,敏捷制造力圖簡化過程 ,不斷改進過程 。提倡以“人”為中心 ,用分散決策代替集中控制 ,用協商機制 先進制造生產模式 代替遞階控制機制 。提高經營管理目標 ,精益求精、盡善盡美地滿足用戶的特殊需要。敏捷企業(yè)強調技術和管理的結合 ,在先進柔性制造技術的基礎上 ,通過企業(yè)內部的多功能項目組與企業(yè)外部的多功能項目組 ——虛擬公司 ,把全球范圍內的各種資源集成在一起 ,實現技術、管理和人的集成。敏捷企業(yè)的基層組織是多學科群體 ,是以任務為中心的一種動態(tài)組合。敏捷企業(yè)強調權力分散 ,把職權下放到項目組。提倡“基于統觀全局的管理”模式 ,要求各個項目組都能了解全局的遠景 ,胸懷企業(yè)全局 ,明確工作的目標、任務和時間要求 ,而完成任務的中間過程則完全可以自