1、未來的制造企業與關鍵技術未來的制造企業與關鍵技術美國 “綜合制造技術導向 ”計劃介紹之三制造企業如何應對未來新的挑戰？美國導向計劃經過全面、系統的分析研究，確定了影響美國制造企業發展并全面提升企業技術水平和快速反應能力的四大技術領域，即： “制造信息系統 ”、 “建模與仿真 ”、 “制造工藝及裝備 ”、“企業集成 ”。導向計劃同時結合制造企業面臨的六大挑戰，提出了 40 項優先發展的關鍵技術。制造信息系統技術信息技術是制造企業的重要基礎技術。信息技術的發展將給產品制造方式帶來一場新的革命。例如，高速網絡將制造企業各部門緊緊聯系起來，使制造商在產品設計、生產和維護過程中獲取大量信息。用戶通過互聯

2、網直接參與產品的設計與制造過程，定制自己需要的產品。在制造企業內部，通過信息系統不間斷地對所需的物料進行識別、安排生產、向制造系統下達作業計劃、在線監測產品質量、安排貨運以及向客戶開列帳單，實現整個制造過程無縫集成。展望未來，制造企業更需要加強制造過程與信息技術的緊密結合，原因是： 未來制造企業將以信息技術為基礎，充分共享制造知識，實現在線監測和診斷，并達到產品的設計與制造一次成功。 未來制造企業將借助信息技術，實現制造知識的即時調用，更快更經濟地完成從概念設計到產品成型的全過程，保證創新產品百分之百合格。 信息技術是獲取、存儲和共享制造知識的重要保障手段。借助信息技術，能以新的方式獲取、存儲

3、和共享各種制造知識，包括物料特性、制造工藝技術、以往成功的經驗和失敗的教訓等。1. 未來的制造信息系統未來的制造信息系統最終將應用于完全集成的制造企業中，做到：信息實時訪問、數據和信息的即時調用、所有過程綜合平衡與優化、問題預見與及時解決、發掘企業最大潛能。信息系統的全面聯通將使制造企業達到如下目標：工程、制造、銷售、售后服務等的全球化管理與控制；通過先進仿真與建模技術優化產品設計和制造工藝，使產品設計與制造一次成功；大大縮短產品從設計到生產所用的時間；與其它企業建立團隊合作關系，共同響應客戶和市場的需求變化。2. 關鍵技術導向計劃確定了未來制造信息系統的如下10 項關鍵技術：信息驅動型無縫集

4、成企業 制造業企業將以動態變化的知識庫為基礎，在從捕捉市場機遇到產品生產直至報廢的整個生命周期，都能從知識庫中獲取相關的數據信息。當前功能單一且成本昂貴的企業資源管理系統將被成套廉價且易用的企業資源管理模塊所取代。共享的知識存儲系統 企業所需的部分信息將來自地區、國內、全球等不同共享層次的知1 / 7識存儲系統，專業領域知識存儲系統將逐漸合并到多領域的綜合知識存儲系統中。企業可以在這些存儲系統基礎上建立起最佳知識演示中心，進行共享軟件工具、模型、知識的測試與評估。客戶 / 需求驅動型制造 客戶親自參與產品開發過程可以提供客戶滿意的產品，制造企業采用客戶 / 需求驅動的制造方式，使產品開發一次成

5、功，同時縮短周期、降低成本。一體化產品與過程開發 在集成開發環境下 ，可以綜合考慮產品的生產速度 、質量、成本效益，權衡利弊，同時根據下游工序選擇最佳的設計方案。全面互聯擴展型企業 在技術完備和互操作能力強的信息基礎設施基礎上，實現不同地域、不同文化背景的制造企業之間的緊密合作，構成全面互聯擴展型企業。不同企業的工作過程與系統的相關功能模塊相互溝通和自動互操作，可以在更廣范圍內建立起動態的業務聯系。同時保證合作伙伴私有信息的擁有權。即插即用的互操作系統組件 用標準化軟件模塊實現制造信息系統的各項功能，取代傳統昂貴的用戶系統。所有企業都可以建立 “系統中的系統 ”，根據業務環境和技術條件的變化進

6、行相應配置。設計與運行咨詢系統 基于信息技術的咨詢系統將幫助企業在產品各個階段作出正確決策。系統強大的快速仿真能力以及豐富的知識支持，將對企業面臨的問題、爭論和可能的解決途徑提供明確的答案。自修正、自適應運行系統 基于智能化模塊的制造企業信息系統將對運行中發生的問題或意外情況自動采取正確的修正措施。例如，為平衡企業不同功能的要求，不斷地修正和調整制造執行計劃。自學習系統 柔性和適應性信息系統需要企業知識倉庫的支持，需要擁有全面的、最新的知識，需要系統自我調整、自我學習以更新信息。這些系統能監測系統內外部的數據源，獲取相關信息，并主動將其添加到企業知識倉庫中去。跨領域設計集成在信息驅動型的一體化

7、產品與過程開發環境下，機械、電子、化工等領域的設計者可以根據同一產品模型協同工作，消除不同設計領域長期隔絕的狀態。而且隨著信息技術的應用，設計者將使用一套統一的科學化設計工具，以真正并行的方式從事設計與生產，避免各領域的重復交* 。建模與仿真技術建模與仿真將是21 世紀制造企業的一項關鍵支撐技術，在改進產品與工藝、縮短市場響應時間、降低產品成本方面具有其它技術無法比擬的重要作用。建模與仿真通過在虛擬環境下對產品制造過程的可* 預測與優化，大大促進產品與工藝設計、過程運行、企業管理水平的提高。以前的產品與工藝的開發完全通過產品試驗完成的，這種試驗 - 分析 - 修改的過程占用了大量的時間，也增加

8、了不必要的成本。“波音 ” 777飛機是第一架用三維建模技術進行設計的噴氣式客機，采用了數字化預裝配和并行工程技術，不用制作全尺寸樣機模型，大大減少了設計更改和錯誤量，確保了產品質量。汽車工業應用建模與仿真技術使新車設計到投產的時間從以前的 3 年縮短為 14 個月左右。聯合攻擊機（ JSF）通過先進的建模與仿真技術降低開發成本50% 左右。1. 未來的建模與仿真技術未來制造企業的產品與過程設計都將采用建模與仿真技術。其特點是：逼真的產品與2 / 7過程模型與所有相關的制造信息及企業信息動態相連； 基于模型的智能化、自修正學習系統實時響應外界的變化； 過程模型將控制和自動調整整個生產過程 ，提

9、高適應性； 企業總體模型將實現企業部門和業務過程集成，快速響應業務活動的變化； 通過企業信息系統實現所有系統和過程無阻礙互操作。未來完善的信息基礎設施將對未來建模與仿真系統提供強大的支持，分析工具同時在后臺運行，智能化計算機咨詢系統作出最佳決策，這樣，建立起全企業的控制系統。目前的臺式 PC 機和信息報告系統將被 “虛擬現場 ”系統所取代，操作、管理、設計人員將處于企業模型的不同層面上相互作用，協調工作。這種 “虛擬現場 ”系統具有如下優點： 即時、正確掌握各類人員的工作狀況； 快速分析和評估，作出最佳決策； 迅速傳送修改和變化信息，自動更新企業模型。未來的建模與仿真系統和工具還具有如以下優點

10、： 對形勢 、機遇和風險快速分析評價，并可 * 預測企業的預期行為 ； 快速優化新產品設計 、生產工藝與設備以及業務運行過程 ，減少浪費，獲取最大的生產效率和收益； 實時或近實時自動分析產品的可生產性、經濟可承受性以及其它因素，作出智能化的決策支持，優化產品和過程； 發掘更多的產品與過程設計方案； 建立即插即用模型、仿真與支持工具的綜合性全球知識倉庫，幫助企業大幅度降低建模與仿真成本。2. 關鍵技術導向計劃確定了建模與仿真的如下10 項關鍵技術：從微觀到宏觀的連續建模 目前的產品與過程建模與仿真通常只針對某些特定參數，不適用于更大的范圍。未來的模型將沒有大小限制，可控范圍都可建模，甚至外延至整

11、個世界，模型仍將保持精確性。與可更新知識庫集成的科學化模型 未來仿真模型將根據現實世界的實踐，吸收模型用戶的知識和經驗教訓自行學習和調整，盡量逼真地模擬現實世界。建模與仿真通用化 建模與仿真技術將從專門工具發展成為一項通用技術，廣泛支持制造企業運行過程。企業主管、基層管理人員、監督人員和生產一線的工人通過與企業模型相連的虛擬界面實時得到有關信息，從而控制企業運行。隨著仿真技術及智能建模軟件的不斷發展，建模工具將越來越普及。智能設計與分析咨詢系統 智能化咨詢系統在產品生產的每一階段向開發人員提供有力的幫助，幫助設計人員克服障礙、避免誤設計并不斷優化設計方案。實時的企業控制器 隨著建模與仿真的普及

12、，建立整個企業的實時、精確仿真模型。最終通過企業模型控制企業各項功能，實時監控運行狀況，掌握運行狀態。同時利用企業模型估計預期行為的效果，確保企業不斷地對需求和外界條件變化作出響應。智能的自學習模型 下一代模型與仿真技術將學會根據自身需要、目標和外界需求不斷改善自己。例如，產品模型將不斷進行自身優化，即在實時掌握各類信息（例如零件和原料的可用性、車間生產能力、加工設備和單元的工作能力等）的基礎上，使模型在環境適用性和可生產性等方面得到優化。開放、共享的存儲系統和驗證中心隨著通用物料、過程和零部件等科學化建模與仿真工3 / 7作的大量開展，標準化模型與仿真倉庫不斷充實，并由不同行業的制造商所共享

13、，大大減少各種業務和制造過程仿真建模的成本及時間。面向所有應用的集成產品與過程模型 建模與仿真將從少數幾個領域發展到支持制造企業運作的方方面面。制造過程模型和業務過程模型有相似性，將模型集成為覆蓋整個企業的宏觀模型，這樣使用戶準確預測環境變化對整個企業的影響，并對設計方案作出決策。模型的全面無縫互操作未來的仿真模型有極好的兼容性，可通過自定義接口即插即用。例如，新的組件無需人工協助就能有機地嵌入系統中。實時交互模型 為了確保模型的準確和實時， 未來仿真模型通過企業信息系統與所有相關數據實時鏈接，以適應業務的不斷變化。制造工藝與裝備技術制造工藝與裝備是制造企業的核心。除了一些實力雄厚的企業以外，

14、先進但成本昂貴的制造裝備與系統使很多企業，特別是中小企業望而卻步。1. 未來的制造工藝與裝備為了滿足未來低成本、環保及日益增長的客戶需求，企業的制造工藝與裝備必須進行根本性的變革。產品從概念到最終送到用戶手，完全采用集成制造系統。制造工藝將更加精密化、柔性化，適應性更強。未來的制造工藝與裝備技術的特點是： 通過對材料和工藝關系的深入研究與掌握，建立全面的、科學的過程模型； 建立基于知識的專家系統，給出加工過程的所有制造信息，包括工藝參數、工裝設計及控制數據等； 通過將信息直接送到柔性加工設備上，在閉環環境中加工產品； 優化處理物料準備和工件傳送，提供產品的最佳工藝路線； 更換和改進對環境有害的

15、工藝，解決環保問題； 各個層次的制造過程實現智能控制。未來的控制工具采用模塊化設計和開放性結構，真正做到即插即用； 模塊化設計將縮短制造裝備的配置時間，降低采購和維護成本，并適用于各種制造企業。2. 關鍵技術導向計劃確定了制造工藝與裝備的如下10 項關鍵技術：產品生命周期零浪費 消除浪費是未來制造企業發展的強大推動力。不僅減少產品制造的浪費，而且擴展到產品整個生命周期，包括產品回收利用及零部件再制造，同時使一家企業的廢料成為另一企業的生產原料。產品開發一次成功 制造企業現行的逐次逼近設計法花費大、耗時多。制造與材料科學、建模與仿真、工程工具、柔性與智能制造工藝與裝備以及信息技術的發展，將使虛擬

16、的設計原型直接變成合格產品，大大減少產品開發時間和成本，并樹立新的經營標準。智能控制系統 控制和傳感技術的發展預示著智能控制系統時代的來臨，使制造企業快速響應材料、產品設計、裝備狀態及其它因素的變化，提高企業效率和客戶滿意度。這4 / 7些控制系統不僅有效控制加工工藝與設備，還能預測問題，具有自學習、自調整和自恢復功能。創新的突破性工藝 隨著如納米技術、生物加工技術等先進技術的發展，許多傳統的生產工藝將被更新，推動建立嶄新的工業。科學化制造 通過構建基于科學的材料、工藝和裝備分析模型，使企業生產決策更加正確和科學化。智能設計與加工咨詢系統基于計算機的咨詢系統在產品與工藝設計、工裝選擇、工序安排

17、與控制、材料管理及其它方面發揮巨大輔助作用 ，提升企業分析和解決問題的能力。知識存儲系統和驗證中心 未來制造企業高效運行所需的知識驗證不是單個企業力所能及的。共享知識存儲系統和驗證中心將收集、分析、傳播各方面的知識。驗證中心將提供公正的驗證平臺。擴展型企業的分布式控制 21 世紀制造業的一個重要的標志是企業內外部的制造工藝與裝備的集成。工藝與裝備不僅連接到單個企業內的信息系統，而且也連接到與企業有關的所有合作伙伴。這些連接將擴展型企業的所有功能有效集成，并根據當前的運行情況作出決策和進行性能優化調整。材料與表面工程 隨著材料與表面加工技術的發展，企業可根據客戶的材料和表面特性要求設計制造出低費

18、效比的合格產品，甚至即使定制數量只有一件。自由成形制造 自由成形制造技術能生產傳統工藝與裝備無法生產的零件，復雜三維零件無需采用特殊的加工方法和工裝直接從設計模型投入生產，并保證小批量生產的經濟性。企業集成技術企業集成技術將人、加工過程、系統和技術緊密連接，保證正確的人在正確的時間和過程使用正確的資源和信息。利用企業集成技術，企業或擴展型企業在不可預測的動態市場中對所出現的市場機會和問題進行快速、準確決策。在當今許多先進制造企業中，有很多的技術已作為要素集成到產品生產與經營系統中，如企業資源計劃和計算機輔助設計系統，前者包含許多業務功能，但缺乏產品生產過程的詳盡數據；后者包括產品和加工工藝仿真

19、及規劃功能，但缺乏特定的分析和信息集成能力。企業集成技術可以有效解決上述問題。1. 未來的企業集成技術未來的制造企業將所有功能和活動無縫互聯，當新的機遇來臨時，不同的合作者快速聯合，提高運行效率和響應速度。并行工程和集成產品與過程設計概念和支撐工具的發展，將產品生命周期所需的所有過程和工具集成為一個優化的系統，顯著提高企業集成生產產品的能力。完全互聯的通信5 / 7與信息基礎結構使異地合作伙伴協同工作，利用企業集成技術使企業經濟有效地管理自身運行和供應鏈。2. 關鍵技術導向計劃確定了企業集成如下10 項關鍵技術：企業經營和生產的結合 通過經營和制造生產業務功能的集成，彼此快速響應，從整個企業的

20、范圍作出最佳的決策和行動，顯著提高整體效率。供應鏈無縫集成與互操作 技術進步和企業分工細化要求企業有效提高供應鏈的管理能力。未來創新的過程與系統實現即插即用，所有集成接口由系統自動識別并管理，企業在選擇合作伙伴時只考慮能力和利潤因素，不用考慮供應商和經銷商用的是何種業務或工程系統，供應商也不必擔心所用系統的互操作能力。集成產品生產 隨著啟動工具的發展，并行工程和集成產品與過程開發技術趨向成熟。這些工具將從產品概念設計到交付過程的所有功能集成起來，連續不斷地對產品和過程設計、制造計劃進行綜合平衡與優化，滿足用戶需求。全面集成的產品生命周期管理 對全球環境和自然資源的重視，要求制造企業改進產品與工藝過程，消除對環境的負面影響，更多地實現綠色制造。生命周期的集成管理不僅降低產品成本，而且使產品與過程更安全可* 、更容易支持和維護。系統和過程自集成