苏贺—基于数字化模式的车间管理系统研究 - 图文

第1章 绪论

第1章 绪论

1.1 概述

数字化制造技术作为现代先进制造技术最为活跃的领域，在促进产品更新、生产发展中起到重要作用，先进技术也是国际间技术竞争的重要手段，现在很多工业化国家已经把数字化制造技术列为关键高新技术和优先发展的项目，受到各国家科学技术相关部门极大的重视和关注[1][2]。制造业是其他产业的支柱工业，制造业支持其他各种产业的发展，制造业为其他产业提供尖端的技术，提供专业的加工和生产设备，为其他产业供应高水平的通用设备，一个国家的制造业的发展水平很大程度上决定了这个国家的经济发展和科技发展。科学技术迅速的发展，复杂的新生产品越来越多，随着产品市场的变化，产品市场寿命周期越来越短，更新换代的加速，传统的大批量的生产方式遇到前所未有的挑战[3-5]。

因此，要求企业从―单品种、大批量、周期长‖向―多品种、小批量、周期短‖方向发展[6]，尤其对于制造业来说，如何整合有限的资源，有效地控制产品的生产成本，缩短产品的制造周期，确保交货准确及时，提高企业信誉和综合素质，增强企业核心竞争力和可持续发展能力，成为在激烈竞争中生存的一个重要条件。在新环境下，原来的生产制造方式不足以满足现代生产制造的要求，促使制造企业运用信息化手段改造传统的生产经营管理方式。因此，相继出现了诸多新理念的生产经营管理方式，如CIMS、ERP、MRP、MRPⅡ、JIT、OPT、LP等，实现生产制造过程准确、有序、快速地进行，为提高管理企业经验管理水平奠定了坚实的基础[7]。

车间是企业直接从事生产活动的单位，是制造计划的具体执行者，也是制造信息的回馈者，是保证产品交货期的重要场所。数字化车间管理是指在己有的车间组织、生产资源及信息的基础上，确定车间的生产顺序的过程，保证车间的生产，使得车间生产在质量、成本、时间、柔性等方面均达到最优。车间管理是企业管理的核心之一，数字化车间管理系统是企业信息化建设中的关键之一，车间管理的好坏直接反映整个管理系统的实用性，对车间的管理程度成为区分各种管

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理系统的重要标志。因此，数字化车间管理越来越受到各界人士的关注。

1.2 数字化模式车间管理的提出与国内外研究现状

1.2.1 数字化车间管理的提出

随着市场环境的复杂化发展，客户的需求日益个性化和多样化，制造业的运行方式受到了网络技术、无线通信技术、计算机技术迅速发展的影响。外部环境的变化使历史悠久的支柱产业受到了前所未有的冲击，同时也为制造业的发展指明了新的方向[8-9]。现代制造业具有以下特点：

1)产品开发时间短。面对市场信息稍纵即逝的形势，要求制造企业必须快速准确的获取信息，且能以最快的速度响应市场需求，随之更新产品，以适应全球化的市场竞争随时满足用户的需求。这也是当今企业在竞争中取胜的关键。 2)产品形成全生命周期质量管理化。传统制造业通常仅仅指产品的加工技术，是生产过程的一个步骤。在现今剧烈的市场竞争的环境下，产品本身的质量只是客户选择产品的因素之一，产品的个性化设计、供货时间快慢、售前售后的服务等成为能够左右其选择的重要因素。产品只有最大限度的满足客户的个性化需求才有绝对的竞争优势。因此，现代制造业的市场研究、方案的设计、产品制造、销售、运输与安装、培训与使用、现场维护、报废和回收进行全面的全生命周期质量管理[10]。

3)制造方式网络化、全球化。每个企业都有自己的优势，在产品生命周期的每一个环节都要求达到完成的尽善尽美，所以利用数字技术和网络技术的各种技术资源，人力资源组合、组建动态联盟、互相学习，共同创造完美的产品。 4)小批量定制生产成为市场趋势。经历了大批量生产的时代，目前的生产规模是面向小规模地址时代发展。个性化需求市场份额主见扩大，但单一的产品需求不大，生产任务呈现出任务周期紧，生产计划变化频繁等特点。目前迫切需要制造业的灵活性以适应这种个性化产品的生产[11]。

从以上21世纪制造业的特点可以得出，新的生产方式必须是以客户为导向，信息化程度的深化、协同化的制造生产过程。因此，建立一个以客户订单为驱动的数字化车间管理，是发展现代制造业必须采取的路线。

第1章 绪论

1.2.2 国内外研究现状

目前数字化车间管理技术已经作为提高企业与其产品竞争力的重要手段，尤其是在工业技术先进的国家。虽然数字化制造作为一个整体的概念刚提出不久，但数字化制造的一些基本理论和基本概念已被日程进行研究，并取得初步成功。数字化制造技术在数字化设计、数字化制造、数字化产品、信息交流与合作、数字化管理等方面，有不同程度的发展[12]。

美国通用汽车公司应用数字化制造技术，将汽车的开发周期从原来的48个月缩短到24个月，碰撞实验结果从原来的几百次降为几十次，通过应用电子商务技术销售成本降低10%；美国的Exxon-Mobile石油公司应用先进自动化技术，使企业效益提高5%-10%；美国的UGS Tecnomatix公司和达索Delmia公司等长期投入研究虚拟制造的公司，研制出满足虚拟制造要求的数字化车间管理软件，这些公司经过重新组建将许多小的专业软件公司合并，形成数字化车间的全套系列软件。比如车间和生产线的规划仿真、质量控制、生产工具和工艺规划等软件模块，可以满足用户不同的需求。数字化车间技术已经得到了广泛的应用并创造了可观的效益，在汽车、航天、医疗、重型设备甚至机器人等行业均成功的实验并投入实际的生产操作中，如BMW、Honda、Ford、ABB、波音公司欧洲航天局、Robitics都在数字化车间领域取得丰硕的效果。德国大众上海分公司采用的数字化车间管理软件成功的对发动机生产线进行设计及和优化，成功的完成大众车身设计的方案实施[13]。

数字化车间管理技术进行车间的布局设计也有应用的实例，虚拟环境下的设备布局设计和物理系统的完善也都可以在数字化车间管理系统中得以实现。1996年，国外Wilson等人在Rover Group Powertrain项目中，采用数字化车间管理技术应用于技术人员的交流、潜在问题的查找和方案的评价，这项研究表明虚拟设计技术已经成为工程人员一个有力的辅助手段。

随着应用需求的增加，一些CAD系统软件也加入工厂规划的插件或模块，比如CATIA的Plant Layout，也有一些利用3D MAX类似软件进行的3D布局规划，只不过这些软件系统缺乏了虚拟现实系统的实时性，因此一些专用的布局或物流规划的软件应运而生，如QUEST，Model Flow等[14]。此外国外也有一些研究

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项目使用嵌入式系统和桌面系统，病进行了对比，得到结论的认为使用HDM的嵌入式系统更能满足使用需求，应该全面的推广和应用。

现阶段，国外的研究趋势已经更加趋向于全面整合虚拟系统和物理系统的方向。增强现实式的虚拟现实技术指导与培训工人作业目前是这方面的热点。Christoph Runde等人设计并开发了一个虚拟系统进行控制车间的生产调度，此系统支持多个用户同时进行活动，可以对数控机床进行远程遥控，也针对于人员的培训有一定的辅助作用。Hansoo Kim等人用VRML技术开发300mm的品片数字化制造车间仿真系统，包含了20多台品片生产设备，应用该系统工程人员可以通过网络修改设计、进行仿真。BMW宝马公司在设计汽车门窗装配的辅助虚拟系统中，他们利用声音补偿了力反馈系统的缺失，基于网络的、分布式系统的开发，协助不同地点的技术人员协同工作并进行远程的监控和指挥。

Schacfer等人设计的Mod Fact虚拟工厂系统和LON(Local Operating Network局域操作网络)进行连接，以控制物理生产系统。Dong-Sung Kim等人实现了使用MMS(Manufacturing Message Specification制造报文规范)标准实现了虚拟设备和真实设备的通讯。Hansoo Kim等人设计的通过Http连接的试验系统，通过局域网络与机床进行互动；Andra Lasso等人设计的系统能够通过网络远程遥控机器人。

在国内，从90年代初期开始，清华大学CIMS中心及其它大学的研究所也逐步投入到数字化生产线的研究中。由清华大学自主开发的IMMS系统能够用于制造车间的设计；由南开大学研发的施行车间调度仿真的JobShop调度仿真软件；清华大学与航天部204所等其他单位共同开发的FASE，并且在此基础之上开发并实现了智能规则调度系统。清华大学的赵骥等人应用WTK和Agent的方法成功设计了数字化生产线系统。北京理工大学的孙连胜等人开发的生产线可视化设计系统，可以通过2D和3D映射进行设计。上海交通大学的邵立等人也利用虚拟现实技术对原有的曲轴线进行了评价和改造，提高了设备的利用率。但这些系统都由于各种的原因，没有得到广泛的应用，有些甚至己经停止了后续的开发[15]。

目前国内虚拟现实技术进行车间布局规划的应用，仍然在试验和研究的阶段，也缺少国外工业巨头(如前文提到的波音、BMW)公司的实际应用。不难看到，国外同行的研究历史长，投入比国内多，其成果是多年投入资金和学术经验的积累，