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制造技术和信息技术融合解决产品创新开发问题

制造技术和信息技术融合解决产品创新开发问题 2011年12月03日 来源： 产品及其制造系统的创新是提高企业竞争能力的关键因素。从20世纪初到60年代，制造业的竞争关键因素是成本，大批量生产的规模经济是降低成本的重要途径，因此创造、更新制造系统的生产设备，使其具有高度自动化流水生产，形成规模经济是提高企业竞争能力的关键。70-80年代，企业竞争能力的关键因素转变为品质。90年代以来，由於市场需求的多元化，产品创新与改进的设计开发能力与速度，以及为保证新产品以最快的速度、最好的品质、最低的成本、最优的服务(T、Q、C、S)投入市场的制造控制系统成为体现企业竞争能力的关键因素。降低产品成本信息技术代表现代科学技术的结晶之一，它以信息论、信息科学为基础，充分运用计算机、网络、通信技术等工具解决人类发展中的各种问题。它具有明确的创新性、渗透性、带动性和倍增性，支持产品创新开发技术的发展，在信息技术的支持下可以解决，如复杂结构的力学分析、运动机构的乾涉检查、复杂曲面的设计与加工等。为了适应市场经济发展的需要，先进制造技术也必须不断发展，而产品创新开发始终是先进制造技术的重要内容。图1是先进制造技术伴随市场竞争因素的变化不断发展的情况，其中可以看出信息技术与制造技术的结合，产生了一批又一批先进制造技术，其中不少是产品创新开发技术。

图1 先进制造技术不断变化发展

为了满足用户需求，幷能为企业创造丰厚利润，就要求通过先进适用技术及CAD/CAE/CAPP/PDM的应用，实施不断创新-改进相结合的产品开发策略，具体分析如下：产品零件构成产品虽然千差万别，但组成的零件中10∼15%是标准件，70∼80%是相似件，只有10∼15%是特殊件，这说明产品零件有很大继承性，所以产品创新开发的主要任务不是去创新开发新的零件，而是充分利用产品零件的继承性，使用成熟的零件，构造用户需求的产品。产品设计与工艺工作根据多国统计，在产品开发中真正创造性的劳动只占20∼30%左右，而重复的劳动量占70~80%以上，这和前面介绍的产品零件中标准件、相似件的构成比属同一个道理，这说明产品设计与工艺设计中存在大量重复的劳动。我们完全可以优化其设计过程，开展真正创造性的劳动。批量越大成本越低，这是批量法则，如图2所示。在多品种单件、小批量生产条件下扩大批量的方法是充分利用零件的相似性，扩大通用零部件的应用，以提高零部件投产批量，这就是所谓大规模定制生产。

图2 批量法则

产品模块化设计在机械产品中，不但构成零件的要素及零件本身有相似性，就连由零件组成的部件、组件也有相似性。模块化设计就是根据产品可组合性，从产品、部件、组件的功能分析入手，按功能、结构、组合的相似性在零件结构要素、零件标准化的基础上进行组合结构的标准化，幷利用这些功能模块，组合成用户需求的产品。

图3 传统产品与系列、通用、模块化产品结构

模块化设计发展到今天，不但可以在系列产品内应用，也可以在纵向系列模块设计、横向系列模块设计、跨系列模块设计中应用。形成了全部模块构成的产品，这种设计只有总装配设计需要周期，因为组成的模块已是全部设计好了的。也可以用模块与部分专用模块组合，模块与非模块化构件组合，这样只有总装配与专用模块要占用设计周期。

图4 支持通用、模块化设计的零部件管理界面

以上这些先进产品设计方法如果没有CAD/CAPP/PDM的支持是很难实现与推广应用的。从另一方面分析，CAD/CAPP/PDM技术必须与先进产品设计方法相结合才能发挥其最大作用，使产品结构优化，开发周期获得最大限度的缩短，优化产品开发过程。开展并行工程把设计、工艺、工装、加工、装配的制造过程的串行作业改为幷行作业。在接到订单後各部门分头协同作业，已标准化、模块化的部分马上可以组织生产，对有开发工作量的按幷行工程开展工作。

图5 并行作业与串行作业的比较

根据以上的分析，制造产品本身存在相似性，通过成组技术、标准化技术、模块化技术、模块化设计，可以把90%的结构要素标准化起来，把60∼70%零件规范化起来，可以把部分部件模块化起来，这部分规范化、模块化与标准化的零件、模块是产品设计的基础，它可以根据用户对产品功能的需要而选用。一旦在产品上选用了，其图纸、工艺、产品数据结构都是现成的，所以不需要占用设计、工艺周期，可以直接投入生产。所以说，只要实事求是地按相似性原理开展成组、标准化、模块化设计，不但零件数量可以控制，工艺可以实现标准化，而且可以缩短这一部分零件、部件、工艺、工装设计的周期，从而缩短产品的生产周期。通过开展幷行工程，可以进一步全面缩短产品的生产周期，保证产品的质量和降低产品的成本。

图6 实现当天订货当天开始生产的示意图

优化产品结构设计图7是应用有限元软件分析整机结构，图8是应用运动控制软件模拟整机运动，这些优化分析、运动模拟、乾涉检查等没有信息技术的支持是很难实现的。

图7 应用有限元软件分析整机结构

辅助制造应用CAD/CAM软件，将设计信息自动转换为制造信息，实现快速制造。

图8 应用运动控制软件模拟整机运动

实施批量定制生产把大批量生产中的优点和单件、小批量生产中的优点结合起来，是解决目前机械制造业80%的单件、中小批量企业低效益、高成本运行状态的最新也是最基本方法。图9是批量定置生产示意图，从图中可看出，批量定置生产是建立在协同产品商务基础上的。没有良好协同产品的商务机制，社会化的批量定置生产难以实现。

图9 大规模定置生产示意图

图10是协同产品商务示意图，该图明确表示协同产品商务的基础是由CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP与EB等企业信息化系统所构成，这充分说明没有信息技术的支持，不可能实现最佳生产，也充分表明信息化促工业化发展的必然性。

图10 协同产品商务示意图

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