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创新产品的快速开发和实现 |
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作者：同济大学现代制造技术研究所 张曙 |
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摘要：产品是企业活动的源头，不断推出创新产品是任何企业梦寐以求的。文章从制造策略的高度论述产品创新是未来企业的核心竞争力。提出三维CAD模型是创新产品快速开发的基础，讨论“虚拟制造-数字工厂”的研究进展和快速原型制造的发展趋势，以及它们在创新产品快速开发中的应用前景。最后介绍网络联盟制造在创新产品快速开发中的应用案例。
1 制造策略的变迁
1) 产品创新是企业的核心竞争力
20世纪，人们曾把制造业定义为：“通过加工把生产资料转化为产品的工业”，产品的增值主要在加工过程中得以体现。几十年前，生产规模无疑曾是最重要的制造策略，随后制造成本、产品质量和市场响应能力分别在不同时期取代生产规模而成为最重要的策略，这表明制造策略是随着时间的推移在变化的，新世纪的第一制造策略是技术创新，如图1所示。
图1 制造策略的变迁
随着市场竞争加剧和产品更新换代加快，产品创新、市场营销和服务的增值作用明显提高，知识和信息已经成为重要的生产要素，制造业已经成为同时对物质和信息进行处理的产业。这一趋势使得产品增值曲线发生了明显的变化，中间部分从上凸变为下凹，如图2所示。
(a)20世纪的制造业 (b)21世纪的制造业
图2 新产品开发是重要的增值源泉
换言之，产品增值的关键来源将是新产品的开发、市场营销和客户服务，是知识和信息处理的过程，而不是物质加工的过程。创新产品的快速实现就成为企业的核心竞争能力。很多企业家已经认识到当前的竞争焦点往往不是能不能把产品制造出来，而是能不能快速开发出符合市场需求的、有竞争力的新产品。
2) 产品数字化是企业信息化的基础
产品设计是企业活动的源头，采用CAD/CAM技术取代图板并不是最终目的，我们的目的是实现快速产品开发、缩短新产品上市周期，从而取得市场竞争优势，获得较大的利润。换句话说，要以更快的速度、更低廉的费用和更高的质量去完成传统的工程设计和业务过程，更多地创造效益。因此，我们应该从甩图板走向数字化和集成化。
三维实体造型为产品模型的数字化创造了条件，数字模型又成为产品生命全过程集成的基础，特别是CAD/CAE/CAM/PDM一体化(C3P)为企业信息集成找到一条捷径。在企业内联网环境下，产品的数字模型将通过CAD/CAM技术和产品数据管理(PDM)与制造执行系统(MES)和企业资源计划(ERP)等管理信息系统集成。制造执行系统包括作业计划和调度、质量控制和工况数据采集等车间级的计算机管理，而企业资源计划是企业从供应商到客户的全部业务过程的计算机管理，它们都是以产品数据为基础的。此外，通过因特网和企业外联网实现跨企业、跨地区的产品设计协作和网络联盟制造，将进一步推动我国制造业的全面信息化，实现跨越式发展。
总之，一家企业如果从产品开发开始，以信息流为核心，充分利用网络技术重构它的组织结构、采用新的管理方法、以及适应新经济的企业运作模式，它就可能成为新经济时代的制造企业。
2 数字工厂(e-Factory)
1) 通过数字工厂缩短产品上市周期
随着技术进步和市场竞争，产品的技术含量和复杂程度在不断增加，而产品的生命周期日益缩短，因此缩短新产品的开发和上市周期就成为形成竞争优势的重要因素。
数字工厂建立在用计算机完成产品整个开发和“制造”过程的构思基础上。在计算机上建立产品模型，对模型进行分析，然后改进产品设计方案，并且在数字状态下进行“试验”和“制造”，然后再对设计重新进行组合或者对制造过程进行改进。数字工厂不仅着眼于新产品设计的正确性，还通过仿真避免工艺设计、设备布局、计划和控制的失误，优化生产资源的利用，保证新产品投产的全过程顺利进行，使新产品能以最短时间和最低的成本抢占市场。
因此，数字工厂不仅对产品进行设计和工程分析，验证产品的功能和特性，还要进行制造过程的仿真，并且将其与生产计划和资源管理集成在一起，是一个集成化的产品、过程、计划和资源仿真系统。
输入工艺过程和工序时间、设备的类型和布局、生产批量和工人数等，通过运行该仿真系统，可以获得零件的通过时间、设备利用率、废品数、加工成本等统计分析数据。
2) 虚拟现实技术的应用
在产品开发的早期阶段，例如在概念设计时，不必进行详细的分析。这一阶段所考虑的重点是外观、总体布置以及一些诸如运动约束、可接近性等特征。这样，基于传统CAD/CAM的数字原型就不能满足要求了。
虚拟原型是利用虚拟现实在可视化方面的强大优势以及可交互地探索虚拟物体的功能，对产品进行几何、功能、制造等方面交互的建模与分析。它是在三维CAD模型的基础上，使虚拟技术与仿真方法相结合，为原型的建立提供的新的方法。虚拟原型可用来快速评价不同的设计方案，与物理原型相比较，虚拟原型生成的速度快，生成的原型可被直接操纵与修改，且数据可被重新利用。运用虚拟原型技术，可以减少甚至取消物理原型的制作，从而加速新产品的开发进程。
虚拟原型必须能够反映物理原型的特性，包括外观、空间关系以及运动学、动力学等方面。用户应能从不同的角度，以不同的比例观察虚拟原型，还能够通过操纵原型对产品的功能进行定性的判断。因而，要使虚拟原型发挥作用，必须将虚拟现实、建模、仿真等技术结合起来，形成一个集成的、能提供所需信息及实时交互性的虚拟原型开发环境。
虚拟原型不是要替换CAD系统，而是在CAD数据的基础上进行工作，虚拟现实系统给所设计的物体提供了附加的功能信息。例如，在概念设计阶段，虚拟原型的形状能够直观、方便地被改变。也就是说数据模型在实时反馈的作用下可被交互改变。这一功能的原理源于“陶塑”的思想，通过数据手套，用户可指向模型上需要改进的地方，实时的碰撞跟踪功能按照手部的运动改变模型的形状。
3 快速原型制造
快速原型技术是一种基于离散和堆积原理的崭新制造技术。它将零件的CAD模型按一定方式离散，成为可加工的离散面、离散线和离散点。而后采用多种物理或化学手段，将这些离散的面、线段和点堆积而形成零件的整体形状。具体的方法是，依据零件的三维CAD模型，经过格式转换后，对其进行分层切片，得到各层截面的两维轮廓形状。按照这些轮廓形状，用激光束选择性地固化一层层的液态光敏树脂，或切割一层层的纸或金属薄片，或烧结一层层的粉末材料，以及用喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂或热熔性材料，形成各截面的平面轮廓形状，再逐步叠加成三维立体零件。
快速原型制造技术与数字工厂一起被称为创新产品快速开发的两大支柱。由于快速原型制造技术的优越性和明显效益，它将在下列领域得到广泛应用。
设计验证 使用快速原型技术快速制作产品的物理模型，以验证设计人员的构思，发现产品设计中存在的问题。与传统方法相比，可节省大量时间和费用。
功能验证 使用快速原型技术制作的原型可直接进行装配检验、干涉检查和模拟产品真实工作情况的一些功能试验，如运动分析、应力分析、流体和空气动力学分析等，从而迅速完善产品、相应工艺及所需工模具的设计。
可制造性、可装配性检验 快速原型技术是面向装配和制造设计的配套技术，对新产品开发，尤其是空间有限的复杂产品(如汽车、飞机、卫星、导弹)，其部件的可制造性和可装配性的事先检验尤为重要。
非功能性样品制作 在新产品正式投产之前或按照订单制造时，需要制作产品的展览样品或摄制产品样本照片，采用快速原型是理想的方法。当客户询问产品情况时，能够提供物理原型的效果是显而易见的。
快速制模技术 在许多情况下客户希望快速原型与最终零件具有相同的物理机械特性。因此，需要用各种转换技术将快速原型转换为最终零件。例如，利用硅胶模、环氧树脂与精密铸造等工艺结合制造模具，经过一次或多次转换制造最终产品。或者将快速原型得到的制件直接用作产品的试制模具。或者将此制件当作母模，制作生产用模具，加快模具的制造过程。
4 网络联盟企业
我国告别了短缺经济，但又面临生产能力过剩的困惑。制造业开工不足、设备利用率低、缺乏适销对路的产品已经成为普遍的现象。一个企业没有足够的能力突破困境，应采取联合起来去竞争的办法，可以找到一条新的出路。分散网络化制造通过以因特网为代表的网络技术，使企业能够利用不同地区的现有资源，快速地以合理的成本将新产品从设计转入生产，以适应市场多变和客户的需求。
网络联盟企业是由加入这一集团的若干企业、机构和个人组成，所有成员可以根据市场需要和产品特点，通过网络相互连接。它的支撑技术是宽带数字通讯网、因特网、企业内联网和外联网，借以实现信息流的自动化，它的运作空间可以是全社会的，甚至是跨国界的和全球性的。此外，它同时具有更广泛的技术、管理、人员、组织和市场经营的柔性。它具有以下三个特征：快速地、并行地组织不同的部门或集团成员将产品从设计转入生产；快速地将产品制造厂家和零部件供应厂家组合成一条高效的供应链；在产品的实现过程中，各成员能够就用户需求、计划、设计、模型、生产进度、质量以及其他数据进行实时交换和通讯。
网络联盟企业有三种不同的类型：
一主多从型 主要是复杂产品的生产，主导企业仅从事产品的装配。例如，汽车的生产，大量的汽车零部件是由成千上百个分散在不同地点的企业供应的，由总装厂装配成最终产品。
专有技术型 在设计、开发和制造高新技术产品的过程中，往往需要某些专有技术和特种设备，例如：复杂构件的强度和应力分析、热变形分析，复杂过程的仿真、快速原型制造，超精密加工等。这种具备专有技术的小公司是知识型和智力型的，他们虽然不具有大型生产设备和能力，但却掌握关键的高新技术。
动态联盟型 随着经营机遇和产品、经营过程和合作伙伴、经营目标和核心资源、产品供应链以及风险和利益等关系的变化，分散网络化生产系统的主导企业可能发生变化，“盟主”地位是动态的、轮换的，资源的利用更加合理。
这种分散网络化的生产模式可以推动我国传统企业的改造和乡镇企业的现代化，以有限的投入获得最大的产出、经济效益和社会效益，将是21世纪我国企业发展战略的重要组成部分。
5 结束语
创新产品的快速开发和实现是我国制造业所面临的挑战，也是我国制造业与发达国家的差距所在，必须认真对待。采用诸如三维设计、数字工厂、快速原型等新技术有助于新产品的快速开发。通过网络联盟企业可以加快新产品的实现。(end)
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(3/16/2008) |
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