大批量定制的概念与设计支持环境

作者：

欢迎访问e展厅 展厅 3 PDM/PLM/CAPP展厅 图文档管理系统, CAPP... 大批量定制是目前公认的下一代生产模式，它比定制生产、大批量生产具有更多的优势，如在保持生产成本的情况下能够更快地满足客户的个性化要求，因此能够获得更高的利润和客户满意度。其实现的一个关键因素是重视信息技术，其实现需要从设计、生产、客户、供应链等方面都有相应的支持环境，目前的 PLM 系统、 ERP 系统、 SCM 系统、 CRM 系统能为其实现提供基础，但是还需要进行一定程度的定制和集成。由于设计阶段将决定成本的 80% 左右，因此一个支持大批量定制设计的信息化支持环境（ PLM 系统）是非常关键的。本文将介绍大批量定制的概念，满足大批量定制的设计方法和支持大批量定制设计的 PLM 系统应具有的基本功能。 一．大批量定制的概念 随着竞争日益激烈，相对稳定的传统市场正在逐步成为动态多变的市场，产品更新换代加快、产品技术含量提高和多品种小批量的生产所占比例增多，产品的成功需要价格的降低和交货期的缩短。目前竞争的模式已经从公式：价格＝成本＋利润转化为公式：利润＝价格－成本。这种竞争模式要求企业能够从各个方面来降低成本，寻求新的竞争手段。在这样的条件下，不论是以汽车行业为代表的大批量生产（ Mass Production ）模式，还是以航空行业、重工行业为代表的定制（ Customization ）模式都不能适应市场上日益增加的扰动，而受到了严峻的挑战。尤其是定制生产方式，由于其成本高、交货期长，更加不能够及时、优惠地满足客户定制产品的要求，并在市场竞争中取得优势。 大批量定制（ Mass Customization ）是一种观察和思考问题的新思路，也为企业迎接挑战，组织设计、生产、服务提供了一种新模式。它在一定程度上为重型机械行业提高竞争力提供了一种参考，为解决困扰定制生产的困境提供了一定程度的帮助。 表 1 定制、大批量定制和大批量生产的比较 大批量定制的目的是在不提高成本和保证交货期的前提下，通过增加产品种类来为顾客提供满意的服务。它强调广泛的经济性，而不是局部经济性，即：不是简单地用以往的大规模生产模式去大规模生产标准件。在大规模生产的产品中，生产的批量足够抵消设备、工具、工程和其他的投入。而在小批量或者中批量生产模式下，产品的批量不能与其投入相匹配。如果顾客的特殊需求被满足的话，那么顾客愿意出更多的价钱，这恰恰是大批量定制具有优越性的原因所在。同样，由于增加了定制的批量性和多样性，因此总成本比单纯定制的生产方式在成本和反应速度上都具有一定的优势。 这种新的制造模式考虑了关于制造操作系统控制的需求集合，包括：产品品种的迅速增加、批量变小、订单到达的随机性增大等。在制造系统中存在着工具、生产计划和产品设计中的大量的相似性，大批量定制如果对这些相似性正确地加以利用，将有助于减少制造系统的复杂性。 一个企业内实施大批量定制的成功取决于对传统组织功能的重定义，包括与用户和供应商的联系。较多层次的组织结构对于企业间的有效的通信和合作是不利的，应采用交叉功能集成的和职工参与的扁平化组织。最终目标是将整个生产过程模块化，建立动态生产网络，使资源得到迅速的集成，使产品或服务个性化。另一个必须被扩展的超结构是基于信息的制造系统。 MC 的成功取决于一个有效的信息系统。 由于大批量定制希望能够获取定制和批量生产两方面的优点，而过去的生产方式或者是“大批量少品种”，以降低成本；或者是“小批量多品种”，花费大量的时间和成本用于生产准备，从而大批量定制对设计、生产等都提出了一定的要求，如设计的系列化、模块化、标准化，生产的制造过程柔性化，设备柔性化。 由于产品设计将直接影响成本的 80% 左右，因此我们可以将改进的重点放在设计阶段。通过设计方法和支持手段的改进，希望为实现大批量定制打下良好的基础。 二．大批量定制的设计手段 大批量定制设计 (Design for Mass Customization ， DFMC) 的概念是 1996 年由 Mitchell M. 提出的：采用并行工程的流程管理方式和产品族的考虑范围进行产品设计，以便能够有效地满足客户需求。这种方法的目标是在产品设计的早期阶段，在考虑整体设计概念时，同时考虑范围经济性和批量经济性；其主要重点为建立合理的产品族结构，不再每次只设计一个产品，而同时完成一组产品的设计，实现面向产品族设计；为了有效地实现大批量定制，设计就必须能够捕捉并定义个体客户对产品的需求，设计过程就必须从传统的设计制造集成扩展到包括销售、服务等功能。设计在设计领域和产品族方面的扩展可以通过图 1 形象地表示出来。大批量定制设计希望通过扩大标准零件、模块以及容易定制的零件的比例来降低生产成本。为了实现这一目标，大批量定制设计需要对传统的设计流程进行改进，基本上有这样几个方面的变化： 1 ．产品开发与快速设计 大批量生产阶段的设计是反应式的设计：它面对新的顾客需求采用定制设计的方法，从原有产品设计进行改进，或作为新需求进行重新设计，甚至如果认为需求的普遍性不高就不予以满足。大批量定制设计则将产品设计分成产品开发和快速设计两个阶段。产品开发阶段对企业的客户群进行定位，分析已拥有的客户需求，对将来的客户需求进行预测，在这些分析的基础上建立产品族结构，对可能遇到的需求进行提前准备，形成完善的变型机制，为快速满足随时到来的客户需求提供基础。快速设计阶段在产品开发阶段的基础上，以产品配置器为主要工具，对客户需求进行快速实现，在不能满足时进行定制设计。这种产品开发阶段与快速设计阶段的分离有利于提高产品对市场变化的适应能力，因为设计人员能够从一开始就面向产品族进行设计，满足顾客需求的产品定制方法、参数范围等，并在产品开发中体现这些要求，进行了充足的准备。快速设计从产品开发中的分离，可以由销售人员和设计人员共同完成最终产品的实现，有利于提高销售时对客户需求的反应能力，有助于设计人员了解客户需求信息，从而改善产品族结构，提高企业的反应能力。大批量定制设计的典型流程可以参考图 2 。 2 ．工作流程并行 并行工程是为了基于时间的竞争情况下提出的缩短产品设计时间的一种方法，它通过将产品设计、制造等领域的并行来缩短产品开发的时间，采用并行工程的设计方法成为并行设计，具体参见上节。从概念上可以看出，大批量定制设计仍然需要并行进行，并且是实现大批量定制设计的在流程安排上的重要一环，以便提高设计完成的速度。而大批量定制设计并行考虑的范围却进一步扩展到产品的销售和服务等领域，成为产品全生命周期的并行环节。 3 ．流程间合作 如果产品族的设计不能满足客户的需求，那么对客户需求的满足就需要进行定制设计。传统的定制设计时间长的原因有这样几个： 1 ）串行流程：可以通过并行流程解决； 2 ）设计不能得到重用，一切从头再来：可以通过产品配置和其它产品数据管理功能提供进行改进设计的最佳实例，从而促进设计重用； 3 ）不能很好产生设计思想：需要进行合作，这就需要不同部门、不同设计组成员对同一设计进行广泛的讨论，集思广益，得到最好的设计成果。大批量定制的企业如果仍然存在不同的产品族，在这些产品族的开发阶段应该加强不同流程之间的合作，在产品的模块划分和零部件设计中，尽可能取得一致，采用相同的设计成果，促进设计成果重用，并且增加可能同时制造的零件数量，有利于实现批量经济性，而不是每个产品族拥有自己的一套零件体系，引起企业全局上零件设计、制造和管理成本的增加。 大批量定制设计可采用的具体手段可总结为： 1. 面向产品族设计 大批量定制设计的实现基础是面向产品族的设计，只有拥有能够迅速变型的产品模型，对客户的需求进行快速的设计实现，才能真正的实现定制。面向产品族设计指设计过程中通过对已有大量顾客需求，结合预测的需求的分析，不再仅仅考虑一种产品的设计实现，而是结合产品族中拟采用的定制方法提取变型参数，同时对一族产品进行设计的方法，其设计结果形成可变型的产品模型，为快速设计阶段进行产品配置，针对单个客户需求进行设计实现提供基础。产品族，以及体现产品族的可变型的产品模型，是实现大批量定制设计的关键，因此要求它能够覆盖对产品族提出的功能需求，即它的内在产品结构能够满足企业的客户群的所有可能的需求。反映成功产品族的产品模型应该具有如下特征：其产品结构的组成模块能够为特定客户配置出其所需要的最终产品；其模块组织能够让销售、设计、制造和服务部门采用一致的方式反映企业能力和顾客需求；提供信息集成平台实现产品设计全过程的集成；能够评价产品生命周期中决策的经济性。 成功的产品族的获得需要对现有的客户需求进行系统的分析，利用 QFD 对客户需求与产品的功能模块之间的关系进行整理，从而对产品的定制方法和需定制的模块做出明确的定义。根据产品结构的分解结果和定制方式，利用功能、原理、解结构的映射原则对产品的各个组成模块进行实现，采用参数化 CAD 进行产品的预装配和检验，最后对设计完成的产品族进行定型和存档。面向产品族设计中企业产品族规划和设计的成功根本上在于对现有客户需求的理解和对未来需求的预测，而产品族的实现则很大程度上依赖于产品模块的有效划分，即产品的模块化设计的成功。 2. 模块化设计 模块化设计是指在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场的不同需求。这种设计方法并不是大批量定制设计的发明，其概念是在产品设计和生产不断发展的过程中逐步形成的，但由于模块能够用来组合成不同的产品，而促进设计重用，节省设计成本，因此成为大批量定制设计的另一项主要技术。与大批量生产阶段相比，提取产品模块的方法是实现大批量定制设计的关键，因为虽然从顾客的角度看定制是提供能够自己特定需求的最终产品，而从企业的角度看定制产品的实现仍然依赖于其零部件的加工与制造，而使用这些规划好的，或已经标准化，或易于变型的零部件模块进行组装，就容易实现成本的降低和速度的提高。 模块的划分可以参考这样一些原则： 1) 划分的产品族：根据拟设计的产品族和相应的定制方法，划分构成产品的模块，使通过不同模块进行配置，组合变型得到产品族成为可能； 2) 设计和制造中的重复性：只有模块具有一定的数量的重用性时，划分出的模块才具有普遍性，才能够形成批量经济性，而获得低成本； 3) 正确的划分粒度：模块划分的粒度太大不利于进行组合变形，不能很好地发挥模块化设计的优点；而粒度太小不利于进行产品配置，并带来工作量的增加； 4 ） 考虑产品的全生命周期：模块划分时不能只考虑产品设计阶段的成本，而应该考虑到产品的制造、销售、维护等阶段的经济性和便利性。 通过各个方面的综合考虑，企业能够获得经济性较好的模块，也能达到这些模块在产品族中的最大应用，从而使大批量定制的低成本和高速度得到很大程度的保证。 3. 标准化、规范化 标准化可以理解为关于解的统一和解的确定的总概念，它是有计划地为了普遍通用而又感兴趣的部门共同进行的对物质和非物质对象的统一。标准件分为国标件、部标件、厂标件等。产品中大量标准零部件的使用有利于成本的降低，因此实现大批量定制的企业应该将对产品成本影响较大的零部件进行标准化，而通过其它零部件的变型来满足定制的需求。为了实现柔性制造，还应该考虑对原材料、加工代码等进行一定程度的标准化。规范化是指对零件进行分析，将企业中的相似零件进行合并、分解，提高零件的使用频率，减少企业内部的零件数，从而降低零件管理费用的方法。通过对零部件的标准化和规范化，企业内部的零部件数量减少，零件分布日趋合理，在定制产品的实现中标准件的使用比例得到提高，零部件的重用性得到提高，从而降低了定制的成本。实现标准化、规范化的方法包括 ABC 分析、产品结构分析、零件分析、参数分析、编码技术等，对零件的使用频谱进行分析，对使用频谱高的零件进行标准化，对使用频谱较低的零件进行规范化。面对企业数以千万计的零件数目，从中选出标准件，并去除其它零件是很困难的。因此本书建议使用从零开始的方法，即分析人员从建立新厂的角度，在设计人员、制造人员的帮助下选择那些仍然能够得到使用的零部件，并将它们进行标准化和规范化，形成标准件表单，交付设计人员使用。设计时严格控制零件的使用，逐渐将旧零件淘汰出局，同时对标准件表单进行优化，最后形成完善的企业标准化体系。 三．大批量定制的设计支持环境 PLM 系统作为支持产品设计与研发的系统，对大批量定制设计的实现也能够起到至关重要的作用。为了能够更好地适应大批量定制的要求， PLM 系统需要具有如下功能： 1 ．产品数字化模型的建立 面向产品族设计要求产品的数字化模型能够同时反映一族产品的共同特性，能够通过变量条件选择形成不同的产品，提供产品的“客户视图”和“技术视图”。客户视图是指根据顾客需求，形成产品模型；技术视图是指形成确定的可加工的产品或提供进一步定制设计需要的产品实例：这就要求产品模型在零件数量不增加或增加很少的条件下形成较多的产品种类。传统的产品模型不能满足这一要求，二者之间的差距参见图 3 。图中从上至下分别指产品、部件、零件，而宽度方向指这些产品、零件等在企业中的种类数量，深度指产品模型的细节程度：普通产品模型重视产品的细节，而产品种类较少；大批量定制需要模型能够形成多种类的产品。此外，大批量定制设计要求产品模型成为企业数据的管理核心，利用产品、零部件之间的装配关系和产品与文档之间的说明关系，形成企业信息网，将企业的信息资源进行有效的管理。 2 ．参数化的产品配置 产品族在其组成模块的基础上形成可变型的产品模型。产品配置则是快速设计阶段重要的设计手段。它在产品开发阶段提供的可变型的产品模型的基础上，为销售人员定义客户的个性化需求提供选项；根据客户选定的选项对产品模型进行变型，通过参数化 CAD 系统的帮助，为客户展示该个性产品，并提供报价。客户如果满意，它可以生成可供制造的产品模型，投入生产部门进行实现。如果客户需求不能得到满足，它向设计人员提供最好的设计实例，使定制设计有较高的起点，缩短工作时间。为了有效地实现产品配置，产品开发阶段应该考虑并满足产品配置对产品模块提出的要求，它们包括： 1 ）进行配置的模块、组件应该已有相应的参数化数字模型； 2 ）模块、组件之间的几何约束、物理约束已经得到保证； 3 ）模块、组件如果发生变型，应该能够给出其影响链，即那些模块和组件会受到影响，影响到那些参数等。产品配置不单纯是一种设计方法，它的实现需要相应数据管理软件、参数化 CAD 软件的支持；产品配置本身并不能实现大批量定制，它为产品模型的变型和客户需求之间建立了联系。大批量定制的真正实现还是依赖于产品族的设计，产品模块的划分，企业的灵活性和创造力对客户所有需求的满足。 3 ．流程管理的灵活性 大批量定制面临的两大挑战是成本和速度。为了解决这些问题，企业要从产品设计、产品制造、产品服务等各个方面对企业的流程进行重新思考，剔除不能带来价值的流程，改善影响企业反应能力和速度的流程，并将其固定，并与所生产的产品分离。在企业的运行过程中严格按照流程安排进行各项工作，并随时对不合理的流程进行改进，提高企业的生命力和满足客户需求的能力。大批量定制设计对流程的改进在上一节中已经进行了充分的分析，它对流程管理提出的要求是：能够有效的管理产品的所有过程，包括从产品的概念设计到产品模型的定型中所有的任务分配、项目管理等；能够有效的管理长时间事务；能够处理大量的突发事件；最重要的是流程能够在运行过程中进行改善。 另外，根据大批量定制的特点，企业如果实现大批量定制，可能会进行零部件的 A 、 B 、 C 分类，因此需要支持环境提供很好的标准件管理的手段。用户可以定义自己企业内部的标准件类，通过确定的一组参数来实现零部件的选择与创新。如果支持系统能够提供完美的更改管理功能，将是一件锦上添花的事情。因为大批量定制设计的产品要想做到完全由标准件拼装是不现实的，企业中还将存在一些要定制设计的零部件（ A 类件）。如果能够对这些零部件的更改进行完善的管理，同时进行使用频率、更改次数、更改内容的统计，将有利于实现 ABC 分类的基础。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/8/2004)