摘要：產(chǎn)品是企業(yè)活動的源頭，不斷推出創(chuàng)新產(chǎn)品是任何企業(yè)夢寐以求的。文章從制造策略的高度論述產(chǎn)品創(chuàng)新是未來企業(yè)的核心競爭力。提出三維cad模型是創(chuàng)新產(chǎn)品快速開發(fā)的基礎(chǔ)，討論“虛擬制造-數(shù)字工廠”的研究進(jìn)展和快速原型制造的發(fā)展趨勢，以及它們在創(chuàng)新產(chǎn)品快速開發(fā)中的應(yīng)用前景。zui后介紹網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟制造在創(chuàng)新產(chǎn)品快速開發(fā)中的應(yīng)用案例。
1 制造策略的變遷
圖1 制造策略的變遷
（a）20世紀(jì)的制造業(yè)
（b）21世紀(jì)的制造業(yè)
圖2 新產(chǎn)品開發(fā)是重要的增值源泉
產(chǎn)品創(chuàng)新是企業(yè)的核心競爭力 產(chǎn)品數(shù)字化是企業(yè)信息化的基礎(chǔ) 20世紀(jì)，人們曾把制造業(yè)定義為：“通過加工把生產(chǎn)資料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的工業(yè)”，產(chǎn)品的增值主要在加工過程中得以體現(xiàn)。幾十年前，生產(chǎn)規(guī)模無疑曾是zui重要的制造策略，隨后制造成本、產(chǎn)品質(zhì)量和市場響應(yīng)能力分別在不同時期取代生產(chǎn)規(guī)模而成為zui重要的策略，這表明制造策略是隨著時間的推移在變化的，新世紀(jì)的*制造策略是技術(shù)創(chuàng)新，如圖1所示。 隨著市場競爭加劇和產(chǎn)品更新?lián)Q代加快，產(chǎn)品創(chuàng)新、市場營銷和服務(wù)的增值作用明顯提高，知識和信息已經(jīng)成為重要的生產(chǎn)要素，制造業(yè)已經(jīng)成為同時對物質(zhì)和信息進(jìn)行處理的產(chǎn)業(yè)。這一趨勢使得產(chǎn)品增值曲線發(fā)生了明顯的變化，中間部分從上凸變?yōu)橄掳迹鐖D2所示。 換言之，產(chǎn)品增值的關(guān)鍵來源將是新產(chǎn)品的開發(fā)、市場營銷和客戶服務(wù)，是知識和信息處理的過程，而不是物質(zhì)加工的過程。創(chuàng)新產(chǎn)品的快速實(shí)現(xiàn)就成為企業(yè)的核心競爭能力。很多企業(yè)家已經(jīng)認(rèn)識到當(dāng)前的競爭焦點(diǎn)往往不是能不能把產(chǎn)品制造出來，而是能不能快速開發(fā)出符合市場需求的、有競爭力的新產(chǎn)品。 產(chǎn)品設(shè)計是企業(yè)活動的源頭，采用cad/cam技術(shù)取代圖板并不是zui終目的，我們的目的是實(shí)現(xiàn)快速產(chǎn)品開發(fā)、縮短新產(chǎn)品上市周期，從而取得市場競爭優(yōu)勢，獲得較大的利潤。換句話說，要以更快的速度、更低廉的費(fèi)用和更高的質(zhì)量去完成傳統(tǒng)的工程設(shè)計和業(yè)務(wù)過程，更多地創(chuàng)造效益。因此，我們應(yīng)該從甩圖板走向數(shù)字化和集成化。 三維實(shí)體造型為產(chǎn)品模型的數(shù)字化創(chuàng)造了條件，數(shù)字模型又成為產(chǎn)品生命全過程集成的基礎(chǔ)，特別是cad/cae/cam/pdm一體化（c3p）為企業(yè)信息集成找到一條捷徑。在企業(yè)內(nèi)聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，產(chǎn)品的數(shù)字模型將通過cad/cam技術(shù)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（pdm）與制造執(zhí)行系統(tǒng)（mes）和企業(yè)資源計劃（erp）等管理信息系統(tǒng)集成。制造執(zhí)行系統(tǒng)包括作業(yè)計劃和調(diào)度、質(zhì)量控制和工況數(shù)據(jù)采集等車間級的計算機(jī)管理，而企業(yè)資源計劃是企業(yè)從供應(yīng)商到客戶的全部業(yè)務(wù)過程的計算機(jī)管理，它們都是以產(chǎn)品數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的。此外，通過因特網(wǎng)和企業(yè)外聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)跨企業(yè)、跨地區(qū)的產(chǎn)品設(shè)計協(xié)作和網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟制造，將進(jìn)一步推動我國制造業(yè)的全面信息化，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。 總之，一家企業(yè)如果從產(chǎn)品開發(fā)開始，以信息流為核心，充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)重構(gòu)它的組織結(jié)構(gòu)、采用新的管理方法、以及適應(yīng)新經(jīng)濟(jì)的企業(yè)運(yùn)作模式，它就可能成為新經(jīng)濟(jì)時代的制造企業(yè)。 2 數(shù)字工廠（e-factory）
圖3 數(shù)字工廠的基本概念
圖4 制造單元仿真
圖5 背投屏幕的虛擬環(huán)境
圖6 設(shè)計師在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中工作
通過數(shù)字工廠縮短產(chǎn)品上市周期 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用 隨著技術(shù)進(jìn)步和市場競爭，產(chǎn)品的技術(shù)含量和復(fù)雜程度在不斷增加，而產(chǎn)品的生命周期日益縮短，因此縮短新產(chǎn)品的開發(fā)和上市周期就成為形成競爭優(yōu)勢的重要因素。 數(shù)字工廠建立在用計算機(jī)完成產(chǎn)品整個開發(fā)和“制造”過程的構(gòu)思基礎(chǔ)上。在計算機(jī)上建立產(chǎn)品模型，對模型進(jìn)行分析，然后改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計方案，并且在數(shù)字狀態(tài)下進(jìn)行“試驗(yàn)”和“制造”，然后再對設(shè)計重新進(jìn)行組合或者對制造過程進(jìn)行改進(jìn)。數(shù)字工廠不僅著眼于新產(chǎn)品設(shè)計的正確性，還通過仿真避免工藝設(shè)計、設(shè)備布局、計劃和控制的失誤，優(yōu)化生產(chǎn)資源的利用，保證新產(chǎn)品投產(chǎn)的全過程順利進(jìn)行，使新產(chǎn)品能以zui短時間和zui低的成本搶占市場，其基本概念如圖3所示。 因此，數(shù)字工廠不僅對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計和工程分析，驗(yàn)證產(chǎn)品的功能和特性，還要進(jìn)行制造過程的仿真，并且將其與生產(chǎn)計劃和資源管理集成在一起，是一個集成化的產(chǎn)品、過程、計劃和資源仿真系統(tǒng)。 圖4所示是用promodel軟件對制造單元加工零件的仿真過程示例，讀者如果有興趣，可以從下載它的演示版。 輸入工藝過程和工序時間、設(shè)備的類型和布局、生產(chǎn)批量和工人數(shù)等，通過運(yùn)行該仿真系統(tǒng)，可以獲得零件的通過時間、設(shè)備利用率、廢品數(shù)、加工成本等統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)。 在產(chǎn)品開發(fā)的早期階段，例如在概念設(shè)計時，不必進(jìn)行詳細(xì)的分析。這一階段所考慮的重點(diǎn)是外觀、總體布置以及一些諸如運(yùn)動約束、可接近性等特征。這樣，基于傳統(tǒng)cad/cam的數(shù)字原型就不能滿足要求了。 虛擬原型是利用虛擬現(xiàn)實(shí)在可視化方面的強(qiáng)大優(yōu)勢以及可交互地探索虛擬物體的功能，對產(chǎn)品進(jìn)行幾何、功能、制造等方面交互的建模與分析。它是在三維cad模型的基礎(chǔ)上，使虛擬技術(shù)與仿真方法相結(jié)合，為原型的建立提供的新的方法。虛擬原型可用來快速評價不同的設(shè)計方案，與物理原型相比較，虛擬原型生成的速度快，生成的原型可被直接操縱與修改，且數(shù)據(jù)可被重新利用。運(yùn)用虛擬原型技術(shù)，可以減少甚至取消物理原型的制作，從而加速新產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)程。 虛擬原型必須能夠反映物理原型的特性，包括外觀、空間關(guān)系以及運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)等方面。用戶應(yīng)能從不同的角度，以不同的比例觀察虛擬原型，還能夠通過操縱原型對產(chǎn)品的功能進(jìn)行定性的判斷。因而，要使虛擬原型發(fā)揮作用，必須將虛擬現(xiàn)實(shí)、建模、仿真等技術(shù)結(jié)合起來，形成一個集成的、能提供所需信息及實(shí)時交互性的虛擬原型開發(fā)環(huán)境。 圖5所示是一種名為“power wall”的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，它由兩臺同步計算機(jī)控制的具有相位差的多媒體投影儀將產(chǎn)品或制造環(huán)境的數(shù)字模型從背面透到屏幕上，構(gòu)成三維的虛擬環(huán)境，屏幕的頂端設(shè)有接受信號的接受器，觀察者帶上虛擬眼鏡，使用手中的遙控器就可以進(jìn)入虛擬環(huán)境漫游。 虛擬原型不是要替換cad系統(tǒng)，而是在cad數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行工作，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)給所設(shè)計的物體提供了附加的功能信息。例如，在概念設(shè)計階段，虛擬原型的形狀能夠直觀、方便地被改變。也就是說數(shù)據(jù)模型在實(shí)時反饋的作用下可被交互改變。這一功能的原理源于“陶塑”的思想，通過數(shù)據(jù)手套，用戶可指向模型上需要改進(jìn)的地方，實(shí)時的碰撞跟蹤功能按照手部的運(yùn)動改變模型的形狀，如圖6所示。 3 快速原型制造 快速原型技術(shù)是一種基于離散和堆積原理的嶄新制造技術(shù)。它將零件的cad模型按一定方式離散，成為可加工的離散面、離散線和離散點(diǎn)。而后采用多種物理或化學(xué)手段，將這些離散的面、線段和點(diǎn)堆積而形成零件的整體形狀。具體的方法是，依據(jù)零件的三維cad模型，經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換后，對其進(jìn)行分層切片，得到各層截面的兩維輪廓形狀。按照這些輪廓形狀，用激光束選擇性地固化一層層的液態(tài)光敏樹脂，或切割一層層的紙或金屬薄片，或燒結(jié)一層層的粉末材料，以及用噴射源選擇性地噴射一層層的粘結(jié)劑或熱熔性材料，形成各截面的平面輪廓形狀，再逐步疊加成三維立體零件。 快速原型制造技術(shù)與數(shù)字工廠一起被稱為創(chuàng)新產(chǎn)品快速開發(fā)的兩大支柱。由于快速原型制造技術(shù)的優(yōu)越性和明顯效益，它將在下列領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
紙材疊層快速原型制件
鑄件
圖7 用快速原型制件代替木模
設(shè)計驗(yàn)證 使用快速原型技術(shù)快速制作產(chǎn)品的物理模型，以驗(yàn)證設(shè)計人員的構(gòu)思，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計中存在的問題。與傳統(tǒng)方法相比，可節(jié)省大量時間和費(fèi)用。 功能驗(yàn)證 使用快速原型技術(shù)制作的原型可直接進(jìn)行裝配檢驗(yàn)、干涉檢查和模擬產(chǎn)品真實(shí)工作情況的一些功能試驗(yàn)，如運(yùn)動分析、應(yīng)力分析、流體和空氣動力學(xué)分析等，從而迅速完善產(chǎn)品、相應(yīng)工藝及所需工模具的設(shè)計。 可制造性、可裝配性檢驗(yàn) 快速原型技術(shù)是面向裝配和制造設(shè)計的配套技術(shù)，對新產(chǎn)品開發(fā)，尤其是空間有限的復(fù)雜產(chǎn)品（如汽車、飛機(jī)、衛(wèi)星、導(dǎo)彈），其部件的可制造性和可裝配性的事先檢驗(yàn)尤為重要。 非功能性樣品制作 在新產(chǎn)品正式投產(chǎn)之前或按照訂單制造時，需要制作產(chǎn)品的展覽樣品或攝制產(chǎn)品樣本照片，采用快速原型是理想的方法。當(dāng)客戶詢問產(chǎn)品情況時，能夠提供物理原型的效果是顯而易見的。 快速制模技術(shù) 在許多情況下客戶希望快速原型與zui終零件具有相同的物理機(jī)械特性。因此，需要用各種轉(zhuǎn)換技術(shù)將快速原型轉(zhuǎn)換為zui終零件。例如，利用硅膠模、環(huán)氧樹脂與精密鑄造等工藝結(jié)合制造模具，經(jīng)過一次或多次轉(zhuǎn)換制造zui終產(chǎn)品?；蛘邔⒖焖僭偷玫降闹萍苯佑米鳟a(chǎn)品的試制模具?；蛘邔⒋酥萍?dāng)作母模，制作生產(chǎn)用模具，加快模具的制造過程。圖7用快速原型制件代替鑄造木模就是一個典型的例子。 4 網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟企業(yè) 我國告別了短缺經(jīng)濟(jì)，但又面臨生產(chǎn)能力過剩的困惑。制造業(yè)開工不足、設(shè)備利用率低、缺乏適銷對路的產(chǎn)品已經(jīng)成為普遍的現(xiàn)象。一個企業(yè)沒有足夠的能力突破困境，應(yīng)采取聯(lián)合起來去競爭的辦法，可以找到一條新的出路。分散網(wǎng)絡(luò)化制造通過以因特網(wǎng)為代表的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使企業(yè)能夠利用不同地區(qū)的現(xiàn)有資源，快速地以合理的成本將新產(chǎn)品從設(shè)計轉(zhuǎn)入生產(chǎn)，以適應(yīng)市場多變和客戶的需求。分散網(wǎng)絡(luò)化制造的構(gòu)思如圖8所示。
圖8 網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟企業(yè)的基本構(gòu)思
網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟企業(yè)是由加入這一集團(tuán)的若干企業(yè)、機(jī)構(gòu)和個人組成，所有成員可以根據(jù)市場需要和產(chǎn)品特點(diǎn)，通過網(wǎng)絡(luò)相互連接。它的支撐技術(shù)是寬帶數(shù)字通訊網(wǎng)、因特網(wǎng)、企業(yè)內(nèi)聯(lián)網(wǎng)和外聯(lián)網(wǎng)，借以實(shí)現(xiàn)信息流的自動化，它的運(yùn)作空間可以是全社會的，甚至是跨國界的和性的。此外，它同時具有更廣泛的技術(shù)、管理、人員、組織和市場經(jīng)營的柔性。它具有以下三個特征：快速地、并行地組織不同的部門或集團(tuán)成員將產(chǎn)品從設(shè)計轉(zhuǎn)入生產(chǎn)；快速地將產(chǎn)品制造廠家和零部件供應(yīng)廠家組合成一條的供應(yīng)鏈；在產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)過程中，各成員能夠就用戶需求、計劃、設(shè)計、模型、生產(chǎn)進(jìn)度、質(zhì)量以及其他數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時交換和通訊。 網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟企業(yè)有三種不同的類型： 一主多從型 主要是復(fù)雜產(chǎn)品的生產(chǎn)，主導(dǎo)企業(yè)僅從事產(chǎn)品的裝配。例如，汽車的生產(chǎn)，大量的汽車零部件是由成千上百個分散在不同地點(diǎn)的企業(yè)供應(yīng)的，由總裝廠裝配成zui終產(chǎn)品。 專有技術(shù)型 在設(shè)計、開發(fā)和制造*產(chǎn)品的過程中，往往需要某些專有技術(shù)和特種設(shè)備，例如：復(fù)雜構(gòu)件的強(qiáng)度和應(yīng)力分析、熱變形分析，復(fù)雜過程的仿真、快速原型制造，超精密加工等。這種具備專有技術(shù)的小公司是知識型和智力型的，他們雖然不具有大型生產(chǎn)設(shè)備和能力，但卻掌握關(guān)鍵的*。 動態(tài)聯(lián)盟型 隨著經(jīng)營機(jī)遇和產(chǎn)品、經(jīng)營過程和合作伙伴、經(jīng)營目標(biāo)和核心資源、產(chǎn)品供應(yīng)鏈以及風(fēng)險和利益等關(guān)系的變化，分散網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)系統(tǒng)的主導(dǎo)企業(yè)可能發(fā)生變化，“盟主”地位是動態(tài)的、輪換的，資源的利用更加合理。 這種分散網(wǎng)絡(luò)化的生產(chǎn)模式可以推動我國傳統(tǒng)企業(yè)的改造和鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的現(xiàn)代化，以有限的投入獲得zui大的產(chǎn)出、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，將是21世紀(jì)我國企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。 5 結(jié)束語 創(chuàng)新產(chǎn)品的快速開發(fā)和實(shí)現(xiàn)是我國制造業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)，也是我國制造業(yè)與發(fā)達(dá)國家的差距所在，必須認(rèn)真對待。采用諸如三維設(shè)計、數(shù)字工廠、快速原型等新技術(shù)有助于新產(chǎn)品的快速開發(fā)。通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟企業(yè)可以加快新產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)。