集成制造

集成制造（共10篇）

集成制造 篇1

摘要：快速成型制造是一种基于离散、增长方式的制造方法, 近年来已在各领域得到广泛应用。本文针对快速成型集成制造系统的组成结构问题进行了探讨, 重点分析了快速成型系统与其它计算机辅助设计与制造系统的数据交换问题, 本文提出的快速成型制造集成系统的组成方法可适应现代先进集成制造模式的发展要求, 对进一步提高快速成型制造技术的应用水平具有一定的借鉴和指导意义。

关键词：快速成型,集成制造,计算机辅助设计

快速成型制造技术 (Rapid Prototyping&Manufacturing:RP&M) 是指在计算机管理与控制下, 根据零件的CAD模型, 采用材料精确堆积 (由点堆积成面, 由面堆积成三维实体) 的方法制造原型或零件的技术, 是一种基于离散/堆积成形原理的新型制造方法。快速成型制造可以自动、快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的原型或直接制造零件 (模具) 、有效地缩短了产品的研发周期, 是提高产品质量、缩减产品成本、优化产品设计的有力工具, 受到了学术界和工业界的极大重视, 并在航空航天、汽车、机械、电子、医学、艺术品等许多领域获得了广泛应用, 取得了极大的成果。

随着RP&M技术应用领域的不断扩大, 对该项技术的要求也在不断的提高。为使该项技术能够发挥更大的效益, 发挥其传统加工技术无法比拟的长处, 把这一技术与其他制造技术紧密结合, 构建RP&M集成制造系统已经成为快速成型制造技术发展的必然趋势。

1 快速成型制造系统的数据处理

在快速成型制造技术中的数据处理过程中, STL是RP&M技术的常用数据转换格式, STL文件格式最初是在立体光刻造型技术中得到应用, 由于它在数据处理上较简单, 而且与CAD系统无关, 因而很快发展为快速成形领域中CAD系统与快速成型系统之间数据转换的标准。

作为与CAD系统的接口, STL已经很好地服务于快速成型制造工业。它的优点在于其结构简单和应用广泛, 其简单的数据格式可由CAD系统方便地产生, 而且易于RP&M系统的操作。但由于STL数据格式本身具有的缺陷, 使得RP&M研究者花费大量的时间和精力用在检验STL数据格式的正确性或修正其错误。这些常见的问题包括:数据截断误差、面片间的间隙、法矢错误、错误的面相交和退化的面片等。

为了解决STL数据格式存在的缺陷问题, RP&M研究者在研究检测和修补STL数据错误的同时, 还提出了一系列新的数据交换接口来克服STL存在的不足。这些数据交换接口有:基于层轮廓数据格式的SLC、通用层数据接口格式CLI、实体自由制造的柔性数据格式RPI等。此外, 在CAD系统内直接对模型进行分层处理也是解决这一问题的途径之一。

采用在CAD系统内直接分层和利用新的RP&M数据格式进行分层都在一定程度上克服了STL模型分层处理时所存在的一些缺陷, 大大降低了数据冗余, 提高了分层处理的效率和精度。但由于这些方法往往只适合于某一类CAD系统, 而与其它CAD系统都不兼容, 导致这种数据处理方法的通用性较差, 所以也极大地限制了它们与其它系统的集成应用。

2 基于STEP-NC的快速成型集成制造系统

为了解决RP&M系统与其它CAX系统的数据接口问题, 本文提出了以STEP-NC作为统一数据接口, 实现RP&M集成制造系统的构想。STEP-NC是在产品模型数据转换标准STEP (Standard for the Exchange of Product Modal Data) 的基础上发展起来的, 它将STEP扩展到CNC领域, 重新制订了CAD/CAM与CNC之间的接口, 它要求CNC系统直接使用符合STEP标准的CAD三维产品数据模型 (包括工件几何数据、参数配置和制造特征) 、工艺信息和刀具信息来直接产生加工程序来控制机床。

图1为该RP&M集成制造系统的结构图, 在整个系统中采用STEP-NC作为统一数据接口。STEP作为产品模型数据转换标准已经在计算机集成制造系统中得到了很好的应用, 而STEP-NC的发展更使得基于STEP-NC的CNC系统与基于STEP的所有CAX系统之间实现了双向无缝连接。另外, 由于RP&M技术也是基于数字化的, 快速成型设备一般都包含数控系统, 快速成型装置可以作为CNC机床的特种附件, 而集成到CNC机床系统中去, 使CNC数字控制技术与RP&M技术完美的结合到一起, 从而大大扩充CNC机床原有的功能。由于图1所示的RP&M集成制造系统采用STEP-NC作为统一数据接口, 因此必须实现基于STEP-NC的分层处理。而STEP-NC对三维几何模型的描述是遵循STEP/AP203协议的, 所以实现整个RP&M集成制造系统的关键是实现由STEP/AP203协议所定义的几何模型的分层处理技术。

3 结语

现有RP&M系统采用的STL数据接口存在着许多不利于实现集成制造的因素:如精度损失大、数据量过大、数据只能单向传递、没有携带任何设计与制造的信息等, 使得其难以支持集成制造。为解决这一问题, 本文提出了新的快速成型制造集成系统的组成方法, 对进一步提高快速成型制造技术的应用水平具有一定的借鉴和指导意义。

参考文献

[1]王广春, 赵国群.快速成型与快速模具制造技术及其应用[M].北京:机械工业出版社, 2004.

[2]纪峰, 陈荔, 李占利.基于STL文件的模型及应用[J].长安大学学报 (自然科学版) , 2006, 26 (1) :104～107.

[3]杜鹃, 田锡天, 朱名铨, 等.基于STEP和STEP-NC的CAD/CAPP/CAM/CNC系统集成技术研究[J].计算机集成制造系统, 2005, 11 (4) :487～491.

集成制造 篇2

制造业供应链集成模型研究综述

对供应链集成模型进行了分类,提出了供应链的.决策层次维、职能维以及技术维三维集成模型.按三个分类维度,回顾了近年来有关供应链集成的文献,重点是有关供应链集成模型的研究,并结合制造行业的特点给出了今后研究的方向.

作 者：尹钢  作者单位：华南理工大学,自动化科学与工程学院,广东,广州,510640 刊 名：广东工业大学学报  ISTIC英文刊名：JOURNAL OF GUANGDONG UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 年，卷(期)： 21(2) 分类号：F270.7 关键词：供应链管理   集成模型   制造业  

集成制造 篇3

【摘 要】 介绍现代集成制造系统（CIMS）模式和功能，提出其在我国造船业中的应用。以沪东造船集团为例，分析沪东造船集团CIMS应用工程的组成部分和应用效果，对造船企业生产模式的改进提供借鉴和参考。

【关键词】 沪东造船集团；现代集成制造系统；生产模式

0 引 言

自2008年全球金融危机爆发以来，航运业遭受了前所未有的重创，其中造船业也未能幸免。在造船订单锐减的市场中，船舶制造企业必须加快新船型的研发和建造，高效、高质地组织生产，以满足船舶所有人对船舶类型的要求。船舶制造工业与一般制造业一样，应用先进的建造技术不断改进传统技术，优化旧的造船生产流程，形成全新的现代造船模式，从而提高生产效率，获取最大的经济利益。近年来，国内外许多造船研究机构致力于现代造船模式的研究，以先进制造技术为根本，从造船模式发展的整体观出发，整体、动态地表达船舶制造业的存在形式和活动方式。同时，新的思想、概念和方法催生了许多制造方式（如计算机集成制造、敏捷制造、精益生产、柔性生产和成组技术等）的出现。[1]

1 现代集成制造系统

我国现代集成技术研究从国外计算机集成制造概念入手，经历了信息集成、过程集成和企业集成的研究和实践，从而提出了现代集成制造系统（CIMS）的理念。

1.1 CIMS模式

CIMS总体框架模型（见图1）反映了总体的、高层的工程集成要素及其相互关系，每个企业的CIMS工程都应当以此为基础，结合本企业的产品及生产经营特点设计各自的CIMS框架结构。由于生产企业的不同，CIMS并不具有统一的模式。

1.2 CIMS功能

1.2.1 工序的详细调度

依据市场信息对船舶生产制造市场进行合理的评估和审视，根据船舶所有人订单信息制定并安排船舶生产计划，对有限的生产资源进行高效的规划和调度，收集和整理各种相关信息，重视工序的差异性，安排生产计划并发送至各个生产制造部门，从而进行统筹管理。

1.2.2 资源分配和状态管理

根据船舶所有人订单的要求，制定制造部门近期生产计划，针对不同的船舶类型进行详细的技术设计，按照标准分段和异型分段任务，统筹协调和合理分配各个生产车间的生产设备、制造原材料和劳动者等资源，实时跟踪完成情况，并进行信息汇总和整理。

1.2.3 过程管理

在各个部门组织船舶分段模块建造过程中，根据先前制定的生产计划，优化整合生产工序和资源，并在实际生产过程中进行实时监控和管理，协调生产中各要素的关系，同时对可能出现的异常情况进行实时处理和在线帮助。

1.2.4 质量管理

在船舶建造中，质量管理包括生产车间自检、各部门的检查和一系列的船检等。根据船舶所有人对船舶用途的特定要求，制定个性化生产计划，同时建立系统的质量管理标准和模块。船舶CIMS系统中的质量管理模块实时记录、跟踪和分析加工过程中产品的精度和质量，以保证产品的可靠性。

1.2.5 基础数据采集和管理

船舶生产制造需要对相关的基础数据进行采集和处理，并建立标准船型基础制造信息数据库以实现高效管理。该数据库包括产品基础数据、合同设计、技术设计、工艺设备基础数据、工艺参数、工艺规程、质量检验标准等。

2 我国造船企业CIMS模式的应用

许多造船强国已开始应用CIMS，以转换造船模式和优化生产管理为目标，对工艺和技术进行改造和完善。随着电子技术的发展，通信技术变得更加成熟和可靠，为实现信息共享和管理提供了强有力的保障。

2.1 应用体系

2.1.1 建立基础

以质量管理体系和通信电子单元为基础，建立完整的现代集成技术体系，对原有技术和设备进行改造和完善，从而奠定坚实的基础。

2.1.2 改造生产

以现代集成技术为核心体系，对原有体系进行改造，尤其是对生产方式、技术、作业和管理体系进行改造，从而建立标准化的体系。不论是设备供应商之间，还是造船企业之间，实现技术通用和共享，才能在真正意义上实现标准化的造船生产体系。

2.1.3 应用系统

在建立标准化生产体系的基础上，借助CIMS，结合造船企业自身特点，制定相应的规范和要求，从而实现量体裁衣。

2.2 CIMS模式在沪东造船集团的应用

沪东造船集团CIMS应用工程（简称HDS-CIMS）按照我国造船的CIMS模式进行造船CIMS开发和应用，并由现代造船模式和HDS-CIMS软件组成。HDS-CIMS结合了现代造船模式转换和造船信息系统应用，在应用造船信息系统的同时实施现代造船模式转换以提高集团竞争力。

HDS-CIMS得到了专家的一致认可，并取得了巨大的经济效益和社会效益。HDS-CIMS具有以下特点：（1）HDS-CIMS软件由4个功能分系统构成，并建立支撑环境平台，通过网络联系各分系统；（2）HDS-CIMS体现了现代造船模式的实现途径；（3）建立产品电子信息设计模型，实现了设计并行工程；（4）实现了计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工艺过程设计（CAPP）和计算机辅助制造（CAM）三者的集成，为无纸化生产奠定了基础；（5）初步建立了具有可操作性的造船经营生产计划管理软件系统。

CIMS理论虽然处于初步探索和研究阶段，但在沪东造船集团的应用中取得了一定成就，这对原有造船模式来说是一种挑战。通过改造生产，建立信息平台，实现了及时通信和信息共享，并在实践中得到了成功应用。

在我国从“造船大国”向“造船强国”迈进的过程中，先进的技术和管理成为未来的激烈竞争点。技术的进步必然会推动行业的快速发展，而先进的管理经验则会提高生产效率，这也是当代世界发展的主旋律。

3 启 示

3.1 数据集成融合

随着“大数据时代”的到来，造船模式发生了根本变化。以订单为导向，对造船工艺、设备物流、信息资源等进行优化整合，同时注重生产质量控制及评估，合理有效地安排生产计划，从而提高船舶生产制造企业的工作效率。

3.2 信息系统完善

生产技术的不断改进，重视生产信息系统功能的提升及加强软件技术的开发革新显得尤为重要。然而，只有确保信息系统的可靠性、安全性和完整性，才能实现对生产计划、建造工艺、物流信息和质量评估等的有效管理。

3.3 绿色清洁造船

现代造船模式的建立为实现绿色清洁造船提供了可能。在船舶生产制造过程中，无论原材料、中间产品还是设备备件，利用物流信息系统，减少厂房库存问题，免去中间环节产生的浪费和污染，从而使企业生产模式向精细和绿色清洁方向转变。

CIMS模式作为一种先进的造船模式，在生产制造船舶方面显示了巨大的优越性。但是，在实践中，应结合各自企业特点，在改进原有模式的基础上，规避风险，制定相应规范，在设备生产商、供应商和使用者三者之间建立无缝连接的信息系统，实现信息和资源的管理、共享，从而促使生产模式发生转变。

4 结 语

本文在对CIMS介绍的基础上，进一步分析其模式和功能，并以沪东造船集团为例，介绍HDS-CIMS组成部分和取得的经济效益。造船企业根据自身特点，将CIMS应用到生产制造中，为生产模式的转变提供一定的借鉴和参考意义。

参考文献：

[1] 黎南.现代船舶企业CIMS关键技术的研究[D].大连：大连理工大学，2008-10.

集成制造 篇4

显然,企业可以采用制造和再制造等不同处理技术,生产出不同产品以满足不同层次的市场需求。不同的生产处理技术往往伴随着不同的企业利润和碳排放量,那么,在外部碳排放政策约束下,企业如何选择制造/再制造处理技术并决策不同处理技术所处理的产品数量组合?这种决策行为与传统的基于利润最大化条件下的选择行为有什么不同?当外部碳排放约束政策变化时,企业的制造/再制造生产决策行为会有怎样的变化?这些问题是碳排放约束下企业制造/再制造过程中面临的重要问题。

不少学者对再制造生产决策问题展开了研究,Kleber等[2]研究了回收系统中存在多种再制造选择的情形,提出一个确定线性成本情形下最优生产、再制造和处置策略。Kiesmuller[3]基于产成品和回收产品不同库存水平,提出了随机混合制造/再制造系统控制方法。Teunter等[4]研究了供给和需求确定情况下的制造/再制造生产决策问题。Wang等[5]对需求和回收随机情况下短生命周期产品的制造/再制造生产决策问题进行了研究。Shi[6]、吴鹏和陈剑等[7]考虑了需求和回收的不确定性,基于制造/再制造系统期望利润最大化,研究了新品和再制造产品的单周期最优生产决策问题。周垂日等[8]基于产品异质可替代性和随机需求,研究了生产环节的最优再处理方式及其产量。刘宝全和季建华等[9]研究了高端市场和低端市场之间存在需求线性替代关系时再制造品和新产品的定价问题,并分析了成本结构对最优价格、最优回收率和不同再制造方式所占比重的影响。张红宇和高阳[10]对国内外再制造生产计划与调度的研究进展进行了综述。但这些研究一般基于企业利润最大化或成本最小化探讨企业再制造生产决策问题,缺少考虑碳排放政策约束对企业生产决策的影响。

对碳减排的研究,虽然大多文献集中在碳税征收、碳排放权交易机制构建、碳交易市场建立、政策比较等宏观政策研究方面,但近年来特别是2010年以来,学者在碳减排与供应链/企业生产运作方面也有了积极探索。Erica[11]通过研究世界上最大企业和新兴企业的经验,表明企业在供应链减排约束下是可以盈利的。Sundarakani[12]和Lee等[13]对供应链碳足迹进行了建模研究,认为需要关注供应链的各个运作阶段的碳足迹。Mohamad等[14]将欧盟碳排放交易体系集成到供应链研究中,建立了一个基于合作机制的两级供应链协调模型。Bouchery等[15]将传统的EOQ模型转变为一个低碳经济订货批量模型。张靖江[16]和杜少甫等[17]考探讨了排放许可与交易政策约束下的企业生产优化问题。这些研究开始关注低碳减排对供应链和企业生产运作的影响,聚焦于运输、库存和网络设计等方面。但一般基于某种特定的碳排放约束场景展开,如单一的针对碳税政策或是单一的针对碳排放交易机制情景,没有考虑外部碳排放政策变化对企业生产运作的影响。另外,考虑需求不确定性和低碳排放,针对制造/再制造领域生产决策问题展开研究的尚不多见。

本文将碳排放问题引入到企业制造/再制造生产运作管理中,设计不同碳排放约束情景,基于期望利润最大化,构建不同碳排放情景约束下的企业制造/再制造生产决策模型,分析碳税、碳排放限额、超额碳排放惩罚税款和单位碳交易价格等外部碳排放约束因素对企业制造/再制造生产决策的影响,并给出管理启示和低碳导向的政策建议。需要说明的是本研究的生产决策主要是指企业制造/再制造生产技术选择及其所处理产品的数量组合。

1 问题描述与假设

在借鉴文献[7]、文献[8]研究成果基础上,考虑外部碳排放政策约束、碳排放成本和需求不确定性,形成本论文的企业制造/再制造生产决策模型的基本思路,如图1所示。

市场中存在唯一的垄断制造商,可以同时采用两种不同技术来生产:新品制造技术和再制造技术。对于新品制造技术,其单位制造成本较为昂贵、碳排放较高,其生产的新品以较高的价格出售,利润较高。对于再制造技术,其单位制造成本较为廉价、碳排放较低,其生产的再制造产品以较低价格出售,利润较低。企业需要基于外部碳排放政策约束,选择制造和再制造技术,确定不同处理技术分配的最优生产数量,以最大化企业利润。

使用符号和主要假设如下:

①制造/再制造商可以获得足够多的回收产品满足再制造生产需要,不考虑企业的生产提前期和准备期,企业制造/再制造的生产能力没有限制。

②产品的回收成本以及库存发生的成本简单化处理,平均计入产品的单位制造成本。新品制造技术和再制造技术对应的单位生产成本分别为c1和c2,是常量且c1>c2.

③企业在生产运营过程中会产生碳排放,对环境造成影响,在整个生产过程中,企业受到相对稳定的外部碳排放政策的限制和约束。生产过程中,新品制造技术和再制造技术对应的单位产品碳排放量分别为e1和e2,是常量且e1>e2.

④新品制造技术(高碳技术)和再制造技术(低碳技术)对应的产品分别称之为新品和再制造产品,其市场售价分别p1和p2,是常量。满足0<p2/p1<1,p1>c1,p2>c2,且新品利润高于再制造产品利润,即(p1-c1)>(p2-c2)。

⑤新品和再制造产品的市场需求随机波动且相互独立,分别用随机变量D1和D2表示,分布函数分别为F1(·)和F2(·),概率密度函数分别为f1(·)和f2(·)。

⑥新品和再制造产品的残值分别为θ1和θ2,0<θ1<p1,0<θ2<p2.不考虑缺货成本。

⑦企业关注的是生产总利润最大。Π表示整个企业运作的整体利润。

⑧q1,q2分别为新品处理技术和再制造处理技术的生产数量,是决策变量,qi≥0,i=1,2。

2 制造/再制造最优生产决策模型的建立

目前,二氧化碳减排的政策多种多样,国际上主要有碳税、一般排放权交易体系、复合排放权交易体系、补贴和政府规制等政策。每一种政策的作用范围、伴随的企业减排成本和管理成本、政治上的可接受性都不同。一般来说,各国需要在国际性协作框架内,运用相关的政策工具制定各自国内的政策。在我国,操作层面的具体约束方式还处于探索阶段,现状是大量运用行政规制手段[18]。本文借鉴国际上已有的碳排放政策,设计两种碳排放政策情景:碳税(市场化工具)和碳限额(市场化和政府规制相结合),分别建立无碳排放约束、碳税约束和碳限额约束三种碳排放政策情景约束下的企业制造/再制造生产决策模型。

2.1 无碳排放约束下的生产决策模型

无碳排放约束情景是企业外部环境不存在碳排放约束政策,企业根据市场需求,以期望利润最大化为目标,进行最优生产决策。这一情景是我国大部分企业目前面临的外部情景。

那么,基于图1所示的制造/再制造生产决策示意图和假设,无碳排放约束情境下企业制造/再制造的期望利润函数为:

式中,第1项和第2项分别为新品和再制造产品销售利润;第3项和第4项分别为新品和再制造产品残值。当企业无法满足市场需求时,即产量小于市场需求,残值为零。最后两项分别为新品和再制造产品的成本。

由于市场需求为随机变量,通过适当变换和整理,式(1)变换为:

对式(2)求解,解得最优产量。根据现实经验可知,残值小于制造成本,即θi<ci.因此,成立,符合概率意义。分析q*i解的形式可得命题1。

命题1在没有碳排放限制情况下,企业制造/再制造生产决策主要受产品售价、成本和残值影响。销售价格pi和残值θi越高,则产量qi越大;再制造成本ci越高,产量qi越小,即制造/再制造产品产量qi与销售价格pi和残值θi正相关,与再制造成本ci负相关。

2.2 碳税约束下的生产决策模型

碳税约束情景下,政府针对企业生产运营过程中产生的二氧化碳,征收碳排放税。碳排放税实质上是一种污染税。假定τ为每单位碳排放量所需缴纳的税款,则碳税约束下的企业制造/再制造的期望利润函数为:

式中,前6项同式(1),最后两项对应新品和再制造产品生产所需缴纳的碳排放税款。同样,对式(3)求解可得最优产量:。

为探究期望利润与碳税τ的关系,将期望利润函数式(3)对τ求导,得到:

将最优产量q*i(i=1,2)代入式(4),得到,因此企业期望利润随碳税τ的增加而减小。结合q*1和q*2,可得命题2。

命题2在碳税约束条件下,企业制造/再制造生产决策主要受碳税、产品售价、成本和残值影响。制造/再制造产品产量与产品售价和残值正相关,与成本负相关。最优产量q*i(i=1,2)与碳税τ负相关,当碳税τ足够高,使得pi-ci-τei<0时,企业将终止产品i(i=1,2)的生产。企业期望利润与碳税τ负相关,随碳税τ的增加而减小。

2.3 碳限额约束下的生产决策模型

碳限额约束情景下,政府通过一定方式将排放权分配给排放二氧化碳的企业,为企业生产运作设定碳排放限额,并且允许企业将排放权进行出售。当企业实际碳排放量超过初始分配的额度时,政府将对超额碳排放量征收惩罚性税款;当企业实际碳排放量小于碳排放限额时,企业可以在碳交易市场上出售剩余的额度获得收益。

假定C为企业在整个生产周期内必须遵守的碳排放限额;ξ为企业实际总碳排放量超过碳排放限额C时,超过部分的每单位碳排放量所需缴纳的高额惩罚性税款;ω为企业实际总碳排放量低于碳排放限额C时,出售剩余的每单位碳排放量所获得的收益,即每单位碳排放量在碳交易市场上的价格。则碳排放限额约束下企业的期望利润函数潍:

式中,前6项同式(1),最后两项分别为超额排放惩罚成本和出售剩余排放收益,根据企业实际碳排放量和给定的碳排放限额,两项只存在其一,不会同时出现。

由于e1q1+e2q2-C可能大于0,也可能小于0,所以无法使用一般求导方法进行求解。且上述规划为非线性规划,较难直接给出解析解形式。因此,通过Matlab编程来近似求解此规划。具体的算法流程如图2所示。

命题3 在碳限额约束场景下,企业制造/再制造生产决策受碳排放限额、超额排放惩罚性税款和单位碳交易价格影响。最优产量qｉ＊与超额排放惩罚性税款ξ和单位碳交易价格ω 负相关。企业期望利润与超额排放惩罚性税款ξ负相关,与单位碳交易价格ω 正相关。

证明最优解必然符合以下三种情况中的一种:

情况1:当e1q1+e2q2-C=0时,目标函数同式(1),因此ξ和ω的变化不会影响q*1,q*2和目标函数的值。碳排放限额C影响q*1,q*2取值,不影响目标函数值。

情况2:当实际碳排放超过限额情况下,即e1q1+e2q2-C>0时,将目标函数对q1,q2分别求导,得到最优解和。目标函数对超额排放惩罚性税款ξ求导,可得。因此,e1q1+e2q2-C>0情况下,最优产量q*i与ξ负相关,企业期望利润随ξ的增加而减小;碳排放限额C影响目标函数值,不影响产品产量。

情况3:当实际碳排放未超过限额情况下,即e1q1+e2q2-C<0时,同理可得和。因此,e1q1+e2q2-C<0情况下,最优产量q*i与单位碳交易价格ω负相关,企业期望利润随ω的增加而增加;碳排放限额C影响目标函数值,不影响产品产量。

3 仿真算例分析

通过仿真算例来验证上述命题结论,分析碳税、碳限额、单位碳排放惩罚性税款和单位碳交易价格等碳约束因素对企业制造/再制造生产决策的影响,并进一步揭示理论结果中不明显的结论。

对决策模型中的各参数设置如下:c1=30,c2=20,e1=35,e2=20,p1=100,p2=80,θ1=5,θ2=4,τ=1,C=1500,ξ=2,ω=1,Di~U[0,140](i=1,2)。三种模型的计算结果如表1所示,可见,企业制造/再制造生产决策、利润和碳排放量随着外部碳排放政策变化而变化。

(1)单位碳排放缴纳税款τ的影响分析

图3和图4表明单位碳排放税款τ 的变化对企业制造/再制造产量和企业总利润的影响。可见在碳税约束下,企业的新品和再制造产品的产量均会随碳税提高而减少。其中,采用高碳技术生产的新品产量减少幅度显著大于采用低碳再制造技术生产的再制造产品产量。碳税进一步提高(2<τ<3),企业将不再采用碳排放高的新品制造技术,而单一地采用低碳再制造技术从事生产活动。当碳税过高(τ≥3)时,企业将停止全部生产制造活动。图4显示了在碳税约束下,企业的总利润随着碳税的不断提高而降低。

(2)碳排放限额C的影响分析

图5和图6表明了碳排放限额C变化对企业制造/再制造技术的选择、产量、企业总利润、出售剩余碳排放收益和超额排放惩罚费用的影响。可见,当碳排放限额较低(C<800)时,企业单一的采用碳排放量较低的再制造技术进行再制造,实际碳排放超过给定的碳排放限额,需缴纳超额排放惩罚费用。 当提高碳排放限额(800≤C≤3300)时,企业同时进行新品制造和低碳再制造活动,新品和再制造产品的产量均随碳排放限额的提高而增大,企业总利润随之增加。当碳排放限额很高(C>3300)时,企业不再继续提高新品和再制造产品产量,而是通过出售剩余的碳排放限额来获得收益,最大化企业总利润。

(3)单位碳排放惩罚性税款ξ的影响分析

假定碳排放限额C=700。图7、图8、图9 分别表示当企业实际总碳排放量超过碳排放限额时,单位碳排放惩罚性税款ξ的变化对企业制造/再制造技术选择、产量、企业总利润、超额排放惩罚费用和实际碳排放量的影响。

可见,当单位碳惩罚税款比较低时,企业同时进行高碳新品制造和低碳再制造活动,但此时企业需要缴纳一定的超额排放惩罚费用。随着单位碳惩罚碳税的提高,再制造产品产量逐渐减少,企业总利润随之降低,而企业实际碳排放量显著降低。当单位碳惩罚税款逐步提高(ξ>2),企业放弃了单位碳排放较多的新品制造,单一地进行低碳再制造,同时会始终严格按照给定的碳排放限额确定低碳再制造产品产量,企业实际碳排放量等于给定的碳排放限额,超额碳排放惩罚费用为零,企业总利润为低碳再制造产品的销售利润。

(4)单位碳交易价格ω 的影响分析

假定碳排放限额C=4000。图10、图11、图12 分别表示了当企业实际总碳排放量小于碳排放限额时,单位碳交易价格ω 的变化对企业制造/再制造技术选择、产量、企业总利润、出售剩余碳排放收益和实际碳排放量的影响。

可见,当单位碳交易价格比较低(ω≤0.7)时,企业同时采用高碳新品制造和低碳再制造两种技术进行生产活动来满足市场需求。随着单位碳交易价格的逐步提高,企业通过减少新品制造和低碳再制造产品的产量,并在碳交易市场上出售企业剩余的碳排放量获得巨大收益,从而使企业总利润大幅增加,此时,企业实际碳排放量显著降低。当单位碳交易价格较高(2<ω<3)时,企业放弃了碳排放量较高的新品制造活动,只单一地进行低碳再制造活动,同时继续通过出售剩余碳排放限额获得收益以最大化企业利润。当单位碳交易价格很高(ω>3)时,企业不再生产任何产品,而是通过出售企业全部的碳排放限额来获得巨大收益,此时企业总利润等于出售碳排放收益。

4 结束语

碳排放约束会对企业的制造/再制造生产决策产生较大影响,对企业而言,不单单要实现企业利润最大化,同时还要尽可能的减少生产过程中产生的碳排放。本文研究了集成碳排放约束的企业制造/再制造最优生产决策问题。基于企业期望利润最大化,构建了企业制造/再制造生产决策模型,并通过数值仿真,分析了碳税、碳排放限额、超额碳排放惩罚税款和单位碳交易价格等碳约束对企业制造/再制造生产决策的影响。

研究结果表明:

1碳税政策和碳限额政策都能起到影响企业制造/再制造生产决策的作用。两种碳排放约束政策对企业制造/再制造生产决策影响的共同点都是通过增加企业的碳排放成本来达到促进企业向低碳再制造转型。

2碳税政策是通过碳税水平的变化,影响企业制造/再制造碳排放节约的临界值从而影响企业的制造/再制造生产决策。当碳税很低时,会同时采用高碳新品制造技术和低碳再制造技术进行产品生产,以最大化自身利润。随着碳税的提高,企业将优先选择碳排放较低的低碳再制造技术进行生产,以避免高额碳税带来的成本增加。因此,政府在借助碳税政策工具促进制造企业减少二氧化碳排放时,需谨慎灵活设置碳税,在引导和规范企业的低碳再制造行为的同时,尽可能地降低对企业的不利影响。如果为了完成碳减排目标而征收过高的碳税,也将不利于企业的经营发展,并间接影响到产品市场的供需平衡。

3碳限额政策是通过碳限额水平、超额碳排放惩罚费用和单位碳交易价格的综合调节来影响企业的制造/再制造生产决策。当碳排放限额值较低时(限制较严格),企业会优先采用低碳再制造技术来尽可能地满足碳限额要求。当碳排放限额值较高时(限制较宽松),企业再制造行为受到制造/再制造技术本身(成本和利润)、超额碳排放惩罚费用和单位碳交易价格的综合影响。根据配额大小的不同情况,存在一个碳交易价格的临界点,当市场上碳交易价格大于该临界价格时,企业倾向于卖出碳配额获利;当市场上碳交易价格低于该临界价格时,企业更愿意通过制造/再制造生产来获利。因此,政府政府在借助碳限额与交易政策工具促进制造企业减少二氧化碳排放时,应科学合理设置企业的碳排放限额,并通过合理设置碳排放超额惩罚性税款和碳交易价格来影响和引导企业的低碳再制造行为,以实现生产过程的低碳化。

本研究对低碳约束下的企业生产决策具有一定的指导意义,对政府发展低碳导向的绿色再制造政策具有一定参考意义。但论文中对政策的设定较简单,模型构建中对新品和再制造产品的异质替代性没有考虑,这些是进一步研究中需要解决的问题。

摘要：市场上存在从事新品制造和回收产品再制造的寡头垄断生产商,其中单位新品的制造成本高、碳排放高且利润较高,而单位再制造产品的制造成本低、碳排放低且利润较低。生产商整个制造/再制造生产过程,受到外部碳排放政策(碳税、碳限额)约束,需要基于利润和外部碳排放政策约束,选择制造和再制造技术,确定不同处理技术分配的最优生产数量,以最大化企业利润。针对无碳排放约束、碳税约束和碳限额约束三种碳排放约束情景,基于期望利润最大化,分别构建不同碳排放约束情境下的企业制造/再制造技术选择与生产决策模型。基于最优解性质和仿真分析,研究外部碳排放政策变化对企业制造/再制造生产决策的影响。研究结果表明,外部碳税、碳限额、碳排放超额惩罚税款和碳交易价格均不同程度影响企业制造/再制造生产决策。

集成制造 篇5

[关键词] 芯片制造 质量控制 SPC

[中图分类号] TN406 TP399 [文献标识码] A [文章编号] 1674-2583（2014）03-0026-07

1 统计过程控制SPC

统计过程控制SPC（Statistical Process Control）是基于统计理论的技术和方法，通过对生产过程中的工序参数质量数据进行计算描图，实现对工序过程稳定性的监控和预测，从而达到发现异常、及时改进、减少波动、保证过程稳定、产品总体质量稳定可靠的目的。所以SPC可以提高过程的稳定性，降低不合格品率，降低成本，提高企业的经济效益。

SPC控制图的预防原理：应用SPC对检测数据进行统计分析能够区分生产过程中的正常波动与异常波动，及时预警，提醒生产人员采取措施消除异常，从而保证产品质量特性的一致和稳定。对异常波动的及时预警是SPC的最大特点，它能够在异常因素刚一露出苗头，尚未造成不合格品之前就能及时发现，指导技术人员采取措施，消除异常。这样，便极大地减少不合格品的产生，保证生产顺畅进行，从而提高生产率。可以在这种趋势造成不合格品之前就采取措施加以消除，从而实现SPC的预防作用。

在生产监控现场，更多的情况是控制图显示异常，表明异因已经发生，这时要严格贯彻过程质量控制的原则：查出异因，采取措施，保证消除，不再出现，纳入标准。每贯彻一次这个原则，即经过一次这样的循环就消除一个异因，使它不再出现，从而起到保证过程稳定一致的作用。由于异因有限，经过有限次的循环后，最终可以达到在过程中只存在偶因而不存在异因。

ISO9001-2000提出关于质量管理的原则，对于质量管理实践具有深刻的指导意义。其中，过程方法、基于事实的决策原则都和SPC有着密切的联系。以什么样的方法来对过程进行控制？以什么样的手段来保证管理决策的及时性和可靠性？是管理者考虑最多的问题。SPC的运用是对按ISO9001标准建立的质量管理体系的有力支持。

2 建立芯片制造过程SPC系统

2.1 系统构成

芯片制造过程SPC系统以客户/服务器结构（C/S结构）为基础模型，包括数据库服务器、数据采集/监控站点、SPC监控分析站点、SPC监控查询站点、SPC异常报警装置、基于浏览/服务器B/S结构的远程质量查询站点、SPC控制图异常回馈等部分组成。

2.2 功能构成

2.2.1 工程师权限构成

系统软件对操作权限进行详细的划分，严格细致的权限管理使系统的安全性得到充分保证。每个工程师的权限包括系统功能操作权限、产品/工序查询权限、采集计划使用权限三部分。根据工程师的工作内容、职务划分而做适当的权限设置，充分保证软件系统和数据的安全和高效运行。

2.2.2 工艺版本属性工程师自定义

软件系统采用视窗软件常用的树形结构来保存“工艺版本”的属性定义。可以根据生产线的组织结构来自由定义“工艺版本”的“路径”，路径层次的深浅随意延伸。树形结构弥补表格式结构中属性项目数量固定、名称固定的缺陷。

2.2.3 质量特性定义

在质量特性的属性定义时，工程师不仅可以定义它的规格类型及数值，还可以定义控制图、数值精度、样本大小、控制线计算方法、与特性参数关联的标签项目、控制图判异准则等内容。这些项目都是在SPC工序监控过程中要用到的。

2.2.4 两种可并发的数据采集方式

软件系统提供两种可并发的数据采集方式。一种是从制造控制系统中采集的量测数据自动转入，另一种是由检测人员得到量测数据后键盘录入。不管由那种途径采集到的量测数据都要存入SPC数据库中，同时进行控制图描点判异及相关统计参数的计算。数据自动采集由接口软件在后台读取数据，数据准确及时，是SPC工序控制的主要和最佳方式。键盘输入只是一种补充。

2.2.5 判异准则内容可自定义

软件系统中的控制图判异准则的详细内容由工程师根据情况自定义。在判异准则管理树中，系统给出8个判异准则大类和一些通用的判异准则条款。工程师要使用一些特殊的判异准则条款，可以自定义具体内容。比如在规则类“连续n个点中有m个点落在中心线同侧的B区以外”中，工程师可以根据实际定义n和m的取值，生成一个新的判异条款。

2.2.6 建立监控计划

软件系统中引入监控计划的概念。监控计划是一组相关联SPC的特性参数的集合。这些特性参数可由一台计算机完成数据采集，也可能是因为它们集中在一个测量检验台上，或许它们是一道工序、一种产品或一台设备上的一组特性参数。把它们集中在一个监控计划中，便于工程师同时采集数据、监控观察它们的控制图变化情况进而掌握工序的运行状态、产品的质量状况。一个监控计划应该赋予一个工序监控站点。

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2.2.7 实现实时SPC监控

参数监控界面在标准状态下，系统同时显示当前特性参数的控制图、键盘录入格式、统计参数、特性参数路径等内容。还可以通过点击功能按钮以表格形式显示当前控制图对应的质量数据。还可以任意切换其它控制图，选择“属性”项设置控制图的显示风格，如控制图点的形状、大小、颜色，显示或隐含规格线、合理控制线等。

2.2.8 控制图功能

软件系统在现场实时监控中提供十几种控制或监视图表。把带有稳定控制线的图表称为控制图，而不带控制线的图表称做监视图。计量型图表有均值-极差图（Xbar-R图）、中位数-极差图（Xmed-R图）、均值-标准差图（Xbar-S图）、单值-移动极差图（X-MR图）、运行图（Run 图）、预控图（Pre-control图）、EWMA图、直方图等；计数型控制图有不合格品率图（p图）、不合格品数图（Pn图）、合格品率图（q图）、合格品数图（Qn图）、单位缺陷数图（u图）、缺陷数图（c图）等。针对计数型参数还提供DPMO/DPTO（百万机会缺陷数/千次机会缺陷数）分析图。在监控过程中，工程师还可以随时查看原因、措施、备注排列图。丰富多样的图表可以帮助工程师从不同视角去监控过程状态，充分发挥不同图表的各自优势，及时发现问题分析问题。

为了提供更充分的过程质量信息，除了直观的统计图表外，软件还同步提供大量统计参数值（在监控界面的最下方）。这些参数包括：总体均值（μ）、总体标准差（σ）、工序能力指数统计参数（3σ时：Cp、Cpu、Cpl、Cpk、 Cr；4σ时：Cm、Cpm、Cpkm；1σ时：、Zu、ZL、Zmin）、 样本均值（μS）、样本标准差（S）、工序性能指数统计参数（3σ时：Pp、Ppu、Ppl、Ppk、Pr；4σ时：Pm、Ppm、Ppkm；1σ时：、PZu、PZL、pZmin）、直方图偏斜指数（Skewness）和陡度指数（Kurtosis）。偏斜系数表示样本分布直方图的对称情况。如果分布对称，则偏斜系数为0。正数表示直方图右边拖有长尾巴，负数则表示直方图左边拖有长尾巴。陡度系数是直方图分布的陡峭（或扁平）程度指标。在正常情况下其值为0，正数表示直方图尖峭、双肩较薄；负数则表示直方图相对扁平、跨度较大。

Cpk和Ppk是最常用的两个统计指数。过程能力指数Cpk给出的是过程的固有能力，过程固有的能够满足标准与规范的能力。过程性能指数Ppk给出的是根据采集到的数据对当前过程性能的估计。过程能力指数运用的是总体参数均值m和标准差s。过程性能指数用的是样本统计量，即样本均值X和样本标准差S。过程能力指数只有在已经判定过程处于稳态以后才可以通过计算得到；过程性能指数则无此要求，可以随时反应实时过程的性能。

2.2.9 异常提示报警

软件系统提供多种控制图异常报警方式。在监控界面上，控制图稳定时参数点显示为绿色，出现异常时，则控制图参数点显示为红色。点击参数点可以查看异常的类型信息，在该界面上可以向手机发送短消息寻求帮助。还可以提供SPC监控状态显示板、监控状态警示灯和蜂鸣器等硬件报警设施。在SPC监控状态 LED显示板上，可以显示一些经过计算的统计参数值，如参数均值、标准差、Cpk、控制图状态等信息。监控状态指示灯则一般设置三种颜色，绿色表示工序参数稳定，黄色表示控制图异常警告，红色则表示控制图参数点超出界域，异常情况加剧。

2.2.10 工序质量分析方便追溯

软件系统把数据库技术引入到SPC过程质量控制系统中，使原始数据记录的检索和分析变得异常快捷方便。由于分布式数据库的海量存储能力，使积累的原始数据记录可以达到尽可能丰富、全面、详细的地步。为多角度全方位的质量分析诊断提供可能。由于记录信息的足够详细，使质量问题追溯变得有据可查。

2.2.11 质量数据查询和作图功能

软件系统提供原始数据查询浏览功能。为满足依据产品的附属标签信息的查询、浏览质量特性数据的要求。可以按用户要求的定义保存查询条件，方便下次直接打开执行。还可以对这些查询条件下的数据做控制图，可对历史控制图做进一步分析。

2.2.12 特别监控

软件系统为专门的管理人员提供宏观掌握生产线过程质量控制情况的功能模块。通过预设配置可以看到各质量监控点发生的控制图异常情况。点击产品的特性参数，则可以看到包括异常点在内的一段控制图。再通过点击控制图上的红色异常点，还可以进一步看到异常点的详细内容及异常原因、纠正措施等辅助信息。

2.2.13 功能专业的统计分析工具

软件系统对历史数据可做进一步、更全面的检查分析，专为质量工程师提供分析工具包。它提供工序能力及其变动分析、产品直通率分析、多参数对比分析、正态概率纸、DPMO转换表等六个专业分析工具。

（1）工序能力分析工具：利用工序能力分析工具，可以按产品/工序类选择一批特性参数计算它的Cpk，Ppk及产品/工序大类的平均值，并对工序能力进行简单评价，对生产线做一定范围内的工序能力分析。

（2）工序能力变动分析：可以选定一个产品的所有特性参数和分析时间区段、时间间隔周期，然后绘制工序能力指数Cpk的变化折线图。通过折线图的变化趋势可以了解各特性参数所对应加工环节的加工能力的变化情况。有的放矢地从各方面改进工序加工能力，提高整体工序能力，从而保证产品质量。

（3）产品直通率分析：一般情况下，最终用户的产成品都是经过多道工序加工形成的。每道工序或加工过程都有一个投入产出比例，称之为良品率。一个产品的直通率就是所有工序的良品率的乘积。通过产品的直通率分析，可以了解每个特性参数的良品率和该产品总的直通率。通过分析清楚地认识到产品加工过程中的薄弱环节和可改进空间。最终实现生产线整体良品率的提升。

（4）多参数对比分析：使用多参数对比分析功能，可以把同一产品的不同参数或不同产品的同一参数的数据描图进行对比分析，包括选择任何存在某种内在或外在联系的两个或多个特性参数进行对比分析。从而很容易发现这些参数波动的差异特征或关联特性，帮助改进过程质量，提高产品性能指标。作图区最多可同时选择6个参数进行描图分析。图形种类、时间区段都可任意选择。

（5）正态概率纸：采用正态概率纸可以直观地判断一组数据是否服从正态分布。从概率纸上还可以得到正态分布参数均值和标准差。而且概率纸对小样本数据更适合。

（6）DPMO对比转换表：提供标准差Sigma、Cp、Cpk及百万分比Ppm之间的关系对应关系。也可以输入Sigma、Cp、Cpk三者之一计算其它参数值。

3 结论

在芯片制造过程SPC系统由上海贝岭研制并实施，SPC系统自动记录控制图的异常点，而异常原因和纠正措施则由现场工程师处理后登记到系统中，成为知识积累。

通过丰富强大的分析工具对这些信息进行处理，可以形成异常原因知识库，为未来可能出现的异常状态提供有效的质量改进方法和措施建议。从而帮助企业不断改进质量，提高产品的可靠性，保持优势的竞争力。及时发现过程异常是手段，促进不断改进质量才是目的。

集成制造 篇6

然而, 在8月28日结束的第11届上海国际汽车制造技术及装备与材料展览会 (AMTS2015) 规模却增长了56%, 展商和观众再破纪录。据悉, 展会期间来自38个国家和地区的458家展商齐聚一堂, 全面展示汽车领域高新技术产品和创新解决方案。展会吸引了42个国家和地区的36 590余名专业观众前来参观, 数量相比2014年增幅达到90%。

本届展会中豪华展商阵容再次扩大, 行业主流企业KUKA、柯马、川崎、蒂森克虏伯、MAG、广州明珞、西门子、发那科、史陶比尔、艾森曼、安川首钢、菲尼克斯、博世力士乐、SEW、通快、罗芬、英格索兰、托克斯、ZIMMER、SMC、宜科、优傲机器人、蔡司、雷尼绍、韩华、巴鲁夫、伏能士、林肯电气、易格斯、博野自动化、德梅珂、嘉特斯、巨一自动化、博众精工、儒拉玛特、捷飞特、德珂斯、团结普瑞玛、大族激光等知名企业纷纷亮相。

《汽车工艺师》记者参加了此次展会, 并于8月27日在展会现场举办了“2015汽车制造工艺创新论坛”。本文着重介绍一下参展的自动化生产线解决方案。

正在建立柔性制造标准

——广州明珞汽车装备有限公司

此次展会, 广州明珞参展的新产品主要包括铝滚边、铝焊接、多车型柔性总拼系统、积放式输送设备、修磨换帽一体机、N C Locator、激光钎焊、激光远程焊和轻量化焊枪等。尤其是展出的自主研发多车型柔性总拼系统, 受到了大家的特别关注。

总经理姚维兵告诉记者, 8月份广州明珞顺利完成由广汽、上汽、北汽三大汽车集团产业基金领头完成的C轮融资。融资总金额为2亿元, 金额超过前三轮融资金额总和。姚总表示, 本轮融资对明珞装备意义重大, 2亿元资金的迅速到位, 为公司的加速发展和全球化布局提供了资金的保障;三位汽车大佬的加入, 是明珞装备产业战略融资的第一步, 有助于明珞装备开始开展产业的布局, 为明珞装备打造百亿级的企业目标提供了有力的市场支持。

广州明珞副总经理雷鸣说, 公司在汽车轻量化和新能源汽车进行技术储备, 比如展会展示了铝车身的一些技术方案。当本刊记者问, 汽车形势不好对装备业有哪些影响时, 雷鸣回答说, 目前汽车产能过剩, 只是对原车型而言, 对用户来说, 创新车型才会有更大的吸引力。他认为, 汽车市场越不好, 先进的汽车装备应该越有市场, 因为汽车之所以不好卖, 是因为不能满足客户的要求, 所以必须改型才能有市场, 升级改造当然会增加对先进装备的需求。未来的汽车生产线应该以改造为主。

姚维兵也认为, 目前中国汽车产业发展遇到瓶颈, 为此在生产线改造、新工艺和新技术、汽车轻量化、新能源汽车以及视觉系统的普及上, 对装备制造商提出了更高的要求。生产线柔性化也会提高。现场展示的柔性装配系统一种是旋转体式, 一种是滑翼式, 都是目前最先进的方式, 已经销售了五套, 可实现一条线上8种车型同时生产。除了柔性方面的研发, 广州明珞还在做模块化的研发, 并逐渐形成一个标准。

全套工业解决方案

——博世力士乐

博世力士乐带来了全套工业4.0的解决方案。一是展示了开放核心工程平台 (OCE) 。这个平台能够用手机或者平板电脑操控生产线, 监控生产。二是提供高效节能的输送系统, 即重载应用TS-5输送线。三是跟同济大学汽车先进制造中心成立了工业4.0的生产线。在这个生产线上, 通过Open CoreEngineering连接了不同厂家的机床和设备, 这是博世力士乐开放核心平台在中国的第一次应用。通过这套系统, 可以帮助用户在生产汽车零部件方面提高产能和生产效率, 降低成本和库存, 缩短交货期。

不管是工业4.0还是《中国制造2025》, 未来制造的核心是什么?是质量还是效率?博世力士乐能给客户首先带来的是质量还是效率?

博世力士乐中国销售副总裁刘天鹏答道, 不管是工业4.0还是《中国制造2025》, 最关注的无非是三点:一是质量, 质量是不是稳定?二是性能价格比和成本, 每个工厂的老板都不希望自己的成本比别人多一分钱, 有一个过程优化之后能够解决这一点。还有一个是交货期, 现在客户恨不得今天付给你钱, 明天就要货。其实博世力士乐的工业4.0, 从德国介绍到中国, 也是围绕着这三点:质量、成本和交货期, 围绕这三点给不同的用户进行定制。系统大小、产量高低, 要求提高生产率也好、成本降低也好, 都有一个明确的目标。根据不同的用户我们有针对性的方案。博世力士乐有庞大的专家系统, 有生产流程的BPS, 就是博世生产系统。有机床的团队、生产线的团队和软件团队。其中每个团队在做项目的时候都要分批次、不同时间去和用户坐在一起沟通, 看看他们的需求是什么?他们希望监控什么?比如生产执行管理系统MES, 这个系统有好多功能, 但对用户来讲, 你需要不需要这么多?这是不是你的主要目标?所以提供给每个用户的解决方案都是定制的, 但是万变不离其宗, 也就是刚才提到的质量、成本、交货期, 这是我们关注的问题, 也是用户关注的问题, 是博世力士乐在工业4.0要和大家一起努力做到的东西。

稳健成长

——儒拉玛特自动化技术 (苏州) 有限公司

儒拉玛特自动化技术 (苏州) 有限公司始建于1998年12月, 主要在非标自动化装配线、机器人系统解决方案、Vario system欧标铝型材等有非凡的表现。儒拉玛特中国已经成功为英瑞杰、博泽、海拉、博格华纳、蒂森、吉凯恩采埃孚、博世、霍尼韦尔等提供了解决方案。

公司总经理白世泰说着一口流利的中文, 他说儒拉玛特主要的客户在汽车制造领域。中国制造的转型升级需要更多的自动化。中国市场就像蛋糕一样, 很大, 儒拉玛特只掌握一小部分。虽然汽车市场增速放缓, 但未来增长空间仍然很大。他说, 儒拉玛特1998年在苏州建厂时的15人目前还有13人, 合作过的客户没有流失过一家, 研发团队都是中国人, 这是他感到很骄傲的一件事。儒拉玛特虽然是外资企业, 但也得到了当地政府的支持, 这说明政府对自动化要求多么急迫。

为汽车轻量化提供解决方案

——巨一自动化装备有限公司

巨一自动化装备有限公司 (JEE) 呈现了动力总成装配与测试和车身焊装领域的最新产品和技术。其中, 动力总成装配与测试行业明星产品四挡轴套自动压装机和轴系搬运、拼装设备以及应用于白车身焊装行业的单面焊技术、无钉冲铆技术、自穿孔铆接技术、机器人滚边技术和激光焊等技术展示, 更是受到了业内客户的普遍关注和高度认可。

J E E装配与测试事业部总经理杨连华说, JEE的解决方案涵盖汽车及其关键组成部件智能制造成套装备和新能源汽车电驱动系统等, 为汽车白车身、发动机与变速器的装配和测试提供完善的自动化系统交钥匙解决方案。

提到工业4.0, 杨连华表示, 工业4.0实际上是一个大数据时代, 通过网络通信技术和虚拟技术, 来实现自动化设备向智能化设备的转变。这是企业和产品升级换代必须要走的一条道路。主要技术是大数据技术。和现在工厂设备相连接的虚拟技术, 通过终端向工厂发指令, 就能得到想要的产品。

杨连华说, 在动力总成的解决方案中, JEE的自动化率能达到83%, 生产节拍最快能达到26s。在铝车身方面, 无钉铆技术、焊接技术和滚边技术, 为国内某合资品牌提供的一条全铝合金的铆接线正在调试当中。

杨连华说, 目前, 在形势不好的大环境下, 主机厂设备的投入也减少, 但由JEE技术的积累, 在白车身焊装线和动力总成线方面, 和2014年相比, 订单几乎翻番。

提到以后的发展重点, 杨连华说, 第一, 在动力总成特别是铝合金车身技术方面, JEE要从自动化向智能化设备转变;第二, 在满足汽车行业需求的同时, 加快向机电、物流等其他行业延伸;第三, 加快国际化步伐, 把巨一品牌推向世界, 使之成为具有较强竞争力的国际品牌。

为用户提供绿色无人生产线

——苏州通锦精密工业有限公司

苏州通锦成立于2002年, 座落在苏州国家级高新技术开发区。自主成功地开发了TJE系列伺服电动缸和TJM系列直角机器人, TJSP智能伺服压装机, “点金手”牌冲压机械手系列产品。同时为客户一站式定做自动化整机和运动控制系统。公司自主创新研发的全自动真空加油机和全自动点胶粘贴机, 直线运动模组, 伺服电动缸, 六自由度运动平台, 智能伺服压装机生产线荣获“江苏省高新技术产品”荣誉称号, 并获得40余项国家发明和实用新型专利。

此次展会, 苏州通锦带着伺服电动缸、智能伺服压装机、冲压机械手等核心产品参加, 观众对公司自动化系统解决方案及自主研发的伺服智能压装机和伺服电动缸及冲压机械手等产品给予了好评。公司总经理程先锋说, 公司每年都有30%的增长。2015年随着《中国制造2025》的深入, 公司都来不及做方案, 订单很多, 做不过来。公司在北京新三板上市的工作正在进行中, 年底可成功上市。程总说, 公司的拳头产品伺服电动缸在业内是佼佼者, 其优点是比原来的电动液压产品更加精密, 可达到微米级的精度, 而且在不工作的情况能耗很低, 很节能。围绕着这种产品, 再加上机械手代替了人工, 整个压装生产线可实现绿色、节能及无人化生产。

产内物流无人化解决方案

——上海星旭自动化设备有限公司

上海星旭销售总监夏雪刚告诉记者, 这是公司第一次参展, 没想到展会第一天自己的几百张名片全部发完, 有30多人询价, 人气很旺。夏雪刚说, 公司2009年开始转型, 主做物流自动化, 2015年重新树立自己的品牌。2016年准备在北京新三板上市。

公司推出产内物流无人化解决方案, 夏雪刚说, 实施这种方案后, 在汽车零部件加工车间, 从一个工序到另一个工序, 全部自动流转, 自动衔接。在目前汽车零部件生产企业, 仍然有很多的机床是单机生产, 没有和其他机床组成自动流传线, 工件的转运仍然靠人工。目前已有一家著名的轴承生产企业过来谈了三个项目。有些做自动化项目的企业也过来要公司帮他们连线。公司自己研发了一套柔性生产管理系统, 来和企业的ERP和设备的运动对接起来。现在已成为一个标准的模块进行销售, 这也是为将来的智能化生产打基础。夏雪刚预计公司产值三年后可实现翻番。

兼顾速度与精度

——上海易森自动化设备有限公司

本次会展, 易森公司带来的三件展品——高速、高精度、自动化装配线, 转台式高速、高柔性、装配、检测工作站以及机器人配套的托盘式装配生产线, 将精巧、高效、高自动化的设备理念带给了此次参观的观众。销售总监李留杰告诉记者, 高速、高精度、自动化装配线的重复精度达到0.02mm, 最快节拍达到2.5s, 突破了传统自动化设备高速、高精度不能兼顾的桎梏, 极大提升了效率, 降低了制造成本, 可广泛应用于汽车电子、医疗器械、电子3C等行业。该高速线体可实现各种工艺:全自动供料、取料配料、压装、点胶、影像和激光控制、激光打标、电气测试等。

转台式高速、高柔性、装配、检测工作站为易森开发的具备高柔性、高速度以及多工位 (工位数量可根据产品装配和测试工序进行选择) 的标准工作单元, 该工作站可实现如下的基本工艺:机器人自动上下料及不合格零件自动分取、自动压装、振动料盘自动供料、自动取螺钉自动拧紧、影像检测、激光打标、超声波焊接、气密性测试、电气测试、表面处理等。机器人配套的托盘式装配生产线集成了原材料处理、装配、检测、包装, 数据追踪、集成机器人应用等多功能, 同时采用了独特的结构, 减小了占地面积, 同时模块化的设计理念使得多产品高柔性生产成为了可能。

李留杰表示, 针对这次展会, 公司特地开发一个汽车电子高速组装的设备, 可实行高柔性、高节拍、高精度装配。他认为, 自动化在将来会出现暴发式的增长, 自动化最直接的好处是用人成本降低, 效率提高, 精度和质量提高, 管理更加容易。另外, 国外的机器人价格不断降低, 这也有利于国内自动化产业的发展。

其他行业的技术积累可更好地服务汽车行业

——博众精工科技有限公司

博众是一个有2 000多人的民营企业, 原为家电、电子和日用品提供自动化生产线。2013年涉足汽车行业。公司副总经理、工业设计中心主任陈小刚告诉记者, 博众凭借在其他行业的技术积累, 很快地拿到汽车行业的订单, 尤其在非标生产线解决方案上有更快的响应速度和及时的服务。

此次展会, 博众整合运动控制、影响处理、镭射量测、机械手及精密贴装、精密压合等技术, 在为期三天的AMTS展会上, 向观众展示了博众在汽车零部件装配与测试领域的先进成果和技术, 展品包括锁仁排片机、插针机、通用测试平台、装配流水线、展会机器人流水线等五台全自动化设备。

陈小刚表示, 博众有很强的研发能力, 2014年光专利就有600多项, 在深圳、美国加州有研究中心, 主要人才来自斯坦福大学。目前在德国和日本正在建立研发中心。

博众可为相关的汽车零部件厂商提供全自动及半自动组装、汽车电子功能测试等专业精细的解决方案。在汽车继电器组装、手刹车装配线、换挡器装配线、后视镜装配线、发动机装配线等领域应用广泛。如继电器组装流水线适用于各种型号的汽车电机开关继电器产品的性能测试, 可配置双踪示波器、内置短路保护、超压保护、过载保护功能。

锂离子电池数字化工厂方案提供者

——昴华 (上海) 自动化工程股份有限公司

昂华是一家专注于提供装配自动化一体化解决方案的企业, 公司拥有专业的非标设备的设计、加工、制造能力, 产品广泛应用于汽车动力总成、汽车零部件、新能源汽车和飞机制造等领域, 可以满足客户的各种差异需求。

现场展示了一组新能源汽车电池的测试、等离子清洗、涂胶功能的生产线。公司总经理陈亮介绍说, 昴华是工信部智能制造2025项目第一批锂电池生产的合作企业, 主流的电池厂家都在使用昴华的产品。昴华是从模组到派克的整体方案的提供商。

陈亮说, 新能源汽车发展很快, 其核心部件就是电池。国内外汽车厂商都在同一起跑线上, 谁先取得先机, 谁就占据市场领导地位。昴华2011年涉及这个行业, 这几年尤其是2015新能源汽车出现井喷行情, 产品出现供不应求的局面。昴华的客户都有宏大的投资计划, 因此陈亮非常看好这个市场。

昴华是一家民营企业, 最近完成两轮风投, 已在北京新三板上市。陈亮说, 昴华有一个核心的技术群构成核心竞争力, 这包括输送技术、检测技术、加压技术、清洁技术、高速切换技术以及MES信息技术等, 因此不是一般集成商能做到的。陈亮说, 昴华主要的研发人员均来自于世界500强企业, 包括库卡、通用、沃尔沃等国际一流公司。目前已和华中科技大学以及德国工业4.0发起人之一共同完成了智能生产线的开发。陈亮说, 中国目前最缺帮助客户提供解决方案的供应商, 这也是中国装备制造亟待升级的一点。中国在基础件研发方面和德国、日本相比还有很大差距, 但在应用层面进步很快。昴华可帮客户建立锂离子电池的数字化工厂, 在每个细分领域和最高端的客户进行合作, 并且建立一个锂离子的生产标准。

精准的抓取

——宁波均胜普瑞工业自动化及机器人有限公司

记者从均胜电子了解到, 在高循环周期的小微部件、低循环周期的较大和大型部件生产制造方面, 均胜普瑞拥有超过40年的丰富经验, 使用周期长且精准在业内有口皆碑。装配系统的严格保证了产品的高质量和可用性。同时, 独特的适合所有物理尺寸的测试方法和机器人触觉测量技术把控着设备最高要求。

据悉, 均胜普瑞的上述技术广泛应用于汽车零部件、电子技术、医药技术以及电子消费品领域。目前公司已经拥有一套完善的技术体系和专利成果, 此次展示的产品均为国际上在此领域的前沿技术。根据客户需求, 均胜普瑞可定制开发高度集成的全套数字化智能制造系统, 具有高度柔性制造功能。

值得一提的是, 工业自动化及机器人产业是均胜电子三大战略方向之一。为了加快公司在工业机器人领域的发展, 均胜电子于2014年6月收购了德国工业机器人领军企业伊玛公司, 同年8月又出资1.5亿元设立宁波均胜普瑞工业自动化及机器人有限公司。

平面工艺制造集成电路的研究 篇7

平面工艺是集成电路工艺的基本工艺技术, 然而技术工艺, 是衡量一个企业是否具有先进性, 是否具备市场竞争力, 是否能不断领先于竞争者的重要指标依据。随着我国集成电路市场的迅猛发展, 与之相关的核心生产技术应用于研发必将成为企业的关注焦点。了解国内外集成电路生产核心技术的研发动向, 工艺设备, 技术应用及走势对于企业提升产品技术规格, 提高市场竞争十分关键。集成电路装备作为集成电路产业的基础, 是在集成电路产业链中的关键环节, 其发展水平代表了国家高科技的研究与开发的能力, 因此, 集成电路装备产业发展是发达的国家作为国家的重要战略, 对其投入了大量的人力和财力, 对集成电路装备技术制高点积极抢占。集成电路制造前道工序的关键工艺设备包括光刻设备、刻蚀设备、薄膜生长设备、离子注入设备等, 其工艺水平直接影响到最终的芯片产品的质量及生产技术的先进性, 是各国关注和竞争的焦点。

2 集成电路工艺

把电路所需要的晶体管、二极管、电阻器和电容器等元件用一定工艺方式制作在一小块硅片、玻璃或陶瓷衬底上, 再用适当的工艺进行互连, 然后封装在一个管壳内, 使整个电路的体积大大缩小, 引出线和焊接点的数目也大为减少。集成的设想出现在20世纪50年代末和60年代初, 是采用硅平面技术和薄膜与厚膜技术来实现的。电子集成技术按工艺方法分为以硅平面工艺为基础的单片集成电路、以薄膜技术为基础的薄膜集成电路和以丝网印刷技术为基础的厚膜集成电路。单片集成电路工艺是利用研磨、抛光、氧化、扩散、光刻、外延生长、蒸发等一整套平面工艺技术, 在一小块硅单晶片上同时制造晶体管、二极管、电阻和电容等元件, 并且采用一定的隔离技术使各元件在电性能上互相隔离。然后在硅片表面蒸发铝层并用光刻技术刻蚀成互连图形, 使元件按需要互连成完整电路, 制成半导体单片集成电路。随着单片集成电路从小、中规模发展到大规模、超大规模集成电路, 平面工艺技术也随之得到发展。薄膜集成电路工艺整个电路的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及其间的互连线, 全部用厚度在1微米以下的金属、半导体、金属氧化物、多种金属混合相、合金或绝缘介质薄膜, 并通过真空蒸发工艺、溅射工艺和电镀等工艺重叠构成。

3 平面工艺

像大多数重要的工艺进展一样, 平面工艺也是从前几代工艺中脱胎出来的。早期半导体器件的制造方法——生长结方法和合金方法坐一个比较。半导体单晶是由掺有某种杂质的半导体溶液生长出来的 (例如P型) 。在生长过程中的某一时刻, 突然改变溶液的导电类型。 (例如, 投入一颗含有施主杂质的小球, 结果, 单晶的其余部分分支成N型) 。生长完成以后, 把晶体切成含有P——N结的小条。结型晶体管发明之后的头几年, 这个方法是极其重要的, 但从大批量生产的角度来看, 生长结方法还不如早期半导体器件工艺提出的另一种方法——合金结的方法。将一个含有受主型杂质 (以次为例) 的小球放在一个N型半导体片子上。然后将他们一起加热到足够高的温度, 使小球以融解或合金的形式掺入半导体片子, 晶体冷却之后, 小球下面形成一个受主型杂质饱和的再分布结晶区, 这样就得到了一个P——N结。 (见图1) 这种方法过去是, 而且现在仍然是二极管和晶体管 (只要是锗器件) 的大批量生产中使用的一种成功的刚发。然而, 随着半导体的应用范围愈来愈广泛, 对其性能的要求也大大的提高了。在这些日益提高的要求面前, 合金方法很快就暴露了其固有的局限性。例如, 结的位置总是难以控制的。 (见图2) 为了探索一种能够精确控制P——N结位置的方法, 导致了扩散的发展。扩散结的形式方式与合金过程有其相似之处, 即片子的表面是暴露于包括在例如如气体中的相反类型的高浓度杂质源之中, 不过, 在这种情况下不发生相变;杂质靠固态扩散进入半导体晶体内部, 儿固态扩散能够非常精确地加以控制。此外, 还因为发现二氧化硅薄层能过有效地掩盖大多数最重要的受主和施主杂质的扩散, 因而半导体集合图形的控制精度也提高了;另外, 二氧化硅薄层能钝化半导体器件表面, 受周围环境影响的弱点得到了极大地克服, 从而提高了器件特性的重复性和稳定性。

图3就是应用平面工艺制造二极管的工艺流程。

4 平面工艺制造制备单晶硅的方法:悬浮区熔法和直拉法

从电路设计到芯片完成离不开集成电路的制备工艺, 本章主要介绍硅衬底上的CMOS集成电路制造的工艺过程。有些CMOS集成电路涉及到高压MOS器件, 因此高低压电路的兼容性就显得十分重要, 高低压兼容的CMOS工艺流程。CMOS集成电路的制备工艺是一个非常复杂而又精密的过程, 它由若干单项制备工艺组合而成。下面将分别简要介绍这些单项制备工艺, 任何集成电路的制造都离不开衬底材料———单晶硅。制备单晶硅有两种方法:悬浮区熔法和直拉法, 这两种方法制成的单晶硅具有不同的性质和不同的集成电路用途。

4.1 悬浮区熔法。

在悬浮区熔法中, 使圆柱形硅棒固定于垂直方向, 用高频感应线圈在氩气气氛中加热, 使棒的底部和在其下部靠近的同轴固定的单晶籽晶间形成熔滴, 这两个棒朝相反方向旋转。然后将在多晶棒与籽晶间只靠表面张力形成的熔区沿棒长逐步向上移动, 将其转换成单晶。

4.2 直拉法。

随着超大规模集成电路的不断发展, 不但要求单晶硅的尺寸不断增加, 而且要求所有的杂质浓度能得到精密控制, 而悬浮区熔法无法满足这些要求, 因此直拉法制备的单晶越来越多地被人们所采用, 目前市场上的单晶硅绝大部分采用直拉法制备得到的。

5 结论

在平面工艺中的那一系列的工艺技术, 扩散掺杂改用离子注入掺杂工艺;紫外光常规光刻发展到一整套微细加工技术, 采用电子束曝光制版、等离子刻蚀、反应离子铣等;外延生长又采用超高真空分子束外延技术;采用化学汽相淀积工艺制造多晶硅、二氧化硅和表面钝化薄膜;互连细线除采用铝或金以外, 还采用了化学汽相淀积重掺杂多晶硅薄膜和贵金属硅化物薄膜, 以及多层互连结构等工艺, 平面工艺不仅仅是带动了半导体技术, 还在大规模集成电路中应用的很广泛。

参考文献

[1]阮刚.集成电路工艺和器件的计算机模拟——IC TCAD技术概论[M].上海:复旦大学出版社.

集成制造 篇8

当前,以先进质量管理理念与方法为基础,以信息化技术为手段,建立实施集成质量信息系统已成为企业提升质量管理水平的重要技术途径[1,2,3]。近年来,我国制造企业实施质量信息化建设虽然取得了一定的成绩,但与世界工业发达国家相比还有一定的差距,在系统实施过程中还存在较多与企业实际不相适应的过程和环节,部分应用项目效果不理想。问题的根源在于企业缺乏相应的集成质量信息系统实施技术,进而影响和限制了集成质量信息系统效能的充分发挥。合理的系统实施技术是解决上述问题的关键环节[2]。

然而,作为覆盖企业完整质量体系的复杂应用系统,集成质量信息系统的建立与实施需要涉及到企业的人、财、物、产、供、销等诸多方面并贯穿产品全生命期,同时,还需要实现与ERP(Enterprise Resource Planning)、PDM(Product Data Management)等相关应用系统集成,实施过程复杂,实施难度大[4],没有现成经验可以借鉴。科学、合理、可操作的系统实施技术是有效展开实施工作的重要保证。

本文就集成质量信息系统在制造企业中的实施技术与方法进行了研究与探讨,从技术途径、方案和步骤等方面构建了适应我国制造企业现状与需求的实施技术整体解决方案,对实施过程中的技术难点进行了分析并给出了解决途径。最后通过具体的实施案例介绍了其实际操作过程与应用效果。

1 技术途径

采用何种途径将相关的实施技术合理组织、运用以更好地为实施项目服务就是实施技术途径。正确的技术途径将对项目成功实施提供强有力的方法支撑和技术保证。图1提出了制造企业集成质量信息系统实施的技术途径。

基础服务支撑始终贯穿实施全过程,是实施技术途径能够顺利实现的保证,主要包括:程序管理服务、过程管理服务、项目管理服务、教育培训服务等内容。

实施技术途径是实施过程中如何将相关的技术合理组织运用的关键,是用户系统如何演变的过程反应。其主要阶段如下:

(1)以现代质量管理理念和先进质量管理技术为指导,开发符合相关质量标准(ISO9000和GJB9000系列标准),覆盖企业质量保证全过程的集成质量信息系统软件通用平台;

(2)进行初步培训后,在软件平台试用中按照《基础数据环境建设指南》进行基础数据准备,在试用基础上,采用多种方式如头脑风暴法、问卷筛选法等形式对企业实际业务需求进行深入分析和提取,形成与企业实际相贴合的解决方案,方案主要包括系统技术解决方案和系统实施解决方案;

(3)以解决方案为指导,通过符合性开发技术,对企业个性业务需求进行符合性开发,解决企业的个性化问题,最大程度地满足实际解决方案提出的各项技术指标,并对进行符合性开发完成后的系统进行全面系统测试,保证系统各项性能指标,形成用户系统版本;

(4)用户系统在企业运行的同时,运用相关系统实施技术方法(如循环迭代实施技术),执行《质量信息项点检表》等一系列系统实施规范,不断改进系统,不断促进系统与企业实际需求相互结合,最终形成与用户需求相适应的集成质量信息系统。

该技术途径的好处在于:(1)实施技术组织合理,不同阶段运用的技术手段明确;(2)项目实施阶段性强,不同阶段目的明确,便于及时掌控实施进度,阶段性成果突出;(3)在通用软件平台基础上进行实施,有效缩短了实施周期;(4)可有效降低系统开发风险和实施成本。

2 技术方案

在上述制造企业集成质量信息系统实施技术途径指导下,为在实施过程中能够顺利贯彻技术途径,提出如图2所示制造企业集成质量信息系统循环迭代实施技术方案。

该方案将集成质量信息系统的实施过程分为3个主要的阶段:实施准备期、实施运行期和稳定运行期。其中实施运行期细分为标准版运行期、用户版开发期和用户版运行期3个子阶段。各阶段所做工作要点及标志性成果如下表1所示:

(1)实施准备期是为使企业能够更好地具备集成质量信息系统良性运行的基本条件,在企业实施集成质量信息系统之前进行相关准备工作的阶段;

(2)实施运行期是项目组开始实施集成质量信息系统,不断与企业实际情况相适应,提升企业质量信息化水平,提高企业生产效益之间相互作用的一个阶段,是集成质量信息系统在技术上、过程上成功实施的关键阶段。该阶段具体操作如下:

a)通过标准版运行期为企业应用集成质量信息系统提供切入点,使企业在初步感受集成质量信息系统的同时,不断提取针对该企业实际情况的改进需求,为用户版开发阶段和用户版运行阶段奠定基础。

b)在标准版运行阶段经过“标准版安装→企业调试运行→提取详细需求和改进意见→解决方案设计”。1个“标准版运行循环”(大约时间在2~3个月左右)之后,企业的详细业务需求和解决方案基本确定。

c)用户版开发阶段根据企业实际业务需求与通用平台的符合程度、需求的复杂程度等决定其完成时间,同时确认最终解决方案。当用户版开发阶段结束后,用户版基本成型。该阶段是对企业业务需求进行符合性开发的主要阶段,需要投入较多的人力、物力进行符合性开发和系统功能测试,以满足企业实际业务的需要。

d)经过“用户版安装→企业调试运行评估→进一步提取改进意见→进一步用户化开发”。2~3个“用户版运行循环”之后,企业的质量管理流程得到进一步的优化和完善,用户版集成质量信息系统基本上能够满足企业实际应用的需要。用户版运行阶段大约需要2~3个月左右的时间完成(1个循环1个月左右,2~3个循环)。该阶段是验证用户版集成质量信息系统适用性,促进集成质量信息系统与企业实际情况进一步融合的阶段。阶段结束确认符合解决方案要求。

(3)实施运行期结束后,对企业相关人员进行全面培训,在用户熟练运用该系统的时候进入稳定运行阶段。实施系统日常维护,并对项目进行评审,以确认是否达到项目目标。

该技术方案的关键之处是:采用质量管理理论的“计划-实施-检查-处理(PDCA循环)”思想,解决长期以来在实施阶段不知道如何进行集成质量信息系统与企业之间相互适应和实施周期无法预期等问题。通过执行该技术方案,企业每进行一个实施阶段,企业的质量信息化水平和产生的效益都会随着实施的进展情况而不断提升,最后进入稳定运行期后企业的质量信息化水平和产生的效益会比实施集成质量信息系统前有实质性提高,并且稳定在一个较高的水平上持续发挥效应。

3 技术步骤

针对实施技术方案,提出在实施过程中具体的、可操作的技术步骤,如图3所示:

(1)项目启动

该阶段工作,包括建立由企业主要领导为首的项目实施领导小组和各部门有关人员参加的项目实施小组,启动项目。该项目组的特点是,企业人员对本企业各部门的职能业务十分了解,自己本身也多年从事企业关键产品的研制生产工作,这样极大方便了实施过程中与有关部门的沟通交流。

(2)业务分析

该阶段主要是由经验丰富的集成质量信息系统实施人员配合企业相关部门进行业务调查,运用过程方法,对企业现有的质量管理流程进行分析。在此基础上,对通用平台与企业实际业务进行适配度估计,提出适合企业实际的通用平台配置方案。

(3)通用平台和用户文档建立

该阶段主要同时开展2部分工作,一部分是建立企业通用平台,一部分是建立用户文档。通用平台建立是在阶段计划的指导下,进行安装环境准备,包括软、硬件环境的配置;对系统运行所必需的基础数据进行配置;对一定范围使用的用户进行初步培训;用户文档建立主要是编制用户使用手册和用户技术手册,这些文档在项目进行过程中不断完善,最终在项目结束时一并交付用户。

(4)通用平台运行

在通用平台运行阶段计划指导下,让企业相关部门和人员对通用平台进行试用,在通用平台基础上,帮助企业更好地发现并提取详细业务需求。在此阶段可以采用问卷调查、访谈等多种形式广泛收集需求,并采用头脑风暴法等工具方法进行详细业务需求分析。

(5)解决方案设计

在通用平台运行一段时间后,如果企业对自身的需求有了较为明确的认识,即可进行企业解决方案设计。在阶段计划指导下,进行企业应用环境调查,包括信息化环境,体制环境、人力资源情况等影响因素;对项目组的有关人员进行培训,以帮助他们更好地进行解决方案设计。这时一般应编写项目说明书之类的文档。同时,对上阶段提出的详细需求进行确认,以固化需求。该阶段主要是对上阶段形成的业务需求,结合业务管理的基本概念和具体的软件功能,逐项进行回顾、分析,以便提出解决方案。

(6)用户系统符合性开发

在解决方案设计完成之后,开始在通用平台的基础上进行用户系统符合性开发工作。在符合性开发过程中,需要按照解决方案中的具体要求进行系统开发。除对软件进行必要的符合性开发外,还需按软件工程要求进行系统测试,完善必需的程序文档。同时,对解决方案中规划要转换、要改进的流程及方法等进行业务流程再造,并修改原来的制度、职责、流程。

(7)系统移植

在阶段计划指导下,在企业环境进行系统安装、参数配置,并对相关人员进行用户系统培训。同时,各职能部门分别按照自己的日常业务活动,参照相关文档,运行计算机系统进行测试,以确认系统移植成功。

(8)用户系统运行

该阶段在企业环境中进行参数配置、运行测试保证系统正常运行后,各相关部门和人员对用户系统进行试用,经过一段时间运行后,如果符合企业实际情况需求,则转入系统正式运行阶段。如果还有部分业务没有满足企业实际情况,则需要转入“用户系统符合性开发→系统移植→用户系统运行”循环,进行业务需求再实现。在确认用户系统符合企业实际业务需求后,系统运行一段时间后,事实证明系统是安全、可靠、可行的,可以正式投入运行。

(9)正式运行

为了减少系统实施风险,对用户进行全面培训后,各职能部门分别按照自己的日常业务活动,完成系统参数及基础数据初始化工作。为了保证项目实施成功,项目领导小组应及时发布一系列指令,逐步进行。一般来讲,应在运行中做好有关记录和报告,并及时发现问题,进行系统性能监控与优化,以便进行维护和提高。最后进行系统审核,确认项目实施工作完成。

4 技术难点解决途径

在上述技术步骤执行过程中,会遇到一些环节是系统实施过程中的难点问题。对此,需要采用一系列的技术解决办法来化解这些难点,确保集成质量信息系统在实施过程中能够顺利推进[6]。一般来讲,在系统实施过程中,较难推进的环节主要包括:(1)实际业务需求分析与提取;(2)基础数据环境准备;(3)信息采集规范化;(4)业务流程优化;(5)系统集成。主要的难点及其对应的解决途径如表2所示:

在上表中,对应于每一个技术难点,有针对性地给出了1~3项具体的单点方法来解决这些难点,每一项技术的操作性和实用性都较强。在实施过程中,可以选择其中的某一项或几项技术同时进行,以提高解决效率。通过对解决途径的具体落实,能够有效突破这些实施难点环节,顺利推进项目实施进度。

5 实施案例

某企业是从事空间飞行器结构生产、总装、检测、试验的生产制造企业。该企业从九十年代开始,陆续购买了一些CAD(Computer Aided Design)、CAPP(Computer-Aided Process Planning)软件,还引进了各种先进的数控加工设备,开发出一批先进的计算机控制和精密机械加工相结合的机电一体化高科技产品。

但随着产品逐渐多样化和复杂化,客户对产品质量要求变得更加个性化,交货时间更加短期化,企业单靠原来的传统质量管理模式已经越来越难满足市场和现代质量管理的需求。为此,该企业决定实施集成质量信息系统,实现企业级质量信息化。

该企业在系统实施初期,项目主要负责人虽认识到集成质量信息系统作为信息系统的共性,但未能意识到集成质量信息系统其自身的特殊性。在实施技术和方法上单纯借鉴其它信息系统实施的一些思想和方法,并采用了完全依照企业质量体系进行计算机化的定制开发路线,其结果是无法按照实施进度推进,实施周期延长,应用实施效果欠佳。

在总结分析问题原因后,企业启动了新一轮实施过程。此次企业采用了本文提出的实施技术,主要开展了以下工作:(1)在本文提出的集成质量系统信息系统技术途径总体指导下,制定出适应本企业自身特点的集成质量信息系统整体规划方案;(2)按照实施技术途径,制定阶段计划;(3)在阶段计划的指导下,严格执行技术步骤;(4)在实施过程中,充分运用循环迭代技术方案,解决了集成质量信息系统与企业实际相适应的问题;(5)对实施过程中遇到的难点环节,针对性地采用相应的单点实施技术和解决方法,顺利推进实施进度。最后成功完成了集成质量信息系统在该企业的应用实施,现已进入稳定运行期。表3中从成本、风险、周期、稳定率、灵活性等7个方面对采用本文提出的实施策略、技术和方法前后的实施效果进行了对比分析。

从上表列出的评价指标对比分析可以看出,较之采用该集成质量信息系统实施技术和方法之前,各项评价指标均有显著改善,实施效果明显。

6 结论

本文研究集成质量信息系统在制造企业中的实施技术,对在制造企业推广和应用集成质量信息系统、提高企业质量管理水平、加快企业信息化建设步伐等方面有着积极的现实意义。提出了制造企业集成质量信息系统实施技术途径、方案,给出了具体的、可操作的技术步骤和技术难点解决途径,为在制造企业成功实施集成质量信息系统提供了一种可供参考的实施解决方案。

摘要：文章基于对制造企业质量管理信息化现状和集成质量信息系统实施环境的调查与分析,针对集成质量信息系统在实施过程中的关键技术问题展开研究,对制造企业集成质量信息系统的实施技术进行了探讨,对实施环节中的技术难点进行了分析研究。构建了基于循环迭代的实施方案与技术路线,并给出了技术步骤,从技术角度构建了制造企业集成质量信息系统完整的实施技术解决方案,最后通过具体实施案例验证了该实施技术方案的实际操作及应用效果。

关键词：制造企业,集成质量信息系统,实施技术

参考文献

[1]李东锋.卓越之路——我国企业质量管理信息化现状及发展趋势研究[J],电子质量,2004,(4):40-42.

[2]段桂江.集成质量系统实施技术研究[D].北京:北京航空航天大学,2001.

[3]唐晓青.现代制造模式下的质量管理[M].北京:科学出版社,2004.

[4]唐晓青,段桂江,王雪聪,等.集成化质量信息管理技术在中国企业的实践[J].中国质量,2003,(9):14-17.

[5]孙波.企业管理信息化的路向[J].企业改革与管理.2005,(7):16-17.

制造业集成成本管理评价研究 篇9

目前, 成本对企业来讲已不再仅仅是一个单纯的数量指标, 而是与企业的产品结构、市场定位、工艺技术水平、战略目标等紧密联系。成本管理的目标也从传统的“局部成本最低”向“综合总成本最低”及“价值创造最大”转变。虽然根据财务信息可以确定成本水平, 但却无法对其进行全面、科学、及时的综合判断, 从而其真实、潜在的成本水平状态容易被表面现象所掩盖, 导致决策失误。因此, 这种成本管理评价的现状, 严重制约了企业的发展。面对日益严峻的市场环境, 企业如何有效地对成本管理进行及时评价和改进是一项十分迫切的任务。

本文将非财务指标 (客户满意度、创新能力等) 和财务指标、战略与战术评价相结合, 提出了制造企业集成成本管理评价指标体系, 运用模糊综合评判法对案例企业集成成本管理水平进行评价, 企业可以根据评价结果, 与标杆企业对比找出差距, 提出改进措施。

构建集成成本管理评价体系, 一方面可以找出本企业与其他制造企业的成本差异所在, 通过深入的业务分析, 不断提高成本控制水平;另一方面通过成本竞争力的综合分析, 研究其他制造企业的成本优势所在, 有利于企业形成自己的核心成本竞争力。

2 制造企业集成成本管理评价指标体系的建立

成本管理是制造企业绩效评价的关键内容, 而社会经济环境的快速变化导致制造企业成本管理出现许多新动向, 必然要求成本管理绩效评价体系做出相应的调整。

2.1 制造企业集成成本管理

制造企业集成成本管理模式, 是把制造企业成本管理作为一个完整的系统, 以促进企业长期综合竞争力的提高为目的, 在信息技术、系统集成技术、现代管理技术和其他专业技术的综合支持下, 能够在企业全生命周期的各个阶段对企业成本管理系统各个组成部分及其相互关系整体地或单独地进行描述、分析、规划、设计和维护, 从而不断实现制造企业成本管理系统集成优化的一系列思想、方法、技术和行为的总和。

企业集成成本管理的内容已由“制造成本”扩展到“研发成本、制造成本、采购成本、营销成本以及质量成本”等。因此在制造企业集成成本管理评价时必须予以关注。此外, 从总体上看, 传统的成本管理绩效评价是一种基于价值基础的绩效评价, 它侧重于静态的、以财务报表为基础的财务评价体系, 评价体系的重点是财务指标体系的构建。这种基于历史成本规则的财务报表只是讲述企业过去的故事, 与制造企业现代制造环境不相适应。

因此, 为使制造企业产品在市场上具有强大竞争力, 衡量其成本管理绩效的优劣就不能再局限于产品的制造过程以及利润、投资回报率等相关财务结果指标, 而是应该根据成本源流、战略控制思想将视野向前延伸到原材料的采购、产品的销售以及产品的质量管理, 制造工艺的改进等方面以及其他非财务指标, 并由“成本垄断理念”向“成本与人、信息相结合”转变。这就要求制造业的成本评价由战术评价向战术评价与战略评价相统一, 由注重财务报表结果过渡到过程评价与结果评价相统一。只有这样, 才能建立一套反映企业成本管理绩效全貌、具有良好预警性和针对性、考核主体明确、评价结果可信度高、系统的企业成本管理评价体系。

按照成本集成管理的要求, 本文建立了制造企业集成成本管理评价指标体系, 并通过模糊综合评判方法对其进行评价, 来考察制造企业集成成本管理的能力。

2.2 制造企业集成成本管理评价指标体系的建立

本文提出的制造企业集成成本管理评价指标体系主要体现在以下几个方面:企业成本基础管理、成本管理信息化水平、人力资源素质水平、成本管理决策水平以及企业文化导向。

2.2.1 成本基础管理

成本管理是一个系统性的问题, 涉及到企业生产和经营管理的各个过程。企业的成本基础管理薄弱, 是造成我国制造企业成本管理水平低下的重要原因之一。主要应在以下几个方面加强管理:

(1) 加强生产技术和工艺的改进。通过技术和工艺的持续创新, 提高制造水平, 可以有效地提高企业的经济效益。

(2) 提高资源利用效率。综合采用各种节能技术, 降低各种能源、金属料以及辅助材料的消耗;并加强对各种废弃物料等的回收再利用, 最终提高企业的资源利用效率, 使企业内部资源发挥最大的效用。

(3) 有效的生产组织可以通过提高连铸比以及主体设备的作业率, 增强企业的规模经济效应、降低单位产品的制造费用。设备管理是提高设备利用效率以及降低设备维修费用的关键所在, 因此加强设备管理可以为企业节省大量的维修费用并提高企业的生产效率, 最终降低企业的成本。

(4) 质量的控制和管理。通过加强原主材料以及制造产品的全过程质量控制, 有效降低产品的废品率以及内外部损失是降低产品成本的重要举措之一。

(5) 综合成材率。该指标综合体现了企业资源利用、工艺操作、技术管理及质量控制水平。

(6) 战略供应链管理。该指标可以评价企业与上下游企业间的战略成本管理水平。供应链管理通过企业之间的互惠合作, 从优化物流、提高效率、降低采购价格及库存等方面提高企业的销售和采购管理水平。

2.2.2 提高企业成本管理信息化水平

信息技术已经成为当今企业提高成本管理水平的重要手段, 因此, 提高制造企业成本管理信息化水平也是增强制造企业成本管理能力的重要途径。计算机技术在成本管理中的应用相对计算机在其他管理环节的应用起步比较晚, 目前, 计算机在成本管理中的应用还仅限于成本计算。此外, 由于各个部门在管理目标、管理手段和处理方法等方面的不同, 往往导致成本管理信息系统和其他信息系统之间集成度不高, 形成许多“信息孤岛”。这些孤岛的存在, 不仅使各种基础信息不能共享, 还自行制造出许多不一致、冗余的信息, 甚至导致错误的决策。因此, 将信息技术引入成本管理领域并与各种成本管理方法相结合, 在集成制造环境下, 建立制造企业集成成本管理支持系统对于提高制造企业成本管理信息化水平是十分迫切和必要的。

2.2.3 提高人力资源素质

企业的成本管理最终还是要依靠各级人员来贯彻和落实。因此应提高员工的职业能力水平, 使他们自觉地执行各项操作规程和工作标准;还应提高员工的科学文化水平, 使他们掌握先进的成本管理和信息技术知识, 不断地提高自己的业务能力, 改变过去那种工作凭经验和习惯来做的作风。虽然近几年, 企业员工的人员结构发生了可喜的变化, 但是和市场要求相比还有一定差距。员工的素质对于企业降低成本以及企业的可持续发展具有重要的意义。

2.2.4 提高企业成本管理决策与实施能力水平

我国制造企业在从计划经济向市场经济过渡的过程中, 企业在经营决策、产品结构的调整、市场营销方面, 无论在思想观念上还是在决策能力上和发达国家的制造企业相比还有一定的差距。

领导节约成本的意识以及成本管理决策能力在制造企业成本管理中起到极为重要的作用, 客观上来讲, 没有公司高层领导的重视, 任何战略都不能得到有效的实施。领导者除了具有经营管理的才能之外, 还必须具有良好的个人素质, 只有才能和个人品质完美地结合, 才能使企业的各项管理工作顺利地进行。

2.2.5 加强企业文化建设

企业管理和企业文化脱节会损害企业的成本管理能力, 甚至可能导致成本管理战略实施的失败。因此企业应注重培育先进的企业文化, 增强广大员工的主人翁意识, 形成重科学、重改革、重效益的企业管理文化。

制造企业集成成本管理评价指标体系如图1所示。

3 制造企业集成成本管理多层次模糊综合评判

由于成本管理绩效的标准无法用准确的语言来描述, 而只能用自然语言来描述, 本身带有很大的模糊性。因此本文采用模糊数学的方法对其进行度量, 在对现行度量方法研究的基础上, 建立了多层次综合度量模型。该模型是层次分析法与模糊综合度量模型的综合, 较好地解决了以往模糊综合度量模型的问题, 即:当涉及较多因素时, 权重不易分配, 每一权重分量都很少, 使得单因素度量矩阵在合成运算时作用减弱甚至不起作用, 从而使度量结果不易分辨。

设待评价企业序号为s (s=1, 2, …, q) , G (s) 代表第s个企业的综合度量值;一级度量指标Ui的集合U={U1, U2, U3, U4, U5};二级度量指标V1j (j=1, 2, 3, 4, 5, 6) 的集合V1={V11, V12, V13, V14, V15, V16}, 和V2j (j=1, 2, 3, 4) 的集合V2={V21, V22, V23, V24}。

3.1 建立度量集

度量集是对度量对象可能做出的总的评判结果所组成的集合, 即V= (v1, v2, …, vs) , 度量集是等级的集合, vi (i=1, 2, …, s) 表示第i类可能的度量结果, 分别为很好、较好、一般、较差及很差等。

3.2 确定隶属函数和隶属度 (决策矩阵)

每一度量指标的隶属函数, 都应准确地反映出成本的管理绩效情况。根据隶属函数或专家评分结果, 可以得到各企业成本管理绩效对每一个度量子指标的隶属度, 这样就构成了决策矩阵R= (rij) n×s。本文采用由专家组根据评语等级直接对这些指标进行判定。由于定性指标隶属度的构造, 涉及较多的主观因素, 为了减少这些主观片面性, 应注意专家组的人数, 成员的年龄结构及知识结构等问题。

3.3 确定度量指标的权重

指标权值的确定是综合评价的重要环节之一, 它确定了该指标因素的重要程度, 它的恰当与否, 直接影响综合评价的结果。

3.4 多级多目标模糊度量

先从最底层的度量目标开始逐层往上度量, 直至总度量目标 (以三级模糊综合度量为例, 三级以上的因素层次可类似进行) 。

3.5 成本管理绩效的决策

对于度量指标bj (j=1, 2, …, n) 可根据最大隶属度方法确定成本管理绩效水平, 即:按照最大隶属度原则选择最大的bj所对应的评判元素vj作为综合度量的结果。

这样就可以根据各方案的度量值的大小, 判断成本管理绩效的优劣及排序。

4 应用举例

下面以某制造企业成本管理工作为评价对象, 来说明多级模糊综合评判在制造企业集成成本管理综合评价中的数学方法和步骤。

4.1 建立评价对象的因素集

制造企业集成成本管理评价主要考虑的5个因素集如下:

U={U1, U2, U3, U4, U5}={成本基础管理, 成本管理信息化水平, 人力资源素质, 成本决策能力, 节约型企业文化}。

对前4个因素水平的衡量又可以分别从以下几个方面进行, 即:

U1 (成本基础管理) ={工艺技术水平, 资源利用效率, 规模经济与设备管理能力, 产品质量管理能力, 综合成材率, 战略供应链}。

U2 (成本管理信息化水平) ={硬件建设, 成本信息化应用状况, 信息集成程度, 信息的结构、质量, }。

U3 (人力资源素质) ={员工受教育水平, 员工工作技能水平, 节约成本的意识}。

U4 (成本决策能力) ={组织协调能力, 成本分析决策能力, 成本管理的战略思维}。

U5 (节约型企业文化) 。

4.2 建立权重集

在多级模糊综合评价过程中, 需要考虑到各因素的重要程度不同, 因此必须分别对每一个因素指标给出相应的权数。经过多名专家综合打分, 经过特征向量法进行计算, 并根据实际加以调整, 求出两级权重集分别为:

从A中可以看出成本基础管理对于整个企业的成本管理工作具有极其重要的作用。

4.3 建立评判集

因为在制造企业集成成本管理能力评分中对各因素的评定等级可分为优、良、中、及格与不及格五级, 因此评判集为:

V={v1, v2, v3, v4, v5}={优, 良, 中, 及格, 不及格}。

4.4 填写评分表

评分分为五级:优、良、中、及格、不及格, 分别以5、4、3、2、1表示, 评估人员只需在评分表相应的位置填入相应数字即可。也可以填小数, 如2.5、3.5等。本文在对国内6个制造企业进行了相关问卷调查, 运用这种方法对它们的成本管理绩效进行评价。取某一个制造企业的评分 (5位制造企业成本管理专家参与) 为例来说明评价过程, 如表1所示。

由上面的统计数字可见, 由于各位专家主观因素的作用, 所打的分数有总体偏高或偏低的现象, 采用模糊综合评判法可以尽可能地消除这种主观因素的偏差。

4.5 一级模糊综合评判

先以评判指标为行, 以5个评判等级为列建立一级评判矩阵。表1中数字若为“4”则在“良”一列取0.2, 若为“5”则在“优”一列取0.2, 若为“4.5”, 则在“优”、“良”列各取0.1, 其余依次类推, 最后相加即可得到评判矩阵如下所示:

根据最大隶属度原则, 可以根据一级模糊综合评判矩阵来判断各三级指标的评判结果, 如成本基础管理各三级指标评判结果都为“良”, 而人力资源素质三级指标评判结果分别为:“中”、“中”、“良”。把上面4个一级评判矩阵分别乘上相应的权重集则有:

节约型企业文化为良, 即取B5= (0, 1, 0, 0, 0) 。

4.6 二级模糊综合评判

二级模糊综合评判是对于第一层次所有因素的综合评判。由此可见, 一级模糊综合评判集Bi按行依次排列组成二级模糊综合评判的评判矩阵:

于是得到二级模糊综合评判集:

4.7 确定评判结果

采用最大隶属度方法, 即把与最大的评判指标max bj相对应的评判集元素取为评判结果, 即:v={vj|vjmjaxbj}。

上例最大指标为b2=0.613, 即该制造企业的集成成本管理工作绩效评估为“良”。

5 结论

本文根据制造企业集成成本管理的要求, 将财务指标与非财务指标、战略和战术评价相结合, 建立了制造企业集成成本管理竞争力评价指标体系, 并给出了模糊综合评判方法在评价制造企业集成成本管理竞争力方面的应用。最后通过实证研究, 为制造企业集成成本管理评价提供了理论依据。

参考文献

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[4]谢季坚, 刘承平.模糊数学方法及其应用[M].第2版.武汉:华中科技大学出版社, 2000.

集成制造 篇10

网络化制造是企业为了提高自身竞争力,快速响应市场需求,利用网络突破企业生产经营的地域约束,实现企业间协同和资源共享的先进制造模式,是在需求与技术共同驱动下发展起来的。在经济全球化和制造全球化趋势的推动下,越来越多的企业开始转变其制造模式,实施网络化制造。网络化制造的研究和应用正在向着协同化、知识化和集成化的趋势发展[1]。网络化制造过程知识管理和集成是提高企业知识重用水平,防止知识流失,实现业务流程自动化、智能化的有效手段。企业在生产过程中积累了大量的经验和知识,但是这些知识大多以数据库、知识库、纸质文件和人脑中隐性知识的形式存在,人们获取知识的方式主要通过手工检索,无法保证知识获取的及时性、准确性和全面性。所以研究将已有知识与特定制造活动相关联,与制造过程进行集成,使得生产过程参与人员在恰当的时间获得需要的知识显得很有必要。

国内外对于产品设计制造过程知识管理和应用方面的研究工作主要集中在如下3个方面:

(1)知识的获取、建模、表示方法的研究。文献[2]研究了企业知识的分类、表示、构建及共享和集成,为实现基于本体的知识管理平台提供了新的理论和方法;文献[3]针对夹具协同设计过程中知识的语义理解障碍,通过本体表达领域知识,便于Agent自动进行推理。

(2)知识集成系统框架与体系结构的研究。文献[4]对产品开发活动中的知识演化过程进行了分析,并提出了一个集成知识的参考系统;文献[5]提出了一种基于知识集成的车间制造系统运行模式,并研究了实现该模式的工作中心服务化、制造执行链构建等关键技术。

(3)知识集成与应用关键使能技术的研究。文献[6]针对产品协同设计过程设计人员获取知识效率低的问题,提出了基于粗糙集的产品协同设计知识推送方法。

从以上分析可以看出,目前的研究内容多数是针对产品设计过程中知识的表示、演化、管理和集成方法,而对于网络化制造过程如何有效地组织和重用制造知识,并辅助制造过程的决策则较少提及。本文在对网络化制造过程分析的基础上构建制造过程知识集成模型,通过对制造活动知识情境的描述实现基于本体查询的知识主动推送。

1 网络化制造过程知识集成模型

本文所述的网络化制造过程是指产品协同制造过程中动态获取并有效传递信息和知识的过程,包括制造任务规划、制造资源配置、工艺规划,以及零部件生产的进度和质量管理等。

定义1 制造活动。制造活动(NMA)是制造过程中具有相应角色的人员进行的具体操作和决策行为。制造活动具有不可再分性,是网络化制造过程中的“原子活动”,如任务分解活动、进度数据采集活动。制造活动可以由参与生产的不同企业协同完成,所以又具有地理位置的分布性。

定义2 网络化制造过程。网络化制造过程(NMP)由完成某一制造任务的一系列动态的、具有时序关系的制造活动组成,是一条完整的网络化制造执行过程。网络化制造过程是制造活动的集合,表示为NMP={NMAi|i∈N+}。

定义3 制造子过程。制造子过程(NMSP)也是网络化制造过程NMP的构成要素,如果NMSP是不可再分的操作和决策活动,则其意义对应于制造活动,即NMSPi<=>NMAj,如果NMSP可以继续分解为制造活动序列,则NMSPi=NMAseq={NMAj∣j∈m},m为制造子过程i包含的制造活动数。

制造活动和制造子过程通过工作流引擎的驱动构成网络化制造过程,通过定义角色模型、任务表等数据,在数据库、知识库的支撑下,执行整个网络化制造过程。网络化制造过程工作流控制模型如图1所示。

网络化制造过程是制造知识密集的生产活动集合,一方面制造活动应用大量的规则知识、实例知识、经验数据进行决策和指导生产;另一方面制造活动也是知识产生和获取的源泉[7]。知识集成的目标就是将制造知识管理与制造过程结合,通过对制造活动角色、对象、目标、需求等属性的描述,与相关知识进行匹配,从而减少手工知识搜索工作,实现快速准确地将制造知识传递给操作人员。

与网络化制造过程相对应的制造知识流是制造知识在制造活动间积累、转化、应用的过程。在制造知识流中定义如下算子实现知识的处理以及与制造活动的集成:

(1)知识发现算子。知识发现主要是通过统计、挖掘的手段,从历史数据或生产过程采集的数据中发现新知识。形式化表示为:D(Set{data1,data2,…,datan}, K): Set{data1,data2,…,datan}→K,其中,Set{}为数据集合,K为发现的新知识。

(2)知识表示算子。知识的表示包括隐性知识到显性知识的转化、分布异构的知识的规范化描述。形式化表示为:E(K,K′):K→K′,其中,K为处理前的知识,K′为显性知识或规范化的知识,例如基于本体的知识表示。

(3)知识转化算子。知识的转化是指知识在制造活动间从一种形式转化为另一种形式,可能伴随着知识内涵的增加。形式化表示为:T(K1,K2):K1→K2,其中,K1表示转化之前的知识,K2表示经过转化重新组织或更新的知识。

(4)知识匹配算子。知识匹配通过对制造活动情境的描述实现制造过程与知识的匹配,便于实现基于语义的知识主动推送。形式化表示为:M(K,Context):E(K,K′)∩E(Context,K″),其中,Context表示制造活动情境,K″表示情境的形式化规范描述。

网络化制造过程知识集成模型如图2所示。

2 网络化制造过程知识检索与获取

2.1 知识检索与获取的形式

根据知识的特点及查询需求的不同,网络化制造过程主要采用3种不同的知识检索与获取形式,分别为手动检索、主动推送和知识服务,3种获取形式并不矛盾,而是相辅相成、相互结合。

(1)基于语义的知识检索。

基于语义的知识检索是根据用户的查询需求,从本体概念的同义、上下位、蕴涵等语义关系进行语义扩展,进行精确检索或模糊检索。语义检索较关键字匹配具有更高的查准率和查全率,缺点是检索结果依赖于人工定义的检索条件的准确性,须对知识库内容有一定程度的了解。

(2)基于情境的知识主动推送。

基于情境的知识主动推送是由系统自动识别获取当前制造活动的要素和属性,建立知识查询的情境模型,然后与知识库中知识的情境信息相匹配,实现将匹配的知识主动提供给操作人员。知识主动推送强调知识的主动服务性,减少了知识搜索的工作量。

(3)知识服务检索。

网络化制造环境下,不同的企业实体对其知识资源具有自治性,知识资源作为企业的核心资源具有专利性、私密性和有价性[8],能否或者以何种条件提供给其他企业的用户可以通过知识服务的形式进行协商。知识的拥有者将知识封装成服务,并在网络平台上进行注册和发布,知识的需求者检索并获取与需求匹配的知识服务集。

从以上分析可以看出,网络化制造采用“拉取”与“推送”相结合的方式,推送可以自动获取生产决策知识,拉取可以根据用户的兴趣检索相关知识,是知识主动推送的补充。由于篇幅所限,本文只讨论知识主动推送的实现方法,首先对制造活动的知识情境进行描述,通过需求与知识库内容的查询匹配,判断是否存在适用于解决当前问题的知识。

2.2 制造活动知识情境模型

制造活动知识情境(KC),也就是网络化制造过程知识集成、应用的条件、需求和背景等,它是区分、识别不同知识活动,决定与当前制造活动相关联的知识类别、范围和实例的重要因素[9]。

可以从3个维度对制造活动知识情境进行描述,定义为如下的三元组KC=(Knowledge_Process,Role_Permission,Task_info),其中,Knowledge_Process是对当前知识活动过程的描述,进一步定义为Knowledge_Process=(ID, Name, Goal, Input, Output, Previous, Next,State,Knowledge_required)。Goal表示知识活动所要解决的问题,达到的目标;Input、Output分别表示知识活动执行过程的输入、输出数据;Previous、Next分别表示当前制造活动的上游和下游活动,由工作流管理系统进行定义;State为制造活动的状态,State∈{等待,执行,终止,完成};Knowledge_required 描述制造活动对知识的需求信息。Role_Permission描述执行当前制造活动的角色权限信息,进一步定义为Role_Permission=(Role, Department, Enterprise, Permission),其中,Role为执行活动的角色;Department为角色所在的部门;Enterprise为部门所属的企业;Permission指定该角色是否有执行活动的权限,为布尔类型的属性。Task_info表示制造活动的作用对象,即生产任务信息,定义为Task_info=(Task_ID, Task_Name, Drawing_Num, Quantity, Completion_Date),分别表示生产任务的ID、名称、图号、计划数量及出产日期。

对制造活动知识情境的描述是实现知识与制造活动关联的基础,在此基础上进一步提取制造活动的知识需求信息。

3 基于本体查询的知识主动推送

网络化制造过程知识主动推送形式化描述为:KP=(NMA,KC,KR,KO,MK,δ),其中,NMA为制造活动;KC为制造活动知识集成的情境描述;KR为根据KC构建的知识推送需求和查询条件;KO为基于本体的知识库和规则库,是知识资源集,包括文档、数据库、实例类知识等;MK表示经过推理、匹配、推送,向用户提供的满足决策者需求的知识;δ表示推送方法算子,其表达形式为δ:KRxKO→MK,是从知识库获取满足决策者要求知识的手段。

企业的知识资源通过本体进行了规范化和形式化,因此,为了便于实现知识的语义查询和推理匹配,本文提出了基于本体查询的知识主动推送方法。首先,由工作流引擎驱动网络化制造过程,通过工作流事件或数据触发机制激活制造活动,按照制造活动过程维、角色/权限维、生产任务信息3个维度对制造活动知识情境进行描述。结合领域知识本体提供的概念、属性及其关联关系,从知识情境信息中挖掘并构建知识查询本体,用于描述制造活动的知识需求和查询条件。图3所示为一个知识查询本体的例子,表示的查询语义是:根据精度等级、加工范围等属性约束,查询满足要求的制造资源名称、型号、状态(可用或故障),并经过推理得到制造资源所属企业的基本信息。图中椭圆形节点表示概念节点,矩形节点表示概念的实例化属性值,带“?”符号表示变量,将作为查询结果集的部分,箭头表示概念属性或关联关系。

实现知识主动推送的关键是进行知识的自动查询和推理,主要过程包括SPARQL查询语言[10]的生成,Jena推理机[11]对本体和自定义领域规则(Rule文件)的推理,在此基础上,ARQ查询引擎对SPARQL进行解析得到查询结果。最后,根据角色/权限以及知识的相关性对查询结果进行过滤、排序,经过可视化处理将知识提供给用户。上述过程的核心是从查询本体到SPARQL的自动转换,算法如下:

(1)定义查询结果集Result,查询条件集Condition,并进行初始化。

(2)取查询本体的概念集CS,将有关联关系的概念对表示为查询模式三元组,添加到条件集Condition,如概念实体为变量,在结果集Result中添加查询变量。

(3)依次取出概念实体CSi的所有属性约束AC,将属性约束ACi表示为查询模式三元组,添加到条件集Condition,如属性约束为变量,在结果集Result中添加查询变量。

(4)为提高查询效率,调整查询条件集,即将含确定条件的查询三元组放在前面。

图4所示为基于本体查询的制造知识主动推送机制。

4 应用实例

以生产计划变更与调整过程为例,分析知识集成与推送方法在网络化制造过程中的应用。紧耦合的网络化制造模式下,主生产企业对联盟企业生产过程的可跟踪性和可控性具有较高的要求,需要及时准确地获取生产任务的进度信息,包括零部件的投入产出数量、时间、制造资源状态信息等。但是,生产过程存在各种扰动因素,包括设备层、决策层的扰动,会对生产计划的执行产生一定的影响。由于网络化制造系统是一个动态的、协调统一的整体,不同企业生产的零部件存在时序与工艺等方面的约束,最终导致产品不能按期交付或造成经济损失。

针对以上情况,主企业必须根据生产任务知识、制造资源知识等及时对计划进行变更决策,采取有效措施予以解决。如某离散制造企业在区域实施紧耦合的网络化制造生产模式时,该企业通过网络对联盟企业生产进度进行管理和控制。在联盟企业执行外协生产计划过程中,要控制的扰动因素主要包括:①设备故障;②紧急任务到达;③物料拖期;④计划数量增加;⑤交付时间提前。主企业要及时根据扰动因素,参考与当前任务相关的制造知识提出计划变更措施。对于已经开始执行并投料生产的计划,通常只进行局部的有限度的调整,否则可能影响整个产品的研制周期,增加成本,具体措施包括推迟交付时间、重新选择企业或者取消生产计划等。

生产计划变更与调整活动需要推送的知识主要包括:与当前生产任务制造设备参数相近的资源信息以及下游零部件的生产计划,决策人员可以根据以上信息决定选择其他企业或延缓交付时间。以上两类知识的查询本体分别如图3、图5所示。生产计划查询本体根据当前生产任务的上下位概念查询下游零部件的数量、出产日期等信息。

根据SPARQL转换算法,得到的SPARQL查询语句如下:

资源查询SPARQL:

生产计划查询SPARQL:

由以上SPARQL经过推理查询、可视化处理,得到的结果如表1、表2所示。

以上知识自动推送到网络化制造系统生产计划变更与调整模块,为计划调度人员提供决策支持,减少了手动搜索知识的工作量,提高了知识获取的准确性和及时性。

5 结束语

知识经济时代,制造过程知识的管理和应用受到越来越多企业和研究机构的关注和重视,已经成为企业提高核心竞争力的关键因素,知识推送作为提高知识利用效率的重要途径,可以使生产过程参与人员及时准确地获得需要的知识。本文通过分析网络化制造过程,将制造活动与制造知识相关联,提出了基于本体查询的知识主动推送机制,并通过实例进行了验证。对于模糊和不确定性知识的描述和获取、知识推送结果的评价,以及更多的应用实践等还有待于进一步的研究。

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