网络化制造技术

网络化制造内涵及发展趋势

引言在目前计算机网络的迅速发展以及企业为适应新形势下能实现利益最大化的双重驱动力下，网络化制造应运而生。网络化制造的出现与发展，引起了全球制造领域的极大关注。1993年，美国政府在宣布“国家信息基础设施（NII）”计划时指出：“网络将实现制造到流通的信息一体化；将实现远程共享科学信息资源和仪器设备资源；将提高劳动生产率和工作效率，刺激经济高速发展[1]。”随着经济全球化的推进，企业也面临着全球化市场竞争，这对于企业来说既是挑战又是机遇，而能否在这场战役中取得胜利掌握、发展网络化制造这一核心技术至关重要。制造业分类数字化网络化制造是一项系统工程，既包含了产品全生命周期中从生至亡整个过程的纵向信息化，又涵盖了制造业所有类别相互交织的横向信息化。根据最新的《国民经济行业分类》国家标准（GB/T4754-2002）之规定，制造业分为如下31个大类：1、农副食品加工业（原名食品加工业）2、食品制造业3、饮料制造业4、烟草制造业（原名烟草加工业）5、纺织业6、纺织服装、鞋、帽制造业（原名服装以及其他纤维制品制造业）7、皮革、毛皮、羽毛（绒）及其制品业（原名皮革、毛皮、羽绒及其制品业）8、木材加工及木、竹、藤、棕、草制品业（原名木材加工及竹、藤、棕、草制品业）9、家具制造业10、造纸及纸制品业11、印刷业和记录媒介的复制12、文教体育用品制造业13、石油加工、炼焦及核燃料加工业（原名石油加工及炼焦业）14、化学原料及化学制品制造业15、医药制造业16、化学纤维制造业17、橡胶制品业18、塑料制品业19、非金属矿物制品业20、黑色金属冶炼及压延加工业21、有色金属冶炼及压延加工业22、金属制品业23、通用设备制造业（原名普通机械制造业）24、专用设备制造业25、交通运输设备制造业26、武器弹药制造业27、电气机械及器材制造业28、通信设备、计算机及其他电子设备制造业（原名电子及通信设备制造业）29、仪器仪表及文化、办公用机械制造业30、工艺品及其他制造业（原名其他制造业）31、废弃资源和废旧材料回收加工业（新增）以上制造业类别中各分类项独自或者联合几项与信息技术、自动化技术、现代管理技术相结合，实现产品设计制造和企业管理的信息化、生产过程控制的智能化、制造装备的数控化以及咨询服务的网络化，就形成了数字化网络化制造系统。面对市场需求与机遇，针对某一特定产品，利用以因特网为标志的信息高速公路，灵活而快速地组织社会制造资源（人力、设备、技术、市场等），按资源优势互补的原则，迅速地组成一种跨地域的、靠电子网络联系的、统一指挥的运营实体—网络联盟。网络联盟的组建是由市场牵引力触发的，针对市场机遇，以最短的时间、最低的成本、最少的投资向市场推出高附加值的产品。而当市场机遇不存在时，联盟解散，根据新的市场机遇重新组建新的联盟，因而该联盟是动态的。当然，动态网络联盟不排除合作过程中建立相互信任的良好关系，形成相对稳定的合作伙伴关系。网络化制造概念如图1.3所示。2、网络化制造特征网络化制造以敏捷化、分散化、动态化、协作化、集成化、数字化和网络化为基本特征。（1）敏捷化敏捷化是网络化制造的核心思想之一。生产制造系统在现今发展阶段，面临的最大挑战是：市场环境的快速变化带来的不确定性；技术的迅速发展带来的设备和知识的更新速度加快；市场由卖方转为买方，市场正逐步走向全球化；产品特征由单一、标准化转变为顾客化个性化，产品的寿命周期明显缩短；制造企业之间尽管不再是单纯的你死我活的竞争，但竞争的激烈程度有增无减。所有这一切都要求制造业具有快速反应外部环境变化的能力，即敏捷化的能力。（2）分散化网络化制造的分散化具体体现在两个方面：其一是资源分散性，包括制造硬件资源（如设备、物料、人力和知识等）分散在不同的组织内、不同的地域内、不同的文化条件下等；另一是指制造系统中生产经营管理决策的分散化。（3）动态化网络化制造联盟是针对市场需求和机遇，面向特定产品而组建的。市场和产品是网络化制造联盟存在的先决条件，根据市场和产品的动态变化，网络化制造联盟随之发生动态变化，市场和产品机遇不存在时，网络化制造联盟解散，根据新的市场和产品机遇重新组建新的联盟。（4）协作化资源地充分利用体现在形成产品的价值链中的每一环节。产品从设计、零部件制造、总装，直到产品销售、售后服务，都需要网络联盟合作伙伴之间的紧密配合。这种协作化是一个快速响应市场，完成共同战略目标的优化过程。（5）集成化由于资源和决策的分散性特征，要充分发挥资源的效率，就必须将制造系统中各种分散的资源能够实现实时集成，分散资源的高效集成是网络化制造的目标之一。（6）数字化借助信息技术，网络化制造能够实现真正完全无图纸的虚拟设计、数字化和虚拟化制造，帮助企业形成信息化的组织构架，实现企业内部、企业与外界的信息流、物流和资金流的顺畅传递，从而保证了产品设计与制造周期的缩短，降低成本，提高工作效率。（7）网络化现代通讯技术的发展促进了网络联盟的形成。由于制造资源和市场的分散，实现快速重组必须建立在网络化的基础之上。因此，组建高效的网络联盟需要将电子网络作为支撑环境，并充分应用现代化通讯技术与信息技术。数字化网络制造模式目前，网络化制造系统的基本模式有：基于Agent分布式网络化制造模式和动态联盟。网络制造环境下，制造企业的组织形态、经营模式和管理机制需要有全方位的创新，使之适应网络化制造的要求。传统的组织结构相对固定、制造资源相对集中、以区域经济环境为主导、以面向产品特征的制造模式已与之不相适应，需要建立一种市场需求驱动的、具有快速响应机制的网络化制造模式，这将是当前乃至今后若干长的时期内制造业所面临的最紧迫的任务之一，是制造业企业摆脱困境，赢得市场，掌握主动权的关键。随着制造业从以生产为中心转向以市场需求为中心，从以企业为主导转向以客户为中心，要求网络化制造必须有柔性化和敏捷化的特征。这意味着网络化制造系统必须具有动态易变性，能通过快速重组，以实现快速响应市场需求的变化。有利于制造资源与市场的全球分布性，因此，这种快速重组必须建立在全球性的分布式网络化的基础上。基于Agent分布式网络化制造模式Agent概念最初源于分布式人工智能领域，用以表示具有推理决策与问题求解能力的智能逻辑单元。Agent之间通过计算机网络连接，Agent作为网络上的智能结点，构成分布式多Agent系统，其特点是具有开放性、分布式合作和适应环境变化的自组织能力。而任何规模、任一层次的制造系统都是由若干个完成不同任务的环节组成。各环节在独立完成自身任务的同时，又相互协作，共同完成制造任务，因此，制造系统实现制造资源向产品转身任务的同时，又相互协作，共同完成制造任务，因此，制造系统实现制造资源向产品转化的整个过程是一个典型的多Agent协同求解过程。在基于Agent的制造环境中，同样可以引入市场竞争机制，以经济利益为纽带，通过市场竞争中的招标-投标-中标方式，驱动各Agent之间的动态组合，达到制造系统的动态重组。一般而言，每个Agent都是自律的和彼此独立的组件，但也可以拥有若干Agent作为自己的“友元”，建立一种相对紧密的关系。基于Agent分布式网络化制造系统的模式见图1.4。其中Agent的基本结构如图1.5所示，每个Agent都拥有自己的局部数据库（Access）。各Agent之间通过网络相互传递消息，通过对各种类型消息的不同处理来进行合作与协调。从本质上讲，任何规模、任一层次的制造系统都是由若干个完成不同任务的环节组成。各环节在独立完成自身任务的同时，又相互协作，共同完成制造任务，因此，可以说制造系统实现制造资源向产品转化的整个制造过程是一个典型的多Agent协同求解过程。制造环境中，一个Agent所代表的功能实体可以是制造组织、生产单元和软件系统等。。一个工厂、一个制造企业就是一个典型的功能实体，一个功能独立的车间、制造子系统、职能部门，一台或若干台制造设备均可以作为一个功能实体，这取决于Agent的粒度的选择。Agent的粒度反映其功能实体的规模。功能实体的规模越小，制造环境中Agent的数目就越多，制造系统重组的灵活性增加，适应性增强，但系统的组织与控制的复杂程度也随之增加,并使系统的运行效率降低。动态网络联盟1991年，美国政府为了在世界经济中重振雄风，并在未来全球市场竞争中取得优势地位，由国防部、企业界和学术界联合研究未来制造技术，并完成了《21世纪制造企业发展战略报告》。该报告明确提出了敏态灵活的虚拟组织机构（VirtualOrganization）或动态联盟、先进的柔性生产技术和高素质的人员进行全面的集成，从而使企业能够从容应付快速变化和不可预测的市场需求，获得企业的长期经济效益。其中的动态联盟与虚拟组织结构或虚拟公司（VirtualCompany）是相同的概念，其含义是指企业群体为了赢得某一机遇性市场竞争，把一复杂产品迅速开发出来，并推向市场，他们从各自公司中选出开发新产品的优势部分，然后综合成一个单一的经营实体。该动态联盟或虚拟企业的生命周期取决于产品市场机遇，机遇一旦消失，它即行解体。动态联盟的基础是企业联盟网络，联盟网络可以直接建立在Internet上，也可以建立在专用网上。常用的网络联盟的结构见图1.6，网络联盟企业与传统公司的根本差别见表1.3。随着经营机遇、经营过程、合作伙伴、经营项目、核心资源、产品供应链以及风险和利益等关系的变化，网络盟主的主导企业可能发生变化，“盟主”地位是动态的、轮换的。谁能最先抓住市场机遇，并对整个产品的概念和关键技术有所创新，谁就有可能优先获得领导权，成为盟主。数控加工网络化制造技术网络制造模式反映了未来制造业联盟企业的盟主、合作伙伴与用户之间的合作趋势与方式。其研究内容的涉及面很广泛，包括计算机的信息传递技术、产品的设计与先进制造技术、企业管理技术、自动控制技术几大领域的知识。具体需要解决的相关技术包括：异地三维可视环境的建立；产品图形及仿真结果的网络发布与浏览；数控代码的网络传输；工艺参数网络优化与传输；异地过程监控模型；产品模型数据的异地修改；异地设计与制造的产品模型数据管理系统；网上交流机制；安全防范机制；产品信息交换；工艺设计和定义；工艺计划和调度；车间管理与控制；人力资源管理；财务管理与控制；资产与材料管理；供应链管理、网络和计算机系统；公共信息服务；制造知识库；成本/支付能力；可生产性；解决用户使用的产品维修信息等技术。本书主要是研究装备制造业数字化网络化制造技术。数控机床使用现状数控加工作为先进制造的典型技术，是网络化制造的重要手段，应随市场的全球化、竞争的激烈化、需求的个性化、生产的人性化而体现出制造技术的信息化、科学化和服务化，但是在我国数控加工中却出现了不尽如人意的现状。80年代实行改革开放后，我国的制造企业通过不同形式，包括国家投资、中外合资、国内外贷款等，进行了大规模的技术引进和技术改造。我国第一个进行整体行业技术引进和改造的是上海机床工业，国家通过世界银行贷款1亿美元、国内配套约3亿人民币（当时1美元=2.8元人民币）对上海机床工业进行了大规模的全面技术改造，主要引进了：（1）三台加工中心组成的箱体零件柔性制造单元；（2）152台高档名牌数控机床；（3）102台高精密机床和测量机器；（5）15套MRP-II系统。从技术进步的角度来看，上海机床厂和上海机床公司所属的16家主要企业和研究所确实上了一个很大的台阶，与国外机床工业的差距大大缩小。随后，长春第一汽车厂、洛阳第一拖拉机厂、沈阳第一机床厂、哈尔滨三大动力厂等也相继引进了先进的制造装备。但是，从1993年到1998年，中国的机床工业在激烈的市场竞争中连连败北。在我国机床消费额有所增长的情况下，国内市场的占有率从80%下降到35%左右。上海机床厂制造的高精度、高效率机床同样也卖不出去。与此同时，进口机床额从1990年的5亿美元增加到1996年的25亿美元左右，民族工业受到很大打击。1998年，当国内机床销售竞争加剧、市场低迷之际，美国著名的吉丁斯·路易斯公司却看好时机，在上海成立了上海法道机床公司，年设计生产能力为500台立式加工中心，将以低价位、高技术以及现代化的管理营销理念进军中国市场。法道公司一家的年产量将等于全国机床行业加工中心产量的总和，我国机床企业在国内市场上又遭遇新的强劲竞争对手。数控机床是组成先进制造业自动化系统的重要设备。我国数控机床的拥有量在机床中占25%，数控机床的研究和普及与工业发达国家相比，有很大的差距。在我国已经应用自动化技术的企业所使用的数控系统大多数是从国外进口的，国产数控机床所用的数控系统和伺服装置，大部分是FANUC、AB、三菱、西门子等产品，严重制约了我国先进制造业生产效率的提高，阻碍了整体进行的效益和素质以及企业竞争力的增强。在我国的数控机床使用中，有些应用的很好，充分发挥了效益，而大多数却存在开动率和利用率不高、经济效益不理想等问题，造成资源的极大浪费，阻碍了企业竞争力的增强。在使用数控机床设备中又普遍存在5个“不用”的实际问题：（1）不会用——操作、编程复杂，会操作、编程的人员少；（2）不愿用——即使会操作、编程，对于单件小批量生产，由于编程繁琐，技术人员宁愿安排使用普通机床加工；（3）不敢用——编程和控制稍有失误，即造成设备和质量事故，即便采用空车运转和软材料试切，仍不能避免上述问题，特别是复杂或重要零件的加工，往往不敢用数控机床；（4）不能用——复杂工件的编程量较大，受控制系统容量限制而不能使用；（5）不好用——某些商品化编程软件，只提供加工理想形状的几何仿真，不考虑工件实际成形的物理仿真和切削过程仿真，不提供切削参数优化功能，遇到大型复杂工件，即使计算机能够自动生成数控代码，操作者仍感程序调整困难。技术引进的先进制造设备，有的出现软、硬件不是同一厂家产品现象，造成软件部分功能与硬件不配套，甚至某些动作无法执行，或者系统软件又缺乏硬件的一些功能指令资料及接口软件等，影响了先进制造设备的开发工作。分析原因分析导致数控机床利用率偏低、使用范围有限等现状的原因，我们看到我国的数控技术资源分布不均衡是一个很重要的因素，往往是具有硬件设备，却缺乏软件力量。即数控机床的软硬件资源、高素质人员（包括产品设计、数控编程、机床操作等人员）资源很难同时兼有而又达到亲密配合程度。例如：数控代码编程能力有限，致使数控机床的使用受到限制；代码校验需要软材料试切，缺少自动检查工具；数控切削的在线监测和分析手段不完善；切削参数出现变化时，不具备自调能力等等。根据我国数控机床实际生产和使用中所存在的问题，需要我们一方面亟待发挥、提高国产数控机床产品的功能与效率，提高售后服务质量和水平，扩大市场占有率；另一方面也需要“激活”企业现有的一批数控机床，充分利用并提高其功能与效率，使之真正发挥先进制造装备的高效率、高功能作用。网络制造技术应用于数控加工中的意义数控机床的使用技术不是简单的设备使用问题，而是一项具有一定规模的系统应用工程。所以，不仅要在数控系统软硬件上提高技术的可靠性和稳定性，还要在生产模式上发生改变。将网络制造技术应用于数控加工中具有以下意义：

（1）生产管理模式的创新

拥有数控加工装备的网络联盟企业是若干企业的联盟，同时它把市场中的输入方（供应商）和输出方（顾客）都纳入相互结盟的、共担风险共享利益的、统一的商务活动之中，形成一个完整的商务概念和网络经营环境，从而使企业的生产管理出现了新模式，为企业向全球化发展奠定基础。（2）利用软件资源提高设备使用率Pro/E、UG、MasterCAM等商品化软件的出现为先进制造特别是数控加工增添了活力，它们可完成产品的三维设计、NC代码自动生成、代码校验仿真以及有限元分析等工作。但是，购买该类软件费用昂贵，高达几十万甚至上百万。使用网络制造技术实现该类软件各功能模块的网络发布与浏览，不但可使企业节约软件购买费用，还可以使技术工人省去繁琐的数控编程和软材料试切等过程，实现网上NC代码生成和网上走刀轨迹校验，验证正确性后直接投入生产，从而提高数控机床的使用率。（3）有利于人员的技术培训人员素质在先进制造中起的作用相当大，他可以主观的决定是否使用先进制造设备。所以，提高技术人员素质势在必行。但是培训技术人员，势必需要投入大量资金，而且在短期内还很难见效。实现网络化培训可大大缓解这一矛盾，可使员工在任意时间均可得到技术训练。（4）实现资源共享产品的加工信息、物料流动、经验交流等可公开性资源可以实现网上共享。另外为先进制造开发的CAD/CAM/CAE软件资源也可以集成到网络上，实现多节点、多企业使用，在一定程度上解决资源分配不均的问题。（5）顺应未来制造业发展趋势未来制造业的高技术化、产品日益多样化、对市场反应灵敏化等要求，都需要实现数控加工等先进制造技术的网络化。（6）符合华人制造业特点我国大陆的主要优势是：有相对雄厚的科技人才和科技力量；有数量众多又勤劳简朴的劳动力；还有巨大的国内制成品市场。港澳地区的主要优势是：有善于在国内外市场上经营的管理人才和管理经验；有灵通的经济技术信息；有广泛的贸易网络和贸易渠道；有健全的金融机构、丰富的融资经验和融资能力。台湾地区的主要优势是：有善于经营的管理人才和管理经验；有相当广泛的贸易网络和贸易渠道；有相当规模的科技力量；有相当规模的资金；在制造业的某些领域也有相当的实力和基础。所以，集众家制造特点之所长，建立华人制造业先进装备网络，有利于提高我国制造业的竞争力。综上所述，网络化制造是基于网络的制造企业的各种制造活动及所涉及的制造技术及系统的总称[2]。网络化制造有着丰富的内涵，其内容还在不断丰富的过程当中。所具有基本特征主要有：1、基于网络的先进制造模式，企业通过互联网，企业内、外联网组织并管理；2、快速响应市场需求；3、资源整合共享，节省成本；4、突破了地域和时间的限制等特征。网络制造关键技术及现如今存在的发展瓶颈

在网络化制造的研究与应用中，涉及大量的组织、使能、平台、工具、系统实施和运行管理技术，这些技