基于PDM的敏捷制造系统研究

引言

竞争使得一个产品生命周期越来越短，制造技术越来越复杂，生产批量越来越少。过去大批量生产的刚性的生产线显得越来越不适应目前的市场需求。竞争要求企业能将原有的刚性生产模式改成敏捷化的。面对市场个性化的要求，企业必须迅速进行重组，以对市场机遇作出敏捷反应，生产出用户所需要的产品。当发现不能单独作出敏捷反应时，要通过信息高速公路的工厂子网和其它企业进行合作。

敏捷制造的目标是建立一种对用户需求作出灵敏快速反应的、市场竞争力强的制造组织和活动。敏捷制造系统是一种动态的生产系统，其重要的特征之一就是能够根据市场的变化通过信息交换网络将不同地域、不同企业的制造资源进行组合并以最快捷的方式生产出市场所需要的产品。

企业要想发展就只能尽可能地满足用户的各种个性化需求。在企业尽力满足用户的同时，企业里充斥了大量的产品信息、各种版本的技术文件、各种类型的产品BOM，仅仅满足了少量用户的需求，信息就已经呈爆炸式的增长，如何处理这些信息已经变成困扰用户的主要问题。PDM 作为企业信息化的新兴生力军，逐渐被引入了现代企业中。

1 敏捷制造

敏捷制造(AM)这个概念是1991年在美国国防部的资助下， 由里海(Lehigh)大学的亚柯卡(IACOCCA)研究所与美国海军制造技术办公室合作研究后提出的报告《2l世纪制造业发展战略》中提出来的。报告认为:美国的消费品生产、半导体工业、汽车工业、化学工业中传统的大批量制造企业应在未来的世纪中转变为更“灵活”的企业，否则就会在全球化的市场竞争中失去优势，即便在大批量制造企业中采用了准时生产(JIT)和精益生产(LP)，由于企业仍停留在制造每一个零件和部件的“全能”型方式下，竞争优势只体现在全能和生产规模卜，而灵活的制造则着眼于小规模、模块化组合和企业间合作生产，发挥了众多特长企业的优势来适应变化多端的市场需求，能及时抓住机遇并以极高的灵敏度响应市场。

1.1 敏捷制造的特征

敏捷化思想的出发点是基于对未来产品和市场发展的分析。随着人民生活水平的 断提高，人们对产品的需求和评价标准将从质量、功能的角度转为最大客户满意、资源保护、污染控制等等。产品市场总的发展趋势将从当今的标准化和大批最到未来的多元化和个人化。

敏捷的概念就是要提高企业的应变能力，提高其驾驭未来市场和竞争环境的能力。使其能从变化的调整中掌握主动并赢得竞争。敏捷制造要求企业能最充分、最有效地利用各种信息和现代技术，通过并行工程和仿真技术的利用，通过对全生产过程的仿真模拟，来实现第一个产品就是最优产品的目标，从而彻底取消原型和样机的试生产过程 敏捷性使企、 能以更快的速度、更好的质量、更低的成本和更优质的服务来赢得市场竞争。

为了抓住多变的市场机遇，快速完成各类生产任务，敏捷制造企业的生产系统必须具有高度的灵活性(柔性)和可重组性，根据产品结构的相似性建立模块化的制造单元或智能加工单元，这种单元能根据生产任务的需要构成相应的生产系统，通过智能制造过程控制器、制造过程监测器、生产过程建模和仿真技术，快速可靠地执行加工任务。

1.2 企业实现敏捷制造的内外条件

里海大学是对AM 研究较早也是较完整的科研机构。目前其对敏捷制造的定义也较权威:敏捷制造是一种结构，在这个结构中每个公司都能开发自己的产品并实施自己的经营战略。构成这个结构的基石是三种基本资源:生产技术、管理和人力资源。敏捷性源于这三种制造资源的有效集成。生产技术包括以下特点:敏捷的技术支持、工作过程并行化，设计面向产品的整个生命期，在宽带网上采用严格通用的数据交换标准，实现分布式企业集成和分布式并行操作等。管理技术包括动态组织结构、虚拟企业、全工厂网络等领域。AM 特别强调人是决定性的，强调通过继续教育和激励机制培养具有丰富想象力、主动性、创造性和熟练技能的企业雇员。

为了抓住市场机遇，要求企业内部必须做到如下三点:① 加快设计方案向生产的转换;②缩短生产提前期;③ 严格控制和降低材料成本。

企业外部应满足:①企业模式应是在行业内若下家产品型中小企业组成企业联盟，选举某一骨干企业为盟主企业，其它企业成为其盟员企业，形成“一主多从”的企业模式，通过网络进行协同工艺设计，有效地缩短设计周期，以适应敏捷制造环境的要求;②企业间的工艺资源信息要高度集成和适时共享，具有对市场的快速响应性，能提供多种信息描述与获取手段，能适应不同的敏捷化企业和加工对象，支持制造资源的动态重组和优化配置。

　2 PDM 是敏捷制造的必然选择

由于客户的个性化要求必然导致企业内部同一类的产品数据存在大量的不同版本，加上在同一产品以及同一产品族的不同研制阶段数据的不同，从而使得数据变化的一致性成了最迫切的要求。PDM 的出现为这个问题的解决提供了一种可能的技术支持。

2.1 PDM 的概念

PDM (Product Data Management， 产品数据管理)技术，最早出现在20世纪80年代初期。当时，随着CAD技术的逐步成熟，广泛应用CAX技术导致企出现大节的电了图档，而且电子图档在数量上往往会呈指数级增长 。在这样的情况 ，如何有效地管理这些文档就成为企业必须面对的问题。这种需求，直接导致了PDM 原型技术的出现。随后，在应用方面，PDM 技术逐步增加了产品结构管理、工作流管理等技术，形成第一代PDM。第一代PDM 在功能上主要包括电子绘图仓库、数据版本控制和初步的产品结构管理。在此基础上，后来又增加了产品配置管理等功能。

图1PDM 的发展历程

PDM 的发展历程见图l。如 1所示，第一代PDM 专注于设计阶段工程信息的管理，产品设计与制造的脱节没有得到很好的解决，在这样的背景之下，出现了第二代产品数据管理(PDM II)的概念。PDM II有三个核心的要素:虚拟产品开发管理(VPDM)、传统的PDM、ERP系统。从软件功能的角度讲，这个时代的产品具备了工作流管理和产品生命周期这样的模块，并且管理的范围扩展到企业一级。从PDM II所提供的功能上可以看出，这个时代的PDM 系统隐含着这样的基本管理思想:通过流程自动化手段，将技术人员放到产品开发的流水线中，并通过自动化的流程追求产品开发的低成本和高效率。

尽管PDM 的内涵和外延不断扩展，但其核心脉络还是比较清晰的。著名的咨询机构CIM data对PDM 是这样定义的:PDM是一门管理所有与产品相关的信息和过程的技术。而Gartner Group对PDM 的定义则为:PDM 是一个辅助工具，它用于在企业范围内构造一个从产品策划到产品实现的并行协作环境，一个成熟的PDM 系统能够使所有参与创建、交流以及维护产品设计意图的人员在整个产品生命周期中自由共享与产品相关的所有异构数据，如图纸与数字化文档、CAD 文件与产品结构等。

2.2 PDM 的功能

PDM 系统包含许多基本功能。企业可以用电子方式管理文档，可以迅速、安全、 效地维护、获取、修改图纸和技术相关信息。如果企业想使用PDM系统，一定确保包含下列功能: 电子数据保存和管理;灵活组织文件;支持多种文件格式;文档安全性;分类与查询管理;用户化工具;集成功能;产品管理;产品结构管理;工作流程管理;项目管理。

3 构建基于PDM 的敏捷制造系统

PDM 建立了一个产品开发的平台，使企业能够运用并行工程(Concurrent Engineering)的原理，使产品在设计阶段就包含产品相关的各个部门，如设计、工艺、制造、采购等，能够让各个部门协同工作。设计人员在初期就可以选用满足要求并且成本低的零部件，产品设计的缺陷(无论是影响产品性能，还是影响产品的可制造性)也可以被及早发现，从而减少了工程变更的次数，缩短厂产品的研发时间。

3.1 构建PDM 数据库，提高设计重用性

面对海量的信息和技术人员的高流动性，企业越来越感觉到智力财产是企业的最大财富。用好已经存在的智力财产、以较低的成本获取尽可能多的智力财产变成了大部分企业的根本愿望。

从产品开发的过程中，设计师乃至企业都能认识到持续创新来源于对现有设计的反复重用。大部分产品设计在本质上都不是全新的，而仅仅是以前设计的改进。正确使用PDM 不仅可节约设计过程所投入的人力物力，更可减少在整个部件的生命周期中所涉及到的部门所投入的人力、物力，例如采购成本、仓储成本、测试成本、检验成本、维护成本等。PDM 作为所有产品知识的唯一数据源，提供了丰富的知识查询手段，特别是对部件和文档的分类管理，使PDM 真正成为了一个能够读解数据含义的业务知识系统，使得PDM 远远超出了普通的文档服务器（File Server or FTP)以及VSS这样的协同控制领域，成为最接近知识管理的应用系统。

3.2 使用PDM 数据库， 降低设计成本

产品7O%以上的成本是在设计阶段决定的，因此在产品设计阶段降低成本的空间也最大。设计时，设计人员能否在设计阶段利用类似于PDM 的信息系统，很方便地优先选用零件库中价格低、质量优的零件，很大程度上决定了整个设计过程的优化次数，当然也决定了产品的设计成本和交付时间。同时工艺和制造工程师也可以参加到设计的审查中，对设计提出自己的意见，使设计更加符合工艺和制造要求，使加工成本得以降低。设计变更时，PDM 能确保协作团队使用的是同样版本的文件和数据，避免了因为单纯共享有可能带来的版本谬误，减少团队的废工。

4 结论

PDM 是构筑在关系型数据库基础上的集成平台，以一个共享数据库为中心，可以跨越操作系统平台与应用软件平台，能够实现多平台的信息集成，敏捷制造和PDM 的结合必然使得现代企业能立于不败之地。

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