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基于产品开发早期阶段的制造系统综合规划方法

Chantal Steimera,*, Marcel Cadetb, Jan C. Auricha, Nicole Stephanb

摘 要

在过去的几十年中，制造企业面临的最严峻挑战之一，是需要缩短产品上市时间并提高产品工程流程（PEP）的效率。这个现象的导致因素正在改变客户的需求、缩短技术周期，技术周期会引起产品的变化和明显的市场饱和。因此，公司需要提高产品工程流程的效率，尽管该领领域有相当大的改进，例如同步工程和数字工厂的概念。今天，产品工程流程的三个主要阶段（产品开发（PD），制造系统规划（MSP）和制造）仍然按顺序执行。由于产品工程流程并行化步骤已经在改进，进一步改进的努力应集中在制造系统规划和产品开发之间的接口上。传统意义上，制造系统规划在产品开发完成后启动。因此，一方面，产品开发人员不会提供有关产品制造的信息。因此，他们无法协助在设计备选方案上的选择决策。另一方面，制造系统规划无法影响产品设计。这导致更昂贵或不可制造的产品。本文提出了一种基于产品开发早期模糊信息的集成制造系统规划的创新方法。它仅在制造系统规划的第一步中使用来自产品开发的规范阶段和概念设计阶段的信息。该方法旨在显著改进诸如更频繁的反馈回路、减少产品开发后昂贵的校正回路、以及使制造增长更稳定等。本文总结了产品开发和制造系统规划的理论基础，强调了研究的必要性，并概述了概念发展的进一步步骤。另外，关于两个领域之间的链接，本文更详细地描述和研究了产品开发和制造系统规划的早期阶段。文章还提出了概念发展的基础，旨在尽早启动制造系统规划，提高产品工程流程的效率。

关键词：规划；积分；制造业；产品；发展

第1章 介绍

如今，制造企业面临着不断变化的条件。它们经历了激烈的市场饱和，并以与大众产品相同的成本改变客户对个性化产品的需求。这导致更高的复杂性和对组织、规划和制造过程中更多灵活性的需求。与此同时，技术周期的长度也在减少。因此，实施产品变更并相应缩短产品生命周期。这些变化的条件导致了众所周知且固有的挑战。特别是公司需要进一步缩短新产品的上市时间，甚至更早开始生产。较短的产品生命周期需要更快的产品开发和相应制造系统的规划。这意味着，产品工程流程（PEP）的效率必须进一步提高。今天，尽管在该领领域有相当大的改进，例如同步工程或数字工厂的概念，但产品开发（PD）和制造系统规划（MSP）的完全集成并未达到。

需要一种创新方法来解决产品开发和制造系统规划早期阶段的整合问题。因此，在下文中，产品开发和制造系统规划的理论基础是

图1. 产品开发和制造系统规划作为产品工程过程的各个阶段

总的来说，强调了研究的必要性，并阐述了概念发展的进一步步骤。特别是关于两个领域之间的显著联系，描述和研究了产品开发和制造系统规划的早期阶段。

第2章 目前技术水平

以下段落概述了产品开发、制造系统规划以及这些领领域的综合方法的最新技术。

2.1产品工程流程

产品工程流程是产品生命周期（PLC）的一部分。生命周期代表产品的整个寿命。它始于第一个产品理念，并持续到生命的尽头，例如回收或报废。根据文献，生命周期分为五个最多七个连续阶段。本文参考了由六个阶段组成的生命周期的定义，如图1所示。

产品工程流程最常见的是三个连续的生命周期阶段。一些人将产品工程流程从规划阶段定义为制造系统规划阶段，其他人则从产品开发阶段到制造阶段。然而，所有定义的共同之处在于它们包括产品开发和制造系统规划，由两个顺序处理的阶段表示。

2.2产品开发

无论是在国内还是国际上，机械工程中都有大量的产品开发方法。在德国研究界，根据VDI指南2221和2222的方法已经建立，其中特别基于帕尔/贝茨，哈布卡和罗登纳克的方法。因此，该方法被细分为四个主要阶段：规划，概念设计，实施例设计和细节设计（图1）。在规划阶段，更详细地阐明了产品开发任务。结果是，产品开发过程中伴随并不断更新和改进其进度的需求清单。概念设计阶段细分为几个设计阶段。它产生功能结构以及工作结构，从而产生产品的主要解决方案。在实施例设计阶段，所选择的原理解决方案被分成产品模块，这些产品模块被进一步精心设计和设计此阶段的结果是产品的确定布局。最后，产品在详细设计阶段完成，并生成产品文档。除了这种方法，还有其他几种方法，如慕尼黑产品具体化模型或乌尔里希和埃彭格的产品开发方法。

2.3制造系统规划

在文献中，制造系统规划被定义为工厂规划的一部分和正式的问题解决过程。这意味着在早期规划阶段的规划或决策过程中的错误会对规划课程和成本产生很大影响。总的来说，工厂规划项目很复杂，因为它们的范围、跨学科和多功能性。存在许多不同的规划方法（图2）。早期的，仅在1980年至2000年间引入，通过将规划过程划分为具有已定义任务的连续阶段，集中于构建工厂规划。有时阶段会通过迭代来补充。规划方法在规划阶段的数量和详细程度方面有所不同，但在内容和分析程序方面是相同的。随后的计划阶段基于先例阶段，迭代地补充，具体化或纠正它们。

早期规划方法的所有步骤都可以分配到五个不同的参考阶段：准备，结构规划，详细规划，实施计划和执行（图2）。在准备阶段，包括初步工作和目标规划。在结构规划中，设计了制造系统的理想布局和实际布局的粗略解决方案。在决定变体之后，详细规划将服务于规范直至实施阶段。实施计划定义并安排实施流程和实施项目本身的所有必要任务。执行期间，执行项目得到遵守和协调，直到最终确定。

更新的工厂规划方法是工厂规划的逆流方法或亚琛的工厂规划方法等。虽然较新的方法基于早期方法，但它们可以应对自身的一些缺点。例如，逆流法使用并行的双管齐下方法。基于生产计划的经典的分析性的自上而下的计划与自下而上的综合体相结合，该综合体用于检查日常的车间操作。然而，亚琛的工厂规划方法还将完整的规划过程从准备到执行划分为不同的标准化规划模块。这些可以按可变顺序执行，灵活组合并跳过或根据需要添加。模块自定义内容，接口和信息流到其他模块，可以顺序进行，也可以并行进行。

早期和更新的工厂规划方法的共同点是，它们假设有关产品和生产计划的详细和固定信息。产品开发即将完成后，此信息是明确的。尽管如此，即使今天制造系统规划仅在产品已经由技术图纸和CAD工具指定的情况下才会启动，这些工具源于

产品开发的后期阶段。到目前为止，产品设计变更是昂贵的并且导致耗时的迭代循环。

2.4集成开发过程的现有方法

具有不同时间阶段的产品开发和制造系统规划的顺序规划过程无法应对缩短的生命周期和不断增加的规划复杂性的挑战，流程效率低下，没有相互关联，也不适合协同工作。因此，一些完整的、部分与产品和生产并行发展的方法已经被开发出来。其中一些概述如下。

同步工程（SE）表示一种在公司内部并行化流程的方法，旨在缩短开发时间，降低变更成本，提高质量并顺利提升。该概念的核心是由不同的能力和领领域组成的同步工程团队。通过组织变革和以项目为导向的公司结构实现不同专家的集中，从而实现高频率的沟通和早期协调。同步工程使用一组许多不同但孤立的方法。因此，即使在今天，公司也没有成功地充分利用同步工程的潜力。

基于同步工程，开发了产品和工艺集成设计的概念。它追求与同步工程相同的目标，并在并在产品工程的早期阶段实现产品、流程和资源设计的集成和暂时并行化。这里，除了同步工程采用的组织适应之外，基于知识的工具还用于解决产品开发，流程设计和制造系统规划之间的接口，以及操作不确定和模糊信息。产品工程的早期阶段包括从公司环境的第一个信息汇总到生产计划的所有活动。然而，仔细研究后，很明显，这种方法仅在首次产品形状和CAD设计可用之后才考虑产品开发和制造系统规划之间的接口。

VDI 2206为机电一体化系统提供了一般开发方法。在旨在整合机械学、电气工程/电子学和信息技术学科的同时，它还要求在早期开发阶段集成产品开发和制造系统规划。在制造系统的准备阶段和结构规划中，协调尤为重要。信息交换的强化影响了协作的时间、内容和强度三个维度。VDI 2206特别强调了集成产品开发和制造系统规划的重要性，但它没有提供任何方法或程序来实现这种集成，这是因为依赖于特殊情况和公司需求。作为VDI 2206的后续研究项目，mecProsup2;（基于模型的赛博电子公司产品和生产系统开发流程）的研究项目旨在开发基于系统建模语言（SysML）的赛博电子公司产品和生产系统的基于模型的集成开发流程，重点关注产品开发和制造系统规划的早期阶段。

另一种涉及同步工程的方法是产品工程的3周期模型。它起源于产品工程不应被视为严格的阶段和里程碑序列的理由。该模型将产品工程流程描述为跨学科任务的相互作用。这些任务分配给以下三个领领域：（1）战略产品规划，（2）产品开发，（3）制造系统规划。这三个领域由三个互补的规划周期表示。这个3周期流程模型通过使用来自产品开发早期阶段的信息来开发第一个制造系统概念，从而并行化并同步产品开发和制造系统规划。基于此，产品在产品设计和精加工阶段进一步具体规定。3周期模型是产品工程流程内部合作和制造系统早期概念的很有前途的方法，但它没有提供有关早期制造系统概念的方法、过程、结果和内容的详细信息。

图2. 制造系统规划的不同方法

第3章 概念开发

在接下来的部分中，研究问题的提出是为了开发一种早期阶段的产品开发和制造系统规划集成方法。出于这个原因，明确地描述了阶段的内容，显示了各领领域之间的联系，并说明了概念开发的后续步骤。

3.1研究问题

产品开发，制造系统规划及其整合方法的总结表明产品开发和制造系统规划在产品工程流程内的早期整合是有益和可取的。一些方法通过将产品的CAD模型与来自后期制造系统的技术信息相关联来实现集成。然而，没有像本文提出的那样的方法。该方法将来自产品开发的早期阶段的信息与制造系统规划的准备和结构规划阶段相关联，以创建第一个制造系统概念。该概念的目的是在高水平的抽象上提供关于制造系统的初始信息，例如已知的限制，规范，结构，技术偏好或系统元件。由于可为产品开发人员提供与生产相关的决策支持，此信息会影响产品的设计和细化。这使得可制造产品具有更低的成本，更高的质量和更平稳的生产提升。基于给定的现有技术，本文介绍了基于产品开发早期阶段的信息开发早期制造系统规划方法的必要步骤。集成方法还应包括将制造相关信息转移到产品实施例和详细设计阶段。

3.2产品开发的早期阶段

本文介绍的方法侧重于产品开发的早期阶段。基于第2.2章介绍的四个阶段，早期阶段包括规范和概念设计。产品开发首先说明客户或产品规划部门提供的任务。规范阶段的主要任务是收集产品信息以及需求清单记录的设计规范的制定。设计规范代表概念设计阶段的输入。根据设计规范，概念设计阶段决定了产品概念。产品概念描述了产品实现的功能，包括实现这些功能的工作原理。该时期的第一个设计阶段是研究产品的目的，并产生产品的整体功能，包括输入和输出。整体功能可以分解为子功能，并组合成一个功能层次结构。根据产品的复杂性，子功能之间的连接可以通过材料流、信号和能量来表示。该设计阶段的结果是产品的功能结构。在下一阶段，确定每个子功能的工作原理，并将其组合到基于功能结构的工作结构。工作原理包括物理效应以及几何和材料特性。工作原理可以用图表或手绘草图表示。为了支持搜索工作原理，存在大量常见的查找方法的解决方案。它们可以按常规方法（例如信息收集，自然系统分析），直观方法（例如头脑风暴）或话语方法（例如设计目录的使用）进行分类。通常，该设计阶段为每个子功能产生许多不同的工作原理。它们根据原理的组合导致不同的工作结构。在这里，每个子功能和不同工作结构的工作原理必须相互平衡。因此，常用的选择和评估方法被用来实现产品的理想原理解决方案。

3.3制造系统规划的早期阶段

在本文中，制造系统规划的早期阶段被定义为准备和结构规划。在下文中，详细描述了这两个阶段的内容。

准备阶段包含初步工作和目标规划的任务。制造系统规划的目标源于战略性企业目标。公司管理层负责目标规划。启动规划过程，分析当前的情况和任务，并制定初始草案。这些包括制造系统规划任务和用于估计范围、后果和资本支出的问题解决方案的第一个理论草案。因此，在计划目标时必须制定高度复杂的任务。此后，需要进行结构规划阶段的初步工作。在现有制造系统的情况下分析可用功能。生产计划是根据管理目标确定的。它定义了在制造系统中制造的产品范围、类型、变体和数量，并且对其结构和未来能力具有很大影响。一般而言，关于其构造和技术设计描述的更详细的产品，可以设计更准确的制造系统规划。根据工厂规划中的反演定律，制造系统规划由其输出决定。因此，在制造系统规划开始时及其进展期间，生产程序的规范是模糊的、不确定的、不完整的和变化的。然而，为了及时考虑流动适当的制造系统布局，必须考虑物流概念。这引导出了制造系统解决方案的初步决策。至少，对技术、机器或工作人员的需求是在生产计划的基础上估算的。估算的质量取决于可用信息的准确性。

结构规划分为理想规划和实际规划任务。它的目标是为制造系统设计理想和真实布局的粗糙解决方案。变体的详细程度视需要而定，以确定进一步规范的首选变体。理想规划的目标是独立于实际情况的功能、尺寸和结构的综合。技术、设备及其功能和处理依赖性被确定了。设备、区领域和工作人员的数量需求被计算出来了。结构化导致制造系统元件在功能上、技术上、组织上适当的处理和链接。实际规划还考虑了现有的空间环境，并根据理想的布局开发了不同的布局变体。从这些变体中，选择了优选的实施选项。因此，基本的解决方案概念是在结构规划中设计的，因此，这一阶段构成了制造系统规划的创新核心。

3.4 产品开发和制造系统规划早期阶段之间的联系

生产计划是产品开发与制造系统规划之间最广泛被认同的联系。它定义了制造系统的运行能力。重点关注四个方面：产品类型

资料编号：[5055]