?引言

    1970年，托夫勒(Alvin Toffler)在其《未來的沖擊(Future Shock)》一書中提出了一種全新生產方式的設想：以類似于標準化或大批量生產的成本和時間，提供滿足客戶特定需求的產品和服務。1987年，達維斯(Stan Davis)在《未來的理想生產方式(Future Perfect)》一書中，將這種生產方式稱為大批量定制(Mass Customization)。大批量定制又稱大規(guī)模定制、大規(guī)模客戶化生產、批量定制和批量客戶化生產等。這種既能滿足客戶的真正需求，而又不犧牲企業(yè)效益和成本的生產方式，正成為21世紀的主流生產方式。

    大批量定制是一種集企業(yè)、客戶、供應商和環(huán)境于一體，在系統(tǒng)思想指導下，用整體優(yōu)化的思想，充分利用企業(yè)已有的各種資源，在標準化技術、現(xiàn)代設計方法學、信息技術和先進制造技術等的支持下，根據(jù)客戶的個性化需求，以大批量生產的低成本、高質量和高效率提供定制產品和服務的生產方式。

1 外部多樣化和內部多樣化

    為了支持企業(yè)以大批量生產的效益，生產滿足客戶個性化需求的定制產品，必須盡可能減少產品內部多樣，增加產品外部多樣化，這是大批量定制的核心。

    產品多樣化可分為兩類：客戶可以感受到的產品外部多樣化；在產品的設計、制造、銷售和服務過程中，企業(yè)可以感受到的產品內部多樣化。

    圖1以一個簡單的例子，說明了產品外部多樣化和內部多樣化之間的聯(lián)系與區(qū)別。當一位客戶購買汽車時，除了對汽車的品牌、價格、發(fā)動機缸數(shù)以及最高時速等方面提出基本要求以外，還會提出其他一些需求，例如換檔方式(自動、手動)、車頂形式(敞蓬、硬頂)、顏色(藍色、黑色、紅色等)、座椅(布質、皮質)及其他選擇(ABS、GPS等)等。為了盡可能滿足客戶的各種個性化需求，企業(yè)應該對產品結構、組織結構和過程結構進行優(yōu)化，以便只需進行很少的改動，就可以達到以最少的內部多樣化獲得盡可能多的外部多樣化的目的。

    1.1 產品外部多樣化

    產品外部多樣化直接面向客戶，往往與客戶需求的多樣化直接相關。產品外部多樣化分為兩類：

    (1)客戶歡迎的、有用的外部多樣化   例如，能夠使客戶對產品更加滿意的有用的選項、不同的風格以及不同的規(guī)格等。應該在成本和生產效率允許的范圍內，盡量增加有用的外部多樣化。

    (2)客戶不在意的、無用的外部多樣化   對客戶來說，不在意的、無用的外部多樣化是表面性的、不重要的，甚至是令人不知所措的。無用的產品外部多樣化是由于開發(fā)人員沒有仔細分析客戶的真正需求而造成的，它只會產生負面影響。

    1.2 產品內部多樣化

    產品內部多樣化通常表現(xiàn)為零部件、工具、夾具、原材料和工藝過程等方面過多的和不必要的種類。這種客戶察覺不到的內部多樣化，嚴重地影響產品的成本、質量和交貨期。通過標準化技術，可以將產品內部多樣化減至最少。

    一般情況下，產品外部多樣化能為客戶提供豐富的選擇；而產品的內部多樣化則會造成產品成本的提高、質量的不穩(wěn)定和交貨期的延長，應盡量加以避免。本文第4部分將分別從設計、管理和制造三方面進一步介紹消除產品內部多樣化的具體方法。

2 大批量定制的技術體系

    大批量定制是一種將相似性原理、重用性原理和全局性原理與應用實踐相結合的生產方式，以減少產品內部多樣化、增加產品外部多樣化為目的，在空間上對整個產品族、在時間上對產品全生命周期進行全方位的優(yōu)化，低成本、快速地生產定制產品。圖2描述了大批量定制的技術體系。該體系由四個具有密切聯(lián)系的部分組成，即大批量定制的基本原理、面向大批量定制的開發(fā)設計技術、面向大批量定制的管理技術和面向大批量定制的制造技術。

    圖3表示了大批量定制的基本思路。由于社會的進步和科學技術的發(fā)展，消費者的個性化需求日益迫切，要求企業(yè)提供滿足其個性化需求的定制產品。產品的多樣化，可以進一步分成客戶可以感受到的、展現(xiàn)產品個性化的產品外部多樣化，以及在產品的設計、制造、銷售和服務過程中企業(yè)可以感受到的產品內部多樣化。大批量定制所面臨的矛盾是既要充分展現(xiàn)產品的外部多樣化，又不能因為不必要的產品內部多樣化對企業(yè)造成壓力。為了解決這一矛盾，在相似性、重用性和全局性等基本原理的指導下，采用面向大批量定制的開發(fā)設計技術、面向大批量定制的管理技術和面向大批量定制的制造技術，以大批量生產的效益生產出符合客戶個性化需求的產品。

3 大批量定制的基本原理

    大批量定制的基本原理包括相似性原理、重用性原理和全局性原理。這些原理緊緊圍繞減少產品內部多樣化，增加產品外部多樣化而提出，相互間存在著十分密切的聯(lián)系，為面向大批量定制的設計、管理和制造指出了解決問題的思路和方法，使企業(yè)能高效率地設計和制造按客戶需求定制的產品，避免為滿足客戶的個性化需求耗費過多的成本和時間。

    3.1 相似性原理

    大批量定制的關鍵是識別和利用大量不同產品和過程中的相似性。通過充分識別和挖掘存在于產品和過程中的幾何相似性、結構相似性、功能相似性和過程相似性，利用標準化、模塊化和系列化等方法，減少產品的內部多樣化，提高零部件和生產過程的可重用性。

    在不同產品和過程中，存在大量相似的信息和活動，需要對這些相似的信息和活動進行歸納和統(tǒng)一處理。例如，通過采用標準化、模塊化和系列化等方法，建立典型產品模型和典型工藝文件等。這樣，在向客戶提供個性化的產品和服務時，就可以方便地參考已有的相似信息和活動。

    產品和過程中的相似性有各種不同的形式。例如，有零件的幾何形狀之間的相似性，稱為幾何相似性;有產品結構之間的相似性，稱為結構相似性；有部件或產品功能之間的相似性，稱為功能相似性；有事務處理過程之間的相似性，稱為過程相似性。通過歸納，存在于零件幾何形狀之間、產品結構之間、部件或產品功能之間以及事務處理過程之間的相似性，形成標準的零部件模塊、標準的產品結構和標準的事務處理過程，以供日后重用。這些歸納方法對減少產品的內部多樣化具有非常重要的作用。

    圖4給出一個通過分析零件幾何相似性減少產品內部多樣化的例子。某生產動力機械的企業(yè)在其產品中一共采用了15種形狀相似的聯(lián)軸器。對于客戶來說，他們關心的是整個產品的功能和性能，而并不關心其有多少種不同形狀的聯(lián)軸器，所以這是多余的內部多樣化，只會增加產品成本和管理的復雜性，應盡可能加以消除。經過設計人員和工藝人員的分析，將這15種相似形狀的聯(lián)軸器標準化為一種標準模塊。在此基礎上，利用CAD/CAPP/NC系統(tǒng)進行變型，以適應各種產品的需要。這種做法簡化了產品的設計和制造，明顯降低了產品成本，提高了質量(因為此時可以用同樣的鍛坯、同樣的工裝夾具、同樣的工藝和同樣的NC程序進行零件加工)。圖4所示只是一個普通的實例，在實際生產中這種情況比比皆是。

    3.2 重用性原理

    在定制產品和服務中存在著大量可重新組合和可重復使用的單元(包括可重復使用的零部件和可重復使用的生產過程)。通過采用標準化、模塊化和系列化等方法，充分挖掘和利用這些單元，將定制產品的生產問題通過產品重組和過程重組，全部或部分轉化為批量生產問題，從而以較低的成本、較高的質量和較快的速度生產出個性化的產品。

    3.3 全局性原理

    實施大批量定制，不僅與制造技術和管理技術有關，還與人們的思維方式和價值觀念有關。除了從精益生產、敏捷制造、現(xiàn)代集成制造和成組技術等方式中吸取有益的思想以外，還要吸取一些特別重要的基本思想和方法，即定制點后移方法、總成本思想和產品全生命周期管理等。

4 大批量定制的關鍵技術

    大批量定制的關鍵技術，包括面向大批量定制的開發(fā)設計技術、面向大批量定制的管理技術和面向大批量定制的制造技術，這些技術覆蓋了產品的整個生命周期。

    4.1 面向大批量定制的開發(fā)設計技術

    面向大批量定制的開發(fā)設計技術是實現(xiàn)大批量定制的核心和源頭。它包括產品的開發(fā)設計技術與過程的開發(fā)設計技術，前者的對象是產品，后者的對象則是產品的制造或裝配過程。完整的面向大批量定制的開發(fā)設計過程由面向大批量定制開發(fā)，以及面向大批量定制設計兩個過程組成，這兩個過程的目的和任務雖然不同，但卻具有十分緊密的聯(lián)系。

    圖5表示面向大批量定制的開發(fā)設計的原理。從圖5可以看到，整個過程是在PDM/ERP系統(tǒng)的支持下完成的。

    根據(jù)不同的產品特征和不同的大批量定制形式(按訂單裝配ATO、按訂單制造MTO和按訂單設計ETO)，可以采用不同的開發(fā)設計技術。圖6反映了一種比較典型的面向大批量定制的開發(fā)設計過程，這一過程特別適用于MTO或ETO的機械產品。在整個設計過程中，充分考慮了定制點后移的問題。

    從圖6可見，面向大批量定制的開發(fā)和面向大批量定制的設計是建立在產品主結構、零部件主模型和主文檔基礎上的。產品主結構、零部件主模型和主文檔是標準化和規(guī)范化的結果，也是實現(xiàn)產品資源重用的基礎和實現(xiàn)產品配置設計和變型設計的關鍵。

    (1)產品主結構   描述了一個可配置的，包括所有標準構件的模塊化產品系統(tǒng)的組成情況，可根據(jù)不同客戶的需求，從產品主結構中派生出客戶定制產品的結構。

    (2)零部件主模型   或稱原始模型，利用一些關鍵的參數(shù)，來描述零部件外型和尺寸之間的聯(lián)系，只需在主模型中輸入一組數(shù)值，就可自動派生出零部件的一個變型(如圖4)。

    (3)零部件主文檔   在變型設計中，所謂主文檔就是各種模板的總稱。利用不同的模板可以派生出不同類型的文檔。例如，為了派生某個零件或部件的工程圖，需要建立該零件或部件的工程圖模板，稱其為主圖；為了派生某個零件或部件的工藝過程規(guī)劃，需要建立該零件或部件的工藝過程規(guī)劃模板，稱其為主工藝過程規(guī)劃；為了派生加工某個零件或部件的NC程序，需要建立該零件或部件的NC程序模板，稱其為主NC程序，等等。

    面向大批量定制開發(fā)是一個創(chuàng)造性的過程，其主要任務是：確定新產品的工作原理；進行新產品的概念設計；進行零部件的標準化和規(guī)范化；建立面向大批量定制的產品模型和過程模型。根據(jù)工作內容的不同，面向大批量定制開發(fā)過程又可以進一步分為前期工作階段和產品建模階段。

    前期工作階段的主要任務是做一些基礎性的準備工作，這些工作雖然十分瑣碎、數(shù)量大，但很重要，沒有這些基礎性的工作就無法順利實施大批量定制。前期工作階段的主要內容有：建立面向大批量定制的編碼體系、零部件ABC分析、零部件分類和零部件名稱分析等。

    產品建模階段的主要任務是在前期工作的基礎上建立零部件主模型、主文檔和產品主結構，主要內容有：零件幾何形狀分析、零件參數(shù)分析、建立零部件主模型、建立零部件主文檔和建立產品主結構。

面向大批量定制設計的主要任務是：在產品主結構、零部件主模型和主文檔的基礎上，根據(jù)客戶的需求，迅速地提供正確的報價；利用在開發(fā)過程建立的產品模型和過程模型，選用標準零部件，快速設計產品和完成制造過程，縮短定制產品的交貨周期。面向大批量定制設計的關鍵技術包括產品變型設計技術和產品配置設計技術等。

    圖7以聯(lián)軸器為例，表示了在主模型、主圖、主工藝過程規(guī)劃和主NC程序基礎上進行變型設計的原理。將事物特性表中的某一行數(shù)據(jù)(相當于某一個具體零件的尺寸)與標準模塊的主圖庫、主工藝過程規(guī)劃庫和主NC程序庫中的模型相結合，即可自動生成具體零件的工程圖、工藝過程規(guī)劃和NC程序。這些導出的文檔與原始模型之間具有很強的相似性，可以看作是原始模型的一種系列化變型。

    圖8表示了模塊化工業(yè)汽輪機汽缸配置設計的原理。根據(jù)客戶的不同要求，可以用基本結構塊組合成不同型號的工業(yè)汽輪機汽缸。在組合時，為了盡可能使過渡圓滑，并使汽輪機具有盡可能高的效率，采用了具有各種不同作用的連接部分，如減壓段、過渡段、延長段和法蘭段等。在該工業(yè)汽輪機組合產品系列中，所有的結構塊基本上采用了一定的公比。例如，進汽段采用了R10數(shù)系，其型號分別為25，32，40，50和63；排汽段采用了R20數(shù)系中的一部分，其型號分別為28，36，45，56，63，71，80和90。圖9表示利用不同標準模塊組合而成的工業(yè)汽輪機汽缸。

    4.2 面向大批量定制的管理技術

    面向大批量定制的管理技術是實現(xiàn)大批量定制的關鍵技術。為了獲得全面實施大批量定制的綜合經濟效益，除了在開發(fā)設計階段應用大批量定制的原理以外，還應該針對大批量定制在管理方面的特點，采用相應的管理技術，包括各種客戶需求獲取技術、面向大批量定制的生產管理技術、面向大批量定制的企業(yè)協(xié)同技術、面向大批量定制的知識管理和企業(yè)文化等。這些技術形成了一個完整的體系，分別在不同的階段，從不同的層次，支持企業(yè)實現(xiàn)大批量定制。

    面向大批量定制生產管理的主要特點是(如圖10)：客戶信息的有效管理、供應商信息的有效管理、產品信息的有效管理、產品定制信息的有效管理和ERP/PDM系統(tǒng)集成。

    對于復雜產品的大批量定制，特別是對于復雜的ETO產品，其生產計劃的編制具有一定的難度。因為在根據(jù)客戶的需求進行產品報價時，一般還不知道該產品的準確結構，產品中的很多零部件還未被設計出來，產品的BOM是不完整的，所以不能使用通常的MRP方法處理訂單。對于復雜的ETO產品，從接受客戶的訂貨到技術準備結束，形成準確的BOM，這段時間大約占整個產品生產周期的一半。這就是說，通常的MRP方法只適用于生產過程的后半部分。為了解決這些問題，可采用粗生產計劃管理系統(tǒng)來管理生產過程的前半部分，形成粗生產計劃、生產計劃和作業(yè)計劃三層計劃模式。

    產品的粗生產計劃是在合同簽訂過程中或合同簽訂以后，由經營計劃部門根據(jù)該產品的交貨日期以及企業(yè)的生產負荷，按照均衡生產原則，安排出各關鍵零部件的生產計劃日程。

    編制粗生產計劃的主要步驟是：確定“壓縮”的部件構成表、選擇參考產品、編制粗生產計劃、預估當前產品的負荷、生成負荷)能力平衡表和重新計算當前產品負荷等。粗生產計劃一旦編定后就不再修改，在其規(guī)定的時間節(jié)點限定下編制生產計劃。圖11表示了粗生產計劃與產品開發(fā)設計、生產計劃、作業(yè)計劃和產品制造的聯(lián)系。

    可在產品粗結構基礎上編制而成的粗生產計劃，不但可作為毛坯和原材料采購的依據(jù)，而且起著協(xié)調和控制產品總體設計和詳細設計進度的作用(圖11中的虛線箭頭)，直到技術準備完成，產生完整的BOM。此時，可以在粗生產計劃規(guī)定的時間框架下編制生產計劃和作業(yè)計劃。這種三層計劃模式，特別適用于ETO的模式。如果能夠實現(xiàn)按零部件為單位組織生產，則得到的效果會更佳。

   4.3 面向大批量定制的制造技術

    大批量定制除了在產品開發(fā)和管理方面采用各種先進的技術和系統(tǒng)以外，對底層的制造技術和系統(tǒng)也提出了較高的要求?？偟膩碚f，面向大批量定制的制造技術應具有足夠的物理和邏輯的靈活性，能夠根據(jù)被加工對象的特點，方便、高效、低成本地改變系統(tǒng)的布局、控制結構、制造過程和生產批量等。當然，為了有效地實現(xiàn)面向大批量定制的制造，在制造過程的上游還必須提供一定的條件。例如，產品設計和工藝設計必須做到標準化、規(guī)范化和通用化，以便在制造過程中利用標準的制造方法和標準的制造工具，優(yōu)質、高效、快速地制造出客戶定制的產品。

    根據(jù)側重面不同，可將面向大批量定制的制造技術分為自動化制造技術和合理化制造技術(如圖12)。這兩類技術是密切相關的，并沒有十分明確的界限。相比之下，前者側重于通過直接利用先進的加工和裝配技術以及先進的制造裝備解決各種大批量定制問題，比較偏重硬件和技術層面；而后者則更側重于通過系統(tǒng)的合理化和集成優(yōu)化，增強制造系統(tǒng)的靈活性，以滿足不同客戶的個性化需求，比較偏重軟件和管理層面?？芍亟M制造系統(tǒng)介于兩者之間，是自動化制造技術與合理化制造技術的有機結合，汲取了兩者的長處，所以，在圖12中將可重組制造系統(tǒng)作為第三種面向大批量定制的制造技術。

    支持大批量定制的自動化制造技術，主要是一些適應客戶定制要求的單元制造技術，可以將其分成兩類：快速制造技術，包括快速原型技術、快速換模技術和精密成形技術等；計算機控制技術，包括虛擬軸機床、各種新型的加工中心、柔性組合機床、柔性生產線和柔性制造系統(tǒng)等。這些技術和系統(tǒng)已廣泛應用于生產實踐中。

    支持大批量定制的合理化制造技術，包括建立在相似性理論基礎上的成組技術，面向零件族加工全過程的單元制造系統(tǒng)，將工藝設計、生產計劃調度和制造過程三者有機地聯(lián)成一體的獨立制造島等。大批量定制對可重組制造系統(tǒng)的要求是：快速地由現(xiàn)成的模塊或增加少量的新模塊裝配成新的制造系統(tǒng)；快速地將現(xiàn)有的制造系統(tǒng)重組為滿足客戶需求的新制造系統(tǒng)。可重組制造系統(tǒng)在結構上是模塊化的，在功能上是柔性的，在性能上是多代產品共用的。當產品對象需作較大變動時，仍能以較高的靈活性和較低的改造費用迅速地實現(xiàn)轉產?？芍亟M制造系統(tǒng)有多種不同形式，如可重組機床、可重組制造系統(tǒng)和自治分布式制造系統(tǒng)等。

5 結束語

    大批量定制的基本思路是，基于相似性原理、重用性原理和全局性原理，將定制產品的生產問題通過產品重組和過程重組，全部或部分轉化為批量生產問題，盡可能減少產品的內部多樣化，增加產品的外部多樣化。本文探討了面向大批量定制的開發(fā)設計技術、面向大批量定制的管理技術和面向大批量定制的制造技術，采用這些技術，可以有效地以大批量的低成本、高質量和短交貨期向客戶提供個性化的定制產品和服務。