?引言

    1970年，托夫勒(Alvin Toffler)在其《未来的冲击(Future Shock)》一书中提出了一种全新生产方式的设想：以类似于标准化或大批量生产的成本和时间，提供满足客户特定需求的产品和服务。1987年，达维斯(Stan Davis)在《未来的理想生产方式(Future Perfect)》一书中，将这种生产方式称为大批量定制(Mass Customization)。大批量定制又称大规模定制、大规模客户化生产、批量定制和批量客户化生产等。这种既能满足客户的真正需求，而又不牺牲企业效益和成本的生产方式，正成为21世纪的主流生产方式。

    大批量定制是一种集企业、客户、供应商和环境于一体，在系统思想指导下，用整体优化的思想，充分利用企业已有的各种资源，在标准化技术、现代设计方法学、信息技术和先进制造技术等的支持下，根据客户的个性化需求，以大批量生产的低成本、高质量和高效率提供定制产品和服务的生产方式。

1 外部多样化和内部多样化

    为了支持企业以大批量生产的效益，生产满足客户个性化需求的定制产品，必须尽可能减少产品内部多样，增加产品外部多样化，这是大批量定制的核心。

    产品多样化可分为两类：客户可以感受到的产品外部多样化；在产品的设计、制造、销售和服务过程中，企业可以感受到的产品内部多样化。

    图1以一个简单的例子，说明了产品外部多样化和内部多样化之间的联系与区别。当一位客户购买汽车时，除了对汽车的品牌、价格、发动机缸数以及最高时速等方面提出基本要求以外，还会提出其他一些需求，例如换档方式(自动、手动)、车顶形式(敞蓬、硬顶)、颜色(蓝色、黑色、红色等)、座椅(布质、皮质)及其他选择(ABS、GPS等)等。为了尽可能满足客户的各种个性化需求，企业应该对产品结构、组织结构和过程结构进行优化，以便只需进行很少的改动，就可以达到以最少的内部多样化获得尽可能多的外部多样化的目的。

    1.1 产品外部多样化

    产品外部多样化直接面向客户，往往与客户需求的多样化直接相关。产品外部多样化分为两类：

    (1)客户欢迎的、有用的外部多样化   例如，能够使客户对产品更加满意的有用的选项、不同的风格以及不同的规格等。应该在成本和生产效率允许的范围内，尽量增加有用的外部多样化。

    (2)客户不在意的、无用的外部多样化   对客户来说，不在意的、无用的外部多样化是表面性的、不重要的，甚至是令人不知所措的。无用的产品外部多样化是由于开发人员没有仔细分析客户的真正需求而造成的，它只会产生负面影响。

    1.2 产品内部多样化

    产品内部多样化通常表现为零部件、工具、夹具、原材料和工艺过程等方面过多的和不必要的种类。这种客户察觉不到的内部多样化，严重地影响产品的成本、质量和交货期。通过标准化技术，可以将产品内部多样化减至最少。

    一般情况下，产品外部多样化能为客户提供丰富的选择；而产品的内部多样化则会造成产品成本的提高、质量的不稳定和交货期的延长，应尽量加以避免。本文第4部分将分别从设计、管理和制造三方面进一步介绍消除产品内部多样化的具体方法。

2 大批量定制的技术体系

    大批量定制是一种将相似性原理、重用性原理和全局性原理与应用实践相结合的生产方式，以减少产品内部多样化、增加产品外部多样化为目的，在空间上对整个产品族、在时间上对产品全生命周期进行全方位的优化，低成本、快速地生产定制产品。图2描述了大批量定制的技术体系。该体系由四个具有密切联系的部分组成，即大批量定制的基本原理、面向大批量定制的开发设计技术、面向大批量定制的管理技术和面向大批量定制的制造技术。

    图3表示了大批量定制的基本思路。由于社会的进步和科学技术的发展，消费者的个性化需求日益迫切，要求企业提供满足其个性化需求的定制产品。产品的多样化，可以进一步分成客户可以感受到的、展现产品个性化的产品外部多样化，以及在产品的设计、制造、销售和服务过程中企业可以感受到的产品内部多样化。大批量定制所面临的矛盾是既要充分展现产品的外部多样化，又不能因为不必要的产品内部多样化对企业造成压力。为了解决这一矛盾，在相似性、重用性和全局性等基本原理的指导下，采用面向大批量定制的开发设计技术、面向大批量定制的管理技术和面向大批量定制的制造技术，以大批量生产的效益生产出符合客户个性化需求的产品。

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。这些原理紧紧围绕减少产品内部多样化，增加产品外部多样化而提出，相互间存在着十分密切的联系，为面向大批量定制的设计、管理和制造指出了解决问题的思路和方法，使企业能高效率地设计和制造按客户需求定制的产品，避免为满足客户的个性化需求耗费过多的成本和时间。

    3.1 相似性原理

    大批量定制的关键是识别和利用大量不同产品和过程中的相似性。通过充分识别和挖掘存在于产品和过程中的几何相似性、结构相似性、功能相似性和过程相似性，利用标准化、模块化和系列化等方法，减少产品的内部多样化，提高零部件和生产过程的可重用性。

    在不同产品和过程中，存在大量相似的信息和活动，需要对这些相似的信息和活动进行归纳和统一处理。例如，通过采用标准化、模块化和系列化等方法，建立典型产品模型和典型工艺文件等。这样，在向客户提供个性化的产品和服务时，就可以方便地参考已有的相似信息和活动。

    产品和过程中的相似性有各种不同的形式。例如，有零件的几何形状之间的相似性，称为几何相似性;有产品结构之间的相似性，称为结构相似性；有部件或产品功能之间的相似性，称为功能相似性；有事务处理过程之间的相似性，称为过程相似性。通过归纳，存在于零件几何形状之间、产品结构之间、部件或产品功能之间以及事务处理过程之间的相似性，形成标准的零部件模块、标准的产品结构和标准的事务处理过程，以供日后重用。这些归纳方法对减少产品的内部多样化具有非常重要的作用。

    图4给出一个通过分析零件几何相似性减少产品内部多样化的例子。某生产动力机械的企业在其产品中一共采用了15种形状相似的联轴器。对于客户来说，他们关心的是整个产品的功能和性能，而并不关心其有多少种不同形状的联轴器，所以这是多余的内部多样化，只会增加产品成本和管理的复杂性，应尽可能加以消除。经过设计人员和工艺人员的分析，将这15种相似形状的联轴器标准化为一种标准模块。在此基础上，利用CAD/CAPP/NC系统进行变型，以适应各种产品的需要。这种做法简化了产品的设计和制造，明显降低了产品成本，提高了质量(因为此时可以用同样的锻坯、同样的工装夹具、同样的工艺和同样的NC程序进行零件加工)。图4所示只是一个普通的实例，在实际生产中这种情况比比皆是。

    3.2 重用性原理

    在定制产品和服务中存在着大量可重新组合和可重复使用的单元(包括可重复使用的零部件和可重复使用的生产过程)。通过采用标准化、模块化和系列化等方法，充分挖掘和利用这些单元，将定制产品的生产问题通过产品重组和过程重组，全部或部分转化为批量生产问题，从而以较低的成本、较高的质量和较快的速度生产出个性化的产品。

    3.3 全局性原理

    实施大批量定制，不仅与制造技术和管理技术有关，还与人们的思维方式和价值观念有关。除了从精益生产、敏捷制造、现代集成制造和成组技术等方式中吸取有益的思想以外，还要吸取一些特别重要的基本思想和方法，即定制点后移方法、总成本思想和产品全生命周期管理等。

4 大批量定制的关键技术

    大批量定制的关键技术，包括面向大批量定制的开发设计技术、面向大批量定制的管理技术和面向大批量定制的制造技术，这些技术覆盖了产品的整个生命周期。

    4.1 面向大批量定制的开发设计技术

    面向大批量定制的开发设计技术是实现大批量定制的核心和源头。它包括产品的开发设计技术与过程的开发设计技术，前者的对象是产品，后者的对象则是产品的制造或装配过程。完整的面向大批量定制的开发设计过程由面向大批量定制开发，以及面向大批量定制设计两个过程组成，这两个过程的目的和任务虽然不同，但却具有十分紧密的联系。

    图5表示面向大批量定制的开发设计的原理。从图5可以看到，整个过程是在PDM/ERP系统的支持下完成的。

    根据不同的产品特征和不同的大批量定制形式(按订单装配ATO、按订单制造MTO和按订单设计ETO)，可以采用不同的开发设计技术。图6反映了一种比较典型的面向大批量定制的开发设计过程，这一过程特别适用于MTO或ETO的机械产品。在整个设计过程中，充分考虑了定制点后移的问题。

    从图6可见，面向大批量定制的开发和面向大批量定制的设计是建立在产品主结构、零部件主模型和主文档基础上的。产品主结构、零部件主模型和主文档是标准化和规范化的结果，也是实现产品资源重用的基础和实现产品配置设计和变型设计的关键。

    (1)产品主结构   描述了一个可配置的，包括所有标准构件的模块化产品系统的组成情况，可根据不同客户的需求，从产品主结构中派生出客户定制产品的结构。

    (2)零部件主模型   或称原始模型，利用一些关键的参数，来描述零部件外型和尺寸之间的联系，只需在主模型中输入一组数值，就可自动派生出零部件的一个变型(如图4)。

    (3)零部件主文档   在变型设计中，所谓主文档就是各种模板的总称。利用不同的模板可以派生出不同类型的文档。例如，为了派生某个零件或部件的工程图，需要建立该零件或部件的工程图模板，称其为主图；为了派生某个零件或部件的工艺过程规划，需要建立该零件或部件的工艺过程规划模板，称其为主工艺过程规划；为了派生加工某个零件或部件的NC程序，需要建立该零件或部件的NC程序模板，称其为主NC程序，等等。

    面向大批量定制开发是一个创造性的过程，其主要任务是：确定新产品的工作原理；进行新产品的概念设计；进行零部件的标准化和规范化；建立面向大批量定制的产品模型和过程模型。根据工作内容的不同，面向大批量定制开发过程又可以进一步分为前期工作阶段和产品建模阶段。

    前期工作阶段的主要任务是做一些基础性的准备工作，这些工作虽然十分琐碎、数量大，但很重要，没有这些基础性的工作就无法顺利实施大批量定制。前期工作阶段的主要内容有：建立面向大批量定制的编码体系、零部件ABC分析、零部件分类和零部件名称分析等。

    产品建模阶段的主要任务是在前期工作的基础上建立零部件主模型、主文档和产品主结构，主要内容有：零件几何形状分析、零件参数分析、建立零部件主模型、建立零部件主文档和建立产品主结构。

面向大批量定制设计的主要任务是：在产品主结构、零部件主模型和主文档的基础上，根据客户的需求，迅速地提供正确的报价；利用在开发过程建立的产品模型和过程模型，选用标准零部件，快速设计产品和完成制造过程，缩短定制产品的交货周期。面向大批量定制设计的关键技术包括产品变型设计技术和产品配置设计技术等。

    图7以联轴器为例，表示了在主模型、主图、主工艺过程规划和主NC程序基础上进行变型设计的原理。将事物特性表中的某一行数据(相当于某一个具体零件的尺寸)与标准模块的主图库、主工艺过程规划库和主NC程序库中的模型相结合，即可自动生成具体零件的工程图、工艺过程规划和NC程序。这些导出的文档与原始模型之间具有很强的相似性，可以看作是原始模型的一种系列化变型。

    图8表示了模块化工业汽轮机汽缸配置设计的原理。根据客户的不同要求，可以用基本结构块组合成不同型号的工业汽轮机汽缸。在组合时，为了尽可能使过渡圆滑，并使汽轮机具有尽可能高的效率，采用了具有各种不同作用的连接部分，如减压段、过渡段、延长段和法兰段等。在该工业汽轮机组合产品系列中，所有的结构块基本上采用了一定的公比。例如，进汽段采用了R10数系，其型号分别为25，32，40，50和63；排汽段采用了R20数系中的一部分，其型号分别为28，36，45，56，63，71，80和90。图9表示利用不同标准模块组合而成的工业汽轮机汽缸。

    4.2 面向大批量定制的管理技术

    面向大批量定制的管理技术是实现大批量定制的关键技术。为了获得全面实施大批量定制的综合经济效益，除了在开发设计阶段应用大批量定制的原理以外，还应该针对大批量定制在管理方面的特点，采用相应的管理技术，包括各种客户需求获取技术、面向大批量定制的生产管理技术、面向大批量定制的企业协同技术、面向大批量定制的知识管理和企业文化等。这些技术形成了一个完整的体系，分别在不同的阶段，从不同的层次，支持企业实现大批量定制。

    面向大批量定制生产管理的主要特点是(如图10)：客户信息的有效管理、供应商信息的有效管理、产品信息的有效管理、产品定制信息的有效管理和ERP/PDM系统集成。

    对于复杂产品的大批量定制，特别是对于复杂的ETO产品，其生产计划的编制具有一定的难度。因为在根据客户的需求进行产品报价时，一般还不知道该产品的准确结构，产品中的很多零部件还未被设计出来，产品的BOM是不完整的，所以不能使用通常的MRP方法处理订单。对于复杂的ETO产品，从接受客户的订货到技术准备结束，形成准确的BOM，这段时间大约占整个产品生产周期的一半。这就是说，通常的MRP方法只适用于生产过程的后半部分。为了解决这些问题，可采用粗生产计划管理系统来管理生产过程的前半部分，形成粗生产计划、生产计划和作业计划三层计划模式。

    产品的粗生产计划是在合同签订过程中或合同签订以后，由经营计划部门根据该产品的交货日期以及企业的生产负荷，按照均衡生产原则，安排出各关键零部件的生产计划日程。

    编制粗生产计划的主要步骤是：确定“压缩”的部件构成表、选择参考产品、编制粗生产计划、预估当前产品的负荷、生成负荷)能力平衡表和重新计算当前产品负荷等。粗生产计划一旦编定后就不再修改，在其规定的时间节点限定下编制生产计划。图11表示了粗生产计划与产品开发设计、生产计划、作业计划和产品制造的联系。

    可在产品粗结构基础上编制而成的粗生产计划，不但可作为毛坯和原材料采购的依据，而且起着协调和控制产品总体设计和详细设计进度的作用(图11中的虚线箭头)，直到技术准备完成，产生完整的BOM。此时，可以在粗生产计划规定的时间框架下编制生产计划和作业计划。这种三层计划模式，特别适用于ETO的模式。如果能够实现按零部件为单位组织生产，则得到的效果会更佳。

   4.3 面向大批量定制的制造技术

    大批量定制除了在产品开发和管理方面采用各种先进的技术和系统以外，对底层的制造技术和系统也提出了较高的要求。总的来说，面向大批量定制的制造技术应具有足够的物理和逻辑的灵活性，能够根据被加工对象的特点，方便、高效、低成本地改变系统的布局、控制结构、制造过程和生产批量等。当然，为了有效地实现面向大批量定制的制造，在制造过程的上游还必须提供一定的条件。例如，产品设计和工艺设计必须做到标准化、规范化和通用化，以便在制造过程中利用标准的制造方法和标准的制造工具，优质、高效、快速地制造出客户定制的产品。

    根据侧重面不同，可将面向大批量定制的制造技术分为自动化制造技术和合理化制造技术(如图12)。这两类技术是密切相关的，并没有十分明确的界限。相比之下，前者侧重于通过直接利用先进的加工和装配技术以及先进的制造装备解决各种大批量定制问题，比较偏重硬件和技术层面；而后者则更侧重于通过系统的合理化和集成优化，增强制造系统的灵活性，以满足不同客户的个性化需求，比较偏重软件和管理层面。可重组制造系统介于两者之间，是自动化制造技术与合理化制造技术的有机结合，汲取了两者的长处，所以，在图12中将可重组制造系统作为第三种面向大批量定制的制造技术。

    支持大批量定制的自动化制造技术，主要是一些适应客户定制要求的单元制造技术，可以将其分成两类：快速制造技术，包括快速原型技术、快速换模技术和精密成形技术等；计算机控制技术，包括虚拟轴机床、各种新型的加工中心、柔性组合机床、柔性生产线和柔性制造系统等。这些技术和系统已广泛应用于生产实践中。

    支持大批量定制的合理化制造技术，包括建立在相似性理论基础上的成组技术，面向零件族加工全过程的单元制造系统，将工艺设计、生产计划调度和制造过程三者有机地联成一体的独立制造岛等。大批量定制对可重组制造系统的要求是：快速地由现成的模块或增加少量的新模块装配成新的制造系统；快速地将现有的制造系统重组为满足客户需求的新制造系统。可重组制造系统在结构上是模块化的，在功能上是柔性的，在性能上是多代产品共用的。当产品对象需作较大变动时，仍能以较高的灵活性和较低的改造费用迅速地实现转产。可重组制造系统有多种不同形式，如可重组机床、可重组制造系统和自治分布式制造系统等。

5 结束语

    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，将定制产品的生产问题通过产品重组和过程重组，全部或部分转化为批量生产问题，尽可能减少产品的内部多样化，增加产品的外部多样化。本文探讨了面向大批量定制的开发设计技术、面向大批量定制的管理技术和面向大批量定制的制造技术，采用这些技术，可以有效地以大批量的低成本、高质量和短交货期向客户提供个性化的定制产品和服务。