7计算机集成制造剖析

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1、现代制造系统,8计算机集成制造,8.1 产生背景 8.2.基本概念 8.3 CIMS的体系结构 8.4 集成技术 8.5 应用案例,现代制造系统,8.1 产生背景,CIMS是用集成的观点、信息的观点来对待制造业，把整个制造业推到了一个新的阶段。 1974年，美国学者哈灵顿博士首先提出了计算机集成制造的概念，他认为整个生产过程是一个整体，需要统一考虑；同时整个生产过程是信息的采集、传送和加工处理的过程，产品的尺寸不是物化的数据。后一个观点为生产过程大量采用信息技术奠定了认识上的基础。企业应该采用信息技术来改善设计过程、管理决策和加工制造过程，并且在网络和数据库的支持下，实现信息集成，进而优化生产

2、，改善其T.Q.C.S，以提高企业的市场应变能力和竞争能力。,现代制造系统,8.1 产生背景,全球市场带来的后果是竞争空前加剧，其表现是：产品更新换代快，技术含量高、性能价格比优，而且服务（产品的售前、售后服务）成为市场竞争的重要内容。因此，处于全球市场中的制造业必须加快新产品的开发和产品的上市时间T（Time to Market），改善质量Q（Quality），降低成本C（Cost）以及完善售前售后服务S（Service）。T.Q.C.S是制造业的永恒主题。,现代制造系统,8.1 产生背景,这一新概念引起了技术上的新要求和进展，如异构环境下的信息集成（包括不同通信协议的设备互联，不同数据库的

3、数据共享，不同应用软件之间的信息交换等），复杂大系统的建模（功能模型，信息模型，动态模型等），分析设计及其软件工具，实时分布环境下的生产调度和优化技术，人工智能和专家系统的许多成功应用等，特别是调度和排序问题推动了应用数学一个新的分支离散事件动态系统的发展，它至今仍是非常活跃的研究热点。,现代制造系统,8.1 产生背景,CIMS的信息集成、并行工程和敏捷制造，都是CIM哲理集成观点和信息观点的体现，它们不是互相取代，而是从不同角度体现相同的目标。制造业最终的目标是为用户提供性能价格比优良的多样化的产品和服务，这正是CIMS的信息集成、并行工程和敏捷制造等先进生产模式和技术的原动力。,现代制造系

4、统,8.2基本概念,CIMS （Computer Integrated Manufacturing System ）即计算机集成制造系统。CIMS是按照CIM的哲理所构造的物理实体或技术总称。CIMS系统包括与企业各个部门相对应的各个计算机系统，如CAD/CAM，MIS，FMS等，这些系统所涉及到的技术是几乎所有制造业中的各种传统技术与信息技术的综合。,现代制造系统,8.2基本概念,CIM一词首先由Dr.J.Harrington于1973年提出，其两个基本观点：,CIM概念提出后，未被立即接受，因条件不成熟。直至20世纪80年代初，各项单元技术（CAD、CNC、CAPP、MIS、FMC、FMS

5、 ）得到充分发展，并形成一个个自动化 “孤岛”。在这种形势下，为取得更大的经济效果，需要将这些“孤岛”集成起来，CIM概念受到重视并被实施。,2）整个生产过程可以视为一个数据采集、传递和加工处理的过程，最终产品可视为数据的物化表现。,1）企业生产活动的各个环节，从市场分析、产品设计、加工制造、经营管理到售后服务是一个统一的不可分割的整体。,现代制造系统,8.2基本概念,20世纪80年代中、后期，CIM逐渐开始实施，并显示出明显的效益提高企业的生产率和市场竞争能力。以往，竞争力主要取决于生产率，现今更重要的是对市场的响应能力。,信息时代的到来,使世界正在“变小”。世界大市场的发展，使竞争更加激烈

6、，这一方面极大地促进了社会的发展，另一方面也给企业造成了严酷的“生存环境”。企业为求得生存和发展，必须在 TQCSE 五要素上下工夫。,为实现这一目标，CIM是一种强有力的形式。,现代制造系统,8.2基本概念,CIMS是按照CIM哲理建成地复杂的人机系统。它的定义：CIMS是通过计算机硬软件，并综合运用现代化管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，将企业生产全部过程中有关的人、技术、经营管理3要素及其信息流与物流有机集成并优化运行的复杂的大系统。CIMS的内容是建立在“企业整体”和“信息流”这两个最基本的观点上的。,现代制造系统,8.2基本概念,现代集成制造（Contempor

7、ary Integrate Manufacture）拓宽了早期CIM的内涵，863提出：CIM是一种组织、管理和运行现代制造类企业的理念。它将传统的制造技术跟现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术等有机结合，使企业产品生命周期各阶段活动中有关的人组织，经营管理和技术三要素及其信息流，物流和价值流有机地集成并优化运行，以使产品P上市快T，高质Q。低耗C，服务好S，环境清洁E，进而提高企业地柔性，健壮性，敏捷性，使企业赢得市场竞争。,现代制造系统,8.2基本概念,2.CIMS的核心是集成 CIMS的核心是集成，这包括：企业各种经营活动的集成、企业各个生产系统与环节的集成、各种生产技术的集

8、成、企业部门组织的集成和各类人员之间的集成。 从“集成”的角度出发，CIMS分为3个阶段：信息集成、过程集成和企业集成。如下图示：,现代制造系统,8.2基本概念,信息集成,过程集成,企业集成,现代制造系统,8.2基本概念,三者的关系： 信息集成是过程集成的基础。 信息集成和过程集成是更好地实现企业间集成的充分条件。 企业间集成的发展促进信息集成和过程集成向更高层次发展。 三者是互为推动的关系，而不是一种谁替代谁的关系。,现代制造系统,8.2基本概念,1.以信息集成为主要特征的CIMS阶段 70年代80年代，JIT，压缩在制品，压缩库存，减少流动资金，提高资金周转，组织均衡生产，采用精良生产原则

9、组织生产，引进自动化装备及系统，实现全面质量管理，各种单元技术，如CAD，CAM机器人等也得到了广泛应用。,现代制造系统,8.2基本概念,2.以过程集成为主要特征的CIMS阶段 支持过程集成的CIMS是并行工程产品开发的需要。 并行工程是集成地，并行地设计产品及相关地各种过程（包括制造过程和支持过程）地系统方法，要求产品开发人员在设计一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素，包括质量，成本，进度计划和用户需求。它强调团队工作精神和工作方式，强调设计过程的并行性，强调设计过程的系统性，强调设计过程的快速“短”反馈。,现代制造系统,8.2基本概念,3.以企业集成为主要特征的

10、CIMS阶段 支持企业集成的CIMS是实现敏捷制造的要求。 敏捷制造强调将柔性的，先进的，实用的制造技术，熟练掌握生产技能的，高素质的劳动者，企业之间，企业内部灵活的管理三者有机结合，实现总体最佳化，对市场作出快速响应。敏捷制造企业较并行工程阶段有了进一步的发展，更强调企业结盟。,现代制造系统,8.2基本概念,3. CIMS的三要素 CIMS有3个要素：经营，技术及人/机构。这3个要素互相作用，互相支持，使企业达到优化。,现代制造系统,8.2基本概念,根据3个要素相互之间地关系，有4类集成问题需要加以解决，他们是： 利用计算机技术，自动化技术，制造技术和信息技术等来支持企业达到与其经营目标，如

11、缩短产品设计与开发周期，提高产品质量，减少库存量等，即经营目标是企业建立CIMS的目的，而技术则仅仅是一种手段。 利用技术来支持企业中各种人员的工作，使之能互相配合，并协调一致，例如通过共享数据库，使产品设计人员能及时了解产品制造的可行性。,现代制造系统,8.2基本概念,通过改进组织机构，培训人员及提高人员素质，支持企业达到经营目标，即人/机构和技术一样也是实现CIMS的一个重要手段。 统一管理并实现经营，人机构及技术三者的集成。,现代制造系统,8.3 CIMS的体系结构,现代制造系统,8.3 CIMS的体系结构,A管理信息系统 管理信息系统以MRPII为核心，从制造资源出发，考虑了企业进行经

12、营决策的战略层，中短期生产计划编制的战术层以及车间作业计划与生产活动控制的操作层，他是CIMS的中枢，指挥与控制各个部分工作。 B工程设计自动化系统 在产品开发过程中引入计算机技术，包括产品的概念设计，工程与结构分析，详细设计，工艺设计与数控编程。通常划分为CAD，CAPP，CAM三大部分。 C制造自动化系统 制造自动化系统在计算机的控制与调度下，按照NC代码将一个毛坯加工成合格的零件，再装配成部件以至产品，并将制造现场信息实时反馈到相应的部门。,现代制造系统,8.3 CIMS的体系结构,D质量保证系统 采集，存储，评价与处理存在于设计，制造过程中与质量有关地数据，从而获得一系列控制环，它包括

13、质量决策，质量检测与数据采集，质量评价，控制与跟踪等功能。 E计算机通信网络 支持CIMS各个分系统地开放型网络通信系统，满足各应用分系统对网络支持服务的不同需求，支持资源共享，分布处理，分布数据库，分层递阶和实时控制。 F数据库系统 支持CIMS各分系统并覆盖企业全部信息的数据库系统，它在逻辑上是统一的，物理上可以是分布的，实现企业数据共享和信息集成。,现代制造系统,8.3 CIMS的体系结构,2） 面向系统控制功能的体系结构 a 工厂层控制系统 这一层按主要功能分成三个子系统：生产管理，信息管理和制造工程。 生产管理：跟踪主要项目，制定长期生产计划，明确生产资源需求，确定所需的投资，算出剩

14、余生产能力，汇总质量性能数据。 信息管理：通过用户接口实现必要的行政或经营管理功能，如成本估算，库存统计，用户订单处理，采购，人事管理和工资单处理等。 制造工程：包括CAD，CAPP，CAM，其功能一般都是通过用户和数据接口并在人的干预下实现的。,现代制造系统,8.3 CIMS的体系结构,b车间层控制系统 负责协调车间的生产和辅助性国军哦女工作以及这些工作的资源配置，有两个模块： 任务管理模块：负责安排生产能力计划，对订单进行分批，把任务及资源分配给各单元，跟踪订单直到完成。同时，安排设备的预防性维修以及其它辅助性工作。 资源分配模块：负责分配各单元进行具体加工时所需的工作站，储存站，托盘，刀

15、具及材料等。,现代制造系统,8.3 CIMS的体系结构,c单元层控制系统 负责安排零件分批通过工作站的顺序和管理物料储运，检验及其它有关辅助工作，其规划时间可以从几个小时到几周。具体工作内容是完成任务分解，资源需求分解，向车间层报告作业进展和系统状态，决定分批零件的动态加工路线，安排工作站的工序，给工作站分配任务以及监控任务进展情况等。由三个模块 排队管理模块：向上与操作命令模块接口，向下与调度的模块接口。当提出新的作业项目申请后，分析其可行性，通过调度模块向工作站发出适当命令，并向操作命令模块反馈情况。当需要处理一项新的命令，在单元作业排队中建立一个项目，确定为满足该申请而需完成的任务，并将

16、任务分配给适当的调度模块和报告已被系统接受的作业。该模块还接受来自下级模块有关工作站操作状况和作业完成情况的反馈。,现代制造系统,8.3 CIMS的体系结构,调度模块：向上与排队模块接口，向下与本单元的分配模块接口。调度模块负责管理各自的调度作业和监控该工作站认为完成情况，选择下一个任务向有关的分配模块发出适当命令处理该任务；清楚所有取消的和已完成任务的作业；适时修改新任务和进行中任务的状态等。 分配模块：向上与调度模块接口，向下与有关工作站控制器接口。有两个基本功能，一是把经过选择的任务用适当的命令结构分配给工作站，二是通过工作站的反馈，监控该命令的执行情况，对工作站的反馈进行处理。调度模块利用这种处理的信息适时修改排队和工作站状态。,现代制造系统,8.3 CIMS的体系结构,d工作站层控制系统 负责指挥和协调车间中一个设备小组底活动。典型的加工工作站由一台机器人，一台机床，一个物料储运器和一台控制计算机组成。控制器将工件调整，零件夹紧，切削加工，加工检验，拆卸工件及清理工作等设备级各子系统排序。 e设备层控制系统 是各种设备如机器人，机床，小车，