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8现代制造系统模式8.1现代制造系统模式的特点8.1.1制造系统模式的概念、主要目标及研究的意义制造系统模式是指制造系统的体制、经营、管理、生产组织和技术系统的形态和运作的方式。根据制造系统理论，制造系统是一个复杂的非线性动力学大系统，在系统内部动态地流动着信息流、物料流、能量流等各种资源。采取什么样的制造系统模式来经营、管理和优化利用各种资源，以获取系统投入的最大增值是建立先进制造模式的主要目标之一。制造系统是一个由制造技术、制造资源、制造信息、以及对资源、信息进行加工处理的过程所组成的相联系的有机体，制造模式所关心的是采取何种方式对资源、信息进行处理，因此制造系统所采取的制造模式对制造系统的特性具有重要影响。这些影响主要体现在:先进制造技术的应用系统运行效率系统的柔性和开放性系统的可持续发展性8.1.2制造模式的变迁回顾制造系统的发展历史，制造模式总是处于不断的变迁和发展之中，如本世纪初，以美国为首开创了的大规模生产方式，取得了很大的经济效益；而随着用户需求的多样性，大规模生产方式已不能适应这一需要，从而出现了一系列新的生产模式，如精良生产，敏捷制造等。综合考虑各方面的因素，制造模式的变迁离不开先进制造技术的应用、社会生产力水平的发展、市场需求的变化、社会需求的变化四大因素，这四个因素构成了促使制造模式变迁和发展的动力，如图8-1所示。制造系统模式的变迁与发展先进制造技术生产力发展水平市场需求社会需求图8-1制造系统模式变迁与发展的动力先进制造技术的应用：先进制造技术常常是为了解决制造系统中出现的技术需求而产生的。而先进制造技术的应用则必须在与之相适应的制造模式下才能收到实效，因此导致了制造模式的变迁和发展。如制造自动化单元技术的产生并发展到一定阶段后，导致了CIM哲理和系统的出现，即单元自动化技术必须在信息集成的环境中才能发挥更大的效益。先进制造技术导致的制造模式变迁和发展主要体现在制造系统结构的调整、新的管理方式等。社会生产力水平的发展：制造系统采取和发展何种制造模式很大程度上取决于社会生产力水平的发展，包括社会的经济水平、科学文化水平、技术应用的整体水平等，某种生产模式的出现实际上是生产力发展的产物。例如网络化信息时代的到来产生了敏捷制造模式，传感器技术和人体工程学的发展使虚拟制造模式成为可能。发达国家、发展中国家、不发达国家所采取的制造模式不能完全相同，必须根据生产力的实际水平采取合理的制造模式，不能看到某种制造模式在当地产生了很高的效益就盲目照搬。市场需求的变化：市场需求是制造模式变迁和发展的一个主要原因。市场需求包括顾客对产品的种类需求、质量需求、价格需求、时间需求和服务需求等。不同的时期市场需求是不同的，由此产生了不同的制造模式。如20世纪中期的大批量生产模式主要是满足顾客对产品的质量需求和价格需求；当市场需求由大批量向多品种、小批量转变时，出现了CIM、敏捷制造等模式，可以满足顾客对产品多样性的需求；而并行工程则更加关心满足顾客对产品的时间需求。社会需求的变化：除市场需求外，制造模式的变迁和发展也要受到社会需求变化的影响。社会需求包括对人类生存环境的需求、国家的发展计划、就业政策、人们的意识观念和素质、世界范围的发展潮流等因素。如绿色制造模式的出现就是为了满足社会对人类生存环境保护的需求而产生的，又如象我国这种劳动力密集的国家采用完全自动化的制造模式显然是不完全符合社会需求的。8.1.3现代制造系统模式的特点根据制造系统模式变迁和发展的规律，并总结已提出众多的现代制造系统模式，可以发现：虽然各种制造模式的目标与具体技术不尽相同，但存在许多共同之处。由此可以得到现代制造系统模式的五个特点，如图8-2所示先进制造系统模式特征集成特性以顾客为中心快速响应满意质量绿色特性25%8.2几种典型的现代制造系统模式8.2.1CIMS8.2.1.1CIM和CIMS的基本概念CIM（ComputerIntegratedManufacturing，计算机集成制造）是美国约瑟夫·哈林顿（JosephHarrington）博士于1973年在其《ComputerIntegratedManufacturing》一书中首先提出的。哈林顿提出的CIM概念中有两个基本观点：•企业生产的各个环节，即从市场分析、产品设计、加工制造、经营管理到售后服务的全部生产活动是一个不可分割的整体，要紧密连接，统一考虑。•整个制造过程实质上是一个数据的采集、传递和加工处理的过程，最终形成的产品可看作是数据的物质表现。这两个观点至今仍是CIM的核心部分，其实质内容是信息（数据）的集成。根据国家科委高字[1997]250号文对CIMS的描述（定义)：CIMS是企业组织、管理和运行的新模式。它综合运用现代制造技术、信息技术、自动化技术和管理技术，将企业各项活动中的人、技术和经营管理，以及信息流、物流和资金流有机集成，并实现企业整体优化，从而达到产品上市快、质量高、成本低和服务好，使企业赢得市场竞争。对上述描述可进一步阐述如下：（1）CIMS是一种组织、管理与运行企业生产的现代制造系统，其宗旨是使企业的产品质量好、成本低、上市快，从而提高企业的市场竞争力。（2）CIMS强调企业生产的各个环节，即市场分析、经营决策、管理、产品设计、工艺规划、加工制造、销售、售后服务等全部活动过程是一个不可分割的有机整体，要从系统的观点进行协调，进而实现全局优化。（3）企业生产的要素包括人、技术及经营管理。实施CIMS要更加重视发挥人在现代化企业生产中的主导作用。（4）企业生产活动中包括信息流（采集、传递和加工处理）、物料流、能量流三大部分。现代企业中尤其要重视信息的管理运行及信息流与物料流间的集成。（5）CIMS是基于现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术的一门综合性技术。具体地讲，它综合并发展了企业生产各环节有关的计算机应用技术，即计算机辅助经营管理与决策技术（MRPⅡ、ERP等）、计算机辅助设计与制造技术（CAD/CAE/CAPP/CAM）、计算机辅助制造过程与控制技术（CNC、DNC、FMC、FMS等）、自动化物流储运技术（工业机器人、自动导向小车、立体仓库等）、信息集成技术（网络、数据库、标准化等）、计算机仿真和实验技术、计算机辅助质量管理与控制技术等。8.2.1.2CIMS的构成一个制造企业从功能看，可以简单地分为设计、制造、和经营管理三个主要方面。由于产品质量对于一个制造企业的竞争和生存越来越重要，因此，常常也把质量保证系统作为企业功能主要方面之一。为了实现上述企业功能的集成，还需要一个支撑环境，包括计算机网络、数据库和集成方法—系统技术。因此，CIMS的功能构成如图8-4所示：质量保证经营管理设计制造网络通信技术数据库技术系统技术图8-4CIMS的功能构成根据CIMS的功能组成，CIMS通常由管理信息分系统、工程设计分系统、制造自动化（柔性自动化）分系统、质量保证分系统以及计算机网络和数据库分系统等6个部分有机地集成起来。所以一般说CIMS是由4个功能分系统和两个支撑分系统组成。图8-5表示了6个分系统的框图及其与外部信息的联系根据具体需求和条件，在CIM思想指导和总体规划下分步实施。管理信息分系统（ManagementInformationSystem，MIS）：管理信息分系统是企业在管理领域中应用计算机系统的总称。CIMS环境下的管理信息分系统是指以CIM为指导思想并在其制造环境下的管理信息分系统。对一般离散制造系统如机械制造系统而言，它通常以制造资源计划（ManufacturingResourcePlanning，MRPII）为核心，从制造资源出发，考虑了企业进行经营决策的战略层、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，其功能覆盖了市场销售、物料供应、各级生产计划与控制、财务管理、成本、库存和技术管理等内容，是以经营生产计划、主生产计划、物料需求计划、能力需求计划、车间计划、车间调度与控制为主体形成的闭环一体化生产经营与信息管理系统。它在CIMS中相当于神经中枢，指挥与控制着各个部分有条不紊地工作。MIS与CIMS中的其它分系统存在着必要的信息交换接口。工程设计分系统（EngineeringDesignSystem，EDS）：工程设计分系统是在产品开发过程中引入计算机技术而形成的系统，包括计算机辅助的产品概念设计、工程与结构分析、详细设计、工艺设计与数控编程等内容，通常被划分为CAD、CAE、CAPP、CAM、工程数据管理等子系统，这些子系统之间强调信息的连续流动和共享，即通常所说的CAD/CAE/CAPP/CAM系统集成。工程设计分系统的目的是使产品开发活动更高效、更优质地进行，同时通过与CIMS的其它分系统进行信息交换来实现整个制造系统的信息集成。制造自动化分系统：CIMS中的制造自动化分系统是由CIMS环境下的制造设备、装置、工具、人员、相应的信息以及相应的系统体系结构和组织管理模式所组成的系统。从CIMS体系结构看，制造自动化分系统属于AMRF（AutomatedManufacturingResearchFacility，AMRF）五层递阶控制结构中车间及其以下部分；从CIMS功能系统结构看，制造自动化分系统是CIMS中信息流和物料流的结合点，是CIMS最终产生效益的聚集地；从CIMS的信息流看，制造自动化分系统涉及产品的制造、装配检验等环节的信息处理和集成。制造自动化分系统一般包含五个子系统：制造设备子系统、物料运输与存储子系统、能量流子系统、制造信息子系统、制造过程生产计划调度与控制子系统。质量保证分系统：质量保证分系统主要是采集、存储、评价与处理存在于设计、制造过程中与质量有关的信息，从而进行一系列的质量决策和控制，有效地保证质量并促进质量的提高。质量保证分系统包括质量监测与数据采集、质量评价、质量决策、质量控制与跟踪等功能。8.2.1.3CIMS的递阶控制结构CIMS的功能和控制十分复杂。为此，CIMS的控制系统一般采用分级控制结构，即递阶控制结构。前美国国家标准局（现美国国家标准与技术研究院NIST）建立的CIM实验研究基地——自动化制造研究实验基地AMRF曾提出了著名的CIMS五级递阶控制模型，如图8-6所示图8-6AMRF提出的CIMS五级递阶控制模型工厂（企业）加工车间装配车间1#单元N#单元铣削工作站铣床机器人零件存储器检验机检验工作站物料储运工作站机器人零件存储器机器人传送器机器人小车………………工厂控制层车间控制层单元控制层工作站控制层设备控制层AMRF将CIMS分为5级：工厂层、车间层、单元层、工作站层和设备层。每一层又可分解为多个模块，都由数据驱动，并可扩展为树状结构。1．工厂层控制系统这是最高一级控制，履行“厂部”职能。完成的功能包括进行市场预测、制定生产计划、确定生产资源需求、制定资源规划、产品开发及工艺过程规划、厂级经营管理（包括成本估算、库存统计、用户定单处理等）。2．车间层控制系统车间层控制根据工厂层生产计划协调车间作业和有关的资源配置。车间层控制主要有两个模块，即作业管理和资源分配。3．单元层控制系统单元层控制负责将上级任务分解，完成本单元的作业调度和资源需求分析，决定零件加工路线并给工作站分配任务，监控任务进展情况。4．工作站层控制系统此级控制系统负责指挥和协调车间中一个设备小组的活动。5．设备层控制系统此级控制包括各种设备（如机床、机器人、坐标测量机、自动引导车等）的控制器。此级控制向上与工作站控制系统用接口连接，向下与各设备控制器接口相通。设备控制器的功能是将工作站控制器命令转换成可操作的、有顺序的简单任务运行各种设备，并通过各种传感器监控这些任务的执行。8.2.1.4CIMS研究和应用中值得注意的几个问题（1）CIMS决非无人化工厂在CIMS研究的初期，人们曾认为全盘自动化和无人化工厂或车间是其主要特征。随着CIMS实践的深入和一些无人化工厂实施的失败，人们对无人制造自动化问题进行了反思，并对于人在CIMS