计算机集成制造系统技术

第三章计算机集成制造系统技术——CIMSComputerIntegratedManufacturingSystem第一节CIMS的基本概念及其发展概况CIM和CIMS的概念CIM是1974年首先由美国JosephHarrington博士在《ComputerIntegratedManufacturing》一书中提出，基本观点为：1.企业的各个生产环节是一个不可分隔的整体，需要统一考虑；2.整个生产制造过程实质上是对信息的采集、传递和加工处理的过程，最终形成的产品可看作是信息的物质表现。CIM的定义是一种组织、管理、企业生产的新哲理，它借助计算机软硬件，综合应用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统技术，将企业生产全部过程中有关人、技术、经营管理三要素及其信息流与物质流有机地集成并优化运行，以实现产品的高质量、低成本、交货期短，提高企业对市场变化的应变能力和综合竞争能力。CIMS是在CIM哲理指导下建立的人机系统，是一种新型制造模式。它从企业的经营战略目标出发，将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术等有机结合，将产品从创意策划、设计、制造、储运、营销到售后服务全过程中有关的人和组织、经营管理和技术三要素有机结合起来，使制造系统中的各种活动、信息有机集成并优化运行，以达到降低成本C（Cost）、提高质量Q(Quality)、缩短交货周期T（Time）等目的，从而提高企业的创新设计能力和市场竞争力。CIMS产生的背景CIMS在20世纪80年代中期开始重视并大规模实施，其原因是20世纪70年代的美国产业政策中过分夸大了第三产业的作用，而将制造业，特别是传统产业，贬低为“夕阳工业”，这导致美国制造业优势的急剧衰退，并在20世纪80年代初开始的世界性的石油危机中暴露无遗，此时，美国才开始重视并决心用其信息技术的优势夺回制造业的霸主地位。于是美国及其他各国纷纷制订并执行发展计划。自此，CIMS的理念、技术也随之有了很大的发展。CIMS的发展概况系统集成优化是CIMS技术与应用的核心技术，可将CIMS技术的发展从系统集成优化发展的角度来划分为三个阶段：信息集成、过程集成、企业集成，由此产生了并行工程、敏捷制造、虚拟制造等新的生产模式信息集成是改善企业时间（T）、质量（Q）、成本（C）、服务（S）所必需的，其主要内容有：（l）企业建模、系统设计方法、软件工具和规范这是系统总体设计的基础。（2）异构环境下的信息集成。异构信息集成主要解决三个问题：①不同通信协议的共存及向ISO／OSI的过渡；②不同数据库的相互访问；③不同商用应用软件的接口。过程集成企业为改善产品的T、Q、C、S，除了信息集成这一技术手段之外，还可对过程进行重构。传统的产品开发模式采用串行产品开发流程、设计与加工生产是两个独立的功能部门，往往造成产品开发过程经常反复，这无疑使产品开发周期变长，成本增加。如果对产品开发设计中的各个串行过程尽可能多地转变为并行过程，在早期设计阶段采用CAX、DFX工具考虑可制造性（DFM）、可装配性（DFA），考虑质量（质量功能分配），则可以减少反复，缩短开发时间。企业集成企业提高自身的市场竞争力，不能走“小而全”、“大而全”的封建庄园经济的道路，而必须面对全球经济、全球制造的新形势，充分利用全球的制造资源（包括智力资源），更快、更好、更省地响应市场，这便是敏捷制造的由来。敏捷制造的组织形式是企业针对某一特定产品，建立企业动态联盟（即所谓虚拟企业，VirtualEnterprise）。企业间集成的关键技术包括信息集成技术，并行工程的关键技术，虚拟制造，支持敏捷工程的使能技术系统，基于网络（如Internet／Intranet／Extranet）的敏捷制造，以及资源优化（如ERP、供应链、电子商务）。四、CIMS发展趋势集成化数字化／虚拟化网络化柔性化智能化绿色化第二节CIMS的基本组成、体系结构及其关键技术CIMS的基本组成CIMS是一个大型的复杂系统，包括人、经营、技术三要素在三要素的相交部分需解决四类集成问题：①使用技术以支持经营；②使用技术以支持人员工作；③设置人员协调工作以支持经营活动；④统一管理并实现经营、人员、技术的集成优化运行。目前，CIMS并不过分强调物流自动化，而是侧重于以人为中心的适度自动化，即强调人、经营、技术三者的有机集成，充分发挥人的作用。CIMS的基本组成CIMS由管理信息系统、工程设计系统、制造自动化系统和质量保证系统四个功能分系统，以及计算机通讯网络和数据库两个支撑分系统组成管理信息系统管理信息系统是CIMS的神经中枢，指挥与控制着其它各个部分有条不紊地工作。管理信息系统通常是以制造资源计划（ManufacturingResourcePlanning，MRPⅡ）为核心，包括预测、经营决策、各级生产计划、生产技术准备、销售、供应、财务、成本、设备、工具、人力资源等各项管理信息功能。工程设计系统工程设计系统实质上是指在产品开发过程中引用计算机技术，使产品开发活动更高效、更优质、更自动地进行。产品开发活动包含产品的概念设计、工程与结构分析、详细设计、工艺设计以及数控编程等设计和制造准备阶段的一系列工作，即通常所说的CAD、CAPP、CAM三大部分。制造自动化系统是CIMS的信息流和物料流的结合点，是CIMS最终产生经济效益的聚集地，通常由CNC机床、加工中心、FMC或FMS等组成。其主要组成部分有：（1）加工单元由具有自动换刀装置（ATC）、自动更换托盘装置（APC）的加工中心或CNC机床组成；（2）工件运送子系统有自动引导小车（AGV）、装卸站、缓冲存储站和自动化仓库等；（3）刀具运送子系统有刀具预调站、中央刀库、换刀装置、刀具识别系统等；（4）计算机控制管理子系统通过主控计算机或分级计算机系统的控制，实现对制造系统的控制和管理。制造自动化系统的目标①实现多品种、小批量产品制造的柔性自动化；②实现优质、低成本、短周期及高效率生产，提高企业的市场竞争能力；③为作业人员创造舒适而安全的劳动环境。*：CIMS不等于全盘自动化，其关键是信息集成，制造系统并不要求去追求完全自动化。CIMS传输系统质量保证系统（1）质量计划子系统用来确定改进质量目标，建立质量标准和技术标准，计划可能达到的途径和预计可能达到的改进效果，并根据生产计划及质量要求制定检测计划及检测规程和规范。（2）质量检测子系统采用自动或手工对零件进行检验，对产品进行试验，采集各类质量数据并进行校验和预处理。（3）质量评价子系统包括对产品设计质量评价、外购外协件质量评价、供货商能力评价、工序控制点质量评价、质量成本分析及企业质量综合指标分析评价。（4）质量信息综合管理与反馈控制子系统包括质量报表生成，质量综合查询，产品使用过程质量综合管理以及针对各类质量问题所采取的各种措施及信息反馈。计算机通讯网络系统——支撑分系统之一计算机网络是用通信线路将分散在不同地点、并具有独立功能的多个计算机系统互相连接，按照网络协议进行数据通信，并实现共享资源（如网络中的硬件、软件、数据等）的计算机以及线路与设备的集合。具体的硬件组成部分包括：数据处理的主机、通讯处理机、集中器、多路复用器、调制解调器、终端、通信线路、异步通信适配器、网络适配器、以及网桥和网间连接器（又称网关、信关）等。再和各种功能的网络软件相结合，就能实现不同条件下的通信以支持系统集成。CIMS数据库系统——支撑分系统之二数据库管理系统是一个支撑系统，它是CIMS信息集成的关键之一。CIMS环境下的管理信息、工程技术、制造自动化、质量保证四个功能系统的信息数据都要在一个结构合理的数据库系统里进行存储和调用，以满足各系统信息的交换和共享。CIMS的数据库系统通常是采用集中与分布相结合的体系结构，以保证数据的安全性、一致性和易维护性。CIMS的体系结构就是一组代表整个CIMS各个方面的多视图多层次的模型的集合。欧共体ESPRIT计划中的AMICE专题所提出的CIMS-OSA体系结构具有一定的代表性。CIMS-OSA体系结构为制造工业的CIMS提供了一种参考模型，已作为对CIMS进行规划、设计、实施和运行的系统工具。CIM－OSA体系结构我国学者提出的“阶梯形多视图多领域CIMS体系结构”（stair-likeCIMSarchitecture，简称SLA）实施CIMS的关键技术1、系统集成2、单元技术第三节CIMS工程的设计与实施先设计、后实施CIMS总体方案设计CIMS是面向整个企业的大系统。CIMS总体方案设计应以面向全局、面向未来来、保证系统的开放性、充分利用现有资源、与企业的技术改造相结合、与企业的机制转换相结合为指导思想。总体方案设计主要包括以下几方面：CIMS体系结构设计、CIMS功能设计、CIMS信息设计、CIMS资源设计、CIMS组织设计和关键技术分析。CIMS功能设计在CIMS功能设计中，常采用功能树、功能模型图和过程图来描述CIMS的功能。功能树是把CIMS中各种功能逐层分解展开，形成一种树状结构。功能树只能表示系统所具有的功能，无法表达各功能之间的信息联系。要表达各功能之间的信息联系，就应采用功能模型图来描述。在CIMS设计中较为普遍采用的方法是IDEF0方法。TIS分系统功能树CIMS信息设计CIMS任何功能的实现都需要信息的支撑，信息的有机集成在CIMS中特别重要。要实现信息的加工处理与集成，就必须建立系统的信息模型和对信息进行分类编码。这就是CIMS信息设计的内容。在CIMS设计中常用的信息建模方法有实体联系图（E－R），IDEF1及IDEF1x。CIMS资源设计CIMS中的资源包括硬件资源、软件资源和人力资源。CIMS资源设计包括硬件资源配置、软件资源配置和人力资源配置三个方面。CIMS组织设计在CIMS环境下，企业的各组织机构应把它的各种资源（包括人员、软件、硬件）统一管理起来。组织设计应完成的任务包括：（l）功能的组织。（2）信息的组织。（3）资源的组织。关键技术分析（1）关键技术的介绍说明关键技术的实质性问题，包括它在整个CIMS工程中的地位和作用、关键技术的技术难点等。（2）提出关键技术的解决途径在初步设计阶段，可根据现有的认识水平，对每一关键技术绘出拟采用的解决途径、并说明其可行性。（3）提出关键技术的解决方案，并论证其可行性。二、CIMS工程实施CIMS工程的实施阶段是设计阶段的延续。863/CIMS专家组针对CIMS工程实施过程中所要遵循的技术原则和方法，提出了“效益驱动，总体规划，重点突破，分步实施”的方针。这一原则适用于CIMS的设计阶段，也适用于系统实施阶段，可供企业制定CIMS技术路线时参考。CIMS实施原则具体体现在四个方面1、贯彻“效益驱动”的原则2、充分利用企业现有资源3、与企业技术改造紧密结合4、分步实施，重点突破CIMS工程实施周期长、工程复杂、项目组织管理难度大，应制定详细的实施进度计划。第四节CIMS应用实例（1）在工程设计自动化方面，可提高产品的研制和生产能力，便于开发技术含量高和结构复杂的产品，保证产品设计质量，缩短产品设计与工艺设计的周期，从而加速产品的更新换代速度，满足顾客需求，从而占领市场。（2）在制造自动化或柔性制造方面，加强了产品制造的质量和柔性，提高了设备利用率，缩短了产品制造周期，增强了生产能力，加强了产品供货能力。（3）在经营管理方面，使企业的经营决策和生产管理趋于科学化，使企业能够在市场竞争中，快速、准确地报价，赢得时间，同时，降低库存资金的占用，提高资金的周转效率。国外成功案例1985年，美国科学院对美国在CIMS方面处于领先地位的五家公司——麦克唐纳道格拉斯飞机公司、迪尔拖拉机公司、通用汽车公司、英格索尔铣床公司和西屋公司进行调查和分析，采用CIMS可以获得如下收益：产品质量提高200%～500%；生产率提高40%～70%；设备利用率提高200%～300%；生产周期缩短30%～60%。国内案例成都飞机工业公司1989年开始开展CIMS工程，经过10