先进生产制造模式

先进生产制造模式机械0822仇小菊背景：在传统制造技术逐步向现代高新技术发展、渗透、交汇和演变的过程中，形成了先进制造技术的同时，出现了一系列先进制造模式。根据国际生产工程学会（CIRP）近10年的统计，发达国家所涌现的先进制造系统和先进制造生产模式就多达33种。发达国家制造业企业，特别是跨国公司和创新型中小企业已广泛采用了一些新的制造模式和制造系统，如：柔性制造系统（FMS）；计算机集成制造系统（CIMS）；精益生产模式（LP）；清洁生产模式（CP）；高效快速重组生产系统；虚拟制造模式（VM）等。目前，正在开发下一代制造和生产模式，如：并行工程和协同制造（HM）、生物制造（BM）、网络化制造和下一代制造系统（NGMS）等计算机集成制造（CIM）概念：CIM(ComputerIntegratedManufacturing)1974年美国人约瑟夫·哈林顿博士根据计算机技术在工业生产中的应用及其发展趋势，首先提出了计算机集成制造的概念，即CIM概念。其基本观点有两个：(1)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活动是一个不可分割的整体。需紧密联接、统一考虑。(2)整个制造生产过程，实际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，可以看作是数据的物质表现。CIMS定义：CIMS是一种基于CIM哲理构成的计算机化、信息化、智能化、集成化的制造系统。通过计算机及其软件，把制造工厂全部生产活动所需的各种分散的自动化系统有机地结合起来，是适合于多品种、小批量生产和实现总体高效益、高柔性的制造系统。CIMS是通过计算机硬软件。并综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术。将企业生产全部过程中有关的人、技术、经营管理三要素及其信息与物流有机集成并优化运行的复杂的大系统。CIMS包含三要素：在三要素的相交部分需要解决四类集成问题:使用技术以支持经营：使用技术以支持人员工作和组织机构的运行：人员/机构设置协调工作以支持经营活动：统一管理实现经营、人员、技术功能结构从功能上看，CIMS包括了一个制造企业的设计、制造、经营管理三种主要功能，要使这三者集成起来，还需要一个支撑环境，即分布式数据库和计算机网络以及指导集成运行的系统技术。1.四个功能分系统（1）管理信息分系统（2）产品设计与制造工程设计自动化分系统（3）制造自动化或柔性制造分系统（4）质量保证分系统2.两个支撑分系统（1）计算机网络分系统（2)数据库分系统1)管理信息分系统(CIMS/MIS)它是CIMS的上层管理系统，它不仅需要根据厂情、国情和国际市场的需求信息作出生产决策、确定生产计划和估算产品成本和生产效益，而且需要做出物料、能源、设备、人员的计划安排，保证生产的正常运行。CIMS/MIS的基本结构。2)工程设计集成分系统(CIMS/EDIS)此分系统的目标是使产品开发活动能够高效、优质、自动地进行。它在CIMS系统信息流程中的位置。3)制造自动化分系统(CIMS/MAS)该分系统的目标是使产品制造活动最优化。在CIMS环境中:，MAS分系统运行过程的本质是产品的物化(形成)过程:MAS中的数据是连接产品设计、生产过程控制和实际产品加工制造之间的桥梁，即CIMS中的产品设计方案和工艺规划等工程信息是通过MAS信息转换为实际产品的。4)计算机辅助质量保证分系统(CIMS/CAQ)这是一个保证产品质量的全企业范围内系统。该分系统的目标是保证从产品设计、制造、检验到售后服务整个过程的质量。CIMS/CAQ的组织结构分为规划层、管理层和执行层。5)数据管理分系统(CIMS/DBS)该分系统的目标是管理整个CIMS的数据，实现数据集成和共享。CIMS环境下的4个功能分系统的信息数据都要在一个结构合理的数据库系统中进行存贮，并通过计算机网络提供的系统互通能力，将不同分系统中的数据联系起来，达到信息交换和共享的目的。6)网络分系统(CIMS/DBS)该分系统的目标是传递CIMS各个分系统之间和内部的信息，实现CIMS的数据传递和系统通信功能。只有通过计算机网络系统，才能完成动态控制和管理的各功能分系统的互联，实现信息传输和交流，使互联系统共享工程资源，数据库和存贮空间。一般企业常见的CIMS的4层结构和相应的数据流关系。CIMS的基本组成结构关系：ＣＩＭＳ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一、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）。二、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。三、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四、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。五、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。AMRF提出的CIMS五级递阶控制模型CIMS体系结构：CIMS体系结构是用来描述研究对象整个系统的各个部分和各个方面的相互关系和层次结构，从大系统理论角度研究，将整个研究对象分为几个子系统，各个子系统相对独立自治、分布存在、并发运行和驱动等。我们可以从功能结构和逻辑结构来认识CIMS体系结构。第一层生产/制造系统：这一层面向生产过程，包括了柔性制造单元FMS、装配设备、工业机器人及其他生产制造自动化技术，这一层以物流为中心，完成生产、加工、装配、包装等任务。第二层硬事务处理系统：这一层是生产/制造监控系统，通过计算机网络对第一层的设备进行综合控制与操作，实现对生产制造的监控。包含狭义的CAM、CAQ及CAT等。第三层技术设计系统：这一层包含CAD（计算机辅助设计）、CAPP(计算机辅助工艺)，为生产制造系统产生信息。CAD用于产品设计、开发，它提供的是如何做的信息，而CAPP是依据CAD提供的信息指导如合作。第四层软事务处理系统：这一层主要通过计算机网络实时地处理各种软事务，譬如，财务、供销、售后服务等方面的管理，实现电子化记账。第五层信息服务系统：以狭义的MIS为主，主要对前面各层的信息进行收集、存储、加工、传输、使用、查询，为各级管理者与下层提供数据。第六层决策管理系统:这一层是企业经营管理规划的决策层，主要有MRP-II(制造资源计划)、ERP(企业资源计划)、决策支持系统DSS、专家系统ES、系统模拟系统等组成。他根据企业总体路线、企业内部条件、市场信息等因素，产生生产经营活动的计划与方案、各种资源的需求计划，包括人、物、资金的需求计划。CIMS逻辑结构不仅体现了信息的传递与交换，更能反映出人在CIMS系统中的重要作用。因此可以说人为因素是实施CIMS能否取得实际成效的关键。863/CIMS主题的研究和开发进展如何？(1)CIMS应用示范工程在广度、深度上取得较大进展到目前为止，已有20多个省(市)/行业的200多个企业实施了CIMS应用示范工程。这些省市及行业大多成立了专家组及其办公室，并在经费和政策上给予了企业一定的支持。目前，已有50多家企业通过了验收。这些CIMS应用企业包括多种类型：从几百人的中小企业，到几万人的大型企业；从多品种小批量的企业，到多品种大批量的企业；从离散型企业，到连续型、混合型和其它类型的企业；从国有企业，到民营企业、合资企业和乡镇企业。这些CIMS应用企业均获得明显的经济效益，有效地提高了企业的竞争力。已验收的企业新产品开发周期一般缩短30%～50%，生产周期一般缩短20%～40%，流动资金一般减少20%～30%。例如，江苏金城集团实施CIMS后，建立了客户化的经营管理体系，满足客户多样化、个性化的需求，外货交货期缩短到15个月，达到国际先进水平。2)CIMS产品化和产业化取得突破①初步形成了11个系列的CIMS目标产品，占企业信息化工程所需硬、软件产品的85%以上。这11个系列的CIMS目标产品为：底层设计自动化所需的先进数控系统和快速成型系统；二维绘图、图纸扫描处理、三维几何造型等CAD系统；有限元分析及前后处理系统FEM；计算机辅助工艺设计与规划CAPP工具及软件系统；产品数据管理系统PDMS；企业资源计划管理MRPII及ERP系统；数据库管理系统DBMS；适用于机械、轻纺、轻工、建筑等行业的专用CAD应用软件；流程行业的生产过程先进控制系统；电力行业的控制、决策及管理软件系统；商业自动化领域虚拟POS系统。②把国内同行业领先的CIMS目标产品开发单位联合起来，形成了一支在市场上可与国外软件竞争的生力军。。③863/CIMS目标产品在CIMS应用示范企业得到应用。徐工集团是我国最大的筑路机械工业企业，是863/CIMS应用示范企业，原来用美国AutoCAD支撑软件作为CAD的主导软件，在我国即将加入WTO之际，他们用清华同方的OpenDesign全部替换了AutoCAD(250套)，不仅功能、性能有所提高，而且价格只是国外软件的1/10。预计CIMS应用示范企业中将有15家企业主要采CIM支持的国产软件，尤其是中小企业对国产CIMS目标产品的需求越来越强烈。④CIMS支持的目标产品项目1998年的销售额已超过8000万元，1999年达2亿多万元，2000年的目标是3亿元。⑤863/CIMS通过对目标产品项目的支持，形成了一批高技术成果转化好、软件产品在国内领先的企业和一支高水平的技术队伍。⑥培育一批系统集成及咨询服务公司和CIMS目标产品产业化基地，如华中数控集团公司、清华同方软件公司等，促进CIMS应用示范工程向市场机制过渡。3)重大关键技术攻关取得重要进展1)并行工程攻关取得突破性进展清华大学、华中理工大学、上海交通大学、北京航空航天大学和航天工业总公司二院等五个单位第一次在国内系统地研究并应用了并行工程方法，解决了多项关键技术，总结了实施并行工程的参考模式。该项目已于1997年12月通过验收。鉴定委员会认为，该项目与国际上近年来所从事的并行工程研究与开发的技术水平相当，在应用方面有自己的特色，有些关键技术达到国际先进水平。目前，并行工程的技术攻关成果已在国内10多个企业中得到应用。2)集成框架和集成平台关键技术攻关由航天工业总公司二院负责的“面向并行工程的集成框架”和由清华大学负责的“面向制造业CIMS应用集成平台”两个关键技术攻关项目于1997年立项。面向并行工程的集成框架支持了并行工程的集成化产品开发相关过程和领域的建模、服务与集成。CIMS应用集成平台实现了分布式环境下异构CIMS应用系统的集成。这两个项目已经完成并被鉴定达到国际先进水平。这对于实现CIMS信息集成、过程集成及系统的开放性将具有重要意义。(4)应用基础研究获得一批高水平研究成果近年来，完成基础研究课题数百项，在国内外著名刊物和论文集中发表了一大批高水平论文专著，扩大和提高了我国在CIMS和系统集成技术研究方面的影响和地位；取得了一批有应用价值或较好应用前景的研究成果，为关键技术攻关、产品开发和应用工程提供了一些有价值的方法、技术和原型系统；部分研究课题直接和CIMS应用示范工程相结合，解决了CIMS应用示范工程中的关键问题，取得了显著的经济效益和社会效益。(5)研