制造工程学-第三讲-制造理念

本章要点批量法则（BR）成组技术（GT）计算机集成制造（CIM）并行工程（CE）精良生产与敏捷制造（LP&AM）第二讲先进制造理念2CIM提出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…）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。3.计算机集成制造（CIM）3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，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。T（Time）——时间，加速新产品研制周期，缩短交货期Q（Quality）——质量C（Cost）——成本S（Service）——服务E（Environment）——环保为实现这一目标，CIM是一种强有力的形式。3.计算机集成制造（CIM）4CIM定义CIM是将人及其经营知识和能力与信息技术和制造技术综合应用，以提高制造型企业的生产率和响应能力。企业所有人员、功能、信息、组织管理等方面都是集成起来的整体的各个部分。欧共体CIM-OSA（开放体系结构）课题委员会：◆CIM是一种哲理、思想、方法；◆CIMS是CIM哲理的具体体现；◆CIMS是一个计算机控制的闭环反馈系统，其输入是产品的需求和概念，输出的是合格的产品。CIM与CIMS3.计算机集成制造（CIM）5讨论◆整体优化是CIM的目标（相对于自动化孤岛）。◆CIM的核心是集成，而集成的本质是信息集成。◆3M（人、机器、管理）集成，其中人是核心。普渡大学T.J.Willian教授提出CIMS参考模型的两个概念：★Automability（可自动化性）——指生产活动中可用数学形式或计算机程序描述的部分，生产活动中的这一部分内容可用计算机来进行处理。★Innovation（创新）——生产活动中无法用数学形式或计算机程序描述的部分，这一部分内容仍需人来完成。他认为工业革命使人变成了机器的奴隶，新技术革命则要“恢复人格”（Humanlization）。Real3.计算机集成制造（CIM）6◆SME的“制造企业轮图”也强调以人为本。图26CASA/SME的“制造企业轮图”（第三版1993）资源责任顾客组织共享知识系统制造资源3.计算机集成制造（CIM）7◆CIM往往和人们经常提到的“三无工厂”（无图纸、无库存、无人化),“3J”（Justintime，Justincase，Justinsupply）等概念相联系。◆搞CIM是非常复杂的事情，是一项高投入、高风险项目，必须审慎行事（20世纪80年代只有少数公司获得成功）。图27无图纸生产实例—波音777客机◆CIMS的实现程度受企业经营环境的制约，与企业的技术水平、投资能力、经营战略等相联系，决定了CIMS是一个多层次、多模式、动态发展、逐渐向理想状态趋近的系统。◆限定“制造型企业”。3.计算机集成制造（CIM）8NetworkDB市场信息生产过程信息技术信息原材料，能源产品MIS，BM，PMMM，LM，FM…EISCADCAECAPPNCPCATD∶QISCAICATCAQCCMM∶MASCNC,MC,FMC,FMS,ROBOT,AA…图28CIMS功能模型CIMS的体系结构指以信息的观点建立的企业模型框架（或功能模型）。CIMS功能模型通常由5个分系统组成（图28）。3.计算机集成制造（CIM）9CIMS发展简况（国外）欧共体——1984年开始实施ESPRIT（欧洲信息技术研究战略计划），在130个合作项目中，关于CIM项目占28项日本——CNC、DNC、FMS已处于世界领先地位，1985年通产省主持开发“筑波综合实验工厂”，相当于CIMS实验基地。美国——不仅企业重视，国家也极为重视，认为CIM是夺回失去市场、取得竞争成功的关键技术，并将不可逆转地成为21世纪占主导地位的新的生产方式。20世纪80年代初，美国国家标准局（NBA）所属AMRF（自动化研究实验基地）建立了世界上第一个CIMS实验系统（见图29）新加坡、以色列、韩国、巴西、南非等——也在积极跟踪和发展CIM技术。3.计算机集成制造（CIM）10主控制室辅助控制室运输小车入口出口货架车削MC立式MC卧式MC清洗机CMM图29AMRF的CIMS实验系统（FMS部分）3.计算机集成制造（CIM）11CIMS发展简况（国内）◆863计划◎目标：跟踪世界高技术最新发展◎自动化领域两个主题：1）CIM；2）工业机器人◎组织与领导机构（图27）自动化领域总体战略、分阶段战略部署，对外合作，总经费、年度经费分配，学术领导具体领导各项工作开展专题学术领导，组长由主题专家组成员担任图30863自动化领域组织结构自动化领域专家委员会CIM主题专家组CIM专题专家小组3.计算机集成制造（CIM）12◆CIMS实验工程（CIMS-ERC）技术原则：1）包括实际工厂主要功能递推结构；2）最小配置实际制造环境；3）采用开放系统概念，多厂家设备（软、硬件）集成；4）以信息集成为主，不追求机械设备完善；5）自顶向下设计与自下而上实现相结合。1987.6——可行性论证1988.3——通过国家评审1988.5～1989.5——总体设计1989.6～1992.12——开发实施1993.3——国家验收1994年获美国CASA/SME（美国机械工程师协会计算机与自动化系统分会）“UniversityLEADAward”（大学领先奖）3.计算机集成制造（CIM）13图311994年CASA/SME颁发的“UniversityLEADAward”3.计算机集成制造（CIM）14CAD/CAPP/CAM工程DB日作业计划计划DB计划管理系统仿真监控DBNCDB调度生产监控管理实时DB车削MC立式MC卧式MC物流刀具装夹测量运输车物流DB刀具DB夹具DB单元控制图32CIMS-ERC4级递阶控制结构3.计算机集成制造（CIM）15注重研究→注重应用大型企业→中小型企业“技术推动”→“需求牵动”强调技术支撑→强调人、技术、经营集成CIM应用模式越来越多CIM实施过程中不断吸收新技术、新思想、新概念CIMS发展趋势3.计算机集成制造（CIM）16并行工程（ConcurrentEngineering——CE）定义1988年，美国国防部防卫分析研究所（IDA）发表R338报告：并行工程（CE）是对产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。这种工作模式力图使开发者从一开始就考虑到产品全生命周期（从概念形成到产品报废）中所有的因素，包括质量、成本、进度与用户需求。注：支持过程——包括对制造过程的支持（原材料的获取,中间产品的库存，工艺过程设计，生产计划制定…）和使用过程的支持（产品销售，使用维护，售后服务，产品报废后的处理…）4.并行工程（CE）17CE与CIM的目标都是为了赢得市场竞争，着眼点均为“TQCSE”。随着市场竞争的日趋激烈，“TQCSE”五要素中“T”变的越来越重要，减小新产品开发周期成为“TQCSE”的“瓶颈”。CIM着眼于信息集成与信息共享，通过网络与数据库将自动化孤岛集成起来。但生产过程的组织结构与管理仍是传统的，独立、顺序进行。生产管理者在信息集成的基础上，对整个生产进程有清楚的了解，从而可以进行有效的控制，并最终在TQCSE上取得成功。CE与CIM具有相同的背景4.并行工程（CE）18图33顺序方法开发产品的弊端产品设计工艺规划加工装配市场需求无法加工装配困难◆当新产品开发成为赢得竞争的主要手段后，单纯集成已不够。按顺序方法开发产品常需要多次反复，不仅延误了时间，而且在资金上也造成巨大浪费。4.并行工程（CE）19图34串行与并行方法需求分析产品设计过程设计原型产品a）串行方法需求分析产品设计过程设计原型产品b）并行方法顺序方法与并行方法（图34）4.并行工程（CE）20◆CE依赖于产品开发中各学科、各职能部门人员相互合作，相互信任和共享信息，通过彼此间有效地通讯和交流，尽早考虑产品全生命周期中的各种因素，尽早发现和解决问题，以达到各项工作协调一致。◆CE方法有别于传统的强调“分工”的管理方式，是一种在更深层次上的集成（人、技术、管理的集成；产品设计及其相关过程设计的集成）。◆CE的核心是产品及其相关过程（加工工艺、装配、检测、质量控制、销售、售后服务…）设计的集成。CE基本方法与效益◆CE效益——缩短新产品开发周期40～60%；提高设计质量（早期生产中工程变更次数减小一半以上，产品报废及反复工作减小75%）；制造成本下降30～40%4.并行工程（CE）21◆据统计，新产品提案中只有约6.5％能够制造出产品，其中能够商品化的比例不到15％，商品化产品进入市场后又有将近半数未能获得成功。◆原因：在产品设计时对影响产品的多种因素考虑不周全，或不充分和不深入，面向“X”设计应运而生。◆产品设计在产品寿命循环中占有重要的地位，它决定了产品制造成本的70～80％。面向X的设计◆面向“X”的设计最初是以DFM（面向加工的设计）和DFA（面向装配的设计）的形式出现，进一步发展，便形成了DFX（面向“X”的设计）。◆X可以指经营、销售、加工、装配、检验、使用、维护、质量、成本等。4.并行工程（CE）22表1-4便于加工和装配的设计规则设计规则包含内容效益减少零件数量使产品或部件包含尽可能少的零件减小装配工作量，降低在制品库存，便于管理，提高可靠性，易于维护使用标准件和通用件尽量使用标准件和通用件采用成组技术，建立生产单元减小设计、制造时间，降低设计制造成本，易于保证质量，易于维护模块化设计采用模块化设计方法，每个模块包含的零件数不宜过多减小最终产品装配时间，减小库存，缩短交货期，易于保证质量，易于维护装配结构工艺性所有零件从一个方向进行装配尽量在垂直方向进行装配减少装配工作面在外部进行装配零件进入端设计倒角和锥度避免错误装配减少装配工作量，便于装配，易于保证装配质量，降低装配成本，易于维护4.并行工程（CE）23表1-4便于加工和装配的设计规则（续）设计规则包含内容效益减少螺纹连接尽量少用螺纹连接采用卡扣、粘接等快速连接方法减少装配工作量，便于实现自动装配设计多功能零件如紧固件和密封件合二而一减少装配工作量减少调整环节尽量减少装配时的调整环节减少装配工作量，便于装配少用柔性零件尽量少用橡胶件、皮带、电缆等在装配中难于处理的柔性零件减少装配工作量，便于装配加工结构工艺性采用净成形和近净成形技术零件结构、形状尽量简单，便于加工减少加工面选用便于加工的材料制定合理的精度和表面粗糙度要求对规定的要求可以方便地进行检验避免零件上出现不必要的特征充分考虑企业的加工能力减少机械加工工作量，便于加工，便于检验，降低加工成本，减少外协加工4.并行工程（CE）24图35零件结构工艺性分析示例a）b）c）d）4.并行工程（CE）25图35零件结构工艺性分析示例（续）e）f）g）h）i）j）4.并行工程（CE）26a)b)图35零件结构工艺性分析示例（续）k）l）m）n）o）p）4.并行工程（CE）27图35零件结构工艺性分析示例（续）q）r）s）t）u）v）4.并行工程（CE）28图35零件结构工艺性分析示例（续）w）x）y）z）4.并行工程（CE）29精良生产（LeanProduct