先进制造技术—第四讲,CIMS

1§5计算机集成制造技术—CIMS制造系统的发展1、手工作坊2、机群式生产3、生产线4、自动线（刚性自动化系统）5、集成制造系统（IntegratedManufacturingSystem——IMS）2•6、柔性制造系统（FlexableManufacturingsystem—FMS）•7、计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystem—CIMS）•8、智能制造系统（IntelligentManufacturingSystem—IMS）•9、全能制造系统（HolosonManufacturingSystem—HMS）3•信息技术和机电一体化技术的发展推动了制造产业结构的不断变革，促进了生产过程自动化水平进一步提高。•企业自动化也由“点”（即单机自动化）到“线”（即由多种自动化设备组成的生产线），再由“线”发展到“面”（通过引入柔性制造系统，力图实现企业设备组成的生产线），进而由“面”向“立体”（指企业全部生产系统和企业内部业务实现综合自动化）的方向发展，以期实现企业全部业务的一元化、集成化和高效化。4•计算机集成制造（CIM——omputerIntegratedManufacturing）技术正是制造业实现这一愿望的技术途径。•计算机集成制造系统（CIMS——ComputerIntegratedManufacturingSystem）是当代生产自动化领域的前沿学科，也是集多种高新技术为一体的现代化制造技术5CIMS的提出•20世纪60年代以来，为解决制造业所面临的一系列难题，许多新技术被应用到制造业中。这些新技术主要有：数控（NC）、分布式数控（DNC）、计算机数控（CNC）、物料需求计划（MRP）、制造资源规划（MRP-II）、计算机辅助设计和计算机辅助制造（CAD/CAM）、计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助工艺设计（CAPP）和机械制造中的成组技术（GT）以及机器人（Robot）等。6•但是这些新技术并没有带来人们曾经预测的巨大效益，主要原因在于它们只是离散地分布在制造业的各个子系统中，只能使系统的局部达到自动化和最优化，而未能使整个生产过程长期在最优化状态下运行。为了解决这个问题，人们逐步提出了计算机集成制造（CIM）这一新思想。7自动化孤岛81+1=2?9将“自动化孤岛”集成在一起10将“自动化孤岛”集成在一起11CIM是美国乔赛夫·哈林顿博士（Joseph.Harrington）1973年针对企业所面临的激烈的市场竞争形势，根据计算机技术在工业生产中的应用情况，预见其必然的发展趋势，提出的组织企业生产的一种哲理。哈林顿博士提出的CIM概念的基本论点为：•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生产活动，是一个不可分割的整体，要紧密连接、统一考虑。•2）整个生产过程实质上是一个数据采集、传递和加工处理的过程。最终形成的产品，可以看作数据的物质表现。12•从这两个观点可以看，CIM是一种新的制造思想和技术形态，是信息技术与制造过程相结合的自动化技术与科学，是未来工厂的模式。•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。但是，由于当时的技术限制，还不足以把企业内部的全部生产经营活动连接起来，因而哈林顿博士的看法并没有立即引起人们的广泛注意。直到20世纪80年代，这一概念才被普遍接受。13CIMS的定义•CIM是组织现代化生产的一种哲理，是一种指导思想，CIMS是这种哲理的实现•在CIMS的研究和实施中必须强调“信息流”和“系统集成”这两个最基本观点。•CIMS定义为：CIMS是基于CIM哲理构成的优化运动的企业制造系统14•日本能源协会在1991年提出CIM的定义是：“CIM是以信息作为媒介，用计算机把企业活动中业务领域及其职能集成起来，追求整体效率的新型生产系统。”•IBM公司1990年提出CIM的定义是：“应用信息技术提高组织的生产率和响应能力。”•日本大孤工业大学栗山仙之助教授认为：CIM中“C”有计算机、控制和通信的含义，“I”具有集成的含义，而“M”包含有制造、市场和管理内涵15•欧共体CIM—OSA课题委员会也提出了被认为是最权威最科学的定义：“CIM是信息技术和生产技术和综合应用，旨在提高制造型企业的生产率和响应能力，由此，企业的所有功能、信息、管理方面都是一个集成起来的整体的各个部分”16•CIMS是现代制造企业的一种生产、经营和管理模式。•它以计算机网络和数据库为基础，利用信息技术（包括计算机技术、自动化技术、通信和现代管理技术)将制造企业的经营、管理、计划、产品设计、加工制造、销售及服务等全部生产活动集成起来，将各种局部自动化系统集成起来，将各种资源集成起来，将人、机系统集成起来，实现整个企业的信息集成，达到实现企业全局优化、提高企业综合效益和提高市场竞争能力的目的。•17•在CIMS中主要包含四个要素及两个特征。•四个要素如下：•1）CIMS适用于各种中、小批量的离散生产过程型制造厂。•2）CIMS应将制造工厂的生产经营活动都纳入到多模式、多层次、人机交互的自动化系统之中。•3）CIMS由多个自动化子系统有机综合而成。•4）CIMS的目的是提高经济效益、提高柔性、追求总体动态优化。CIMS的基本特点18•两个特征为：•1）在功能上，CIMS包含了一个工厂的全部生产经营活动，即从市场预测、产品设计、加工制造、质量管理到售后服务的全部活动。CIMS比传统的工厂自动化范围大得多，是一个复杂的大系统。•2）CIMS涉及的自动化不是工厂各个环节的自动化、计算机及网络的简单相加，而是有机的集成。这里的集成，不仅是物料、设备的集成，主要体现的是以信息集成为本质的技术集成。19CIMS中的集成及集成关系•CIMS中的集成:•（1）人员集成管理者、设计者、制造者、保障者（负责质量、销售、采购、服务等的人员）以及用户应集成为一个协调整体。•（2）信息集成产品生产周期中和类信息的获取、表达、处理和操作工具集成为一体，组成统一的管理控制系统。特别是产品信息模型（PIM）和产品数据管理（PDM）在系统中应进行一体化的处理。•（3）功能集成产品生命周期中，企业各部门功能集成，以及产品开发与外部协作企业间功能的集成。•（4）技术集成产品开发全过程中，涉及的多学科知识以及各种技术、方法的集成，并形成集成的知识库和方法库，以利于CIMS的实施。20CIMS技术的集成关系•CIMS的关键是集成（Integration），英国扶夫堡大学Weston教授对集成有一个很简洁的定义：集成是指针基于信息技术的资源及应用（计算机硬/软件、接口及机器）集聚成一个协同工作的整体。集成包含功能交互（FI）、信息共享（IS）及数据通信（DC），如图所示，也就是说在一个集成系统的各子系统之间，需要对信息共享、信息交互以及信息通信进行管理与控制。21图1集成的概念22•全局集成和局部集成•CIMS的集成，如果按集成所覆盖企业业务的程度分，可分为全局集成和局部集成。•全局集成是指信息技术和生产技术在整个企业业务范围内综合应用的集成；•局部集成是指一个分系统或企业一个部门内的集成。•全局集成进一步细化可分为：工作流程集成、物流集成和信息（流）集成。信息集成是企业集成的集中反映，是CIMS集成的基础。23图2CIMS的三个集成层次24•从企业模型、CIMS模型和网络开放系统互连（OSI）模型出发，CIMS信息集成包括三个层次：物理集成、应用集成和经营集成，如图2所示。•物理集成是一切信息集成工作的基础。•应用集成又称应用软件集成，它可提供某些机制，能使过程之间共享公共数据和公共资源。为了实现应用软件集成，各种应用软件必须是可互相连接和多植的。•经营集成又称业务集成，它可支持稳定的决策过程。它是在应用集成的基础上实现各种经营（业务）功能的完整集成。25•纵向集成和横向集成•CIMS的集成，如果按企业组织的层次划分，则可分为纵向集成和横向集成，如图3所示。•纵向集成又称为垂直集成，是指日常运用系统、计划、检查直至最高领导层在业务、组织和信息方面的集成。•横向集成又称水平集成，它是指各日常运用系统的集成。•在CIM中经常被人们提及的并行工程及准时化生产（JIT）就是两种最为典型的水平集成，而制造资源规划（MRP-II）则是一种垂直集成。26图3横向集成和纵向集成27•CIMS旨在通过计算机和网络系统将企业的技术（研究开发）、经营、销售等全部职能有机地集成起来，实现企业各项活动的高效、协调和企业的总体优势，以适应人们对产品多样化、个性化、高级化的需求。•如图4所示，为CIMS技术集成关系图。集成和连接不一样，它不是简单地把两个或多个单元连在一起，而是将原来没有联系或联系不紧密的单元组成为有一定功能的、紧密联系的新系统。两种或多种功能的集成包含着两种或多种功能之间的相互作用。集成是属于系统工程中的系统综合、系统优化范围。28图1.14CIMS技术集成关系图29CIMS的体系结构•一个制造企业从功能看，可以简单地分为设计、制造、经营管理三个主要方面。由于产品质量对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的主要方面之一。为了实现企业功能的集成，还需要有一个支撑环境，包括网络、数据库（DB）和集成方法—系统技术。其CIMS的功能构成如图5所示。30图5CIMS的功能构成31•图6为CIMS功能体系的逻辑模型•功能体系结构模型采用递阶控制是与自动化加工密切相关的，自动化递阶控制的原则是当上一层向下一层下达工作控制指令时，上层需要检查执行该指令的全部资源是否准备就绪（这些资源包括工装、加工对象、机床、刀具量具、NC指令程序、测量程序、加工工艺等），只有在全部资源到位时工作指令才能从上层递阶到下层，从而使物流和信息流能够同时达到下一层时实现自动化加工。32图6CIMS功能系统模型33•CIMS体系分系统•根据CIMS的功能构成，CIMS是由4个功能分系统和两个支撑分系统组成。•CIMS通常是由管理信息系统（MIS）、产品设计与工程设计自动化系统（又称工程设计集成系统，EDIS）、制造自动化（柔性自动化）系统（MAS）、计算机辅助质量保证系统（CAQ）以及计算机网络（NETS）和数据管理系统（DBS）等6个部分有机地集成起来的。•然而，这并不意味着任何一个工厂企业在实施CIMS时都必须同时实现这6个分系统。34图7CIMS的6个分系统35管理信息系统（CIMS/MIS—ManagementInformationSystem)•CIMS/MIS的基本结构如图8所示。•以上模块是以生产计划与控制作为主线来进行说明的。实际上，财务管理和成本管理亦是MIS分系统的重要组成部分。•目标是通过信息集成，缩短产品生产周期，降低流通资金占用，提高企业应变能力36图8CIMS/MIS基本结构37工程设计集成分系统（CIMS/EDIS）•该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。如图9所示，工程设计集成分系统是CIMS中的一个核心分系统，它包括CAD（计算机辅助设计）、CAPP（计算机辅助工艺规划）、CAM（计算机辅助制造）和NCP（数控程序编制）等子系统.•用以支承产品的设计和工艺准备等功能，处理有关产品结构方面的信息。38图9CIMS中的工程设计分系统CADCAPPCAMNCPP工装CAD工程设计集成分系统（DEDIS）39图10EDIS与CIMS其它分系统的接口信息EDISMISMASCAQ新产品开发任务书技术指标、时间要求、修改说明任务审核信息能力需求说明、批量建议和计划任务进度信息、估计成本技术指标开发数据方法、任务状态数据工装、设备要求、能力数据工艺定额故障信息统计设备信息生产过程统计信息零件图、工艺文件NC程序DNC故障诊断结果设备故障诊断结果零件设计工艺要求加工工艺线路刀具、夹具、量具信息零件公差设计质量评审信息质量处理分析单工艺能力分析及工艺改进措施40制造自动化分系统（CIMS/MAS）•该分系统的目标是使