现代制造业信息化技术[1].ppt

,现代制造业信息化技术,主讲人：刘文剑、金天国,现代制造业信息化技术,1、制造业信息化的先进理念与模式2、制造业信息化总体设计与实施3、制造业信息化系统建模技术4、制造业信息化的技术集成5、制造业信息化的生产过程管理集成,目录,目录,1、制造业信息化的先进理念与模式,1.1面向产品生命周期的设计（DFX）1.2并行工程（CE）1.3敏捷制造（AM）1.4虚拟制造（VM）1.5计算机集成制造系统（CIMS）1.6绿色制造（GM）,1、制造业信息化的先进理念与模式,1.1面向产品生命周期的设计（DFX）,1.1.1基本概念DFX是一种哲理，是一种设计方法，它强调产品设计与过程设计同步进行，要求所有的产品开发人员都应该在产品的设计阶段尽量考虑产品整个生命周期的各项因素的影响。,1.1面向产品生命周期的设计（DFX）(4-8),1.1面向产品生命周期的设计（DFX）,1.1.2DFX分类,X代表决定产品竞争能力的因素；X代表产品生命周期的某一个环节。,1.1面向产品生命周期的设计（DFX）,1.1.3面向集成的DFM技术狭义的DFM是指零件的DFM。对零件设计的优化分析技术，零件设计时考虑相关约束影响；材料成本的最小化、加工工艺的最优化、可制造性等。广义的DFM是指产品的DFM。包括：1）零件的DFM；2）面向装配的设计（DFA）；对产品结构进行优化设计，包括对组成产品零件的分析和对零件之间装配关系的分析。3）成本早期预估（earlycostevaluating)。,1.1面向产品生命周期的设计（DFX）,1.1.4集成化DFM系统的体系结构DFM系统的系统结构可以分为4个阶段：1）产品概念设计及其评价概念设计：功能建模，方案设计；评价：方案优选、批量与类型。2）产品结构设计及其评价设计：最佳方案结构化；评价：可装配性、成本和功能。3）详细设计及其评价设计：零部件及其工艺；评价：可制造性。,1.1面向产品生命周期的设计（DFX）,4）产品总体性能评价产品功能、性能和成本等。右图是基于集成的DFM系统体系结构。,1.2并行工程（CE）,1.2.1基本概念并行工程是对产品设计及其相关过程（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，是一种指导新产品开发的哲理。其运行机理表现在：一方面突出了人的作用，强调团队的协同工作；另一方面要求一体化、并行进行相关过程的设计，尤其是强调概念设计阶段的并行和协调。,1.2并行工程（CE）(9-16),串行与并行开发过程比较,1.2并行工程（CE）,1.2.2并行产品开发的特点并行工程是对产品开发模式的一种变革：1）在组织方面，通过组建多学科小组来促进设计过程的协作与并行；2）在管理方面，通过改革管理方式和机构重组，建立扁平化的生产管理模式，实现跨时域、跨功能、多目标的决策与协调；3）在技术方面，不仅继承和发展了传统的CAD/CAM技术，而且还采用了多种并行工程的使能工具(如DFX工具)及集成技术。,1.2并行工程（CE）,并行产品开发的特点如下：1）在产品设计期间，并行地处理整个产品生命周期中各个环节的关系与影响因素；2）组织基于产品生命周期的跨部门多学科的集成产品开发团队；3）具有支持并行处理的信息集成支撑工具；项目管理系统：主要功能是任务分解、进度安排和跟踪、资源分配、成本核算和功能分析。工作流管理系统（WFM）：是人与计算机共同工作的自动化协调、控制和通信系统。如SoftwareLey公司的COSAWorkflow，IBM公司的FlowMark、Staffware公司的Staffware。,1.2并行工程（CE）,群体决策支持系统：决策室、工程室、远程会议系统、电子邮件与语言邮件。系统软件如Banxia公司的DecisionExplorer。4）协同工作环境是实施并行工程的必要条件；协同工作的7个要素：协作（Collaboration）、信任（Commitment）、交流（Communications）、折中（Compromise）、一致（Consensus)、不断提高（Continuousimprovement）和协调（Coordination）支持人类协同工作的计算机工具被称为CSCW(computer-supportedcooperativework)CSCW的概念：利用多媒体技术、网络与通信技术、分布式处理技术等建立一个多模式的协同工作环境。5）设计一开始就考虑影响产品质量的所有因素，保证产品开发一次性成功。,1.2并行工程（CE）,1.2.3实施并行工程的4个要素(1)组织结构变革，产品开发队伍（IPT）重构；团队有四种形式：任务级（task）；项目级（program）工程级（project）；企业级（enterprise）(2)过程重组，将串行产品开发流程变成集成的、并行的产品开发过程；(3)数字化产品定义，包括数字化产品建模,面向产品生命周期的数据管理,数字化工具定义和信息集成.开发PDM.(4)协同工作环境，用于支持IPT协同工作的网络与计算机平台。,1.2并行工程（CE）,1.2.4面向并行工程的系统结构(1)基于PDM的并行产品开发的体系结构,1.2并行工程（CE）,基于PDM的并行设计系统的功能结构,(2)面向并行工程的CAPP系统的总体结构,(3)复杂结构件设计与制造并行工程总体结构,1.3敏捷制造（AM）,1.3.1敏捷制造的理念敏捷制造是一种先进的生产理念，也是一种面向市场快速反应的灵活的生产模式。通过将高素质的员工、动态灵活的组织机构、企业内及企业间的灵活管理、以及先进的制造技术进行全面集成，使企业对持续变化、不可预测的市场需求作出快速反应，从而获得长期的持续的经济效益。由此可见：敏捷制造强调人、组织、管理和技术的高度集成；强调企业面向市场的敏捷性。,1.3敏捷制造（AM）(17-29),1.3敏捷制造（AM）,主要特征表现在：1）是21世纪信息时代最有竞争力的生产模式；强调以最短的交货期最经济的方式交出最满意的产品.2）具有灵活的动态组织机构，形成具有快速响应能力的动态企业联盟；强调以最快的速度进行资源整合.3）生产各环节都采用先进的制造理论与技术，如柔性制造、并行工程、动态计划与调度、企业经营过程重构、产品数据管理、虚拟产品开发等；4）建立开放式的基础结构和协同工作环境，把企业的生产经营活动与市场和合作伙伴紧密地联系起来。,1.3敏捷制造（AM）,1.3.2企业的敏捷性敏捷性是指适应市场竞争的主动综合应变能力。1）企业对市场需求的快速响应性；2）企业组织形态的动态可重组性、可重用性与可扩展性；3）企业管理方式的自适应性；企业组织形态自适应性是指应变管理、企业业务流程管理、动态联盟运作及过程管理。4）制造资源的分布性、可配置性及可重构性；5）制造系统的柔性及集成性；6）制造活动的协同性。,1.3.3敏捷制造系统的实现技术,1.3敏捷制造（AM）,1.3.4敏捷制造的实施方法五个层次：1）企业敏捷制造战略层；2）企业的敏捷化建设及经营策略变更层；3）企业技术准备层；4）敏捷制造系统构建层；5）敏捷制造系统运行与管理层。敏捷制造实施的一般流程如下图所示：,敏捷制造的实施流程,1.3.5敏捷制造的实施框架,1.3敏捷制造（AM）,1.3.6产品驱动的企业动态联盟(1)基本概念企业动态联盟亦称为虚拟企业，它是敏捷制造的一种主要实现模式，它以具有共同利益的产品开发与制造为凝聚核心，将不同企业中具有技术和经验优势和资源优势的相关部分组合在一起，构成企业动态联盟的组织形态。,产品驱动的企业动态联盟组织形态,1.3敏捷制造（AM）,(2)企业动态联盟的生命周期1）产品确认并形成盟主企业；2）盟主企业通过一定方法，如招投标机制选择盟员企业；3）按“扁平结构”组成企业的动态联盟；4）企业联盟的运行；5）企业动态联盟运行终止并进行利益清算；6）企业动态联盟解散。,1.3敏捷制造（AM）,(3)企业动态联盟的建立流程1）目标确定：用于完成市场机遇的寻求与评估分析、差距分析与目标确定两项任务；2）动态联盟建模及伙伴选择：任务包括虚拟企业过程规划、成员企业确定及动态联盟的企业模型设计；3）组织设计：搭建企业动态联盟，从项目分解的角度出发，进行任务分解；4）实施：搭建基于网络的信息集成平台。,企业动态联盟建立流程的四阶段模型,(4)企业动态联盟的运行,1.4虚拟制造（VM）,1.4.1虚拟制造的定义是实际制造在计算机上的本质实现，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，通过计算机上的群组协同工作，实现产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强制造过程各级的决策与控制能力，预测产品的性能、产品的制造成本、产品的可制造性等。,1.4虚拟制造（VM）(30-40),1.4虚拟制造（VM）,1.4.2虚拟制造的特点1）虚拟制造是实际制造过程在计算机上的映射和本质表现，即采用计算机仿真和虚拟现实技术，在计算机上群组协同工作，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程的模拟与仿真。2）虚拟制造通过数字化产品模型来反映产品演变过程的全部信息，如结构配置、零件信息、CAD/CAPP/CAE/CAM文件、材料清单、维护文件等全是电子文档。,1.4虚拟制造（VM）,3）虚拟制造是基于模型的集成。通过模型集成实现制造系统的五大要素(人、组织管理、物流、信息流和能量流)的高度集成；通过产品模型、过程模型、活动模型和资源模型的组合与匹配，仿真特定制造系统中的设备布置、生产活动、经营活动等行为。4）虚拟制造具有分布式的协同工作环境。分布在不同地点、不同部门的具有不同专业背景的人员，可以在同一个产品模型上协同工作，交流和共享信息。5）虚拟制造实现了人与虚拟制造环境交互的自然化。通过媒体映射的模型运行信息与人的思维进行信息融合，来深刻的理解与领会产品制造过程的本质。,1.4虚拟制造（VM）,1.4.3虚拟制造的分类(1).以设计为中心的虚拟制造核心思想是以设计为中心的虚拟制造的核心思想是：把制造信息引入到设计过程中，利用制造仿真来优化产品设计。其目标是仿真与评价产品的可制造性、可装配性、产品的性能。(2).以生产为中心的虚拟制造核心思想是将仿真技术引入到生产过程中，通过建立生产过程模型来评估和优化生产过程。其目标是评价可生产性，对生产计划与调度、生产过程进行仿真。(3).以控制为中心的虚拟制造核心思想是通过对制造设备和制造过程进行仿真。其目标是对各种制造单元的控制策略和制造设备的控制策略进行评估。,三类虚拟制造之间的关系,1.4虚拟制造（VM）,1.4.4虚拟制造的体系结构五层构成，分别是：1）经营决策层：根据用户需求分析作出生产产品的种类、规模、性能和规格等决策；2）产品决策层：作出产品总体方案决策，对其性能作出评价，对其成本作出初步预估；3）生产决策层：根据上层决策和企业现状，作出产品开发计划、生产任务规划、生产调度计划等决策；4）虚拟设计与制造层：完成虚拟设计到虚拟制造与装配的全部生产过程的仿真；5）集成支撑环境层。,虚拟制造系统的体系结构,1.4虚拟制造（VM）,1.4.5虚拟制造的环境与平台虚拟制造应包括产品的可制造性、可生产性和可合作性的支持。可制造性是指可加工性和可装配性；可生产性是指如何优化生产计划和调度；可合作性是指为企业联盟提供协同工作环境。虚拟制造平台应包括虚拟制造、虚拟生产和虚拟企业三个层次。,虚拟制造环境与平台体系,1.4虚拟制造（VM）,(1).虚拟制造平台该平台支持产品的并行设计、工艺规划、加工、装配及维修等过程，进行可制造性分析。它是以全信息模型为基础的众多仿真分析软件的集成，虚拟制造平台应具有统一的框架、统一的数据模型，并具有开放的体系结构。(2).虚拟生产平台该平台将支持生产环境的布局设计及设备集成、产品远程虚拟测试、企业生产计划及调度的优化，进行可生产性分析。(3).虚拟企业平台为敏捷制造提供虚拟企业协同工作环境。,1.4.6基于Internet的虚拟制造系统软件的体系结构,1.5计算机集成制造系统（CIMS）,1.5.1计算机集成制造（CIM）的基本概念计算机集成制造(ComputerIntegratedManufacturing,CIM)是一种先进的哲理，一种新的制造思想和技术形态，它强调系统的观点，认为企业各个生产环节是不可分割的，需要统一组织和安排；它强调信息化的观点，认为产品制造过程是信息采集、传递和加工处理的过程。CIM是一种组织、管理和运行企业的哲理，它将信息技术、现代管理技术和制造技术相结合，并应用于企业产品全生命周期的各个阶段。通过信息集成、过程优化及资源优化，实现物流、信息流、价值流的集成和优化运行，达到人(组织、管理)、经营和技术三要素的集成。,1.5计算机集成制造系统（CIMS）(41-45),1.5.2CIMS系统的结构组成,1.5.2计算机集成制造（CIM）的组成,1.5.3计算机集成制造系统软件的层次结构,CIMS层次结构是将复杂的大系统划分为若干个较小的子系统，依靠信息传递，通过网络和数据库，实现上层对下层的控制，以及将下层的状态信息进行及时的反馈。,1.5计算机集成制造系统（CIMS）,1.5.4计算机集成制造系统的网络体系结构,1.5计算机集成制造系统（CIMS）,1.5.5CIMS集成技术的发展信息集成过程集成企业集成信息集成主要内容有：企业建模、系统设计方法、软件工具和规范；异构环境和子系统的信息集成。过程集成是利用并行工程理念，基于协同工作环境（CSCW）和产品数据管理技术（PDM）实现产品设计与开发过程的并行与集成。企业间集成通过网络技术和协同工作平台，实现企业间生产和经营决策的协作与集成。,1.6绿色制造（GM）,1.6.1绿色制造的基本概念绿色制造就是一个综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中，对环境的负面影响最小、资源利用率最高，并使企业经济效益和社会效益最高。1.6.2绿色设计(1).基本概念在产品设计阶段，考虑在产品生命周期的全过程中，各个环节对资源和环境的影响，使得产品及其制造过程对环境的影响和资源的消耗最小。并行工程是实现绿色设计的最佳工作模式。,1.6绿色制造（GM）(46-49),1.6绿色制造（GM）,绿色产品并行闭环设计流程图,1.6绿色制造（GM）,(2).绿色设计理念的两种模式1）面向拆卸的设计（DesignforDisassembly,DFD)拆卸工作量最小原则；结构可拆卸准则；拆卸易于操作准则；易于分离原则；产品结构的可预估性准则。2）面向回收的设计（DesignforRecovering令第一项工作的ES为0,然后按箭头方向,计算公式为：ES=max紧前工作的EFEF=ES+工作延续时间t,计算了ES、EF的双代号网络图,2)工作最迟开始时间(LS)和工作最迟结束时间(LF)令网络中最后一项工作n的最迟结束时间LF等于它的最早结束时间EF，即LF(n)=EF(n)然后按逆箭头方向,计算公式为：LF=min紧后工作的LSLS=LF-工作延续时间t,计算了LS、LF的双代号网络图,总时差TF总时差是指在不影响整个项目最早完成时间的前提下，一项工作的完工期可以推延的时间。计算公式为：TF=LF-EF或TF=LS-ES自由时差FF自由时差是指在不影响紧后工作的最早开始时间的前提下，一项工作的完工期可以推延的时间。计算公式为：FF=minES(紧后工作)-EF,双代号网络时间参数计算,上图中各时间参数的对应关系是：关键线路的确定总时差最小的工作为关键工作，由关键工作构成的线路为关键线路。故为关键工作，线路A-B-C-D-F-I-K-L-M为关键路线。,5.2技术准备与过程管理系统（TPS）(205-218),5.2技术准备与过程管理系统（TPS）5.2.1技术准备过程管理系统的总体结构,技术准备过程是产品研发的一个重要环节，也是提升快速响应能力的、缩短研发周期的关键。系统接受生产任务计划信息和产品设计信息，对生产准备任务进行分解跟踪、调度与控制。技术准备管理基于Web技术。(1).功能体系结构基本功能包括产品工艺设计与管理，工装设计与管理，装配工艺规划与管理，自动编程与加工过程仿真，以及外协管理、外购管理等。通过PDM技术实现了生产准备过程数据信息的共享和传递。,(1)技术准备系统总体结构与功能组成,(2)技术准备系统软件体系结构,(3)技术准备系统的任务流程,(4)技术准备系统的主界面,(5)技术准备系统的任务属性,(6)技术准备系统的任务进度监测,5.2.2工艺准备过程系统建模(1)系统模型的组成基于工作流的工艺准备过程系统建模包括过程模型、相关数据模型、组织模型、任务模型和运行控制模型五个分模型。过程模型作为系统的核心定义了系统的执行过程、活动及操作步骤；相关数据模型是系统的支撑部分，定义了系统运行过程中所需要的支撑数据及应用数据；组织模型是系统的操作部分，定义了系统用户角色的组成结构关系；任务模型是系统的驱动部分，定义了系统处理任务的结构形式及详细要求。运行控制模型是系统的总体控制部分，根据任务模型和过程模型调动组织模型和相关数据模型，实现了系统的运行。,系统总体模型,(2)过程建模过程建模方法目前有基于活动的活动网络(A-Net)建模方法，基于功能的IDEF0系统建模和基于状态的Petri网建模方法等。后图给出了基于活动网络的工艺准备过程模型。圆形节点代表过程的开始和结束点；圆矩形节点代表子过程活动。菱形节点代表的活动是检查节点。箭头代表过程中活动的流向。,工艺准备的过程模型,工艺准备过程中的相关数据包括工艺方案、工艺过程卡等设计结果数据和工艺评审数据。从数据格式角度看，工艺准备中的数据包括用数据库形式描述的格式化数据和用文件形式描述的图形文档数据。,(3)相关数据建模,(4)任务建模任务模型是从工艺设计流程和人员角色两个角度进行描述的。,(5)组织模型常用的组织模型有工作组制组织模式和矩阵组织模式。组织模式既要体现专业分工的特点，又要体现项目管理的特点。专业分工保证了技术工种的协调，项目管理体现了产品研制过程的控制。,(6)运行控制模型过程模型的运行控制的主要研究内容包括：活动之间的流向控制，活动的状态转换控制，任务动态分配的控制，数据流向的自动控制等。整个过程控制主要分为五个部分。第一部分是根据返回值确定需要调用的函数。第二部分是处理过程结束的问题。第三部分是过程控制系统确定活动的“分支类型”，第四部分是过程控制系统，检查将要执行的活动的“合并类型”，第五部分主要是判断活动是否为子过程活动。,过程的运行控制,5.3.1生产计划与调度管理系统（PPS）(219-235),5.3生产计划与调度管理系统（PPS）5.3.1生产计划与生产调度的概念生产计划的主要任务是根据企业年度生产计划大纲，工艺技术准备的工艺文件、工时定额和设备资源等。依据专家经验或能力平衡算法，进行各项目产品的生产计划分解，制订出各项目产品的月生产进度计划。同时对各项目产品计划按生产车间进行综合协调，最后生成各车间的月生产进度计划和外协生产计划。生产调度的概念是在给定的时间里合理分配企业内的有限资源，使之在给定的时间内，按照给定的要求与目标，完成预定任务。,生产调度是生产运作的核心，其主要功能包括：（1）寻求满足系统资源和生产时间的合理、可行的调度策略。（2）通过对资源的有效管理和协调，解决关键生产设备的瓶颈问题。（3）降低生产的随意性、有效地控制系统的库存、降低产品的生产周期和生产成本。（4）对生产系统的运行状况进行预见性的分析，为制订长期的设备和物料需求计划及日常管理、采购、人力资源、维护、工具需求等计划提供参考。,5.3.2生产计划调度系统总体设计(1)系统的主要功能1）产品结构树产品结构树能够显示产品零部件的基础信息，能够提供产品研制进度相关的实时信息，（如通过颜色或图标显示状态），并在产品结构树上提供产品齐套清单报以表功能；2）生产计划实现型号生产计划的逐层分解制定，实现计划的完成情况在各层面的实时监控。,3）生产调度依据型号月/周生产计划的执行情况对生产过程进行协调和控制。调度可通过该系统手动或手动反馈零件工序完成情况，检验员可通过该系统自动或手动反馈零件的工序检验情况，物资处可通过该系统自动或手动反馈零件的备料情况；型号主管调度可通过Gantt图、Pert图、报表等直观形式及时了解生产状态。,4）工时定额根据生产工艺规程，定制零部件的工序工时，该工时是制定型号生产计划的时间依据。实现对工时定额工作过程的信息化管理，包括工时定制、统计、查询、打印等基本功能；可提供在相应工序栏后进行工时定制、工时反馈的功能。5）生产统计与查询提供与生产相关的生产数据统计与查询功能。6）库房与齐套管理对库房工作过程进行信息化管理，实现对成品、半成品的管理，如出/入库、统计、查询等功能。,(1)生产计划与调度的业务流程,(2)PPS系统生产计划与调度框架,(3)PPS系统总界面图,（4）卫星厂PPS系统界面,（5）卫星厂PPS系统项目管理界面,（6）PPS系统WBS分解,（7）PPS系统计划流程,（8）PPS系统看板式项目生产进度监控,5.3.3PPS系统建模(1)基于工作流的生产计划与调度控制模型基于工作流的生产计划与调度模型，包括过程模型、资源与组织模型、任务与结果模型和运行控制模型。过程模型作为系统的核心定义了系统的执行过程、活动及操作步骤；资源与组织模型是系统的支撑部分，定义了系统运行过程中所需要的组织机构及应用程序；任务与结果模型是系统的驱动部分，定义了系统处理任务与结果的结构形式与过程状态要求；运行控制模型是系统的总体控制部分，根据过程模型调动组织与资源模型和相关应用的程序，实现了系统的运行。,基于工作流的生产计划与调度控制模型,(2)基于排队论与能力平衡的生产计划与调度的协同模型基于协同制造与管理的理念，建立了生产计划与调度的协同模型，采用预发布、任务排队和能力平衡等手段将型号计划流程、型号进度、车间能力等信息关联起来，实现型号调度与车间各部门之间的有效协同。图中协同目标与约束模型提供了协同目标要求和初始条件，如：型号计划流程、产品结构信息等；,生产计划与调度的协同模型,运行控制模型是整个协同模型的核心部分，由计划预发布库、正式计划库、任务分配器、任务排除与确认模块、能力平衡模块、生产状态管理器构成。型号调度通过任务分配器发布预计划，通过任务排队与确认和能力平衡模块与任务承担者进行协同，将预计划转为正式计划，同时状态管理器监控任务执行状态，从而实现了计划与调度的协同运行控制；用户协同参与模型包括任务列表、任务即时提示和信息反馈模块组成，实现生产任务的接受、执行与反馈。,PPS系统功能树,具体的功能包括：1）项目合同管理；2）型号产品结构管理与生产进度跟踪3）型号技术流程；4）型号计划流程5）年度生产计划大纲；6）综合查询统计7）看板式综合进度监控；8）技术准备计划与调度9）工艺反馈；10）备料反馈11）工时制定与反馈；12）型号月生产计划与调度13）月综合生产计划与调度；14）外协计划管理15）车间生产准备；16）车间作业计划与调度17）入库管理与齐套；18）资源、编码与权限管理19）接口管理,(3)系统的功能模型,系统功能模型,(4)系统的信息接口框架,5.项目管理的计划与控制(174-204),5.4制造业信息化系统的集成平台5.4.1集成平台的概念集成平台是一个支持复杂信息环境下的应用开发、应用集成和系统运行的软件平台。它基于制造业信息特征，在异构分布环境（操作系统、网络、数据库）下提供透明、一致的信息访问和交互手段，对其上运行的应用进行管理，为应用提供服务，并支持现代企业信息环境下各特定领域应用系统的集成。,5.项目管理的计划与控制(174-204),5.4.2应用集成平台的功能应用集成平台的功能可以划分为系统使能层和应用使能层。系统使能层主要实现通用的应用服务，应用使能层实现对不同应用功能域的特定支持。在系统使能层，应用集成平台可以应用编程接口提供通信服务和全局信息服务功能，这