先进制造技术13课

1、第六节计算机集成制造系统1.什么是CIM？CIM是英文Computer Integrated Manufacturing的缩写，译为计算机集成制造，由美国的约瑟夫·哈林顿(J.Harrington)博士于1973年提出。哈林顿认为：企业的各种生产经营活动是不可分割的，需要统一考虑整体(系统)观点；整个生产制造过程实质上是信息的采集、传递和加工处理的过程信息观点。哈林顿强调的两个观点都是信息时代组织、管理生产最基本、最重要的观点CIM是信息时代组织、管理企业生产的一种哲理，是信息时代新型企业的一种生产模式。2.什么是CIMS？ CIM的具体实现-计算机集成制造系统 (Computer

2、Integrated Manufacturing Systems CIMS)。对于CIM和CIMS，至今还没有一个公认的定义。了解其内涵发展过程有助于加深对CIM和CIMS的理解。3.国家863计划CIMS主题组CIM定义:支撑分系统“CIM是一种组织、管理与运行企业生产的新哲理，它借助计算机软硬件，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人、技术、经营管理三要素及其信息流与物流有机地集成并优化运行，以实现产品高质、低耗、上市快，从而使企业赢得市场竞争。” (其进一步含义见课本p122)4.我国863计划CIMS专家组对CIMS的定义：“CI

3、MS是通过计算机硬件和软件，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流与物料流有机集成并优化运行的复杂的大系统。”5.什么叫“”计划？年月日，王大珩、王淦昌、杨嘉墀、陈芳允四位老科学家给中共中央写信，提出要跟踪世界先进水平，发展我国高技术的建议。这封信得到了小平同志的高度重视，小平同志亲自批示：此事宜速决断，不可拖延。邓小平同志的批示，是一个伟大决策，具有深远意义，从此，中国的高技术研究发展进入了一个新阶段，为了使这一计划切实可行，将风险减少到最低限度，在此后的半年时间里，中共中央、国务院组织多位专家，研究

4、部署高技术发展的战略，经过三轮极为严格的科学和技术论证后，中共中央、国务院批准了高技术研究发展计划（“”计划）纲要。辨析：1.CIMS有固定的运行模式和不变的组成吗？ 2.企业都可以引进和采用CIM的思想吗? 3.企业是否可以购买现成的适合本企业的CIMS？6.CIMS由哪些部分组成？CIMS组成：管理信息分系统功能分系统设计自动化分系统制造自动化分系统质量保证分系统物资储运保障系统支撑分系统计算机网络分系统数据库分系统 CIMS的组成三个要素即人机构、经营与技术，如下图所示。（课本P123图4-17）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和组

5、织机构的运行。 3)人员设岗机械设置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。 (1)CIMS管理信息分系统含义-是指以CIM为指导思想、使用计算机和信息技术管理企业生产经营活动的应用系统。制造业的管理信息系统(MIS)含义：从“物料需求计划(MRP) ”、“制造资源计划(MRP)”到“企业资源计划(ERP)”，经历了管理思想和技术手段逐渐发展的过程。管理信息系统（MIS）对企业生产经营的主要作用：1）.合理安排生产，提高企业生产效率；2）.降低产品的生产成本；3）.提高对客户的服务质量；4）.提高企业的管理水平和管理素质；5）.增加企业的应变能力和竞争能力。

6、(2)CIMS工程设计系统 工程设计系统或称计算机辅助工程(CAE)系统，泛指所有工程设计工作，包括：1)CAD系统2)分析和计算-指产品设计中各种通用和专用的分析计算功能子系统3)CAPP系统4)工装设计5)NCP系统-根据CAD系统和CAPP系统的输出信息参数用计算机辅助自动编制数控加工程序的子系统(3)制造过程控制系统指车间生产设备和过程的控制与管理，主要是CNC、FMC、FMS等设备或系统的制造过程控制与管理。(4)CIMS质量保证系统是一个保证产品质量的全企业范围内系统在市场竞争中，企业以产品质量求生存。企业必须以最经济的方式在产品性能、质量、价格、交货期、售后服务等方面满足顾客的要

7、求，以赢得市场。其中性能质量最重要。保证产品质量需要一套完整的质量保证体系。以便有效地采集、存储、评价与处理存在于设计、制造过程中与质量有关的大量数据，获得一系列控制环，有效地控制、促进质量的提高。 下图为某产品的质量保证体系(5)CIMS物资储存、运输与保障系统含义： 对企业物资，包括原材料，外购配套元器件，自产零、部件和产品，进行存储、运输，并在MIS系统管理和控制下的物流系统。用以保障企业生产按计划正常运行。硬件： 厂内外的各种运输车，各种制造系统间的自动运输车、传送带、机器人、各类用途的格架仓库、自动堆垛机等。(6)CIMS数据库系统包含各分系统的地区数据库和公用的中央数据库的分布式数

8、据库及其管理系统，(7)CIMS计算机网络系统连接CIMS各功能分系统的计算机通信网络系统，完成各分系统间信息和数据的通信和交换。 CIMS的核心是集成，数据库系统和计算机网络分系统是CIMS的支撑系统，是CIMS信息集成的基础。 正确选择CIMS支撑系统对CIMS工程的实施和未来的扩展具有重大影响。 7.CIMS的体系结构 CIMS是一个复杂的大系统，从设计到实施，最好最有效的方法是：在设计阶段将它分解为不同的分系统，分系统再分解为更小的子系统和子子系统；在实施阶段再将子子系统、子系统、分系统有机地集成为CIMS。体现与实践以上思想，研究最多应用最广、最为人们所重视的是面向系统功能构成体系结

9、构面向系统控制功能体系结构（1）面向功能构成的体系结构 这类结构的典型代表是美国制造工程师学会(SME)的轮式结构。如下图所示（课本P125图4-19）图形辨析： 该图是上世纪80年代的面向功能构成的CIMS体系结构，它将CIMS功能分解为“核”和里、中、外三层。 “核” 集成系统结构 里层公共数据、信息资源管理和通信 中层横向分解为制造规划和管理、产品工艺过程设计和工厂自动化； 外层为市场、战略规划、财务、生产管理和人力资源管理等分系统。特点： 主要表现设计和制造功能，体现以技术为中心的思想，没有考虑到实施自动化之前的简化和企业与用户、供应商间的交互作用的重要性。1993年美国提出了一种新的

10、企业功能轮式结构，（课本P20图2-1）它由六部分组成，分别为： 用户； 人、技术和组织； 共享的知识和系统； 功能与过程； 资源和职责； 制造基础条件等。该结构充分考虑用户的参与，强调人的作用，更加适合现代生产模式。（2）面向系统控制功能的体系结构如美国国家标准局1980年开发的递阶控制模型。模型为五层递阶结构，每一层又分解为多个模块，由数据驱动，并可扩展为树状结构。如图下所示。1)工厂层 工厂层是最高决策与信息层，其决策周期一般从几个月到几年，完成的功能包括：进行市场预测制订长期生产计划确定生产资源需求制订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、用户订单处理

11、等。2）车间层 这一层控制系统主要根据工厂层生产计划，负责协调车间的生产和辅助性工作以及这些工作的资源配置。主要有两个模块： 作业管理 负责安排生产计划，包括作业定单的制定、发放和管理，将任务分配给各单元，跟踪设备利用情况，安排各种设备的维修。 资源分配 负责分配单元层各项目在具体加工时所需的工作站、贮存区、托盘、刀具及材料等。 3)单元层 单元层主要完成本单元的作业调度，包括：安排零件在各工作站的作业顺序发放和管理作业调度指令协调工作站间的物料运输分配及调整机床和操作者的任务比较实际质量数据与零件技术规范比较实际运行状态与允许状态条件，在必要时采取措施，保证生产过程正常进行。4）工作站层 这

12、一层主要负责指挥和协调车间中一个设备小组的活动。一个典型的加工工作站由: 一台机器人 一台机床 一个物料贮运器 一台控制计算机组成。 如右图及下图所示工作站层负责处理物料贮运系统的零件托盘控制工件调整工件夹紧切削加工切屑清除加工检验清理工作 等设备级各子系统的任务5）设备层这一层是“前沿”系统，是各种设备(如机床、机器人、坐标测量机、自动导引小车等)的控制器。采用设备控制装置，可扩大现有设备的功能，并使设备符合标准部门规定的控制和检测计量方法。控制和检测计量方法包括：温度和运动误差的修正在线超声波表面光洁度检测切削形状误差监测刀具磨损检测由夹紧力引起的变形估计与检测等。递阶控制结构的特点：复杂

13、系统“纵向”分解为分层控制，减少全局控制和开发的难度。 每层将上一层的命令分解成在该层执行的指令或分解成子命令发往下面的层。 分层控制结构限定每层各要素的职责和权限。 复杂计划在较高级做出，命令逐级从上往下发，速度慢，最新的信息发生在最底层，从最底层向高层逐渐反馈，速度慢。 在许多分层递阶控制结构中，数据流与控制流是等同的，即执行命令所需数据与命令一道传送，数据只能在上级和下级间交换。（3）面向生命周期的体系结构CIMOSA(CIMOpen System Architecture)开放体系结构每一类产品的出现和存在都会经历“构思一开发一制造一使用”4个阶段。随着市场的变化和需要，总有新产品替换

14、老产品 的“更新换代” 过程。人们把从“构思”到“使用”的过程称为产品的生命周期。制造系统也有反映为如下过程的生命周期 “系统需求分析与定义系统设计系统实施系统运行”下图（课本P129图4-22）所示为CIMOSA开放体系结构，是面向CIMS生命周期全过程体系结构最著名并有代表性的一个3维结构，它是欧共体ESPRIT专题研究的成果。为制造企业提供一种参考体系结构， 据此可以推导出满足特定企业需求的专用CIMS结构。1)通用程度维分为：通用层、部分通用层、专用层，可以反映不同企业的CIMS特征。通用层包含各种CIMS结构模块、CIMS元件集、企业需求和处理方法。部分通用层由一组分别适合于各类制造

15、企业(如机械制造、航空、电子等)的部分通用参考结构和优化方法组成。专用层仅适用于一个特定企业。一个企业只能通过一种专用结构来描述，不同企业可以根据自己的企业类型，从部分通用层中选择一种参考结构及相应的优化方法来组建相应的专用CIMS结构。企业在部分通用层的帮助下，从通用层中选择所需要的部分，组成自己的CIMS。从通用层到专用层的过程叫逐步抽取或具体化过程。2)生命周期维 用于说明CIMS生命周期的不同阶段。CIMOSA设计了3个层次：需求定义层(用户和企业需求定义阶段)、设计规范层(构造和优化用户根据全局经营和系统约束所定义的经营需求)实施描述层(阐明了实现企业有效运行的一套必需的组成部分)。

16、 从通用层到专业层的过程叫逐步推导过程。3)视图维 划分为：功能视图(获取企业用户对CIMS内部运行过程的需求，反映系统的基本活动规律，指导用户确定和选用相应的功能模块)；信息视图(帮助企业用户确定其信息需求，建立基本的信息关系和确定数据库的结构)；资源视图(帮助企业用户确定其资源需求，建立优化的资源结构);组织视图(确定CIMS企业内部的多能多维职责体系，建立CIMS的多级组织结构)。l CIMOSA是一种可供不同企业使用，并可描述系统生命周期各阶段，包括企业各方面要求的通用、完备的体系结构。(4)CIMS应用实例1)CIMS在日本的应用20世纪80年代中期以来， 日本加强CIM的应用开发，

17、吸收美国提出的CIM思想，并在生产实践中合理而有效地应用，根据具体情况发展适用于日本企业的CIMS。一些大学和企业研究开发部门被纳入CIM重大共性问题的研究工作中。日本制造业企业是CIM的市场主体，各大企业基本上都已开始CIMS的开发与应用，有相当多的企业已比较成功地开发和应用了CIM技术。日本1989年末建成具有先进的CIMS的筑波电加工机床装配工厂，如下图所示。此工厂是FANUC公司的CIMS试验工厂，为发展CIM产品提供实际考核环境。该公司提供计算机数控(CNC)、伺服系统和机器人等CIM单元技术产品。1990年开始提供符合MRP标准的单元控制器并与富士通公司(计算机及网络供应商)、富士

18、电机公司(物流自动化设备供应商)合作为企业提供三级体系结构的整套CIM技术产品。日本冲电气工业公司的主要产品是电子通信装置、中小型计算机和PC机、银行自动收款机以及汽车控制装置等。过去，公司各事业本部各自开发CADCAM和FMS并在本部内联网。后来，由于市场竞争形势的需要，公司认为必须将各事业本部的所有计算机系统联接起来，成为一个集成的整体，以便更好地对全公司的生产、经营管理和技术进行协调，于是建立了CIMS。该公司将CIMS划分为公司CIMS和工厂CIMS两个层次。工厂CIMS对工厂内部各种与生产有关的信息(包括订货、设计、生产、采购和维修等方面)进行综合管理，具有一定的自律性、独立性和自由

19、度。公司CIMS则是对下属的各工厂CIMS通过系统联网和建立公共数据库，进行更高层次的集成。公司CIMS的目标不是注重局部的效率而是追求企业的整体效率。2)CIMS在国内应用上海二纺机股份有限公司实施CIMS 该厂建于1923年，是全国生产纺织机械的大型骨干企业之一。主要产品有：细纱机：长丝、纺织机；染色机等。1990年公司提出搞CIMS，主要针对企业经营管理、工程设计、生产制造和质量管理方面存在的以下问题：生产信息量大，信息变化多，信息分散。交货期长、新产品开发周期长。 设备利用率低，不易均衡生产。质量管理实时性差。在实施CIMS过程中，切身体会到：如果没有采用计算机管理这些门类复杂、数量多

20、、离散度大、规范性差的质量信息，那么传递速度很慢，真实性和实时性差，达不到质量问题的预防和控制。特别是对用户信息的采集、处理和反馈难以适应国内外市场对质量的要求。问题:CIMS是否只适用于机械制造业？这是CIMS的行业适用性问题。从CIM哲理看CIMS也适用于其他制造业。因为：（1）各种制造业都是物质生产的企业，各环节之间都是互相联系的，构成统一的整体；（2）各种制造过程都有物流过程、工作流过程，这些过程都是信息采集、存储、加工处理的过程。因此，CIM哲理中的两个观点即信息观点和系统观点在其他制造业也是适用的。从市场竞争的需要来看，各行业都肩负着生产并研制新产品、满足市场需要的任务，都面临着激烈的市场竞争，都需要改善提高交货周期、产品质量、降低成本、提高服务水平等，以取得效益，赢得竞争。CIMS正是解决这些问题的有效途径。问题:CIMS是否只适用于大型企业？大型企业，中、小企业都需进行信息化和集成化，才能适应市场的竞争。一般说来，与大型企业相比，中小企业除规模小以外，多数还有以下一些特点：（1）产品相对简单，企业结构层次少，组织规章制度不一定十分健全；（2）与大企业有一定的附属关系，如为大企业进行零部件配套加工，副产品的加工等