先进制造技术(第2章)课件

第二章先进制造系统的基础理论第一节先进制造系统的基本构成第二节物料流第三节信息流第四节先进制造系统的控制方式第五节约束与决策第六节面向21世纪的信息化制造第二章先进制造系统的基础理论第一节先进制造系统的基本构成第二章先进制造系统的基础理论第一节先进制造系统的基本构成

第二节物料流第三节信息流第四节先进制造系统的控制方式第五节约束与决策第六节面向21世纪的信息化制造第二章先进制造系统的基础理论第一节先进制造系统的基本构成一、制造系统基本概念二、制造系统基本构成第一节先进制造系统的基本构成第二章之先进制造系统基础理论一、制造系统基本概念第一节先进制造系统的基本构成第二章国际生产工程学会(CIRP)1990年将制造系统定义为：制造系统是制造业中形成制造生产(简称生产)的组织形式，而在机电工程产业中的制造系统具有设计、生产、发运和销售的一体化功能。制造系统作为由人、工具、材料组成的有机整体，存在狭义的制造系统概念和广义的制造系统概念。狭义的制造系统仅仅研究产品的设计、工艺、加工、装配等生产过程；而广义的制造系统除研究生产过程外，其研究内容还包括市场、经营、销售、售后服务、成本与财务等，即研究从经营决策开始直到售后服务、报废回收的产品生产整个生命周期过程。制造系统是制造过程所涉及的硬件(物料、设备、工具、能源等)、软件(包括制造理论、制造工艺和制造信息等)和人员所组成的一个具有特定功能的有机整体，将输入制造资源(原材料、能源等)，通过制造过程输出产品或半成品，制造系统的运行过程包括市场分析、产品设计、工艺规划、制造装配、检验出厂、产品销售及售后服务等各个环节

一、制造系统基本概念

第一节先进制造系统的基本构成第二章之先进制造系统基础理论国际生产工程学会(CIRP)1990年将制造系统定义为：制制造系统是由众多的要素和子系统组成的有机整体，因而在子系统与要素之间存在着组织、协调等管理问题。制造系统是过程系统与结构系统的统一，因此制造系统理论应该实现过程研究与结构研究的统一，即制造系统理论应该实现静态分析与动态分析的统一。

过程系统是指其产品的生产从设计、工艺、加工、装配到检测出厂是一个随时间变化的序列系统。对于过程系统，一般宜采用分析的方法，在对各环节分析的基础上进行综合。结构系统指制造系统在空间上具有一定的结构形态。对于结构系统，宜于采用综合的方法，在综合的基础上再对结构进行分析。

二、制造系统基本构成

第一节先进制造系统的基本构成第二章之先进制造系统基础理论制造系统是由众多的要素和子系统组成的有机整体，因而在

制造系统静态分析是在不考虑时间因素情况下研究制造系统的各组成要素，要素之间的相互关系及子系统与分系统，系统与环境之间的相互关系。以系统论的观点，任何系统的功能都可以抽象为一个利用系统资源，在满足系统约束和目标的前提下，将从系统环境中获得的输入转换为输出的过程。

二、制造系统基本构成

第一节先进制造系统的基本构成第二章之先进制造系统基础理论制造系统根据订单和市场预测安排的生产计划，利用制造资源(包括人员、机床设备、刀量夹辅具、技术、相关的产品数据和计算机软、硬件等)，在生产过程中采用相应技术实现产品的生产，以最适当的制造成本，在最适当的时间生产出客户需要的产品以获取最大利润。制造系统静态分析是在不考虑时间因素情况下研究制造系统的各组制造系统整体的性能是与系统各个组成部分之间是紧密相关的。在制造系统运行过程中，无时无刻不伴随着物料流、信息流和能量流的流动，并且制造系统中的物料流、信息流、能量流之间相互联系、相互影响，形成一个不可分割的有机整体。物料流是在整个加工过程中(包括加工准备阶段)物料的输入和输出的动态过程，这种物料在制造系统中的运动称为物料流。制造系统中的信息可分为静态信息(如工件尺寸、公差大小等)和动态信息(如刀具磨损程度、资源状态、加工进程等)，信息在制造系统中的作用过程称为信息流。所有这些信息不断地与制造过程的各种状态进行信息交换，并综合、分析来自各方面的信息，从而有效地控制制造过程，以保证制造过程的正常进行，提高制造系统的效率和产品质量。制造过程中的能量运动称为能量流。在制造系统中，能量是一切物质运动的基础，其所有运动，例如物料的运动，均需要能量来维持。第一节先进制造系统的基本构成

二、制造系统基本构成

第二章之先进制造系统基础理论制造系统整体的性能是与系统各个组成部分之间是紧密相关的。在第二章先进制造系统的基础理论第一节先进制造系统的基本构成第二节物料流第三节信息流第四节先进制造系统的控制方式第五节约束与决策第六节面向21世纪的信息化制造第二章先进制造系统的基础理论第一节先进制造系统的基本构成制造系统中的所有资源构成制造资源，制造资源是制造系统存在和运行的物质基础。

狭义制造资源包括物料(原材料、坯料、半成品等)、设备(机床、生产线等)、能源(电能、燃料等)、其他(土地、厂房、工具等)；广义制造资源不仅包括物料、设备、能源、土地、厂房、工具等，还包括资金、技术、信息、人力等。制造系统中将制造资源转变为产品或零件的制造过程，实质上是一个物料流动的动态过程。

根据制造系统的定义，制造系统是一个输入制造资源(原材料、能源等)通过制造过程而输出产品(包括半成品)的输入输出系统，它同时产生废弃物，并可能造成环境污染。第二节物料流第二章之先进制造系统基础理论制造系统中的所有资源构成制造资源，制造资源是制造系统存在和制造系统的物料流动过程不仅是物料资源转化和消耗的主要过程，而且因为物料的流动和物料的加工制造均需要能量来驱动或转化，因为物料流动过程也是能量消耗的主要过程。第二节物料流第二章之先进制造系统基础理论制造系统的物料流动过程不仅是物料资源转化和消耗的主要

制造系统是一个不断输入制造资源，通过制造过程而输出产品，并同时产生废弃物的输入输出系统。制造系统中资源的输入、消耗、转化、回收、处理及这些过程的影响和控制，形成了制造系统的物料流。制造系统物料流应以资源利用率最高和废弃物产生最小作为目标，充分考虑优化产品生产周期过程中影响资源消耗的各个环节。包括产品寿命终结后的处理，从而优化资源流动过程，最有效地利用资源和最低限度地产生废弃物。制造过程是资源直接转化和资源直接消耗的主要环节，生产同样的产品，不同的制造加工的设备、工艺方案和不同的工艺路线，将会使得物料和能源的消耗不一样。另外，产品包装方式、运输状况、销售和服务状况(如是否回收用户消费后的产品废弃物)都直接或间接影响资源消耗状况。第二节物料流第二章之先进制造系统基础理论制造系统是一个不断输入制造资源，通过制造过程而输出产品，并第二章先进制造系统的基础理论第一节先进制造系统的基本构成第二节物料流第三节信息流第四节先进制造系统的控制方式第五节约束与决策第六节面向21世纪的信息化制造第二章先进制造系统的基础理论第一节先进制造系统的基本构成传统企业的信息流，大多是按照企业的业务流程、组织机构、功能目标等框架体系进行设计，流程设计思路雷同，数据处理比较简单，缺乏针对不同企业、不同业务流程的个性化设计和深层次分析。

现代企业的信息流不能只满足于对现有数据的简单的、常规的处理和分析，应更积极主动地思考生产管理中的重要问题，对数据进行进一步的挖掘和多角度的分析，从而赋予企业更灵敏的反应能力、更积极主动的调整能力和更强有力的竞争能力。第三节信息流第二章之先进制造系统基础理论传统企业的信息流，大多是按照企业的业务流程、组织机构、功能传统制造系统的信息流，大多是按照其业务流程、组织机构、功能目标等框架体系进行设计，导致系统在关键时刻却找不到所需的信息或错误信息。

先进制造系统的信息流不仅能满足对简单、常规信息的处理与分析，而且能够通过对数据的全面管理和挖掘，使制造系统具有更高的柔性、敏捷性和竞争力。通过网络系统和分布式数据库系统规划、调度和监视整个制造系统中的信息流，从而能够以正确的方式、在正确的时间、向正确的信息流节点传输所需的正确信息，并支持分布式制造环境下信息和人员的分布性以及信息流动过程的时序性。制造系统中，管理信息分系统MIS、制造自动化分系统MAS、技术信息分系统TIS和质量信息分系统QIS，在网络系统以及分布式数据库系统支持下其信息流如图2—3所示。第三节信息流第二章之先进制造系统基础理论传统制造系统的信息流，大多是按照其业务流程、组织机构、功能第三节信息流第二章之先进制造系统基础理论第三节信息流第二章之先进制造系统基础理论第三节信息流第二章之先进制造系统基础理论第三节信息流第二章之先进制造系统基础理论第三节信息流第二章之先进制造系统基础理论第三节信息流第二章之先进制造系统基础理论第二章先进制造系统的基础理论第一节先进制造系统的基本构成第二节物料流第三节信息流第四节先进制造系统的控制方式

第五节约束与决策第六节面向21世纪的信息化制造第二章先进制造系统的基础理论第一节先进制造系统的基本构成第四节先进制造系统的控制方式第二章之先进制造系统基础理论为了便于对控制系统进行研究，人们把一个复杂的控制系统分为若干组成部分(控制单元)，控制结构描述了控制系统中各控制单元的决策职责和权限及各控制单元之间的协调关系。控制系统的职责分配在相应控制结构的各控制单元之中，并通过各控制单元协调执行。第四节先进制造系统的控制方式第二章之先进制造系统一、制造系统对控制结构的要求二、集中式控制结构三、递阶式控制结构四、分布式控制结构第四节先进制造系统的控制方式第二章之先进制造系统基础理论一、制造系统对控制结构的要求第四节先进制造系统的控制方式(1)可靠性／容错能力。可靠性是对系统按照规定指标无故障连续运行性能的度量，而容错能力是指系统在状态恶化，甚至发生故障条件下继续运行的能力。通常，容错期由四个阶段组成：故障原因检测、损坏范围确定和程度评定、故障原因处理、故障恢复和继续系统服务。(2)可更改性／可扩展性。可更改性是指对已存控制系统的部分控制单元进行更改和调整的可行性，而可扩展性是指扩展已存控制系统的功能时，将新控制单元加入系统的可行性。(3)可重构性／适应性。可重构性是指在已存的控制系统中增加或拆除部分控制单元并重构成新系统的可行性，动态的可重构性是指在系统运行过程中进行重构的性能。适应性是指控制系统对制造环境迅速变化的适应性能。第四节先进制造系统的控制方式第二章之先进制造系统基础理论

一、制造系统对控制结构的要求(1)可靠性／容错能力。可靠性是对系统按照规定指标无故障连续集中式控制结构的特点是对整个制造系统中的信息统一处理，拥有一个全局数据库以记录系统各种工程活动，每一制造实体都和中央处理单元连接。

其主要特征如下：(1)集中控制单元由一台强功能计算机构成。(2)所有控制决策功能由集中控制单元承担。(3)全局数据库记录系统的全部活动。其主要优点如下：

(1)全局信息可共享。

(2)可全局优化。

(3)唯一的系统状态信息源。其主要缺点如下：

(1)响应速度慢且不一致。

(2)控制任务的完成依赖于唯一的集中控制单元。

(3)控制软件难以更改。第四节先进制造系统的控制方式第二章之先进制造系统基础理论

二、集中式控制结构集中式控制结构的特点是对整个制造系统中的信息统一处理递阶式控制结构：组织方式和控制结构是一种从上到下逐步细化的方式。递阶式控制结构虽然增加了信息传递的环节，但降低了控制难度。

其主要特点：(1)异型多计算机构成控制系统。(2)决策层之间维持刚性的上下级关系。(3)上级协调下级的所有活动。(4)每一层都有集中的数据库。其主要优点如下：(1)可逐步实现。(2)可以用冗余的计算机资源来增强系统的容错能力。(3)可利用状态反馈信息。(4)简化各控制模块自身的规模、功能和复杂性。其主要缺点如下：(1)上层故障会造成下层控制的整体瘫痪。(2)设备布置的改变会影响到整个控制系统，因而使增加或删除设备变得非常困难，难以满足未来修改的需要。(3)由于通信延迟使上层决策往往滞后于下层状态的变化，甚至基于对下层信息的估计上，会造成控制失误，难以满足动态适应性要求。(4)局部控制器的计算能力有限。·(5)通信可靠性随递阶层次增多而降低。第四节先进制造系统的控制方式第二章之先进制造系统基础理论

三、递阶式控制结构

递阶式控制结构：组织方式和控制结构是一种从上到下逐步1．非等级控制非等级控制策略主要包括排队策略、任务投标策略、协商策略、协作策略等。(1)排队策略。在排队策略中，当一项新任务进入系统时，系统按照预先约定的原则把它分配到一个单元，这种原则可以是最短排队长度原则或最先可用单元原则。(2)任务投标策略。当一项新任务进入投标系统时，各单元把任务的处理要求及规范与自己的能力进行比较，有能力完成该任务的单元参加投标。按照预先约定的判据，投标值最高或最低的单元将获得该项任务。(3)协商策略。当一项新任务进入协商系统时，有能力完成该项任务的单元与另一试图承担该项任务的单元协商。每一个单元内均包含本单元的所有信息，包括本单元能加工的零件族、可用的排队场地等。每一单元仅试图获得自己能完成的任务，它将总是试图按照自己的能力和当前的负荷状况，估计自己完成该任务的效率来获得这项任务。(4)协作策略。协作策略形式上与协商相似，但原理上与协商不同。在协商方式中，各单元为获得任务而竞争；而在协作方式中，各单元为系统任务更好址分配而协作。协作策略可采取许多形式，包括资源共享和任务交换。第四节先进制造系统的控制方式第二章之先进制造系统基础理论

四、分布式控制结构

分布式控制：把制造系统的各种功能模块看成是一个个自治的实体，实体间以一定的协议相互协商解决问题。1．非等级控制(1)排队策略。在排队策略中，当一项新任务进入1．非等级控制

其主要特征如下：

(1)同型或异型计算机构成控制系统。

(2)控制单元之间无上下级关系。

(3)完整的局部自治。

(4)面向活动协调的分布式决策。

(5)只有局部数据库。其主要优点如下：

(1)降低整个系统的复杂性。

(2)降低监视的投资和监视过程对实时控制的延迟。

(3)由于采用模块化和可重构的结构，使得维护和更改更容易。

(4)容错能力强。

(5)真正的权力下放使得工作人员责任感增强。其主要缺点如下：

(1)缺乏对一些问题的解决方法，如单元间任务分配不平衡、单元内设备任务分配欠优化等。

(2)目前还没有支持全部功能的硬件和软件。

(3)存在数据重复和数据冲突的趋势。

(4)存在死锁的可能性。第四节先进制造系统的控制方式第二章之先进制造系统基础理论

四、分布式控制结构

1．非等级控制其主要特征如下：第四节先进制造系统的控制方2．混杂控制结构常见的混杂控制结构兼有递阶控制和非等级控制的特点，层与层之间为上下级关系，同一层各控制单元为平等关系，由于各控制单元间的关系较为复杂，不像递阶控制或非等级控制中。各控制单元之间具有一致的上下级或平等关系，在实现时需要对各控制单元之间的关系进行仔细地设计。

常见的混杂控制结构如下。

(1)改进型递阶控制结构。它强调了各平级子层之间的直接通信和协调关系，如图2-9所示。第四节先进制造系统的控制方式第二章之先进制造系统基础理论

四、分布式控制结构

2．混杂控制结构常见的混杂控制结构如下。第四节先进制造系统

(2)半非等级控制结构。它由若干改进型递阶控制结构组成，其各顶层之间形成平等的通信和协调关系，如图2-10所示。

(3)寡头控制结构。它是各控制单元之间关系最为复杂的一种结构，它要求包括顶层在内的各控制层内保持平等的直接通信和协调关系，同时还要求各上层与每一下层保持明确的上下级关系，如图2-11所示。第四节先进制造系统的控制方式第二章之先进制造系统基础理论

四、分布式控制结构

(2)半非等级控制结构。它由若干改进型递阶控制结构组第二章先进制造系统的基础理论第一节先进制造系统的基本构成第二节物料流第三节信息流第四节先进制造系统的控制方式第五节约束与决策第六节面向21世纪的信息化制造第二章先进制造系统的基础理论第一节先进制造系统的基本构成－－信息时代对决策支持系统水平的要求也大为提高，从原先的一般数据采集与处理为基础的支持结构化问题的一般战术决策，发展到以信息融合、知识处理为基础的支持非结构化问题的战略决策。目前提出的各种新的制造与管理模式是从不同学科、不同角度，解决提高企业的敏捷性。－－例如，先进制造系统的自组织的过程实质上是使企业产品同市场的需求协同，制造系统、经营过程、企业组织同新产品设计、加工与经营需求相协同。自组织被定义为一个系统不依靠任何外来的干预，而获得的一种空间、时间或功能(时—空)的结构。自组织并不等于人们对这类复杂系统无法施加影响。它是决策者、设计师参与下的自组织过程，这里“参与”，不等于传统的“干预”，参与是一种宏观高层次上的控制，是通过制定规则与约束的手段实现控制，“干预”是在某一层次上具体的控制。－－协同论是一门研究存在于复杂自然界自组织基理的学科，其价值主要有：支配原理与序参数。其中支配原理揭示复杂系统，从无序到有序的过程中，上一层是如何支配下一层的，而序参数是系统中的少数参数，它们处于上层、变化缓慢、控制着宏观系统的变化，使系统从无序到新的有序。利用支配原理与序参数就可以对系统变量众多、具有非线性、正反馈的复杂系统进行科学有效的简化，进而进行有效的控制。第五节约束与决策第二章之先进制造系统基础理论－－信息时代对决策支持系统水平的要求也大为提高，从原先的一般－－决策过程是满足必要的约束条件下的一种复杂的寻优求解过程。决策问题的复杂性取决于决策过程所处的环境，任何决策都由三个要素组成：机遇、信息与资源。成功的决策必须满足两类规律的约束：客观规律和人们的利益(价值规律)。－－机遇是决策者所向往与追求的目的，机遇具有风险与效益，它们是同时并存的，是一个事物的两个属性，克服风险获取效益是决策者的中心任务；而信息(包括知识)是克服风险的唯一资源；资源(物质与能量)是实现任何决策所必须的物质基础。－－以往简单的“拍脑袋”决策，对决策问题考虑得不够周到与深刻，用科学的系统论和决策论的语言说，即决策空间考虑得不够大，因而丢掉了机遇。因此，决策者及决策支持系统的任务是协调信息、机遇与资源这三大要素间的冲突。－－在各类制造系统的设计、运行和管理中，会涉及各种复杂的决策问题。决策者根据对实际环境的分析，构思一组解决问题的方案。每一方案均会产生一个结果，决策者在评价结果时一般是多个目标的，鉴于环境、资源及安全性的问题日益突出，应由成本C、时间T(生产率)、质量Q、柔性F、服务S和环境E六大制造决策属性组成决策目标，决策取决于决策者的偏好与价值观。第五节约束与决策第二章之先进制造系统基础理论－－决策过程是满足必要的约束条件下的一种复杂的寻优求解过程。－－在制造系统的综合决策模型中，决策目标应充分体现制造系统的基本使命和经营目标。因此需要建立一个适用于各类制造系统的综合决策模型，将不同的目标映射到表达决策者愿望的价值空间上，并在模型中反映制造系统主要决策目标，以更好地支持决策分析活动，这对提高制造系统的整体综合效益具有重要意义。例如，美国学者提出了制造系统“四面体决策框架模型”，该模型将成本、时间(生产率)、质量和柔性四大制造决策属性作为制造系统决策的目标函数，提出了制造系统和制造过程的各类决策变量，可通过技术经济模型映射成为制造决策属性的组成元素的设想。第五节约束与决策第二章之先进制造系统基础理论－－在制造系统的综合决策模型中，决策目标应充分体现制造系统的第二章先进制造系统的基础理论第一节先进制造系统的基本构成第二节物料流第三节信息流第四节先进制造系统的控制方式第五节约束与决策第六节面向21世纪的信息化制造第二章先进制造系统的基础理论第一节先进制造系统的基本构成一、概述二、信息化制造的特点三、分布式信息化制造逻辑体系结构四、集中分布式模式下的企业新式产品开发技术体系五、集中分布式模式下的企业新式商务运作模式六、信息化制造的关键技术第六节面向21世纪的信息化制造第二章之先进制造系统基础理论一、概述第六节面向21世纪的信息化制造第二章之先第六节面向21世纪的信息化制造第二章之先进制造系统基础理论

一、概述

21世纪制造业的特点及其面临的挑战，使得：新一代制造业将是：

(1)从产品本身的角度看，批量化生产正被基于客户定制的多品种、单件小批量制造所替代。

(2)从产品实现的角度看，支持产品整个生命周期的数字化模型将起关键性作用。

(3)从制造产品所涉及到的设备看，数字化的可再配置敏捷设备、单元、车间等将构成新一代的制造硬件环境。

(4)从制造产品所需的企业管理与组织结构方面看，具备全球化、并行化与敏捷化特征的企业集成技术将成为新一代企业生存的决定性因素。第六节面向21世纪的信息化制造第二章之先进制造系统第六节面向21世纪的信息化制造第二章之先进制造系统基础理论

一、概述

我国国家自然科学基金委员会也对21世纪的制造系统理论及生产模式进行了探讨，提出21世纪的制造科学研究报告，并概括出21世纪制造科学研究内容如下：

(1)制造系统理论与信息化制造。

(2)微系统中尺度效应及制造技术。

(3)材料和零件制造过程中的拟实仿真，优化和加工新技术基础。

(4)机械仿生与生物制造。(5)流程制造的特性研究与绿色制造。第六节面向21世纪的信息化制造第二章之先进制造系统第六节面向21世纪的信息化制造第二章之先进制造系统基础理论

二、信息化制造的特点信息化制造涉及制造技术的方方面面，从硬件到软件、从技术到管理、从企业到全社会的组织与个人、从局部资源到全球资源等等。其显著特点有：

(1)基于Internet／Intranet的网络化。(2)产品设计、制造进程中的全程数字化。(3)制造设备的信息化、智能化、柔性化。

(4)制造组织的全球化、敏捷化。

(5)制造资源的分布性、共享性。

(6)制造过程的并行化、协同化。

(7)设计制造各要素全球性的分布和集成化。

(8)设计制造各个环节的并行协作与智能化。第六节面向21世纪的信息化制造第二章之先进制造系统第六节面向21世纪的信息化制造第二章之先进制造系统基础理论

三、分布式信息化制造逻辑体系结构

第六节面向21世纪的信息化制造第二章之先进制造系统第六节面向21世纪的信息化制造第二章之先进制造系统基础理论

三、分布式信息化制造逻辑体系结构

第六节面向21世纪的信息化制造第二章之先进制造系统第六节面向21世纪的信息化制造第二章之先进制造系统基础理论

三、分布式信息化制造逻辑体系结构

第六节面向21世纪的信息化制造第二章之先进制造系统第六节面向21世纪的信息化制造第二章之先进制造系统基础理论

四、集中分布式模式下的企业新式产品开发技术体系第六节面向21世纪的信息化制造第二章之先进制造系统第六节面向21世纪的信息化制造第二章之先进制造系统基础理论

五、集中分布式模式下的企业新式商务运作模式第六节面向21世纪的信息化制造第二章之先进制造系统第六节面向21世纪的信息化制造第二章之先进制造系统基础理论

六、信息化制造的关键技术(1)敏捷制造理论和企业机制的研究。(2)多企业间虚拟供应链管理技术研究。(3)基于网络的现代设计理论及方法的研究。(4)异地设计、异地制造分布式并行处理协同求解策略的研究。(5)多企业虚拟信息资源库的建立及其管理系统。(6)信息标准化研究。(7)动态网络联盟的网管中心建立基于动态联盟的驱动机制、资源重组及合理调配最佳决策系统的建立。(8)基于Internet／Intranet的机电产品虚拟设计、制造、咨询、教学网络联盟，开放式Web站点的建设及其管理机制的建设。(9)快速原型虚拟逼真创新设计及虚拟制造系统建模技术的研究。(10)产品研制开发过程中的经营决策、生产决策、产品设计／制造过程决策以及由此产生的效益和风险评价，以及针对产品开发的不同阶段，对产品性能、可制造性、可装配性、可维护性、可回收性等各方面进行评估的产品评价体系的建立。第六节面向21世纪的信息化制造第二章之先进制造系统第二章先进制造系统基础理论之重点习题什么是狭义制造资源和广义制造资源？√分布式控制结构的优缺点？新一代制造业将是：(1)从产品本身的角度看，

。(2)从产品实现的角度看，

。(3)从制造产品所涉及到的设备看，

。(4)从制造产品所需的企业管理与组织结构方面看，

。√21世纪制造科学研究内容有？√信息化制造的特点是什么？√信息化制造的关键技术√第二章先进制造系统基础理论之重点习题什么是狭义制造资源第二章先进制造系统的基础理论第一节先进制造系统的基本构成第二节物料流第三节信息流第四节先进制造系统的控制方式第五节约束与决策第六节面向21世纪的信息化制造第二章先进制造系统的基础理论第一节先进制造系统的基本构成第二章先进制造系统的基础理论第一节先进制造系统的基本构成

第二节物料流第三节信息流第四节先进制造系统的控制方式第五节约束与决策第六节面向21世纪的信息化制造第二章先进制造系统的基础理论第一节先进制造系统的基本构成一、制造系统基本概念二、制造系统基本构成第一节先进制造系统的基本构成第二章之先进制造系统基础理论一、制造系统基本概念第一节先进制造系统的基本构成第二章国际生产工程学会(CIRP)1990年将制造系统定义为：制造系统是制造业中形成制造生产(简称生产)的组织形式，而在机电工程产业中的制造系统具有设计、生产、发运和销售的一体化功能。制造系统作为由人、工具、材料组成的有机整体，存在狭义的制造系统概念和广义的制造系统概念。狭义的制造系统仅仅研究产品的设计、工艺、加工、装配等生产过程；而广义的制造系统除研究生产过程外，其研究内容还包括市场、经营、销售、售后服务、成本与财务等，即研究从经营决策开始直到售后服务、报废回收的产品生产整个生命周期过程。制造系统是制造过程所涉及的硬件(物料、设备、工具、能源等)、软件(包括制造理论、制造工艺和制造信息等)和人员所组成的一个具有特定功能的有机整体，将输入制造资源(原材料、能源等)，通过制造过程输出产品或半成品，制造系统的运行过程包括市场分析、产品设计、工艺规划、制造装配、检验出厂、产品销售及售后服务等各个环节

一、制造系统基本概念

第一节先进制造系统的基本构成第二章之先进制造系统基础理论国际生产工程学会(CIRP)1990年将制造系统定义为：制制造系统是由众多的要素和子系统组成的有机整体，因而在子系统与要素之间存在着组织、协调等管理问题。制造系统是过程系统与结构系统的统一，因此制造系统理论应该实现过程研究与结构研究的统一，即制造系统理论应该实现静态分析与动态分析的统一。

过程系统是指其产品的生产从设计、工艺、加工、装配到检测出厂是一个随时间变化的序列系统。对于过程系统，一般宜采用分析的方法，在对各环节分析的基础上进行综合。结构系统指制造系统在空间上具有一定的结构形态。对于结构系统，宜于采用综合的方法，在综合的基础上再对结构进行分析。

二、制造系统基本构成

第一节先进制造系统的基本构成第二章之先进制造系统基础理论制造系统是由众多的要素和子系统组成的有机整体，因而在

制造系统静态分析是在不考虑时间因素情况下研究制造系统的各组成要素，要素之间的相互关系及子系统与分系统，系统与环境之间的相互关系。以系统论的观点，任何系统的功能都可以抽象为一个利用系统资源，在满足系统约束和目标的前提下，将从系统环境中获得的输入转换为输出的过程。

二、制造系统基本构成

第一节先进制造系统的基本构成第二章之先进制造系统基础理论制造系统根据订单和市场预测安排的生产计划，利用制造资源(包括人员、机床设备、刀量夹辅具、技术、相关的产品数据和计算机软、硬件等)，在生产过程中采用相应技术实现产品的生产，以最适当的制造成本，在最适当的时间生产出客户需要的产品以获取最大利润。制造系统静态分析是在不考虑时间因素情况下研究制造系统的各组制造系统整体的性能是与系统各个组成部分之间是紧密相关的。在制造系统运行过程中，无时无刻不伴随着物料流、信息流和能量流的流动，并且制造系统中的物料流、信息流、能量流之间相互联系、相互影响，形成一个不可分割的有机整体。物料流是在整个加工过程中(包括加工准备阶段)物料的输入和输出的动态过程，这种物料在制造系统中的运动称为物料流。制造系统中的信息可分为静态信息(如工件尺寸、公差大小等)和动态信息(如刀具磨损程度、资源状态、加工进程等)，信息在制造系统中的作用过程称为信息流。所有这些信息不断地与制造过程的各种状态进行信息交换，并综合、分析来自各方面的信息，从而有效地控制制造过程，以保证制造过程的正常进行，提高制造系统的效率和产品质量。制造过程中的能量运动称为能量流。在制造系统中，能量是一切物质运动的基础，其所有运动，例如物料的运动，均需要能量来维持。第一节先进制造系统的基本构成

二、制造系统基本构成

第二章之先进制造系统基础理论制造系统整体的性能是与系统各个组成部分之间是紧密相关的。在第二章先进制造系统的基础理论第一节先进制造系统的基本构成第二节物料流第三节信息流第四节先进制造系统的控制方式第五节约束与决策第六节面向21世纪的信息化制造第二章先进制造系统的基础理论第一节先进制造系统的基本构成制造系统中的所有资源构成制造资源，制造资源是制造系统存在和运行的物质基础。

狭义制造资源包括物料(原材料、坯料、半成品等)、设备(机床、生产线等)、能源(电能、燃料等)、其他(土地、厂房、工具等)；广义制造资源不仅包括物料、设备、能源、土地、厂房、工具等，还包括资金、技术、信息、人力等。制造系统中将制造资源转变为产品或零件的制造过程，实质上是一个物料流动的动态过程。

根据制造系统的定义，制造系统是一个输入制造资源(原材料、能源等)通过制造过程而输出产品(包括半成品)的输入输出系统，它同时产生废弃物，并可能造成环境污染。第二节物料流第二章之先进制造系统基础理论制造系统中的所有资源构成制造资源，制造资源是制造系统存在和制造系统的物料流动过程不仅是物料资源转化和消耗的主要过程，而且因为物料的流动和物料的加工制造均需要能量来驱动或转化，因为物料流动过程也是能量消耗的主要过程。第二节物料流第二章之先进制造系统基础理论制造系统的物料流动过程不仅是物料资源转化和消耗的主要

制造系统是一个不断输入制造资源，通过制造过程而输出产品，并同时产生废弃物的输入输出系统。制造系统中资源的输入、消耗、转化、回收、处理及这些过程的影响和控制，形成了制造系统的物料流。制造系统物料流应以资源利用率最高和废弃物产生最小作为目标，充分考虑优化产品生产周期过程中影响资源消耗的各个环节。包括产品寿命终结后的处理，从而优化资源流动过程，最有效地利用资源和最低限度地产生废弃物。制造过程是资源直接转化和资源直接消耗的主要环节，生产同样的产品，不同的制造加工的设备、工艺方案和不同的工艺路线，将会使得物料和能源的消耗不一样。另外，产品包装方式、运输状况、销售和服务状况(如是否回收用户消费后的产品废弃物)都直接或间接影响资源消耗状况。第二节物料流第二章之先进制造系统基础理论制造系统是一个不断输入制造资源，通过制造过程而输出产品，并第二章先进制造系统的基础理论第一节先进制造系统的基本构成第二节物料流第三节信息流第四节先进制造系统的控制方式第五节约束与决策第六节面向21世纪的信息化制造第二章先进制造系统的基础理论第一节先进制造系统的基本构成传统企业的信息流，大多是按照企业的业务流程、组织机构、功能目标等框架体系进行设计，流程设计思路雷同，数据处理比较简单，缺乏针对不同企业、不同业务流程的个性化设计和深层次分析。

现代企业的信息流不能只满足于对现有数据的简单的、常规的处理和分析，应更积极主动地思考生产管理中的重要问题，对数据进行进一步的挖掘和多角度的分析，从而赋予企业更灵敏的反应能力、更积极主动的调整能力和更强有力的竞争能力。第三节信息流第二章之先进制造系统基础理论传统企业的信息流，大多是按照企业的业务流程、组织机构、功能传统制造系统的信息流，大多是按照其业务流程、组织机构、功能目标等框架体系进行设计，导致系统在关键时刻却找不到所需的信息或错误信息。

先进制造系统的信息流不仅能满足对简单、常规信息的处理与分析，而且能够通过对数据的全面管理和挖掘，使制造系统具有更高的柔性、敏捷性和竞争力。通过网络系统和分布式数据库系统规划、调度和监视整个制造系统中的信息流，从而能够以正确的方式、在正确的时间、向正确的信息流节点传输所需的正确信息，并支持分布式制造环境下信息和人员的分布性以及信息流动过程的时序性。制造系统中，管理信息分系统MIS、制造自动化分系统MAS、技术信息分系统TIS和质量信息分系统QIS，在网络系统以及分布式数据库系统支持下其信息流如图2—3所示。第三节信息流第二章之先进制造系统基础理论传统制造系统的信息流，大多是按照其业务流程、组织机构、功能第三节信息流第二章之先进制造系统基础理论第三节信息流第二章之先进制造系统基础理论第三节信息流第二章之先进制造系统基础理论第三节信息流第二章之先进制造系统基础理论第三节信息流第二章之先进制造系统基础理论第三节信息流第二章之先进制造系统基础理论第二章先进制造系统的基础理论第一节先进制造系统的基本构成第二节物料流第三节信息流第四节先进制造系统的控制方式

第五节约束与决策第六节面向21世纪的信息化制造第二章先进制造系统的基础理论第一节先进制造系统的基本构成第四节先进制造系统的控制方式第二章之先进制造系统基础理论为了便于对控制系统进行研究，人们把一个复杂的控制系统分为若干组成部分(控制单元)，控制结构描述了控制系统中各控制单元的决策职责和权限及各控制单元之间的协调关系。控制系统的职责分配在相应控制结构的各控制单元之中，并通过各控制单元协调执行。第四节先进制造系统的控制方式第二章之先进制造系统一、制造系统对控制结构的要求二、集中式控制结构三、递阶式控制结构四、分布式控制结构第四节先进制造系统的控制方式第二章之先进制造系统基础理论一、制造系统对控制结构的要求第四节先进制造系统的控制方式(1)可靠性／容错能力。可靠性是对系统按照规定指标无故障连续运行性能的度量，而容错能力是指系统在状态恶化，甚至发生故障条件下继续运行的能力。通常，容错期由四个阶段组成：故障原因检测、损坏范围确定和程度评定、故障原因处理、故障恢复和继续系统服务。(2)可更改性／可扩展性。可更改性是指对已存控制系统的部分控制单元进行更改和调整的可行性，而可扩展性是指扩展已存控制系统的功能时，将新控制单元加入系统的可行性。(3)可重构性／适应性。可重构性是指在已存的控制系统中增加或拆除部分控制单元并重构成新系统的可行性，动态的可重构性是指在系统运行过程中进行重构的性能。适应性是指控制系统对制造环境迅速变化的适应性能。第四节先进制造系统的控制方式第二章之先进制造系统基础理论

一、制造系统对控制结构的要求(1)可靠性／容错能力。可靠性是对系统按照规定指标无故障连续集中式控制结构的特点是对整个制造系统中的信息统一处理，拥有一个全局数据库以记录系统各种工程活动，每一制造实体都和中央处理单元连接。

其主要特征如下：(1)集中控制单元由一台强功能计算机构成。(2)所有控制决策功能由集中控制单元承担。(3)全局数据库记录系统的全部活动。其主要优点如下：

(1)全局信息可共享。

(2)可全局优化。

(3)唯一的系统状态信息源。其主要缺点如下：

(1)响应速度慢且不一致。

(2)控制任务的完成依赖于唯一的集中控制单元。

(3)控制软件难以更改。第四节先进制造系统的控制方式第二章之先进制造系统基础理论

二、集中式控制结构集中式控制结构的特点是对整个制造系统中的信息统一处理递阶式控制结构：组织方式和控制结构是一种从上到下逐步细化的方式。递阶式控制结构虽然增加了信息传递的环节，但降低了控制难度。

其主要特点：(1)异型多计算机构成控制系统。(2)决策层之间维持刚性的上下级关系。(3)上级协调下级的所有活动。(4)每一层都有集中的数据库。其主要优点如下：(1)可逐步实现。(2)可以用冗余的计算机资源来增强系统的容错能力。(3)可利用状态反馈信息。(4)简化各控制模块自身的规模、功能和复杂性。其主要缺点如下：(1)上层故障会造成下层控制的整体瘫痪。(2)设备布置的改变会影响到整个控制系统，因而使增加或删除设备变得非常困难，难以满足未来修改的需要。(3)由于通信延迟使上层决策往往滞后于下层状态的变化，甚至基于对下层信息的估计上，会造成控制失误，难以满足动态适应性要求。(4)局部控制器的计算能力有限。·(5)通信可靠性随递阶层次增多而降低。第四节先进制造系统的控制方式第二章之先进制造系统基础理论

三、递阶式控制结构

递阶式控制结构：组织方式和控制结构是一种从上到下逐步1．非等级控制非等级控制策略主要包括排队策略、任务投标策略、协商策略、协作策略等。(1)排队策略。在排队策略中，当一项新任务进入系统时，系统按照预先约定的原则把它分配到一个单元，这种原则可以是最短排队长度原则或最先可用单元原则。(2)任务投标策略。当一项新任务进入投标系统时，各单元把任务的处理要求及规范与自己的能力进行比较，有能力完成该任务的单元参加投标。按照预先约定的判据，投标值最高或最低的单元将获得该项任务。(3)协商策略。当一项新任务进入协商系统时，有能力完成该项任务的单元与另一试图承担该项任务的单元协商。每一个单元内均包含本单元的所有信息，包括本单元能加工的零件族、可用的排队场地等。每一单元仅试图获得自己能完成的任务，它将总是试图按照自己的能力和当前的负荷状况，估计自己完成该任务的效率来获得这项任务。(4)协作策略。协作策略形式上与协商相似，但原理上与协商不同。在协商方式中，各单元为获得任务而竞争；而在协作方式中，各单元为系统任务更好址分配而协作。协作策略可采取许多形式，包括资源共享和任务交换。第四节先进制造系统的控制方式第二章之先进制造系统基础理论

四、分布式控制结构

分布式控制：把制造系统的各种功能模块看成是一个个自治的实体，实体间以一定的协议相互协商解决问题。1．非等级控制(1)排队策略。在排队策略中，当一项新任务进入1．非等级控制

其主要特征如下：

(1)同型或异型计算机构成控制系统。

(2)控制单元之间无上下级关系。

(3)完整的局部自治。

(4)面向活动协调的分布式决策。

(5)只有局部数据库。其主要优点如下：

(1)降低整个系统的复杂性。

(2)降低监视的投资和监视过程对实时控制的延迟。

(3)由于采用模块化和可重构的结构，使得维护和更改更容易。

(4)容错能力强。

(5)真正的权力下放使得工作人员责任感增强。其主要缺点如下：

(1)缺乏对一些问题的解决方法，如单元间任务分配不平衡、单元内设备任务分配欠优化等。

(2)目前还没有支持全部功能的硬件和软件。

(3)存在数据重复和数据冲突的趋势。

(4)存在死锁的可能性。第四节先进制造系统的控制方式第二章之先进制造系统基础理论

四、分布式控制结构

1．非等级控制其主要特征如下：第四节先进制造系统的控制方2．混杂控制结构常见的混杂控制结构兼有递阶控制和非等级控制的特点，层与层之间为上下级关系，同一层各控制单元为平等关系，由于各控制单元间的关系较为复杂，不像递阶控制或非等级控制中。各控制单元之间具有一致的上下级或平等关系，在实现时需要对各控制单元之间的关系进行仔细地设计。

常见的混杂控制结构如下。

(1)改进型递阶控制结构。它强调了各平级子层之间的直接通信和协调关系，如图2-9所示。第四节先进制造系统的控制方式第二章之先进制造系统基础理论

四、分布式控制结构

2．混杂控制结构常见的混杂控制结构如下。第四节先进制造系统

(2)半非等级控制结构。它由若干改进型递阶控制结构组成，其各顶层之间形成平等的通信和协调关系，如图2-10所示。

(3)寡头控制结构。它是各控制单元之间关系最为复杂的一种结构，它要求包括顶层在内的各控制层内保持平等的直接通信和协调关系，同时还要求各上层与每一下层保持明确的上下级关系，如图2-11所示。第四节先进制造系统的控制方式第二章之先进制造系统基础理论

四、分布式控制结构

(2)半非等级控制结构。它由若干改进型递阶控制结构组第二章先进制造系统的基础理论第一节先进制造系统的基本构成第二节物料流第三节信息流第四节先进制造系统的控制方式第五节约束与决策第六节面向21世纪的信息化制造第二章先进制造系统的基础理论第一节先进制造系统的基本构成－－信息时代对决策支持系统水平的要求也大为提高，从原先的一般数据采集与处理为基础的支持结构化问题的一般战术决策，发展到以信息融合、知识处理为基础的支持非结构化问题的战略决策。目前提出的各种新的制造与管理模式是从不同学科、不同角度，解决提高企业的敏捷性。－－例如，先进制造系统的自组织的过程实质上是使企业产品同市场的需求协同，制造系统、经营过程、企业组织同新产品设计、加工与经营需求相协同。自组织被定义为一个系统不依靠任何外来的干预，而获得的一种空间、时间或功能(时—空)的结构。自组织并不等于人们对这类复杂系统无法施加影响。它是决策者、设计师参与下的自组织过程，这里“参与”，不等于传统的“干预”，参与是一种宏观高层次上的控制，是通过制定规则与约束的手段实现控制，“干预”是在某一层次上具体的控制。－－协同论是一门研究存在于复杂自然界自组织基理的学科，其价值主要有：支配原理与序参数。其中支配原理揭示复杂系统，从无序到有序的过程中，上一层是如何支配下一层的，而序参数是系统中的少数参数，它们处于上层、变化缓慢、控制着宏观系统的变化，使系统从无序到新的有序。利用支配原理与序参数就可以对系统变量众多、具有非线性、正反馈的复杂系统进行科学有效的简化，进而进行有效的控制。第五节约束与决策第二章之先进制造系统基础理论－－信息时代对决策支持系统水平的要求也大为提高，从原先的一般－－决策过程是满足必要的约束条件下的一种复杂的寻优求解过程。决策问题的复杂性取决于决策过程所处的环境，任何决策都由三个要素组成：机遇、信息与资源。成功的决策必须满足两类规律的约束：客观规律和人们的利益(价值规律)。－－机遇是决策者所向往与追求的目的，机遇具有风险与效益，它们是同时并存的，是一个事物的两个属性，克服风险获取效益是决策者的中心任务；而信息(包括知识)是克服风险的唯一资源；资源(物质与能量)是实现任何决策所必须的物质基础。－－以往简单的“拍脑袋”决策，对决策问题考虑得不够周到与深刻，用科学的系统论和决策论的语言说，即决策空间考虑得不够大，因而丢掉了机遇。因此，决策者及决策支持系统的任务是协调信息、机遇与资源这三大要素间的冲突。－－在各类制造系统的设计、运行和管理中，会涉及各种复杂的决策问题。决策者根据对实际环境的分析，构思一组解决问题的方案。每一方案均会产生一个结果，决策者在评价结果时一般是多个目标的，鉴于环境、资源及安全性的问题日益突出，应由成本C、时间T(生产率)、质量Q、柔性F、服务S和环境E六大制造决策属性组成决策目标，决策取决于决策者的偏好与价值观。第五节约束与决策第二章之先进制造系统基础理论－－决策过程是满足必要的约束条件下的一种复杂的寻优求解过程。－－在制造系统的综合决策模型中，决策目标应充分体现制造系统的基本使命和经营目标。因此需要建立一个适用于各类制造系统的综合决策模型，将不同的目标映射到表达决策者愿望的价值空间上，并在模型中反映制造系统主要决策目标，以更好地支持决策分析活动，这对提高制造系统的整体综合效益具有重要意义。例如，美国学者提出了制造系统“四面体决策框架模型”，该模型将成本、时间(生产率)、质量和柔性四大制造决策属性作为制造系统决策的目标函数，提出了制造系统和制造过程的各类决策变量，可通过技术经济模型映射成为制造决策属性的组成元素的设想。第五节约束与决策第二章之先进制造系统基础理论－－在制造系统的综合决策模型中，决策目标应充分体现制造系统的第二章先进制造系统的基础理论第一节先进制造系统的基本构成第二节物料流第三节信息流第四节先进制造系统的控制方式第五节约束与决策第六节面向21世纪的信息化制造第二章先进制造系统的基础理论第一节先进制造系统的基本构成一、概述二、信息化制造的特点三、分布式信息化制造逻辑体系结构四、集中分布式模式下的企业新式产品