制造系统基本原理

制造系统基本原理第1页，共57页，2023年，2月20日，星期五第2章提要∨∧本章内容是全书的核心。本章论述了MMS的类型、组成和性能原理；讨论了MMS的建模原理；分析了MMS的五个决策属性(T,Q,S,C,E)概括论述了MMS的设计和运行原理。本章还着重阐述了AMS的一些重要理念：运动流、生产率、生命周期质量、顾客满意度、生命周期成本、产品多生命周期、科学发展观和制造系统生命周期等。

第2页，共57页，2023年，2月20日，星期五∧第2章制造系统基本原理2.1制造系统的类型2.2MMS的组成

2.3MMS的性能原理2.4MMS的建模原理2.5MMS的决策属性

2.6MMS的设计原理

2.7MMS的运行原理

2.8制造系统的信息化

∨第3页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.1制造系统的类型

2.1.1按产品的用途分2.1.2按产品构成形态分2.1.3按产品批量分2.1.4按生产计划分2.1.5按层次结构分2.1.6制造系统大小的划分∧∨第4页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.1.1按产品的用途分铣床制造厂磨床制造厂

……汽车制造厂飞机制造厂机床制造厂仪表制造厂化工制造厂

……由第一章可知∧∨第5页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.1.2按产品构成形态分（1）离散式制造系统产品需要组装而成。例机床厂、打印机制造厂。离散的意义是指零件上，而不是时间上。（2）流程式制造系统

产品无需组装。例钢铁厂、纺织厂、化工厂等。（3）混合式制造系统产品需要部分组装。例制药厂、食品厂等。由第一章可知∨∧第6页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.1.3按产品批量分

（1）大量制造系统

汽车制造厂

特点：设备柔性低，生产率高。（2）中量制造系统机床制造厂

特点：设备按工艺专业化原则，或按零件族布置。（3）小量制造系统重型机器厂

特点：设备柔性高，生产率低。由第一章可知∨∧第7页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.1.4按生产计划分1.自主式制造系统

生产计划是依据库存数量而并非客户订货数量而制定的。产品一般先进入仓库而不直接面对客户。采用这个方式有两个原因：①客户要求很短的交货期，②产品有很少的变化，客户需求可准确预测。该系统适用于大量生产，其生产计划的制定和执行比较容易。∨∧第8页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.1.4按生产计划分2.订单式制造系统

生产计划的下达是根据客户订货进行的。其生产计划的制定和执行就相对困难一些。主要策略：

①按订货设计产品具有很大的技术复杂性及小的批量，如大型产品，或客户允许有较长的交货期，产品需要根据订货组织设计，再进行生产。如商用飞机。②按订货加工在订货之前己完成设计，按订货进行加工。其产品的需求通常不可预测。如大型发电机组。③按订货装配

在订货之前已完成设计及零部件加工，按订货进行装配。其产品通常有许多部件，产品的需求是可预测的，而客户需要较短的交货期。如汽车。

∨∧第9页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.1.5按层次结构分

制造系统的结构在层次上可以分成四级

图2-1单元级制造系统车间级制造系统企业/工厂级制造系统全球制造系统。这四级彼此之间可通过通信网络进行信息交换。单元级和车间级是目前最普遍的传统制造系统。随着计算机和通信技术的发展，企业级和全球制造系统也将得到发展。∨∧第10页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.1.5按层次结构分图2-1制造系统的层次结构企业级制造系统企业级制造系统……车间级制造系统车间级制造系统…………单元级制造系统单元级制造系统全球制造系统∧∨第11页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.1.5按层次结构分1.单元级制造系统它是组成更高效制造系统的基础，其主要任务是实现给定生产任务的优化分批，实施制造资源的合理分配和利用，控制资源的活动，高效益地完成给定的全部生产任务。

产品的物理转换都是由单元级制造系统来实现。可见单元级制造系统的运行特性对整个企业具有举足轻重的作用。

∨∧第12页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.1.5按层次结构分

1.单元级制造系统它对不同的硬件环境必须具有空间开放性，其内涵是：①在功能结构上具有柔性

是指对不同的生产任务能够灵活地分割及组合，提供不同的服务，并能方便地修改或增加开发的新功能。②在应用与实施过程中具有适应性

是指适应多种多样的生产环境，在异构计算机环境中能够方便地从一种硬件环境或操作系统转换到另一种。

∨∧第13页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.1.5按层次结构分

1.单元级制造系统传统的单元制造系统

因设备资源固定而使组织模式存在以下问题：①设备负荷的不平衡使得某些资源的利用率下降，造成生产成本的上升；②设备负荷的不平衡又使得某些资源特别紧张，造成生产率下降；③由于设备资源是固定的，不能适应因为生产任务的变化而需要的最优工艺路线组合，从而造成工件跨单元的加工，导致辅助资源（例如：自动导向车、托盘、夹具等）的紧张，使得生产能力下降，交货期拖延。∨∧第14页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.1.5按层次结构分

1.单元级制造系统为了解决上述问题，一个适应市场竞争需要的单元制造系统应当是可重构的。这种可重构单元有以下特征：①单元由若干个具有相对独立功能的工作站组成。②单元控制器所控制的工作站数目，是随着生产任务的不同而动态变化的。③这是一种逻辑上可重构的单元，工作站的物理位置是固定的，单元重构时是通过计算机网络实现对工作站的分布式控制的。因此也称为逻辑单元或虚拟单元。

∨∧第15页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.1.5按层次结构分

2.车间级制造系统它通过生产计划将上层输入的加工订单分解为可执行的工序计划。在计划实施过程中，当执行情况与计划出现偏差时，采用相应的控制手段使偏差缩小，完成生产调度和控制的功能。它采用的方法根据生产模式或生产组织形式而定。典型的车间管理模式有推式生产和拉式生产，前者是由前一工作岗位（加工序）的任务驱动后一工作岗位的工作；而后者是用后一岗位的任务来拉动前一岗位的工作。∨∧第16页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.1.5按层次结构分

车间级制造系统的功能分为两大类：1）直接完成物料处理的活动，包括运输、储存、加工以及测试检验等。2）进行车间生产的管理、调度和控制活动，包括：①生产管理：接受厂级下达的生产任务，制定本车间的生产作业计划，并监督计划执行情况；②资源管理：对车间人事、设备、物料进行管理，进行设备维修、财务管理和成本统计分析等。③质量管理：对车间内产品质量负责，使之满足质量要求。④车间报告：按时将车间的生产、资源及质量的情况上报工厂有关部门。∧∨第17页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.1.5按层次结构分

3.企业级制造系统它把制造范围从车间扩大到全厂，它可达到在全厂范围内生产管理过程、机械加工过程和物料储运过程全盘自动化，并由计算机局域网络进行联系。分布式多级计算机系统必须包括制定计划和日生产进度计划的生产管理级主计算机，它往往与CAD/CAM系统相联。物料储运系统必须包括自动仓库，以满足存取大量的工件和刀具。各种形式的CNC机床数量一般在十几台以上。系统可以自动地加工各种形状、尺寸和材料的工件。全部刀具可以自动输送与更换，自动测量刀具和工件位置，并按照来自计算机的指令自动地补偿位置。工厂可以从自动仓库提取所需的坯料并以最有效的途径进行物料传送与加工。∨∧第18页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.1.5按层次结构分

4.全球制造系统全球制造（GlobalManufacturing）是在世界范围内实现企业柔性和敏捷性的一种新概念。20多年来，随着远距离交通和网络技术的迅速发展，世界变得越来越小。全球制造的概念就是适应市场国际化和跨国公司的发展需要而提出的。全球制造的特点是制造工厂和销售服务遍布全世界，就在用户身边。全球化的产品，通过网络协调和运作，把分布在世界各地的工厂和销售点联接成一个整体，它能够在任何时候与世界任何一个角落的用户或供应商打交道。∨∧第19页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.1.5按层次结构分

全球制造系统分为6种不同层次的模式①分散网络化的全球制造模式（GMC3）：高度分散和流动，具有虚拟企业的特征，通过Internet和Intranet网络组织产品的设计、生产和销售；②多国制造模式GMC2：技术转移、在当地制造和销售；③区域制造模式GMC1：香港在内地设厂，产品东南亚销售；④全球出口模式EMC3：本土或原料产地制造，向全球出口；⑤多国出口模式EMC2：本土或原料产地制造，向多国出口；⑥区域出口模式EMC1：在本土制造，向邻近地区出口。这6种模式之间并没有严格的界限，可以相互转换。从跨国公司迈向全球制造，关键是如何发挥信息技术的潜力。∨∧第20页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.1.6制造系统大小的划分按制造系统功能实现的难易程度来区别大小。先进制造系统主要研究大的制造系统。根据美国麻省理工学院（MIT）N.P.Suh的定义：①大系统在整个运行时间域上，必须同时满足的功能要求的数目＞10个。例汽车制造系统是大系统。②小系统在整个运行时间域上，必须同时满足的功能要求的数目≤10个。

例大多数机床、机器人等系统是小系统。∨∧第21页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.1.6制造系统大小的划分Suh还把大系统分为两类：①大型固定系统是指虽然系统在整个时间域上总体完成的功能要求数目＞10个，但其功能要求是固定的集合。

例大量生产流水线中的大型自动化流水线。②大型柔性系统是在生命期内系统必须满足的总体功能数不仅多于10个，而且在不同的生命期，功能要求是可变的集合。

例可重组的大型制造系统。

∨∧第22页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.1END∨∧第23页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.2MMS的组成MMS组成，可从以下三个不同的视角来审视：要素：是系统实现功能的不可少的组成部分。结构：指制造系统在空间上具有一定的结构形态。一般在综合的基础上对结构系统进行分析。过程：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。首先应明确组成系统的基本要素，然后在对结构各部分分析的基础上对过程系统进行综合。MMS是结构系统与过程系统的统一,MMS理论应实现静态结构分析与动态过程分析的统一。

∧∨第24页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.2MMS的组成

2.2.1MMS的基本要素2.2.2MMS的结构组成

2.2.3MMS的过程组成∧∨第25页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.2.1MMS的基本要素MMS基本模型如图2-2所示。其基本要素是6个。1）输出是制造系统存在的前提条件。

包含以下4种类型：

①产品②服务③创造客户④社会责任2）输入是实现转换功能的前提条件。物质与信息。3）转换实现资源增值转换是系统的总功能，它由一系列分功能所组成。衡量转换优劣的指标是：TQCSE。∧∨第26页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.2.1MMS的基本要素MMS模型的6个基本要素4）机制是实现资源转换的内部运行条件与运行原理。包括：生产设施、设计系统、信息网络基础设施、计算机软件、制造模式、规章制度、经营目标与策略、企业文化等。5）约束指企业系统的外部约束，如国家政策、法规、规范标准、资源、时间、成本、质量、环保和社区要求等。6）反馈制造系统在整个运行过程中，其输出状态的信息总是不断反馈到各个环节中，从而实现产品生命周期中的不断调节、改进和优化。∨∧第27页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.2.1MMS的基本要素MMS基本模型如图2-2所示。其基本要素是6个。图2-2企业级制造系统的基本模型输入新的资源产品服务创造客户社会责任原有资源输出反馈机制（内部）约束（外部）政策法规标准规范……硬件软件体制模式……转换（资源增值）劳务资金物料信息……社会环境与市场环境∨∧第28页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.2.2MMS的结构组成

1.MMS的资源结构2.MMS的功能结构3.MMS的组织结构∨∧第29页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.2.2MMS的结构组成1.MMS的资源结构制造资源

是为完成特定的制造任务而需要的要素体系。（1）基础资源又称有形资源。图2-3

包括：物料（原材料、坯料、半成品等）、设备（机器、生产线等）、能源（电能、燃料等）、其他（土地、厂房、工具等）。（2）活性资源又称无形资源。包括：人力、资金、技术、信息、管理、知识、组织、文化、时间、企业形象、产品品牌、客户关系、政府政策等。其中人力是关键资源，信息和文化是协调性资源，组织是集成化资源，客户关系和政府政策是环境资源。∧∨第30页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.2.2MMS的结构组成1.MMS的资源结构图2-3一个MMS的基础资源布局图微机房CAD/CAE/CAPP开发部工业工程部销售部客户服务中心市场部采购部财务部人力资源部公司管理部门厅图书馆资料库休息室制造车间工具组单元1单元2质量控制包装出进接收与发运装配∨∧第31页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.2.2MMS的结构组成2.MMS的功能结构功能结构是对发生在MMS中由人或机器执行的各种行动的描述。一个MMS中，存在多种性质不同的活动。这些活动的执行一般是由不同职能部门来完成的。各个部门的功能有着明显的区别，如设计部门负责产品设计，工艺部门负责过程设计。图2-4则较为细致地描述了MMS的功能，它将制造系统分为4个功能块：

研究与开发、生产控制、市场营销、财务管理。

∨∧第32页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.2.2AMS的结构组成图2-4MMS的功能结构产品出口人事管理工资制造成本顾客、供应商、市场与外部环境财务管理预算购买总帐购买帐销售帐库存财务库存管理装箱发运固定资产工厂维护库存控制与预测系统输入采购供应资源管理订单处理主计划MRP生产控制车间管理/FMS控制……加工存储输送检验装配过程设计工业工程质量控制数控编程研究与开发经营战略产品设计软件工程设计数据库机械电气液压……市场营销销售预测结构控制◎BOM◎时间研究◎排序制造数据库◎刀具数据◎夹具数据◎零件数据∨∧第33页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.2.2MMS的结构组成3.MMS的组织结构

组织结构反映责任人和工作的联系，反映制造系统多层次性。流程-人-技术-资金是MMS运行管理中的4个基本方面：

项目管理、人力资源管理、技术资源管理和财务管理，每一个制造功能的运行都需要这4个方面的密切合作。图2-5图2-5一个MMS（企业）的组织结构制造部2制造部n制造部1……财务部总经理市场部销售部采购部开发部工业工程部人力资源部∨∧第34页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.2.2MMS的结构组成3.MMS的组织结构及组织结构中每个组织的作用：①市场部：市场分析、销售预测、广告、客户关系等。②销售部：销售，包括合同管理，售后服务，产品定价③采购部：原材料、外购件和设备的采购。④工程开发部：新产品的研发，也包括新生产车间设计⑤制造部：物理输出（零件）。称为分厂或车间⑥工业工程部：安排生产计划，控制生产过程(生产部)⑦财务部：资金管理，预算审查、投资评估、成本核算。⑧人力资源部：管人，招聘与解雇、工资与福利、工会关系。∨第35页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.2.3MMS的过程组成对于各种不同层次的制造系统，人们从不同的角度出发，提出了不同的运动流理论。不同层次的制造系统，其运行过程所形成的运动流不同，所构成的子系统功能也不同。下面将分别讨论两个层次：

单元级制造系统的三运动流及其子系统

企业级制造系统的四运动流及其子系统∧∨第36页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.2.3MMS的过程组成

单元级制造系统的三运动流及其子系统图2-6，2-7流即流动，是混沌学描述过程动态性的一种概念。1）物质流是在整个加工过程中物料的输入和输出的动态过程。2）信息流是信息在机械加工系统中的作用过程。3）能量流

是机械加工过程中的能量运动。∧∨第37页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.2.3MMS的过程组成1.单元级制造系统的三运动流及其子系统（1）单元级制造系统的三运动流图2-6单元级制造系统三运动流信息系统（加工任务、方法、工件质量等）物料流信息流能量流原材料或坯料加工检验输送装夹产品刀具、夹具等机械能电能∨∧第38页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.2.3AMS的过程组成（2）单元级制造系统的子系统单元级制造系统由3个子系统所组成，图2-7。1）物质系统可分为加工系统、物料系统和检验系统。①加工系统是指机床、刀具、夹具、工件所组成的直接改工件的形状、尺寸、性质等生产过程；②物料系统组成加工系统，完成存储、输送、装卸；③检验系统检测加工质量。2）能量系统提供整个制造系统所需能量，并进行能量的自动转换和分配输送。3）信息系统由所有信息及其交换和处理的过程构成。该系统控制和监视整个机械加工过程，以保证机械加工的效率和产品质量。

∨∧第39页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.2.3MMS的过程组成（1）单元级制造系统的子系统物质系统单元级制造系统能量系统控制监视信息系统自动转换分配输送存储输送装卸加工物料检验图2-7单元级制造系统的子系统∨∧第40页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.2.3AMS的过程组成2.企业级制造系统的四运动流及其子系统（1）企业级制造系统的四运动流1）物料流

简称物流。是制造系统内部的物料流，通常是指原材料、工件、工（夹）具、水、电、燃料等物质的流动。与三运动流比较，企业级的物料流包含了单元级的物料流和能量流。企业级制造系统物料流如图2-8所示。图2-8

企业级制造系统的物料流需求分析产品设计工艺规划资源输入资源需求回收处理废弃物产品制造售后服务产品报废∨∧第41页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.2.3AMS的过程组成（1）企业级制造系统的四运动流2）信息流。是指制造系统与环境和系统内部各单元间传递与交换各种数据、情报和知识的运动过程。物料和资金都是以信息的形式向人们反映。——按类型将信息分为需求信息和供给信息。需求信息从需方向供方流动，这时还没有物料流动，但它引发物流。而供给信息同物料一起从供方向需方流动。信息流表明了制造过程中的信息采集、特征提取、信息组织、交换、传递等特性。∨∧第42页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.2.3AMS的过程组成（1）企业级制造系统的四运动流3）资金流。又称为价值流。制造系统的经济学本质是资金的不断消耗或物化，并创造附加价值的过程。这种附加价值和消耗资金的过程称为资金流。它以货币形态存在于制造系统之中。——制造系统的各项业务活动都会因消耗资源而导致资金流出。只有当消耗资源生产出产品出售给客户后，资金才会重新流回制造系统，并产生利润。∨∧第43页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.2.3MMS的过程组成物料是有价值的，物料的流动引发资金的流动（图2-9）。

图2-9企业级制造系统中的资金流与物料料资金流出企业资金流财务与成本控制资金流入企业物料流需求市场分销商商品销售产成品装配产成品加工半成品采购原材料供应市场∨∧第44页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.2.3MMS的过程组成（1）企业级制造系统的四运动流4）劳务流。又称为工作流，是指制造系统中有关人员的安排、技术的组织与分布等业务活动。信息、物料、资金都不会自己流动。

劳务流决定了各种流的流速和流量，制造系统的体制组织必须保证劳务流畅通，对瞬息万变的环境做出响应，加快各种流的流速（生产率），在此基础上增加流量（产量），为企业系统谋求更大的效益。∨∧第45页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.2.3MMS的过程组成（2）企业级制造系统的子系统图2-10企业级制造系统的子系统产品计划生产管理企业级制造系统信息系统物流系统财务系统人事系统管理信息子系统技术信息子系统生产信息子系统质量信息子系统设计管理∨∧第46页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.2.3MMS的过程组成1）物流系统。它代表制造系统的物料流。它以资源利用率最高或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，实现适度的自动化生产。2）信息系统。它代表制造系统的信息流，实现信息流的集成及信息处理的最佳化。3）财务系统。它代表制造系统的资金流，供、产、销是资金运动的三个阶段，实现资金运动的最大效益。4）人事系统。它代表制造系统的劳务流，实现企业人力资源的有效管理与开发。∨∧第47页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.2.3MMS的过程组成（3）影响物流系统的因素：制造系统的结构（如设备构成、车间布局等）、产品设计、工艺方案、制造过程、产品出厂及使用后的处理等。市场分析和市场信息将直接决定企业制造产品的种类和数量，产品设计将决定产品的具体形态和特性。产品的种类、数量、形态和特性直接影响消耗资源的种类、数量和资源利用率。市场采购的原材料规格大小不同以及物料存储也同样影响资源消耗量。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。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）都影响资源消耗状况。∨∧第48页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.2.3MMS的过程组成（4）MMS的信息系统AMS的信息系统不仅能满足对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。图2-11是在网络系统和分布式数据库系统支持下的信息系统。∨1）管理信息子系统2）技术信息子系统

3）质量信息子系统

4）生产信息子系统∧第49页，共57页，2023年，2月20日，星期五2.2.3MMS的过程组成图2-11MMS的信息系统生产信息子系统网络系统分布式数据库系统质量信息子系统质量管理信息质量信息产品质量要求质量控制信息管理信息子系统质量信息质量管理信息生产、物料、维护计划等生产、物