机械制造技术

PAGEPAGE2PAGE机械制造技术：现代制造系统的生产模式一、计算机集成制造系统（CIMS）1．概述计算机集成制造系统，是计算机应用技术在工业生产领域的主要分支技术之一。对于CIMS的认识，一般包括以下两个基本要点：（1）企业生产经营的各个环节，如市场分析预测、产品设计、加工制造、经营管理、产品销售等一切的生产经营活动，是一个不可分割的整体。（2）企业整个生产经营过程从本质上看，是一个数据的采集、传递、加工处理的过程，而形成的最终产品也可看成是数据的物质表现形式。因此对CIMS通俗的解释可以是“用计算机通过信息集成实现现代化的生产制造，以求得企业的总体效益。”CIMS是基于现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术的一门综合性技术。CIMS是现代制造企业的一种生产、经营和管理模式。在CIMS的研究和实施中之分强调“信息流”和“系统集成”两个基本点。我们可以把CIMS的关键技术“集成”理解成：⑴人员集成管理者、设计者、制造者、保障者以及用户应集成一个协调整体。⑵信息集成产品生产周期中各类信息的获取、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。⑶功能集成产品生产周期中，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。⑷技术集成产品开发过程中，涉及的多学科以及各种技术、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。2．CIMS的系统构成CIMS包括工厂企业设计、生产及经营等全部活动，制造型企业的CIMS功能模型通常包括以下七个应用（功能）分系统。⑴经营管理与决策分系统经营管理与决策分系统是企业在管理领域中应用计算机系统的总称。其功能覆盖市场销售、物料供应、各级生产计划与控制、财务管理、成本、库存和技术管理等内容，是以经营生产计划、主生产计划、物料需求计划、能力需求计划、车间计划、车间调度与控制为主体形成的闭环一体化经营管理与决策系统。它在CIMS中相当于神经中枢，指挥与控制各个部分有条不紊地工作。⑵设计自动化分系统设计自动化分系统是在产品开发过程中引入计算机技术而形成的系统，包括计算机辅助的产品概念设计、工程与结构分析、产品设计、工艺设计与数据编程等内容，通常划分为CAD、CAPP、CAM，工程数据管理等子系统，子系统之间强调信息的连续流动和共享，即CAD/CAPP/CAM系统集成。⑶制造自动化分系统CINS中制造自动化分系统是CIMS环境下的制造设备、装置、工具、人员、相应信息以及相应的系统体系结构和组织管理模式所组成的系统。制造自动化分系统一般包括5个子系统：制造设备子系统、物料运输与存储子系统、能量流子系统、制造信息子系统、制造过程生产计划调度与控制子系统。⑷质量保证分系统质量保证分系统主要是采集、存储、评价与处理存在于设计、制造过程中与质量有关信息。从而进行一系列的质量决策和控制，有效地保证质量并促进质量的提高。质量保证分系统包括质量监测与数据采集、质量评价、质量决策、质量控制与跟踪等功能。⑸支撑分系统支撑分系统由数据子系统和计算机通信网络子系统组成。⑹数据库子系统数据库子系统是以数据库管理系统为核心，由与数据库有关的计算机硬件、软件、数据集合以及应用人员组成的为CIMS提高信息服务的系统。信息服务通常包括对数据的定义、组织、存放、查找、维护和传递等功能。数据库子系统是CIMS的信息管理和控制中心，具体执行各种制造新鲜的管理、传递和交换任务。⑺计算机通信网络子系统计算机通信往来子系统为CIMS中信息的传递、交换和共享提供必要的信息通道及控制机制，是信息集成得以实现的载体。计算机通信往来子系统使整个制造系统实现资源共享，提高系统的可靠性，并且使各个分系统之间方便、及时地进行信息交流。3．CIMS的成功应用⑴早在1985年，美国科学院对美国在CIMS方面处于领先地位的五家公司--麦克唐纳道格拉斯飞机公司、迪尔拖拉机公司、通用汽车公司、英格索尔铣床公司和西屋公司进行调查和分析，他们认为采用CIMS可以获得如下收益：产品质量提高200%～500%；生产率提高40%～70%；设备利用率提高200%～300%；生产周期缩短30%～60%。⑵在我国，成都飞机工业公司自1989年开始开展CIMS工程，经过10年的发展完善，使得企业在产品制造能力和公司管理水平方面上了一个新台阶，从而赢得了国外航空产品转包生产的订单，经济效益十分明显。10年来，企业仅在网络和数据库方面累计投资就超过2000万元，但是企业CIMS工程总设计师钱应璋女土认为当初的投资在今天得到了回报。企业目前很好地实现了信息共享和集成，并且利用开放系统避免建设信息孤立岛，省去了大量的重复性劳动。但是，对于系统的建设完善，钱应璋女土认为CIMS工程要分为一期、二期、三期，不断进行，要不断地推动系统走向实用化，逐步获得效益。4．CIMS研究和应用中需注意的几个问题⑴CIMS不是无人化工厂在CIMS研究初期，人们曾认为全盘自动化和无人化工厂或车间是其主要特征。随着CIMS实践的深入和一些无人化工厂实施的失败，人们对无人制造自动化问题进行了反思，并对人在CIMS中的重要作用进行重新认识。近年来，我国实施的CIMS早已突破无人化和高度自动化的局限，而主要强调信息集成和功能集成。⑵CIMS没有统一模式CIMS的系统结构仅针对一般情况，不同的企业类型，不同的生产方式，其CIMS的系统结构是不一样的。实际应用中不应求全和统一，而应根据企业实际决定其系统结构。⑶CIMS在应用工程中应强调结合实际，总体规划，分步实施。CIMS是一个复杂的制造系统工程，工程投资大，投入人员多，开发周期长，因此，必须在总体规划的基础上，根据企业的财务和物力，分布实施，重点突破，既要保证系统的实用有效，又要保证系统的集成。二、并行工程系统（CE）1．并行工程的定义和内涵1988年美国国家防御分析研究所（IDA）完整地提出了并行工程（CE）的概念，即“并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）的系统方法。这种方法要求产品开发人员在一开始就考虑产品整个生命周期（从概念形成到产品报废）中的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求。”并行工程的目标：⑴提高全过程（包括设计、工艺、制造、服务）中全面的质量；⑵降低产品全生命周期中的成本（包括产品是合件、制造、发送、支持、客户使用至产品报废等成本）；⑶缩短产品研制开发周期（包括减少设计反复、降低设计时间、生产准备时间、制造时间、发送时间等）。2．并行工程的运行机理和工作模式所谓串行工程是前一工作环节完成之后才开始后一工作环节的工作，各个工作环节的作业时序上没有重复和反馈。串行工程的各个生产环节前后脱节，设计改动量大，产品的开发周期长、成本高。而并行工程是将时间上先后的知识处理和作业实施过程转变为同时考虑和尽可能的同时处理的一种作业方式。并行工程在产品设计阶段就同时进行工艺过程设计，考虑产品整个生产周期的所在因素，大大缩短产品投放市场的时间，这种方法在日、美企业中已得到了广泛的应用。并行工程是一种经验哲理，采用并行的发明故事，在产品设计阶段就集中产品研制周期中的各有关工程技术人员，同步地设计或考虑整个产品生命同期中的所有因素，对产品设计、工艺设计、装配设计、检验设计、售后服务方案等进行统筹考虑、协同进行。?????CIMS作为制造系统为并行工程的应用提供了理想的集成环境，并行工程作为CIMS的一种补充，能更好地解决CIMS产品开发过程的问题。3．并行工程的特点和效益⑴并行工程的特点是：①强调合作精神和工作方式②强调设计过程的并行性并行性有两个方面的含义：一是在设计过程中通过专家把关，同时考虑产品生命周期的各个方面；二是在设计阶段同时进行工艺过程设计，并对工艺设计的结果进行计算机仿真，直至用原型法生产出产品的样品。③强调设计过程的快速“短”反馈并行工程强调对设计结果及时审查，并及时反馈给设计人员，可以大大缩短设计时间，还可以保证将错误消灭在“萌芽”阶段。④强调设计过程的系统性设计、制造、管理等过程不再是一个个相互独立的单元，而是将其纳入一个系统考虑。设计过程不仅是得出图样和其他设计资料，还要考虑质量控制、成本核算、进度计划等。⑵实施并行工程可以取得的效益：①缩短产品投放市场的时间；②降低成本；③提高质量；④保证功能的实用性；⑤增强市场竞争能力。4．并行工程的工程实现采用CE后取得的成效要通过工程实现来体现。实施CE必须要有合适的CE环境与条件、实施策略与步骤、实施框架及相应的工具和技术。⑴CE环境在产品的整个生命周期中，特别是对于产品的设计，CE环境主要包括：①统一的产品模型。统一的产品模型保证了产品信息的惟一性，并必须有统一的企业知识库，使工作人员能用一种“语言”进行协同工作。②一套高性能的计算机网络。让工作人员能在各自的工作站或微机上进行仿真，或利用各自的CAD，CAM，CAPP系统。③一个交互式、良好的用户界面，实现CAD，CAM，CAE系统的集成，有统一的数据库和知识库，使工作人员能同时以不同角度参与或解决各自的设计问题。在CE环境中，企业要采用计算机仿真技术模拟生产过程，实现优化设计，省去了传统的从设计到制作样品的过程，既缩短了时间，降低了成本，又保证了设计质量。⑵实施CE步骤CE实施过程可分为三个阶段：①规划阶段，对集成CE的信息系统进行自顶向下的分析；②开发阶段，采集和开发由现有的设计、开发和生产方法到CE方法所需的技术和手段。③实施阶段，包括采购和安装所需的硬件，调整相应业务系统以适应新的设计方法和管理，训练人员以适应新的岗位。⑶CE的集成框架一个集成框架系统可以包括以下几个层次：①集成框架环境层提供系统集成的技术规范和标准，以支持异构环境和系统的集成与互联，它是整个集成框架实现的技术基础和环境。集成框架支撑环境是面向对象的处理服务层，其目的是将通用对象服务从多种独立的语言及某种专用语言的运行环境中独立出来，封装并集成到系统中，以实现异构部件的集成和互操作。集成框架环境层的重要支撑技术就是客户/服务器技术和面向对象技术，二者的结合就形成了分布式对象技术。分布式对象技术始于90年代初，已经发展成为当今分布异构环境下建立应用系统集成框架和标准构件的核心技术，已经在企业集成、集成化的分布式环境管理、软件构件技术等方面发挥重要作用。实现应用系统集成和即插即用的一个关键是标准规范和相应的支持软件。近几年国际上研究较多，出现了一些规范和产品。②系统平台层基于集成框架环境层所提供的技术支持，提供软硬件支撑平台和集成软件接口，建立各分系统之间信息集成与共享、过程集成和生命周期数据管理的软总线，使各应用工具按照面向对象的思想能够更方便地即插即用。集成框架环境层中的技术规范与标准是系统平台的软总线实现的基础。三、敏捷制造系统（AM）1．敏捷制造的特征与传统的大量生产方式相比，敏捷制造主要具有以下特征：①全新的企业合作关系；②大范围的通讯基础结构；③高度柔性的，模块化、可伸缩的生产制造系统；④“高质量”的产品；⑤高技术人员是企业成功的关键；⑥基于信任的雇佣关系；⑦基于任务的组织和管理；⑧对于社会的正效应。2．敏捷制造研究的主要内容敏捷制造被认为是21世纪的先进制造技术，目前研究的主要内容包括：⑴分布式数据库子系统；⑵分布式群决策软件子系统；⑶智能控制子系统；⑷智能传感器子系统；⑸基于知识的人工智能研究；⑹快速合作子系统；⑺工厂网络子系统；⑻企业集成子系统；⑼用户交互子系统；⑽人与技术接口子系统；⑾教育培训子系统;⑿模块化可重构的硬件子系统;⒀仿真与建模子系统;⒁废物处理和消除子系统;⒂节能子系统;⒃性能测量与评价子系统；⒄动态合作子系统。3．实现敏捷制造的主要措施为实现制造企业不断变化、快速响应的目标，敏捷制造企业通常采取下列措施：⑴企业内部动态的组织方式敏捷制造要求企业组织结构减少层次、扁平化、权利下放，并能根据时常需求进行组织机构设置和任务分配。该组织可以对用户需求和市场竞争做出敏捷反应，从而达到最佳的工作效果。⑵企业外部的动态联盟敏捷制造企业的组织形式是开放性的，可以根据市场需求快速组成动态联盟和虚拟公司，各组成成员在相互行人的基础上进行技术、资源、经营等方面的合作，各自发挥自己的特长，从而快速、低成本、高质量地生产出市场需要的产品，共同获取利润。⑶强调技术创新为缩短新产品的上市时间，必须掌握最新的技术信息，并拥有自己独有的高新技术。这一点通过及时掌握新的技术信息、培养具有广泛知识和创造性的人才、组成强有力的产品开发小组方式来实现。⑷组织、人、技术的集成敏捷制造企业必须通过集成实现整个企业的全局协调。通过将动态多变的组织、高素质的人才以及高新技术相集成，组成一个有机的制造系统，才能使整个企业具有敏捷特征。实现“敏捷”最终目标。组织、人、技术三者的集成需要以信息的集成作为基础才能实现。四、虚拟制造系统（VMS）1．概述二十多年来的实践证明，将信息技术应用于制造业，进行传统制造业的改造，是现代制造业发展的必由之路。80年代初，先进制造技术以信息集成为核心的计算机集成制造系统(CIMS)开始得到实施；80年代末，以过程集成为核心的并行工程(CE)技术进一步提高了制造水平；进入90年代，先进制造技术进一步向更高水平发展，出现了虚拟制造(VM)、精益生产(LP)、敏捷制造(AM)、虚拟企业(VE)等新概念。2．虚拟制造的定义和内涵虚拟制造是实际制造过程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，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，以增强制造过程各级的决策与控制能力。与实际制造相比较，虚拟制造的主要特点是：(1)产品与制造环境是虚拟模型；(2)可使分布在不同地点、不同部门的不同专业