先进制造技术 课件 第五章 先进制造模式；第六章 现代制造管理技术

第5章先进制造模式5.1计算机集成制造5.2并行工程5.3

精益生产5.4

敏捷制造5.5

虚拟制造5.6智能制造5.7云制造5.1.1计算机集成制造CIM的内涵与特征5.1.2CIMS的构成5.1.3CIMS的结构体系5.1.4应用实例-钢铁企业CIMS信息流分析

与功能设计5.1计算机集成制造5.1.1计算机集成制造CIM的内涵与特征国外：

CIM是由美国JosephHarrington博士在《ComputerIntegratedManufacturing》一书中率先提出的，强调企业的功能集成和企业的信息化。若将其进行综合，可将CIM直接理解为“企业的信息集成”。国内：

CIM是一种组织、管理与运行企业生产的新理念，它借助计算机软硬件，综合应用现代管理、制造、信息、自动化以及系统工程技术，将企业生产过程优化，以实现产品上市快、高质、低耗、服务好。1.CIM的概念计算机集成制造系统（CIMS）是基于CIM理念而组成的系统。CIM是一种组织、管理与运行企业的哲理，而CIMS则是基于该哲理的一种工程集成系统。它将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术等有机结合，借助计算机（硬、软件）实现企业制造活动中的计算机化、信息化、智能化、集成优化，以达到产品上市快、高质、低耗、服务好、环境清洁。2.CIMS的内涵及构成1）CIMS定义与宗旨

CIMS是一种生产哲理，旨在通过集成管理提高产品质量

降低成本、加快上市、提升服务并保持环境清洁，从而增强企业的柔性和敏

捷性，以适应市场变化并赢得竞争；2）集成优化模式

企业生产活动被视为一个整体，需要从系统角度进行协调和集成优化，分为信息集成、过程集成和企业间集成三个阶段；3）生产要素

企业生产过程涉及人、机构、技术和经营管理三要素，其中人的作用最为关键，需要三要素相互作用和综合集成，以达到最优经营效率；4）生产活动流

企业生产活动包括信息流、物流和价值流三个部分，现代企业特别注重价值流的管理和优化，以及与信息流和物流的集成优化；5）CIMS技术体系

CIMS技术是一个综合技术体系，包括总体技术、支撑技术、设计自动化技术、加工制造自动化技术以及管理与决策信息系统技术。具体技术涵盖CIMS集成模式、网络、数据库、设计自动化工具（如CAD、CAE）、制造自动化技术（如CNC、工业机器人）以及管理信息系统（如MIS、ERP）等；序号系统要点1工程设计自动化系统利用计算机技术进行产品概念设计、结构分析、工艺设计以及数控编程等产品设计，包括CAD/CAE/CAPP/CAM的4C技术。2制造自动化系统直接完成各种加工制造活动的基本环节，通常由机械加工系统、物料储运系统、控制系统和自动检测系统四个环节组成。3经营管理信息系统对企业生产经营中的产、供、销、人、财、物等进行统一管理的计算机应用系统，其核心是制造资源计划(MRPU)。4质量控制系统以提高企业产品制造质量和管理质量为目标，通过质量控制规划、质量监控釆集、质量分析评价和控制以达到预定的质量要求。5数据库管理系统作为CIMS的支撑系统，是CIMS信息集成的关键，将前面各环节的计算机数据（经营管理、工程技术、制造控制、质量保证等所有数据）统一存储在一个数据库系统里调用，以实现各分系统信息的交换和共享。6计算机网络系统CIMS企业范围内的计算机网络通常采用广域网和局域网并存的工业网络，在各厂区间釆用广域网相连，在每个厂区内采用多层次、异机型、分布式结构的局域网。计算机网络和数据库管理两个支撑系统是CIMS功能集成的有力保障，使得各功能系统之间有效的进行数据通信和信息共享。

5.1.2CIMS的构成序号级别作用与功能1工厂级负责企业最高层的决策，包括生产管理、信息管理和制造工程三个子系统，处理长期计划和资源分配。2车间级根据工厂级的指令，协调车间生产作业和资源配置，处理中期计划，包括作业管理和资源分配。3单元级分解任务，分析资源需求，报告作业进展，决定零件加工路线，安排工作站任务，并监控生产过程。4工作站指挥和协调车间内的设备小组活动，负责短期规划和任务分配。5设备级执行具体的加工、测量和运输任务，是生产过程中的执行层，响应时间短。

5.1.3CIMS的结构体系5.1.4应用实例-钢铁企业CIMS信息流分析与功能设计钢铁企业CIMS总体结构图CIMS适用于离散型制造业、连续性制造业和混合型制造业1．信息流分析

钢铁企业CIMS的核心组成部分包括ERP、MES和PCS三个分系统：ERP是经营管理和决策的基础，有助于改善企业管理。MES是信息集成的关键环节，负责优化生产过程运行和管理。PCS负责数据采集和生产过程控制，对流程工业至关重要。

单独使用这三个系统中的任何一个都无法满足钢铁生产过程中对实时性和灵活性的需求。因此，需要采用信息集成化技术，结合ERP和PCS的数据，以提高生产调度的实时性和灵活性。信息传递过程ERP与MES之间的信息传递：ERP系统整合了企业的物流、资金流和信息流，通过向MES系统提供生产计划数据来指导生产调度，同时接收MES的生产统计和其他相关数据以优化资源计划。MES与PCS之间的信息传递：MES系统将生产调度、数据和工序情况等信息传递给PCS系统，PCS系统根据这些信息进行实时控制和优化生产过程，并在出现故障时进行自动报警和故障诊断，同时将操作结果和实时数据反馈给MES。信息集成技术CIMS信息集成的过程也就是对这些来源不同和形态不一的信息进行系统分析、合并同类、辨清正误和消除冗余的过程，进而实现ERP/MES/PCS的统一使用。

信息集成分为数据传输、数据共享、数据互操作、数据与知识重用等四个层次。传输、共享和互操作是集成的基础，重用是集成的最高层次。

共享数据库是成本最低效率最高的集成方式，大部分数据使用这种方式，既可以将共享的信息复制到一个公共数据库，也可以采用数据联邦的方式构建虚拟数据库来实现多个数据库共享；

对于不同平台的异构数据库，采用XML数据交换技术，发挥XML扩展性、自描述性和多语种支持的特点，实现跨平台和跨地域异构应用间的协同工作。

2．软件功能设计序号系统名称功能1企业网络服务分系统提供门户网站和Web服务功能2资源计划分系统ERP以财务管理为核心，以均衡物料、安全高效、低耗优质和优化工艺操作为目标，有效解决ERP实施过程中遇到的难题3生产执行分系统MES建立基于知识的MES分系统，通过知识的不断积累，达到降低生产成本和提高经济效益的目的4过程控制分系统PCS实现过程控制，完成数据采集、工艺参数调整、生产过程操作、关键设备监控和生产协调等功能5.2.1并行工程CE的提出及特性5.2.2并行工程的关键技术5.2.3并行工程的支撑技术5.2.4并行工程的应用5.2并行工程5.2.1

并行工程的提出及特性

1988年美国国家防御分析研究所完整地提出了并行工程的概念，并行工程是一种对产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行的、一体化设计的工作模式。

并行工程是对产品及其下游的生产和支持过程进行一体化设计的系统方法。

它强调产品设计全生命周期考虑，实现并行协同工作。并行工程缩短开发周期40%-60%，降低制造成本30%-40%，减少设计变更和生产废品率，提高设计质量和效率。1.主要特性并行性：将有先后的作业活动转变为同

时进行，以提高效率。整体性：将制造系统视为一个整体，注重全局最优，有时需牺牲局部利益。协同性：强调团队成员在产品设计全过程中的协同工作，集成多种技术和方法。约束性：在设计过程中考虑各种设计变量之间的相互约束和联系。5.2.2

并行工程的关键技术产品开发过程的重构

通过跨学科群组在计算机软硬件工具和网络通信环境的支持下，实现动态可变的产品开发流程。从产品特征、开发活动的安排、开发队伍的组织结构、开发资源的配置、开发计划以及全面的调度策略等各个方面进行不断改进和提高。集成的产品信息模型

是实现产品设计、工艺设计、产品制造、装配检验等环节的信息共享和并行进行的基础和关键。这种模型应基于STEP标准并釆用Express语言和面向对象的技术。并行设计是一个反复迭代优化的过程

产品设计过程的管理、协调与控制是实现并行设计的关键。产品数据管理PDM能够对并行设计起到技术支撑的作用。5.2.3并行工程的支撑技术1.计算机辅助设计工具（CAX）：计算机辅助设计、计算机辅助分析、计算机辅助工艺规划、计算机辅助制造及计算机辅助质量检测等。

2.面向X的设计技术（DFX）：包括面向制造的设计、面向装配的设计、面向检测的设计和面向拆卸的设计等。

3.网络通讯手段：电子邮件、实时沟通软件（腾讯微信、QQ等）及视频会议系统（腾讯会议、腾讯课堂、钉钉会议）等。5.2.4并行工程的应用

并行工程作为CIMS的一个新发展阶段，我国科学技术部选择了汽车飞机、制造业等七个不同类型的企业在新产品开发中实施并行工程技术，使得产品的总体设计周期缩短了60％，产品成本降低了20％。5.3精益生产5.3.1精益生产LP的提出背景5.3.2精益生产的内涵及特征5.3.3精益生产的体系结构5.3.4精益生产应用案例5.3.1精益生产LP的提出背景20世纪50年代，尽管数控、机器人等先进制造技术迅速发展，但这些技术主要关注提高生产效率，并未充分考虑库存成本的增加。1973年石油危机后，丰田生产方式的优点在应对市场变化时显现出来，丰田公司业绩上升，成为世界汽车制造领先者。80年代初，丰田生产方式开始受到国际关注。1985年，美国麻省理工学院（MIT）发起了国际汽车研究计划（IMVP），对比研究全球汽车制造厂的生产方式。研究发现生产方式的差异是汽车工业发展的关键因素。《改变世界的机器》一书的出版，将丰田生产方式正式命名为精益生产（LeanProduction），并推动了其在全球范围内的研究和应用。5.3.2

精益生产的内涵及特征从严格意义上来说，精益生产方式是指运用多种现代管理方法和手段，以社会需求为依据，以充分发挥人的作用为根本，有效配置和合理使用企业资源，用最少的投入实现最大产出，最大限度地为企业谋求经济效益的一种新型生产方式。精益生产的主要特征可归纳为：以人为中心，以精简的组织机构为手段，采用TeamWork和并行设计的工作方法和JIT供货方式，以实现零缺陷的最终目标。

5.3.3精益生产的体系结构精益生产的核心内容是准时制生产方式JIT（Just-in-time）。以计算机网络支持下的并行工作方式和小组工作方式为基础。以全面质量管理TQM、及时生产JIT、成组技术GT为支柱。它们之间相互配合，缺一不可。以利用最少的资源、最低的成本向顾客提供高质量的产品服务，使企业获得最大利润和最佳应变能。5.3.4精益生产应用案例1．精益生产在我国汽车制造业YTKC公司中的应用YTKC公司是以大中型客车研发设计、生产制造和市场销售的一体化现代化大型客车制造企业。企业总部位于河南省郑州市工业园，厂区面积约一千七百亩，年产大中型客车整车十二万台以上。该公司是国内国外生产规模最大、生产工艺、生产技术最成熟、最优越的客车生产厂家之一。该公司连续多年在我国大中型客车销量稳居世界第一。

YTKC公司精益生产的实施建立精益组织机构引导机制改进固化的管理模式，重塑精益生产环节推行订单式和市场引导相结合的批量生产方式积极施行精益成本控制

建立科学的评估体系和及时的市场反馈机制2.精益生产赋能红旗汽车极致品质红旗汽车自动装配车间5.4.1敏捷制造提出的背景5.4.2敏捷制造的内涵及特征5.4.3敏捷制造的基础结构及应用现状5.4敏捷制造5.4.1敏捷制造提出的背景美国为了重新夺回制造业在国际市场的领导地位，美国政府把制造业发展战略目标瞄向了21世纪。美国国会指示国防部拟定一个制造技术发展规划，要求同时体现美国国防工业与民用工业的共同利益，并要求加强政府、工业界和学术界的合作。在此背景下，美国国防部委托里海大学(LehighUniversity)与GM等大公司，共同研制一个振兴美国制造业的发展战略，在研究和总结美国制造业的现状和潜力后，发表了具有划时代意义的《21世纪制造企业发展战略》报告，提出了敏捷制造(AgileManufacturing,AM)和虚拟企业(VirtualEnterprise,VE)的新概念，其核心观点是除了学习日本丰田生产方式的成功经验外，更要利用美国信息技术的优势，夺回制造工业的世界领先地位。这一新的制造哲理在全世界产生了巨大的反响，并且已经取得了令人瞩目的实际效果。

5.4.2敏捷制造的内涵和特征敏捷制造是21世纪市场竞争的主要模式，指企业采用现代通信技术，以敏捷动态优化的组织形式进行新产品开发，通过动态联盟（也成虚拟企业）、先进制造技术（以信息技术和柔性智能技术为主导）和高素质人员的全面集成，对迅速改变的市场需求和市场进度做出快速响应，及时交付新产品及短时间内制造出满足市场需求的低成本、高质量产品并投放到市场。敏捷制造是在全球范围内企业和市场的集成，目标是将企业、商业、学校、行政部门及金融等行业都用网络进行连通，形成一个与生活、制造及服务密切相关的网络，实现面向网络的设计、制造、销售及服务。制造企业将不再拘泥于集中的办公地点、固定的形式和组织机构，而是一种以高度灵活的方式组织的企业。敏捷制造是在具有创新精神的组织和管理结构、先进制造技术及有技术、有知识的管理人员三大类资源支撑下得以实施的。1.

敏捷制造的主要特征快速响应速度是敏捷制造的最基本特征全生命周期满足客户需求采用灵活多变的动态组织机构采用开放的新型标准基础结构。最大限度发挥人的作用2.

敏捷制造与精益生产的关系序号基础结构要点1物理基础结构指虚拟企业运行所必需的厂房、设备、设施、运输及资源等必要的物理条件，指一个国家乃至全球的范围内的物理设施。当机会岀现时，为了抓住机会，尽快占领市场，只需要添置少量必需的设备，集中优势开发关键部分，而多数的物理设施可以通过选择合适的合作伙伴得到。2信息基础结构指敏捷制造的信息支持环境，包括能提供各种服务网点、中介机构等一切为虚拟企业服务的信息手段。3法律基础结构指有关国家关于虚拟企业的法律和政策条文，规定出如何组织一个法律上承认的虚拟企业，如何交易，利益如何分享，资本如何流动，如何纳税，虚拟企业破产后如何还债，虚拟企业解散后如何善后，人员如何流动等问题。4社会基础结构虚拟企业要能够生存和发展，还必须有社会环境的支持。虚拟企业的解散和重组、人员的流动是非常自然的事，这些都需要社会来提供职业培训、职业介绍的服务环境。

5.4.3敏捷制造的基础结构及应用现状1.

虚拟企业虚拟企业是敏捷制造的核心，也称为虚拟公司（VirtualEnterprise,VE）,而虚拟企业是一个临时的企业联盟，是成员企业核心能力的集成体。为响应某个特定的市场机遇，把拥有不同核心能力的企业联合起来，共享技能和资源，其特点是：成员间的合作以计算机网络和信息技术为支持。虚拟企业往往是为了某个市场机会通过签订契约而组成的契约联盟，合作对象通常是在各自领域最具核心能力的企业，所以虚拟企业是经济活动在企业间能力分工的结果，同时虚拟企业具有一定动态性。

虚拟企业的组织结构分为核心层、紧密层和松散层。①核心层由新产品设计与开发企业构成，核心层企业之间的关系是共同分担成本与风险，分享利润；②紧密层由专用零部件生产及总装企业构成，这一层企业按照合同要求相互配合，合同与核心层代表签订，负责按合同要求生产与装配；③松散层由通用标准零部件生产企业组成，以市场化形式提供标准化、通用化的零部件，或按合同进行生产。

2.敏捷制造的应用目前，美国已有上百家公司、企业在进行敏捷制造的实践活动，一旦某公司抓住一个机遇，设想开发某一新产品后，为了能将产品快速推向市场，它可以通过网络迅速找到要寻求的技术或关键部件，以及拥有这些技术和关键部件的工厂；然后通过网络进行协商，组织跨地区、跨企业的“虚拟”开发组，利用挂在网络上的群件，高效地并行开发新产品，同时可利用网络收集用户信息及开拓市场。美国汽车公司USM（UnitedStatesMotorCo.）是一家以国防部为主要用户的汽车公司。该公司向用户承诺：①每辆汽车都按用户要求制造；②每辆汽车从订货起三天内交货；③在整个寿命周期内，有责任使用户满意，汽车能够重新改造，使用寿命长。在敏捷制造模式提出前，任何公司不论花费多大的代价，都难以做到以上三点。如果USM公司的管理机构继续按传统的、多级的和自动流水线构成，即使采用高新技术，也难以实现这些的承诺。

5.5.1虚拟制造的内涵及特征5.5.2虚拟制造的分类5.5.3虚拟制造的支撑技术5.5.4虚拟制造技术与其他技术的关5.5.5虚拟制造技术的应用5.5.6应用实例--数控铣床虚拟培训

系统VRTS5.5虚拟制造5.5.1虚拟制造的内涵及特征虚拟制造技术目前还没有统一的定义，总的来说，虚拟制造就是利用仿真与虚拟现实技术，在高性能计算机及高速网络的支持下，采用群组协同工作，通过模型来模拟和预测产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题，实现产品制造的本质过程，包括产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析及质量检测等，并进行过程管理和控制。能够使资源得到合理配置，可以创造虚拟的制造环境，预测产品性能、优化生产安排，从而得到最低成本下的最优质量和最好服务。序号特点要点1集成性1)产品模型是产品信息在计算机上的表示，是产品信息的载体；2)过程模型是产品开发过程的计算机表示，包括设计过程、工艺规划过程、加工制造过程、装配过程及性能分析过程等，产品设计过程模型和制造过程的仿真是其中研究热点；3)活动模型主要是针对企业生产组织与经营活动建立的模型；4)资源模型是对企业的人力、物力等信息的描述。2虚拟性虚拟制造并不是真实的制造过程，是实际制造过程在计算机上的映射和本质表现。它不产生真实的产品、不消耗真实的材料和能量等。3分布性虚拟制造采用基于网络的、全球化的分布协作模式，便于开发人员相互交流、信息共享，从而使产品开发快捷、优质、低耗地响应市场变化。4高效灵活性通过虚拟制造开发的产品可以存放在计算机里，不必像传统开发一样需要试制或储存大量样件，这样不但大大节省了仓储费用，更能快速更新换代，根据用户需求或市场变化进行改型设计，然后快速投人批量生产，从而能大幅度地缩短新产品的开发时间，提高产品质量，降低成本。

1.虚拟制造的特征序号类别要点1以设计为核心的虚拟制造将制造信息引入设计过程，利用仿真来优化产品设计，从而在设计阶段就可以对零件甚至整机进行可制造性分析，近期目标是针对设计阶段的某个关注点（如可装配性）进行仿真和评估，长远目标是对整个产品的各方面性能进行仿真和评估。2以生产为核心的虚拟制造将仿真技术应用于生产过程模型，以此来评估和优化生产过程，以便以较快的速度和极低的费用评价不同的工艺方案、资源需求计划、生产计划等。它主要是解决“组织生产是否合理”的问题。其主要目标是评价可生产性；近期目标是针对生产中的某个关注点，如生产调度计划进行仿真；长远目标是能够对整个生产过程进行仿真，对各个生产计划进行评估。

3以控制为核心的虚拟制造将仿真技术加到控制模型和实际处理中，实现基于仿真的最优控制。其中虚拟仪器是当前研究的热点之一，它利用计算机软硬件的强大功能将传统的各种控制仪表、检测仪表的功能数字化，并可灵活地进行各种功能的组合，对生产线或车间的优化等生产组织和管理活动进行仿真。它主要是解决“产品怎样控制”的问题。

5.5.2虚拟制造的分类5.5.3虚拟制造的支撑技术虚拟制造涉及的技术领域十分广泛，从其软件实现和人机接口而言，虚拟制造的实现在很大程度上取决于虚拟现实技术的发展，这其中包括计算机图形学技术、传感器技术及系统集成技术等；从制造技术的角度讲，可将虚拟制造技术的体系结构分为3大主体技术群，即建模技术群、仿真技术群和控制技术群。1.虚拟现实技术

虚拟现实技术是虚拟制造的基础。虚拟现实技术（virtualreality，VR），是指综合利用计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术、传感器技术以及人工智能技术等，由计算机直接把视觉、听觉和触觉等多种信息合成，并提示给人的感觉器官，在人的周围生成一个三维可交互的虚拟环境，从而把人、现实世界和虚拟空间结合起来，融为一体，相互间进行信息的交流和反馈的一种仿真技术。特征：多感知性、沉浸感、交互性、自主性2.建模技术建模是能够前后连贯的一种模型表达方法，需要有效、可靠的数据接口，实现模型数据的通用和转换。虚拟制造系统下产品模型能通过映射、抽象等方法提取产品实施中各活动所需的模型。包括产品模型和工艺模型等。产品模型是制造过程中各类实体对象模型的集合。制造系统建模方法主要有广义模型方法、IDEFIX方法、GRAI方法、Petri网络方法和面向对象方法等，目前还没有一种非常合适的方式能够保证虚拟制造系统在与其他系统如MPR、CAD、CIMS之间交换数据时，信息完全不丢失。3.仿真技术仿真过程是实际的物理过程在计算机中的实现及进行优化。根据虚拟制造的着重点不同，可将仿真分为制造系统仿真、生产过程仿真、生产规划仿真及产品性能仿真等。4.控制技术

控制技术指建模过程中和仿真过程中所用到的各种管理、组织与控制的技术和方法。包括模型部件的组织、调度策略及交换技术，仿真过程的工作流程与信息流程控制、成本估计技术、动态分布式协作模型的集成技术冲突求解，以及基于仿真的推理技术模型及仿真结果的验证和确认技术，还包括面向产品开发过程的组织与管理等问题的研究等。序号对象关系1计算机集成制造虚拟集成是实际制造的模型化映射。虚拟制造与计算机集成均可优化制造过程，但是虚拟制造优于计算机集成，其具有易创建及虚拟现实等优点。虚拟制造系统为计算机集成提供了仿真环境，提高了其运行效率。2精益生产精益生产的种种特点决定其程度越高，虚拟制造实现起来就越容易，同时虚拟制造技术为研究制造过程简化方案提供了条件。

3敏捷制造敏捷制造具有动态联盟；高度的制造柔性；企业间协作集成等特征。其核心是快速应变。但虚拟制造技术可以为虚拟企业的合作伙伴选择及评价合作进程等提供协同工作及运行支持的环境。

4绿色制造绿色制造在虚拟制造研究中对制造过程环境影响方面的研究尚不多见，但绿色制造仿真必定是未来虚拟制造系统的重要内容之一。5并行工程并行工程是虚拟制造的实施目标之一，虚拟制造则为并行工程的实现提供了一种有效的技术手段。为了达到产品的一次设计成功或减少反复，它在许多部分都应用了仿真技术，其中主模型的建立、局部仿真的应用等都是虚拟制造的重要研究内容。虚拟制造使设计和制造的并行成为可能。虚拟制造技术的发展为并行工程提供了技术支持，也使并行工程具有了新的内涵。6智能制造虚拟制造为智能制造过程优化提供了技术支持。

5.5.4虚拟制造技术与其他技术的关系5.5.5虚拟制造技术的应用

虚拟制造技术首先在航空、航天、汽车等领域得到应用，在缩短产品开发周期、降低开发成本、快速响应市场等方面呈现出明显的技术优势，产生了巨大的经济效益。福特汽车公司和Chrysler公司与IBM合作，开发虚拟制造环境并应用于某新型轿车的研制，在样车投入生产之前，发现了其定位系统的多处设计缺陷，并及时改进设计使该新车的研制开发周期缩短了1/3，由过去所需的大约36个月缩短至24个月。

此外，虚拟仿真技术在生产制造阶段得到了应用。应用实例--数控铣床虚拟培训系统VRTS数控技术VR实训平台1.系统配置。系统的硬件环境包括SGIOnyxz工作站、AcoustetronII3D声音服务器、VR4头盔（或CrystalEyes液晶眼镜）和Fastrak位置跟踪器。

2.系统主要功能。系统除产生数控铣床VR模型，实现X、Y、Z三轴控制运动外，还可产生三维声响，并对材料去除过程、探头校验和紧急停车进行仿真，给用户一种真实感受。

5.6.1智能制造的提出5.6.2智能制造的内涵及特征5.6.3智能制造系统的主要支撑技术5.6.4智能制造系统的构成5.6.5智能制造案例5.6智能制造5.6.1智能制造的提出智能制造(IntelligentManufacturing，IM)产生于全球经济一体化大环境背景下，制造信息的爆炸性的增长使制造业处理信息的工作量猛增，目前，制造系统正在由原先的能量驱动型转变为信息驱动型，这就要求制造系统不但要具备柔性，而且还要表现出智能，否则难以处理如此大量而复杂的信息。瞬息万变的市场需求和激烈竞争的复杂环境，也要求制造系统表现出更高的灵活、敏捷和智能性。国家政府规划战略重点特点德国《高技术战略2020》工业4.0成为新一代工业生产技术的供应国和主导市场智能制造企业实践产学研推动升至国家战略美国《重振美国制造业框架》《先进制造伙伴计划》《先进制造业国家战略计划》再工业化、工业互联网侧重“软”服务，用互联网激活传统工业，保持制造业的长期竞争力企业提供解决方案政府战略推动创新日本以3D造型技术为核心的产品制造革命人工智能智能化生产线和3D造型技术人工智能是突破口以机器人制造为基础中国《中德合作行动纲要》《中国制造2025》互联网+两化融合、制造强国打造新一代信息技术产业生物医药与生物制造产业高端装备制造业产业、新能源产业两化融合高端装备制造业产业各国有关智能制造的战略规划及其特点各国有关智能制造的战略规划及其特点5.6.2智能制造的内涵及特征智能制造是面向产品全生命周期，在现代传感技术、网络技术、自动化技术、人工智能技术等先进技术的基础上，通过智能化的感知、人机交互、决策和执行技术，动态的适应制造环境的变化，实现设计过程、制造过程和制造装备的智能化。

《国家智能制造标准体系建设指南(2015年版)一书对智能制造定义为：智能制造是指物联网、大数据、云计算等新一代信息技术与设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节融合，具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精确控制自执行等功能的先进制造过程、系统与模式的总称。

1）状态感知

对制造车间人员、设备、工装、物料、刀具、量具等多类制造要素进行全面感知，是实现智能制造的基础；2）实时分析对制造数据进行实时分析，将多源、异构、分散的车间现场数据转化为可用于精准执行和智能决策的可视化制造信息，是智能制造的重要组成部分，对制造过程的自主决策及精准控制起着决定性的作用；3）自主决策

智能制造系统是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化系统，其“制造资源”具有不同程度的感知、分析与决策功能，能够拥有或扩展人类智能，使人与物共同组成决策主体，促使信息物理融合系统中实现更深层次的人机交互与融合；4）高度集成智能制造将所有分离的制造资源、功能和信息等集成到相互关联的、统一和协调的系统之中，使所有资源、数据、知识达到充分共享，实现集中、高效、便利的管理；5）精准执行制造活动的精准执行是实现智能制造的最终落脚点。制造过程的精准执行是使制造过程以及制造系统处于最优效能状态的保障，也是实现智能制造的重要体现；6）工业大数据为核心

将大数据理念应用于工业领域，将设备数据、活动数据、环境数据、服务数据、经营数据、市场数据和上下游产业链数据相互连接使其具有更强的决策力、洞察发现力和流程优化能力；1.智能制造的特征序号支撑技术要点1人工智能技术IMS智能水平的提高依赖于人工智能技术的发展。人工智能技术是解决制造业人才短缺的一种有效方法。在现阶段，IMS中的智能主要是各领域专家即人的智能。2并行工程对制造业而言，并行工程作为一种重要的技术方法学，应用于IMS中，将最大限度地减少产品设计的盲目性和设计的重复性。3虚拟制造技术虚拟制造技术在产品设计阶段模拟出该产品的整个生命周期，使产品开发周期最短、产品成本最低、产品质量最优和生产率最高。虚拟制造技术应用于IMS，为并行工程的实施提供了必要的保证。4信息网络技术信息网络技术是制造过程的系统和各个环节“智能集成”化的支撑。是制造信息及知识流动的通道。因此，此项技术在IMS的研究和实施中占有重要地位。5智能机器装备技术智能制造系统的物理基础是智能机器，它包括具有各种程序的智能加工机床、工具和材料传送、准备装置、检测和试验装置，以及安装、装配装置等。

5.6.3智能制造系统的主要支撑技术5.6.4智能制造系统的构成1.智能制造模式2.智能产品

3.智能制造过程4.智能服务5.6.5智能制造案例娃哈哈-食品饮料智能工厂建设娃哈哈通过信息技术与工业制造技术深度融合实现传统食品饮料制造业的智能化转型，采用基于现代传感技术实现自动数据采集的实时数据库技术、智能化在线控制生产车间、运用物联网及智能机器人技术的物流管理系统等技术，集自动化、数字化、智能化为一体，全面提升食品饮料生产流程的智能化水平。5.6.5智能制造案例伊利乳业-基于全产业链信息化的乳品生产智能工厂建设(1)智能化系统构建(2)伊利已经将建设数字化、智能化工厂的成功经验在全集团范围快速复制推广，并应用到了全球化战略中(3)各个环节具体做法。在奶源环节，各种信息化管理手段在多个生产环节都得到了成功应用，并极大地提升了牛奶单产和牧场精细化管理水平。5.6.5智能制造案例特斯拉智能工厂特斯拉不仅是目前最先进的电动车它的工厂也号称是全球最先进的自动化工厂。位于上海浦东临港地区的特斯拉超级工厂从奠基到建成用了不到十个月，创造了建厂奇迹，跑出了“上海速度”。四大制造环节：冲压生产线、车身中心、烤漆中心和组装中心有超过150台机器人参与工作。整个工厂几乎都是机器人，每一个机器人可以完成多种动作，车身喷漆，装挡风玻璃，装座椅，6秒完成一个发动机盖，轻松将1吨重的原料钢板卷成一个圈，全程都由机器人独立完成5.7.1云制造概念的提出及内涵5.7.2云制造的运行模式5.7.3云制造的体系架构5.7.4云制造的关键技术

5.7.5云制造的未来发展趋势5.7.6云制造的应用案例5.7云制造5.7.1云制造概念的提出及内涵云制造（CloudManufacturing，CM）是我国学者针对当前网络化制造没有良好的运营模式、不能实现动态制造资源共享，以及网络安全等问题而提出的一种利用互联网络和云制造服务平台，按用户需求组织优化网上制造资源，为用户提供各类制造服务的一种网络化制造新模式。云制造可以概括为一种利用网络和云的制造服务平台，按用户需求组织网上制造资源（制造云），为用户提供各类按需制造服务的一种网络化制造新模式，云制造将现有网络化制造和服务技术同云计算、物联网等技术融合，实现各类制造资源统一的智能化管理和经营，为制造全生命周期ISO提供所需要的服务，也是“制造即服务”理念的体现。云制造与网络化制造和云计算技术的异同点

网络化制造体现的主要是一个独立系统，是以固定数量的资源或既定的解决方案为用户提供服务，缺乏动态性，同时缺乏智能化的客户端和有效的商业运营模式，它只实现了局部应用，亟须借助云制造等技术实现更大范围的推广和应用。

云计算以计算资源的服务为中心，它不解决制造企业中各类制造设备的虚拟化和服务化，而云制造主要面向制造业，把企业产品制造所需的软硬件制造资源整合成为云制造服务中心。5.7.2云制造的运行模式首先，相关行业的用户通过云制造平台提出具体的使用请求。云制造平台是负责制造云管理、运行、维护以及云服务的接入、接出等任务的软件平台。它会对用户请求进行分析、分解，并在制造云里自动寻找最为匹配的云服务，通过调度、优化、组合等一系列操作，向用户返回解决方案。用户无须直接和各个服务节点打交道，也无须了解各服务节点的具体位置和情况。序号体系架构要点1物理资源层为基础层，通过嵌入式云终端技术、物联网技术等，将各类物理资源接入到网络中，实现制造物理资源的全面互联，为云制造虚拟资源封装和云制造资源调用提供接口支持。2云制造虚拟资源层该层主要是将接入到网络中的各类制造资源汇聚成虚拟制造资源，并通过云制造服务定义工具、虚拟化工具等，将虚拟制造资源封装成云服务，发布到云层中的云制造服务中心。该层提供的主要功能包括云端接入技术、云端服务定义、虚拟化、云端服务发布管理、资源质量管理、资源提供商定价与结算管理和资源分割管理等。

3云制造核心服务层该层主要面向云制造三类用户（云提供端、云请求端、云服务运营商），为制造云服务的综合管理提供核心服务和功能。4应用接口层该层主要面向特定制造应用领域，提供不同的专业应用接口以及用户注册、验证等通用管理接口。5云制造应用层该层面向制造业的各个领域和行业。不同行业用户只需要通过云制造门户网站、各种用户界面（包括移动终端、PC终端、专用终端等），就可以访问和使用云制造系统的各类云服务。

5.7.3云制造的体系架构序号关键技术要点1云制造模式、体系架构、相关标准及规范主要是从系统的角度出发，研究云制造系统的结构、组织与运行模式等方面的技术，同时研究支持实施云制造的相关标准和规范。2云端化技术主要研究云制造服务提供端各类制造资源的嵌入式云终端封装、接入、调用等技术，并研究云制造服务请求端接入云制造平台、访问和调用云制造平台中服务的技术。3制造云服务综合管理技术主要研究和支持云服务运营商对云端服务进行接入、发布、组织与聚合、管理与调度等综合管理操作，包括云提供端资源和服务的接入管理。4云制造安全与可信制造技术主要研究和支持如何实施安全、可靠的云制造技术。5云制造业务管理模式与技术主要研究云制造模式下企业业务和流程管理的相关技术

5.7.4云制造的关键技术5.7.5云制造的未来发展趋势1.企业业务移动化使得企业运转更加灵活2.在大数据的驱动下，制造业对云计算平台应用的依赖性越来越强3.云制造是“制造业＋云计算”在制造业领域的终极模式5.6.5智能制造案例

娃哈哈通过信息技术与工业制造技术深度融合实现传统食品饮料制造业的智能化转型，采用基于现代传感技术实现自动数据采集的实时数据库技术、智能化在线控制生产车间、运用物联网及智能机器人技术的物流管理系统等技术，集自动化、数字化、智能化为一体，全面提升食品饮料生产流程的智能化水平。娃哈哈智能工厂应用案例-沈鼓集团打造云端共享平台实现智能云制造1.打造云端共享平沈鼓集团在推进信息化与工业化“两化”融合的基础上构建了云制造平台，并且在云制造平台建设基地建立了企业私有云。集团私有云的内容中包括利用虚拟现实技术建立集团基础平台；优化整合资源，建立“计算云”平台；优化改进系统，打造“管理云”平台；拓展服务领域，建立“服务云”平台。1）在云端共享平台上，沈鼓集团的各个子公司能够实现资源共享，包括知识、技能、物料等，并且在云端共享平台上，对所有的子公司进行统一管理。2）对硬件和网络改造以及协同办公系统进行了升级，建立了集团管理驾驶舱和决策反馈系统，通过云平台的统一管理，实现自上而下决策、自下而上反馈，从而推动了整个集团能够更加有序、健康地运营。3）借助云端共享平台，进行远程技术监控，实现共享平台的信息共享，保证了生产技术的提升和制造业务的拓展。2.解决现有信息化难题

沈鼓集团在实现智能云制造的过程中借鉴了云计算的思想，是在云端共享平台的基础上，融合信息技术、制造技术和物联网技术等相关技术实现的。与此同时，在云端共享平台上，所有生产环节包含的信息资源都是可以共享的，在这个共享平台上，智能云制造的实现为沈鼓集团解决了诸多现存的信息化难题。

3.工程信息化综合实力不断提高目前沈鼓产品从订单开始，到设计、工艺、生产制造、发货、售后服务全过程实现“数字化、物联化、虚拟化、服务化、协同化、智能化”。沈鼓集团产能利用率达95%，产成品周转率达16.64%，流动资金周转次数1达.52次/年，成本下降，利润持续增长；社会贡献率达14.6%；全员劳动生产率达353717元/人。沈鼓集团云制造案例先进制造技术第6章

现代制造管理技术6.1企业资源计划（ERP）6.2产品数据管理（PDM）6.3制造执行系统（MES）6.4准时生产（JIT）6.1.1ERP的定义与特点6.1.2ERP的关键技术6.1.3ERP企业应用实例6.1企业资源计划(ERP)6.1.1ERP的定义与特点

ERP是集采购、销售、制造、成本、财务、服务和质量等管理功能为一体，以市场需求为导向，以实现企业内、外资源优化配置，消除一切无效劳动和资源消耗，实现企业的信息流、物料流、资之流集成，以提高企业竞争力为目标，以计划与控制为主线，以网络和信息技术为平台，是一种面向供应链管理的现代企业管理的思想、方法和工具。1).ERP是一种管理思想，扩大企业信息集成管理的范围2).ERP是一个管理系统，整合企业资源管理信息系统3).ERP是一个企业信息管理软件产品，综合信息技术成果，面向企业信息化的计算机管理软件1.ERP特点6.1.2ERP的关键技术1.库存控制订货点法订货点法依据对库存补充周期内的需求量预测，并保留一定的安全库存储备，来确定订货点。安全库存的设置是为了应对需求的波动。一旦库存储备低于预先规定的数量，即订货点，则立即进行订货来补充库存。订货点的基本公式为：订货点=单位时区的需求量×订货提前期＋安全库存量，见图6.1。图6.1订货点法示意图对于经常出现的过高或缺料现象，原因如下：（1）对各种物料的需求相对独立（2）物料需求的连续性（3）库存消耗后应立即被重新填满（4）“何时订货”是一个大问题2.时段式MRP时段式MRP是在解决订货点法的缺陷的基础上发展起来的，亦称为基本MRP。时段式MRP的逻辑流程，见图6.2.图6.2时段MRP逻辑流程图3.闭环MRP在上述讨论MRP形成和制作订时，考虑结构、库存相关信息在实际生产中会发生变化，进而引入闭环MRP。闭环MRP就是在MRP的基础上增加了能力计划和执行计划功能的系统。运行过程如下：（1）企业制定生产规划，根据生产规划制定生产计划，同时进行生产能力和负荷的分析（2）根据MPS、企业的物料库存信息、产品结构清单等信息来制定MRP（3）由MPS、产品生产工艺路线和车间各加工工序能力数据生成能力需求计划，通过对各加工工序的能力平衡，调整MRP。如果本阶段无法平衡能力，则可能修改MPS。（4）采购与车间作业按照平衡能力后的MRP执行，进行能力的控制,即输入/输出控制，并根据作业执行结果反馈到计划层。4.MRPⅡMRPⅡ是把经营、生产、销售、财务、采购等各个子系统集成为个整体,是对企业资源和供、产、销、财各个环节进行有效计划、组织和控制的一整套方法。MRPⅡ在闭环MRP的基础上把经营规划与运作规划纳入到系统中来。MRPⅡ的逻辑流程图如图6.3表示图6.3

这里对不同于MRP的逻辑流程部分描述：(1)MRPI集成了应收、应付、成本、总账的财务管理。(2)采购作业根据采购订单、供应商信息、收货单及入库单形成应付款信息。(3)销售商品后，根据客户信息、销售订单信息及产品出库单形成应收款信息。(4)根据采购作业成本、生产信息、产品结构信息及库存领料信息等产生生产成本信息。(5)应付款、收款信息、生产成本信息及其他信息等记入总账。5.ERP

由于企业竞争范围的扩大、企业制造资源的集成管理、企业之间加强信息交流共享，MRP不能满足要求，为解决上述问题ERP应用出现。ERP优点：（1）ERP能够解决多变的市场与均衡生产之间的矛盾。（2）ERP能解决物料短缺和库存积压的难题，（3）ERP可以以低成本获得高质量，（4）ERP可以改变企业中的部门本位观6.ERPⅡ

ERPII的定义是通过支持和优化公司内部和公司之间的业务过程来创造客户和股东价值的一种商务战略，也是一套面向具体行业领域的应用系统。

其技术和系统特点主要有:(1)强调协同的功能，除了延伸ERP的功能外，还整合企业内外部关键业务的协同功能；(2)领域化、精细化、前端功能增强和延伸以及交易群体的完全集成化；(3)以客户为中心，准时向客户提供产品和服务；(4)ERPII的角色从ERP的资源规划和交易事务处理，拓展为发挥信息的杠杆作用，保证企业前、后台资源的有机集成。从功能的扩展上比较分析的MRP、MRPI、ERP、ERPI，清晰地展现了ERP软件发展的每个阶段的特点。RP系统与ERPⅡ系统的比较示意图最著名的ERP系统——SAPAGSAPNetWeaver是来自SAP的下一个产品，它是平台独立的，使用面向服务的体系结构(SOA)。SAPNetWeaver有以下模块:SAPWeb应用服务器SAPExchangeInfrastructure(称为XI)SAPBusinessInformationWarehouseSAPNetWeaverMobileSAPMasterDataManagement(称为MDM)SAPEnterprisePortal.SAPBIaccelerator6.1.1ERP企业应用实例SAPR/3的架构:“R”表示实时,“3”表示三层架构。图6.5为SAPR/3应用模块。图6.5SAPR/3应用模块6.2.1PDM的功能与体系结构6.2产业数据管理（PDM）6.2.1

PDM的功能与体系结构PDM即产品数据管(Productiondatamanagement)是以管理思想为基础，建立在信息和网络技术之上的一整套管理系统，其目的是对产品数据实现全面管理，支持并行产品设计。1.PDM技术产生的背景企业通常要存储、管理数据，随着计算机的飞速发展和企业的广泛应用，需要集成不同系统来实现企业信息集成甚至实现过程集成。工程数据库系统是满足工程设计与制造、生产管理与经营决策支持环境的数据库系统，虽然有所突破，但仍然存在着对工程应用支持不够的弱点，主要表现在如下方面:(1)对工程应用的数据表示不够充分，不能全面描述数据类型之间的分类、组合、继承和引用关系。(2)对应用集成的支持能力不强,难于做到产品信息和应用程序的完全集成。(3)应用开发接口能力差。除了已上几点，最重要的是总体设计思想方法的问题。2.PDM的基本概念产品数据管理(PDM)以软件为基础，是一门管理所有与产品相关的信息(包括电子文档、数字化文件、数据库记录等)和所有与产品相关的过程(包括工作流程和更改流程)的技术它提供产品全生命周期的信息管理,并可在企业范围内为产品设计与制造建立一个并行化的协作环境。3.PDM系统的主要功能功能主要有两种划分方法：一、按着面向应用与系统功能支持的划分，将其分为电子仓库、面向用户的使用功能和实用化的支持功能。二、按软件功能模块划分，可划分为电子仓库和文档管理、工作流程与过程管理、产品结构与配置管理、零件分类管理、工程变更管理、项目管理、电子协作、集成工具、浏览和圈阅等，前五项功能是PDM系统应具备的基本功能。4.PDM系统的体系结构5.PDM的体系结构特点（1）对计算机基础环境的适应性（2）PDM内核的开放性（3）PDM功能模块的可变性（4）PDM的插件功能6.PDM系统应用开发

采用快速原型法开发模型，开发分为需求分析、原型设计、演示和评价原型及修正与改进四个阶段，每个阶段都有目的、作业程序和控制重点的要求，以下为快速原型法最基本的框架描述。6.3.制造执行系统（MES）6.3.1MES定义与功能模块6.3.2MES应用案例6.3.1MES定义与功能模块MES是制造执行系统，主要是针对车间层的生产整理技术，通过它可以使企业管理人员了解生产现场进度、质量,以及调整更好的生产计划。1.MES理论基础

建立在计划管理系统中工业控制间的车间层的系统，为了能够更好的解决制造业企业而开发的，并且可以建立企业间的信息互通。计划层(ERP):是根据企业的计划来进行的，必须要有计划地管理企业。执行层(MES):它是计划的控制和执行的方式，根据MES把ERP生产现场控制的内。控制层：强调设备的控制。

集成模型2.MES系统功能模块介绍MESA提出了MES的功能模型和与相关系统的集成模型,并定义了11个功能模块包括:生产计划和工序调度、资源管理、生产跟踪、设备维护管理、性能分析、单元管理、文档管理、质量