先进生产制造模式
机械0822
仇小菊
背景:
在传统制造技术逐步向现代高新技术发展、渗透、在传统制造技术逐步向现代高新技术发展、渗透、
交汇和演变的过程中,形成了先进制造技术的同时,交汇和演变的过程中,形成了先进制造技术的同时,
出现了一系列先进制造模式。根据国际生产工程学出现了一系列先进制造模式。根据国际生产工程学
会(会(CIRPCIRP)近)近1010年的统计,发达国家所涌现的先进年的统计,发达国家所涌现的先进
制造系统和先进制造生产模式就多达制造系统和先进制造生产模式就多达3333种。发达国种。发达国
家制造业企业,特别是跨国公司和创新型中小企业家制造业企业,特别是跨国公司和创新型中小企业
已广泛采用了一些新的制造模式和制造系统,如:已广泛采用了一些新的制造模式和制造系统,如:
柔性制造系统(柔性制造系统(FMSFMS);计算机集成制造系统);计算机集成制造系统
((CIMSCIMS);精益生产模式();精益生产模式(LPLP);清洁生产模式);清洁生产模式
((CPCP);高效快速重组生产系统;虚拟制造模式);高效快速重组生产系统;虚拟制造模式
((VMVM)等。目前,正在开发下一代制造和生产模式,)等。目前,正在开发下一代制造和生产模式,
如:并行工程和协同制造(如:并行工程和协同制造(HMHM)、生物制造)、生物制造
((BMBM)、网络化制造和下一代制造系统()、网络化制造和下一代制造系统(NGMSNGMS))
等等
计算机集成制造(CIM)
概念:概念:CIM(Computer Integrated Manufacturing )CIM(Computer Integrated Manufacturing )
19741974年美国人约瑟夫年美国人约瑟夫··哈林顿博士根据计算机技术在工哈林顿博士根据计算机技术在工
业生产中的应用及其发展趋势,首先提出了计算机集业生产中的应用及其发展趋势,首先提出了计算机集
成制造的概念,即成制造的概念,即CIMCIM概念。其基本观点有两个:概念。其基本观点有两个:
(1)(1)企业生产的各个环节,即从市场分析、产品企业生产的各个环节,即从市场分析、产品
设计、加工制造、经营管理到售后服务的全部活动是设计、加工制造、经营管理到售后服务的全部活动是
一个不可分割的整体。需紧密联接、统一考虑。一个不可分割的整体。需紧密联接、统一考虑。
(2)(2)整个制造生产过程,实际上是一个数据的采集、传整个制造生产过程,实际上是一个数据的采集、传
递和加工处理的过程。最终形成的产品,可以看作是递和加工处理的过程。最终形成的产品,可以看作是
数据的物质表现。数据的物质表现。
CIMS 定义:
CIMSCIMS是一种基于是一种基于CIMCIM哲理构成的计算机化、信息化、哲理构成的计算机化、信息化、
智能化、集成化的制造系统。通过计算机及其软件,智能化、集成化的制造系统。通过计算机及其软件,
把制造工厂全部生产活动所需的各种分散的自动化把制造工厂全部生产活动所需的各种分散的自动化
系统有机地结合起来,是适合于多品种、小批量生系统有机地结合起来,是适合于多品种、小批量生
产和实现总体高效益、高柔性的制造系统。产和实现总体高效益、高柔性的制造系统。
CIMS CIMS是通过计算机硬软件。并综合运用现代管理是通过计算机硬软件。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、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与物流有机集成并优化运经营管理三要素及其信息与物流有机集成并优化运
行的复杂的大系统。行的复杂的大系统。
CIMS包含三要素:
在三要素的相交部分需要解决四类集
成问题:
使用技术以支持经营:使用技术以支持经营:
使用技术以支持人员工作和组织机构的运行:使用技术以支持人员工作和组织机构的运行:
人员人员//机构设置协调工作以支持经营活动:机构设置协调工作以支持经营活动:
统一管理实现经营、人员、技术统一管理实现经营、人员、技术
功能结构
从功能上看,从功能上看,CIMSCIMS包括了一个制造企业的设计、包括了一个制造企业的设计、
制造、经营管理三种主要功能,要使这三者集成制造、经营管理三种主要功能,要使这三者集成
起来,还需要一个支撑环境,即分布式数据库和起来,还需要一个支撑环境,即分布式数据库和
计算机网络以及指导集成运行的系统技术。计算机网络以及指导集成运行的系统技术。
.四个功能分系统四个功能分系统
((11)管理信息分系统)管理信息分系统
((22)产品设计与制造工程设计自动化分系统)产品设计与制造工程设计自动化分系统
((33)制造自动化或柔性制造分系统)制造自动化或柔性制造分系统
((44)质量保证分系统)质量保证分系统
.两个支撑分系统两个支撑分系统
((11)计算机网络分系统)计算机网络分系统
((2) 2) 数据库分系统数据库分系统
1)1)管理信息分系统管理信息分系统(CIMS/MIS)(CIMS/MIS) 它是它是CIMSCIMS的上层管的上层管
理系统,它不仅需要根据厂情、国情和国际市场的理系统,它不仅需要根据厂情、国情和国际市场的
需求信息作出生产决策、确定生产计划和估算产品需求信息作出生产决策、确定生产计划和估算产品
成本和生产效益,而且需要做出物料、能源、设备、成本和生产效益,而且需要做出物料、能源、设备、
人员的计划安排,保证生产的正常运行。人员的计划安排,保证生产的正常运行。
CIMS/MIS CIMS/MIS 的基本结构的基本结构 。。
2)2)工程设计集成分系统工程设计集成分系统(CIMS/EDIS)(CIMS/EDIS) 此分系统的目此分系统的目
标是使产品开发活动能够高效、优质、自动地进行。标是使产品开发活动能够高效、优质、自动地进行。
它在它在CIMSCIMS系统信息流程中的位置。系统信息流程中的位置。
3)3)制造自动化分系统制造自动化分系统(CIMS/MAS)(CIMS/MAS) 该分系统的该分系统的
目标是使产品制造活动最优化。在目标是使产品制造活动最优化。在CIMSCIMS环境环境
中中::,,MASMAS分系统运行过程的本质是产品的物分系统运行过程的本质是产品的物
化化((形成形成) ) 过程过程:MAS :MAS 中的数据是连接产品设计、中的数据是连接产品设计、
生产过程控制和实际产品加工制造之间的桥梁,生产过程控制和实际产品加工制造之间的桥梁,
即即CIMSCIMS中的产品设计方案和工艺规划等工程中的产品设计方案和工艺规划等工程
信息是通过信息是通过MAS MAS 信息转换为实际产品的。信息转换为实际产品的。
4)4)计算机辅助质量保证分系统计算机辅助质量保证分系统(CIMS/CAQ)(CIMS/CAQ) 这这
是一个保证产品质量的全企业范围内系统。该是一个保证产品质量的全企业范围内系统。该
分系统的目标是保证从产品设计、制造、检验分系统的目标是保证从产品设计、制造、检验
到售后服务整个过程的质量。到售后服务整个过程的质量。CIMS/CAQCIMS/CAQ的组的组
织结构分为规划层、管理层和执行层。织结构分为规划层、管理层和执行层。
5)5)数据管理分系统数据管理分系统(CIMS/DBS)(CIMS/DBS) 该分系统的目标该分系统的目标
是管理整个是管理整个CIMSCIMS的数据,实现数据集成和共享。的数据,实现数据集成和共享。
CIMSCIMS环境下的环境下的44个功能分系统的信息数据都要在个功能分系统的信息数据都要在
一个结构合理的数据库系统中进行存贮,并通过一个结构合理的数据库系统中进行存贮,并通过
计算机网络提供的系统互通能力,将不同分系统计算机网络提供的系统互通能力,将不同分系统
中的数据联系起来,达到信息交换和共享的目的。中的数据联系起来,达到信息交换和共享的目的。
6)6)网络分系统网络分系统(CIMS/DBS)(CIMS/DBS) 该分系统的目标是传该分系统的目标是传
递递CIMSCIMS各个分系统之间和内部的信息,实现各个分系统之间和内部的信息,实现
CIMSCIMS的数据传递和系统通信功能。只有通过计算的数据传递和系统通信功能。只有通过计算
机网络系统,才能完成动态控制和管理的各功能机网络系统,才能完成动态控制和管理的各功能
分系统的互联,实现信息传输和交流,使互联系分系统的互联,实现信息传输和交流,使互联系
统共享工程资源,数据库和存贮空间。一般企业统共享工程资源,数据库和存贮空间。一般企业
常见的常见的CIMSCIMS的的44层结构和相应的数据流关系。层结构和相应的数据流关系。
CIMS的基本组成结构关系:
CIMS递阶控制结构
CIMS的功能和控制十分复杂。为此,
CIMS的控制系统一般采用分级控制结构,
即递阶控制结构。前美国国家标准局(现
美国国家标准与技术研究院NIST)建立的
CIM实验研究基地——自动化制造研究实
验基地AMRF曾提出了著名的CIMS五级递
阶控制模型
一、工厂层控制系统一、工厂层控制系统
这是最高一级控制,履行这是最高一级控制,履行““厂部厂部””职能。完成的功能包职能。完成的功能包
括进行市场预测、制定生产计划、确定生产资源需求、括进行市场预测、制定生产计划、确定生产资源需求、
制定资源规划、产品开发及工艺过程规划、厂级经营制定资源规划、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、用户定单处理等)。管理(包括成本估算、库存统计、用户定单处理等)。
二、车间层控制系统二、车间层控制系统
车间层控制根据工厂层生产计划协调车间作业和有关车间层控制根据工厂层生产计划协调车间作业和有关
的资源配置。车间层控制主要有两个模块,即作业管的资源配置。车间层控制主要有两个模块,即作业管
理和资源分配。理和资源分配。
三、单元层控制系统三、单元层控制系统
单元层控制负责将上级任务分解,完成本单元的作业单元层控制负责将上级任务分解,完成本单元的作业
调度和资源需求分析,决定零件加工路线并给工作站调度和资源需求分析,决定零件加工路线并给工作站
分配任务,监控任务进展情况分配任务,监控任务进展情况
四、工作站层控制系统
此级控制系统负责指挥和协调车间中一个设备
小组的活动。
五、设备层控制系统
此级控制包括各种设备(如机床、机器人、坐
标测量机、自动引导车等)的控制器。此级控
制向上与工作站控制系统用接口连接,向下与
各设备控制器接口相通。设备控制器的功能是
将工作站控制器命令转换成可操作的、有顺序
的简单任务运行各种设备,并通过各种传感器
监控这些任务的执行。
AMRF提出的CIMS五级递阶控制模
型
CIMS体系结构 :
CIMS体系结构是用来描述研究对象整个
系统的各个部分和各个方面的相互关系和
层次结构,从大系统理论角度研究,将整
个研究对象分为几个子系统,各个子系统
相对独立自治、分布存在、并发运行和驱
动等。我们可以从功能结构和逻辑结构来
认识CIMS体系结构。
第一层第一层 生产生产//制造系统:这一层面向生产过程,包括了制造系统:这一层面向生产过程,包括了
柔性制造单元柔性制造单元FMSFMS、装配设备、工业机器人及其他生产、装配设备、工业机器人及其他生产
制造自动化技术,这一层以物流为中心,完成生产、加制造自动化技术,这一层以物流为中心,完成生产、加
工、装配、包装等任务。工、装配、包装等任务。
第二层第二层 硬事务处理系统:这一层是生产硬事务处理系统:这一层是生产//制造监控系统,制造监控系统,
通过计算机网络对第一层的设备进行综合控制与操作,通过计算机网络对第一层的设备进行综合控制与操作,
实现对生产制造的监控。包含狭义的实现对生产制造的监控。包含狭义的CAMCAM、、CAQCAQ及及
CATCAT等。等。
第三层第三层 技术设计系统:这一层包含技术设计系统:这一层包含CADCAD(计算机辅助(计算机辅助
设计)、设计)、CAPP(CAPP(计算机辅助工艺计算机辅助工艺)),为生产制造系统产,为生产制造系统产
生信息。生信息。CADCAD用于产品设计、开发,它提供的是如何做用于产品设计、开发,它提供的是如何做
的信息,而的信息,而CAPPCAPP是依据是依据CADCAD提供的信息指导如合作。提供的信息指导如合作。
第四层第四层 软事务处理系统:这一层主要通过计算机网络软事务处理系统:这一层主要通过计算机网络
实时地处理各种软事务,譬如,财务、供销、售后服务实时地处理各种软事务,譬如,财务、供销、售后服务
等方面的管理,实现电子化记账。等方面的管理,实现电子化记账。
第五层 第五层 信息服务系统:以狭义的信息服务系统:以狭义的MISMIS为主,主要对为主,主要对
前面各层的信息进行收集、存储、加工、传输、使用、前面各层的信息进行收集、存储、加工、传输、使用、
查询,为各级管理者与下层提供数据。查询,为各级管理者与下层提供数据。
第六层 第六层 决策管理系统决策管理系统::这一层是企业经营管理规划这一层是企业经营管理规划
的决策层,主要有的决策层,主要有MRP-II(MRP-II(制造资源计划制造资源计划) ) 、、ERP(ERP(企业企业
资源计划资源计划) ) 、决策支持系统、决策支持系统DSSDSS、专家系统、专家系统ESES、系统模、系统模
拟系统等组成。他根据企业总体路线、企业内部条件、拟系统等组成。他根据企业总体路线、企业内部条件、
市场信息等因素,产生生产经营活动的计划与方案、各市场信息等因素,产生生产经营活动的计划与方案、各
种资源的需求计划,包括人、物、资金的需求计划。种资源的需求计划,包括人、物、资金的需求计划。
CIMSCIMS逻辑结构不仅体现了信息的传递与交换,更逻辑结构不仅体现了信息的传递与交换,更
能反映出人在能反映出人在CIMSCIMS系统中的重要作用。因此可以说人系统中的重要作用。因此可以说人
为因素是实施为因素是实施CIMSCIMS能否取得实际成效的关键。能否取得实际成效的关键。
863/CIMS主题的研究和开发进
展如何?
(1)CIMS(1)CIMS应用示范工程在广度、深度上取得较大进展应用示范工程在广度、深度上取得较大进展
到目前为止,已有到目前为止,已有2020多个省多个省((市市)/)/行业的行业的200200多个企业实施了多个企业实施了CIMSCIMS
应用示范工程。这些省市及行业大多成立了专家组及其办公室,并应用示范工程。这些省市及行业大多成立了专家组及其办公室,并
在经费和政策上给予了企业一定的支持。目前,已有在经费和政策上给予了企业一定的支持。目前,已有5050多家企业通多家企业通
过了验收。过了验收。
这些这些CIMSCIMS应用企业包括多种类型:从几百人的中小企业,到几应用企业包括多种类型:从几百人的中小企业,到几
万人的大型企业;从多品种小批量的企业,到多品种大批量的企业;万人的大型企业;从多品种小批量的企业,到多品种大批量的企业;
从离散型企业,到连续型、混合型和其它类型的企业;从国有企业,从离散型企业,到连续型、混合型和其它类型的企业;从国有企业,
到民营企业、合资企业和乡镇企业。到民营企业、合资企业和乡镇企业。
这些这些CIMSCIMS应用企业均获得明显的经济效益,有效地提高了企业应用企业均获得明显的经济效益,有效地提高了企业
的竞争力。已验收的企业新产品开发周期一般缩短的竞争力。已验收的企业新产品开发周期一般缩短30%30%~~50%50%,生,生
产周期一般缩短产周期一般缩短20%20%~~40%40%,流动资金一般减少,流动资金一般减少20%20%~~30%30%。。
例如,江苏金城集团实施例如,江苏金城集团实施CIMSCIMS后,建立了客户化的经营管理体后,建立了客户化的经营管理体
系,满足客户多样化、个性化的需求,外货交货期缩短到系,满足客户多样化、个性化的需求,外货交货期缩短到1515个月,个月,
达到国际先进水平。达到国际先进水平。
2)CIMS2)CIMS产品化和产业化取得突破产品化和产业化取得突破
①①初步形成了初步形成了1111个系列的个系列的CIMSCIMS目标产品,占企业信息目标产品,占企业信息
化工程所需硬、软件产品的化工程所需硬、软件产品的85%85%以上。这以上。这1111个系列的个系列的
CIMSCIMS目标产品为:底层设计自动化所需的先进数控系统目标产品为:底层设计自动化所需的先进数控系统
和快速成型系统;和快速成型系统; 二维绘图、图纸扫描处理、三维几何二维绘图、图纸扫描处理、三维几何
造型等造型等CADCAD系统;有限元分析及前后处理系统系统;有限元分析及前后处理系统FEMFEM;计;计
算机辅助工艺设计与规划算机辅助工艺设计与规划CAPPCAPP工具及软件系统;产品数工具及软件系统;产品数
据管理系统据管理系统PDMSPDMS;企业资源计划管理;企业资源计划管理MRPIIMRPII及及ERPERP系统;系统;
数据库管理系统数据库管理系统DBMSDBMS;适用于机械、轻纺、轻工、建;适用于机械、轻纺、轻工、建
筑等行业的专用筑等行业的专用CADCAD应用软件;流程行业的生产过程先应用软件;流程行业的生产过程先
进控制系统;电力行业的控制、决策及管理软件系统;进控制系统;电力行业的控制、决策及管理软件系统;
商业自动化领域虚拟商业自动化领域虚拟POSPOS系统。系统。
②②把国内同行业领先的把国内同行业领先的CIMSCIMS目标产品开发单位联合起目标产品开发单位联合起
来,形成了一支在市场上可与国外软件竞争的生力军。来,形成了一支在市场上可与国外软件竞争的生力军。
。。
③③863/CIMS863/CIMS目标产品在目标产品在CIMSCIMS应用示范企业得到应用。应用示范企业得到应用。
徐工集团是我国最大的筑路机械工业企业,是徐工集团是我国最大的筑路机械工业企业,是
863/CIMS863/CIMS应用示范企业,原来用美国应用示范企业,原来用美国AutoCADAutoCAD支撑软支撑软
件作为件作为CADCAD的主导软件,在我国即将加入的主导软件,在我国即将加入WTOWTO之际,之际,
他们用清华同方的他们用清华同方的Open DesignOpen Design全部替换了全部替换了
AutoCAD(250AutoCAD(250套套)),不仅功能、性能有所提高,而且价,不仅功能、性能有所提高,而且价
格只是国外软件的格只是国外软件的1/101/10。预计。预计CIMSCIMS应用示范企业中将应用示范企业中将
有有1515家企业主要采家企业主要采CIMCIM支持的国产软件,尤其是中小企支持的国产软件,尤其是中小企
业对国产业对国产CIMSCIMS目标产品的需求越来越强烈。目标产品的需求越来越强烈。
④④CIMSCIMS支持的目标产品项目支持的目标产品项目19981998年的销售额已超过年的销售额已超过
80008000万元,万元,19991999年达年达22亿多万元,亿多万元,20002000年的目标是年的目标是33亿亿
元。元。
⑤⑤863/CIMS863/CIMS通过对目标产品项目的支持,形成了一通过对目标产品项目的支持,形成了一
批高技术成果转化好、软件产品在国内领先的企业和一批高技术成果转化好、软件产品在国内领先的企业和一
支高水平的技术队伍。支高水平的技术队伍。
⑥⑥培育一批系统集成及咨询服务公司和培育一批系统集成及咨询服务公司和CIMSCIMS目标产目标产
品产业化基地,如华中数控集团公司、清华同方软件公品产业化基地,如华中数控集团公司、清华同方软件公
司等,促进司等,促进CIMSCIMS应用示范工程向市场机制过渡。应用示范工程向市场机制过渡。
3)3)重大关键技术攻关取得重要进展重大关键技术攻关取得重要进展
1) 1)并行工程攻关取得突破性进展并行工程攻关取得突破性进展 清华大学、华中理清华大学、华中理
工大学、上海交通大学、北京航空航天大学和航天工业工大学、上海交通大学、北京航空航天大学和航天工业
总公司二院等五个单位第一次在国内系统地研究并应用总公司二院等五个单位第一次在国内系统地研究并应用
了并行工程方法,解决了多项关键技术,总结了实施并了并行工程方法,解决了多项关键技术,总结了实施并
行工程的参考模式。该项目已于行工程的参考模式。该项目已于19971997年年1212月通过验收。月通过验收。
鉴定委员会认为,该项目与国际上近年来所从事的并行鉴定委员会认为,该项目与国际上近年来所从事的并行
工程研究与开发的技术水平相当,在应用方面有自己的工程研究与开发的技术水平相当,在应用方面有自己的
特色,有些关键技术达到国际先进水平。目前,并行工特色,有些关键技术达到国际先进水平。目前,并行工
程的技术攻关成果已在国内程的技术攻关成果已在国内1010多个企业中得到应用。多个企业中得到应用。
2) 2)集成框架和集成平台关键技术攻关集成框架和集成平台关键技术攻关 由航天工业总由航天工业总
公司二院负责的公司二院负责的““面向并行工程的集成框架面向并行工程的集成框架””和由清华大和由清华大
学负责的学负责的““面向制造业面向制造业CIMSCIMS应用集成平台应用集成平台” ” 两个关键技两个关键技
术攻关项目于术攻关项目于19971997年立项。面向并行工程的集成框架支年立项。面向并行工程的集成框架支
持了并行工程的集成化产品开发相关过程和领域的建模、持了并行工程的集成化产品开发相关过程和领域的建模、
服务与集成。服务与集成。CIMSCIMS应用集成平台实现了分布式环境下应用集成平台实现了分布式环境下
异构异构CIMSCIMS应用系统的集成。这两个项目已经完成并被应用系统的集成。这两个项目已经完成并被
鉴定达到国际先进水平。这对于实现鉴定达到国际先进水平。这对于实现CIMSCIMS信息集成、信息集成、
过程集成及系统的开放性将具有重要意义。过程集成及系统的开放性将具有重要意义。
(4)应用基础研究获得一批高水平研究成果
近年来,完成基础研究课题数百项,在国内
外著名刊物和论文集中发表了一大批高水平论
文专著,扩大和提高了我国在CIMS和系统集
成技术研究方面的影响和地位;取得了一批有
应用价值或较好应用前景的研究成果,为关键
技术攻关、产品开发和应用工程提供了一些有
价值的方法、技术和原型系统;部分研究课题
直接和CIMS应用示范工程相结合,解决了
CIMS应用示范工程中的关键问题,取得了显
著的经济效益和社会效益。
(5)(5)研究环境与培训中心已初具规模研究环境与培训中心已初具规模
1) 1)研究环境研究环境 863/CIMS 863/CIMS主题建立了主题建立了11个个CIMSCIMS工程技工程技
术研究中心和术研究中心和77个工程实验室。其研究成果多数在国个工程实验室。其研究成果多数在国
内居于领先地位,有些成果还达到了内居于领先地位,有些成果还达到了9090年代国际先进年代国际先进
水平,有效地缩小了我国水平,有效地缩小了我国CIMSCIMS总体技术和单元技术总体技术和单元技术
与国际水平的差距,提高了我国的国际声望。清华大与国际水平的差距,提高了我国的国际声望。清华大
学国家学国家CIMSCIMS工程技术研究中心获得工程技术研究中心获得19941994年度美国制年度美国制
造工程师学会造工程师学会SME“SME“大学领先奖大学领先奖””,其它,其它77个工程实验室个工程实验室
均通过了国家科学技术部高技术司组织的现场评估。均通过了国家科学技术部高技术司组织的现场评估。
2) 2)培训中心培训中心 经过近经过近33年的努力年的努力,,我国我国CIMSCIMS培训中心培训中心
的体系已基本形成。目前的体系已基本形成。目前863/CIMS863/CIMS主题在全国范围主题在全国范围
内已经建立了内已经建立了1010个培训中心,各培训中心围绕个培训中心,各培训中心围绕CIMSCIMS
应用示范工程的实施,利用有限资金,积极开展了大应用示范工程的实施,利用有限资金,积极开展了大
量量CIMSCIMS培训宣传工作,培训了多方面和多层次的人培训宣传工作,培训了多方面和多层次的人
员,建立了较完备的培训体系。它们为各省员,建立了较完备的培训体系。它们为各省((市市)/)/行业行业
培训了大约培训了大约5050多万人时。这些人才在我国企业推广和多万人时。这些人才在我国企业推广和
应用应用CIMSCIMS中发挥了重要的作用。中发挥了重要的作用。