先进制造技术概论 第六章 先进生产制造模式
武汉理工大学汽车工程学院/现代汽车零部件技术湖北省重点实验室 秦训鹏
先进制造技术概论
第六章
先进生产制造模式
先进制造技术概论 第六章 先进生产制造模式
武汉理工大学汽车工程学院/现代汽车零部件技术湖北省重点实验室 秦训鹏
主要内容
计算机集成制造(CIM)
并行工程（CE）
精益生产(LP)
敏捷制造（AM）
智能制造系统（IMS）
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第一节 计算机集成制造(CIM)
CIM和CIMS的概念
CIMS的组成
CIMS递阶控制结构
CIMS的体系结构
CIMS在我国的实施进展
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CIM和CIMS的概念
美国Harrington博士关于CIM两个观点:
♀企业各个生产环节是一个不可分隔的整体(集成)
♀企业生产制造过程实质上是对信息的采集、传递和加工
处理的过程（信息）
ISO关于CIM定义：是将企业所有的人员、功能、信息和组织
等诸方面集成为一个整体的生产方式
CIM：是一种思想、模式、哲理，强调企业信息集成
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CIMS三要素关系：
• 经营管理与技术:技术支持企业达到预期的
经营目标
• 人与技术:技术支持各类人员互相配合、协
调一致工作
• 人与经营管理:人员素质提高支持企业的经
营管理
CIMS三要素集成
计算机集成制造系统CIMS
CIMS:基于CIM哲理的一种工程集成系统
CIMS核心:是将企业内的人/组织、经营管理和技术三要素之间
的集成，以保证企业内的工作流程、物质流和信息流畅通无阻
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CIMS的组成
四个功能分系统，两个支撑分系统组成
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（1）经营管理信息分系统（MIS)
• 信息处理 包括信息的收集、传输、加工和查询
• 事务管理 包括计划管理、物料管理、生产管理、财务 管理、
人力资源管理等
• 辅助决策 根据现有信息，利用数学分析手段预测未来，提供
企业经营管理决策
核心工具：制造资源计划MRPII，将企业内各个管理环节进行
集成，缩短生产周期、减少库存、降低成本、提高企业市场应
变能力
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（2）工程设计信息分系统(EDIS)
（CAD/CAPP/CAM）
• CAD 计算机绘图、有限元分析、产品造型、图像分析处理、
优化设计、动态分析与仿真、物料清单（BOM）生成等
• CAPP 毛坯设计、工艺方法选择、工序设计、工艺路线制定、
工时定额计算等
• CAM 刀具路径确定、刀位文件生成、刀具轨迹仿真、NC代
码的生成等作业
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（3）制造自动化分系统(MAS)
MAS地位: 位于企业底层，是企业信息流和物料流的结合点，
是最终产生效益聚集地
MAS组成:
•机械加工系统-CNC、MC、FMC、FMS加工设备
•物流系统—对工件和工具存储、搬运、装卸等操作
•控制系统-实现对加工设备和物流系统的控制
MAS目标:
•实现多品种、小批量生产柔性自动化
•实现优质、低成本、短周期、高效率生产
•创造舒适安全劳动环境
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（4）质量保证信息分系统（QIS)
• 质量计划--建立质量技术标准，制定检测计划、检测规程和
规范
• 质量检测管理--包括进出厂材料检测、产品质量检测管理，
设计质量指标管理，生产质量数据管理
• 质量分析评价--对各类质量问题进行分析，评价各种影响因
素，查明主要原因
• 质量信息综合与控制--报表生成，质量综合查询，采取各种
质量控制措施
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（5）数据库管理分系统
对各类数据进行存储和调用，满足各分系统信息的交换和
共享。
数据的分布：采用分布式异型数据库技术，通过互连网络
体系，完成全局数据调用和分布式事务处理。
数据库系统类型：工程数据库管理系统，实现对图形数据和
非图形数据处理。
（6）计算机网络分系统
是CIMS信息集成工具，常用局域网，对地理范围大的企
业，可通过远程网进行互连，使CIMS同时兼有局域网和广域
网的特点。
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CIMS五层递阶控制结构
• 工厂层-最高决策层，制定长期生产计划、确定资源需求、产
品开发、成本核算，规划周期几个月/几年时间
• 车间层-协调车间作业和资源配置，作用周期几周/几个月
• 单元层-完成本单元作业调度，包括作业顺序和指令发放、进
行任务分配调度、协调物料运输，规划时间几小时/几周
• 工作站层-负责协调设备小组活动，规划时间几分钟/几小时
• 设备层-各种设备控制器，执行上层控制命令，完成加工、测
量、运输等任务，响应时间几毫秒/几分钟
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CIMS递阶控制结构
工厂
加工车间 装配车间
1#单元 N#单元
铣削
工作站
检验
工作站
物料运储
工作站
机器人 铣床 零件存
储器
机器
人
检验
机
零件
存储
器
机器
人
机器
人小
车
传感
器
……….
…..
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CIMS的体系结构
CIMS/OSA体系结构：
是沿结构方向、建模方
向和视图方向的三维坐标
结构。
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CIMS/OSA 结构层次
• 通用层 包括通用组件、约束、服务和协议，以及各企业共
同需求和处理方法
• 部分通用层 按照工业类型、不同行业、企业规模等不同分
类的各类典型结构
• 专用层 在通用层和部分通用层基础上根据特定企业需求而
选定和建立的系统和结构，仅适用于一个特定企业，一个企
业只能通过一种专用结构来描述
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CIMS/OSA 建模层次
• 需求定义层 按用户准则描述一个企业的需求定义模型
• 设计说明层 根据企业经营需求和系统能力，对用户需求进行
重构和优化
• 实施描述层 在设计说明层基础上，对企业生产过程及系统制
造技术元件和信息技术元件物理元件进行描述
制造技术元件：包括CAD、CAM、MRP、DNC、
FMC等
信息技术元件--包括计算机、网络、数据库、各
类系统软件和应用软件
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CIMS/OSA 视图层次
• 功能视图--指导用户确定和选用相应的功能模块
• 信息视图--用来帮助企业用户确定其信息需求，建立信息关
系和确定数据库结构
• 资源视图--用于帮助企业用户确定其资源需求，建立优化的
资源结构
• 组织视图--确定CIMS内部的多级多维职责体系，建立CIMS
的多级组织结构
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CIMS在我国的实施进展
• 863/CIMS主题确立：研究内容包括应用基础研究、关键技术
攻关、目标产品开发、应用示范工程四个层次；
• 1994年清华大学CIMS工程中心获美国SME“大学领先奖”；
• 1995年北京第一机床厂CIMS工程获SME“工业领先奖”
• 十五863/CIMS主题内涵更新（Contemporary Integrated
Manufacturing System, CIMS）
• 十五863/CIMS主题研究专题：
行业/区域现代集成制造系统专题
数字化设计与制造专题；
过程自动化系统专题；
企业管理与电子商务系统专题；
现代集成制造系统平台专题。
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第二节 并行工程（CE）
并行工程定义
并行工程运行模式
并行工程特征
并行工程关键技术
并行工程的支持工具
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并行工程定义
• 串行工程 在前一工作环节完成之后才开始后一工作环节的工
作，各工作环节作业时序上没有重叠和反馈，即使有反馈，也
是事后的反馈
• 并行工程 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，尽可能同时处理的一种作业方式
• 并行工程关键思想
①是一种工作模式，而不是具体的工作方法
②从产品设计一开始就考虑产品全生命周期中所有因素，以保
证产品设计一次成功
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串行工程工作方式 并行工程工作方式
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并行工程运行模式
并行工程运行模式
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并行工程设计网络
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并行工程特征
•并行特征--在产品设计阶段并行考虑产品整个生命周期中
的所有因素
注意：并行工程不能省去任一生产环节，不是
将设计和生产环节重叠进行
•整体特征--强调全局考虑问题，追求整体最优
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协同特征
•协同组织形式：群体小组（Teamwork）工作方式，小组成
员由设计、工艺、制造不同代表组成，有自己责、权、利，有
自身的工作计划和目标
•协同设计思想：强调一体化、并行地进行产品及其相关过程
的协同设计
•协同的效率：强调“1+1>2” ，强调“工”字钢协同强度
集成特征
•人员集成：管理者、设计者、制造者以至用户集成
•信息集成：信息获取、表示和操作工具的集成与管理
•功能集成：企业内部及外部功能集成
•技术集成：多学科知识以及各种技术、方法的集成
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并行工程关键技术
• 产品开发过程的重构 从产品特征、开发活动、组织结构、
资源配置、开发计划、调度策略等方面不断改进和提高
• 集成的产品信息模型 应能够全面表达产品、工艺、制造以
及产品生命周期内各环节的信息，能够使小组成员共享模型
中的信息，这是并行作业的基础
• 并行设计过程的协调与控制--并行设计是一个反复迭代优化
的过程，该过程的管理、协调与控制是实现并行设计关键
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并行工程的支持工具
• CAX工具：CAD、CAE、CAPP、CAM、CAT等
• DFX工具：DFM、DFA、DFT、DFU等
• 产品数据管理（PDM）：对共享数据进行统一规范管理，保
证全局共享数据的一致性，提供统一的数据库操纵界面
• 协同的网络通讯手段：
多媒体邮件：传送速率低，不适于解决期限紧迫设计问题
电子公告板：一种提供观察、修改公共信息的白板技术，
仍不能保证在规定时间内得到同事的反应
基于网络的视频会议系统（MONET）：基于网络的多媒体
会议系统，可共商关心的问题，减少来往消耗的时间和精力
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第三节 精益生产(LP)
精益生产的历史背景
精益生产的内涵
精益生产的体系结构
精益生产方式的主要内容
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精益生产的历史背景
背景
①二战后日本汽车业开始起步，丰田公司总产量不及福特公
司一天的产量；
②以福特为代表的大量生产方式，以规模带动低成本，有较
强的竞争力；
③日本面临需求不足、技术落后和资金困难。
精益生产方式：
丰田公司根据自身的特点，创立了一种独特的多品种、小批
量、高质量和低消耗的生产方式，强调集体与协作，杜绝一切
浪费，从50年代到70年代取得了显著的成就。
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精益生产方式的命名
• 丰田生产方式当时并未受到重视，仅在丰田公司及其配套
商中实施
• 1973年石油危机，大批量生产弱点显现，精益生产方式
开始真正为世人瞩目
• 1980年日本以其1100万辆产量全面超过美国，成为汽车
制造第一大国
• 1985年美国MIT成立“国际汽车计划(IMVP)”机构，耗
资500万$，历时5年调查日本、美国、西欧90多家汽车制
造商
• 调查结果：造成差距原因不在于企业自动化程度、、生产
批量、产品类型的，而在于生产方式的不同
• IMVP 于1990年命名丰田生产方式为“精益生产”
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精益生产的内涵
精益生产(Lean Production,LP) 消除一切无效劳动和浪费，少
投入，多产出，合理配置资源，走内涵发展、集约式经营的“
瘦型”生产方式
精益生产思维特点
• 逆向思维-把销售作为起点，把用户作为生产过程组成部分；
由后道工序拉动前道工序；认为超前生产是无效劳动，是一
种浪费
• 逆境拼搏-精益生产来自逆境拼搏精神，当时丰田公司产量
不及福特公司一天产量条件下，敢于提出赶超美国
• 尽善尽美追求--精益生产目标追求尽善尽美，追求低成本、
无废品、零库存，不允许出错
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精益生产方式的特征
• 以销售为生产起点，按订货合同组织生产
• 采用并行工程方法从事产品开发，确保开发一次成功
• 实行“拉动式”生产，杜绝超前、超量生产
• 以“人”为中心，充分调动人的潜能和积极性
• 追求无废品、零库存、零故障目标
• 消除“松弛点”，以最佳环境、最佳条件和最佳态度从事最
佳工作，全面追求尽善尽美
• 主机厂与协作厂是“共存共荣”的“血缘关系”
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精益生产的体系结构
精益生产体系
精益生产基础：
群体小组和并行工程
精益生产支柱：
• 及时生产-零库存
• 成组技术-扩大批量
• 全面质量管理-零缺陷
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精益生产方式的主要内容
•主查制开发组织、并行式开发程序 主查对产品开发所需一切资
源拥有支配权；对开发方向和计划有决定权和指挥权；对小组
成员有评价权、推荐权
•拉动式的生产管理 以满足下道工序需要为前提，宁可中断生产
决不超前生产，以看板为指令作为拉动式生产的手段
①以市场需求拉动企业生产
②企业内部，以后道工序拉动前道工序
③以前方生产拉动后方，准时服务于生产现场
④以主机厂拉动协作配套厂生产
•人本管理的劳动组织体制
①雇员比机器更为重要的固定资产
②在生产中享有充分的自主权
③将任务责任托付工人，通过培训扩大知识面，提高技能
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•简化产品检验环节 质量是制造出来的，把保证产品质量责任交
给直接生产人员，取消检验场所和修补加工区
•相互依存的总装厂和协作厂的关系
①组织协作厂协会，派高级经理人员去协作厂任职，采取
参股、控股办法，建立起资金联合纽带的血缘关系
②协作厂参与产品开发，共同分析成本、合理分享利润
③直达供应和直送工位体制，协作厂就近就地选择，在
50km半径范围内，定时、定量直接将配套件送到工位，取消了
缓冲环节
•以顾客为中心的销售策略 经销人员登门拜访，主动销售，了解
基本情况，满足用户特定要求，用真诚感动用户
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第四节 敏捷制造（AM）
敏捷制造提出的背景
敏捷制造的内涵
敏捷制造的关键因素及关键技术
敏捷制造对制造业影响
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敏捷制造提出的背景
• 全球市场形成 商品竞争更趋激烈，市场多变，为及时捕捉市
场机遇，必须有一个灵活反应的企业生产机制。
• 美国制造业的衰退 冷战时期，美国将制造业列为“夕阳产业
”，致使美国经济严重衰退，如：
汽车: 55年市场份额为3/4，89年为1/4，而日本占30%；
收音机: 75年占本国市场96%， 95年几乎为零；
电视机: 美国发明，87年美国厂家仅剩1家，占国内市场15%
机床: 60年代最大出口国，80年代最大进口国，85年进口
50%。
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美国人对制造业再认识：
•不能保持世界水平的制造能力必将危急国家在国内外市场的竞争
能力；
•制造业是一个国家国民经济的支柱；
•美国在世界事务中的威望不仅取决于强大的国防态势，而且取决
于强大的制造能力，为了保持美国的领导地位，美国应实施各种
策略，再重振其制造竞争力；
敏捷制造策略繁荣提出：为了重新夺回美国在制造业优势，由国
防部资助，由里海大学牵头组织了调查，发现：面对突然出现的
市场机遇，由于不能完成相应调整而痛失良机。因而提出敏捷制
造策略，促使美国制造业发展，努力使美国能在2006年前重新恢
复其在制造业中的领导地位。
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敏捷制造的内涵
敏捷制造：快速调整自己，增强市场多变能力，在“竞争-合
作-协同”机制下，实现对市场作出灵活反应的一种生产制造模
式
敏捷制造企业：
• 快速响应市场/用户需求 不断改进老产品，迅速开发高质量新
产品，在整个产品生命周期内满足用户需求
• 快速应变能力 采用具有高度柔性、可重组设备组织生产，使
生产成本与批量无关，充分把握市场中每一个获利时机，使企
业长期获取经济利益
• 强调“竞争与合作” 一旦发现机遇，以最快速度从企业内部、
外部选出优势群体，组成功能单一的动态组织结构经营实体
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敏捷制造概念示意图
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敏捷制造的关键因素及关键技术
（1）企业的信息网
• 企业信息网是实施敏捷制造的最基础结构
• 能够迅速明确自己的竞争环境，快速响应市场/用户需求
• 进行异地设计，并行进行产品开发
• 持续不断地为用户提供产品信息服务，使用户在整个产品寿
命周期内对产品满意
• 将企业有关经营特点、资源、设备能力等信息上网，在不同
企业间进行信息的交换和共享，便于选择合作伙伴，赢得竞争
优势
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（2）虚拟公司
• 虚拟公司定义 一种动态组织结构，为了赢得某个市场机遇，
快速组成一个功能单一的临时性经营实体
• 虚拟公司目的 是使企业长期获取经济利益
• 虚拟公司成员关系 在竞争基础上相互信任、获取共同利益的
合作关系，知识产权、技能、信息、资源有偿共享
• 虚拟公司优点：
1）中小企业可分享合作者资源，大企业无需大量投资迅速
扩大生产和市场占有率，降低失败风险
2）可以在经济和技术实力上容易超过它所有竞争对手
3）每个合作者有机会进入更广泛的市场，各自资源可以得
到充分的利用，取得局部最优基础上的全局最优
4）可兼容竞争和合作，保存竞争活力，避免过度竞争
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虚拟公司的生命周期
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(3)敏捷制造的基础结构
• 物理基础结构 包括厂房、设备、实施、运输等物理设施；当机
遇出现时，只需要添置少量必要设备，多数的物理设施可以通过
选择合适的合作伙伴得到
• 法律基础结构 国家法律和政策条文，在法律上承认虚拟公司，
规定如何交易、利益分享、资本流动、纳税等，若虚拟公司破产
如何还债、如何善后、人员如何流动等
• 社会基础结构 需要社会为虚拟公司提供培训、中介等服务环境
• 信息基础结构 包括企业信息网络、服务网点、中介机构等信息
服务手段
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(4)敏捷型的员工
敏捷型员工的特征
一般员工 敏捷员工
基本技能 阅读；书写；算数
阅读和写作能力；计算；综合信息；
沟通想法；掌握技术
核心能力
准确复制信息；
听从命令；操作机器
寻找方式，学习新技能；系统考虑；
做决策；实验
个人内在
技能
服从；守时；忍耐；
遵守纪律
合作；自定位；有效地相互依赖；
从整体出发行动
精神境界
自主；不愿意共享；
趋于不信任
建设性的反崇拜；好奇/创造性强；
崇尚多样化
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敏捷型员工优势
①能够充分发挥主动性和创造性，积极有效地掌握信息和
新技术
②反应迅速灵活，能快速地从一个项目转换到另一个项目
③得到授权后，能自己组织和管理项目，在各个层次上做
出适当的决策
④具有协作精神，在虚拟公司中能与各种人员保持良好的
合作关系
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（5）虚拟制造
虚拟制造含义 将现实制造系统映射为虚拟制造系统，借助三
维可视交互环境，对产品从设计、制造到装配的全过程进行全
面仿真的技术
虚拟制造系统特征：
• 不消耗资源和能量，不生产现实世界产品，模拟产品制造过
程，对系统效益及风险进行评估
• 功能一致性，忠实反映现实制造系统功能和特性
• 结构相似性，与现实制造系统在结构上是相似的
• 组织灵活性，虚拟制造系统是面向未来、面向市场、面向用
户需求的系统，其组织与实现具有非常高的灵活性
• 集成化，包括信息集成、智能集成、串并行工作机制集成和
人机集成等多种形式的集成
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敏捷制造对制造业影响
• 联合竞争 不同优势企业联合起来构成的敏捷制造集团具有
强大的竞争力
• 技术和能力交叉 敏捷制造将促进制造技术和管理模式的交
流和发展，促进技术的转换和利用
• 环境意识加强 采用绿色设计和绿色制造技术，自觉地保护
生态环境
• 信息成为商品 将出现各种信息中介服务机构，向企业和顾
客提供各种咨询服务
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第五节 智能制造系统（IMS）
智能制造系统的含义与发展
智能制造系统的特征
智能加工与智能加工设备
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智能制造系统的含义与发展
智能制造系统（IMS）含义：
• 由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化系统
• 模拟人类专家的智能活动，进行分析、推理和决策
• 取代/延伸人部分脑力劳动，发展人类专家的制造智能
智能制造模式的发展：
• 智能制造是影响未来经济发展的重要生产模式
• 制造系统将由能量驱动型转变为信息驱动型
• 智能制造被各国政府列为国家发展计划
• 智能制造特别是信息技术发展的必然，是自动化和集成技术
纵向发展的结果
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智能制造系统的特征
• 自律（Holonic)能力 搜集理解环境和自身信息，规划自身行
为的能力，基于知识的模型是系统自律能力的基础
• 人机一体化 智能机器只具有逻辑思维（专家系统和部分形象
思维（神经网络），没有人的灵感思维，不可能全面取代人类
专家智能；人机一体化突出人的核心地位，使二者各显其能
• 虚拟现实技术 借助于音像和传感装置，虚拟展示现实生活中
各种过程，虚拟未来产品及其制造过程，从感官和视觉上使人
获得完全如同真实的感受
• 自组织与超柔性 能够自行组成一种最佳结构，具有运行方式
和结构形式的柔性，如同一群人类专家群体，具有生物特性
• 学习能力与自我维护能力 在实践中不断充实知识库，具有自
学习，自行进行故障诊断与排除功能
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自律性智能制造系统
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智能加工与智能加工设备
技术工人职责：①用感觉器官监视加工状况；②通过大脑判
断加工状态，并作出决策；③用四肢实施相应的操作和处理。
智能加工：应用传感处理、智能决策、实时控制技术，自主
选取数据，积累经验，根据获取的状态信息创造新的知识。
智能机床：应用传感器对切削过程进行在线监测，依据神经
网络诊断异常状态；故障发生时，启动知识处理机，参照存储
积累的知识，决策修正加工条件，排除机床故障。
预测推理模块：事前对异常情况进行推理，提供处理对策表
供检索调用。
控制推理模块：对已发生的异常情况采取相应处理对策。
先进制造技术概论 第六章 先进生产制造模式
武汉理工大学汽车工程学院/现代汽车零部件技术湖北省重点实验室 秦训鹏
智能机床的基本结构
先进制造技术概论 第六章 先进生产制造模式
武汉理工大学汽车工程学院/现代汽车零部件技术湖北省重点实验室 秦训鹏
智能加工中心的主机结构
先进制造技术概论 第六章 先进生产制造模式
武汉理工大学汽车工程学院/现代汽车零部件技术湖北省重点实验室 秦训鹏
本章小结
•CIMS是企业内的人/组织、经营管理和技术三要素集成，以
保证企业内的工作流程、物质流和信息流畅通无阻的企业信息
集成系统
•CIMS是由经营管理信息系统、工程设计自动化系统、制造自
动化系统和质量保证信息系统四个功能分系统，以及计算机网
络和数据库管理两个支撑分系统组成
•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生产组织管理方式
•群体小组和并行工程是精益生产的基础，及时生产、成组技
术和全面质量管理是精益生产的三大支柱
•敏捷制造是在“竞争-合作-协同”机制下，实现对市场需求作
出灵活快速反应的一种生产制造模式
