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第第33章章 计算机集成制造计算机集成制造
系统（系统（CIMSCIMS）技术）技术
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什么是什么是CIMSCIMS？？
CIMS－ 计算机集成制造系统（ Computer
Integrated Manufacturing Systems ）
CIMS－ 现代集成制造系统（ Contemporary
Integrated Manufacturing Systems）
C是手段
M是指大制造（ 制造业）
S是指整个系统
I是核心， 即通过集成提高制造企业的市场竞争能
力
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为什么要学习为什么要学习CIMS?CIMS?
了解相关知识
从事企业软件开发
CAD/CAE/CAPP
PDM/PLM
ERP
CRM
专用、高附加值的软件
从事企业信息化工作
企业的技术主管
CIO
从事企业信息化项目实施
金碟、用友
浪潮、华天
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课程主要内容课程主要内容
理念篇
CIMS的基本概念、基本原理、基本方法、应用背景
CIMS的方法体系
技术篇
CIMS总体设计技术
CIMS关键技术
管理、设计、制造、集成
实践篇
企业信息化
我国的制造业信息化工程战略
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.1 信息时代的制造业信息时代的制造业
制造业的发展历史က�
信息化带动工业化是必由之路
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制造业的内涵制造业的内涵
制造业是指对原材料(采掘业的产品和农产品)进行
加工或再加工，以及对零部件装配的工业的总称。
制造业一般有消费品制造业和资本品制造业、轻型
制造业和重型制造业、民用制造业和军工制造业、
传统制造业和现代制造业之分，其中装备制造业越
来越重要。က�က�
工业化国家 ：约 1 / 4的人口从事制造业，约
70 %～ 80 %的物质财富来自制造业。
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物质生产贯穿人类历史物质生产贯穿人类历史
材料、能源和信息是人类社会经济的三大重要支柱。
人类社会经济发展的历史，就是人类利用材料、能
源和信息进行物质生产的历史。
材料、能源和信息领域的任何技术革命，必然导致
生产方式的革命和生产力发展的飞跃。
物质生产材料 产品
信息
能源
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制造业发展史制造业发展史
制造业创造了人类
人与猿相分离，是由于人学会了双足行走和用手制造并
使用工具，这是人类进化的关键一步。
随着狩猎和采集技术的改进，人们制造的工具日趋精
细，种类越来越多，出现了有组织的石料开采和加工，
形成了原始制造业。
使用工具、制造工具，即原始的制造技术和生产方式的
改变引发了古猿进化的改辙，驱引他们用脑思维，脑容
量增大，经选择遗传而与猿类分离，变成堂堂直立的人
类 。
毛主席1964年有一首词《贺新郎·读史》，头几句是：
“人猿相揖别，只几个石头磨过，小儿时节。”
原始的工具制造是人类社会制造业的最早萌芽。
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制造业发展史制造业发展史
制造业是产业革命的主力军
18世纪的产业革命和接踵而来的电气化运动，从
1765年瓦特发明蒸汽机算起已延续了240年。这场波
澜壮阔的工业革命使人类的生产和生活方式发生了不可
逆转的伟大变化 。
产业革命的标志———瓦特蒸汽机的发明
工业革命的第二个高潮———电气化发生在19世纪后
半叶和20世纪初。
以1948年美国贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克利发
明晶体管，1958年制成第一台固体元件计算机为开端，
晶体管的发明和微电子制造技术的飞速发展，开创了全
新的信息时代。
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制造业发展史的启示制造业发展史的启示
蒸汽机和电机的应用，延伸了人的体力劳动，催生
了工业革命，使人类社会通过工业化从农业社会发
展到工业社会。
以计算机为核心的现代信息技术的应用，则延伸了
人的脑力劳动，引发了新的工业革命，使人类社会
通过信息化从工业社会发展到信息社会，信息化是
信息时代的工业革命。
农业社会 工业社会 信息社会
工业化
工业革命
信息化
新的工业革命
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从工业化到信息化的里程碑从工业化到信息化的里程碑
1765年——蒸汽机的发明拉开工业化革命序幕；
20世纪上半叶——一批发达国家完成工业化革命；
1948年——晶体管发明；
1958年——第一台固体元件计算机 ；
1959年——第一个集成电路；
1960年——ALGOL和COBOL计算机语言；
1964年——大型电子计算机IBM360系列；
1969年——互联网诞生；
1971年——用大规模集成电路组成的微处理机；
1977年——个人计算机；
1989年——万维网（WWW）诞生；
在短短的50年时间内，信息技术使我们的生活发生
了质的变化，世界全面转向信息化时代。
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机械制造业发展的几个阶机械制造业发展的几个阶
段段
第一阶段－－手工单件生产
第二阶段－－大批量重复生产
第三阶段－－自动化生产
第四阶段－－现代集成制造
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单件手工生产（第单件手工生产（第11阶段）阶段）
法国巴黎P&L汽车制造公司的汽车制造过程(1890
年)
年产量800台
有许多独立的工匠手工完成
单件制造方式က�
生产流程
几个主要伙伴讨论用户需求，确定汽车规格
定购主要零件、各个承包商制造零件、汇总安装
特点
劳动力在设计、制造工艺水平上较高，组织十分分散
产量低、价格高、产品维护费用高က�
追求的目标
全面满足客户的要求
较高的制造装配工艺水平
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大批量重复生产（第大批量重复生产（第22阶段）阶段）
Ford生产线方式的引入（1908年）
－零件互换、标准化技术的引入
－装配线（固定线－>流动线）
－结果：生产成本大量下降、生产率提高、产品的维护
费用下降、维护方法简化
－当生产量达200万量时，价格降低了2/3。
特点
－劳动力专业化分工、培训时间缩短
－组织结构一体化、大而全，计划管理，由上而下协调
生产组织－>官僚主义，对市场的响应能力下降
－机床的能力不断提高က�
大批量生产追求的目标（50年代前）
－大量生产
－低成本
－提高劳动生产率
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自动化生产（第三阶段，自动化生产（第三阶段，
50-7050-70年代）年代）
新的生产组织模式
制造资源计划（MRPII，美国）
精益生产（日本）
Siemag粗计划系统（德国）က�
制造设备水平提高
数控机床（50年代）
FMS（70年代）က�
计算机辅助设计技术应用
CAD、CAPP、CAM、CAE单元技术应用
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自动化生产特点自动化生产特点
计算机应用水平提高
CAD、CAPP、CAM、CAE技术应用
MRPII技术应用
管理信息系统应用
车间控制技术က�
局部集成技术
MRPII（计划、物料、库存、生产能力、财务、销售
信息集成）
CAD/CAPP/CAM集成
FMS、独立制造岛（加工设备、物料传送、仓库存储
设备的集成〕
优化က�
MRPII系统优化了物料供应和生产计划က�
FMS应用优化了生产调度和控制策略က�
车间作业计划与调度系统的应用优化了制造资源分配
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现代集成制造（现代集成制造（2020世纪世纪8080
年代以后年代以后
以信息技术为基础，系统集成与优化为手段，以提
高企业的市场竞争能力为目标，致力于全面提高企
业的T、Q、C、S 水平。
“自动化孤岛”问题：片面提高自动化水平并不能
够带来企业效益的提高က�
“信息孤岛”问题：孤立的信息单元作用有限
集成成为现代制造业发展的主旋律
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现代集成制造的代表模式现代集成制造的代表模式
计算机集成制造က�
并行工程က�
虚拟制造က�
精良生产က�
敏捷制造က�
协同制造က�
网络化制造
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自然经济 商品经济
科
技
生
产
力
经
济
形
态
1910 2000
奴隶社会
封建社会
资本主义、社会主义 共产主义
200年差距
作作 坊坊 式式
生生 产产
自然经济
大量流水和
成批生产
多品种
小批量
商品经济 产品经济
蒸汽机蒸汽机 电电 动动 机机 信息 技术
1900 1980
产品
经济
科学管理，系统管理，现代管理
计划
经济
科学管理
系统管理
现代管理
t
传统管理
中
国
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信息技术引发了制造业的信息技术引发了制造业的
深刻变革深刻变革
信息技术促使工业产品知识化，制造业信息化
产品信息化
设计制造过程信息化
管理信息化
资源信息化
服务信息化
信息技术推动了新技术经济体系的形成
产生了新的生产管理和组织形式
形成了当代最先进的生产力
为制造业注入了新的活力
增强了制造业的技术创新和管理创新能力。
信息技术促进了经济全球化与制造全球化
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信息时代制造业新的工业信息时代制造业新的工业
革命革命
信息技术促进了敏捷制造的发展，形成了以虚拟制
造和动态联盟为特征的新型制造模式。
网络技术促进了全球化制造的发展，引发了制造业
的重新分工和资源的重新配置。
计算机技术促进设计制造数字化，提高了产品创新
能力，缩短了设计周期，降低了产品开发成本。
电子商务技术促进了全球化采购/销售，降低了采购
与销售成本，提高了服务质量。
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数字BOEING
技术趋势
虚拟设计制造
全生命周期设计制造PLM
并行工程CE
全球化的协作平台EXSTAR
美国B777的应用效果
开发周期：9年－>年
成本降低：25％
100％整机数字化设计
世界垄断与霸主地位
制造业发生的深刻变革制造业发生的深刻变革
数字化飞机数字化飞机
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技术趋势
数字化设计制造
虚拟样机
全球采购和分销
大规模定制
通用公司应用状况
开发周期（48月－>24月－> 12
月）
碰撞试验（100次 －> 50次）
个性化定单 －> 3小时
通过在线采购降低成本10％
产品概念设计 产品详细设计
制造业发生的深刻变革制造业发生的深刻变革
数字化轿车数字化轿车
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中国的进步中国的进步
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数字化设计数字化设计//制造创我国枭制造创我国枭
龙飞机研制周期最短的奇迹龙飞机研制周期最短的奇迹
枭龙/FC-1型飞机从冻结
技术状态到首飞成功，只
用了23个月的时间，这是
采用了数字化设计/制造/
管理技术创造的奇迹。
建立枭龙/FC-1型飞机全
机 结构数字样机，实现
产品数据共享
全机工艺规程编制计算机
化
实现枭龙/FC-1飞机主要
结构件数字化设计/工艺/
加工/检测，突破结构件
制造瓶颈
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深海载人潜器示意图深海载人潜器示意图
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深海载人潜器的工作原理深海载人潜器的工作原理
和效果图和效果图
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机床机床
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.2 计算机集成制造系计算机集成制造系
统统————CIMSCIMS的基本概念的基本概念
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CIMCIM概念概念
1973年，博士提出CIM概念
基本思想
系统的观点：企业的各个生产环节是不可分割的，应该
加以统一处理
信息的观点：整个生产过程实质上也是对信息的采集、
传递和加工处理的过程，在企业中主要存在信息流和物
流这两种运动过程，而物流又是受信息流控制的。
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为什么要提出为什么要提出CIMCIM？？
在20世纪70年代， 美国产业政策过分夸大了第
三产业的作用， 而将制造业贬低为“夕阳工业”
、“生了锈的皮带”， 导致美国制造业优势的衰
退。
20世纪80年代初开始的世界性石油危机， 暴露
出美国制造业的优势多数已被日本所取代， 美国
报纸说： “十个高技术产品中的七个， 其市场已
为日本所占有”、“日本产品在美国人心目中已经
成为质量好、价格便宜的同义词”。
美国要用其信息技术的优势夺回制造业的领导地位，
认为“对CIMS， 不要再犹豫了！ （ CIMS，
no longer a choice!） ”
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““自动化孤岛自动化孤岛””
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1+1=2 ?1+1=2 ?
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将将““自动化孤岛自动化孤岛””集成在一集成在一
起起
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早期早期CIMCIM的定义的定义
CIM是一种组织、管理与运行企业生产的新哲理，
它藉助计算机硬软件，综合运用现代管理技术、制
造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，
将企业生产全部过程中有关人、技术、经营管理三
要素及其信息流与物流有机地集成并优化运行，
以实现产品高质、低耗、上市快，从而使企业赢得
市场竞争
经营管理
人/组织
技术
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几层含义几层含义
CIM是一种组织、管理与运行企业生产的哲理，其
宗旨是使企业的产品高质量、低成本、上市快，从
而使企业赢得竞争力
企业生产的各个环节，是一个不可分割的有机整体
企业生产的要素包括人、技术及经营管理，其中，
尤其重视发挥人在现代化企业生产中的主导作用。
企业生产活动中包括信息流（采集、传递和加工处
理）和物流两大部分。现代企业中尤其重视信息流
的管理运行及信息流与物流间的集成。
CIM技术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。
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CIMSCIMS定义定义
CIMS（Computer Integrated
Manufacturing System）是基于CIM哲理而
组成的系统，
定义为：“CIMS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、
系统工程技术，将企业生产全部过程有关的人、技
术、经营管理三要素及其信息与物流有机物有机集
成并优化运行的复杂的大系统。”
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.3 计算机集成制造系计算机集成制造系
统统————CIMSCIMS的基本概念的基本概念
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提出提出
1986年提出了863/CIMS主题计划。它以“发
展高科技、实现产业化”为宗旨，在国家科委(科
技部)直接领导和各有关部门的大力支持下，经过
近10000名专家、技术人员和管理人员不懈的努
力，立足国情，创新发展，从早期的以信息集成为
特征的计算机集成制造系统（Computer
Integrated Manufacturing System）开始，
发展到以信息集成和企业优化为特征的现代集成制
造系统（Contemporary Integrated
Manufacturing System），走出了一条具有
中国特色的CIMS之路，取得重大进展，并在国际
上取得了一席之地。
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时代背景时代背景
1.全球化趋势
2.以客户为中心的市场
3.竞争新环境和新形式
4.知识经济初露端倪
5.因特网的冲击
6.环境保护和可持续发展的呼声日盛
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CIMCIM新定义新定义
“CIM是一种组织、管理和运行现代制造类企业的
理念。它将传统的制造技术与现代化信息技术、管
理技术、自动化技术、系统工程技术等有机结合，
使企业产品全生命周期（ 从市场需求分析到最终
报废处理） 各阶段活动中有关的人（ 组织、管理）
、经营管理和技术三要素及其信息流、物流和价值
流三流有机集成并优化运行，以达到产品（P）上
市快（T）、高质（Q）、低耗（C）、服务好
（S）、环境清洁（E），进而提高企业的柔性、
健壮性、敏捷性，使企业赢得市场竞争。 ”
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信息集成
过程集成
企业间集成
51
四个功能分系统，两个支撑分系统组成
CIMS的基本组成、体系结构及其关键技术
52
1、管理信息分系统（MIS)
• MIS是CIMS的神经中枢
• 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。
53
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。
54
CAPP系统的分类
• 检索式：
•事先把零件的工艺规程按零件图号或成组编码储存在计算机中
•编制新零件的工艺规程时，检索—调出—编辑修改
•检索不到时，另行编制并储存在计算机中
• 派生式：例如美国国际计算机辅助制造公司开发的CAM-I系统
•按零件结构和工艺的相似性，将零件分为若干零件加工族
•对每一族零件制定优化加工方案
•编制新零件的工艺规程时，根据输入信息编制零件的成组代码，
根据代码识别它所属的零件加工族，调出该族的典型工艺，自动
搜索零件的型面和尺寸参数，确定需要的工序和工步。
55
综合零件
实际零件
【例】
56
零件组
矩阵
零件
编码
查 找
零件组
输入表
头信息
工艺规
程格式
工艺规程
打印输出
标准工艺
路线文件
标准工序
文件
工作要素
处理
应用
程序
工艺路线
检索/编辑
标准工序
检索/编辑
工艺规程
存储器
CAM-I 推出的派生式 CAPP 系统框图
57
标准工艺
规程文件
特征矩
阵文件
零件图
×××××
×××××
×××××
编码
第×零件组
零件组
形成
工艺过程
设计
a）准备阶段
零件图
标准工艺
检索
编码
×××××
第×零件组
零件组
搜索
工艺
规程
（编辑）
b）使用阶段
派生式 CAPP 系统工作的两个阶段
58
派生式CAPP的特点：
•程序简单，易于实现。目前多用于回转体类零件CAPP系统。
•需人工参与决策，自动化程度不高。
•具有浓厚的企业色彩，局限性较大。
59
•创成式CAPP系统（Generative CAPP System）
从无到有生成
（工艺决策算法和逻辑推理）
零件信息描述 零件工艺过程
要求较高，目前还处于实验研究阶段。
60
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。
Real
ch3/CIMS%E4%BC%A0%E8%BE%93%E7%B3%BB%E7%BB%
61
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。
62
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。
63
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
……….
….
.
CIMS五层递阶控制结构
64
• 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
CIMS递阶控制结构
65
1、CIMS决非无人化工厂。
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反思，并对
于人在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。
CIMS研究和应用中值得注意的几个问题
66
2、 CIMS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的系统结构亦不一样。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。
3、 CIMS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
据企业的财力和物力，分步实施，重点突破，既要保证系统
的实用有效，又要保证系统的集成。
CIMS国外发展简况
美国——不仅企业重视，国家也极为重视，认为CIM
是夺回失去市场、取得竞争成功的关键技术，并将不
可逆转地成为21世纪占主导地位的新的生产方式。20
世纪80年代初，美国国家标准局（NBA）所属
AMRF（自动化研究实验基地）建立了世界上第一个
CIMS实验系统
欧共体——1984年开始实施ESPRIT（欧洲信息技
术研究战略计划），在130个合作项目中，关于CIM
项目占28项
日本——CNC、DNC、FMS已处于世界领先地位，
1985年通产省主持开发“筑波综合实验工厂”，相当
于CIMS实验基地。
新加坡、以色列、韩国、巴西、南非等——也在积极
跟踪和发展CIM技术
CIMSCIMS的应用实例的应用实例
CIMS国内发展简况
I. 三个阶段
1989-1992年, 典型应用工厂的选点、可行性论证、
初步设计和详细设计阶段；
1993-1995年,典型应用企业实施的突破阶段:
北京一机床、沈阳鼓风机、成飞(集团)公司
1997年-2000年 ,实践深度、广度步入更高、更新
的阶段，如主题重大项目：哈电机、科龙、 金诚摩托
II. 实施效果
成都飞机工业公司：麦道机头生产周期12个月→6个
月，库存下降20%，竞标成功获得1亿波音757尾段
订单
沈阳鼓风机厂：产品报价6周→2周，成本下降
%，市场占有率达51%
科龙、华宝：百元销售资金下降51%，人均产值提高
70%，98年达202万元/人·年
经纬纺机厂：流动资金下降60%
北京第一机床厂：
CIMS的意义与作用
提高企业的管理效益
新产品开发周期缩短1/2-1/3；管理工作效率提高1
倍；库存压缩20%；生产周期缩短20%-50
改善企业的竞争地位,是进入WTO的需要
促进我国CIMS技术与产业发展
促进生产方式的转变:市场经济和集约化生产
CIMS存在问题
CIMSCIMS工程成功实施的关键因素是前期需求分析与诊工程成功实施的关键因素是前期需求分析与诊
断断，但目前缺乏一套完整有效的分析诊断的程序、模，但目前缺乏一套完整有效的分析诊断的程序、模
式和支持软件工具系统，加上主观上的不重视，分析式和支持软件工具系统，加上主观上的不重视，分析
诊断工作较为粗糙肤浅诊断工作较为粗糙肤浅
典型的管理技术应用问题
照搬照抄，未反映出企业的瓶颈问题和竞争特点。
重硬件，轻软件；重技术，轻管理；重突击成效，轻
连续改进。
CIMS工程与企业管理改进、技术改造相脱节
CIMS发展趋势
注重研究 → 注重应用
大型企业 → 中小型企业
“技术推动”→ “需求牵动”
强调技术支撑 → 强调人、技术、经营集成
CIM应用模式越来越多
CIM实施过程中不断吸收新技术、新思想、新概念
