先进制造哲理及生产模式.ppt

第二章 先进制造哲理及生产模式,2.1制造业生产模式的演变及产生背景2.2先进制造生产模式创立基点及战略目标2.3 计算机集成制造系统（CIMS）2.4并行工程（CE）2.5敏捷制造（AM）2.6智能制造系统（IMS）2.7虚拟制造（VM）2.8 精益生产（LP）2.9绿色制造（GM）,2.1制造业生产模式的演变及产生背景,一、制造业生产模式的演变 人类制造业及制造系统生产模式的发展已有了漫长的历史。但长期以来，人类社会处于手工技术和手工业的水平，制造业及制造生产模式的真正形成与发展，还只有近两百年的历史。回顾历史，人类制造业的生产方式的发展大致经历了四个主要阶段。,2.1制造业生产模式的演变及产生背景,1手工与单件生产方式 1765年瓦特蒸气动力机的发明，促使制造业取得了革命性的变化，引发了工业革命，出现了工场式的制造厂，从手工业到机器作业，从作坊到批量生产，生产率有了较大提高，揭开了近代工业化大生产的序幕。其基本特征是：(1)采用手动操作的通用机床，按用户要求进行生产，生产的产品可靠性和一致性不能得到保证。(2)生产效率低，生产成本低。(3)生产者是整台机器的作坊业主。(4)工厂组织结构松散，管理层次简单。,2.1制造业生产模式的演变及产生背景,2大批量生产方式 从19世纪中叶到20世纪中叶，由于E.Whitney提出“互换性”与大批量生产，Oliver Evons将传送带引入生产系统，的“科学管理”，H.Ford开创的汽车装配自动流水生产线，使制造业开始了第一次生产方式的转换，这种模式推动了工业化进程，为社会提供了大量的经济产品，促进了市场经济的高度发展，成为各国仿效的生产方式。其主要特征是：(1)实行从产品设计、加工制造到管理的标准化和专业化生产。(2)采用移动式的装配线和高效的专用设备。(3)实行纵向一体化管理。把一切与最终产品相关的工作都归并到厂内自制。,2.1制造业生产模式的演变及产生背景,3柔性自动化生产方式 从50年代开始，人们逐渐认识到刚性自动化的不足：劳动分工过细，导致了大量功能障碍；对市场和用户需求的应变能力较低；纵向一体化的组织结构形成了臃肿官僚的“大而全”的塔形多层体制。面对市场的多变性和顾客需求的个性化、产品品种和工艺过程的多样化以及生产计划与调度的动态性，迫使人们寻找新的生产方式，提高工业企业的柔性和生产率。1952年美国麻省理工学院试制成功世界上第一台数控铣床，揭开了柔性自动化的序幕；1958年研制成功“自动换刀镗铣加工中心；1962年在数控技术基础上，研制成功第一台工业机器人、自动化仓库和自动导引小车；1966年出现了用一台大型通用计算机集中控制多台数控机床的CNC系统；1968年英国莫林公司和美国辛辛那提公司建造了第一条由计算机集中控制的自动化制造系统，定名为柔性制造系统；70年代，出现了各种微型机数控系统、柔性制造单元、柔性生产线和自动化工厂。以上这些技术进步和发展，标志着柔性生产的开始。与刚性自动化的工序分散，固定节拍和流水生产的特征相反；柔性自动化的共同特征是：工序相对集中，没有固定的节拍，物料的非顺序输送；将高效率和高柔性融于一体，生产成本低；具有较强的灵活性和适应性。,2.1制造业生产模式的演变及产生背景,4高效、敏捷与集成经营生产方式 自70年代以来，不同时期不同国家的经济增长、繁荣与停滞、衰退交替出现，企业所处的外部环境日趋复杂多变，使得世纪之交的企业面临一系列前所未有的挑战。(1)市场需求波动，消费者更加具有选择性，产品需求朝多样化发展。开放自由表达多样化潮流的发展，是消费者价值观念结构性变化的必然结果，消费者不仅要求产品体现个性，且其需求的变化十分迅速。(2)市场对产品性能、质量要求更高，产品寿命缩短。(3)国际合作成为科学发展的强大势头。科学技术、经济、生产及市场的全球化、一体化、社会化已成为必然趋势，国家间的市场界线即将消失，企业经营处于全球化竞争环境之中，科技的发展对经济和社会的影响将空前广泛，愈加深刻。(4)竞争日趋激烈。技术的迅速发展，市场的用户化、经济的全球化及基于不同基础上的企业竞争行为等组合作用的结果，使竞争形势瞬息万变，其速度远远超过了现有企业内部因素变化的速度，使得企业的生存与发展愈来愈取决于对市场变化的响应速度。(5)技术的迅猛发展。大量新技术的不断涌现，并向各个领域渗透，科技内部的交叉和联系，以及科学技术与社会相互作用的进一步增强，使技术、知识及产品的更新速度加快，特别是计算机技术、信息技术的发展,将引起人类生产力的飞跃和社会生产方式的巨变，是推动企业全面变革的主导力量。,2.1制造业生产模式的演变及产生背景,近些年来，在日本、美国有关制造模式的新概念层出不穷,例如并行工程、敏捷制造、智能制造、精益生产等，这些新方法的出现彻底动摇了原有的管理理论和生产方式，以“专业化分工”和“科层递阶控制”为特征的传统管理方式已经过时。这些新概念、新思想的出发点和目标并不一致，但他们共同特点是：(1)以技术为中心向以人为中心转变，使技术的发展更加符合人类社会发展的需要。(2)企业的组织结构将从金字塔式的多层次生产管理结构向分布式扁平的网络结构转变。(3)从传统的顺序工作方式向并行工作方式转变。(4)制造系统的策略将集中在灵活组织社会资源，企业从按功能划分部门的固定组织形式向动态的、自主管理的小组工作组织形式转变。(5)质量是企业尊严和品牌价值的起点，快速响应市场的竞争策略是制胜的法宝。(6)企业从单纯竞争走向既有竞争、又有结盟之路。(7)技术创新将成为21世纪企业竞争的焦点。两百多年来的历程，充分显示了技术推动与市场牵引两项因素对制造生产模式发展的作用。,2.1制造业生产模式的演变及产生背景,二、制造业生产模式产生的背景 为使制造业摆脱困境，人们仍沿传统思路希望依靠制造技术的改进和管理方法的创新来解决问题。抓住由于计算机的普及应用所提供的有利契机，以单项的先进技术(如CAD、CAM、CAPP、MRP、GT、CE、FMS等)和全面质量管理(TQC)作为工具与手段，来全面提高产品质量和赢得供货时间。单项先进制造技术和TQC的应用确实取得了很大成效，但在响应市场的灵活性方面并没有实质性的改观，而且巨额投资和实际效果形成了强烈反差，其中以国内外应用FMS的教训最为深刻。至此人们才意识到问题不在具体制造技术和管理方法本身，而是因为它们仍在大批量生产模式的旧框架之中。先进制造生产模式就是在对大批量生产模式的质疑、反思和扬弃中应运而生的。,2.2先进制造生产模式创立基点及战略目标,（一）、先进制造生产模式的创立基点 为适应市场竞争新形势的需要，加上科学技术发展提供的可能性，工业发达国家进一步重视制造系统理论研究，相继提出了一系列制造系统的新概念、新模式。诸如计算机集成制造(CIM)、并行工程(CE)、精益生产(LP)、敏捷制造(AM)、全能制造系统(HMS)、经营程序再造(BPR)、分形（fractal）制造和仿生(bionic)制造等等。根据相似工程的观点，制造系统的各种模式，既然有其相同的目标或目的，必然具备相似的功能或能力。制造系统的功能要求相似，其哲理或方法,其机理或行为，其组织结构，其内部与外部要素之间的关系以及其表观的性质便会有诸多的相似。而在研究或借鉴制造系统诸模式的相似性时，又必须同时注意研究其所依赖的条件，并根据自身条件的不同而有所变异。,2.2先进制造生产模式创立基点及战略目标,先进制造生产模式，其本质就是集成经营。集成经营是在新的市场环境下，将企业经营所涉及的各种资源、过程与组织进行一体化的并行处理。通过集成使企业获得精细、敏捷、优质与高效的特征，以适应环境变化对质量、成本、服务及速度的新要求。联合国在关于50年代西欧经济增长的决定因素的报告中，首次指出并分析了技术、组织、人因三种资源对企业经营的关键作用。事实上技术、组织与人因三大资源构成了现代企业制造生产方式的基石。以此为基石的关键性支撑模式，目前普遍受到重视主要有三类：智能制造与柔性生产；精益生产；敏捷制造。为能实现制造企业的战略目标，制造企业采用先进制造生产模式可从几种途径入手：制造技术、人的作用和制造组织；所依赖的手段主要是投资和创新。由图2-1可以看出它们的特点与区别。,2.2先进制造生产模式创立基点及战略目标,图2-1 先进制造生产模式创立的基点与途径,2.2先进制造生产模式创立基点及战略目标,（二）、制造系统的工程属性和经济属性 从工程角度看，制造系统是一个由硬件、软件和人员构成的动态技术系统。它在物料、信息和能量的流动过程中。将原材料转变成产品，见图2-2。,图2-2 制造系统的工程模型,2.2先进制造生产模式创立基点及战略目标,从经济角度看，制造系统作为一个企业，是一个由固定资产、流动资产和无形资产构成的动态经济系统。它在资金的流动过程中，使资产增值并获得收益，见图2-3。图2-2和图2-3所示的工程模型和经济模型分别描述了制造系统的工程和经济的两方面属性。在市场经济条件下，其经济属性是最根本的属性。也就是说，工程属性服从于经济属性的要求，一个从工程属性来看技术性能虽好，但从经济属性来看是亏损的制造系统，绝不是一个成功的制造系统。制造系统作为一个企业，其运营的主要形式，是实现资金与产品的相互转化。通过这种相互转化，使制造系统的工程和经济两方面属性紧密联系起来。制造系统作为企业，其运营的根本目标，是在经济、政策、法规以及社会效益等环境的约束条件下(见图2-3)，持续地、最快最多地获得利润。为此，必须尽量增加销售额，同时尽力降低成本。,2.2先进制造生产模式创立基点及战略目标,图2-3制造系统的经济模型,2.2先进制造生产模式创立基点及战略目标,（三）、运营目标对制造系统的功能要求 先进制造生产方式的新模式在考虑问题的层次、范围、角度和具体实施等方面有很大差别，但就目标而言，其根本的运营目标是最大限度地获取利润。为实现此目标，力图使企业提高并具备下述四种能力：(1)时间竞争能力。产品上市快，生产周期短，交货及时。(2)质量竞争能力。产品不仅可靠性高、而且用户满意。(3)价格竞争能力。产品生产成本低。销售价格适中。(4)创新竞争能力。产品有特色，生产有柔性，竞争有策略。,2.2先进制造生产模式创立基点及战略目标,（四）、先进生产模式的战略目标 表2-1对比了传统制造生产模式和先进制造生产模式的主要特征。由此可概括出先进制造生产模式的主要战略目标及共性。,表2-1 传统制造生产模式和先进制造生产模式主要特征的对比,2.2先进制造生产模式创立基点及战略目标,1、获取生产有效性为首要目标 卖方市场的特征使大批量制造生产模式的生产有效性成为既定满足的条件，致力于生产效率的提高成为了大批量制造生产模式的中心任务。当今复杂多变的市场环境，特别是消费者需求的主体化与多样化倾向使得制造生产的有效性问题突现出来。先进制造生产模式不得不将生产有效性置于首位，由此导致制造价值定向(从面向产品到面向顾客)、制造战略重点(从成本、质量到时间)、制造原则(从分工到集成)、制造指导思想(从技术主导到组织创新和人因发挥)等出现一系列的变化。,2.2先进制造生产模式创立基点及战略目标,2、以制造资源集成为基本制造原则 制造是一种多人协作的生产过程，这就决定了“分工”与“集成”是一对相互依存的组织制造的基本形式。制造分工与专业化可大大提高生产效率，但同时却造成了制造资源(技术、组织和人员)的严重割裂，前者曾使大批量生产模式获得过巨大成功，而后者则使大批量生产模式在新的市场环境下陷入困境。,2.2先进制造生产模式创立基点及战略目标,3、经济性源于制造资源的快速有效集成 经济性是任何一种制造活动都要追求的主要目标。先进制造生产模式的经济性体现在制造资源快速有效集成所表现出的制造技术的充分运用、各种形式浪费的减少、人的积极性的发挥、供货时间的缩短和顾客满意程度的提高等。,2.2先进制造生产模式创立基点及战略目标,4、着眼于组织创新和人因发挥 与以技术为主导的大量制造生产模式不同的是，先进制造生产模式更强调组织和人因的作用。技术、人员和组织是制造生产中不可缺少的三大必备资源。技术是实现制造的基本手段，人是制造生产的主体，组织则反映制造活动中人与人的相互关系。技术作为用于实际目的的知识体系，它本身就源于人的实践活动，也只有通过被人所掌握与应用才能发挥其作用。而在制造活动中人的行为又受到他所在组织的影响、诱导、制约和激励。所以，制造技术的有效应用有赖于人的主动积极性，而人因的发挥在很大程度上取决于组织的作用。显然，先进制造生产模式着眼于组织与人因是抓住了问题的关键。,2.2先进制造生产模式创立基点及战略目标,5、重视发挥新技术和计算机信息的作用 抓住由于计算机发展和应用所提供的契机，以最新技术(如CAD、CAM、CAE、CAID、CAPP、MRP、GT、CE以及FMS等)、全面质量管理(TQC)以及计算机网络作为工具和手段，将这些当今先进的技术、组织变革和人因改善有效集成起来，便可发挥出巨大潜能。,2.3 计算机集成制造系统（CIMS）,计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System)是现代信息技术条件下的新一代制造系统。它以计算机来辅助制造系统的集成，以充分的、及时的信息交流或信息共享将企业的设计、工艺、生产车间以及供销和管理部门集成一个有机的整体，使他们相互协调地运作，以提高产品质量，缩短产品开发周期，提高生产效率，确保企业的整体效益，提高企业竞争力和生存能力。,2.3 计算机集成制造系统（CIMS）,一、CIMS的提出和发展 1974年美国人约瑟夫哈林顿博士在Computer Integrated Manufacturing一书中首先提出了计算机集成制造的概念。哈林顿提出的CIM概念中有两个基本观点：(1)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生产活动是一个不可分割的整体，要紧密连接，统一考虑。(2)整个生产过程实质上是一个数据采集、传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。这两个基本观点至今仍是CIMS的核心内容。,2.3 计算机集成制造系统（CIMS）,最近一个时期以来，随着科学技术的加速发展，从技术的角度来看，至少具有以下三个突出的特点：(1)人类的活动领域大大扩展，日益涉及到宇宙、深海、沙漠、极地等过去人类很少或从未活动过的领域，这些领域的特点是高负压、微重力、高压、高寒、高温等。在这些超过人类正常体力所能承受的极限条件下活动，要求实现高度自动化作业。(2)工业产品日益趋向复杂、精密、高可靠性、高安全性和高度自动控制。(3)工业生产日益向高速度、高精度、高质量加工方向发展，生产条件也越来越严格和严峻，要求在高负压、高清洁度、高温、深冷、高压、高危险性等条件下进行作业。这种发展趋势也要求实行高度自动化作业，而且有越来越多的产品若不实行自动化作业已不可能进行生产。如加工精度为微米级甚至亚微米级的产品，不用在线测量、闭环控制的自动化加工，是生产不出来的；又如核发电站不实行高度自动化操作也是不可能实际使用的。,2.3 计算机集成制造系统（CIMS）,这三者是互相联系，互相促进的。它们有一个共同的发展趋势，就是要求产品功能的自动化。从这个意义上说，自动化已成为现代化的同义语。再从市场方面看。从70年代开始，世界市场发生了重大变化。科学技术飞速发展和社会需求多样化的相互作用、相互促进，使过去传统的相对稳定型市场变成动态的、多变的市场，具体表现在：(1)产品的生命周期，即产品的更新换代时间越来越短。(2)加剧了缩短从科学发展到技术应用的周期的竞争。(3)产品的型号和规格日益增多，即使大规模生产的汽车工业也成了一种要求进行多品种、小批量生产的典型行业。在1983年出版的丰田生产方式的新发展一书中曾作了一个统计用以说明这种情况(见表2-2)。,2.3 计算机集成制造系统（CIMS）,表2-2 3个月中生产的各车种型号数与生产台数,2.3 计算机集成制造系统（CIMS）,(4)市场五要素：品种、质量、价格、交货期、服务的竞争越来越激烈。面对上述技术和经济的新形势，工业，特别是离散型工业(约占全部工业的50)，必须寻求一种技术与管理高度结合的新的生产方式，才能在今后继续发展。CIMS正是这样一种新的生产方式。计算机在各单元技术上的应用，如CAD、CAM、工业机器人、FMS、ERP等，在缩短新产品研制周期，提高各种资源(设备、材料、能源、厂房、人力、资源、信息等)的利用率，制造高度精密、复杂的产品，缩短生产周期，提高生产、工作效率，降低成本，增强市场应变能力等方面，已给采用这些技术的企业带来显著的效益。但是人们进一步发现，这些自动化单元技术的集成能够带来更高的技术上和经济上的效益。,2.3 计算机集成制造系统（CIMS）,1985年，美国科学院根据对美国在CIMS方面处于领先地位的五个公司(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、英格索尔公司和西屋公司)所进行的长期调查和分析，认为采用CIMS可以获得如表2-3的效益。这是因为集成度的提高，可以使各种生产要素之间的配置得到更好的优化，各种生产要素的潜力可以得到更大的发挥，实际存在于工业企业生产中各种资源的明显的或潜在的浪费可以得到最大限度的减少以至消除，从而可以获得更好的整体效益。,2.3 计算机集成制造系统（CIMS）,表2-3 采用CIMS可获得的效益,2.3 计算机集成制造系统（CIMS）,技术上的可能和市场竞争的需要，终于使哈林顿在1974年提出的CIM概念由不被重视而迅速地成为一些技术上处于先导地位的企业和一些国家政府的实践活动。世界上一些著名的大公司，从20世纪70年代末、80年代初开始制定本公司实现CIMS的规划，建立CIMS的生产工厂(车间)，攻克实现CIMS的技术难关并且不断取得重大进展。一些工业发达国家政府，如美国、日本、欧洲共同体和经互会成员国，都把CIMS作为科学技术发展的一个战略目标，通过制定各种计划、规划，建立国家研究实验基地等手段积极推进这一新的生产方式的发展。我国在1987年开始实施的“高技术研究发展计划纲要”中，也列入了CIMS的课题，一些部门、企业、研究所和高等院校也制定了自己实施CIMS的规划、计划，并从各个方面对CIMS有关技术进行研究、开发。,2.3 计算机集成制造系统（CIMS）,二、CIMS的概念和构成1概念计算机集成制造系统，简单地说是工厂自动化的发展方向，是未来工厂的模式。目前对CIMS的理解和定义比较多。为了有一个正确的认识，首先从1974年哈林顿博士提出的CIM概念的含义出发，他认为：企业的各个环节是不可分割的，需要统一考虑；整个制造生产过程实质上是对信息的采集、传递和加工处理的过程。从这个含义出发，可以知道CIMS包含两方面的内容：,2.3 计算机集成制造系统（CIMS）,(1)在功能上，CIMS包含了一个工厂的全部生产经营活动，即从市场预测、产品设计、加工制造、管理到售后服务的全部活动。CIMS比传统工厂自动化的范围大得多。是一个复杂的大系统。(2)CIMS涉及的自动化不是工厂各个环节的自动化或计算机化(有人称自动化孤岛)的简单相加。而是有机的集成。这里的集成，不仅是物，设备的集成，更主要的是体现以信息集成为特征的技术集成，以至于人的集成。CIMS的效益也正在于此。所以说，CIMS是在自动化技术，信息技术及制造技术的基础上，通过计算机及其软件，将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集成起来，是适合于多品种、中小批量生产的总体高效益、高柔性的智能制造系统。,2.3 计算机集成制造系统（CIMS）,2CIMS的构成CIMS的构成可以从功能、结构及学科等不同角度来了解。从功能角度看，CIMS包含了一个制造工厂的设计、制造、质量控制、经营管理四种主要功能，要使这四者集成起来，还需要有一个支撑环境，即分布式数据库、网络及指导集成运行的系统技术。图2-4为CIMS的各功能模块。,图2-4 CIMS的各功能模块,2.3 计算机集成制造系统（CIMS）,(1)设计功能图2-4 CIMS的各功能模块1)CAD 在CIMS中，设计要调用各种不同的数据库中的数据，譬如工厂管理中的某些数据；加工后，坐标测量机对零件检测的数据；而且各种CAD工作站中的图形或数据应该构成一个联合设计环境。因此，这里的CAD不是孤立的，而是在内部以及与外部密切关联并带反馈的CAD。CAD还包括产品设计的专家系统及设计中的仿真。2)CAE 包括对零部件的机械应力、热应力进行有限元分析以及考虑到产品成本等因素的优化设计等功能。3)CAPP 此功能对机械产品是选择合理的工艺参数系统，可以采用样件法或创成法(专家系统)来实现CAPP。4)CAM 按照零件的形状及CAPP生成的NC代码，要考虑刀具补偿等因素的后处理。在CIMS中，CADCAPPCAM是局部地集成起来的，这将遇到图形转换标准、工程数据库等方面的许多问题。,2.3 计算机集成制造系统（CIMS）,(2)加工制造 按照NC代码将一个毛坯加工成合格的零件并装配成部件以至产品，牵涉到加工制造中的许多环节。在这里物料流与信息流交汇，完成设计及管理中的指定任务，并将制造现场的不同信息，如实的或经过初步处理(如统计分析)的信息反馈到相应的部门。1)加工工作站 对于机械加工主要是各类数控机床如镗铣、车削加工中心。它们需要与工业机器人配合起来完成指定的任务。在信息集成中，主要是控制系统的联网问题。2)物料输送及储存工作站 包括自动运载小车或各种传送带及机器人，以及立体仓库、堆垛机、装卸工作站及其控制系统。3)检测工作站 机械加工用数控三坐标测量机，电路产品用各种专用自动化测试设备。4)刀具管理工作站 刀具的调度及管理对于机械加工是极为重要的。它包括了中央刀库、换刀机器人、刀具预调设备和刀具数据库等。5)装配工作站 多数是由带有传感器的工业机器人及传送装置来实现的。其主要技术内容包括合理的机构设计、人工智能技术及协调控制等。此外，还有许多其他设备，如清洗机、排屑器等。,2.3 计算机集成制造系统（CIMS）,(3)计算机辅助生产管理(CAPM)管理方面需要制定年、月或周的生产计划、物料需求计划(MRP)、生产能力(资源)平衡以及进行财务、仓库等各种管理(结合起来成为MRP-)。经营方面包括市场预测及制定长期发展战略计划。(4)计算机集成质量信息系统(QIS)。QIS能使大量存在于设计、制造与管理中的与质量有关的数据得到有效的采集、存储、评价与处理，可以获得一个控制环，以此形成一组互相协调的资源与过程，保证系统整体达到其质量目标。因此QIS的开发将为CIMS的总体目标奠定良好的基础。(5)集成方法论及技术。要使上述四个主要功能模块集成起来运行，需要有一套系统分析设计及指导系统最优运行的方法，如系统工程理论、成组技术GT等以及实现集成所必须的理论和技术，即分布式数据库管理系统以及工厂局域网的支撑环境才能达到信息总集成的目的。,2.3 计算机集成制造系统（CIMS）,图2-5 AMRF的分级控制结构从结构上看CIMS，任何企业都是层次结构的，但各层次的职能及信息特点大不相同。一个企业可以由工厂、车间、单元、工作站及设备五层组成(但也可以加上公司一级成为六层)，其职能分为计划、管理、协调、控制及执行。在最高层，如工厂和公司，有大量抽象信息，不确定性强(正像决策中常常碰到的)，信息处理的周期也长，有时以年、月计。越下层，信息越具体，有的实时信息以毫秒、微秒来计算，CIMS就是要在这样一个十分广阔的信息范围内将其集成起来，数据的采集、通信(不同的局域网)、处理(针对具体的数学模型或不同类的非结构化模型)都是不相同的。从学科来看，CIMS是系统科学、计算机科学和技术与制造技术互相交互渗透产生的集成方法及技术，并将此技术用到制造环境中去，反过来应用又促进了这些学科的发展。,2.3 计算机集成制造系统（CIMS）,图2-5 AMRF的分级控制结构,2.3 计算机集成制造系统（CIMS）,三、CIMS的五层递阶控制模型根据美国国家标准局的自动化制造研究实验基地(Automated Manufacturing Research Facility，简称AMRF)首次提出的五层递阶控制模型如图2-5所示。AMRF采用分级控制结构。它是在对传统的制造管理系统功能需求进行深入分析的基础上提出来的。它由五级组成(见图2-5)，即：工厂级、车间级、单元级、工作站级和设备级。每一级又可进一步分解成子级或模块，并都由数据驱动，还可扩展成树状结构，如图2-6所示。分述如下：,2.3 计算机集成制造系统（CIMS）,图2-6 扩展的AMRF分级控制结构,2.3 计算机集成制造系统（CIMS）,2车间级控制系统这一级控制子系统负责协调车间的生产和辅助性工作，以及完成上述工作的资源配置。其规划时间范围从几周到几个月。它有两个主要模块：(1)任务管理模块，负责安排生产能力计划，对订单进行分批，起用和撤销“虚拟”单元(Virtual Cell，虚拟制造单元是AMRF提出的新概念)，把任务及资源分配给各单元，跟踪订单直到完成，跟踪设备利用情况，安排所有切削刀具、夹具、机器人、机床及物料运输设备的预防性维修，以及其他辅助性工作。(2)资源分配模块，负责分配单元级进行各项目具体加工时所需的工作站、储存区、托盘、刀具及材料等。它还根据“按需”原则，把一些工作站分配给特定的“虚拟”单元，特地改变AMRF的组织结构。为使资源分配模块能自我调节。设计了一个拍卖方案(Auctioning Scheme)，它可以按最高报价(bid)将资源分配给申请的单元。单元也能根据作业优先权、完成日期预计、成本估算和(或)成本最高限额自动计算出报价。,2.3 计算机集成制造系统（CIMS）,3单元级控制系统这一级负责相似零件分批通过工作站的顺序和管理诸如物料储运、或检验以及其他有关辅助工作。它的规划时间范围可以从几小时到几周。具体的工作内容是完成任务分解，资源需求分析，向车间级报告作业进展和系统状态，决定分批零件的动态加工路线，安排工作站的工序，给工作站分配任务以及监控任务的进展情况。4工作站级控制系统这一级控制系统负责指挥和协调车间中的一个设备小组的活动。它的规划时间范围可以从几分钟到几小时。一个典型的AMRF工作站由1台机器人、1台机床、1个物料储运器和1台控制计算机组成。AMRF卧式加工工作站体系结构如图2-7所示。,2.3 计算机集成制造系统（CIMS）,2.3 计算机集成制造系统（CIMS）,图2-7 AMRF卧式加工工作站体系结构,2.3 计算机集成制造系统（CIMS）,5设备级控制系统这一级是“前沿”系统，是各种设备如机器人、机床、坐标测量机、小车、传送装置以及储存检索系统等的控制器。规划时间范围可以从几毫秒到几分钟。采用上述设备控制装置，是为了扩大“现役”设备的功能，并使他们符合标准局的控制和检测计量概念。标准局为设备控制系统研制的先进计量法包括：热和运动误差的软件修正，在线超声波表面粗糙度检测，切屑形状声发射监测，刀具磨损检测以及在机床上探测和预先计算由夹紧力引起的变形等等。这一级控制系统向上与工作站控制系统用接口连接，向下与厂家供应的设备控制器接口连接。设备控制器的功能是把工作站控制器命令转换成可操作的、有次序的简单任务，并通过各种传感器监控这些任务的执行。,2.3 计算机集成制造系统（CIMS）,四、扩展的单元控制及CIMS的新发展CIM作为一种哲理在制造业中已经得到广泛的认同。CIM不仅在机械加工企业中得到大力推广和应用，近年来已经逐渐在大量的离散型制造系统中得以发展。我们认为，对单元控制系统的研究和应用也不应仅局限于机械加工FMS。内涵扩展了的单元控制系统如图2-8所示。从CIMS概念提出一直到20世纪80年代末，人们普遍把CIMS看作全自动化的系统，并一直向这方面努力，但这些努力在实践中取得的效果却不大，在走了不少弯路后，人们开始重新认识CIMS，并不断赋予CIMS很多新概念，如并行工程、精益生产、敏捷制造等。新一代CIMS并不过分强调物流自动化，而是强调以“人”为中心的适度自动化，强调人、技术、管理三者的有机集成，充分发挥人的主观能动性。,2.3 计算机集成制造系统（CIMS）,图2-8 内涵扩展了的单元控制系统,2.4并行工程（CE）,一、CE的提出及特性1CE（Concurrent Engineering）的提出传统产品开发的组织形式是一种线性阶段模式，产品开发过程是顺序过程：概念设计详细设计过程设计加工制造试验验证设计修改工艺设计正式投产营销，如图2-9所示。这种方法在设计的早期不能全面地考虑其下游的可制造性、可装配性和质量可靠性等多种因素，致使制造出来的产品质量不能达到最优，造成产品开发周期长，成本高，难以满足激烈的市场竞争的需要。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，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中从概念形成到产品报废的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求等。如图2-10所示。,2.4并行工程（CE）,图2-9 传统产品开发的组织形式,2.4并行工程（CE）,图2-10 并行工程的内涵及其组成,2.4并行工程（CE）,2CE的特性(1)并行特性。把时间上有先后的作业活动转变为同时考虑和尽可能同时处理和并行处理的活动。(2)整体特性。将制造系统看成是一个有机整体，各个功能单元都存在着不可分割的内在联系，特别是有丰富的双向信息联系，强调全局性地考虑问题，把产品开发的各种活动作为一个集成的过程进行管理和控制，以达到整体最优的目的。(3)协同特性。特别强调人们的群体协同作用包括与产品全生命周期(设计、工艺、制造、质量、销售、服务等)的有关部门人员组成的小组或小组群协同工作，充分利用各种技术和方法的集成。这种途径生产出来的产品不仅有良好的性能，而且产品研制的周期也将显著缩短。(4)约束特性。在设计变量(如几何参数、性能指标、产品中各零部件)上，考虑产品设计的几何、工艺及工程实施上的各种相互关系的约束和联系。,2.4并行工程（CE）,表2-4顺序工程和并行工程在产品创新、质量、生产成本和柔性上的比较,2.4并行工程（CE）,二、CE的理论基础与运行机理1CE的理论基础从本质上讲，CE是一种以空间换取时间来处理系统复杂性的系统化方法(Systematic Approach),它以信息论、控制论和系统论为理论基础，在数据共享、人机交互等工具及集成上述工具的智能技术支持下，按多学科、多层次协同一致的组织方式工作。与传统串行工作模式相比，它大大地扩大了系统状态空间，大大地缩短了复杂问题交互式求解进程的迭代次数，促使最终目标一次成功，以非线性的管理机制和整体性思想，赢得集成附加的协同效益。2.CE的运行机理CE不是某种现成的系统或结构，不能像软件或硬件产品一样买来安装即可运行。它是一种自顶向下进行规划、自底向上进行实施的哲理。,2.4并行工程（CE）,将CE思想贯穿于产品开发过程中，需要管理、设计、制造、支持等知识源的有机协调。它不仅依靠各知识源之间有效的通信，同时要求有良好的决策支持结构。其运行机理的要点为：(1)突出人的作用，强调人的协同工作。(2)一体化、并行地进行产品及其有关过程的设计，尤其要注意早期概念设计阶段的并行协调。统计表明，概念设计阶段的成本占产品全部成本的70。(3)重视满足客户的要求。(4)持续地改善产品有关的过程。CE的工作模式中要注意持续、尽早地交换、协调、完善关于产品有关的制造支持等各种过程的约定和定义，从而有助于CE三个目标的实现。(5)注意CE中信息与知识财富的开发与管理。(6)注重目标的不变性。(7)五个“不”。CE不是不费力气就能成功的“魔术方法”；CE不能省去产品串行工程中的任一环节；CE不是使设计与生产重叠或同时进行；CE不同于“保守设计”；CE不需保守测试策略。,图2-11 计算机辅助产品并行设计系统,2.4并行工程（CE）,(1)产品概念设计。对产品设计要求进行分组描述和表述，如设计实体的模式，以性质、属性等之间的关系描述，并对方案优选、产品批量、类型、可制造性和可装配性评价，选出最佳方案，指导产品概念设计。(2)结构设计及其评价。将产品概念设计获得的最佳方案结构化，确定产品的总体结构形式以及零件部件的主要形状、数量和相互间的位置关系；选择材料，确定产品的主要结构尺寸，以获得产品的多种结构方案，并对各种制造约束条件、加工条件、装夹方案、工装设计和零件标准化等，对各种方案进行评价和决策。选择最佳结构设计方案或提供反馈信息，指导产品的概念设计和结构设计。(3)详细设计及其评价。根据结构设计方案对零部件进行详细设计。零件由许多个特征组合而成，进行特征设计的同时进行工艺设计(生成其加工方法、切削参数、刀具选用和装夹方式等)，并对其可制造性进行评价，即时反馈修改信息，指导特征设计，实现了特征/工艺并行设计。(4)产品总体性能评价。该阶段由于产品信息较完善，对产品的功能、性能、可制造性和成本等采用价值工程方法对产品进行总体评价，并提出反馈信息，指导产品的概念设计、总体设计和详细设计。在完成上述四个阶段的设计和评价后，还必须进行工艺过程优化，在完成产品设计、工艺设计和工装设计的基础上，对零件的实际加工过程进行仿真。,2.4并行工程（CE）,2.CE的关键技术(1)产品开发过程的重构。并行工程的产品开发过程是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，通过规划合理的信息流动关系及协调组织资源和逻辑制约关系，实现动态可变的开发任务流程。为了使产品开发过程实现并行、协调，并能面向全面质量管理做出决策分析，就必须从产品特征、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侧面来考虑它们对产品开发过程的影响。并行设计多视图活动模型的第三个视图是开发组织，该组织的人可以担任第二个视图中的角色。因此，一个并行设计单元的定义是：由某一个人担任某一角色，针对某一个设计对象，在某一个规定的时间约束范围内，利用指定的资源开展并行设计活动，完成某个设计任务。产品数据管理平台系统将从三个视图建立并行设计的支持环境，保证并行设计工作协调有序地进行。,2.4并行工程（CE）,(2)集成产品信息模型。并行设计强调产品设计过程上下游协调与控制以及多专家系统协同工作，因此设计过程的产品信息交换成为关键问题，它是并行设计的基础。集成产品信息模型是为产品生命周期的各个环节提供产品的全部信息。基于STEP标准，对产品进行定义和描述。基于广义特征，建立产品生命周期内的集成产品信息模型。广义特征包括产品开发过程中全部特征信息，如：用户要求、产品功能、设计、制造、材料、装配、费用和评价等特征信息。基于面向对象O-O技术，采用Express语言描述和表达产品信息模型，并把Express语言中各实体映射到C+中的类，生成STEP中性文件，为CAD、CAPP、可制造性评价和制造集成与并行提供充分的信息。因此该模型是实现产品设计、工艺设计、产品制造、产品装配和检测等开发活动共享信息和并行进行的基础和关键。,2.4并行工程（CE）,(3)并行设计过程协调与控制。并行设计的本质是许多大循环过程中包含小循环的层次结构，它是一个反复迭代优化产品的过程。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(Product Data Management，PDM)能对并行设计起到技术支撑平台的作用。它集成和管理产品所有相关数据及其相关过程。在并行设计中，产品数据是在不断地交互中产生的，PDM能在数据的创建、更改及审核的同时跟踪监视数据的存取，确保产品数据的完整性、一致性以及正确性，保证每一个参与设计的人员都能即时地得到正确的数据，从而使产品设计返回率达到最低。,2.4并行工程（CE）,四、CE在我国的研究进展自20世纪90年代以来,并行工程研究得到我国一些研究单位、工业部门和政府机构的高度重视。并行工程技术和方