計算機(jī)集成制造系統(tǒng)概論.doc

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計算機(jī)集成制造系統(tǒng)概念及其展望 顏頌濤1 摘要：通過閱讀《計算機(jī)集成制造系統(tǒng)》和國內(nèi)外文獻(xiàn)，完成本論文。本文的主要工作有：1）計算機(jī)集成制造系統(tǒng)的概念、定義。2）計算機(jī)集成制造系統(tǒng)的組成，和主要構(gòu)成部分。3）計算機(jī)集成制造系統(tǒng)帶給企業(yè)的效益。4）計算機(jī)集成制造系統(tǒng)的展望。 關(guān)鍵詞：CIMS；展望；概念 1 計算機(jī)制造系統(tǒng) 1.1 計算機(jī)集成制造系統(tǒng)的概念 1.1.1 自動化孤島（Islands of Automation） 自動化孤島是指在一個工廠內(nèi)，能夠完成某種功能的自動化子系統(tǒng)，它在職能上是分布的，在地理上是分散的，在時間上是分割的。近30年來，隨著電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和機(jī)械制造技術(shù)的迅猛發(fā)展，世界上已開發(fā)出許多專門用途的自動化系統(tǒng)，它們是相對獨立的，易于控制，具備一定完整的功能（模塊），具有便于相互連接的接口，但這些自動化子系統(tǒng)是分期控制和局部管理的，統(tǒng)稱為自動化孤島。 這類自動化孤島包括： 1．NC、CNC、DNC機(jī)床 2．CAD/CAM (CAPP, CAE )、FMS 3．MRP－Ⅱ（制造資源規(guī)劃） 注意：MRP－材料需求計劃 4．Expert System 5．Robot Controller 自動化孤島向集成化（一體化）發(fā)展是一必然方向，也是制造業(yè)的一場深刻的變革。 1.1.2 CIMS定義 CIMS是建立在自動化孤島基礎(chǔ)上的復(fù)雜系統(tǒng)。CIMS將全部制造過程進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，將一個工廠的設(shè)計、生產(chǎn)和經(jīng)營的各種分布的自動化孤島，通過要素化和標(biāo)準(zhǔn)化有機(jī)地集成起來，以獲得一個高效益和高柔性的智能化大系統(tǒng)。 1974年，美國年輕學(xué)者哈靈頓博士首先提出“計算機(jī)集成制造”的概念，他認(rèn)為整個生產(chǎn)過程（從市場、設(shè)計制造到管理、售后服務(wù)等）是一個整體，需要統(tǒng)一考慮；同時整個生產(chǎn)過程是信息的采集、傳送和加工處理的過程，產(chǎn)品的尺寸不過是物化的數(shù)據(jù)。這一觀點為生產(chǎn)過程大量采用信息技術(shù)奠定了認(rèn)識上的基礎(chǔ)。 什么是CIMS？至今尚無一個普遍接受的說法，有人說CIMS是用計算機(jī)去集成制造活動；還有人說，CIMS是一個管理的哲學(xué)。在此，將CIMS定義為：CIMS是根據(jù)系統(tǒng)工程的觀點，將整個車間或工廠作為一個閉環(huán)系統(tǒng)，整個系統(tǒng)完全由計算機(jī)進(jìn)行管理。該系統(tǒng)輸入的是產(chǎn)品需求的有關(guān)信息，輸出的為經(jīng)過檢驗的合格產(chǎn)品。 1.2 計算機(jī)集成制造系統(tǒng)的組成 1.2.1 CIMS概況 圖1 CIMS示意圖 如圖所示，CIMS系統(tǒng)分為三級： 1．決策級 決策級是生產(chǎn)決策機(jī)構(gòu)。決策級根據(jù)市場的需求、原材料供應(yīng)情況，結(jié)合本企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)條件及財務(wù)狀況，作出生產(chǎn)產(chǎn)品的種類及規(guī)模的決策。 2．經(jīng)營管理級 經(jīng)營管理級根據(jù)決策機(jī)構(gòu)的決定、市場的銷售情況等方面的情況，決定產(chǎn)品的類型與產(chǎn)量，協(xié)調(diào)生產(chǎn)過程的各種活動，實現(xiàn)總體決策所提供的戰(zhàn)略目標(biāo)（包括材料需求規(guī)劃、質(zhì)量管理、計算機(jī)輔助經(jīng)濟(jì)分析等）。同時在空間和時間上,協(xié)調(diào)物料的需求,實現(xiàn)現(xiàn)代管理思想的目標(biāo)――無庫存系統(tǒng)。 3．制造級 制造級是具體實施產(chǎn)品設(shè)計與制造的部分，其中包含制造系統(tǒng)中各項自動化技術(shù)及其集成，即CAD/CAM、FMS、柔性檢驗、自動傳送系統(tǒng)、自動化倉庫等。 由CIMS的示意圖可以看出計算機(jī)集成制造系統(tǒng)的一個最鮮明的特點：在CIMS內(nèi)，信息流占主導(dǎo)地位，信息的采集、交換與處理融合在一起，再由信息流控制物質(zhì)流，控制和指揮整個生產(chǎn)活動。 1.2.2 CIMS主要組成部分 如上所述，CIMS包括了企業(yè)從市場預(yù)測到產(chǎn)品售后服務(wù)的全部生產(chǎn)活動。從功能角度看，CIMS包含了一個企業(yè)的設(shè)計、制造及經(jīng)營管理的三種主要功能。要使這三者集成起來，還需要一個支撐環(huán)境，即分布式數(shù)據(jù)庫和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。目前，一般認(rèn)為CIMS主要由四部分組成： 1．管理與決策信息系統(tǒng) 其主要功能是信息處理，包括收集、傳輸、加工、查詢等；一般分為輔助性經(jīng)營計劃管理、物料管理、生產(chǎn)管理、財務(wù)管理、人力資源管理和輔助決策。 2．工程信息系統(tǒng) 其主要功能模塊有計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）、計算機(jī)輔助工程（CAE）、成組技術(shù)（GT）、計算機(jī)輔助編制工藝規(guī)程（CAPP）和計算機(jī)輔助制造（CAM）等。 3．柔性自動化制造系統(tǒng) 其主要功能是在計算機(jī)調(diào)度和控制下，使加工設(shè)備完成由毛坯到產(chǎn)品的轉(zhuǎn)變過程，并將制造現(xiàn)場的不同信息實時地或經(jīng)過初步處理后反饋到相應(yīng)部門。 其硬件設(shè)備主要包括CNC、DNC、自動小車、機(jī)器人等。其生產(chǎn)方式主要采用FMC、FMS等。 4．集成質(zhì)量系統(tǒng) 其主要功能就是通過對存在于設(shè)計、制造和管理中的質(zhì)量信息進(jìn)行有效的收集、處理、儲存、評價、分析與利用，并形成一系列的控制手段來保證產(chǎn)品的質(zhì)量，其中主要包括質(zhì)量計劃、質(zhì)量信息管理以及計算機(jī)輔助在線質(zhì)量控制。 3 計算機(jī)集成制造系統(tǒng)的效益 制造型企業(yè)采用CIMS可以提高企業(yè)的整體效率，并獲得效益。其效益主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 一、在工程設(shè)計自動化方面 由于采用現(xiàn)代化設(shè)計手段CAD/CAPP/CAM，可以 1．提高產(chǎn)品的研制與生產(chǎn)能力 2．保證產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量 3．縮短產(chǎn)品設(shè)計與工藝設(shè)計周期（加速產(chǎn)品更新?lián)Q代） 二、在加工制造方面 FMS和分布式數(shù)控（DNC）的應(yīng)用，能夠 1．提高制造過程的靈活性與質(zhì)量 2．提高設(shè)備利用率 3．縮短產(chǎn)品的制造周期 4．增強(qiáng)生產(chǎn)能力 三、在經(jīng)營管理方面 1．使決策與生產(chǎn)管理科學(xué)化 2．保證產(chǎn)品報價快速、準(zhǔn)確、及時 3．減少生產(chǎn)過程中的“瓶頸”，減少“在制品” 4．庫存降至最低水平，減少占用資金和倉庫面積，降低生產(chǎn)成本 現(xiàn)代管理科學(xué)認(rèn)為，一個好企業(yè)的生產(chǎn)模式應(yīng)該是無倉庫式和啞鈴式。1985年，美國科學(xué)院對在CIMS方面處于領(lǐng)先地位的五家公司（麥克唐納－道格拉斯飛機(jī)公司、迪爾拖拉機(jī)公司、通用汽車公司、英格索爾銑床公司和西屋公司）進(jìn)行了調(diào)查和分析，認(rèn)為采用CIMS可以獲得以下效益： 產(chǎn)品質(zhì)量提高200～500％ 工程設(shè)計費用減少15～30％ 生產(chǎn)率提高40～70％ 人工費用減少5～20％ 設(shè)備利用率提高200～300％ 提高工程師工作能力300～500％ 生產(chǎn)周期縮短30～60％ 在制品減少30～60％ 4 計算機(jī)集成制造系統(tǒng)的展望 4.1 數(shù)字化 未來世界，“數(shù)字化”將勢不可當(dāng)?！皵?shù)字化”不僅是“信息化”發(fā)展的核心，而且也是先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的核心。信息的“數(shù)字化”處理同“模擬化”處理相比，有著3個不可比擬的優(yōu)點：信息精確，信息安全，信息容量大。 數(shù)字化制造就是指制造領(lǐng)域的數(shù)字化，它是制造技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與管理科學(xué)的交叉、融和、發(fā)展與應(yīng)用的結(jié)果，也是制造企業(yè)、制造系統(tǒng)與生產(chǎn)過程、生產(chǎn)系統(tǒng)不斷實現(xiàn)數(shù)字化的必然趨勢。 它包含了三大部分：以設(shè)計為中心的數(shù)字制造，以控制為中心的數(shù)字制造和以管理為中心的數(shù)字制造。 對制造設(shè)備而言，其控制參數(shù)均為數(shù)字化信號。對制造企業(yè)而言，各種信息（如圖形、數(shù)據(jù)、知識、技能等等）均以數(shù)字形式，通過網(wǎng)絡(luò)，在企業(yè)內(nèi)傳遞，以便根據(jù)市場信息，迅速收集資料信息，在虛擬現(xiàn)實、快速原型、數(shù)據(jù)庫、多媒體等多種數(shù)字化技術(shù)的支持下，對產(chǎn)品信息、工藝信息與資源信息進(jìn)行分析、規(guī)劃與重組，實現(xiàn)對產(chǎn)品設(shè)計和產(chǎn)品功能的仿真，對加工過程與生產(chǎn)組織過程的仿真，或完成原型制造，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的快速重組與對市場的快速響應(yīng)，以滿足客戶化要求。對全球制造業(yè)而言，用戶借助網(wǎng)絡(luò)發(fā)布信息，各類企業(yè)通過網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)需求，應(yīng)用電子商務(wù)，實現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，形成動態(tài)聯(lián)盟，迅速協(xié)同設(shè)計與制造出相應(yīng)的產(chǎn)品。這樣，在數(shù)字制造環(huán)境下，在廣泛領(lǐng)域乃至跨地區(qū)、跨國界形成一個數(shù)字化組成的網(wǎng)，企業(yè)、車間、設(shè)備、員工、經(jīng)銷商乃至有關(guān)市場均可成為網(wǎng)上的一個“結(jié)點”，在研究、設(shè)計、制造、銷售、服務(wù)的過程中，彼此交互，圍繞產(chǎn)品所賦予的數(shù)字信息，成為驅(qū)動制造業(yè)活動的最活躍的因素。 4.2 集成化 “集成化”，一是技術(shù)的集成，二是管理的集成，三是技術(shù)與管理的集成；其本質(zhì)是知識的集成，亦即知識表現(xiàn)形式的集成。如前所述，現(xiàn)代集成制造技術(shù)就是制造技術(shù)、信息技術(shù)、管理科學(xué)與有關(guān)科學(xué)技術(shù)的集成?！凹伞本褪恰敖徊妗保褪恰半s交”，就是取人之長，補(bǔ)己之短。 “集成化”主要指： （1）、現(xiàn)代技術(shù)的集成。機(jī)電一體化是個典型，它是高技術(shù)裝備的基礎(chǔ)，如微電子制造裝備，信息化、網(wǎng)絡(luò)化產(chǎn)品及配套設(shè)備，儀器、儀表、醫(yī)療、生物、環(huán)保等高技術(shù)設(shè)備。 （2）、加工技術(shù)的集成、特種加工技術(shù)及其裝備是個典型，如增材制造（即快速原型）、激光加工、高能束加工、電加工等等。 （3）、企業(yè)集成，即管理的集成，包括生產(chǎn)信息、功能、過程的集成；包括生產(chǎn)過程的集成。全壽命周期過程的集成；也包括企業(yè)內(nèi)部的集成，企業(yè)外部的集成。 4.3 智能化 制造技術(shù)的智能化是制造技術(shù)發(fā)展的前景。智能化制造模式的基礎(chǔ)是智能制造系統(tǒng)，智能制造系統(tǒng)既是智能和技術(shù)的集成而形成的應(yīng)用環(huán)境，也是智能制造模式的載體。與傳統(tǒng)的制造相比，智能制造系統(tǒng)具有以下特點：1、人機(jī)一體化；2、自律能力；3、自組織與超柔性；4、學(xué)習(xí)能力與自我維護(hù)能力；5、在未來，具有更高級的類人思維的能力。 制造技術(shù)的智能化突出了在制造諸環(huán)節(jié)中，以一種高度柔性與集成的方式，借助計算機(jī)模擬的人類專家的智能活動，進(jìn)行分析、判斷、推理、構(gòu)思和決策，取代或延伸制造環(huán)境中人的部分腦力勞動。同時，收集、存儲、處理、完善、共享、繼承和發(fā)展人類專家的制造智能。盡管智能化制造道路還很漫長，但是必將成為未來制造業(yè)的主要生產(chǎn)模式之一。