1、第六節計算機集成制造系統1.什么是CIM？CIM是英文Computer Integrated Manufacturing的縮寫，譯為計算機集成制造，由美國的約瑟夫·哈林頓(J.Harrington)博士于1973年提出。哈林頓認為：企業的各種生產經營活動是不可分割的，需要統一考慮整體(系統)觀點；整個生產制造過程實質上是信息的采集、傳遞和加工處理的過程信息觀點。哈林頓強調的兩個觀點都是信息時代組織、管理生產最基本、最重要的觀點CIM是信息時代組織、管理企業生產的一種哲理，是信息時代新型企業的一種生產模式。2.什么是CIMS？ CIM的具體實現-計算機集成制造系統 (Computer

2、Integrated Manufacturing Systems CIMS)。對于CIM和CIMS，至今還沒有一個公認的定義。了解其內涵發展過程有助于加深對CIM和CIMS的理解。3.國家863計劃CIMS主題組CIM定義:支撐分系統“CIM是一種組織、管理與運行企業生產的新哲理，它借助計算機軟硬件，綜合運用現代管理技術、制造技術、信息技術、自動化技術、系統工程技術，將企業生產全部過程中有關人、技術、經營管理三要素及其信息流與物流有機地集成并優化運行，以實現產品高質、低耗、上市快，從而使企業贏得市場競爭。” (其進一步含義見課本p122)4.我國863計劃CIMS專家組對CIMS的定義：“CI

3、MS是通過計算機硬件和軟件，并綜合運用現代管理技術、制造技術、信息技術、自動化技術、系統工程技術，將企業生產全部過程中有關的人、技術、經營管理三要素及其信息流與物料流有機集成并優化運行的復雜的大系統。”5.什么叫“”計劃？年月日，王大珩、王淦昌、楊嘉墀、陳芳允四位老科學家給中共中央寫信，提出要跟蹤世界先進水平，發展我國高技術的建議。這封信得到了小平同志的高度重視，小平同志親自批示：此事宜速決斷，不可拖延。鄧小平同志的批示，是一個偉大決策，具有深遠意義，從此，中國的高技術研究發展進入了一個新階段，為了使這一計劃切實可行，將風險減少到最低限度，在此后的半年時間里，中共中央、國務院組織多位專家，研究

4、部署高技術發展的戰略，經過三輪極為嚴格的科學和技術論證后，中共中央、國務院批準了高技術研究發展計劃（“”計劃）綱要。辨析：1.CIMS有固定的運行模式和不變的組成嗎？ 2.企業都可以引進和采用CIM的思想嗎? 3.企業是否可以購買現成的適合本企業的CIMS？6.CIMS由哪些部分組成？CIMS組成：管理信息分系統功能分系統設計自動化分系統制造自動化分系統質量保證分系統物資儲運保障系統支撐分系統計算機網絡分系統數據庫分系統 CIMS的組成三個要素即人機構、經營與技術，如下圖所示。（課本P123圖4-17）在三要素的相交部分需解決四類集成問題：1)使用技術以支持經營。2)使用技術以支持人員工作和組

5、織機構的運行。 3)人員設崗機械設置協調工作以支持經營活動。 4)統一管理并實現經營、人員、技術的集成優化運行。 (1)CIMS管理信息分系統含義-是指以CIM為指導思想、使用計算機和信息技術管理企業生產經營活動的應用系統。制造業的管理信息系統(MIS)含義：從“物料需求計劃(MRP) ”、“制造資源計劃(MRP)”到“企業資源計劃(ERP)”，經歷了管理思想和技術手段逐漸發展的過程。管理信息系統（MIS）對企業生產經營的主要作用：1）.合理安排生產，提高企業生產效率；2）.降低產品的生產成本；3）.提高對客戶的服務質量；4）.提高企業的管理水平和管理素質；5）.增加企業的應變能力和競爭能力。

6、(2)CIMS工程設計系統 工程設計系統或稱計算機輔助工程(CAE)系統，泛指所有工程設計工作，包括：1)CAD系統2)分析和計算-指產品設計中各種通用和專用的分析計算功能子系統3)CAPP系統4)工裝設計5)NCP系統-根據CAD系統和CAPP系統的輸出信息參數用計算機輔助自動編制數控加工程序的子系統(3)制造過程控制系統指車間生產設備和過程的控制與管理，主要是CNC、FMC、FMS等設備或系統的制造過程控制與管理。(4)CIMS質量保證系統是一個保證產品質量的全企業范圍內系統在市場競爭中，企業以產品質量求生存。企業必須以最經濟的方式在產品性能、質量、價格、交貨期、售后服務等方面滿足顧客的要

7、求，以贏得市場。其中性能質量最重要。保證產品質量需要一套完整的質量保證體系。以便有效地采集、存儲、評價與處理存在于設計、制造過程中與質量有關的大量數據，獲得一系列控制環，有效地控制、促進質量的提高。 下圖為某產品的質量保證體系(5)CIMS物資儲存、運輸與保障系統含義： 對企業物資，包括原材料，外購配套元器件，自產零、部件和產品，進行存儲、運輸，并在MIS系統管理和控制下的物流系統。用以保障企業生產按計劃正常運行。硬件： 廠內外的各種運輸車，各種制造系統間的自動運輸車、傳送帶、機器人、各類用途的格架倉庫、自動堆垛機等。(6)CIMS數據庫系統包含各分系統的地區數據庫和公用的中央數據庫的分布式數

8、據庫及其管理系統，(7)CIMS計算機網絡系統連接CIMS各功能分系統的計算機通信網絡系統，完成各分系統間信息和數據的通信和交換。 CIMS的核心是集成，數據庫系統和計算機網絡分系統是CIMS的支撐系統，是CIMS信息集成的基礎。 正確選擇CIMS支撐系統對CIMS工程的實施和未來的擴展具有重大影響。 7.CIMS的體系結構 CIMS是一個復雜的大系統，從設計到實施，最好最有效的方法是：在設計階段將它分解為不同的分系統，分系統再分解為更小的子系統和子子系統；在實施階段再將子子系統、子系統、分系統有機地集成為CIMS。體現與實踐以上思想，研究最多應用最廣、最為人們所重視的是面向系統功能構成體系結

9、構面向系統控制功能體系結構（1）面向功能構成的體系結構 這類結構的典型代表是美國制造工程師學會(SME)的輪式結構。如下圖所示（課本P125圖4-19）圖形辨析： 該圖是上世紀80年代的面向功能構成的CIMS體系結構，它將CIMS功能分解為“核”和里、中、外三層。 “核” 集成系統結構 里層公共數據、信息資源管理和通信 中層橫向分解為制造規劃和管理、產品工藝過程設計和工廠自動化； 外層為市場、戰略規劃、財務、生產管理和人力資源管理等分系統。特點： 主要表現設計和制造功能，體現以技術為中心的思想，沒有考慮到實施自動化之前的簡化和企業與用戶、供應商間的交互作用的重要性。1993年美國提出了一種新的

10、企業功能輪式結構，（課本P20圖2-1）它由六部分組成，分別為： 用戶； 人、技術和組織； 共享的知識和系統； 功能與過程； 資源和職責； 制造基礎條件等。該結構充分考慮用戶的參與，強調人的作用，更加適合現代生產模式。（2）面向系統控制功能的體系結構如美國國家標準局1980年開發的遞階控制模型。模型為五層遞階結構，每一層又分解為多個模塊，由數據驅動，并可擴展為樹狀結構。如圖下所示。1)工廠層 工廠層是最高決策與信息層，其決策周期一般從幾個月到幾年，完成的功能包括：進行市場預測制訂長期生產計劃確定生產資源需求制訂資源規劃產品開發及工藝過程規劃廠級經營管理，包括： 成本估算、庫存統計、用戶訂單處理

11、等。2）車間層 這一層控制系統主要根據工廠層生產計劃，負責協調車間的生產和輔助性工作以及這些工作的資源配置。主要有兩個模塊： 作業管理 負責安排生產計劃，包括作業定單的制定、發放和管理，將任務分配給各單元，跟蹤設備利用情況，安排各種設備的維修。 資源分配 負責分配單元層各項目在具體加工時所需的工作站、貯存區、托盤、刀具及材料等。 3)單元層 單元層主要完成本單元的作業調度，包括：安排零件在各工作站的作業順序發放和管理作業調度指令協調工作站間的物料運輸分配及調整機床和操作者的任務比較實際質量數據與零件技術規范比較實際運行狀態與允許狀態條件，在必要時采取措施，保證生產過程正常進行。4）工作站層 這

12、一層主要負責指揮和協調車間中一個設備小組的活動。一個典型的加工工作站由: 一臺機器人 一臺機床 一個物料貯運器 一臺控制計算機組成。 如右圖及下圖所示工作站層負責處理物料貯運系統的零件托盤控制工件調整工件夾緊切削加工切屑清除加工檢驗清理工作 等設備級各子系統的任務5）設備層這一層是“前沿”系統，是各種設備(如機床、機器人、坐標測量機、自動導引小車等)的控制器。采用設備控制裝置，可擴大現有設備的功能，并使設備符合標準部門規定的控制和檢測計量方法。控制和檢測計量方法包括：溫度和運動誤差的修正在線超聲波表面光潔度檢測切削形狀誤差監測刀具磨損檢測由夾緊力引起的變形估計與檢測等。遞階控制結構的特點：復雜

13、系統“縱向”分解為分層控制，減少全局控制和開發的難度。 每層將上一層的命令分解成在該層執行的指令或分解成子命令發往下面的層。 分層控制結構限定每層各要素的職責和權限。 復雜計劃在較高級做出，命令逐級從上往下發，速度慢，最新的信息發生在最底層，從最底層向高層逐漸反饋，速度慢。 在許多分層遞階控制結構中，數據流與控制流是等同的，即執行命令所需數據與命令一道傳送，數據只能在上級和下級間交換。（3）面向生命周期的體系結構CIMOSA(CIMOpen System Architecture)開放體系結構每一類產品的出現和存在都會經歷“構思一開發一制造一使用”4個階段。隨著市場的變化和需要，總有新產品替換

14、老產品 的“更新換代” 過程。人們把從“構思”到“使用”的過程稱為產品的生命周期。制造系統也有反映為如下過程的生命周期 “系統需求分析與定義系統設計系統實施系統運行”下圖（課本P129圖4-22）所示為CIMOSA開放體系結構，是面向CIMS生命周期全過程體系結構最著名并有代表性的一個3維結構，它是歐共體ESPRIT專題研究的成果。為制造企業提供一種參考體系結構， 據此可以推導出滿足特定企業需求的專用CIMS結構。1)通用程度維分為：通用層、部分通用層、專用層，可以反映不同企業的CIMS特征。通用層包含各種CIMS結構模塊、CIMS元件集、企業需求和處理方法。部分通用層由一組分別適合于各類制造

15、企業(如機械制造、航空、電子等)的部分通用參考結構和優化方法組成。專用層僅適用于一個特定企業。一個企業只能通過一種專用結構來描述，不同企業可以根據自己的企業類型，從部分通用層中選擇一種參考結構及相應的優化方法來組建相應的專用CIMS結構。企業在部分通用層的幫助下，從通用層中選擇所需要的部分，組成自己的CIMS。從通用層到專用層的過程叫逐步抽取或具體化過程。2)生命周期維 用于說明CIMS生命周期的不同階段。CIMOSA設計了3個層次：需求定義層(用戶和企業需求定義階段)、設計規范層(構造和優化用戶根據全局經營和系統約束所定義的經營需求)實施描述層(闡明了實現企業有效運行的一套必需的組成部分)。

16、 從通用層到專業層的過程叫逐步推導過程。3)視圖維 劃分為：功能視圖(獲取企業用戶對CIMS內部運行過程的需求，反映系統的基本活動規律，指導用戶確定和選用相應的功能模塊)；信息視圖(幫助企業用戶確定其信息需求，建立基本的信息關系和確定數據庫的結構)；資源視圖(幫助企業用戶確定其資源需求，建立優化的資源結構);組織視圖(確定CIMS企業內部的多能多維職責體系，建立CIMS的多級組織結構)。l CIMOSA是一種可供不同企業使用，并可描述系統生命周期各階段，包括企業各方面要求的通用、完備的體系結構。(4)CIMS應用實例1)CIMS在日本的應用20世紀80年代中期以來， 日本加強CIM的應用開發，

17、吸收美國提出的CIM思想，并在生產實踐中合理而有效地應用，根據具體情況發展適用于日本企業的CIMS。一些大學和企業研究開發部門被納入CIM重大共性問題的研究工作中。日本制造業企業是CIM的市場主體，各大企業基本上都已開始CIMS的開發與應用，有相當多的企業已比較成功地開發和應用了CIM技術。日本1989年末建成具有先進的CIMS的筑波電加工機床裝配工廠，如下圖所示。此工廠是FANUC公司的CIMS試驗工廠，為發展CIM產品提供實際考核環境。該公司提供計算機數控(CNC)、伺服系統和機器人等CIM單元技術產品。1990年開始提供符合MRP標準的單元控制器并與富士通公司(計算機及網絡供應商)、富士

18、電機公司(物流自動化設備供應商)合作為企業提供三級體系結構的整套CIM技術產品。日本沖電氣工業公司的主要產品是電子通信裝置、中小型計算機和PC機、銀行自動收款機以及汽車控制裝置等。過去，公司各事業本部各自開發CADCAM和FMS并在本部內聯網。后來，由于市場競爭形勢的需要，公司認為必須將各事業本部的所有計算機系統聯接起來，成為一個集成的整體，以便更好地對全公司的生產、經營管理和技術進行協調，于是建立了CIMS。該公司將CIMS劃分為公司CIMS和工廠CIMS兩個層次。工廠CIMS對工廠內部各種與生產有關的信息(包括訂貨、設計、生產、采購和維修等方面)進行綜合管理，具有一定的自律性、獨立性和自由

19、度。公司CIMS則是對下屬的各工廠CIMS通過系統聯網和建立公共數據庫，進行更高層次的集成。公司CIMS的目標不是注重局部的效率而是追求企業的整體效率。2)CIMS在國內應用上海二紡機股份有限公司實施CIMS 該廠建于1923年，是全國生產紡織機械的大型骨干企業之一。主要產品有：細紗機：長絲、紡織機；染色機等。1990年公司提出搞CIMS，主要針對企業經營管理、工程設計、生產制造和質量管理方面存在的以下問題：生產信息量大，信息變化多，信息分散。交貨期長、新產品開發周期長。 設備利用率低，不易均衡生產。質量管理實時性差。在實施CIMS過程中，切身體會到：如果沒有采用計算機管理這些門類復雜、數量多

20、、離散度大、規范性差的質量信息，那么傳遞速度很慢，真實性和實時性差，達不到質量問題的預防和控制。特別是對用戶信息的采集、處理和反饋難以適應國內外市場對質量的要求。問題:CIMS是否只適用于機械制造業？這是CIMS的行業適用性問題。從CIM哲理看CIMS也適用于其他制造業。因為：（1）各種制造業都是物質生產的企業，各環節之間都是互相聯系的，構成統一的整體；（2）各種制造過程都有物流過程、工作流過程，這些過程都是信息采集、存儲、加工處理的過程。因此，CIM哲理中的兩個觀點即信息觀點和系統觀點在其他制造業也是適用的。從市場競爭的需要來看，各行業都肩負著生產并研制新產品、滿足市場需要的任務，都面臨著激烈的市場競爭，都需要改善提高交貨周期、產品質量、降低成本、提高服務水平等，以取得效益，贏得競爭。CIMS正是解決這些問題的有效途徑。問題:CIMS是否只適用于大型企業？大型企業，中、小企業都需進行信息化和集成化，才能適應市場的競爭。一般說來，與大型企業相比，中小企業除規模小以外，多數還有以下一些特點：（1）產品相對簡單，企業結構層次少，組織規章制度不一定十分健全；（2）與大企業有一定的附屬關系，如為大企業進行零部件配套加工，副產品的加工等