第三章計算機集成制造系統技術

——CIMS

ComputerIntegratedManufacturingSystem第一節CIMS的基本概念及其發展概況CIM和CIMS的概念

CIM是1974年首先由美國JosephHarrington博士在《ComputerIntegratedManufacturing》一書中提出，基本觀點為：企業的各個生產環節是一個不可分隔的整體，需要統一考慮；整個生產制造過程實質上是對信息的采集、傳遞和加工處理的過程，最終形成的產品可看作是信息的物質表現。

CIM的定義是一種組織、管理、企業生產的新哲理，它借助計算機軟硬件，綜合應用現代管理技術、制造技術、信息技術、自動化技術、系統技術，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質流有機地集成并優化運行，以實現產品的高質量、低成本、交貨期短，提高企業對市場變化的應變能力和綜合競爭能力。CIMS是在CIM哲理指導下建立的人機系統，是一種新型制造模式。它從企業的經營戰略目標出發，將傳統的制造技術與現代信息技術、管理技術、自動化技術、系統工程技術等有機結合，將產品從創意策劃、設計、制造、儲運、營銷到售后服務全過程中有關的人和組織、經營管理和技術三要素有機結合起來，使制造系統中的各種活動、信息有機集成并優化運行，以達到降低成本C（Cost）、提高質量Q(Quality)、縮短交貨周期T（Time）等目的，從而提高企業的創新設計能力和市場競爭力。CIMS產生的背景

CIMS在20世紀80年代中期開始重視并大規模實施，其原因是20世紀70年代的美國產業政策中過分夸大了第三產業的作用，而將制造業，特別是傳統產業，貶低為“夕陽工業”，這導致美國制造業優勢的急劇衰退，并在20世紀80年代初開始的世界性的石油危機中暴露無遺，此時，美國才開始重視并決心用其信息技術的優勢奪回制造業的霸主地位。于是美國及其他各國紛紛制訂并執行發展計劃。自此，CIMS的理念、技術也隨之有了很大的發展。

CIMS的發展概況

系統集成優化是CIMS技術與應用的核心技術，可將CIMS技術的發展從系統集成優化發展的角度來劃分為三個階段：信息集成、過程集成、企業集成，由此產生了并行工程、敏捷制造、虛擬制造等新的生產模式

信息集成

是改善企業時間（T）、質量（Q）、成本（C）、服務（S）所必需的，其主要內容有：（l）企業建模、系統設計方法、軟件工具和規范這是系統總體設計的基礎。（2）異構環境下的信息集成。異構信息集成主要解決三個問題：①不同通信協議的共存及向ISO／OSI的過渡；②不同數據庫的相互訪問；③不同商用應用軟件的接口。過程集成

企業為改善產品的T、Q、C、S，除了信息集成這一技術手段之外，還可對過程進行重構。傳統的產品開發模式采用串行產品開發流程、設計與加工生產是兩個獨立的功能部門，往往造成產品開發過程經常反復，這無疑使產品開發周期變長，成本增加。如果對產品開發設計中的各個串行過程盡可能多地轉變為并行過程，在早期設計階段采用CAX、DFX工具考慮可制造性（DFM）、可裝配性（DFA），考慮質量（質量功能分配），則可以減少反復，縮短開發時間。企業集成企業提高自身的市場競爭力，不能走“小而全”、“大而全”的封建莊園經濟的道路，而必須面對全球經濟、全球制造的新形勢，充分利用全球的制造資源（包括智力資源），更快、更好、更省地響應市場，這便是敏捷制造的由來。敏捷制造的組織形式是企業針對某一特定產品，建立企業動態聯盟（即所謂虛擬企業，VirtualEnterprise）。企業間集成的關鍵技術包括信息集成技術，并行工程的關鍵技術，虛擬制造，支持敏捷工程的使能技術系統，基于網絡（如Internet／Intranet／Extranet）的敏捷制造，以及資源優化（如ERP、供應鏈、電子商務）。四、CIMS發展趨勢

集成化數字化／虛擬化網絡化柔性化智能化綠色化第二節CIMS的基本組成成、體系結結構及其關關鍵技術CIMS的基本組成成CIMS是一個大型型的復雜系系統，包括括人、經營營、技術三三要素在三要素的的相交部分分需解決四四類集成問問題：①使用技術以以支持經營營；②使用技術以以支持人員員工作；③設置人員協協調工作以以支持經營營活動；④統一管理理并實現經經營、人員員、技術的的集成優化化運行。目前，CIMS并不過分強強調物流自自動化，而而是側重于于以人為中中心的適度度自動化，，即強調人人、經營、、技術三者者的有機集集成，充分分發揮人的的作用。CIMS的基本組成成CIMS由管理信息系系統、工程設計系系統、制造自動化化系統和質量保證系系統四個功能分系統統，以及計算機通通訊網絡絡和數據據庫兩個支撐分系系統組成管理信息息系統管理信息息系統是是CIMS的神經中中樞，指指揮與控控制著其其它各個個部分有有條不紊紊地工作作。管理理信息系系統通常常是以制制造資源源計劃（（ManufacturingResourcePlanning，MRPⅡⅡ）為核心心，包括括預測、、經營決決策、各各級生產產計劃、、生產技技術準備備、銷售售、供應應、財務務、成本本、設備備、工具具、人力力資源等等各項管管理信息息功能。。工程設計計系統工程設計計系統實實質上是是指在產產品開發發過程中中引用計計算機技技術，使使產品開開發活動動更高效效、更優優質、更更自動地地進行。。產品開發發活動包包含產品品的概念設計計、工程程與結構構分析、、詳細設設計、工工藝設計計以及數數控編程程等設計和和制造準準備階段段的一系系列工作作，即通通常所說說的CAD、CAPP、CAM三大部分分。制造自動動化系統統是CIMS的信息流流和物料料流的結結合點，，是CIMS最終產生生經濟效效益的聚聚集地，，通常由由CNC機床、加加工中心心、FMC或FMS等組成成。其主要組組成部分分有：（1）加工單單元由具具有自動動換刀裝裝置（ATC）、自動動更換托托盤裝置置（APC）的加工工中心或或CNC機床組成成；（2）工件運運送子系系統有自自動引導導小車（（AGV）、裝卸卸站、緩緩沖存儲儲站和自自動化倉倉庫等；；（3）刀具運運送子系系統有刀刀具預調調站、中中央刀庫庫、換刀刀裝置、、刀具識識別系統統等；（4）計算機機控制管管理子系系統通過過主控計計算機或或分級計計算機系系統的控控制，實實現對制制造系統統的控制制和管理理。制造自動動化系統統的目標標①實現多品品種、小小批量產產品制造造的柔性性自動化化；②實現優質質、低低成本、、短周期期及高效效率生產產，提高高企業的的市場競競爭能力力；③為作業人人員創造造舒適而而安全的的勞動環環境。*：CIMS不等于全全盤自動動化，其其關鍵是是信息集集成，制制造系統統并不要要求去追追求完全全自動化化。CIMS傳輸系統統質量保證證系統（1）質量計劃劃子系統統用來確定定改進質質量目標標，建立立質量標標準和技技術標準準，計劃劃可能達達到的途途徑和預預計可能能達到的的改進效效果，并并根據生生產計劃劃及質量量要求制制定檢測測計劃及及檢測規規程和規規范。（2）質量檢測測子系統統采用自動動或手工工對零件件進行檢檢驗，對對產品進進行試驗驗，采集集各類質質量數據據并進行行校驗和和預處理理。（3）質量評價價子系統統包括對產產品設計計質量評評價、外外購外協協件質量量評價、、供貨商商能力評評價、工工序控制制點質量量評價、、質量成成本分析析及企業業質量綜綜合指標標分析評評價。（4）質量信息息綜合管管理與反反饋控制制子系統統包括質量量報表生生成，質質量綜合合查詢，，產品使使用過程程質量綜綜合管理理以及針針對各類類質量問問題所采采取的各各種措施施及信息息反饋。。計算機通通訊網絡絡系統——支撐分系系統之一一計算機網網絡是用用通信線線路將分分散在不不同地點點、并具具有獨立立功能的的多個計計算機系系統互相相連接，，按照網網絡協議議進行數數據通信信，并實實現共享享資源（（如網絡絡中的硬硬件、軟軟件、數數據等））的計算算機以及及線路與與設備的的集合。。具體的的硬件組組成部分分包括：：數據處處理的主主機、通通訊處理理機、集集中器、、多路復復用器、、調制解解調器、、終端、、通信線線路、異異步通信信適配器器、網絡絡適配器器、以及及網橋和和網間連連接器（（又稱網網關、信信關）等等。再和和各種功功能的網網絡軟件件相結合合，就能能實現不不同條件件下的通通信以支支持系統統集成。。CIMS數據庫系系統——支撐分系系統之二二數據庫管管理系統統是一個個支撐系系統，它它是CIMS信息集成成的關鍵鍵之一。。CIMS環境下的的管理信息息、工程程技術、、制造自自動化、、質量保保證四個功能能系統的的信息數數據都要要在一個個結構合合理的數數據庫系系統里進進行存儲儲和調用用，以滿滿足各系系統信息息的交換和共共享。CIMS的數據庫庫系統通通常是采采用集中中與分布布相結合合的體系系結構，，以保證證數據的的安全性性、一致致性和易易維護性性。CIMS的體系結結構就是一組組代表整整個CIMS各個方面面的多視圖多多層次的的模型的的集合。歐共體體ESPRIT計劃中的的AMICE專題所提提出的CIMS-OSA體系結構具有有一定的代表表性。CIMS-OSA體系結構為制制造工業的CIMS提供了一種參參考模型，已已作為對CIMS進行規劃、設設計、實施和和運行的系統統工具。CIM－OSA體系結構我國學者提出出的“階梯形多視圖圖多領域CIMS體系結構”（stair-likeCIMSarchitecture，簡稱SLA）實施CIMS的關鍵技術1、系統集成2、單元技術第三節CIMS工程的設計與與實施先設計、后實實施CIMS總體方案設計計CIMS是面向整個企企業的大系統統。CIMS總體方案設計計應以面向全全局、面向未未來來、保證證系統的開放放性、充分利利用現有資源源、與企業的的技術改造相相結合、與企企業的機制轉轉換相結合為為指導思想。。總體方案設設計主要包括括以下幾方面面：CIMS體系結構設計計、CIMS功能設計、CIMS信息設計、CIMS資源設計、CIMS組織設計和關關鍵技術分析析。CIMS功能設計在CIMS功能設計中，，常采用功能能樹、功能模模型圖和過程程圖來描述CIMS的功能。功能樹是把CIMS中各種功能逐逐層分解展開開，形成一種種樹狀結構。。功能樹只能表表示系統所具具有的功能，，無法表達各各功能之間的的信息聯系。。要表達各功功能之間的信信息聯系，就就應采用功能能模型圖來描描述。在CIMS設計中較為普普遍采用的方方法是IDEF0方法。TIS分系統功能樹樹CIMS信息設計CIMS任何功能的實實現都需要信信息的支撐，，信息的有機機集成在CIMS中特別重要。。要實現信息的的加工處理與與集成，就必必須建立系統統的信息模型型和對信息進進行分類編碼碼。這就是CIMS信息設計的內內容。在CIMS設計中常用的的信息建模方方法有實體聯聯系圖（E－R），IDEF1及IDEF1x。CIMS資源設計CIMS中的資源包括括硬件資源、、軟件資源和和人力資源。。CIMS資源設計包括括硬件資源配配置、軟件資資源配置和人人力資源配置置三個方面。。CIMS組織設計在CIMS環境下，企業業的各組織機機構應把它的的各種資源（（包括人員、、軟件、硬件件）統一管理理起來。組織設計應完完成的任務包包括：（l）功能的組織織。（2）信息的組織織。（3）資源的組織織。關鍵技術分析析（1）關鍵技術的的介紹說明關關鍵技術的實實質性問題，，包括它在整整個CIMS工程中的地位位和作用、關關鍵技術的技技術難點等。。（2）提出關鍵技技術的解決途途徑在初步設設計階段，可可根據現有的的認識水平，，對每一關鍵鍵技術繪出擬擬采用的解決決途徑、并說說明其可行性性。（3）提出關鍵技技術的解決方方案，并論證證其可行性。。二、CIMS工程實施CIMS工程的實施階階段是設計階階段的延續。。863/CIMS專家組針對CIMS工程實施過程程中所要遵循循的技術原則則和方法，提提出了“效益驅動，總總體規劃，重重點突破，分分步實施”的方針。這一原則適用用于CIMS的設計階段，，也適用于系系統實施階段段，可供企業業制定CIMS技術路線時參參考。CIMS實施原則具體體體現在四個個方面1、貫徹“效益益驅動”的原原則2、充分利用企企業現有資源源3、與企業技術術改造緊密結結合4、分步實施，，重點突破CIMS工程實施周期期長、工程復復雜、項目組組織管理難度度大，應制定定詳細的實施施進度計劃。第四節CIMS應用實例（1）在工程設計計自動化方面面，可提高產產品的研制和和生產能力，，便于開發技技術含量高和和結構復雜的的產品，保證證產品設計質質量，縮短產產品設計與工工藝設計的周周期，從而加加速產品的更更新換代速度度，滿足顧客客需求，從而而占領市場。。（2）在制造自動動化或柔性制制造方面，加加強了產品制制造的質量和和柔性，提高高了設備利用用率，縮短了了產品制造周周期，增強了了生產能力，，加強了產品品供貨能力。。（3）在經營管理理方面，使企企業的經營決決策和生產管管理趨于科學學化，使企業業能夠在市場場競爭中，快快速、準確地地報價，贏得得時間，同時時，降低庫存存資金的占用用，提高資金金的周轉效率率。國外成功案例例1985年，美國科學學院對美國在在CIMS方面處于領先先地位的五家家公司——麥克唐納道格格拉斯飛機公公司、迪爾拖拖拉機公司、、通用汽車公公司、英格索索爾銑床公司司和西屋公司司進行調查和和分析，采用用CIMS可以獲得如下下收益：產品品質量提高200%～500%；生產率提高高40%～70%；設備利用率率提高200%～300%；生產周期縮縮短30%～60%。國內案例成都飛機工業業公司1989年開始開展CIMS工程，經過10年的發展完善善，使得企業業在產品制造造能力和公司司管理水平方方面上了一個個新臺階，從從而贏得了國國外航空產品品轉包生產的的訂單，經濟濟效益十分明明顯。10年來，企業僅僅在網絡和數數據庫方面累累計投資就超超過2000萬元，但是當當初的投資在在今天得到了了回報。企業業目前很好地地實現了信息息共事和集成成，并且利用用開放系統避避免建設信息息孤立島，省省去了大量的的重復性勞動動。沈陽鼓風機廠廠（生產大型渦渦輪壓縮機））CIMS案例實施CIMS之前，用戶從從訂貨到交貨貨需要18個月，而國外外廠商一般僅僅需10～12個月；國外廠廠商在2周之內便可提提供精確的報報價，而“沈沈鼓”需要6周才能提供供粗略的報價價，連參與國國際投標的資資格都不具備備。實施CIMS工程之后，交交貨周期縮短短到了10～12個月，技術報報價、財務報報價和商務報報價也縮短為為2周。由于設計計周期、生產產準備周期和和制造裝配周周期的縮短，，生產能力大大大提高。東方電機股份有限公司司CIMS案例分析是我國大型發發電設備開發發、設計與制制造的三大重重要企業之一一，在產品設設計、制造、、生產經營管管理方面迫切切需要與國際際先進技術水水平接軌，參參與國際市場場競爭，需要要運用CIMS環境的先進制制造技術與生生產經營管理理思想來指導導。為此，東東方電機股份份有限公司與與技術依托單單位四川大學學于1997年初組建東方方電機計算機機集成制造系系統（簡稱DFEM-CIMS）聯合設計組組，在深入調調研和分析東東方電機生產產實際的基礎礎上，得出了了東方電機實實施CIMS工程的的必要要性、、迫切切性和和可行行性。。針對對東方方電機機產品品技術術密集集、結結構復復雜、、制造造周期期長的的特點點，設設計DFEM-CIMS的體系系結構構，創創建了了在計計算機機網絡絡和分分布式式數據據庫支支持環環境下下，集集技術術信息息分系系統、、管理理信息息分系系統、、計算算機輔輔助質質量信信息分分系統統和制制造自自動化化分系系統為為一體體的DFEM-CIMS。一、DFEM－CIMS的組成成DFEM-CIMS劃分為為四個個功能能應用用分系系統和和一個個支撐撐分系系統，，即技技術信信息分分系統統（TIS）、管管理信信息分分系統統（MIS）、計計算機機輔助助質量量信息息分系系統（（CAQ）、制制造自自動化化分系系統（（MAS）以及及網絡絡和數數據庫庫分系系統（（NET／DB）。DFFM-CIMS四個功功能分分系統統是在在網絡絡和數數據庫庫構成成的支支撐環環境下下建立立的，，而網網絡和和數據據庫支支撐環環境又又建立立在計計算機機系統統硬件件平臺臺及操操作系系統軟軟件平平臺上上，由由此構構成的的DFEM－CIMS體系結結構。。DFEM-CIMS的總體體結構構二、管管理信信息分分系統統（MIS）DFEM-CIMS/MIS分系統統建立立了相關的的輔助助企業業管理理的物物理平平臺，，包括括公司司的INTERNET節點（（對外外互聯聯網））及INTRANET網絡（（企業業信息息網）），完善善了電電子信信息系系統的的使用用和管管理模模式，，可充充分利利用MIS分系統統獲取取信息息，服服務于于企業業的生生產，，加強強企業業經營營管理理。MIS分系統統現已已建成成物料管管理子子系統統、企企業信信息網網、設設備管管理了了系統統、科科研管管理子子系統統、決決策支支持子子系統統、計計劃管管理子子系統統、財財務管管理子子系統統、工工具生生產管管理子子系統統、工工裝生生產及及庫存存管理理子系系統、、人事事管理理子系系統、、總經經辦管管理信信息子子系統統等11個子系系統，，取得得了顯顯著的的社會會經濟濟效益益。三、技技術信信息分分系統統（TIS）DFEM-CIMS/TIS分系統統建立立在以以19臺圖形形工作作站、、250臺微機機、3個小型型機服服務器器和5臺子網網服務務器等等構成成的硬硬件平平臺和和由操作系系統、、UG、IDEAS等CAD/CAE/CAM