1、现代制造系统现代制造系统北京科技大学物流研究所2009年5月工业工程2006第一章第一章 绪论绪论基本要求与知识点：n基本概念：制造制造系统1-2 1-2 发展制造系统技术的基础发展制造系统技术的基础 1 1-1 1-1 研究和发展制造系统的意义研究和发展制造系统的意义制造与制造系统的概念制造与制造系统的概念绪论北京科技大学物流工程1.1研究和发展制造系统技术的意义n制造特征的转变过去：个人、孤立的机器完成的简单过程现代：众多制造要素组成的制造系统实现的复杂工程例：大型船只、大型飞行器北京科技大学物流工程1.1研究和发展制造系统技术的意义n制造系统的特征结构复杂性n过去：简单单一n现代：系统集
2、成关联复杂性n系统间 信息交换、信息处理复杂性n支撑技术跨学科集成：机、电、液环境复杂性n社会环境n地域范围1-1 研究和发展制造系统的意义n 随着科学技术的进步和社会经济的发展，“制造”已由个人行为和孤立机器完成的简单过程演变为必须由众多制造要素组成的制造系统来完成的复杂工程。从系统科学与工程的角度看，完成现代制造任务的制造主体正在从简单系统发展为复杂大系统，具体体现在以下三方面：1结构复杂性 n 从制造领域自身的发展看，制造主体（如制造企业等）作为一个系统不但规模不断扩大，而且结构日趋复杂。n 在手工业生产时代，产品的设计、加工、装配和检验基本上都由个人完成，如果讲系统，这时的制造系统规模
3、小、结构简单、易于驾驭。n 18世纪的西方工业革命，虽然有力促进了制造技术和制造装备的发展，但制造作为系统仍很简单。1结构复杂性n到了19世纪中叶后的大批量生产时代，通过劳动分工实现作业专业化，在机械化和电气化技术支撑下，进行流水线方式生产，形成了较大规模的制造系统，但此时制造系统的结构却并不复杂，其分析设计、信息处理、管理控制等问题也相对易于处理。1结构复杂性n 到了20世纪后半叶特别是近三十年来，市场需求朝多样化方向发展且竞争加剧，迫使产品生产朝多品种、变批量、短生产周期方向演进，由此形成柔性制造、计算机集成制造、敏捷制造等先进制造模式，按此构成的现代制造系统不但规模庞大，而且结构十分复杂
4、，系统的分析与综合已具有相当的难度，系统的优化管理控制问题更是难以解决，已成为全球范围内具有挑战性的课题。2关联复杂性 n系统科学性：随着计算机技术和信息技术的发展，制造系统内部各组成环节间的信息联系以及制造系统与外部环境的信息联系，在广泛性和复杂性方面均在不断加强，系统中信息交换、信息处理的速度亦在迅速提高，从而使制造系统中各组成环节间的相互作用、相互依赖以及环境对制造系统的影响日益加强，“牵一发而动全身”的效应日益凸现。因此，注重关联，把握全局在制造过程中将变得越来越重要。这些结果使得制造活动和制造过程呈现出越来越强的系统科学性。2关联复杂性 n学科综合性：相关学科的理论与方法日益向制造学
5、科渗透，对制造学科和制造系统的发展产生了深刻的影响。在制造系统的底层，机电一体化的制造装备和加工系统，大幅度提高了制造过程的柔性和效益；在管理控制层，随着计算机技术、现代管理理论和控制方法的应用，使制造系统的管理与控制不断发展、不断创新，走出了从MRP、MRPII到ERP的发展历程；在全局上，系统科学与工程的理论与方法使制造领域广大人员的思维模式、分析问题和解决问题的方法等都正在发生深刻的变化。n 3环境复杂性 n我国的经济体制正在从计划经济向社会主义市场经济转轨，众多制造企业失去了计划经济时代政府主管部门下达的计划指令。从系统与控制的角度看，即制造系统没有了确定的输入信息。n 随着全球经济一
6、体化进程的加快，国际市场需求不仅变化极快，而且还难以预测。这些不仅造成制造系统输入信息和运行环境的随机性越来越大，而且还要求制造系统的响应速度不断提高。1415神州神州5 5号号图1-11 神州5号宇宙飞船对策n对策：改变观念:由于上述众多因素的影响，“制造”正在由输入确定、过程和环境稳定、输出少变的简单系统演变为输入随机、过程和环境动态变化、输出和状态多变的复杂大系统。工程界和教育界都越来越清楚地认识到现代制造已成为一个复杂的系统工程，如果仅从孤立的制造方法、制造技术、制造工具和制造设备等方面去孤立地研究制造过程，将无法从全局上使“制造”这样一个复杂大系统运行于最优状态，发挥出最佳效益。n对
7、策：加强制造系统研究与发展:因此，面对上述现实，我们必须将“制造”作为复杂大系统来对待，加强从系统科学、信息技术与制造工程相结合的角度对现代制造过程进行研究，通过信息、控制与制造相融合的方法对制造系统的内在规律进行分析，努力探索先进的制造系统模式、体系结构和优化运行技术，从而从全局的角度促进制造科学、制造系统和制造工业的发展。n对策：加强制造系统教学:同时，从教育的角度看，作为制造领域的高级专门人才制造专业的本科生和研究生必须掌握制造系统的理论与技术，以从系统科学与工程的高度对现代制造过程有深刻的理解与把握，才能在今后的研究工作、技术工作和管理工作中更好地驾驭全局，为制造工业和国民经济的发展做
8、出更大的贡献。n 这也是开设本课程的目的。北京科技大学物流工程1.2发展现代制造系统技术的基础n先进制造模式和相关理论现代生产模式：JIT、网络化制造n先进制造技术与装备柔性制造系统 FMSn系统科学理论与系统工程技术离散事件动态系统n现代管理控制理论与技术运筹学、现代管理理论n计算机与信息技术信息技术、计算机控制技术准时生产JIT成组技术GT质量管理TQC计算机网络支持下的并行工作方式和小组化工作方式精益生产体系精益生产的体系构成 1-2 发展制造系统技术的基础n1.先进制造模式和相关理论:制造模式决定了制造系统的体系结构、运行原理以及管理和控制方法，因此，要对现代制造系统进行深入研究，要使
9、现代制造系统技术的发展保持正确的方向，就必须以先进制造模式为基础，以正确、先进的理论为指导。n2.先进制造技术与装备:制造技术与制造装备是构成制造系统的重要元素，要使制造系统发挥出高效益，必须有先进制造技术和先进制造装备作为支撑。n 例如,柔性制造系统和计算机集成制造系统的发展,必须以数控加工技术和先进数控机床为基础。n3.系统科学理论与系统工程技术:制造系统属于复杂大系统，并且为典型的离散事件动态系统（Discrete Event Dynamic System，简称DEDS），其状态变量数目巨大，不确定性因素和随机性影响突出，非线性和混沌（chaos）现象严重。因此，制造系统研究、开发和应用
10、中所涉及的许多问题，都必须从系统科学与工程的高度去分析和解决。n4.现代管理控制理论与技术:一方面，要使已有的制造系统运行于最佳状态，发挥出最佳效益，必须采用有效的管理控制理论、模式和方法；另一方面，要研究、开发性能优良的新型制造系统，也必须十分重视其管理控制子系统的研究开发。在管理控制子系统的研究开发中，最重要的就是要研究适合先进制造系统的新的管理控制理论与技术。n5.计算机与信息技术:现代制造系统的研究开发和运行已越来越多地与计算机和信息技术相融合。例如，制造系统研究中建立的复杂数学模型必须借助计算机进行分析和求解，制造系统的开发过程通常都要使用计算机进行仿真分析，制造系统的运行则更是需要
11、通过先进的计算机系统和网络通讯系统进行信息化管理和数字化控制。北京科技大学物流工程1.3制造系统技术的发展历史与现状n制造系统发展阶段刚性制造系统：专用机床组成刚性流水线n大批量生产n汽车工业n生产线投资大n捷达车单机柔性加工系统：NC多机柔性加工系统：DNC、FMC、FMS计算机集成制造系统：CIMS跨企业制造系统和全球制造系统1-3 制造系统的发展历史与现状n 1.从技术层面看n 经过数十年的发展，制造系统技术在总体上已形成基本的体系，并在实际应用中发挥着越来越重要的作用。n 第一阶段：刚性制造系统:本阶段在20世纪50年代前已基本形成。n 第二阶段：单机柔性加工系统:开始于20世纪50年
12、代初，到70年代已基本成熟。n 第三阶段：多机柔性加工系统:出现于20世纪60年代末，70年代以后得到快速发展，如直接数控（DNC）加工系统、柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统(FMS)、柔性加工线（FML）。n 第四阶段：计算机集成制造系统:20世纪80年代以来得到迅速发展.其特征是制造全过程的系统性和集成性，以解决现代企业生存与竞争问题。n第五阶段：跨企业和全球制造系统:20世纪末提出，正在成为21世纪的发展方向。n 基本概念是:根据全球化的产品需求，通过网络协调和运作，把分布在世界各地的制造工厂和销售点联接成一个整体，从而能够在任何时候与世界任何一个角落的用户或供应商打交道，由此构成具
13、有统一目标的在逻辑上为一整体而物理上分布于全世界的跨企业和跨国制造系统。1-3 制造系统的发展历史与现状n 2.从学科发展看制造系统诞生于 20世纪70年代后期的日本。京都大学人见胜人（Hitomi K.）教授发表著作Manufacturing System Engineering。在美国，麻省理工学院90年代初即开设有制造系统课程，并出版了专著。在西欧，一些一流大学亦开设了制造系统课程。总之，制造系统已成为国外一流大学相关专业和学科的科研与教学工作的重要组成部分。在我国，制造系统的研究和应用起步也较早，20世纪80年代中就已有柔性制造系统（FMS）在生产实际中应用。但制造系统作为一个学科和技
14、术领域，在国家支持下开展有组织的深入系统研究和应用，是开始于国家的863计划。以CIMS为代表的研究项目十几年来取得一大批成果，并在许多类型的企业中得到广泛应用，有力推进了我国制造系统技术的发展。清华大学制造工程研究所在多年制造系统研究和应用实践积累的基础上于1989年率先在国内为研究生开出现代制造系统课程。当时正值我国国企改革启动阶段，制造企业面临巨大的市场压力，迫切需要利用制造系统知识解决企业面临的生产经营与管理问题。课程开出后受到企业和学生的欢迎。北京科技大学物流工程nFA“人机一体化制造系统”n智能制造系统n单元级制造系统：FMCn网络制造n分布式控制1-4 制造系统研究和应用的发展趋
15、势n1.对无人制造自动化进行了反思，提出了“人机 一体化制造系统”的新思想。n2.智能制造系统将是未来制造系统的重要发展方 向之一。n3.单元级制造系统的研究仍然占有很重要的地位。n4.平台技术的研究与平台软件的开发是近年来制造系统发展的主要动向之一。n5.现代制造模式的提出和研究，直接推动着制造系统的发展。n6.分布式控制将是未来制造系统管理控制的重要发展方向之一。n7.一种新的制造观即信息制造观正在孕育和发展之中。n8.实施可持续发展战略正在成为制造系统发展的必然趋势。1-4 制造系统研究和应用的发展趋势1-5 本课程的主要内容n作为机械工程及自动化专业的专业课，现代制造系统将从系统科学的
16、角度对现代制造过程进行研究，通过信息、控制与制造相融合的方法对制造系统的内在规律进行分析，以近十年来国际上制造系统领域的最新发展和我国在此领域的研究、开发和应用成果为案例，按照工程学科教学的客观规律和现代人才培养的要求实施教学。本课程内容分四个层次：n1.基础理论：n 制造系统的基本概念、理论基础、体系结构；n2.系统分析与综合：n 现代制造系统分析与综合的主要方法；n3.管理与控制：n 制造系统的运行管理、调度控制和过程控制；n4.信息环境：n 从信息与制造相融合的角度，介绍制造系统n 优化运行的信息环境。教学目的与目标n通过本课程的教学，力图使机械工程及自动化专业的本科生掌握制造系统的理论
17、基础与体系结构、管理与控制技术、分析与设计的基本方法，提高从系统的角度分析问题和解决问题的能力，为将来从事现代制造系统的分析与设计、管理与控制等方面的工作打好基础。在学习本课程时，应联系实际，在掌握理论知识的同时，逐渐学会从系统的角度去看待制造、研究制造、把握制造、发展制造。学习参考书 n1 Hitomi K.,Manufacturing System Engineering,n London,Taylor&Francis，1979n2 Chryssolouris G.,Manufacturing System:Theory n and Practice.New York,Springer-Verlag,1992n3 Kusiak A.Intelligent Manufacturing System.n Prentice Hall Inc.,1990n4 刘飞，张晓冬，杨丹.制造系统工程（第2版）.北京：n 国防工业出版社，2000n5 郑力，陈恳，张伯鹏.制造系统.北京：清华大学出版n 社，2001
