1、在线教务辅导网：在线教务辅导网：http:/教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网QQ:349134187 或者直接输入下面地址：或者直接输入下面地址：http:/现 代 制 造 系 统 主编罗振璧第一章制造系统工程基础第一节制造第二节制造系统及其发展第三节制造系统的柔性自动化及自动化制造系统的技术分析第四节计算机集成制造CIM系统第五节集成制造系统分析和功能模型IDEFO第一节制造一、制造及其发展二、我国制造业面对的挑战三、应对未来挑战的战略与关键技术一、制造及其发展1.制造的内涵2.制造是我国工业化与经济发展的核心支柱3.制造是国家经济发动机的
2、强大支柱1.制造的内涵 1999年，美国麻省理工学院(MIT)定义现代制造包括：产品的设计与开发、产品规划、销售和服务，以及实现这些功能所应用的技术、流程过程以及人与技术结合的途径等。2002年，美国生产与库存控制学会(APICS)定义制造：包括设计、物料选择、规划、生产、质量保证、管理和对离散顾客与耐用货物营销的一系列相互关联的活动和运作作业。1.制造的内涵美国机械科学研究院（AMST）提出了一个由多层次技术群构成的体系如图11所示。图11 现代制造技术的内涵、层次及其技术构成2.制造是我国工业化与经济发展的核心支柱(1)国家工业化的程度决定了社会发展的特征、国力、防务能力与人民物质文化生活
3、的水平。(2)制造是国家经济发动机运转的强大支柱。(3)制造是增强国家综合实力、防务能力和提高人民物质文化生活水平的保证。(4)在实现国家工业化和现代化的过程中，制造业具有独特而不可替代的作用，必须重视与振兴它。(5)制造业市场是世界最大的产品与服务市场，也是世界各国许多实业公司和跨国公司的最大竞争角斗场。(6)制造业的改造、革新与创造都不应该也不可能“靠买进来”或“照搬照抄”。3.制造是国家经济发动机的强大支柱 建立一个强大、先进、有竞争力的现代制造业是我国不容轻视的长期战略任务。历史经验和现实告诫我们，中国的防务能力、经济发展、国家防务与经济的安全、人民的幸福只能依赖不断发展的经济和国家防
4、务能力，中国必须为此而发展中国制造，把中国建成世界制造大国与强国。二、我国制造业面对的挑战(一)企业成功的要素(二)制造企业面对的形势(三)未来制造面对的挑战(一)企业成功的要素(1)企业的市场定位、目标和实现目标的战略与商务实践。(2)能否形成相对于其他竞争对手的竞争优势。(3)建成企业竞争的核心能力。(4)建立成功的制造战略。(5)建立诚信、合作、实干与创新的企业文化。(6)对企业或核心公司建立加盟企业群集(Enterprises Cluster)联盟，形成有核心能力与竞争优势的制造企业群集中心或地域制造中心，以适应经济全球化与区域化和激烈的市场竞争。(一)企业成功的要素(7)熟悉WTO与
5、市场相关的法规、议定书与惯例，在遵守法律与法规的条件下，发扬中华文明悠久的谋略传统，在战略、战术或策略及方法上进行创新，“克敌制胜”。(8)认清我们的竞争优势，研究改进规避风险的战略、策略与措施，从国情和企业的实际出发，不断创新和改进组织与管理，培育和发展自己的品牌、独有的核心能力、建立竞争优势。(二)制造企业面对的形势1.传统制造面对的困境2.新兴工业化国家必须走可持续发展的道路3.传统制造业的投资效益下滑4.产品的寿命周期迅速缩短1.传统制造面对的困境(1)现有产品饱和，现存的制造生产能力大量闲置。(2)产业与研究开发RD的转移迫使发达国家的低中技术产品、基础产业与部分研究开发向发展中国家
6、与地区转移。(3)制造企业的职业吸引力迅速下滑，一流的工程技术、管理人才和技术工人后继乏人。(4)由于过去工业化过程中资源的滥用，已经引发了人类的生存危机。2.新兴工业化国家必须走可持续发展的道路 所谓信息化，指的是加快信息高技术的发展与产业化，并利用它们提高信息技术在国民经济与社会各领域的应用水平和推动经济与社会发展的进程。企业信息化指的是，利用现代信息技术有效地开发与利用信息资源的过程。3.传统制造业的投资效益下滑造成传统制造业投资效益下滑的主要原因有三个：一是现代制造业在战略性转变时期遇到了种种困难，传统制造业的管理不但不能即时发现和解决这些问题反而强调“更多地做更少地想”，使制造企业成
7、为“苦、累、报酬低”的行业；二是制造产品与服务所创造的利润中相当多的部分被商业贸易和流通、证券、股市或期货等金融领域吸纳，留给制造企业的利润已经相当低；三是传统的制造技术不能适应新的市场竞争要求，譬如由于长期很少研究与改进传统制造技术，使产品与制造系统不能利用快速实现重构(重组)技术而无法适应产品个性化与市场寿命周期迅速缩短的需求。4.产品的寿命周期迅速缩短表1-1主要制造产品的市场寿命周期新产品开发周期(年)年代电 子 产 品发动机汽车机床机 械 制 造其 他 制 造19911325782014519132517320200187132513551388162013压缩比率()3348783
8、5633132368335(三)未来制造面对的挑战(1)充分利用信息技术提升制造企业对市场需求及其变化的快速反应能力。(2)快速准确地捕捉与搜集竞争信息，并迅速地把它们转换成竞争情报与知识。(3)快速配置与系统地集成人、技术和资源，建立基于互联网的沟通与通信，为发展网络制造或群集制造建立良好的基础结构。(4)消除或控制污染，提高企业对环境的适应性。(5)发展可重构(可重组)企业(Reconfigurable Enterprise)。(6)创新与改进了的流程过程。三、应对未来挑战的战略与关键技术1.应对挑战的制造战略2.应对未来制造挑战的十个关键制造技术1.应对挑战的制造战略 制造战略所作出的选
9、择将长期影响企业的业绩与市场竞争力。为了获取最多的效益，制造战略应该在支持总体商务战略决策与提升竞争优势方面发挥作用。成功的制造战略使企业可以根据市场需求、市场环境与企业竞争优势提升的要求剪裁和重构企业的组织与管理，运作流程，产品、制造系统和商务活动，以及顾客服务，以达到提升企业竞争优势的目标。所以，可以把制造战略理解为制造组织实现其目标的行为与实施程序，它的重点放在企业系统的外部，侧重解决企业全局、全过程与全寿命的重大和长远问题。2.应对未来制造挑战的十个关键制造技术(1)可重构制造系统(RMS，Reconfigurable Manufacturing Systems)。(2)无损耗的处理(
10、Waste-free Processing)。(3)新的物料过程(New Material Process)。(4)制造用的生物技术(Biotechnology for Manufacturing)。(5)企业建模与仿真(Enterprise Modeling and Simulation)。(6)信息技术(Information Technology)。(7)产品与过程的设计方法(Product and Process Design Methods)。(8)增强了的机器人的接口(Enhanced Machine-Human Interfaces)。(9)教育与培训(Workforce Edu
11、cation and Training)。(10)智能合作系统软件(Software for Intelligent Collaboration Systems)。表1-2未来的重大制造挑战与十项优先发展的重大关键技术间的相关关系优先技术挑战快速响应信息转变成知识人 技术资源的集成环境的适应性可重构企业创新的过程可重构制造系统YYYNYY无损耗的处理NNNYNY新的物料过程NNNNNY制造用生物技术NNNYNY企业建模与仿真YYYYYY信息技术YYYYYY产品与过程的设计方法YNNYYY增强了的机器与人接口NYYYYY教育与培训NYYNNN智能合作系统软件YNNNYN图1-2获取持久竞争优势的
12、概念模型第二节制造系统及其发展一、制造系统基础二、制造模式与社会的变革深刻地影响着制造系统的规划、设计与运作结 果三、现代制造系统存在的问题四、设计制造系统的基本要求五、制造系统的组成要素一、制造系统基础1.制造系统的概念2.从系统工程观点定义制造系统3.制造系统的发展4.研究和开发先进的制造系统设计理论与方法1.制造系统的概念 “制造系统(ManufacturingSystem)”一词最早出现于1815年，其原意是“工厂系统”。1911年F.W.Taylor用“科学管理”表达制造与管理中系统的概念。2.从系统工程观点定义制造系统(1)制造系统的结构定义。(2)制造系统的转换定义。(3)制造系
13、统的程序定义。(1)制造系统的结构定义。根据系统结构静态的定义，制造系统是由硬件(生产设施、机床、夹具等)、物料传送装置、工人和其他附属装置组成的统一集合体，由生产信息知识、技术、方法和软件支持它。(2)制造系统的转换定义。按照系统转换的定义，可以把它定义为，把生产资源，特别是原材料转换成最终产品的变换转换过程。(3)制造系统的程序定义。从系统的程序(流程)角度可以把制造系统定义为，制造生产的运作程序，即制造的管理系统。它由规划、实施和控制组成的“管理循环”构成。3.制造系统的发展传统制造系统的不足(1)由通用机床组成的单件生产线主要特征是机群式组态，工序分散，要求公认的技艺高。(2)专用机床
14、或组合机床组成的自动化流水线其主要不足是设备的平均利用率低。(3)现有柔性制造系统的主要不足是冗余功能与生产线投资高昂。为了克服上述传统制造系统的不足，期望新一代的制造系统能够实现以下五个目标：(1)能根据商务运作和顾客需求的变化快速响应顾客需求期望的产品品种与产量。(2)能降低因产品生产寿命期缩短和产品订货批量变化造成的制造系统建造与运行的高投资风险，保证企业获得合理的投资回报率ROI。(3)可以重复利用和便于技术改进、技术革新和升级的。(4)可诊断的，能保证系统组态快速变更的系统试运行时间最短、质量缺陷最少。(5)系统及其组元有高的可靠性、鲁棒性(容错能力)与确定性。3.制造系统的发展3.
15、制造系统的发展达到这些目标后可以满足以下制造业市场的要求：(1)可按顾客的订单与生产组织要求快速组成新产品或变换产品的批量生产能力。(2)能够实现无缝地“缩放”的制造系统生产规模和布局(组态)。(3)允许方便快捷地组织多品种产品的混流生产或并流生产。(4)能够达到低的系统重构与技术升级费用、高的生产效率，从根本上改变在现代市场环境下传统制造系统高投资、高风险与低的投资回报率的现况。(5)短的制造系统试生产周期和稳定可靠的加工质量与产量。3.制造系统的发展图1-3制造系统的市场环境与技术特点图1-41.超高速加工方面 仍处于低级阶段，还没有形成完整、系统的研究体系和方法。国内磨削砂轮的线速度一般
16、在4560m/s，尚未超过80 m/s。超高速切削/磨削技术和其机床装备，与国际先进水平相比，还有较大差距。2.超精密加工方面 国内研发的超精密切削机床，无论性能稳定性和可靠性，还是精度指标，与国外产品相比，还有较大差距；而且国外的商品化机床都配有精度补偿软件。我国现代制造技术的发展现状 3.特种加工方面 国内在电加工、激光加工、超声加工、聚焦离子束和电子束加工等方面，与国际先进水平相比，还有较大差距。4.微纳加工方面 与国外相比，基础研究还很落后，高水平的装备和仪器大都依赖进口。5.自动化技术方面 我国目前尚处在单机自动化、刚性自动化阶段，柔性制造单元和系统仅在少数企业中使用。我国现代制造技
17、术的发展现状6.现代生产管理方面 国内只有少数大型企业局部采用了计算机辅助管理，多数中、小型企业仍处于经验管理阶段。与国际先进水平相比，还有较大差距。7.创新能力方面 我国在经费投入强度、技术水平、技术引进、生产能力等体现企业核心竟争力和持续发展能力方面，远低于工业发达国家。8.完整的体系方面 目前我国绝大多数企业技术开发能力薄弱，尚末成为技术创新的主体；还缺乏一支精干、相对稳定的力量从事产业共性技术的研究与开发。我国现代制造技术的发展现状4.研究和开发先进的制造系统设计理论与方法 近几年，由于制造企业信息管理的改进和计算机技术的应用，取得了一系列提高制造效率与效益的可喜成果。如：为制造系统集
18、成决策及其运作活动建模而开发的IDEFO方法，成为描述制造系统的工具。准时生产JIT/精益制造等新的生产方式对制造系统的设计和实际运行产生了重要的影响。约束理论的应用使制造系统的设计直接为企业的商务业绩目标服务。二、制造模式与社会的变革深刻地影响着制造系统的规划、设计与运作结果 大量生产方式的主要社会技术特征是：零件是全部、连贯的互换性；可实现装配线的生产，但它的主要生产特征不是以移动或连续流水方式装配，而是具有规模效应，产量增多后产品的成本下降；产品的质量得到提升，可保证产品的互换性与质量的一致性；同一种产品的产量可以达到200万辆或更多；设计为用户提供了显著的使用与维护方便性；三、现代制造
19、系统存在的问题1.现代制造系统发展方面的问题2.制造系统设计方面的问题1.现代制造系统发展方面的问题 有关制造系统发展方面应该汲取的教训有：制造系统创新改进的基础首先是顾客的需求、制造企业的承受力与可利用的资源，并得到强有力的现代设计科学与方法工具(例如，可重构系统与技术)、现代科学技术、社会可利用的资源(特别是人力资源)与工业工程及供应保障的支持；制造系统的设计、建造与运行必须同过程技术与合理的管理匹配集成实施；制造系统只是为现在与将来企业的商务目标服务的，换言之它只能为企业实现“使顾客完全满意”与“使受益者完全满意”的目的与目标服务。2.制造系统设计方面的问题 综上所述，近期在制造系统领域
20、中的革新正在围绕着提高系统的设计能力进行，以此为提升企业的核心能力、竞争优势和业绩服务。四、设计制造系统的基本要求(1)必须把制造系统的设计建立在创新设计理论与公理设计理论等先进设计理论与方法的基础上，才可能开发出有效、快速而可靠的设计技术与工具。(2)推式与拉式制造系统的设计应该满足下列设计定理：在通过制造系统加工处理相同的零件时，可以利用可控的排队功能退(解)偶器，把推式系统设计成生产率最高的系统；在不同零件及其要求的不同加工处理运作时拉式系统是最有效的系统。(3)推式制造系统的设计。(4)拉式制造系统。(5)可重构制造系统。五、制造系统的组成要素 制造(设备)系统总是企业制造生产系统中最
21、重要的子系统，是制造活动集合的子集。但是，制造企业的其他子系统与活动也会不同程度地影响制造系统，所以制造系统经常是一个复杂的社会-工程系统。现代制造技术的体系结构面向制造的设计技术群 产品/工艺设计 计算机辅助设计 工艺过程建模和仿真 工艺规程设计 系统工程基础 快速成型技术 并行工程制造工艺技术群 材料生产工艺 加工工艺 联接与装配 测试和检测 环保技术 维修技术 其他 信息技术 接口技术 集成技术 人工智能 数据库 软件工程 决策支持 标准和框架 数据标准 工艺标准 接口框架 产品定义和标准 检验标准 机床和工具技术 传感器和控制技术 质量管理 用户/供应商交互作用 工作人员培训和教育 全
22、国监督和基准评测 技术获取和利用主主体体技技术术群群支撑支撑技术群技术群制造基础制造基础设施环境设施环境图1-5第三节制造系统的柔性自动化及一、柔性自动化二、提高生产率的基本策略三、生产的数量指标四、制造自动化的策略与自动化方案的评价五、自动化制造系统的组成和布局类型六、工件传输方法七、自动线设计与制造的考虑因素八、自动线的技术分析一、柔性自动化1.概述2.自动化与工程师的作用3.机械化与自动化的实施程序1.概述表1-3制造系统的比较制造系统类型特征机械化机器(MM)机械自动化流水线(DML)柔性制造系统(FMS)可重组制造系统(RMS或RRMS)基本制造特征产品生产特征多品种单件小批量生产单
23、一或少品种大量生产一组零件的批量生产多组零件变批量生产制 造 柔 性高极低或无中等按订货要求变化过程可变性大无或极小中等大功能可变性小无无或小大可缩放性中等无中等大成本效益低最高中等较高高投资回报率低较高较高中最高低中等或最高1.概述表1-3制造系统的比较系统特征系统组态能力以机器为模块可重组革新后可重组革新后可重组硬软件系统均可重组机床(器)结构固定式通用固定式专用固定式通用可重组机床(器)部件结构固定式固定式固定式可重组部件加工作业单刀为主多刀作业单刀为主可变2.自动化与工程师的作用表1-4机械工程师与工业工程师的职责机械工程师工业工程师装备的自动化生产系统的自动化装备的设计生产系统的设计
24、、新装备的应用模块、模具、工具与夹具的设计工具、夹具的技术要求技术条件新装备(含切削刀具等)的试验研究新刀具、夹具与装备的导入3.机械化与自动化的实施程序(1)搞清自动化的目标。(2)自动化与产品的寿命期。(3)实施柔性自动化的工厂再设计。(4)建立柔性自动化系统的信息结构。(5)自动化与产品的设计。(6)自动化的必要条件与建立的目标。(7)自动化的水平与过程流程的测试(8)结论与未来的趋势。图1-6柔性自动化生产系统的信息结构二、提高生产率的基本策略(1)采用柔性制造原理与技术，压缩变换产品品种的导入(准备)时间，适应产品批量的变化。(2)采用高效的加工方法与设备。(3)压缩制造的辅助时间。
25、(4)提高过程变量或切削用量。(5)实现少人的或无人化加工。(6)利用“零时间哲学”。三、生产的数量指标1.制造时间(Manufacturing)2.生产率Rp与工序时间To的组成3.制造能力PC4.利用率U5.可靠性指标工作效率6.制造过程件(WIP)四、制造自动化的策略与自动化方案的评价1.制造自动化的策略2.自动化方案的评价1.制造自动化的策略(1)工序专门化。(2)工序集中(组合)。(3)工序同步(并行)化。(4)工序集成。(5)提高柔性。(6)改进物流系统，缩短制造时间，降低在制件数。(7)增强质量瓶颈设备的过程质量控制，提高过程质量及其稳定性。(8)控制和优化制造过程。(9)集成。
26、(10)计算机集成制造(CIM)。2.自动化方案的评价(1)可行性研究。(2)方案评审。(1)可行性研究 可行性研究包括：对项目背景的了解，搞清项目的重要性和必要性，对相关的国家调控政策、法律、法规、市场环境、用户需求及限制因素进行调查与分析研究；捕捉客户需求，经反复协商深入了解需求，预测市场前景；进行产品需求分析，以及产品成熟度与技术革新度、竞争对手分析，确定技术条件与相关标准；对加工方法与工艺流程成熟性和稳定性，制造系统硬软件及工具成套性、可靠性、稳定性和兼容性进行分析研究；方案设计评审与优选；进行现金流分析和投资回报率、最佳投资规模与投资时机、投资风险(市场变化、金融与汇率风险)与产品设
27、计开发风险及其风险管理保证的评价；实施计划及其可操作性评审；资源需求分析；综合的可行性结论和建议。(2)方案评审 方案评审包含：对可行性结论和建议的复审与评价。进行技术评审：评审工艺方法和流程的成熟性、可靠性与稳定性；评审主要技术条件与指标；审查制造系统自动化方案与硬件成套性；审查并验证故障率、容错能力、兼容性和可维护性；系统的功能和柔性验证；软件有效性、可维护性及兼容性测试与审查；资源可获得性、利用率评估；技术先进性、成熟度与革新度，以及技术管理的评估；仿真分析验证；可重组与扩展性评估。技术经济评价，即对投标、效益、投资回报率和成本估计的审查，以及对风险与灵敏度的审查。其他因素的评审，如形势
28、变化，汇率、股市与期货的影响的评审等。确定进一步调查、试验和论证的问题和改进建议。作出评价结论。五、自动化制造系统的组成和布局类型1.直线型布置2.回转型布置1.直线型布置图1-7直线型汽车后轿齿轮箱加工自动线2.回转型布置图1-8回转型自动线示例a)5个站的回转自动线b)6个站的回转自动线六、工件传输方法图1-9典型的自动线传输机构a)步行移动系统b)链传动传输系统c)齿轮齿条机构d)棘轮机构e)星形轮机构f)立体凸轮机构七、自动线设计与制造的考虑因素(1)加工件的尺寸、重量、材质和几何形状。(2)装配零部件的尺寸、重量和件数。(3)公差与加工类型、加工顺序。(4)要求的生产率，传输系统的类
29、型。(5)工件定位安装方法。(6)装配零部件送进和导向方法。(7)各工作站设备和传输机构的可靠性，整个自动线的可靠性。(8)中间缓冲存储容量。(9)维护的方便性。(10)要求的控制特征。(11)生产可用的空间。(12)产品设计改变后自动线的适应性(柔性)。(13)自动线的初期投资。七、自动线设计与制造的考虑因素(14)自动线加工的成本。(15)自动线是自制还是外承包。设计建造自动线的两种方法是：(1)利用标准机床和加工装配工作站上的加工、处理与装配设备和标准的或专用的物料传输系统连接各工作站形成自动线。(2)自动线的设计与制造由机床制造厂完成，采用专用的传输线、装配机及其他设备，对自动线进行专
30、门的设计和单独制造。八、自动线的技术分析1.自动线运行性能的技术经济指标2.无存储自动线的分析3.局部自动化4.有缓冲存储自动线的分析1.自动线运行性能的技术经济指标(1)自动线的理论循环时间(周期)Tc。(2)自动线平均实际生产时间Tp。(3)自动线的平均生产率Rp与理论生产率Rc(4)自动线的效率E(5)自动线单件成本Cpc3.局部自动化 工业上实际应用的自动线大多由手工操作与自动化两类工作站组成，称它们为局部自动化。产生局部自动化的原因，首先是因为技术发展总是逐步由自动化操作替代手工操作，而不是立即全线自动化；其二是因为某些手工操作难以自动化或自动化在经济上不合理。因此，在自动线设计制造
31、中，常有一些工作站由手工操作。4.有缓冲存储自动线的分析(1)缓冲存储有效性的极限(2)两段自动线的分析。(1)缓冲存储有效性的极限1)无缓冲存储能力。2)无限量缓冲存储。3)实际缓冲存储有效性E。有缓冲存储自动线的效率达到最大值的条件为：1)设定的段数等于工作站数，即相邻站间均有缓冲存储。2)装置缓冲存储的各工作站有相等的故障概率。3)把缓冲存储器设计成大容量的。4)提高自动线效率最多的是设置第一个缓冲存储器时。(2)两段自动线的分析 若用内存量为b的缓冲存储器把自动线分为两部分，F1与F2分别表示两部分中第1与第2段的故障停机率，则定义为故障停机率之比F2F1表1-5在几种停机状态下两段自
32、动线的h(b)计算公式假定两段有相等的循环时间和修理时间，即，设bBL(1 41)式中B满足以下关系的最大整数 bB L剩余件数，在bB时出现。bBL第四节计算机集成制造CIM系统一、产生计算机集成制造的技术经济背景二、计算机集成制造的基本概念三、我国实施CIMS的简况四、CIMS的组成五、CIMS递阶控制系统六、CIMS实验工程一、产生计算机集成制造的技术经济背景(1)制造业产品的市场已由各国或局部地区变成世界市场。(2)产品多样化，型号、规格日益增加，批量减小。(3)产品生命周期，即产品更新换代的时间越来越短。(4)在国内外市场上，产品的竞争主要表现在质量、价格、交货期的竞争。二、计算机集
33、成制造的基本概念概念：CIMS是企业生产活动全过程中各了系统的完美集成，即从市场预测、经营决策、计算控制、工程设计、生产制造、质量控制到产品销售等支持功能部门，合理地通过计算机网络联结成一个整体，以保证企业内部信息的一致性、共享性、可靠性、精确性和及时性，综合运用现代管理、信息、制造、自动化和系统工程等领域的技术、实现生产的自动化和柔性化，达到高效率、高质量、低成本和灵活生产的目的。(1)从功能上，CIM包含一个制造企业的全部生产和经营管理活动，从市场预测、产品设计、制造装配、经营管理到售后服务是一个整体，要全面。(2)从信息上，整个生产过程实质上是一个数据采集、传送和处理决策的过程，最终形成
34、的产品可以看作是数据(信息)的物质表现。三、我国实施CIMS的简况 我国在80年代中期已关注到国际上CIMS的发展，在国家高技术发展计划(863计划)中，CIMS作为自动化领域的一个主题被列入。国家科委组织了2000多人的研究队伍进行了近10年的研究和在工厂中的实施，取得了许多研究成果和工作经验。设在清华大学的CIMS实验工程研究中心(CIMSERC)和北京第一机床厂的CIMS应用工程，先后在1994年和1995年获得了美国制造工程师学会(SME)的CIMS“大学领先奖”和“工业领先奖”，标志着我国对CIMS的研究和实施进入了国际先进水平。此外，CIMS的推广应用已发展到机械、电子、航空、航天
35、、轻工、纺织、化工、冶金、石油、通信、煤炭等行业的60多家企业，获得了显著的经济效益和社会效益，为推动我国制造企业的技术进步作出了贡献。四、CIMS的组成1.工程设计自动化分系统2.制造自动化分系统3.质量保证分系统4.管理信息分系统5.计算机通信网络6.数据库图1-10CIMS组成图1.工程设计自动化分系统(1)CAD计算机辅助设计。(2)CAE计算机辅助工程分析。(3)CAPP计算机辅助工艺设计。(4)CAT计算机辅助工艺装备设计(Computer Aided Tooling，CAT)。(5)CAM计算机辅助制造。2.制造自动化分系统(1)加工工作站。(2)物料输送及储存工作站。(3)夹具
36、与装卸工作站。(4)刀具管理工作站。(5)检测工作站。(6)装配工作站。图1-11制造自动化分系统典型代表3.质量保证分系统 此分系统主要是采集、存储、评价与处理存在于设计、制造过程中与质量有关的大量数据，从而及时正确处理各种质量问题，促进提高产品质量。分系统具有质量决策、质量检测与数据采集、质量评价、控制与追踪等功能。4.管理信息分系统 通常，管理信息分系统以MRP为核心，根据企业管理高层的经营决策，中期和短期生产计划与生产工场(车间)的作业计划，以及各种生产活动和操作，来编制制造资源规划，其功能覆盖了市场营销、物料供应、各级生产计划与控制、财务管理、成本、库存和技术管理等部分的活动。此系统
37、包含了企业经营规划、主生产计划、物料需求计划、生产能力需求计划、车间或工场生产作业计划、车间调度与控制等软件。这一分系统在CIMS中处于中枢地位，指挥与控制其余各分系统进行有条不紊的工作。5.计算机通信网络 此系统采用国际上标准的网络协议，实现异种机互联、异构局部网络及多种网络的互联。实际上这是一个局域网，要满足各分系统对网络支持服务的不同需求，支持资源共享、分布数据库、各种递阶和实时控制。6.数据库 数据库是支持CIMS各分系统并包含企业全部信息的数据库系统。此数据库在逻辑上是统一的，在物理上可以是分布的，用以支持企业数据共享和信息的集成。由于各企业产品不同，生产规模和性质都不一样，因此在实
38、施CIM时都有不同的结构，有的分系统复杂，有的就简单，但两个支撑分系统是决不可少的。五、CIMS递阶控制系统1.工厂层控制系统2.车间层控制系统3.单元层控制系统4.工作站层控制系统5.设备层控制系统1.工厂层控制系统(1)决策支撑。包括市场分析预测、经营决策等。(2)经营管理。包括成本估算和财务、用户订单处理、库存统计、采购、人事管理、工资管理等。有关决策支撑和经营管理，既与生产有联系，又有一定独立性。在研制了各独立模块后很容易集成。(3)生产管理。制定主生产计划，明确生产资源需求，确定生产能力，应用生产计划数据确定交给下一级的生产指令。(4)生产准备(制造工程)。即包括了有关CADCAM的
39、各项目。生产管理和生产准备对下级控制的关系十分密切，也是研究的重点。(5)信息管理。2.车间层控制系统(1)任务管理。安排生产能力计划，对订单进行分批处理，将任务分配给各单元(Cell)，跟踪设备利用情况，安排各项设备的维修。(2)资源分配。分配单元层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。3.单元层控制系统(1)排队管理。(2)调度。(3)分配。3.单元层控制系统图1-12AMRF/CIMS递阶控制结构4.工作站层控制系统 此级控制系统负责指挥和协调车间中一个设备小组的活动。一个工作站通常由一台NC机床、一台机器人、一个物料储运器和一台控制计算机组成。工作站级负责处理物料储
40、运系统交来的零件托盘。控制器为设备级各子系统对零件安装、切削加工、卸下工件等各项操作进行排序。5.设备层控制系统 这是控制系统的底层，是指一台具体的设备，如机床、机器人、坐标测量机、自动导引车等。此级控制器向上与工作站控制系统用接口连接，向下与各设备控制器接口相通。设备控制器的功能是将工作站控制器命令转换成可操作的、有顺序的简单任务运行各种设备。六、CIMS实验工程1.CIMS实验工程概况2.CIMS实验工程的总体集成3.CIMS总体简化集成运行情况1.CIMS实验工程概况技术原则技术原则(1)实验工程能体现实际工厂的主要功能，即产品设计、制造和管理的多层递阶结构。(2)用最少的机械设备配置原
41、则，为实验工程提供一个生产环境，用以实现信息集成。(3)用多厂生产的异种设备，包括各种硬件和软件进行集成，更好体现实际生产现状。(4)从现有成熟的单元技术的集成过渡到更先进技术的研究开发和集成。(5)重视软件开发的软件工程规范化方法和各种标准化问题。图1-13CIMS实验工程系统结构图1-14CIMS-ERC制造系统实验室平面布置2.CIMS实验工程的总体集成(1)车间单元工作站设备4级信息集成。(2)CADCAPPCAM的集成。(3)制造设备的集成。(1)车间单元工作站设备4级信息集成。1)车间根据实验工程的要求给出指令性计划，产生周生产计划。2)单元层根据周生产计划、车间生产能力及完成生产
42、情况，生成双日滚动计划，然后通过仿真软件为之仿真，如不合适，则可作调整，最后由调度软件根据CAPP制定的工艺规划，对当日要加工的零件进行排序，产生调度单，并完成对各工作站的实时调度与监控。3)工作站根据单元控制器下达的作业命令，调用合适的加工程序和NC代码对各设备进行控制，实现当日生产的零件的加工，同时还将设备状态实时反馈给单元控制器。图1-15CIMS-ERC 4级递阶控制结构1)部件方案设计专家系统可根据用户的要求自动进行部件(减速箱)的设计，并给出主要零件的结构尺寸。2)典型零件设计软件根据专家系统给出的结构尺寸进行零件的三维造型、有限元分析及其他分析计算，转换成二维视图，并通过IGES
43、标准图形文件传送给另一个CAD软件，进行二维详细设计，产生符合我国标准的带有汉字的工程图样。3)自行开发的CAPP软件可在上述基础上输入必要的零件工艺信息，生成工艺路线卡片、工艺卡及装夹定位示意图。4)CAM软件根据CAD及CAPP信息生成刀位文件，同时利用组合夹具组装CAD软件生成组合夹具组装图，并进行刀位轨迹仿真，以防止发生干涉，由后置处理软件生成加工中心的NC代码。图1-16CIMS-ERCCAD子系统工作流程框图图1-17CIMS-ERCCAPPCAM子系统工作流程框图(3)制造设备的集成。1)立式加工中心和卧式加工中心工作站各有一台立式或卧式加工中心，但对控制器均进行了改造，加装了接
44、口，以便能和上位计算机进行通信。2)车削工作站有一台NC车削加工中心，并有一台机器人，以便装卸回转体零件，由实验工程研制了车削中心和机器人协同工作的软件。3)物流工作站拥有一套货位不多的自动化立体仓库，它能通过物流工作站的指令实现毛坯件和成品零件的自动入库及出库。4)刀具工作站有一套自行开发的对全车间进行刀具管理的软件系统，有一台刀具尺寸预调仪，能实现刀具库存管理、刀具作业计划管理及刀具参数预调等功能，并能和上位计算机进行通信，将有关数据送入数据库。5)装夹工作站有一套孔系组合夹具元件。(3)制造设备的集成。6)运输车工作站包括一台自动运送物料的自动导引车(AGV)及其控制和通信装置，还有若干
45、有传感器的缓冲站。7)测量工作站有一台三坐标测量机。3.CIMS总体简化集成运行情况(1)计划管理系统根据订单制定周生产计划及新产品设计计划，分别下达给生产单元及设计部门。(2)单元控制器根据周生产计划及工程设计信息分解为双日滚动计划，并进一步制定出当日的作业调度，然后根据现场状态，向各工作站实时发出调度指令。(3)各工作站按照协调控制原理将调度命令分解为各种设备的工作指令。(4)若生产现场发生故障，则根据故障的性质将由单元控制器、工作站控制器分别加以处理，以保证整个生产线仍能正常运行。(5)该系统有处理急件及临时改变生产计划的功能。(6)当日生产结束后，单元控制器将生产情况上报给工厂车间层。
46、3.CIMS总体简化集成运行情况图1-18CIMS部分总体集成生产运行简图第五节集成制造系统分析和功能模型IDEFO一、概述二、IDEFO图形符号和箭头标注的含义三、利用IDEFO建立系统功能模型和阅读IDEFO模型的方法要点一、概述1)用简单图形符号和语言标注形式来全面、准确、清晰地描述系统。2)采用严格自顶向下、逐层分解的方式来建立系统功能模型。3)明确“做什么”和“如何做”的差别，便于清晰理解系统及其细节。4)通过评审来解决建模的正确性与完整性。图1-19IDEFO的顶层图形图1-20IDEFO功能模块的层次分解二、IDEFO图形符号和箭头标注的含义1.活动2.输入、输出、控制与机制3.
47、ICOM码4.结点号1.活动图1-21活动图形2.输入、输出、控制与机制图1-22IDEFO的分支和联合a)分支b)联合2.输入、输出、控制与机制图1-23通道箭头3.ICOM码图1-24ICOM码4.结点号图1-25结点树三、利用IDEF建立系统功能模型和阅读IDEFO模型的方法要点1.利用IDEF建立系统功能模型的方法2.阅读IDEF模型的方法1.利用IDEF建立系统功能模型的方法(1)确定建模的范围、观点及目的。(2)建立系统的内外关系图A-0图。(3)建立顶层图A0。(4)建立低层次图形。(5)写文字说明。2.阅读IDEF模型的方法(1)查看当前图中的各方框，得到描述事物的一个概貌。(2)参考父图，注意有关箭头。(3)回到当前图，试着确定是否有一条主路径连接最重要的输入或控制，达到最重要的输出。(4)将主路径作为线索，从左上角到右下角遍历图形。(5)最后读补充文本，使理解更完整。图1-26计算机集成制造与研究的IDEFO图人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。
