計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)概念及其展望顏?lái)灊? 摘要：通過(guò)閱讀計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，完成本論文。本文的主要工作有：1）計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的概念、定義。2）計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的組成，和主要構(gòu)成部分。3）計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)帶給企業(yè)的效益。4）計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的展望。關(guān)鍵詞：CIMS；展望；概念1 計(jì)算機(jī)制造系統(tǒng)1.1 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的概念1.1.1 自動(dòng)化孤島（Islands of Automation）自動(dòng)化孤島是指在一個(gè)工廠內(nèi)，能夠完成某種功能的自動(dòng)化子系統(tǒng)，它在職能上是分布的，在地理上是分散的，在時(shí)間上是分割的。近30年來(lái)，隨著電子技術(shù)、計(jì)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(kāi)發(fā)出許多專門(mén)用途的自動(dòng)化系統(tǒng)，它們是相對(duì)獨(dú)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(dòng)化子系統(tǒng)是分期控制和局部管理的，統(tǒng)稱為自動(dòng)化孤島。這類(lèi)自動(dòng)化孤島包括： 1NC、CNC、DNC機(jī)床 2CAD/CAM (CAPP, CAE )、FMS 3MRP（制造資源規(guī)劃） 注意：MRP材料需求計(jì)劃 4Expert System 5Robot Controller自動(dòng)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(chǎng)深刻的變革。1.1.2 CIMS定義CIMS是建立在自動(dòng)化孤島基礎(chǔ)上的復(fù)雜系統(tǒng)。CIMS將全部制造過(guò)程進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，將一個(gè)工廠的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)的各種分布的自動(dòng)化孤島，通過(guò)要素化和標(biāo)準(zhǔn)化有機(jī)地集成起來(lái)，以獲得一個(gè)高效益和高柔性的智能化大系統(tǒng)。1974年，美國(guó)年輕學(xué)者哈靈頓博士首先提出“計(jì)算機(jī)集成制造”的概念，他認(rèn)為整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程（從市場(chǎng)、設(shè)計(jì)制造到管理、售后服務(wù)等）是一個(gè)整體，需要統(tǒng)一考慮；同時(shí)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程是信息的采集、傳送和加工處理的過(guò)程，產(chǎn)品的尺寸不過(guò)是物化的數(shù)據(jù)。這一觀點(diǎn)為生產(chǎn)過(guò)程大量采用信息技術(shù)奠定了認(rèn)識(shí)上的基礎(chǔ)。什么是CIMS？至今尚無(wú)一個(gè)普遍接受的說(shuō)法，有人說(shuō)CIMS是用計(jì)算機(jī)去集成制造活動(dòng)；還有人說(shuō)，CIMS是一個(gè)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(diǎn)，將整個(gè)車(chē)間或工廠作為一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)完全由計(jì)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(guò)檢驗(yàn)的合格產(chǎn)品。1.2 計(jì)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(jí)：1決策級(jí)決策級(jí)是生產(chǎn)決策機(jī)構(gòu)。決策級(jí)根據(jù)市場(chǎng)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(cái)務(wù)狀況，作出生產(chǎn)產(chǎn)品的種類(lèi)及規(guī)模的決策。2經(jīng)營(yíng)管理級(jí)經(jīng)營(yíng)管理級(jí)根據(jù)決策機(jī)構(gòu)的決定、市場(chǎng)的銷(xiāo)售情況等方面的情況，決定產(chǎn)品的類(lèi)型與產(chǎn)量，協(xié)調(diào)生產(chǎn)過(guò)程的各種活動(dòng)，實(shí)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(jì)算機(jī)輔助經(jīng)濟(jì)分析等）。同時(shí)在空間和時(shí)間上,協(xié)調(diào)物料的需求,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代管理思想的目標(biāo)無(wú)庫(kù)存系統(tǒng)。3制造級(jí)制造級(jí)是具體實(shí)施產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的部分，其中包含制造系統(tǒng)中各項(xiàng)自動(dòng)化技術(shù)及其集成，即CAD/CAM、FMS、柔性檢驗(yàn)、自動(dòng)傳送系統(tǒng)、自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)等。由CIMS的示意圖可以看出計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的一個(gè)最鮮明的特點(diǎn)：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(gè)生產(chǎn)活動(dòng)。1.2.2 CIMS主要組成部分如上所述，CIMS包括了企業(yè)從市場(chǎng)預(yù)測(cè)到產(chǎn)品售后服務(wù)的全部生產(chǎn)活動(dòng)。從功能角度看，CIMS包含了一個(gè)企業(yè)的設(shè)計(jì)、制造及經(jīng)營(yíng)管理的三種主要功能。要使這三者集成起來(lái)，還需要一個(gè)支撐環(huán)境，即分布式數(shù)據(jù)庫(kù)和計(jì)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(yíng)計(jì)劃管理、物料管理、生產(chǎn)管理、財(cái)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）、成組技術(shù)（GT）、計(jì)算機(jī)輔助編制工藝規(guī)程（CAPP）和計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）等。3柔性自動(dòng)化制造系統(tǒng)其主要功能是在計(jì)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(guò)程，并將制造現(xiàn)場(chǎng)的不同信息實(shí)時(shí)地或經(jīng)過(guò)初步處理后反饋到相應(yīng)部門(mén)。其硬件設(shè)備主要包括CNC、DNC、自動(dòng)小車(chē)、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(guò)對(duì)存在于設(shè)計(jì)、制造和管理中的質(zhì)量信息進(jìn)行有效的收集、處理、儲(chǔ)存、評(píng)價(jià)、分析與利用，并形成一系列的控制手段來(lái)保證產(chǎn)品的質(zhì)量，其中主要包括質(zhì)量計(jì)劃、質(zhì)量信息管理以及計(jì)算機(jī)輔助在線質(zhì)量控制。3 計(jì)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(gè)方面：一、在工程設(shè)計(jì)自動(dòng)化方面由于采用現(xiàn)代化設(shè)計(jì)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(jì)質(zhì)量 3縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)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(guò)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(yíng)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(bào)價(jià)快速、準(zhǔn)確、及時(shí) 3減少生產(chǎn)過(guò)程中的“瓶頸”，減少“在制品” 4庫(kù)存降至最低水平，減少占用資金和倉(cāng)庫(kù)面積，降低生產(chǎn)成本現(xiàn)代管理科學(xué)認(rèn)為，一個(gè)好企業(yè)的生產(chǎn)模式應(yīng)該是無(wú)倉(cāng)庫(kù)式和啞鈴式。1985年，美國(guó)科學(xué)院對(duì)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(chē)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200500工程設(shè)計(jì)費(fèi)用減少1530生產(chǎn)率提高4070人工費(fèi)用減少520設(shè)備利用率提高200300提高工程師工作能力300500生產(chǎn)周期縮短3060在制品減少30604 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的展望4.1 數(shù)字化未來(lái)世界，“數(shù)字化”將勢(shì)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(gè)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：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(jì)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(guò)程、生產(chǎn)系統(tǒng)不斷實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的必然趨勢(shì)。它包含了三大部分：以設(shè)計(jì)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(duì)制造設(shè)備而言，其控制參數(shù)均為數(shù)字化信號(hào)。對(duì)制造企業(yè)而言，各種信息（如圖形、數(shù)據(jù)、知識(shí)、技能等等）均以數(shù)字形式，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，在企業(yè)內(nèi)傳遞，以便根據(jù)市場(chǎng)信息，迅速收集資料信息，在虛擬現(xiàn)實(shí)、快速原型、數(shù)據(jù)庫(kù)、多媒體等多種數(shù)字化技術(shù)的支持下，對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品功能的仿真，對(duì)加工過(guò)程與生產(chǎn)組織過(guò)程的仿真，或完成原型制造，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的快速重組與對(duì)市場(chǎng)的快速響應(yīng)，以滿足客戶化要求。對(duì)全球制造業(yè)而言，用戶借助網(wǎng)絡(luò)發(fā)布信息，各類(lèi)企業(yè)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)需求，應(yīng)用電子商務(wù)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，形成動(dòng)態(tài)聯(lián)盟，迅速協(xié)同設(shè)計(jì)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(guó)界形成一個(gè)數(shù)字化組成的網(wǎng)，企業(yè)、車(chē)間、設(shè)備、員工、經(jīng)銷(xiāo)商乃至有關(guān)市場(chǎng)均可成為網(wǎng)上的一個(gè)“結(jié)點(diǎn)”，在研究、設(shè)計(jì)、制造、銷(xiāo)售、服務(wù)的過(guò)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(dòng)制造業(yè)活動(dòng)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(shí)的集成，亦即知識(shí)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?，就是“雜交”，就是取人之長(zhǎng)，補(bǔ)己之短?！凹苫敝饕福海?）、現(xiàn)代技術(shù)的集成。機(jī)電一體化是個(gè)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(gè)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(guò)程的集成；包括生產(chǎn)過(guò)程的集成。全壽命周期過(guò)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(diǎn)：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(lái)，具有更高級(jí)的類(lèi)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(jì)算機(jī)模擬的人類(lèi)專家的智能活動(dòng)，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(dòng)。同時(shí)，收集、存儲(chǔ)、處理、完善、共享、繼承和發(fā)展人類(lèi)專家的制造智能。盡管智能化制造道路還很漫長(zhǎng)，但是必將成為未來(lái)制造業(yè)的主要生產(chǎn)模式之一。