計(jì)算機(jī)集成制造技術(shù)

§5計(jì)算機(jī)集成制造技術(shù)—CIMS制造系統(tǒng)的發(fā)展1、手工作坊2、機(jī)群式生產(chǎn)3、生產(chǎn)線4、自動線（剛性自動化系統(tǒng)）5、集成制造系統(tǒng)（IntegratedManufacturingSystem——IMS）第一頁，共九十六頁。1

6、柔性制造系統(tǒng)（FlexableManufacturingsystem—FMS）7、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（ComputerIntegratedManufacturingSystem—CIMS）8、智能制造系統(tǒng)（IntelligentManufacturingSystem—IMS）9、全能制造系統(tǒng)（HolosonManufacturingSystem—HMS）第二頁，共九十六頁。2

信息技術(shù)和機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展推動了制造產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷變革，促進(jìn)了生產(chǎn)過程自動化水平進(jìn)一步提高。企業(yè)自動化也由“點(diǎn)”（即單機(jī)自動化）到“線”（即由多種自動化設(shè)備組成的生產(chǎn)線），再由“線”發(fā)展到“面”（通過引入柔性制造系統(tǒng)，力圖實(shí)現(xiàn)企業(yè)設(shè)備組成的生產(chǎn)線），進(jìn)而由“面”向“立體”（指企業(yè)全部生產(chǎn)系統(tǒng)和企業(yè)內(nèi)部業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)綜合自動化）的方向發(fā)展，以期實(shí)現(xiàn)企業(yè)全部業(yè)務(wù)的一元化、集成化和高效化。第三頁，共九十六頁。3

計(jì)算機(jī)集成制造（CIM——omputerIntegratedManufacturing）技術(shù)正是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)這一愿望的技術(shù)途徑。計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS——ComputerIntegratedManufacturingSystem）是當(dāng)代生產(chǎn)自動化領(lǐng)域的前沿學(xué)科，也是集多種高新技術(shù)為一體的現(xiàn)代化制造技術(shù)

第四頁，共九十六頁。4CIMS的提出

20世紀(jì)60年代以來，為解決制造業(yè)所面臨的一系列難題，許多新技術(shù)被應(yīng)用到制造業(yè)中。這些新技術(shù)主要有：數(shù)控（NC）、分布式數(shù)控（DNC）、計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）、物料需求計(jì)劃（MRP）、制造資源規(guī)劃（MRP-II）、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造（CAD/CAM）、計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）、計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)（CAPP）和機(jī)械制造中的成組技術(shù)（GT）以及機(jī)器人（Robot）等。

第五頁，共九十六頁。5

但是這些新技術(shù)并沒有帶來人們曾經(jīng)預(yù)測的巨大效益，主要原因在于它們只是離散地分布在制造業(yè)的各個(gè)子系統(tǒng)中，只能使系統(tǒng)的局部達(dá)到自動化和最優(yōu)化，而未能使整個(gè)生產(chǎn)過程長期在最優(yōu)化狀態(tài)下運(yùn)行。為了解決這個(gè)問題，人們逐步提出了計(jì)算機(jī)集成制造（CIM）這一新思想。第六頁，共九十六頁。6自動化孤島第七頁，共九十六頁。71+1=2?

第八頁，共九十六頁。8將“自動化孤島”集成在一起第九頁，共九十六頁。9將“自動化孤島”集成在一起第十頁，共九十六頁。10CIM是美國喬賽夫·哈林頓博士（Joseph.Harrington）1973年針對企業(yè)所面臨的激烈的市場競爭形勢，根據(jù)計(jì)算機(jī)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用情況，預(yù)見其必然的發(fā)展趨勢，提出的組織企業(yè)生產(chǎn)的一種哲理。哈林頓博士提出的CIM概念的基本論點(diǎn)為：1）企業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，即從市場分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工制造、經(jīng)營管理到售后服務(wù)的全部生產(chǎn)活動，是一個(gè)不可分割的整體，要緊密連接、統(tǒng)一考慮。2）整個(gè)生產(chǎn)過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)數(shù)據(jù)采集、傳遞和加工處理的過程。最終形成的產(chǎn)品，可以看作數(shù)據(jù)的物質(zhì)表現(xiàn)。第十一頁，共九十六頁。11

從這兩個(gè)觀點(diǎn)可以看，CIM是一種新的制造思想和技術(shù)形態(tài)，是信息技術(shù)與制造過程相結(jié)合的自動化技術(shù)與科學(xué)，是未來工廠的模式。這兩個(gè)觀點(diǎn)至今仍是CIM的核心部分，其實(shí)質(zhì)內(nèi)容是信息（數(shù)據(jù)）的集成。但是，由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)限制，還不足以把企業(yè)內(nèi)部的全部生產(chǎn)經(jīng)營活動連接起來，因而哈林頓博士的看法并沒有立即引起人們的廣泛注意。直到20世紀(jì)80年代，這一概念才被普遍接受。第十二頁，共九十六頁。12CIMS的定義CIM是組織現(xiàn)代化生產(chǎn)的一種哲理，是一種指導(dǎo)思想，CIMS是這種哲理的實(shí)現(xiàn)在CIMS的研究和實(shí)施中必須強(qiáng)調(diào)“信息流”和“系統(tǒng)集成”這兩個(gè)最基本觀點(diǎn)。CIMS定義為：CIMS是基于CIM哲理構(gòu)成的優(yōu)化運(yùn)動的企業(yè)制造系統(tǒng)

第十三頁，共九十六頁。13

日本能源協(xié)會在1991年提出CIM的定義是：“CIM是以信息作為媒介，用計(jì)算機(jī)把企業(yè)活動中業(yè)務(wù)領(lǐng)域及其職能集成起來，追求整體效率的新型生產(chǎn)系統(tǒng)。”IBM公司1990年提出CIM的定義是：“應(yīng)用信息技術(shù)提高組織的生產(chǎn)率和響應(yīng)能力。”日本大孤工業(yè)大學(xué)栗山仙之助教授認(rèn)為：CIM中“C”有計(jì)算機(jī)、控制和通信的含義，“I”具有集成的含義，而“M”包含有制造、市場和管理內(nèi)涵

第十四頁，共九十六頁。14

歐共體CIM—OSA課題委員會也提出了被認(rèn)為是最權(quán)威最科學(xué)的定義：“CIM是信息技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)和綜合應(yīng)用，旨在提高制造型企業(yè)的生產(chǎn)率和響應(yīng)能力，由此，企業(yè)的所有功能、信息、管理方面都是一個(gè)集成起來的整體的各個(gè)部分”第十五頁，共九十六頁。15

CIMS是現(xiàn)代制造企業(yè)的一種生產(chǎn)、經(jīng)營和管理模式。它以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，利用信息技術(shù)（包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動化技術(shù)、通信和現(xiàn)代管理技術(shù))將制造企業(yè)的經(jīng)營、管理、計(jì)劃、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工制造、銷售及服務(wù)等全部生產(chǎn)活動集成起來，將各種局部自動化系統(tǒng)集成起來，將各種資源集成起來，將人、機(jī)系統(tǒng)集成起來，實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)的信息集成，達(dá)到實(shí)現(xiàn)企業(yè)全局優(yōu)化、提高企業(yè)綜合效益和提高市場競爭能力的目的。

第十六頁，共九十六頁。16在CIMS中主要包含四個(gè)要素及兩個(gè)特征。四個(gè)要素如下：1）CIMS適用于各種中、小批量的離散生產(chǎn)過程型制造廠。2）CIMS應(yīng)將制造工廠的生產(chǎn)經(jīng)營活動都納入到多模式、多層次、人機(jī)交互的自動化系統(tǒng)之中。3）CIMS由多個(gè)自動化子系統(tǒng)有機(jī)綜合而成。4）CIMS的目的是提高經(jīng)濟(jì)效益、提高柔性、追求總體動態(tài)優(yōu)化。CIMS的基本特點(diǎn)第十七頁，共九十六頁。17

兩個(gè)特征為：1）在功能上，CIMS包含了一個(gè)工廠的全部生產(chǎn)經(jīng)營活動，即從市場預(yù)測、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工制造、質(zhì)量管理到售后服務(wù)的全部活動。CIMS比傳統(tǒng)的工廠自動化范圍大得多，是一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)。2）CIMS涉及的自動化不是工廠各個(gè)環(huán)節(jié)的自動化、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)的簡單相加，而是有機(jī)的集成。這里的集成，不僅是物料、設(shè)備的集成，主要體現(xiàn)的是以信息集成為本質(zhì)的技術(shù)集成。第十八頁，共九十六頁。18CIMS中的集成及集成關(guān)系

CIMS中的集成:（1）人員集成管理者、設(shè)計(jì)者、制造者、保障者（負(fù)責(zé)質(zhì)量、銷售、采購、服務(wù)等的人員）以及用戶應(yīng)集成為一個(gè)協(xié)調(diào)整體。（2）信息集成產(chǎn)品生產(chǎn)周期中和類信息的獲取、表達(dá)、處理和操作工具集成為一體，組成統(tǒng)一的管理控制系統(tǒng)。特別是產(chǎn)品信息模型（PIM）和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）在系統(tǒng)中應(yīng)進(jìn)行一體化的處理。（3）功能集成產(chǎn)品生命周期中，企業(yè)各部門功能集成，以及產(chǎn)品開發(fā)與外部協(xié)作企業(yè)間功能的集成。（4）技術(shù)集成產(chǎn)品開發(fā)全過程中，涉及的多學(xué)科知識以及各種技術(shù)、方法的集成，并形成集成的知識庫和方法庫，以利于CIMS的實(shí)施。第十九頁，共九十六頁。19

CIMS技術(shù)的集成關(guān)系

CIMS的關(guān)鍵是集成（Integration），英國扶夫堡大學(xué)Weston教授對集成有一個(gè)很簡潔的定義：集成是指針基于信息技術(shù)的資源及應(yīng)用（計(jì)算機(jī)硬/軟件、接口及機(jī)器）集聚成一個(gè)協(xié)同工作的整體。集成包含功能交互（FI）、信息共享（IS）及數(shù)據(jù)通信（DC），如圖所示，也就是說在一個(gè)集成系統(tǒng)的各子系統(tǒng)之間，需要對信息共享、信息交互以及信息通信進(jìn)行管理與控制。第二十頁，共九十六頁。20

圖1集成的概念第二十一頁，共九十六頁。21

全局集成和局部集成CIMS的集成，如果按集成所覆蓋企業(yè)業(yè)務(wù)的程度分，可分為全局集成和局部集成。全局集成是指信息技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)在整個(gè)企業(yè)業(yè)務(wù)范圍內(nèi)綜合應(yīng)用的集成；局部集成是指一個(gè)分系統(tǒng)或企業(yè)一個(gè)部門內(nèi)的集成。全局集成進(jìn)一步細(xì)化可分為：工作流程集成、物流集成和信息（流）集成。信息集成是企業(yè)集成的集中反映，是CIMS集成的基礎(chǔ)。第二十二頁，共九十六頁。22

圖2CIMS的三個(gè)集成層次第二十三頁，共九十六頁。23

從企業(yè)模型、CIMS模型和網(wǎng)絡(luò)開放系統(tǒng)互連（OSI）模型出發(fā)，CIMS信息集成包括三個(gè)層次：物理集成、應(yīng)用集成和經(jīng)營集成，如圖2所示。物理集成是一切信息集成工作的基礎(chǔ)。應(yīng)用集成又稱應(yīng)用軟件集成，它可提供某些機(jī)制，能使過程之間共享公共數(shù)據(jù)和公共資源。為了實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件集成，各種應(yīng)用軟件必須是可互相連接和多植的。經(jīng)營集成又稱業(yè)務(wù)集成，它可支持穩(wěn)定的決策過程。它是在應(yīng)用集成的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)各種經(jīng)營（業(yè)務(wù)）功能的完整集成。第二十四頁，共九十六頁。24

縱向集成和橫向集成CIMS的集成，如果按企業(yè)組織的層次劃分，則可分為縱向集成和橫向集成，如圖3所示?？v向集成又稱為垂直集成，是指日常運(yùn)用系統(tǒng)、計(jì)劃、檢查直至最高領(lǐng)導(dǎo)層在業(yè)務(wù)、組織和信息方面的集成。橫向集成又稱水平集成，它是指各日常運(yùn)用系統(tǒng)的集成。在CIM中經(jīng)常被人們提及的并行工程及準(zhǔn)時(shí)化生產(chǎn)（JIT）就是兩種最為典型的水平集成，而制造資源規(guī)劃（MRP-II）則是一種垂直集成。第二十五頁，共九十六頁。25

圖3橫向集成和縱向集成第二十六頁，共九十六頁。26

CIMS旨在通過計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將企業(yè)的技術(shù)（研究開發(fā)）、經(jīng)營、銷售等全部職能有機(jī)地集成起來，實(shí)現(xiàn)企業(yè)各項(xiàng)活動的高效、協(xié)調(diào)和企業(yè)的總體優(yōu)勢，以適應(yīng)人們對產(chǎn)品多樣化、個(gè)性化、高級化的需求。如圖4所示，為CIMS技術(shù)集成關(guān)系圖。集成和連接不一樣，它不是簡單地把兩個(gè)或多個(gè)單元連在一起，而是將原來沒有聯(lián)系或聯(lián)系不緊密的單元組成為有一定功能的、緊密聯(lián)系的新系統(tǒng)。兩種或多種功能的集成包含著兩種或多種功能之間的相互作用。集成是屬于系統(tǒng)工程中的系統(tǒng)綜合、系統(tǒng)優(yōu)化范圍。第二十七頁，共九十六頁。27

圖1.14CIMS技術(shù)集成關(guān)系圖第二十八頁，共九十六頁。28CIMS的體系結(jié)構(gòu)

一個(gè)制造企業(yè)從功能看，可以簡單地分為設(shè)計(jì)、制造、經(jīng)營管理三個(gè)主要方面。由于產(chǎn)品質(zhì)量對一個(gè)制造企業(yè)的競爭和生存越來越重要，因此，常常也把質(zhì)量保證系統(tǒng)作為企業(yè)功能的主要方面之一。為了實(shí)現(xiàn)企業(yè)功能的集成，還需要有一個(gè)支撐環(huán)境，包括網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫（DB）和集成方法—系統(tǒng)技術(shù)。其CIMS的功能構(gòu)成如圖5所示。

第二十九頁，共九十六頁。29

圖5CIMS的功能構(gòu)成第三十頁，共九十六頁。30

圖6為CIMS功能體系的邏輯模型功能體系結(jié)構(gòu)模型采用遞階控制是與自動化加工密切相關(guān)的，自動化遞階控制的原則是當(dāng)上一層向下一層下達(dá)工作控制指令時(shí)，上層需要檢查執(zhí)行該指令的全部資源是否準(zhǔn)備就緒（這些資源包括工裝、加工對象、機(jī)床、刀具量具、NC指令程序、測量程序、加工工藝等），只有在全部資源到位時(shí)工作指令才能從上層遞階到下層，從而使物流和信息流能夠同時(shí)達(dá)到下一層時(shí)實(shí)現(xiàn)自動化加工。第三十一頁，共九十六頁。31

圖6CIMS功能系統(tǒng)模型

第三十二頁，共九十六頁。32

CIMS體系分系統(tǒng)根據(jù)CIMS的功能構(gòu)成，CIMS是由4個(gè)功能分系統(tǒng)和兩個(gè)支撐分系統(tǒng)組成。CIMS通常是由管理信息系統(tǒng)（MIS）、產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工程設(shè)計(jì)自動化系統(tǒng)（又稱工程設(shè)計(jì)集成系統(tǒng)，EDIS）、制造自動化（柔性自動化）系統(tǒng)（MAS）、計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量保證系統(tǒng)（CAQ）以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（NETS）和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（DBS）等6個(gè)部分有機(jī)地集成起來的。然而，這并不意味著任何一個(gè)工廠企業(yè)在實(shí)施CIMS時(shí)都必須同時(shí)實(shí)現(xiàn)這6個(gè)分系統(tǒng)。

第三十三頁，共九十六頁。33

圖7CIMS的6個(gè)分系統(tǒng)第三十四頁，共九十六頁。34管理信息系統(tǒng)（CIMS/MIS—ManagementInformationSystem)CIMS/MIS的基本結(jié)構(gòu)如圖8所示。以上模塊是以生產(chǎn)計(jì)劃與控制作為主線來進(jìn)行說明的。實(shí)際上，財(cái)務(wù)管理和成本管理亦是MIS分系統(tǒng)的重要組成部分。目標(biāo)是通過信息集成，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低流通資金占用，提高企業(yè)應(yīng)變能力

第三十五頁，共九十六頁。35

圖8CIMS/MIS基本結(jié)構(gòu)第三十六頁，共九十六頁。36

工程設(shè)計(jì)集成分系統(tǒng)（CIMS/EDIS）

該分系統(tǒng)的目標(biāo)是使產(chǎn)品開發(fā)活動能夠高效、優(yōu)質(zhì)、自動地進(jìn)行。如圖9所示，工程設(shè)計(jì)集成分系統(tǒng)是CIMS中的一個(gè)核心分系統(tǒng)，它包括CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）、CAPP（計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃）、CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）和NCP（數(shù)控程序編制）等子系統(tǒng).用以支承產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和工藝準(zhǔn)備等功能，處理有關(guān)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面的信息。第三十七頁，共九十六頁。37

圖9CIMS中的工程設(shè)計(jì)分系統(tǒng)

CADCAPPCAMNCPP工裝CAD工程設(shè)計(jì)集成分系統(tǒng)（DEDIS）第三十八頁，共九十六頁。38

圖10EDIS與CIMS其它分系統(tǒng)的接口信息EDISMISMASCAQ新產(chǎn)品開發(fā)任務(wù)書技術(shù)指標(biāo)、時(shí)間要求、修改說明任務(wù)審核信息能力需求說明、批量建議和計(jì)劃任務(wù)進(jìn)度信息、估計(jì)成本技術(shù)指標(biāo)開發(fā)數(shù)據(jù)方法、任務(wù)狀態(tài)數(shù)據(jù)工裝、設(shè)備要求、能力數(shù)據(jù)工藝定額故障信息統(tǒng)計(jì)設(shè)備信息生產(chǎn)過程統(tǒng)計(jì)信息零件圖、工藝文件NC程序DNC故障診斷結(jié)果設(shè)備故障診斷結(jié)果零件設(shè)計(jì)工藝要求加工工藝線路刀具、夾具、量具信息零件公差設(shè)計(jì)質(zhì)量評審信息質(zhì)量處理分析單工藝能力分析及工藝改進(jìn)措施第三十九頁，共九十六頁。39制造自動化分系統(tǒng)（CIMS/MAS）

該分系統(tǒng)的目標(biāo)是使產(chǎn)品制造活動最優(yōu)化。在CIMS的遞階控制結(jié)構(gòu)中，MAS處于車間層以下的底3層（單元層、工作站層和設(shè)備層），它是構(gòu)成柔性制造自動化控制系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)制造環(huán)境與其它系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)，也是制造自動化系統(tǒng)重點(diǎn)研究的課題。它包括各種不同自動化程度的制造系統(tǒng)，如NC機(jī)床、柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）以及其他制造單元，用以實(shí)現(xiàn)信息流對物流的控制并完成物流的轉(zhuǎn)換，是CIMS信息流和物流結(jié)合部，也是CIMS最終產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的聚集地第四十頁，共九十六頁。40CNCDNCFMCFMSFALAGVAS自動化制造分系統(tǒng)（AMS）圖11自動化制造分系統(tǒng)（AMS）第四十一頁，共九十六頁。41計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量保證分系統(tǒng)（CIMS/CAQ)系統(tǒng)的目標(biāo)是保證從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)到售后服務(wù)整個(gè)過程的質(zhì)量。CIMS/CAQ的組織結(jié)構(gòu)分規(guī)劃層、管理層和執(zhí)行層三層，如圖12所示。其中規(guī)劃層為根據(jù)有關(guān)方針與法規(guī)制定的企業(yè)規(guī)劃、計(jì)劃、工作制度以及有關(guān)的質(zhì)量技術(shù)規(guī)程，包括檢測計(jì)劃、規(guī)章制度等.

第四十二頁，共九十六頁。42

圖12CAQ分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)質(zhì)量規(guī)劃與決策質(zhì)量評價(jià)分析控制與信息管理質(zhì)量信息采集與現(xiàn)場分析（分廠、車間計(jì)算機(jī)）質(zhì)量信息采集與現(xiàn)場分系（自動采集系統(tǒng)）規(guī)劃層管理層執(zhí)行層第四十三頁，共九十六頁。43

CIMS支持的CAQ分系統(tǒng)將貫穿質(zhì)量管理的全過程，覆蓋全企業(yè)各主要處、室、分廠，并逐步實(shí)現(xiàn)與MIS、MAS和EDIS分系統(tǒng)的集成。CAQ與CIMS中其它分系統(tǒng)之間的聯(lián)系如圖13所示。第四十四頁，共九十六頁。44

第四十五頁，共九十六頁。45數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)（CIMS/DBS)系統(tǒng)的目標(biāo)是管理整個(gè)CIMS的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成和共享。數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)是CIMS環(huán)境中的兩個(gè)重要支撐系統(tǒng)，也是CIMS信息集成的關(guān)鍵。CIMS環(huán)境下的4個(gè)功能分系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)都要在一個(gè)結(jié)構(gòu)合理的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中進(jìn)行存貯，并通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)提供的系統(tǒng)互通能力，將物理上分布的不同功能分系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，達(dá)到信息交換和共享的目的。DBS既是CIMS信息流的載體，又對信息進(jìn)行控制和管理，并為CIMS提供集成的手段第四十六頁，共九十六頁。46全局共享數(shù)據(jù)軟件全局DB集成接口服務(wù)軟件CAD共享數(shù)據(jù)PMS共享數(shù)據(jù)CAQ共享數(shù)據(jù)BMS共享數(shù)據(jù)AMS共享數(shù)據(jù)CADAMSBMSCAQPMS用戶用戶用戶用戶用戶圖14數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)第四十七頁，共九十六頁。47網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)（CIMS/NETS）

系統(tǒng)的目標(biāo)是傳遞CIMS各個(gè)分系統(tǒng)之間和內(nèi)部的信息，實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳遞和系統(tǒng)通信功能。CIMS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是實(shí)施CIMS應(yīng)用工程的重要支撐技術(shù)之一，而一個(gè)開放的適合于企業(yè)活動的異構(gòu)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是CIMS集成的基礎(chǔ)。只有通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，才能完成動態(tài)控制和管理的各功能分系統(tǒng)的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信息傳輸和交流，使互聯(lián)系統(tǒng)共享工程資源、數(shù)據(jù)庫和存貯空間。第四十八頁，共九十六頁。48圖15CIMS層次結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)流第四十九頁，共九十六頁。49

CIMS的底層設(shè)備與控制器連接有兩種方式，即現(xiàn)場總線和點(diǎn)一點(diǎn)通信方式。在CIMS環(huán)境下，由于各部門通信要求有很大差別，因此，采用單一類型的網(wǎng)絡(luò)是不現(xiàn)實(shí)的，必須根據(jù)不同要求，選擇不同網(wǎng)絡(luò)，以達(dá)到優(yōu)化組合。如圖16所示為一個(gè)CIMS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的實(shí)例

第五十頁，共九十六頁。50

圖16CIMS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)例

第五十一頁，共九十六頁。51

圖17CIMS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)例第五十二頁，共九十六頁。52面向功能和控制和的CIMS體系結(jié)構(gòu)根據(jù)系統(tǒng)工程原理，一方面對CIMS進(jìn)行正確、合理、精簡而又充分的分解，不應(yīng)有冗余的分系統(tǒng)和子系統(tǒng)，其功能的冗余要盡可能少。另一方面，要求有合理的“垂直”分解與集成，即確定合理的遞階控制層數(shù)。在保證有效控制的前提下，盡量減少遞階控制的層數(shù)第五十三頁，共九十六頁。53

圖18所示為美國制造工程學(xué)會（ASME）提出的輪式結(jié)構(gòu)。其“核”為集成系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)；內(nèi)層為支撐分系統(tǒng)，包括共享數(shù)據(jù)、信息資源管理與通信；中層可“水平”分解為工程設(shè)計(jì)（產(chǎn)品/過程）、制造計(jì)劃與控制以及工廠自動化3個(gè)分系統(tǒng)；外層則有市場、戰(zhàn)略規(guī)劃、財(cái)務(wù)及制造管理和人力資源管理等分系統(tǒng)。

第五十四頁，共九十六頁。54

圖18ASME提出的面向功能構(gòu)成的CIMS體系結(jié)構(gòu)

第五十五頁，共九十六頁。55CIMS體系結(jié)構(gòu)第五十六頁，共九十六頁。56一個(gè)系統(tǒng)為滿足該系統(tǒng)的目的和要求所具有的形狀、特征和狀態(tài)的結(jié)構(gòu)化布置。1.輪圖的核心是顧客2.圍繞顧客的是企業(yè)中的人員和群體工作方法3.是信息（知識）共享系統(tǒng)4.企業(yè)的活動層5.企業(yè)管理層6.企業(yè)的外部環(huán)境第五十七頁，共九十六頁。57優(yōu)點(diǎn)：CIMS系統(tǒng)分解成幾個(gè)分系統(tǒng)，減少全局控制和開發(fā)的難度。這類體系結(jié)構(gòu)提出較早，較成熟。已廣泛應(yīng)用。輪式結(jié)構(gòu)以共享數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)把各單元技術(shù)連接成一個(gè)整體，系統(tǒng)各組成部分及其關(guān)系清楚。但忽略人的因素。九十年代后期該結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)強(qiáng)調(diào)以用戶為核心，重視人、技術(shù)、組織的集成和知識共享并覆蓋產(chǎn)品生命周期。國內(nèi)863計(jì)劃CIMS主題提出的面向控制體系結(jié)構(gòu)如圖19所示第五十八頁，共九十六頁。58CIMS全體設(shè)計(jì)計(jì)劃層單元控制層設(shè)備層工作站控制層作業(yè)管理層經(jīng)營計(jì)劃層產(chǎn)品類1產(chǎn)品類N工作類1工作類N。。。單元N單元1。。。。工作站1工作站N。。。。。設(shè)備1設(shè)備N。。。。。。。圖19我國提出的六層CIM層次模型….第五十九頁，共九十六頁。59面向CIM系統(tǒng)集成平臺的體系結(jié)構(gòu)面向CIM系統(tǒng)集成平臺的體系結(jié)構(gòu)是一些計(jì)算機(jī)公司為了解決CIM系統(tǒng)中眾多軟件的支持和連接問題所推出的標(biāo)準(zhǔn)化平臺。如Digital公司、IBM公司圖20為IBM公司的CIMS體系結(jié)構(gòu)。類似于CIM-OSA（OPENSYSTEMARCHITECTURE）中的集成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。CIM-OSA研究并未實(shí)用化，因此這類應(yīng)付市場需要的工具平臺會有支持面不寬的可能性和危行性。第六十頁，共九十六頁。60應(yīng)用層材料跟蹤單元控制系統(tǒng)質(zhì)量控制其它輸入/輸出應(yīng)用使能器（平臺）系統(tǒng)使能器（平臺)數(shù)據(jù)管理設(shè)備管理網(wǎng)絡(luò)通信生產(chǎn)監(jiān)控通用服務(wù)層硬件/軟件操作系統(tǒng)層生成/運(yùn)行環(huán)境數(shù)據(jù)庫圖20IBM公司的CIMS體系結(jié)構(gòu)第六十一頁，共九十六頁。61CIMS的控制體系

由于CIMS的功能和控制要求十分復(fù)雜，采用常規(guī)控制系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)。前美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（現(xiàn)美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院，NIST）建立的CIMS實(shí)驗(yàn)研究基地——自動化制造研究基地（AMRF—AutomatedManufacturingResearchFacility）曾提出了著名的CIMS五級遞階控制模型，如圖21所示，這五級分別是：工廠層、車間層、單元層（FMS主控層）、工作站層和設(shè)備層。每一層雙可分解為多個(gè)模塊，都由數(shù)據(jù)驅(qū)動，并可擴(kuò)展成樹狀結(jié)構(gòu)。第六十二頁，共九十六頁。62

圖21CIMS的五級遞階控制模型第六十三頁，共九十六頁。63工廠層控制系統(tǒng)——履行廠部職能。功能有：市場預(yù)測、制定生產(chǎn)計(jì)劃、確定生產(chǎn)資源需求、制定資源規(guī)劃、制定產(chǎn)品開發(fā)及工藝過程規(guī)劃、廠級經(jīng)營管理?？煞譃槿齻€(gè)子系統(tǒng)：生產(chǎn)管理、信息管理、制造工程。第六十四頁，共九十六頁。64車間層控制系統(tǒng)——根據(jù)工廠層生產(chǎn)計(jì)劃，協(xié)調(diào)車間的生產(chǎn)和輔助性工作，完成這些工作的資源分配。有兩個(gè)模塊

1、作業(yè)模塊：按排生產(chǎn)計(jì)劃（如作業(yè)定單的制定、發(fā)放和管理；單元任務(wù)分配；設(shè)備利用跟蹤；設(shè)備維修按排。）2、資源分配模塊：負(fù)責(zé)單元層各項(xiàng)目在具體加工時(shí)所需的設(shè)備和材料第六十五頁，共九十六頁。65單元層控制系統(tǒng)功能是安排零件通過工作站的分批順序；管理物料儲運(yùn)、檢驗(yàn)及其它有關(guān)輔助性工作。如任務(wù)分解、資源需求分析。單元層也是FMS的控制層完成生產(chǎn)計(jì)劃實(shí)施、計(jì)劃命令逐級下達(dá)等任務(wù)主要模塊有：排隊(duì)管理模塊、調(diào)度模塊、分配模塊。第六十六頁，共九十六頁。66工作站層控制系統(tǒng)：指揮和協(xié)調(diào)車間中一個(gè)設(shè)備小組的活動。一個(gè)典型的工作站由一臺機(jī)器人、一臺機(jī)床、一個(gè)物料儲運(yùn)器、和一臺控制計(jì)算機(jī)構(gòu)成。設(shè)備層：各類設(shè)備，是前沿系統(tǒng)。對設(shè)備采用控制是為了擴(kuò)大設(shè)備的功能。第六十七頁，共九十六頁。67CIMS系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)1、現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)理論和支持技術(shù)離散事件動態(tài)系統(tǒng)理論系統(tǒng)集成與企業(yè)優(yōu)化技術(shù)系統(tǒng)仿真技術(shù)智能技術(shù)與方法第六十八頁，共九十六頁。68離散事件動態(tài)系統(tǒng)是80年年代發(fā)展起來的一門學(xué)科，它由美國哈佛大學(xué)何益奇等教授提出。這是一種特殊的動態(tài)系統(tǒng)其演化過程不能用連續(xù)變量來描述。它以排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)為模型?；A(chǔ)是隨機(jī)過程理論。第六十九頁，共九十六頁。692、現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)中的信息技術(shù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)（PDM）現(xiàn)代制造集成網(wǎng)絡(luò)技術(shù)產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)（STEP）產(chǎn)品全生命周期管理技術(shù)（PLM）第七十頁，共九十六頁。703、計(jì)算機(jī)輔助計(jì)術(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃（CAPP）計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量管理（CAQ）第七十一頁，共九十六頁。714、現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的集成平臺技術(shù)軟構(gòu)件及其標(biāo)準(zhǔn)接口現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)應(yīng)用集成平臺第七十二頁，共九十六頁。725、制造過程控制技術(shù)數(shù)字控制技術(shù)（NC）柔性制造技術(shù)（FMT）智能制造技術(shù)（IMT）第七十三頁，共九十六頁。73

CIMS的發(fā)展現(xiàn)狀

國外CIMS發(fā)展簡況進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來，發(fā)達(dá)國家經(jīng)過幾十年大工業(yè)生產(chǎn)的積累，人們的基本物質(zhì)需要得到了相對滿足。為了適應(yīng)人們?nèi)找娑鄻踊男枨螅袌龈偁幙涨凹ち?。其主要特點(diǎn)是：(1)產(chǎn)品的生產(chǎn)周期越來越短據(jù)資料記載，20世紀(jì)60年代機(jī)電產(chǎn)品市場壽命超過十年者占32%，到20世紀(jì)80年代降為15%，而產(chǎn)品市場生命周期在5年以下者則由38%猛增到65%～70%。第七十四頁，共九十六頁。74

(2)產(chǎn)品的品種增多，批量減少以日本的汽車行業(yè)為例，如果用發(fā)動機(jī)的輸出功率、外觀顏色以及音響設(shè)備等條件來區(qū)小汽車的種類，就有幾千種之多。據(jù)日本1993年提供的資料表明，一種車型的產(chǎn)量最多是17臺，最少是6臺。在美國90%左右的產(chǎn)品生產(chǎn)批量小于50件。(3)產(chǎn)品質(zhì)量、價(jià)格和交貨期已成為增強(qiáng)企業(yè)競爭力的3個(gè)決定因素市場競爭和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，引起了企業(yè)對CIM的強(qiáng)烈需求。許多國家都把推行CIM作為一項(xiàng)重要的國策來對策。第七十五頁，共九十六頁。75

美、歐、日CIMS開發(fā)應(yīng)用的進(jìn)展及戰(zhàn)略

1991年3月，美國國家關(guān)鍵技術(shù)委員會在向總統(tǒng)提交的雙年度報(bào)告中，介紹了22項(xiàng)對于美國長期安全和經(jīng)濟(jì)繁榮至關(guān)重要的技術(shù)，其中，把CIM列為“制造”技術(shù)類中的四大關(guān)鍵技術(shù)之首，從政府技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略高度明確了制造企業(yè)推行CIM的必要性和發(fā)展方向。這也是長期以來美國發(fā)展科學(xué)技術(shù)的戰(zhàn)略方針，即保障國家安全和提高工業(yè)在國際上的競爭力的新體現(xiàn)。在此以前，美國空軍、美國陸軍、陸軍器材部、國防部、國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院以及國家科學(xué)基金會等政府部門都制訂了發(fā)展CIM的戰(zhàn)略規(guī)劃，并取得了重要的實(shí)施成果

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國家支持在美國國家科學(xué)基金會的支持下，投資上千萬美元的普度（Purdue）大學(xué)、楊百翰（BrighamYoung）大學(xué)和俄亥俄（Ohio）州立大學(xué)分別建立了“計(jì)算機(jī)集成和制造自動化中心（CIMAC）”、“CIM研究中心和研究多種CIM技術(shù)的杰出研究中心”，有效地推動CIM技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

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CIM的概念和主要單元技術(shù)如NC、CAD、制造資源規(guī)劃（MRP-II）、FMS等都來源于美國，并且美國在這些領(lǐng)域的研究上仍保持著總體優(yōu)勢。民間研究另外，許多從事信息技術(shù)的廠家也是開發(fā)和提供CIM技術(shù)產(chǎn)品的主要力量，如著名的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)公司IBM、DEC、HP等都建立了自己的CIM產(chǎn)品體系結(jié)構(gòu)，向企業(yè)提供成套的CIM技術(shù)方案和計(jì)算機(jī)環(huán)境（硬件、軟件）以及實(shí)施咨詢業(yè)務(wù)

第七十八頁，共九十六頁。78

制造業(yè)中的許多大公司為提高本公司的競爭力率先應(yīng)用了CIM技術(shù)，例如通用汽車公司、波音飛機(jī)公司、西屋公司、麥克唐納飛機(jī)制造公司等都耗費(fèi)巨資采用CIM技術(shù)，因而，使工廠生產(chǎn)效率提高40%～70%，工程費(fèi)用減少15%～30%，新產(chǎn)品研制周期縮短30%～60%，設(shè)備利用率提高2～3倍。但美國政府對CIM應(yīng)用的工業(yè)規(guī)模缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和有力的支持措施，這是美國CIM發(fā)展戰(zhàn)略上的一個(gè)弱點(diǎn)。第七十九頁，共九十六頁。79西歐作為世界三大技術(shù)中心之一，在高技術(shù)的發(fā)展中一向扮演重要角色。西歐發(fā)展CIM的戰(zhàn)略有兩個(gè)層次：第一層次是西歐多國群體的共同合作戰(zhàn)略；第二層次是各國國內(nèi)的CIM戰(zhàn)略。西歐的CIM發(fā)展戰(zhàn)略主要體現(xiàn)在尤里卡（EURECA——EuropeanResearchCoordinationAgency）計(jì)劃和歐共體（ESPRIT——EuropeanStrategicProgrammeforResearchandDevelopmentinInformationTechnologies）計(jì)劃中。第八十頁，共九十六頁。80

尤里卡即歐洲研究協(xié)調(diào)組織。該組織由西歐17國共同組成，此宗旨在實(shí)現(xiàn)西歐技術(shù)振興，此宗旨是1985年4月由法國總統(tǒng)在內(nèi)閣會議上提出，同年7月經(jīng)西歐17國外長及科技部長會議討論后正式執(zhí)行的。主要開發(fā)的項(xiàng)目有：(1)大型生產(chǎn)過程管理系統(tǒng)：研究開發(fā)具有運(yùn)行、診斷、預(yù)測、決策、監(jiān)控功能的綜合管理系統(tǒng)。需開發(fā)的基礎(chǔ)技術(shù)有：知識表述技術(shù)、專家系統(tǒng)、人機(jī)工程等。(2)柔性自動化工廠：建立具有CAD/CAM系統(tǒng)的產(chǎn)品多樣化的自動化工廠，運(yùn)用計(jì)算機(jī)和機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的生產(chǎn)和管理。第八十一頁，共九十六頁。81

歐共體即歐洲信息技術(shù)研究和開發(fā)戰(zhàn)略計(jì)劃。1982年初歐共體經(jīng)濟(jì)顧問委員會調(diào)查了歐洲經(jīng)濟(jì)未來發(fā)展情況，發(fā)現(xiàn)西歐在信息技術(shù)方面落后于美國和日本，因而向歐共體委員會提交調(diào)查報(bào)告并著手制訂ESPRIT計(jì)劃。1982年6月起歐共體部長會議開始審議此計(jì)劃，并肯定了其重要性，1983年試行，1984年2月正式批準(zhǔn)執(zhí)行此計(jì)劃。通過本計(jì)劃的執(zhí)行，使“IT（信息技術(shù)）”的供應(yīng)廠商和用戶企業(yè)能更好地利用其資源對付北美和日本的挑戰(zhàn)，同時(shí)研究開發(fā)CIM開放體系結(jié)構(gòu)和通信標(biāo)準(zhǔn)，用以推進(jìn)CIM的集成。歐洲制造業(yè)比較強(qiáng)大，整體資源條件很好，并具有良好的系統(tǒng)、廣闊的市場和許多優(yōu)秀人才，但較為分散，而且技術(shù)合作受到語言和文化的障礙，因而需要統(tǒng)一計(jì)劃、合作研究和開發(fā)。第八十二頁，共九十六頁。82

西歐各國本國的CIM發(fā)展，雖然因各國特點(diǎn)和問題不同，但都已受到政府的重視各國在CIM方面的基礎(chǔ)有很大差異，各有優(yōu)勢例如：法國在CIM建模方法論和CAD技術(shù)研究方面，英國在紡織工業(yè)的CIM方面，德國在CIM技術(shù)基礎(chǔ)和工業(yè)應(yīng)用方面，瑞士在精密制造系統(tǒng)技術(shù)方面，意大利在NC機(jī)床和自動化加工系統(tǒng)等方面各有很強(qiáng)的優(yōu)勢。由于歐共體已形成一個(gè)緊密的國際合作群體，西歐各國互相補(bǔ)充互相借鑒共同提高的機(jī)制對西歐CIM的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的推進(jìn)作用

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自20世紀(jì)80年代中期以來，日本逐漸加強(qiáng)了CIM的應(yīng)用開發(fā)，很快吸收了美國提出的CIM思想，并在生產(chǎn)實(shí)踐中合理而有效地加以應(yīng)用，根據(jù)具體情況發(fā)展適用于日本企業(yè)的CIMS。一些大學(xué)和企業(yè)研究開發(fā)部門被納入CIM重大共性問題的研究工作中。目前，從事CIM研究開發(fā)的大學(xué)主要有東京大學(xué)、東京都立大學(xué)等，這些大學(xué)的著名專家都在各自相關(guān)協(xié)會中從事技術(shù)指導(dǎo)工作

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日本的CIM系統(tǒng)集成商有計(jì)算機(jī)公司如富士通、NEC、日立、YHP等，也有大型企業(yè)的系統(tǒng)工程部門如新日鐵、NKK（日本鋼管）、東芝公司、三菱電機(jī)等。日本制造企業(yè)是CIM的市場主體，各大企業(yè)基本上都已開始CIMS的開發(fā)與應(yīng)用，而且有相當(dāng)多的企業(yè)已比較成功地開發(fā)和應(yīng)用了CIM技術(shù)。如：日本精工公司、村田機(jī)械公司、橫河HP公司、沖電氣公司、富士電機(jī)公司、法納克公司、山崎鐵工所、豐田工機(jī)、川崎制鐵等。第八十五頁，共九十六頁。85

山崎鐵工所（YamazakiMazak）研制的CIMS系統(tǒng)

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法納克（FANUC）筑波工廠的CIMS第八十七頁，共九十六頁。87

縱觀國外CIMS研究和應(yīng)用工程的開發(fā)，大致經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段：

以信息集成為特征的階段（20世紀(jì)70～80年代）這一階段企業(yè)發(fā)展的需求是產(chǎn)品生產(chǎn)的自動化，隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，相應(yīng)的各種單元技術(shù)，如CAD、CAM、工業(yè)機(jī)器人、FMS、MRP-II得到了廣泛的應(yīng)用。這些單元技術(shù)的集成，使企業(yè)各種生產(chǎn)要素之間的配置得到優(yōu)化，制造資源能夠充分利用，給企業(yè)帶來了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

第八十八頁，共九十六頁。88以過程集成為特征的階段（80年代后期）市場競爭焦點(diǎn)為更新更快的手段開發(fā)并上市新產(chǎn)品。其制造需求是產(chǎn)品設(shè)計(jì)和相關(guān)過程并行進(jìn)行。同信息集成階段不一樣過程集成的信息是多向流動的。第八十九頁，共九十六頁。89

以企業(yè)集成為特征的階段（20世紀(jì)90年代）

CIMS進(jìn)入了一個(gè)著重求實(shí)，講究解決實(shí)際問題、提高競爭力的迅速發(fā)展階段，在其內(nèi)涵與概念上都有了新的內(nèi)容?！捌髽I(yè)集成”是為21世紀(jì)企業(yè)將要采用“敏捷制造