CIMS VMS.doc

简述21世纪先进制造技术的要求，说明CIMS的基本概念及其基本构成。概括并行工程（CE）的工作过程，以及进行并行产品设计时的问题，并介绍实现虚拟制造系统（VMS）的关键技术。1、21世纪先进制造技术1.1特点在当今世纪之交的时期，从全球范围来看，一个更加激烈的竞争环境正在形成，消费者的价值观正在发生结构性变化，呈现出多样化与个性化的发展。在未来消费者导向的时代，如何对市场环境急剧变化作出快速反应，即掌握用户需求，有效地生产和提供令用户满意的产品和服务，是21世纪制造业面临的挑战。其特点如下：1)产品开发周期缩短，上市时间更快，这是21世纪市场环境和用户消费观所要求的，也是赢得竞争的关键所在。这一点从美国制造业策略的变化可以看出。美国制造业的策略从50年代的“规模效益第一”，经过70年代和80年代的“价格竞争第一”和“质量竞争第一”，发展到90年代的“市场速度第一”，时间因素被提到首要位置。 2）提高市场占有率，在T(时间)Q(质量)C(成本)S(服务)E(环境)目标下， 加强时间竞争能力、质量竞争能力、价格竞争能力、创新竞争能力。其中最重要的能力是创新能力。企业的创新不仅指产品设计和生产工艺上的创新，还要包括制造观念的更新，组织和经营的重构，资源、技术和过程的重组。创新能力是推动企业发展的动力和最强大的竞争武器。3)更加提高柔性，以响应“瞬息万变、无法预测”的市场。企业不仅要具备技术上的柔性，还要具备管理上的柔性和人员组织上的柔性。21世纪制造业将通过快速重组来捕捉不可预见的机会。4)生命周期内的质量保证。产品质量的完整概念是顾客的满意度。对产品质量更全面的理解是：用户占有、使用产品的一种综合主观反映，包括可用、实用、耐用、好用、宜人。5)企业的组织形式将是跨地区、跨国家的虚拟公司或动态联盟。hlemet国际网为虚拟公司或动态联盟的实现提供了一定的基础。6)生产过程更加精良。产品开发、生产、销售、维护过程更加简化，生产工序更加简单，从而降低成本，提高劳动生产力，缩短上市时间。7)人员素质更加提高。21世纪制造业要求全体职员具有更高的技术、管理和协作素质，每个人都应掌握多种技术，胜任多种工作，对企业状况和市场环境了解，员工之间有高度的信任和协作精神，充分发挥企业的群体优势。8)智能化程度更高。在产品设计和制造过程中广泛应用人工智能技术，各种设备的智能化程度大大提高。9)更加注意环境问题。因为环境问题是人类社会所面临的共同问题，是关系到人类生存的大问题，也是社会能否持续发展的重要问题，因此引起了人们的广泛关注。10)分布、并行、集成并存。分布性更强，分布范围更广，是全国、全球范围的分布；并行化程度更高，许多作业可以跨地区、跨部门，分布式并行实施；集成化程度更高，不仅包括信息、技术的集成，而且包括管理、人和环境的集成。21世纪制造业的四个关键因素是技术、管理、人和环境。1.2实现21世纪制造模式所涉及的关键技术(1)集成化技术在过去制造系统中仅强调信息的集成，这是不够的。现在更强调技术、人和管理的集成。在开发制造系统时强调“多集成”的概念，即信息集成、智能集成、串并行工作机制集成、资源集成、过程集成、技术集成及人员集成，(2)智能化技术应用人工智能技术实现产品生命周期(包括产品设计，制造，发货，支持用户到产品报废等)各个环节的智能化，实现生产过程(包括组织，管理，计划，调度，控制等)各个环节的智能化，也要实现人与制造系统的融合及人的智能的充分发挥。(3)网络技术网络技术包括硬件与软件的实现。各种通讯协议及制造自动化协议、信息通信接口、系统操作控制策略等，是实现各种制造系统自动化的基础。(4)分布式并行处理技术该技术实现制造系统中各种问题的协同求解，获得系统的全局最优解，实现系统的最优决策。(5)多学科、多功能综合产品开发技术机电产品的开发设计不仅涉及到机械科学的理论与知识(力学，材料，工艺等)，而且还涉及到电磁学、光学、控制理论等。不仅要考虑技术因素，还必须考虑到经济、心理、环境、卫生及社会等方面因素。机电产品的开发要进行多目标全性能的优化设计，以追求机电产品动静热特性、效率、精度、使用寿命、可靠性、制造成本与制造周期的最佳组合。(6)虚拟现实技术利用虚拟现实技术、多媒体技术及计算机仿真技术，实现产品设计制造过程中的几何仿真、物理仿真、制造过程仿真及使用过程仿真，采用多种介质来存储、表达、处理多种信息，融文字、语音、图像、动画于一体，给人一种真实感及身临其境感。(7)人一机一环境系统技术将人、机器和环境作为一个系统来研究，发挥系统的最佳效益。研究的重点是：人机环境的体系结构及集成技术，人在系统中的作用及发挥，人机柔性交互技术，人机智能接口技术，清洁制造等。这些主要关键技术体现了21世纪制造技术对CADCAM集成系统的要求，表达了CADCAM集成发展的方向。2、CIMSCIMS是英文Computer Integrated Manufacturing Systems或contemporary的缩写，直译就是计算机/现代集成制造系统。计算机集成制造-CIM的概念最早是由美国学者哈林顿博士提出的。CIMS 定义：CIMS是通过计算机硬软件。并综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术。将企业生产全部过程中有关的人、技术、经营管理三要素及其信息与物流有机集成并优化运行的复杂的大系统。2.1CIMS的基本构成CIMS的构成可以从功能、结构和科学等不同角度来理解。从功能角度看，CIMS包含了一个制造工厂的设计、制造及经营管理三方面的功能，要使这三者集成起来，还需要有一个支撑环境?即分布式数据库和计算机网络，以及指导集成运行的系统技术。2.2功能结构从功能上看，CIMS包括了一个制造企业的设计、制造、经营管理三种主要功能，要使这三者集成起来，还需要一个支撑环境，即分布式数据库和计算机网络以及指导集成运行的系统技术。2.2.1四个功能分系统（1）管理信息分系统（2）产品设计与制造工程设计自动化分系统（3）制造自动化或柔性制造分系统（4）质量保证分系统2.2.2.两个支撑分系统（1）计算机网络分系统（2) 数据库分系统3、并行工程（CE）3.1 基本概念并行工程是对产品及其相关过程(包括制造和支持过程)进行集成、并行地设计的系统化工作模式。这种模式力图使产品开发人员从设计一开始就考虑到产品生命周期(从概念形成到报废)中的各种因素，包括质量、成本、进度及用户需求。基于并行工程哲理的面向产品生命周期的并行产品设计，不能简单地理解为时间上的并发，并行工程的核心是基于分布式并行处理的协同求解，及服务产品整个生命周期诸进程活动的产品设计结果的评价体系及方法，在两者支持下，对产品整个生命周期的活动寻求全局最优决策。3.2实施方法 并行工程方法的实质就是要求产品开发人员与其他人员一起共同工作，在设计阶段就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户的要求。从上述定义可以看出，要想开展并行工程，必须从如下几个方面来努力： （1）团队工作方式 并行工程在设计一开始，就应该把产品整个生命周期所涉及的人员都集中起来，确定产品性能，对产品的设计方案进行全面的评估，集中众人的智慧，得到一个优化的结果。（2）技术平台 实施并行工程，必须有相应的技术支持，才能完成基于计算机网络的并行工程。技术平台包括：一个完整的公共数据库，它必须集成并行设计所需要的诸方面的知识、信息和数据，并且以统一的形式加以表达。 一个支持各方面人员并行工作、甚至异地工作的计算机网络系统，它可以实时、在线地在各个设计人员之间沟通信息、发现并调解冲突。 一套切合实际的计算机仿真模型和软件，它可以由一个设计方案预测、推断产品的制造及使用过程，发现所隐藏的阻碍并行工程实施的问题。（3）对设计过程进行并行管理并不是说有了专家和技术平台，就自然而然地产生效益，还要对这个并行过程进行有效地管理。由于每个专业的人士受其专业知识的限制，往往对产品的某一个方面的因素考虑得较多，而忽视了产品的整体指标，因此要确定一个全面的设计方案，需要各专家多次的交流、沟通和协商。（4）强调设计过程的系统性（5）基于网络进行快速反馈3.3实施效益（1）缩短产品投放市场的时间 并行工程技术的主要作用就是可以大大缩短产品开发和生产准备时间。据报道，由于实施了并行工程的虚拟产品开发策略，福特公司和克莱斯勒公司将他们新型汽车的开发周期由36个月缩短至24个月。设计和试制周期仅为原来的50%。（2）降低成本 并行工程可在三个方面降低成本：首先，它可以将错误限制在设计阶段。其次，并行工程强调“一次达到目的”。其三，产品的寿命循环价格降低了。（3）提高质量 采用并行工程技术，尽可能将所有质量问题消灭在设计阶段，使所设计的产品便于制造易于维护。这就为质量的“零缺陷”提供了基础。4）增强功能的实用性由于并行工程在设计过程中，同时有销售人员参加，有时甚至还包括顾客，紧贴市场趋势，反映用户需求，提高了产品的可靠性和实用性，增强了企业的市场竞争能力。 3.4并行工程的实施和关键技术 CE 的显著特点是在于重视用户的要求，从全局优化的角度出发，对产品整个开发过程进行集成管理与控制。但是，实践表明，它的实施并不是轻而易举的，而需要改变企业的文化、管理以及各种用于设计、制造和支持的方法与技术。首先，涉及组织模式的变革；其次，从过去单纯的信息集成向人、管理、技术三者集成方向发展，并在由异构计算机、 Internet 、数据库支持的集成框架平台，由多学科、多部门交叉的产品开发成员利用各自的开发工作协同完成产品的开发任务。其关键技术有： CAX CAX 是 CAD 、 CAPP 、 CAM 、 CAE 等计算机辅助技术的简称； DXF 技术 CE 要求在设计工程中及早考虑后续过程对设计施加约束，使设计结果便于后续过程的实施，以期一次成功或减少由于产品开发后期发现而导致的返工。这类技术称 (DESIGN FOR X) ，它是设计面向制造 (DFM) 、装配 (DFZ) 、测试 (DFT) 、成本 (DFC) 、质量 (DFQ) 等技术的统称。 过程建模和仿真技术 并行工程要求及时了解产品生命周期中各个过程的反映，如可制造性、可负担性等。因此，必须建立各种相关模型，如产品模型、装配模型、成本模型、资源模型，借以产生生产过程的结构化分析和数据流向图，简化操作过程，并运用仿真技术对产品性能及相关过程进行仿真分析，给出评价结果和改进意见。 产品数据管理 (Product data Management) 技术信息共享是企业过程自动化的基础，也是 CE 的基础。 PDM 的目标是对 CE 中共享数据与过程进行统一规范管理，保证全局数据的一致性、安全性、并提供统一的数据库操作界面，使多功能小组在统一的界面下工作，而不必要关心应用程序在什么平台上以及数据的物理位置。 综合协调技术 CE 中的多功能工作小组能在不同地区的异构计算机环境下协同工作，环境的不同以及处理问题的侧重点不同，它们之间可能存在不一致，甚至冲突，因此，系统必须具有协调功能，从而保证并行工程总目标的实现。在 CE 中常采用项目协调板的方法。 集成框架技术 为了实现信息集成、过程集成及人、经营、技术的企业集成，需要有一种集成框架技术。一个开放式的集成框架将使工具和任务的集成变得更加简单。所谓集成框架，就是使企业内的各类应用实现信息集成、功能集成和过程集成的软件系统。4、虚拟制造系统（VMS）4.1基本概念随着科学技术和生产技术的发展，以及生活水平的提高，对产品的性能、规格、品种不断地提出新的需求，产品的生命周期愈来愈短，各制造企业为适应市场瞬息多变的需求，适应多品种小批量的生产，在激烈的市场竞争中取胜，就必须大幅度地缩短产品研制开发周期和制造周期，快速地、灵活地组织生产。为此，提出了许多新思想、新概念、新方法，诞生了许多新的制造技术与制造系统，如柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)、智能制造系统(1MS)等。这些系统都是以高度柔性化、集成化、智能化为其特征，对提高产品质量及生产率、缩短产品设计及制造周期、降低生产成本、提高企业的竞争力有重大影响。然而，这些系统仍然存在一些问题，主要有：这些系统投资较大，在系统正式建立与运行之前，难以对这些系统建立后所取得的效益及风险进行确实有效的评估。在这些系统环境下，开发一个新产品，无法在投人大量人力及经费之前就能确定其开发价值及对投产后所取得的效益及风险进行确实有效的评估。不能在产品设计开发的各个阶段，模拟产品制造过程各个阶段的实况，确实有效地协调设计与制造各阶段的关系，解决制造过程可能遇到的问题，以寻求企业整体全局最优效益，满足市场需求。上述系统都强调集成的概念，它们的侧重点各不相同，CIMS强调“信息”的集成，IMS强调“智能”的集成。在研究现代制造系统时，应强调“多集成”的概念，它包括信息集成、技术集成、资源集成、智能集成、串并行工作机制集成、过程集成、人机集成及功能集成等各个方面，从而实现分布式智能协同求解，以达到全局最优的目的。为解决上述问题，虚拟制造技术VMT(VirtualManufacturingTech-nology)与虚拟制造系统VMS也就应运而生了，VMT&VMS被誉为21世纪的新型生产模式，是制造业迎接2：世纪挑战的有效技术。VMT是由多学科先进知识形成的综合系统技术，其本质是以计算机支持的仿真技术为前提，对设计、制造等生产过程进行统一建模。在产品设计阶段，实时地、并行地模拟出产晶未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、产品制造成本、产品的可制造性，从而更有效、更经济、更灵活地组织制造生产，使工厂和车间的设计与布局更合理更有效，以达到产品的开发周期和成本的最小化、产品设计质量的最优化、生产效率的最高化。4.2VMS的关键技术VMT&VMS的理论基础与体系尚未完全形成，正处在研究探索阶段。研究工作所面对的是多种学科的交叉、多种高新技术的融合，需要研究和解决的问题很多。应充分利用国内外CIMS和IMS的研究成果，根据虚拟制造系统VMS的特点，重点研究虚拟制造系统基础理论及其关键技术。主要内容有：1、虚拟制造系统的理论体系。2、基于分布式并行处理环境下的虚拟制造系统的开放式体系结构(VMS