技术规范标准_现代集成制造分系统总体设计技术

第4章现代集成制造系统总体设计技术 4 3分系统的总体设计 山东大学计算机学院 2 分系统总体设计在CIMS总体设计中的作用 由于CIMS的复杂性 CIMS总体方案设计还须深入到各分系统 1 分系统总体设计是CIMS总体设计的组成部分不对各分系统进行总体设计 不足以充分说明CIMS系统的总体方案 2 分系统的总体设计是保证CIMS系统集成的需要CIMS的关键是集成 CIMS的集成包括分系统间的集成分系统内部的集成 而分系统间的集成往往表现为一个分系统内的子系统与另一个分系统的子系统间的集成 不对分系统进行深入的分析和设计就难以保证这些集成 3 分系统设计更能体现一个CIMS工程的特点 山东大学计算机学院 3 分系统总体设计的一般原则 1 分系统设计必须在CIMS总体框架下 即以CIM哲理为指导 在CIMS环境下考虑本分系统的设计问题 2 作为分系统 不但要从本分系统所涉及的企业经营过程的需要出发 进行功能 信息 资源和组织设计 解决本分系统内部的集成问题 还要考虑与其它分系统的分工和联系 解决和其它分系统的集成问题 3 要认清分系统的体系结构是CIMS系统的体系结构的一部分 山东大学计算机学院 4 分系统总体设计的注意事项 1 深入分析企业特点和需求 从全局出发 确定分系统的目标2 注意分系统之间及分系统与总体的一致性3 采用正确的设计方法和技术路线4 把握总体 防止陷入技术细节5 避免重复 山东大学计算机学院 5 CIMS各分系统的总体设计 生产经营管理分系统工程设计分系统制造自动化分系统质量保证分系统计算机支持分系统 山东大学计算机学院 6 1 生产经营管理分系统 覆盖范围覆盖企业的所有管理部门 1 在层次上覆盖厂级决策层和管理层 2 在职能范围上包括经营决策 计划 生产 设备 物资 劳资 人事 后勤等各部门职能及厂级领导职能 3 如果质量管理不单独设立分系统 则本分系统也覆盖厂级质量管理功能 4 对某些流程行业 如不单独设工程设计分系统 一般也将技术管理功能纳入本分系统 山东大学计算机学院 7 1 生产经营管理分系统 功能范围 与一般企业的管理信息系统 MIS 基本一致1 生产预测 2 销售管理 3 物资供应 4 主生产计划 5 财务管理 6 成本核算 7 库存管理 8 人事管理 9 设备管理 10 经营及生产规划 11 物资需求计划 12 能力需求计划 13 技术和生产数据管理 山东大学计算机学院 8 1 生产经营管理分系统 改造MRP 软件 使其适应CIMS集成需要现有的MRP 软件由于是按单独运行而开发出来的 当用于CIMS工程中时 需进行适当的改造 1 车间作业管理 SFC MRP 作为企业管理软件 如独立运行 当然要给出车间的作业计划供车间执行 但在CIMS中 我们已有专门的分系统一车间自动化分系统来完成车间的各项功能 因此可将SFC功能从生产经营管理分系统中去掉 2 技术和生产数据管理模块它包括企业的技术标准和产品结构清单等 在单独运行的MRP 中这是必不可少的模块 数据通过手工输入系统 但在CIMS系统中 通常在工程设计分系统中处理技术标准 生成产品结构清单 然后提供给管理系统使用 属于全局共享数据 不再是管理信息系统专用 因此在系统总体设计时必须处理好这一关系 山东大学计算机学院 9 1 生产经营管理分系统 在MRP 基础上进一步提高一般CIMS工程中增加的主要功能模块有 1 综合信息查询功能它可及时提供企业经营管理综合性信息 供厂级领导使用和参考 2 生产动态追踪功能它能及时提供生产过程及物料流动的动态跟踪信息 为生产调度 生产控制服务 3 生产优化功能 针对不同的生产过程特点 在管理中采用优化模块可以加快生产进程 降低生产成本 4 决策支持功能 利用集成环境提供的企业内外部信息 建立决策支持系统 将多种可行决策提供给决策者 5 产品报价功能 利用信息集成 借助工程设计分系统提供的技术报价 基于成本核算功能实现财务报价 最后给出商务报价 可大大提高报价质量和速度 山东大学计算机学院 10 1 生产经营管理分系统 设计要点1 分系统的需求分析和目标的制定从整体和战略的高度出发 企业领导直接参与并起指导作用 找出影响企业竞争力的主要因素及生产经营管理系统可以解决的问题 山东大学计算机学院 11 1 生产经营管理分系统 2 具体需求和系统设计根据企业生产经营特点 明确企业的生产销售环境和生产方式 并进而提出对MRP 软件的具体要求 把选择软件的工作做细 软件必须能够正确描述企业的产品结构和工艺流程确定自行开发与购买商品软件 MRP 软件进行改造和扩充 通过二次开发使之用户化要考虑与其它分系统集成的要求 与车间自动化分系统的集成与工程设计分系统的集成软件应有扩展的功能 可以实现更大范围的信息集成 包括管理范围的扩展 企业间的集成 要进行投资效益分析 确定投资规模 在可用资金的约束下 选择性能价格比高的软件 引进先进的管理软件的同时 也将引进先进的管理思想 山东大学计算机学院 12 2 工程设计分系统 覆盖范围企业的所有工程设计部门 覆盖产品设计的过程 包括产品设计 零部件设计 工艺设计 数控编程以及工装设计等 1 产品设计产品设计过程包括了从产品构思到最终形成图样文件的所有活动 设计过程可分为下述四个阶段 1 功能分析 为了寻找最优设计 需要对不同的对象 不同解决问题的方法 进行调查和分析 对概念进行周密的论述和评价 2 产品定义 对功能分析的结果进一步精炼 并仔细研究几种可供选择的工作原理 从中选择最优方案 3 总体设计 在产品定义的基础上 进一步在实用性 经济性甚至美观上予以提高 4 详细绘图 产生详细的工件图和物料清单 几乎可以全部由计算机完成 产品设计可分为三种类型 新设计 修改设计 变型设计 山东大学计算机学院 13 2 工程设计分系统 山东大学计算机学院 14 2 工程设计分系统 2 工艺过程设计工艺过程设计 又称工艺过程规划或工艺计划 工艺设计 的任务是将产品设计信息转换为工艺规程 以便制造零件或产品 指导工件通过各个制造阶段 包括从选择原材料开始到制造成零件 形成产品为止的全过程 主要功能1 选择原材料或毛坯 包括形状 尺寸 重量 材料2 选择机械加工方法和顺序 包括选择 总体加工方法及顺序一工艺路线 在一给定工位上的局部加工方法和顺序一工步 3 选择机床 4 辅助功能 选择夹具 选择刀具 确定制造技术要求 选择测量仪器 5 计算制造时间 进给量和切削速度 安装时间 准备时间 加工时间 6 产生文本 输出工艺规程 包括输出 工艺规程标题 工艺规程参数 山东大学计算机学院 15 2 工程设计分系统 3 数控编程数控编程包括对所有采用数控的设备如数控机床 数控检测仪器 数控机器人等进行程序设计 为生成数控程序 必须完成以下三项基本工作 1 编译以确定的语言格式书写的零件程序 2 根据刀具 材料和加工信息 计算刀位轨迹和各种几何 工艺数据 3 由后置处理器将通用的刀位信息转换成NC代码 用以操纵选定的机床 山东大学计算机学院 16 2 工程设计分系统 4 工装设计工艺装备 刀具 夹具 量具 辅具 磨具 设计从本质上讲 工装设计与产品设计性质是相似的 工装作为一种装置了可看成为一种不出厂的产品 要经历相似的设计过程完成相似的工作 工装设计与工装所服务的产品 部件 零件密切相关 有的工装可能很复杂 庞大 有的仅是一些零件 为了完成工装设计 建立工装CAD系统 必须获取相关的产品信息和工艺信息 实现与产品CAD CAPP等的集成 山东大学计算机学院 17 2 工程设计分系统 设计要点 1 深入分析企业特点 明确需求和目标1 行业的影响2 企业的产品设计能力及对外合作方式的影响3 企业自身条件的影响4 市场竞争环境的影响 2 努力提高产品的自主开发能力 3 加强产品开发的过程管理和产品数据管理 4 提高产品的 三化 水平 通用化 标准化和系列化 水平 5 吸收并行工程思想 改进设计过程 山东大学计算机学院 18 2 工程设计分系统 选型设计针对企业工程设计的需要 目前已有多种成熟的CAD CAM软件及一些CAPP软件可供企业选用 工程设计分系统的总体设计应完成选型设计 1 实用原则系统选型应满足企业的实用要求 既满足当前的要求 又能适当考虑以后的需求 2 可集成的原则3 开放性原则4 充分利用企业的现有资源为使企业已有的工程设计资源 能充分利用 应优先选择与企业原有资源易于集成的系统 5 经济性原则要考虑企业的经济实力 量力而行 山东大学计算机学院 19 例子 某机床厂CIMS工程设计分系统选型设计 1 硬件 以高中档工作站为主 辅以微机硬件环境 它应能运行性能优越 价格合理的CAD CAM一体化软件 能运行多种数据库 便于开发面向对象的工程数据管理软件 便于建立工程设计计算机局域网 便于与CIMS主机进行通信 2 CAD CAM 体化软件 1 应能满足参数化 特征化的3维造型要求 2 通过3D实体造型生成2D零件图 作到信息的双向关联 3 具有一体化的有限元分析软件 或提供与标准有限元软件的前后处理接口 并作到双向尺寸关联 4 提供2 5轴数控加工及检测编程能力 5 提供便于使用的通用或专用程序开发语言 提供使各种用户易于掌握和使用的用户界面 6 提供关系数据库 便于开发工程数据库和实现产品的工程管理 提供点队和矢量汉字库 便于图形和元件的汉字输出 7 支持产品自上而下的设计方 便于生成装配图 于涉检测及零件明细表 8 便于工艺特征的生成与抽取 为CAPP的开发提供文体条件 满足机床设计的特殊要求 如箱体类零件的展开图生成 此外还考虑了软件所需的内存空间 软件的价格等等 3 自行开发CAPP系统 山东大学计算机学院 20 3 制造自动化分系统 自动化分系统应覆盖企业的所有车间及各种与车间功能相近的各类部门 覆盖车间内的全部生产经营活动 由于车间之间的差别很大 具体车间的自动化系统构成内容也有很大差别 山东大学计算机学院 21 3 制造自动化分系统 1 车间的差异企业根据其生产需要和企业的具体情况设置若干个车间 或与车间功能相近的部门 一个企业的各个车间是不同的 不同企业的车间之间差别更大 规模不同职能权限不同车间的自动化程度不同车间的组织方式不同车间的性质不同在CIMS工程总体设计中一般关心车间的下述性质 1 生产过程的离散性 对离散性不同的车间 需采用不同的计划调度方法 2 过程的复杂性 离散型车间由于工件数量多 工序数量多 因而计划调度复杂 流程性车间的车间级计划调度相对简单 但设备 装置 级的控制功能也是很复杂的 山东大学计算机学院 22 3 制造自动化分系统 2 车间功能及层次结构车间 分厂 的功能分为下列两大类 直接完成物料的运输 储存 加工处理以及测试检验等生产制造活动 在车间范围内围绕生产制造过程所进行的管理 调度和控制活动 也包括与其它分系统进行的双向信息交换活动 按典型的企业5层递阶结构模型 车间占有4层的功能 对不同性质的车间 其功能会有所不同 车间层 生产管理 资源管理 质量管理 车间报告单元层 柔性制造系统FMS 分布式数控单元DNC工作站层 常见的有各种加工工作站 物流工作站 刀具工作站以及各种辅助工作站设备层 主要是各种数控机床 可编程控制器 工业机器人 及其它各种可控设备和装置 山东大学计算机学院 23 3 制造自动化分系统 3 自动化分系统总体设计的指导思想 1 从企业的全局出发进行车间的需求分析 2 全面规划 突出重点 以点带面 3 抓住车间的共性 提高设计效率 4 与企业技术改造紧密结合 5 充分发挥非自动化设备和人的作用 6 结合车间特点进行设计 山东大学计算机学院 24 4 质量保证分系统 企业实施CIMS系统的主要目的之一 是提高企业的产品质量 产品质量问题贯穿于产品生命周期的全过程 它与企业的经营管理 工程设计和生产制造等各项活动均有密切的关系 必须有专业的质量部门来保证产品的质量 山东大学计算机学院 25 4 质量保证分系统 1 质量体系按照ISO9000 9004国际标准 企业应根据本身特点和具体情况以及主管部门对质量考核的规定 组成本企业的质量体系 质量体系是保证产品质量 满足规定和潜在的要求 由组织机构 职责 程序 活动 能力和资源等构成的有机整体 质量体系贯穿于产品质量形成的全过程 山东大学计算机学院 26 4 质量保证分系统 2 质量保证分系统的功能按企业内质量活动的性质 质量保证分系统需完成4大类不同的功能 1 质量计划功能2 质量检测功能3 质量评价与控制功能4 质量信息管理功能 山东大学计算机学院 27 4 质量保证分系统 3 质量保证分系统的总体设计要点深入分析企业对质量保证功能的真实需求 确定质量保证分系统的总目标确定质量保证分系统的总体结构 1 单一集成质量系统采用支持分布式数据管理的网络系统实现质量系统的集成 2 将上述集成质量系统在一个结点上与CIMS中的其它分系统集成这种集成可以解决质量活动与企业其它活动的联系问题 3 将质量保证功能进行分块处理 4 将所有质量保证功能全部就近纳入其它分系统甚至子系统中它是自上而下 逐级集成的 而不单独设立质量保证分系统 这是解决资源共享的较理想的方案 但需配置合格的质量管理专家 加强质量方面的总体工作 同时需注意质量活动的授权问题 5 在逻辑上仍设置质量保证分系统由专业人员负责对质量保证功能进行总体设计 但在物理实现上采用 4 中提出的分散方式 显然 采用后三种方式较好 山东大学计算机学院 28 4 质量保证分系统 3 质量保证分系统的总体设计要点结合企业的产品质量标准体系进行技术设计不同类型企业有不同的产品质量标准体系 产品的质量指标不同 对产品的检测要求不同 产品的质量要求不同 质量保证分系统的技术设计应体现质量标准体系提出的要求 与企业的其它活动结合 共同解决产品质量问题质量保证分系统对产品质量只起监督保证作用 不能独立解决产品质量问题 必须有企业的其它部门的配合 如工程设计质量问题需工程设计分系统来解决 制造质量问题需车间来解决等等 山东大学计算机学院 29 5 计算机支撑分系统 CIMS的核心技术是信息集成 须要以操作系统为基础 利用包括计算机语言 数据文件 网络 数据库管理 字处理 图形图像处理 窗口 用户界面等在内的计算机环境 形成开放式体系结构 来支持CIMS系统中各种应用软件的开发和集成运行 山东大学计算机学院 30 5 计算机支撑分系统 1 计算机支撑分系统的覆盖范围本分系统覆盖了CIMS系统中信息系统维的下4层 即 计算机系统层 网络层 数据库层及集成平台层 山东大学计算机学院 31 5 计算机支撑分系统 1 计算机系统作为计算机集成环境的基础 计算机系统不仅支持其上的应用软件开发和运行 也通过计算机网络等支持集成运行 由于CIMS覆盖企业的环节不同 不同企业的生产经营特点也不相同 对计算机系统的要求也各不相同 计算机系统涉及如下内容 1 工作环境 2 主机系统 3 外部存储器系统 4 外部设备 5 计算机软件 6 系统的物理安全 7 中文信息处理 山东大学计算机学院 32 5 计算机支撑分系统 2 计算机通信网络网络的体系结构层网络互联网络管理网络应用接口 山东大学计算机学院 33 5 计算机支撑分系统 3 数据库层CIMS的信息集成是通过数据驱动来实现的 即通过各种数据的传输 交换和处理 完成企业的各种生产经营活动 因此 对CIMS中涉及的各种数据进行全面管理 既要保证这些数据的正确性 一致性与完整性 又要使各分系统 子系统可以及时获得有关数据 共享信息资源CIMS与一般简单的信息系统最大差别是它更强调系统的总体信息集成 而不是某个部门 某个子系统的数据库管理系统或文件管理系统 山东大学计算机学院 34 5 计算机支撑分系统 CIMS环境下数据管理的特点1 复杂多样的数据类型非结构化性质的如数控程序 工程图形等 超长文本的如设计或测试规范 数据量很大 涉及复杂的工程实体 有复杂的语义交换 描述困难 有动态变化的实时数据 抽象的数据类型 如各种专家系统中使用的专家经验 规则 知识等 这些都对数据管理提出了更高的要求 2 分布数据管理由于企业本身的地理分散性 以及CIMS各分系统之间的功能差异 涉及到的数据类型差异3 数据管理软件功能的差异 CIMS工程设计的一项重要任务是如何对待这些已有系统 包括取舍 改造和提高 从而提高整个CIMS系统的信息集成水平 对CIMS设计过程中拟引进的计算信息系统如CAD MIS等 也要考虑其数据管理软件功能及标准化程度 山东大学计算机学院 35 5 计算机支撑分系统 CIMS的集成平台计算机系统 网络系统和分布式数据库为CIMS的开发和运行提供了基本的集成平台 为了满足CIMS高度信息集成的要求 不断出现新的高级集成平台 集成框架可提供企业集成的基础结构和支持工具 实现企业集成与全局优化 它是一个使能器 可降低集成实施的复杂度 提供系统开放性及标准化水平 可在多种操作系统及硬件支持下 使用单一接口提供多用户应用 它既保护原有投资 又能快速引进新的应用 降低维护原支持费用 使企业的集成事半功倍 这是一种高级集成平台 代表集成平台的发展方向 山东大学计算机学院 36 5 计算机支撑分系统 计算机支撑环境的特点1 服务性计算机支撑环境是为各应用分系统服务的 应根据各应用系统的要求来进行设计 2 先进性CIMS的扩展性也主要体现在计算机支撑环境上 而计算机技术的发展又非常迅速 因此支撑环境的设计应具有一定的前瞻性 即设计诮具有一定的先进性 3 统一性集成支持环境是由计算机系统 网络系统 数据库系统 以及集成平台共同组成的 它们之间应是能集成的 能实现自下而上的支持 因此在设计时对计算机 网络 数据库要统一予以考虑 使之相互匹配 山东大学计算机学院 37 5 计算机支撑分系统 计算机支撑环境的设计还应注意 1 尽可能利用现有资源对企业现有的软 硬件资源进行深入调查 研究其可用性 2 以购买为主 由于计算机技术发展很快 并形成了各种层次的软硬件产品 可供用户选用 同时鉴于支撑环境的技术难度大 企业不可能自行开发出来 所以基本上应以采购引进为主 3 要尽可能减少异构现象 为了降低集成的难度 应尽量避免或减少异构现象 4 设计和二次开发尽管市场上提供的各种计算机软件产品具有很强的通用性 但对一个特定企业 仍需结合企业的具体情况进行设计 而且二次开发也是不可避免的 在设计和二次开发时要求设计人员具有很高的支持水平 技巧和经验 山东大学计算机学院 38 5 计算机支撑分系统 计算机系统选型应注意下述要求 1 满足应用环境的要求主要包括字长 计算速度 存储容量 使用环境 以及图形 汉字处理能力等 2 标准化 计算机通信网络的总体设计根据CIMS中网络的特点和企业的具体情况设计出具有开放性 标准化 实时性的通信网络 为CIMS的运行提供丰富的网络服务 1 准确定位 确定先进合理的网络方案 2 统一结构 减少异构 3 选择先进 通用的标准 数据管理的总体设计数据库管理是数据管理的主要形式 设计过程通常分成概念设计 逻辑结构设计及物理设计等3个阶段 总体设计主要针对前两个阶段 在初步设计阶段进行数据库概念模式设计 详细阶段进行数据库逻辑结构设计 案例1 成都飞机工业公司CIMS应用工程 山东大学计算机学院 40 概述 成都飞机工业公司 简称成飞 CAC 是国家重点大型骨干企业 是中国最大的飞机出口基地 1989年 成都飞机工业公司被列为国家高技术发展 863 计划的每一个CIMS应用工厂 1990年完成总体设计可行性论证 1991年完成初步设计 1992年完成详细设计 1994年CIMS一期工程 突破口项目 通过863计划自动化领域组织的验收 1996年通过了二期工程的验收 山东大学计算机学院 41 分析 1 当时公司拥有一批 孤岛式 单项技术软件 系统没有集成 资源不能共享 整体效益差 2 计算机辅助管理不能满足麦道机头转包生产 批生产飞机改型和新机研制的需要 3 已拥有的辅助设计 制造软件虽有较强的功能 但缺少计算机辅助工艺设计 CAPP 及工艺文件管理功能 不能适应多机型生产试制技术准备工作的需求 4 飞机机加结构件车间数控机床已初具规模 靠常规的计划管理和以单台机床为单元组织生产 综合生产能力不能充分发挥 山东大学计算机学院 42 需求 解决以下几个主要问题 1 新品研制周期长 2 不适应多品种 小批量生产要求 3 信息管理不适应生产经营的需求 4 机加结构件需要解决瓶颈问题和提高质量 山东大学计算机学院 43 工程总体技术方案 总的指导思想是以CIM概念框架为指导 确定总体集成方案 实施技术路线要力求稳妥可靠 从关键技术预研开始 从分系统集成着手 抓应用促进和带动CIMS的发展 逐步掌握技术 取得经验 增养队伍 实现成都飞机工业公司CIMS 1 根据总体技术方案 充分利用公司现有的能力 经完善与提高 逐步实现成都飞机工业公司CIMS 利用原有IBM计算机等主机上的CAE CAD CAM软件 利用现有数控机床17台 包括DNC系统 三坐标数控测量机 大型精密平板工数控绘图机等资源 纳入成都飞机工业公司CIMS 减少新开发项目 节约投资约2亿元 在此基础上 紧密结合实践应用 逐步完善提高 形成较完整的集成制造工程系统 2 以系统集成技术的需要和发展促进成都飞机工业公司管理信息系统 MIS 的发展3 以关键集成技术的试点经验来带动机加结构件自动化车间 FA 的发展 山东大学计算机学院 44 CIMS应用工程体系结构 由四个应用系统 即管理信息系统 CIS 工程信息系统 CAD CAM 车间自动化系统 FA 和质量信息系统 QIS 以及两个支持系统即数据库系统 DB 和网络系统 NET 组成 山东大学计算机学院 45 工程总体结构 计算机网络和分布式数据库的支持下 由管理信息 质量信息 工程信息和自动化车间四个应用分集成系统组成 将公司计算机辅助经营 管理 设计和制造的主要功能 信息及设备初步集成起来 1管理信息分集成系统 MIS 包括经营管理 BM 物料管理 MM 生产管理 PM 人员信息管理 LM 财务管理 FM 等系统 其中MM和PM在引进的MRP MM PM 软件的基础的进行二次开发 2质量信息分集成系统 QIS 包括制造过程 使用过程 无损检测 人员印章 器材器具 综合统计 标准化信息等质量信息管理系统 3工程信息分集成系统 CAD CADM 包括计算机辅助工程 CAE 设计 CAD 工艺设计 PPS 飞机装配 钣金和机加零件工艺文件设计 CAPP 机加工数控编程 CAM 以及型架 夹具和冲裁 压延模设计与制造 TD CAD CAM 等系统 4车间自动化分集成系统 FA 包括两条直接数控生产线 FDNC 和两个自动化立体库 具有车间控制 单元控制 工作站控制以及设备控制四层递阶控制结构 案例2 开封空分集团信息化工程 山东大学计算机学院 47 立项背景 我国空分市场80年代已对世界开放 国际上一流空分企业纷纷打入中国市场 我国生产的空分设备与国外产品相比 生产周期长 质量稳定性差 产品创新能力低 生产管理粗放 空分行业面临巨大的市场压力 经济效益大幅下滑 企业经营和资金运转十分困难 为使企业能够生存下去 于1999年6月毅然决定启动KF CIMS工程 7月与国家863 CIMS主题签订了委托研究与开发合同书 山东大学计算机学院 48 案例分析 目的 分析一个具体企业的MIE是怎样针对自身的特点 需求和约束来进行MIE建设的 开封空分集团信息化工程 KF CIMS应用示范工程 2001年5月通过省级鉴定 认为 在企业知识集成 复杂产品设计 流程型成套设备报价 支持复杂设备生产过程的并行工程等方面 具有创新性 达到国内领先水平 山东大学