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第12章CIMS简介计算机集成制造系统 CIMS ComputerIntegratedManufacturingSystem 是当代生产自动化领域的前沿学科 也是集多种高新技术为一体的现代化制造技术 12 1CIMS的提出20世纪80年代中期以来 以CIMS为标志的综合生产自动化日趋成为制造工业的热点 其主要原因是 1 CIMS具有提高生产率 缩短生产周期 减少废品 适应市场竞争的需要等一系列优点 2 一些大公司由于采用CIMS取得了显著的经济效益 展示了这一技术的潜在优势 3 CIMS是一种管理企业和组织生产的新哲理 也是在新的生产组织原理和概念下形成的一种新生产模式 12 2CIM和CIMS的基本概念12 2 1CIMS的由来计算机集成制造 CIM ComputerIntegratedManufacturing 技术是美国乔赛夫 哈林顿博士 Joseph Harrington 1973年提出的组织企业生产的一种哲理 哈林顿博士提出的CIM概念的基本论点为 1 企业生产的各个环节 即从市场分析 产品设计 加工制造 经营管理到售后服务的全部生产活动 是一个不可分割的整体 要紧密连接 统一考虑 2 整个生产过程实质上是一个数据采集 传递和加工处理的过程 最终形成的产品 可以看作数据的物质表现 直到20世纪80年代 这一概念才被普遍接受 12 2 2CIM与CIMS的意义CIM是组织现代化生产的一种哲理 是一种指导思想 CIMS是这种哲理的实现 日本能源协会在1991年提出CIM的定义是 CIM是以信息作为媒介 用计算机把企业活动中业务领域及其职能集成起来 追求整体效率的新型生产系统 IBM公司1990年提出CIM的定义是 应用信息技术提高组织的生产率和响应能力 欧共体CIM OSA课题委员会也提出了被认为是最权威最科学的定义 CIM是信息技术和生产技术和综合应用 旨在提高制造型企业的生产率和响应能力 由此 企业的所有功能 信息 管理方面都是一个集成起来的整体的各个部分 综合已提出的各种有关的定义和理解 CIMS是现代制造企业的一种生产 经营和管理模式 对CIMS的理解可进一步阐述如下 1 CIMS是一种组织 管理与企业运行生产的现代制造系统 2 CIMS强调企业生产的各个环节 进而实现全局优化 3 实施CIMS要更加重视发挥人在现代化企业生产中的主导作用 4 现代企业中尤其要重视信息的管理 运行以及信息流与物流间的集成 5 CIMS是基于现代管理技术 制造技术 信息技术 自动化技术 系统工程技术的一门综合性技术 12 2 3CIMS基本特点在CIMS中主要包含四个要素及两个特征 四个要素如下 1 CIMS适用于各种中 小批量的离散生产过程型制造厂 2 CIMS应将制造工厂的生产经营活动都纳入到多模式 多层次 人机交互的自动化系统之中 3 CIMS由多个自动化子系统有机综合而成 4 CIMS的目的是提高经济效益 提高柔性 追求总体动态优化 两个特征为 1 在功能上 CIMS包含了一个工厂的全部生产经营活动 2 CIMS涉及的自动化不是工厂各个环节的自动化 计算机及网络的简单相加 而是有机的集成 12 3CIMS中的集成及集成关系12 3 1CIMS中的集成CIMS涉及到自动化的许多单项技术 而更为重要的是将这些技术综合集成 其集成特性主要包括 1 人员集成管理者 设计者 制造者 保障者以及用户应集成为一个协调整体 2 信息集成产品生产周期中和类信息的获取 表达 处理和操作工具集成为一体 组成统一的管理控制系统 3 功能集成产品生命周期中 企业各部门功能集成 以及产品开发与外部协作企业间功能的集成 4 技术集成产品开发全过程中 涉及的多学科知识以及各种技术 方法的集成 12 3 2CIMS技术的集成关系集成的定义 集成是指基于信息技术的资源及应用集聚成一个协同工作的整体 集成包含功能交互 FI 信息共享 IS 及数据通信 DC 如图12 1所示 也就是说在一个集成系统的各子系统之间 需要对信息共享 信息交互以及信息通信进行管理与控制 图12 1集成的概念 1 全局集成和局部集成全局集成是指信息技术的生产技术在整个企业业务范围内综合应用的集成 局部集成是指一个分系统或企业一个部门内的集成 全局集成进一步细化可分为 工作流程集成 物流集成和信息 流 集成 CIMS信息集成包括三个层次 物理集成 应用集成和经营集成 物理集成是一切信息集成工作的基础 应用集成又称应用软件集成 它可提供某些机制 能使过程之间共享公共数据和公共资源 经营集成又称业务集成 它可支持稳定的决策过程 2 纵向集成和横向集成CIMS的集成 如果按企业组织的层次划分 则可分为纵向集成和横向集成 纵向集成又称为垂直集成 是指日常运用系统 计划 检查直至最高领导层在业务 组织和信息方面的集成 横向集成又称水平集成 它是指各日常运用系统的集成 如图12 5所示为CIMS的层次集成关系 图12 5CIMS的层次集成关系 12 4CIMS的体系结构12 4 1CIMS体系功能构成CIMS的功能构成如图12 6所示 图12 6CIMS的功能构成 12 4 2CIMS体系分系统根据CIMS的功能构成 CIMS是由4个功能分系统和两个支撑分系统组成 即CIMS通常是由管理信息系统 MIS 产品设计与工程设计自动化系统 EDIS 制造自动化 柔性自动化 系统 MAS 计算机辅助质量保证系统 CAQ 以及计算机网络 NETS 和数据管理系统 DBS 等6个部分有机地集成起来的 1 管理信息系统 CIMS MIS ManagementInformationSystem 目标是通过信息集成 缩短产品生产周期 降低流通资金占用 提高企业应变能力 CIMS MIS的基本结构如图12 9所示 图12 9CIMS MIS基本结构 2 工程设计集成分系统 CIMS EDIS EngineeringDesignIntegratedSystem 该分系统的目标是使产品开发活动能够高效 优质 自动地进行 工程设计集成分系统是CIMS中的一个核心分系统 它包括CAD 计算机辅助设计 CAPP 计算机辅助工艺规划 CAM 计算机辅助制造 和NCP 数控程序编制 等子系统 用以支承产品的设计和工艺准备等功能 处理有关产品结构方面的信息 在CIMS环境下 除自身子系统之间需要实现集成外 还要与其它分系统实现集成 通过数据交换实现信息共享 如图12 12所示为EDIS与MIS MAS和CAQ之间的接口主要信息传递关系 3 制造自动化分系统 CIMS MAS ManufacturingAutomationSystem 该分系统的目标是使产品制造活动最优化 它包括各种不同自动化程度的制造系统 如NC机床 柔性制造单元 FMC 柔性制造系统 FMS 以及其他制造单元 用以实现信息流对物流的控制并完成物流的转换 是CIMS信息流和物流结合部 也是CIMS最终产生经济效益的聚集地 在CIMS环境中 MAS分系统运行过程的本质是产品的物化 形成 过程 MAS中的数据是连接产品设计 生产过程控制和实际产品加工制造之间的桥梁 即CIMS中的产品设计方案和工艺规划等工程信息是通过MAS信息转换为实际产品的 4 计算机辅助质量保证分系统 CIMS CAQ ComputerAidedQuality 该分系统的目标是保证从产品设计 制造 检验到售后服务整个过程的质量 CIMS CAQ的组织结构分规划层 管理层和执行层三层 如图12 14所示 CIMS支持的CAQ分系统将贯穿质量管理的全过程 覆盖全企业各主要处 室 分厂 并逐步实现与MIS MAS和EDIS分系统的集成 图12 14CAQ分系统结构 5 数据管理分系统 CIMS DBS DataBaseSystem 该分系统的目标是管理整个CIMS的数据 实现数据的集成和共享 DBS既是CIMS信息流的载体 又对信息进行控制和管理 并为CIMS提供集成的手段 6 网络分系统 CIMS NETS NetSystem 该分系统的目标是传递CIMS各个分系统之间和内部的信息 实现的数据传递和系统通信功能 通过计算机网络系统 可完成动态控制和管理的各功能分系统的互联 实现信息传输和交流 使互联系统共享工程资源 数据库和存贮空间 12 4 3面向功能和控制的体系结构图12 20所示为美国制造工程学会 SME 提出的轮式结构 其 核 为集成系统体系结构 内层为支撑分系统 中层可 水平 分解为工程设计 产品 过程 制造计划与控制以及工厂自动化3个分系统 外层则有市场 战略规划 财务及制造管理和人力资源管理等分系统 图12 20面向功能构成的CIMS体系结构 12 5CIMS的控制体系1 工厂层控制系统这是最高一级控制 履行 厂部 职能 这一层按主要功能可分为三个子系统 生产管理 信息管理和制造工程 1 生产管理它跟踪主要项目 制定长期生产计划 用生产计划数据来确定交给下一级的生产指令 2 信息管理通过用户接口实现必要的行政或经营管理功能 3 制造工程制造工程包括CAD CAPP和CAM 其功能一般都是通过用户 数据接口 并在人口的干预下实现的 2 车间层控制系统这一层控制系统主要根据工厂层生产计划 负责协调车间的生产和辅助性工作以及这些工作的资源配置 1 作业管理负责安排生产计划 将任务分配给各单元 2 资源分配负责分配单元层各项目在具体加工时所需的工作站 贮存区 托盘刀具及材料等 3 单元层控制系统这一层控制系统安排零件通过工作站的分批顺序和管理物料贮运 检验及其它有关辅助性工作 单元层控制系统设有如下3个模块 1 排队管理模块它向上与操作命令模块接口 向下与调度模块接口 2 调度模块每一个工作站都配有一个调度模块 它向上与排队模块接口 向下与本单元的分配模块接口 调度模块负责管理各自的调度作业和监控工作站任务的完成 3 分配模块每个工作站都配有分配模块 它向上与调度模块接口 向下直接与有关工作站控制器接口 4 工作站层控制系统这一层主要负责指挥和协调车间中一个设备小组的活动 一个典型的加工工作站由一台机器人 一台机床 一个物料贮运器和一台控制计算机组成 5 设备层控制系统这一层是 前沿 系统 是各种设备 如机床 机器人 坐标测量机 自动导引小车等 的控制器 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 有顺序的简单任务来操纵被控设备 并通过各种传感器监控这些任务的执行 12 6CIMS的发展现状12 6 1国外CIMS发展简况空前激烈的市场竞争的主要特点是 1 产品的生产周期越来越短 2 产品的品种增多 批量减少 3 产品质量 价格和交货斯已成为增强企业竞争力的3个决定因素1 美 欧 日CIMS开发应用的进展及战略在美国国家科学基金会的支持下 投资上千万美元的普度 Purdue 大学 杨百翰 BrighamYoung 大学和俄亥俄 Ohio 州立大学分别建立了 计算机集成和制造自动化中心 CIDMAC CIM研究中心和研究多种CIM技术的杰出研究中心 有效地推动了CIM技术的发展与应用 CIM的概念和主要单元技术如NC CAD 制造资源规划 MRP II FMS等都来源于美国 并且美国在这些领域的研究上仍保持着总体优势 西欧发展CIM的战略有两个层次 第一层次是西欧多国群体的共同合作战略 第二层次是各国国内的CIM战略 尤里卡即欧洲研究协调组织 主要开发的项目有 1 大型生产过程管理系统 2 柔性自动化工厂 自20世纪80年代中期以来 日本逐渐加强了CIM的应用开发 很快吸收了美国提出的CIM思想 并在生产实践中合理而有效地加以应用 根据具体情况发展适用于日本企业的CIMS 1983年5月 日本美浓加茂 Minokamo 工厂建立了CIM FMS 21系统 这是一个实现了物流和信息流自动化的车间 它包括5套FMS 1989年末建成的具有先进的CIMS的筑波电加工机床装配工厂 此工厂可看做是FANUC公司的CIMS试验工厂 为发展CIM产品提供实际考核环境 2 CIMS的发展趋势纵观国外CIMS研究和应用工程的开发 大致经历了3个发展阶段 1 以信息集成为特征的阶段 20世纪70 80年代 这一阶段企业发展的需求是产品生产的自动化 随着电子信息技术的发展 相应的各种单元技术 如CAD CAM 工业机器人 FMS MRP II得到了广泛的应用 2 以过程集成为特征的阶段 进入20世纪80年代后 市场竞争的焦点集中到以更新更快的手段开发并上市新产品 以争取更多的用户 其制造需求是使产品设计和相关过程并行进行 3 以企业集成为特征的阶段 20世纪80年代末到90年代初 CIMS进入了一个着重求实 讲究解决实际问题 提高竞争力的迅速发展阶段 在其内涵与概念上都有了新的内容 12 6 2我国CIMS