第3章计算机集成制造系统.ppt

第3章计算机集成制造系统 CIMS 技术 什么是CIMS CIMS 计算机集成制造系统 ComputerIntegratedManufacturingSystems CIMS 现代集成制造系统 ContemporaryIntegratedManufacturingSystems C是手段M是指大制造 制造业 S是指整个系统I是核心 即通过集成提高制造企业的市场竞争能力 为什么要学习CIMS 了解相关知识从事企业软件开发CAD CAE CAPPPDM PLMERPCRM专用 高附加值的软件从事企业信息化工作企业的技术主管CIO从事企业信息化项目实施金碟 用友浪潮 华天 课程主要内容 理念篇CIMS的基本概念 基本原理 基本方法 应用背景CIMS的方法体系技术篇CIMS总体设计技术CIMS关键技术管理 设计 制造 集成实践篇企业信息化我国的制造业信息化工程战略 3 1信息时代的制造业 制造业的发展历史 信息化带动工业化是必由之路 制造业的内涵 制造业是指对原材料 采掘业的产品和农产品 进行加工或再加工 以及对零部件装配的工业的总称 制造业一般有消费品制造业和资本品制造业 轻型制造业和重型制造业 民用制造业和军工制造业 传统制造业和现代制造业之分 其中装备制造业越来越重要 工业化国家 约1 4的人口从事制造业 约70 80 的物质财富来自制造业 物质生产贯穿人类历史 材料 能源和信息是人类社会经济的三大重要支柱 人类社会经济发展的历史 就是人类利用材料 能源和信息进行物质生产的历史 材料 能源和信息领域的任何技术革命 必然导致生产方式的革命和生产力发展的飞跃 制造业发展史 制造业创造了人类人与猿相分离 是由于人学会了双足行走和用手制造并使用工具 这是人类进化的关键一步 随着狩猎和采集技术的改进 人们制造的工具日趋精细 种类越来越多 出现了有组织的石料开采和加工 形成了原始制造业 使用工具 制造工具 即原始的制造技术和生产方式的改变引发了古猿进化的改辙 驱引他们用脑思维 脑容量增大 经选择遗传而与猿类分离 变成堂堂直立的人类 毛主席1964年有一首词 贺新郎 读史 头几句是 人猿相揖别 只几个石头磨过 小儿时节 原始的工具制造是人类社会制造业的最早萌芽 制造业发展史 制造业是产业革命的主力军18世纪的产业革命和接踵而来的电气化运动 从1765年瓦特发明蒸汽机算起已延续了240年 这场波澜壮阔的工业革命使人类的生产和生活方式发生了不可逆转的伟大变化 产业革命的标志 瓦特蒸汽机的发明工业革命的第二个高潮 电气化发生在19世纪后半叶和20世纪初 以1948年美国贝尔实验室的巴丁 布拉顿和肖克利发明晶体管 1958年制成第一台固体元件计算机为开端 晶体管的发明和微电子制造技术的飞速发展 开创了全新的信息时代 制造业发展史的启示 蒸汽机和电机的应用 延伸了人的体力劳动 催生了工业革命 使人类社会通过工业化从农业社会发展到工业社会 以计算机为核心的现代信息技术的应用 则延伸了人的脑力劳动 引发了新的工业革命 使人类社会通过信息化从工业社会发展到信息社会 信息化是信息时代的工业革命 从工业化到信息化的里程碑 1765年 蒸汽机的发明拉开工业化革命序幕 20世纪上半叶 一批发达国家完成工业化革命 1948年 晶体管发明 1958年 第一台固体元件计算机 1959年 第一个集成电路 1960年 ALGOL和COBOL计算机语言 1964年 大型电子计算机IBM360系列 1969年 互联网诞生 1971年 用大规模集成电路组成的微处理机 1977年 个人计算机 1989年 万维网 WWW 诞生 在短短的50年时间内 信息技术使我们的生活发生了质的变化 世界全面转向信息化时代 机械制造业发展的几个阶段 第一阶段 手工单件生产第二阶段 大批量重复生产第三阶段 自动化生产第四阶段 现代集成制造 单件手工生产 第1阶段 法国巴黎P L汽车制造公司的汽车制造过程 1890年 年产量800台有许多独立的工匠手工完成单件制造方式 生产流程几个主要伙伴讨论用户需求 确定汽车规格定购主要零件 各个承包商制造零件 汇总安装特点劳动力在设计 制造工艺水平上较高 组织十分分散产量低 价格高 产品维护费用高 追求的目标全面满足客户的要求较高的制造装配工艺水平 大批量重复生产 第2阶段 Ford生产线方式的引入 1908年 零件互换 标准化技术的引入 装配线 固定线 流动线 结果 生产成本大量下降 生产率提高 产品的维护费用下降 维护方法简化 当生产量达200万量时 价格降低了2 3 特点 劳动力专业化分工 培训时间缩短 组织结构一体化 大而全 计划管理 由上而下协调生产组织 官僚主义 对市场的响应能力下降 机床的能力不断提高 大批量生产追求的目标 50年代前 大量生产 低成本 提高劳动生产率 自动化生产 第三阶段 50 70年代 新的生产组织模式制造资源计划 MRPII 美国 精益生产 日本 Siemag粗计划系统 德国 制造设备水平提高数控机床 50年代 FMS 70年代 计算机辅助设计技术应用CAD CAPP CAM CAE单元技术应用 自动化生产特点 计算机应用水平提高CAD CAPP CAM CAE技术应用MRPII技术应用管理信息系统应用车间控制技术 局部集成技术MRPII 计划 物料 库存 生产能力 财务 销售信息集成 CAD CAPP CAM集成FMS 独立制造岛 加工设备 物料传送 仓库存储设备的集成 优化 MRPII系统优化了物料供应和生产计划 FMS应用优化了生产调度和控制策略 车间作业计划与调度系统的应用优化了制造资源分配 现代集成制造 20世纪80年代以后 以信息技术为基础 系统集成与优化为手段 以提高企业的市场竞争能力为目标 致力于全面提高企业的T Q C S水平 自动化孤岛 问题 片面提高自动化水平并不能够带来企业效益的提高 信息孤岛 问题 孤立的信息单元作用有限集成成为现代制造业发展的主旋律 现代集成制造的代表模式 计算机集成制造 并行工程 虚拟制造 精良生产 敏捷制造 协同制造 网络化制造 信息技术引发了制造业的深刻变革 信息技术促使工业产品知识化 制造业信息化产品信息化设计制造过程信息化管理信息化资源信息化服务信息化信息技术推动了新技术经济体系的形成产生了新的生产管理和组织形式形成了当代最先进的生产力为制造业注入了新的活力增强了制造业的技术创新和管理创新能力 信息技术促进了经济全球化与制造全球化 信息时代制造业新的工业革命 信息技术促进了敏捷制造的发展 形成了以虚拟制造和动态联盟为特征的新型制造模式 网络技术促进了全球化制造的发展 引发了制造业的重新分工和资源的重新配置 计算机技术促进设计制造数字化 提高了产品创新能力 缩短了设计周期 降低了产品开发成本 电子商务技术促进了全球化采购 销售 降低了采购与销售成本 提高了服务质量 数字BOEING 技术趋势虚拟设计制造全生命周期设计制造PLM并行工程CE全球化的协作平台EXSTAR 制造业发生的深刻变革数字化飞机 技术趋势数字化设计制造虚拟样机全球采购和分销大规模定制 通用公司应用状况开发周期 48月 24月 12月 碰撞试验 100次 50次 个性化定单 3小时通过在线采购降低成本10 制造业发生的深刻变革数字化轿车 中国的进步 数字化设计 制造创我国枭龙飞机研制周期最短的奇迹 枭龙 FC 1型飞机从冻结技术状态到首飞成功 只用了23个月的时间 这是采用了数字化设计 制造 管理技术创造的奇迹 建立枭龙 FC 1型飞机全机结构数字样机 实现产品数据共享全机工艺规程编制计算机化实现枭龙 FC 1飞机主要结构件数字化设计 工艺 加工 检测 突破结构件制造瓶颈 超七全机结构数字样机 数字化技术在超七飞机研制中的应用 来源 成都飞机公司 数字化技术在超七飞机研制中的应用 来源 成都飞机公司 超七全机结构分析模型 新支线飞机虚拟样机数字化定义 来源 中国航空工业第一集团公司 全机外形 前机身理论数据 驾驶舱 驾驶员座椅安装 中央操纵台机械系统 登机门机构 壁板STA148 550 229 000 长桁和接头 来源 中国航空工业第一集团公司 新支线飞机虚拟样机数字化定义 铁路机车车辆虚拟样机系统 来源 中国铁路机车车辆北方集团公司大连铁道学院清华大学 沪东造船厂 以自行开发产品 中国沪东型 74500吨散货轮作为主要应用对象 设计效率提高40 以上 生产准备周期缩短了131天 年增加新产品舯舰1 2艘 每艘船价平均为1 7亿 深海载人潜器示意图 深海载人潜器的工作原理和效果图 机床 3 2计算机集成制造系统 CIMS的基本概念 CIM概念 1973年 J Harrinton博士提出CIM概念基本思想系统的观点 企业的各个生产环节是不可分割的 应该加以统一处理信息的观点 整个生产过程实质上也是对信息的采集 传递和加工处理的过程 在企业中主要存在信息流和物流这两种运动过程 而物流又是受信息流控制的 为什么要提出CIM 在20世纪70年代 美国产业政策过分夸大了第三产业的作用 而将制造业贬低为 夕阳工业 生了锈的皮带 导致美国制造业优势的衰退 20世纪80年代初开始的世界性石油危机 暴露出美国制造业的优势多数已被日本所取代 美国报纸说 十个高技术产品中的七个 其市场已为日本所占有 日本产品在美国人心目中已经成为质量好 价格便宜的同义词 美国要用其信息技术的优势夺回制造业的领导地位 认为 对CIMS 不要再犹豫了 CIMS nolongerachoice 自动化孤岛 1 1 2 将 自动化孤岛 集成在一起 早期CIM的定义 CIM是一种组织 管理与运行企业生产的新哲理 它藉助计算机硬软件 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人 技术 经营管理三要素及其信息流与物流有机地集成并优化运行 以实现产品高质 低耗 上市快 从而使企业赢得市场竞争 经营管理 人 组织 技术 T Q C S 几层含义 CIM是一种组织 管理与运行企业生产的哲理 其宗旨是使企业的产品高质量 低成本 上市快 从而使企业赢得竞争力企业生产的各个环节 是一个不可分割的有机整体企业生产的要素包括人 技术及经营管理 其中 尤其重视发挥人在现代化企业生产中的主导作用 企业生产活动中包括信息流 采集 传递和加工处理 和物流两大部分 现代企业中尤其重视信息流的管理运行及信息流与物流间的集成 CIM技术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 CIMS定义 CIMS ComputerIntegratedManufacturingSystem 是基于CIM哲理而组成的系统 定义为 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有关的人 技术 经营管理三要素及其信息与物流有机物有机集成并优化运行的复杂的大系统 3 3计算机集成制造系统 CIMS的基本概念 提出 1986年提出了863 CIMS主题计划 它以 发展高科技 实现产业化 为宗旨 在国家科委 科技部 直接领导和各有关部门的大力支持下 经过近10000名专家 技术人员和管理人员不懈的努力 立足国情 创新发展 从早期的以信息集成为特征的计算机集成制造系统 ComputerIntegratedManufacturingSystem 开始 发展到以信息集成和企业优化为特征的现代集成制造系统 ContemporaryIntegratedManufacturingSystem 走出了一条具有中国特色的CIMS之路 取得重大进展 并在国际上取得了一席之地 时代背景 1 全球化趋势2 以客户为中心的市场3 竞争新环境和新形式4 知识经济初露端倪5 因特网的冲击6 环境保护和可持续发展的呼声日盛 CIM新定义 CIM是一种组织 管理和运行现代制造类企业的理念 它将传统的制造技术与现代化信息技术 管理技术 自动化技术 系统工程技术等有机结合 使企业产品全生命周期 从市场需求分析到最终报废处理 各阶段活动中有关的人 组织 管理 经营管理和技术三要素及其信息流 物流和价值流三流有机集成并优化运行 以达到产品 P 上市快 T 高质 Q 低耗 C 服务好 S 环境清洁 E 进而提高企业的柔性 健壮性 敏捷性 使企业赢得市场竞争 信息集成 过程集成 企业间集成 四个功能分系统 两个支撑分系统组成 3 4CIMS的基本组成 体系结构及其关键技术 1 管理信息分系统 MIS MIS是CIMS的神经中枢信息处理包括信息的收集 传输 加工和查询 事务管理包括计划管理 物料管理 生产管理 财务管理 人力资源管理等 辅助决策根据现有信息 利用数学分析手段预测未来 提供企业经营管理决策 核心工具 制造资源计划MRPII 将企业内各个管理环节进行集成 缩短生产周期 减少库存 降低成本 提高企业市场应变能力 2 工程设计信息分系统 EDIS CAD CAPP CAM CAD计算机绘图 有限元分析 产品造型 图像分析处理 优化设计 动态分析与仿真 物料清单 BOM 生成等 CAPP毛坯设计 工艺方法选择 工序设计 工艺路线制定 工时定额计算等 CAM刀具路径确定 刀位文件生成 刀具轨迹仿真 NC代码的生成等作业 CAPP系统的分类检索式 事先把零件的工艺规程按零件图号或成组编码储存在计算机中编制新零件的工艺规程时 检索 调出 编辑修改检索不到时 另行编制并储存在计算机中派生式 例如美国国际计算机辅助制造公司开发的CAM I系统按零件结构和工艺的相似性 将零件分为若干零件加工族对每一族零件制定优化加工方案编制新零件的工艺规程时 根据输入信息编制零件的成组代码 根据代码识别它所属的零件加工族 调出该族的典型工艺 自动搜索零件的型面和尺寸参数 确定需要的工序和工步 综合零件 实际零件 例 查找零件组 输入表头信息 工艺规程格式 工艺路线检索 编辑 标准工序检索 编辑 CAM I推出的派生式CAPP系统框图 b 使用阶段 派生式CAPP系统工作的两个阶段 派生式CAPP的特点 程序简单 易于实现 目前多用于回转体类零件CAPP系统 需人工参与决策 自动化程度不高 具有浓厚的企业色彩 局限性较大 创成式CAPP系统 GenerativeCAPPSystem 要求较高 目前还处于实验研究阶段 3 制造自动化分系统 MAS MAS地位 位于企业底层 是企业信息流和物料流的结合点 是最终产生效益聚集地 MAS组成 机械加工系统 CNC MC FMC FMS加工设备 物流系统 对工件和工具存储 搬运 装卸等操作 控制系统 实现对加工设备和物流系统的控制 MAS目标 实现多品种 小批量生产柔性自动化 实现优质 低成本 短周期 高效率生产 创造舒适安全劳动环境 4 质量保证信息分系统 QIS 质量计划 建立质量技术标准 制定检测计划 检测规程和规范 质量检测管理 包括进出厂材料检测 产品质量检测管理 设计质量指标管理 生产质量数据管理 质量分析评价 对各类质量问题进行分析 评价各种影响因素 查明主要原因 质量信息综合与控制 报表生成 质量综合查询 采取各种质量控制措施 5 数据库管理分系统对各类数据进行存储和调用 满足各分系统信息的交换和共享 数据的分布 采用分布式异型数据库技术 通过互连网络体系 完成全局数据调用和分布式事务处理 数据库系统类型 工程数据库管理系统 实现对图形数据和非图形数据处理 6 计算机网络分系统是CIMS信息集成工具 常用局域网 对地理范围大的企业 可通过远程网进行互连 使CIMS同时兼有局域网和广域网的特点 CIMS五层递阶控制结构 工厂层 最高决策层 制定长期生产计划 确定资源需求 产品开发 成本核算 规划周期几个月 几年时间车间层 协调车间作业和资源配置 作用周期几周 几个月单元层 完成本单元作业调度 包括作业顺序和指令发放 进行任务分配调度 协调物料运输 规划时间几小时 几周工作站层 负责协调设备小组活动 规划时间几分钟 几小时设备层 各种设备控制器 执行上层控制命令 完成加工 测量 运输等任务 响应时间几毫秒 几分钟 CIMS递阶控制结构 1 CIMS决非无人化工厂 在CIMS研究初期 人们曾认为全盘自动化和无人化工厂或车间是其主要特征 随着CIMS实践的深入和一些无人化工厂实施的失败 人们对无人制造自动化问题进行反思 并对于人在CIMS中的重要作用进行重新认识 近年来 我国实施的CIMS早已突破无人化和高度自动化的局限 而主要强调信息集成和功能集成 CIMS研究和应用中值得注意的几个问题 2 CIMS没有统一模式 CIMS的系统结构仅针对一般情况 不同的企业类型 不同的生产方式 其CIMS的系统结构亦不一样 实际应用中不应求全和统一 而应根据企业实际决定其系统结构 3 CIMS在应用工程中应强调结合实际 总体规划 分步实施CIMS是一个复杂的制造系统工程 工程投资大 投入人员多 开发周期长 因此 必须在总体规划的基础上 根据企业的财力和物力 分步实施 重点突破 既要保证系统的实用有效 又要保证系统的集成 CIMS国外发展简况美国 不仅企业重视 国家也极为重视 认为CIM是夺回失去市场 取得竞争成功的关键技术 并将不可逆转地成为21世纪占主导地位的新的生产方式 20世纪80年代初 美国国家标准局 NBA 所属AMRF 自动化研究实验基地 建立了世界上第一个CIMS实验系统欧共体 1984年开始实施ESPRIT 欧洲信息技术研究战略计