机床制造业CIMS工程各应用分系统探究

1 机床制造业 CIMS 工程各应用分系统探究 摘要 摘要 在机床制造业中 要想有效的实施CIMS工程 就必须在统筹整个系统的基础上充分发挥各个应用 分系统的功能 通过各个应用分系统之间的合理 高效运作取得最优的效益 关键词 关键词 机床制造业 CIMS工程 CIMS分系统 目标效益 中图分类号 中图分类号 F 406 14 文献标识码文献标识码 A MachineMachine tooltool manufacturingmanufacturing industryindustry CIMSCIMS engineeringengineering applicationapplication systemsystem MA Lei CHEN Shizhen ZHANG Heng ZHAO Bei WANG Xiaolong CHEN Shuzhou School of mechanical and automotive engineering Hefei University of Technology Hefei 230000 Anhui China Abstract Abstract In the machine tool manufacturing industry if we want to implement the CIMS project effectively It is necessary that various application systems should fully play the role of core on the basis of the whole system must be integrated through the rational and efficient operation of various application system to make out optimum effectiveness KeyKey words words manufacturing enterprise CIMS project CIMS partial system objective effectiveness 计算机集成制造系统 Computer Integrated Manufacturing Systems 简称CIMS 是综合运用 现代管理技术 制造技术 信息化技术 自动化技术和系统工程技术 通过计算机软硬件将生产全过 程中的有关的人 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大系统 CIMS的基本目标是实现产品高质量 低损耗 快速上市 优质服务 使企业赢得市场竞争 1 从 这些方面上讲 机床制造企业的CIMS的各个应用分系统也不例外 但不同制造企业在产品 工艺 生产经 营方式 现有基础 未来目标等方面千差万别 建立的C1MS系统也是不同的 因此针对特定的企业进行 CIMS各个应用分系统的设计 并进一步具体化得到完善的内容 然而在当前全球经济 一体化的环境下 信息技术 现代管理技术和制造技术 的结合与应用将贯穿整个企业生命周期 通过信息集成 过 程优化及资源优化 实现物流 信息流 价值流的集成和优化运行 达到人 经营和技术三要素的集 成 以加强企业新产品开发的 T 交货期 Q 质量 C 成本 S 服务 E 效率 从而 提高企业的市场应变能力和竞争力 机床制造业在 CIMS工程的应用也将有较大的改变 其各个应用 分系统的运作也要做出相应的调整来提高效益 1 1 机床制造企机床制造企CIMSCIMS的各应用分系统的各应用分系统 机床制造业CIMS通常由管理信息分系统 产品设计与工艺设计自动化分系统 制造自动化分系统 质 量保证分系统四个应用分系统及计算机网络和数据库两个技术支持系统组成 结构框图见图1 CIMS体系 结构是系统运行的总体结构 包括CIMS中的信息 系统的构成 应用软件系统的构成 以及与它们相关的 计算机硬软件互联的蓝图和规则体系 2 图1 CIMS组成示意图 下面将按照图1所述 分别叙述各分系统的主要内容 1 11 1 管理信息分系统管理信息分系统 管理信息系统是以制造资源计划 MRP II 为核心 包括预测 经营决策 各级生产计划 生产技术准 备 销售 供应 财务 成本 设备 工具 人力资源等管理信息功能 通过信息集成 达到缩短产品生 产周期 降低流动资金占用 提高企业应变能力的目的 采用 MRP II 之后 一般可在以下方面取得明显 的效果 库存资金降低 15 40 资金周转次数提高 50 200 库存盘点误差率降低到 1 2 短缺件减 少 60 80 劳动生产率提高 5 15 加班工作量减少 10 30 按期交货率达 90 98 成本下降 7 12 采购费用降低 5 左右 利润增加 5 10 等等 此外 可使管理人员从复杂的事务中解脱出来 真正把精 力放在提高管理水平上 去解决管理中的实质性问题 管理信息系统有如下特点 它是一个一体化系统 它把企业中的各个子系统有机地结合起来 它是一个开放系统 它与 CIMS 的其他分系统有着密切的信息联系 所有的数据来源于企业的中央数据库 各个子系统在统一的数据环境下工作 因此 必须认真分析生产经营中物质流 信息流和决策流的运动规律 研究它们与企业各项经营 生 产效益目标的关系 对企业生产经营活动中产生各种信息进行筛选 分析 比较 加工 判断 从而实现 信息集成与信息优处理 保证企业能够有节奏 高效益地运行 1 21 2 产品设计与工艺设计自动化分系统产品设计与工艺设计自动化分系统 制造自 动化系 统 产品设 计与制 造工程 设计自 动化系 统 计算机通信网络和数 据库系统 质量保证系统 管理信息系统 市场信息 技术信息 原材料 产品 销售服务信息 3 在产品开发过程中引入计算机技术 产品开发活动包括产品的概念设计 工程与结构分析 详细设计 工艺设计与数控编程 即通常所说的CAE CAD CAPP CAM 目的是提高产品设计效率和质量 随着并行工程 CE 的发展 为提高新产品设计的一次成功率 需要开发DFX系统 X代表多种含义 例如 DFM为面向制 造的设计 DFA为面向装配的设计 使产品设计初期就充分考虑可制造性和模拟装配 1 2 11 2 1 CADCAD 系统 系统 ComputerComputer AidedAided DesignerDesigner CAD 系统是指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作 在设计中通常要用计算机对不 同方案进行大量的计算 分析和比较 以决定最优方案 各种设计信息 不论是数字的 文字的或图形的 都能存放在计算机的内存或外存里 并能快速地检索 设计人员通常用草图开始设计 将草图变为工作图 的繁重工作可以交给计算机完成 由计算机自动产生的设计结果 可以快速作出图形 使设计人员及时对 设计作出判断和修改 利用计算机可以进行与图形的编辑 放大 缩小 平移和旋转等有关的图形数据加 工工作 包括产品结构的设计 定型设计及 模块化结构的产品设计 通常以具有图形功能的交互计算机 系统为基础 主要设备有 计算机主机 图形显示终端 图形输入板 绘图仪 扫描仪 打印机 磁带机 以及各类软件 1 2 21 2 2 CAPPCAPP 系统 系统 ComputerComputer AidedAided ProcessProcess PlanningPlanning CAPP 系统是指借助于计算机软硬件技术和支撑环境 利用计算机进行数值计算 逻辑判断和推理等 的功能来制定零件机械加工工艺过程 借助于 CAPP 系统 可以解决手工工艺设计效率低 一致性差 质 量不稳定 不易达到优化等问题 完成用计算机按设计要求 将原材料加工成产品所需的详细工作指令的 准备工作 CAPP 系统的构成 如图 2 所示 视其工作原理 产品对象 规模大小不同而有较大的差异 CAPP 系 统基本的构成模块包括 1 控制模块 控制模块的主要任务是协调各模块的运行 使人机交互的窗口 实现人机之间的信息交流 控制零件信息的获取方式 2 零件信息输入模块 当零件信息不能从 CAD 系统直接获取时 用此模块实现零件信息的输入 3 工艺过程设计模块 工艺过程设计模块进行加工 工艺流程的决策 产生工艺过程卡 供加工及生产管理部门使用 4 工序决策模块 工序决策模块的 主要任务是生成工序卡 对工序间尺寸进行计算 生成工序图 5 工步决策模块 工步决策模块对工 步内容进行设计 确定切削用量 提供形成 NC 加工控制指令所需的刀位文件 6 NC 加工指令生成模 块 NC 加工指令生成模块依据工步决策模块所提供的刀位文件 调用 NC 指令代码系统 产生 NC 加工控 制指令 7 输出模块 输出模块可输出工艺流程卡 工序卡 工步卡 工序图及其它文档 输出亦可 从现有工艺文件库中调出各类工艺文件 利用编辑工具对现有工艺文件进行修改的到所需的工艺文件 8 加工过程动态仿真 加工过程动态仿真对所产生的加工过程进行模拟 检查工艺的正确性 4 图2 CAPP基本构成 1 2 31 2 3 CAMCAM 系统 系统 ComputerComputer AidedAided ManufacturingManufacturing CAM 系统的核心是计算机数值控制 简称数控编程 是通过计算机进行刀具路径规划 刀位文件的 生成 刀具轨迹仿真以及 NC Numerical Control 代码的生成 从而使机床设备运行 更加精确 更加 高效 为企业节约大量的成本 计算机辅助制造系统是通过计算机分级结构控制和管理制造过程的多方面工作 它的目标是开发一个 集成的信息网络来监测一个广阔的相互关联的制造作业范围 并根据一个总体的管理策略控制每项作业 1 2 41 2 4 DFMDFM 系统 系统 DesignDesign forfor manufacturabilitymanufacturability DFM 面向制造的设计 是指产品设计需要满足产品制造的要求 具有良好的可制造性 使得产品以 最低的成本 最短的时间 最高的质量制造出来 根据产品制造工艺的不同 面向制造的设计可以分为面 向注塑加工的设计 面向冲压的设计和面向压铸的设计等 当今的 DFM 是并行工程的核心技术 因为设计与制造是产品生命周期中最重要的两个环节 并行工程 就是在开始设计时就要考虑产品的可制造性和可装配性等因素 所以 DFM 又是并行工程中最重要的支持工 具 它的关键是设计信息的工艺性分析 制造合理性评价和改进设计的建议 产品设计和制造工程设计自动化系统在接到管理信息系统下达的产品设计指令后 进行产品设计 工 艺工程设计和产品数控加工编程 并将设计文档 工艺规程 设备信息 工时定额送给管理信息系统 将 NC 加工等工艺指令送给制造自动化系统 1 31 3 制造自动化分系统制造自动化分系统 它是在计算机的控制与调度下 按照NC代码将毛坯加工成合格的零件并装配成部件或产品 该系统是 CIMS中信息流和物流的结合点 可以由数控机床 加工中心 测量机 运输小车 自动化立体仓库等设备 及多级控制设备及相应软件系统组成 使产品制造高效且具有柔性 鉴于底层设备投资较大 我国企业往 往只在制造的关键环节采用自动化制造设备 这些设备可以通过网络自动从工程设计系统得到数控加工程 序 多数车间仍是普通机床为主 为尽可能提高设备利用率 可以通过成组技术优化设备组合 通过 MKP l系统对设备进行投入 产出控制 尽可能提高设备利用率 制造自动化系统包括刚性制造和柔性制造 刚性 的含义是指该生产线只能生产某种或生产工艺相 近的某类产品 表现为生产产品的单一性 刚性制造包括组合机床 专用机床 刚性自动化生产线等 柔性 是指生产组织形式和生产产品及工艺的多样性和可变性 可具体表现为机床的柔性 产品的柔性 加工的柔性 批量的柔性等 柔性制造包括柔性制造单元 FMC 柔性制造系统 FMS 柔性制造线 FML 柔性装配线 FAL 等 下面只对柔性制造系统 FMS 进行详细介绍 柔性制造系统 Flexible Manufacturing System 是由两台或两台以上加工中心或数控机床组成 并在加工自动化的基础上实现物料流和信息流的自动化 其基本组成部分有 自动化加工设备 工件储运 系统 刀具储运系统 多层计算机控制系统等 1 自动化加工设备 组成FMS的自动化加工设备有数控机床 加工中心 车削中心等 也可能是柔 性制造单元 这些加工设备都是计算机控制的 加工零件的改变一般只需要改变数控程序 因而具有很高 的柔性 自动化加工设备是自动化制造系统最基本 也是最重要的设备 2 工件储运系统 FMS工件储运系统由工件库 工件运输设备和更换装置等组成 工件库包括自动 化立体仓库和托盘 工件 缓冲站 工件运输设备包括各种传送带 运输小车 机器人或机械手等 工件 更换装置包括各种机器人或机械手 托盘交换装置等 3 刀具储运系统 FMS的刀具储运系统由刀具库 刀具输送装置和交换机构等组成 刀具库有中央 刀库和机床刀库 刀具输送装置有不同形式的运输小车 机器人或机械手 刀具交换装置通常是指机床上 的换刀机构 如换刀机械手 4 辅助设备 FMS可以根据生产需要配置辅助设备 辅助设备一般包括 自动清洗工作站 自动去毛刺设备 自动测量设备 集中切屑运输系统 集中冷却润滑系统等 柔性制造系统在机床制造业中应用较广 5 1 41 4 质量保证分系统质量保证分系统 质量保证系统是企业内部的一种系统的技术和管理手段 是指企业为生产出符合合同要求的产品 满 足质量监督和认证工作的要求 建立的必需的全部的有计划的系统的企业活动 CIMS质量保证系统分布在 企业的各个层次 它涉及底层的各个生产工序的质量检测与控制 检验试验设备的管理 也涉及上层的质 量问题决策 既覆盖产品制造过程 也覆盖产品开发过程和服务过程 CIMS质量保证系统的主要功能是 1 据企业的整体目标和市场需求 确定产品的质量目标和技术要求 制定质量计划和检测计划 2 通过各类检测 试验设备和其他数据源采集与产品质量有关的数据 并对其进行分析 处理 存储和管理 3 以质量信息为依据 以智能技术为基础 对出现的质量问题进行分析 诊断 并将相应的纠正 措施与控制信息传递到相应的部门 人员和设备 实施过程控制 4 为不同层次的质量问题提供决策支持 例如 合理地确定满足质量要求的产品设计方案和生产 方案 根据生产要求和供应商的质量状况选择购买方案等 这些功能通过三个层次 计划层 管理层和执行层 的集成来实现 在计划层 制定质量计划和检测计 划 向供货商提出供货质量要求等 在管理层 实现零件及产品分类统计分析 质量分析处理和评价 质 量成本核算等 在执行层 实现质量数据的采集 测量装置与测量机编程以及加工设备的过程 质量保证系统包括质量决策 质量检测与数据采集 质量评价 控制与跟踪功能 系统覆盖从产品设 计 制造 检验到售后服务的整个过程 因此往往从逻辑上把质量保证分系统看作一个独立的应用分系统 而在实施过程中把数据采集与分析嵌套在设计 制造 管理分系统中 尽可能做到信息共享 通过采集 存储 评价 与处理存在于设计 制造过程中与质量有关的大量数据 从而提高产品的质量 1 51 5 计算机网络分系统计算机网络分系统 计算机通信网络系统支持 CIMS 各个系统的开放型网络通信系统 采用国际标准和工业标准规定的网 络协议 如 MAP TCP IP 等 可实现异种机互联 异构局域网以及多种网络的互联 满足各应用分系统 对网络支持服务的不同 支持资源共享 分布处理 分布数据库 分层递阶和实时控制 它是支持CIMS各分系统相互通讯 支持信息资源共享的开放型网络系统 采用国际标准网络和通讯协 议 企业内部网通过Internet国际互连网与外界联系 1 61 6数据库分系统数据库分系统 数据库系统支持CIMS各分系统 覆盖全部信息 以实现企业的数据共享和信息集成 通常采用集中 与分布相结合的3层递阶控制体系结构 主数据管理系统 分布数据管理系统 数据控制系统 以保证 数据的安全性 一致性 易维护性等 为实现UMS的核心 信息集成 首先要具体分析企业各种经营活动中信息来源和使用场所 归集出企 业全局共享 局部共享和部门专用信息 对共享数据从逻辑上统一考虑 统一编码 规定数据建立 修改 和使用的权限 但数据存健在物理位置上可以是分布式的 建立统一 合理 安全可靠的数据库系统是成 功实现CIMS信息共享的技术保证 2 2 机床制造企业机床制造企业CIMSCIMS构成的特点构成的特点 2 12 1 对经营管理分系统构成的要求对经营管理分系统构成的要求 机床制造业产品结构复杂 制造工艺复杂 有的零件加工多达30多道工序 生产周期长 生产过程所 需机器设备和工艺装备种类繁多 且生产不同的产品 对设备资源的需求和需使用的时间不同 因此 企 业的生产经营管理工作复杂 特别是在多产品混流生产时要做到按时交货对产品成套性要求很高 很提管 理复杂的特点 机床制造业对C MS的经营管理分系统要求高 需要对企业产 供 销 财经营活动进行综 合管理 2 22 2 对工程设计分系统的构成要求对工程设计分系统的构成要求 机床制造业产品结构复杂 工艺复杂 因此 工程设计难度大 特别是现阶段机床产品生命周期越来 越短 产品更新换代快 新产品开发任务重 而且要求尽可能缩短设计周期 即使是老产品的生产 为满 6 足用户的具体要求也有大量的变型设计任务 此外 为提高产品性能 企业不仅要利用CAD绘图 还要进 行整机结构设汁 工程分析和仿真 因此工程设计系统是机床制造企业CIMS中十分重要的分系统 2 32 3 对车间自动化分系统的构成要求对车间自动化分系统的构成要求 目前 我国机床企业的机加工设备仍以普通机床为主 随着技术的发展数控设备的比重在不断增加 对数控设备尽可能联网管理 便于自动传送信息 对普通机床和设备也要加强运行管理 以提高设备利用 率 3 3 分系统功能设计与关键技术分系统功能设计与关键技术 CIMS技术为企业各经营环节信息共享 功能协调提供了技术手段 可以使整个企业的工作流程 物流 和信息流保持通畅和有机联系 CIMS信息集成包括三个层次 物理集成 应用集成和经营集成 由此看来 实施CIMS与计算机单项应用是有本质区别的 2 机床制造业CIMS系统中各应用分系统的功能设计是至关重 要的一步 下面是各个系统的详细说明 3 13 1 集成工程设计系统集成工程设计系统 EDIS EDIS 实施零件设计CAD 在建立零件图库时要按成组原则建立分类检索系统 以尽可能减少零件种类 进 行系列产品设计时按照合理化技术工程思想尽可能提高零部件通用性 为了提高新产品设计一次成功率 在方案设计阶段就要用计算机进行机床动作仿真及动 静刚度的模拟分析 3 3 23 2 管理信息系统管理信息系统 MIS MIS 管理信息系统是一个全厂性的系统 它不是只为某一个部门服务 它是为企业的管理层直接提供管理 和控制的依据 它涉及到企业的各方面和各部门 工作量大 涉及面广 技术难度高 可结合企业产品结 构开发企业管理信息系统 并在逐步实施过程中优化和完善系统 引进的MRP II软件包是一个支持企业 产 供 销 财活动信息集成的系统 按照国情 厂情修改后分步实施 实施生产计划与物资管理子系统 时 我们采取如下步骤 第一阶段建市产品的设计 工艺 生产状态数据库和实施库存管理 然后用计算 机徘主生产计划和物料需求计划 这样就已经可以根据生产大纲和库存及在制情况排出每种零件的投入 产出计划 这种宏观的计划理顾后再深化管理到车间工序作业计划排序和跟踪 以及跟踪每一项购合同的 执行情况 3 33 3 制造分系统制造分系统 MAS MAS 按照我国企业的资金实力 没有条件搞底层设备全盘自动化 因此制造分系统分两种模式 是以普 通机床为重 关键加工步位采用数控机床的设备群 按成组技术原则规划加工单元进行管理 另一种是建 立自动化制造系统 例如DNL系统 FMS系统 这些自动化制造系统可以通过网络从设计自动化系统直接得 到加工信息 3 43 4 质量管理与控制分系统质量管理与控制分系统 CAQ CAQ 建立CIMS环境下符合ISO 9000质量标淮的质量管理与控制系统 制定产品设计 制造质量审核体系软 件 跟踪采集数据进行统计分析 及时发现问题 4 4 目标效益目标效益 在先