计算机集成制造技术

1、计算机集成制造技术 6、柔性制造系统（、柔性制造系统（Flexable Manufacturing systemFMS） 7、计算机集成制造系统、计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing SystemCIMS） 8、智能制造系统（、智能制造系统（Intelligent Manufacturing SystemIMS） 9、全能制造系统（、全能制造系统（Holoson Manufacturing SystemHMS）2 信息技术和机电一体化技术的发展推动了信息技术和机电一体化技术的发展推动了制造产业结构的不断变革，促进了生产过制造产业结构的不断变革，

2、促进了生产过程自动化水平进一步提高。程自动化水平进一步提高。 企业自动化也由企业自动化也由“点点”（即单机自动化）到（即单机自动化）到“线线”（即由多种自动化设备组成的生产线），（即由多种自动化设备组成的生产线），再由再由“线线”发展到发展到“面面”（通过引入柔性制造（通过引入柔性制造系统，力图实现企业设备组成的生产线），进系统，力图实现企业设备组成的生产线），进而由而由“面面”向向“立体立体”（指企业全部生产系统（指企业全部生产系统和企业内部业务实现综合自动化）的方向发展，和企业内部业务实现综合自动化）的方向发展，以期实现企业全部业务的一元化、集成化和高以期实现企业全部业务的一元化、集成化和

3、高效化。效化。3 计算机集成制造（计算机集成制造（CIMomputer Integrated Manufacturing）技术正是）技术正是制造业实现这一愿望的技术途径。制造业实现这一愿望的技术途径。 计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（CIMSC Computer Integrated Manufacturing System）是当代生产自动化领域的前）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沿学科，也是集多种高新技术为一体的现代化制造技术体的现代化制造技术 4CIMS的提出的提出 20世纪世纪60年代以来，为解决制造业所面临的一系列难年代以来，为解决制造业所面临的一系列难

4、题，许多新技术被应用到制造业中。这些新技术主要题，许多新技术被应用到制造业中。这些新技术主要有：数控（有：数控（NC）、分布式数控（）、分布式数控（DNC）、计算机数）、计算机数控（控（CNC）、物料需求计划（）、物料需求计划（MRP）、制造资源）、制造资源规划（规划（MRP-II）、计算机辅助设计和计算机辅）、计算机辅助设计和计算机辅助制造（助制造（CAD/CAM）、计算机辅助工程（）、计算机辅助工程（CAE）、）、计算机辅助工艺设计（计算机辅助工艺设计（CAPP）和机械制造中的成）和机械制造中的成组技术（组技术（GT）以及机器人（）以及机器人（Robot）等。）等。 5 但是这些新技术并没

5、有带来人们但是这些新技术并没有带来人们曾经预测的巨大效益，主要原因曾经预测的巨大效益，主要原因在于它们只是离散地分布在制造在于它们只是离散地分布在制造业的各个子系统中，只能使系统业的各个子系统中，只能使系统的局部达到自动化和最优化，而的局部达到自动化和最优化，而未能使整个生产过程长期在最优未能使整个生产过程长期在最优化状态下运行。为了解决这个问化状态下运行。为了解决这个问题，人们逐步提出了计算机集成题，人们逐步提出了计算机集成制造（制造（CIM）这一新思想。）这一新思想。6自动化孤岛自动化孤岛7 8910C I M 是 美 国 乔 赛 夫是 美 国 乔 赛 夫 哈 林 顿 博 士 （哈 林 顿

6、 博 士 （ J o s e p h . Harrington）1973年针对企业所面临的激烈的市年针对企业所面临的激烈的市场竞争形势，根据计算机技术在工业生产中的应场竞争形势，根据计算机技术在工业生产中的应用情况，预见其必然的发展趋势，提出的组织企用情况，预见其必然的发展趋势，提出的组织企业生产的一种哲理。哈林顿博士提出的业生产的一种哲理。哈林顿博士提出的CIM概念概念的基本论点为：的基本论点为： 1）企业生产的各个环节，即从市场分析、产品）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，

7、要紧密连接、产活动，是一个不可分割的整体，要紧密连接、统一考虑。统一考虑。 2）整个生产过程实质上是一个数据采集、传递和）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。的物质表现。11 从这两个观点可以看，从这两个观点可以看，CIM是一种新的制造思是一种新的制造思想和技术形态，是信息技术与制造过程相结合想和技术形态，是信息技术与制造过程相结合的自动化技术与科学，是未来工厂的模式。的自动化技术与科学，是未来工厂的模式。 这两个观点至今仍是这两个观点至今仍是CIM的核心部分，其的核心部分，其实质内容是信息

8、（数据）的集成。但是，实质内容是信息（数据）的集成。但是，由于当时的技术限制，还不足以把企业内由于当时的技术限制，还不足以把企业内部的全部生产经营活动连接起来，因而哈部的全部生产经营活动连接起来，因而哈林顿博士的看法并没有立即引起人们的广林顿博士的看法并没有立即引起人们的广泛注意。直到泛注意。直到20世纪世纪80年代，这一概念才年代，这一概念才被普遍接受。被普遍接受。12CIMS的定义的定义 CIM是组织现代化生产的一种哲理，是是组织现代化生产的一种哲理，是一种指导思想，一种指导思想，CIMS是这种哲理的实是这种哲理的实现现 在在CIMSCIMS的研究和实施中必须强调的研究和实施中必须强调“信

9、息信息流流”和和“系统集成系统集成”这两个最基本观点。这两个最基本观点。 CIMS定义为：定义为：CIMS是基于是基于CIM哲理哲理构成的优化运动的企业制造系统构成的优化运动的企业制造系统 13 日本能源协会在日本能源协会在1991年提出年提出CIM的定义的定义是：是：“CIM是以信息作为媒介，用计算是以信息作为媒介，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。起来，追求整体效率的新型生产系统。” IBM公司公司1990年提出年提出CIM的定义是：的定义是：“应用信息技术提高组织的生产率和响应用信息技术提高组织的生产率和响应能力。

10、应能力。” 日本大孤工业大学栗山仙之助教授认为：日本大孤工业大学栗山仙之助教授认为：CIM中中“C”有计算机、控制和通信的有计算机、控制和通信的含义，含义，“I”具有集成的含义，而具有集成的含义，而“M”包含有制造、市场和管理内涵包含有制造、市场和管理内涵 14 欧共体欧共体CIMOSA课题委员会也课题委员会也提出了被认为是最权威最科学的提出了被认为是最权威最科学的定义：定义：“CIM是信息技术和生产是信息技术和生产技术和综合应用，旨在提高制造技术和综合应用，旨在提高制造型企业的生产率和响应能力，由型企业的生产率和响应能力，由此，企业的所有功能、信息、管此，企业的所有功能、信息、管理方面都是一

11、个集成起来的整体理方面都是一个集成起来的整体的各个部分的各个部分 ”15 CIMS是现代制造企业的一种生产、经营和管是现代制造企业的一种生产、经营和管理模式。理模式。 它以计算机网络和数据库为基础，利用信息技术它以计算机网络和数据库为基础，利用信息技术（包括计算机技术、自动化技术、通信（包括计算机技术、自动化技术、通信和现代管和现代管理技术理技术)将制造企业的经营、管理、计划、产品将制造企业的经营、管理、计划、产品设计、加工制造、销售及服务等全部生产活动集设计、加工制造、销售及服务等全部生产活动集成起来，将各种局部自动化系统集成起来，将各成起来，将各种局部自动化系统集成起来，将各种资源集成起来

12、，将人、机系统集成起来，实现种资源集成起来，将人、机系统集成起来，实现整个企业的信息集成，达到实现企业全局优化、整个企业的信息集成，达到实现企业全局优化、提高企业综合效益和提高市场竞争能力的目的。提高企业综合效益和提高市场竞争能力的目的。 16 在在CIMS中主要包含四个要素及两个特征。中主要包含四个要素及两个特征。 四个要素如下：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适用于各种中、小批量的离散生产过程型制造厂。制造厂。 2）CIMS应将制造工厂的生产经营活动都纳入到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。多模式、多层次、人机交互的

13、自动化系统之中。 3）CIMS由多个自动化子系统有机综合而成。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、追求的目的是提高经济效益、提高柔性、追求总体动态优化。总体动态优化。CIMS的基本特点的基本特点17 两个特征为：两个特征为： 1）在功能上，）在功能上，CIMS包含了一个工厂的包含了一个工厂的全部生产经营活动，即从市场预测、产全部生产经营活动，即从市场预测、产品设计、加工制造、质量管理到售后服品设计、加工制造、质量管理到售后服务的全部活动。务的全部活动。CIMS比传统的工厂自动比传统的工厂自动化范围大得多，是一个复杂的大系统。化范围大得多，是一个复杂的大

14、系统。 2）CIMS涉及的自动化不是工厂各个环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，节的自动化、计算机及网络的简单相加，而是有机的集成。这里的集成，不仅是而是有机的集成。这里的集成，不仅是物料、设备的集成，主要体现的是以信物料、设备的集成，主要体现的是以信息集成为本质的技术集成息集成为本质的技术集成。18CIMS中的集成及集成关系中的集成及集成关系 CIMS中的集成中的集成 :（1）人员集成）人员集成 管理者、设计者、制造者、保障者（负责管理者、设计者、制造者、保障者（负责质量、销售、采购、服务等的人员）以及用户应集成为一质量、销售、采购、服务等的人员）以及用户应集成为

15、一个协调整体。个协调整体。（2）信息集成）信息集成 产品生产周期中和类信息的获取、表达、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。处理和操作工具集成为一体，组成统一的管理控制系统。特别是产品信息模型（特别是产品信息模型（PIM）和产品数据管理（）和产品数据管理（PDM）在）在系统中应进行一体化的处理。系统中应进行一体化的处理。（3）功能集成）功能集成 产品生命周期中，企业各部门功能集成，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。以及产品开发与外部协作企业间功能的集成。（4）技术集成）技术集成 产品开发全过程中，涉及的

16、多学科知识产品开发全过程中，涉及的多学科知识以及各种技术、方法的集成，并形成集成的知识库和方以及各种技术、方法的集成，并形成集成的知识库和方法库，以利于法库，以利于CIMS的实施。的实施。19 CIMS技术的集成关系技术的集成关系 CIMS的关键是集成（的关键是集成（Integration），英国扶），英国扶夫堡大学夫堡大学Weston教授对集成有一个很简洁的教授对集成有一个很简洁的定义：集成是指针基于信息技术的资源及应定义：集成是指针基于信息技术的资源及应用（计算机硬用（计算机硬/软件、接口及机器）集聚成一软件、接口及机器）集聚成一个协同工作的整体。集成包含功能交互个协同工作的整体。集成包含

17、功能交互（FI）、信息共享（）、信息共享（IS）及数据通信（）及数据通信（DC），），如图所示，也就是说在一个集成系统的各子如图所示，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。信息通信进行管理与控制。20 图图 1集成的概念集成的概念21 全局集成和局部集成全局集成和局部集成 CIMS的集成，如果按集成所覆盖企业业的集成，如果按集成所覆盖企业业务的程度分，可分为全局集成和局部集务的程度分，可分为全局集成和局部集成。成。 全局集成是指信息技术和生产技术在整全局集成是指信息技术和生产技术在整个企业业务范围内综合应

18、用的集成；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局部集成是指一个分系统或企业一个部门内的集成。门内的集成。 全局集成进一步细化可分为：工作流程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。信集成、物流集成和信息（流）集成。信息集成是企业集成的集中反映，是息集成是企业集成的集中反映，是CIMS集成的基础。集成的基础。22 图图2 CIMS的三个集成层次的三个集成层次23 从企业模型、从企业模型、CIMS模型和网络开放系统互连（模型和网络开放系统互连（OSI）模型出发，模型出发，CIMS信息集成包括三个层次：物理集信息集成包括三个层次：物理集成、应

19、用集成和经营集成，如图成、应用集成和经营集成，如图2所示。所示。 物理集成是一切信息集成工作的基础。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。制，能使过程之间共享公共数据和公共资源。为了实现应用软件集成，各种应用软件必须是为了实现应用软件集成，各种应用软件必须是可互相连接和多植的。可互相连接和多植的。 经营集成又称业务集成，它可支持稳定的决策过经营集成又称业务集成，它可支持稳定的决策过程。它是在应用集成的基础上实现各种经营（业程。它是在应用集成的基础上实现各种经营（业务）功能的完整

20、集成。务）功能的完整集成。24 纵向集成和横向集成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，如图可分为纵向集成和横向集成，如图3所示。所示。 纵向集成又称为垂直集成，是指日常运用系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。织和信息方面的集成。 横向集成又称水平集成，它是指各日常运用横向集成又称水平集成，它是指各日常运用系统的集成。系统的集成。 在在CIM中经常被人们提及的并行工程及准时化生中经常被人们提及的并行工程及准时

21、化生产（产（JIT）就是两种最为典型的水平集成，而制）就是两种最为典型的水平集成，而制造资源规划（造资源规划（MRP-II）则是一种垂直集成。）则是一种垂直集成。25 图图3 横向集成和纵向集成横向集成和纵向集成26 CIMS旨在通过计算机和网络系统将企业的技旨在通过计算机和网络系统将企业的技术（研究开发）、经营、销售等全部职能有机术（研究开发）、经营、销售等全部职能有机地集成起来，实现企业各项活动的高效、协调地集成起来，实现企业各项活动的高效、协调和企业的总体优势，以适应人们对产品多样化、和企业的总体优势，以适应人们对产品多样化、个性化、高级化的需求。个性化、高级化的需求。 如图如图4所示，

22、为所示，为CIMS技术集成关系图。集成和技术集成关系图。集成和连接不一样，它不是简单地把两个或多个单元连接不一样，它不是简单地把两个或多个单元连在一起，而是将原来没有联系或联系不紧密连在一起，而是将原来没有联系或联系不紧密的单元组成为有一定功能的、紧密联系的新系的单元组成为有一定功能的、紧密联系的新系统。两种或多种功能的集成包含着两种或多种统。两种或多种功能的集成包含着两种或多种功能之间的相互作用。集成是属于系统工程中功能之间的相互作用。集成是属于系统工程中的系统综合、系统优化范围。的系统综合、系统优化范围。27 图图1.14 CIMS技术集成关系图技术集成关系图28CIMS的体系结构的体系结

23、构 一个制造企业从功能看，可以简单地分一个制造企业从功能看，可以简单地分为为设计、制造、经营管理设计、制造、经营管理三个主要方面。三个主要方面。由于产品质量对一个制造企业的竞争和由于产品质量对一个制造企业的竞争和生存越来越重要，因此，常常也把生存越来越重要，因此，常常也把质量质量保证系统保证系统作为企业功能的主要方面之一。作为企业功能的主要方面之一。为了实现企业功能的集成，还需要有一为了实现企业功能的集成，还需要有一个支撑环境，包括个支撑环境，包括网络、数据库网络、数据库（DB）和集成方法和集成方法系统技术。其系统技术。其CIMS的功能的功能构成如图构成如图5 5所示。所示。 29 图图5 C

24、IMS的功能构成的功能构成30 图图6为为CIMS功能体系的逻辑模型功能体系的逻辑模型 功能体系结构模型采用递阶控制是与自功能体系结构模型采用递阶控制是与自动化加工密切相关的，自动化递阶控制动化加工密切相关的，自动化递阶控制的原则是当的原则是当上一层向下一层下达工作控上一层向下一层下达工作控制指令制指令时，上层需要检查执行该指令的时，上层需要检查执行该指令的全部资源是否准备就绪全部资源是否准备就绪 （这些资源包括（这些资源包括工装、加工对象、机床、刀具量具、工装、加工对象、机床、刀具量具、NC指令程序、测量程序、加工工艺等），指令程序、测量程序、加工工艺等），只有在全部资源到位时工作指令才能从

25、只有在全部资源到位时工作指令才能从上层递阶到下层，从而使物流和信息流上层递阶到下层，从而使物流和信息流能够同时达到下一层时实现自动化加工。能够同时达到下一层时实现自动化加工。31 图图6 CIMS功能系统模型功能系统模型 32 CIMS体系分系统体系分系统 根据根据CIMS的功能构成，的功能构成，CIMS是由是由4个功能分系统个功能分系统和两个支撑分系统组成。和两个支撑分系统组成。 CIMS通常是由管理信息系统（通常是由管理信息系统（MIS）、产品设计与）、产品设计与工程设计自动化系统（又称工程设计集成系统，工程设计自动化系统（又称工程设计集成系统，EDIS）、制造自动化（柔性自动化）系统（）

26、、制造自动化（柔性自动化）系统（MAS）、）、计算机辅助质量保证系统（计算机辅助质量保证系统（CAQ）以及计算机网络）以及计算机网络（NETS）和数据管理系统（）和数据管理系统（DBS）等）等6个部分有个部分有机地集成起来的。机地集成起来的。 然而，这并不意味着任何一个工厂企业在实施然而，这并不意味着任何一个工厂企业在实施CIMS时都必须同时实现这时都必须同时实现这6个分系统。个分系统。 33 图图7CIMS的的6个分系统个分系统34管理信息系统（CIMS/MISManagement Information System) CIMS/MIS的基本结构如图的基本结构如图8所示。所示。 以上模块是

27、以生产计划与控制作为主线以上模块是以生产计划与控制作为主线来进行说明的。实际上，财务管理和成来进行说明的。实际上，财务管理和成本管理亦是本管理亦是MIS分系统的重要组成部分。分系统的重要组成部分。 目标是通过信息集成，缩短产品生产周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，提高企业应变期，降低流通资金占用，提高企业应变能力能力 35 图图8CIMS/MIS基本结构基本结构36工程设计集成分系统工程设计集成分系统（CIMS/EDIS） 该分系统的目标是使产品开发活动能够高效、优质、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。如图自动地进行。如图9 9所示，工程设计集成

28、分系统是所示，工程设计集成分系统是CIMS中的一个核心分系统，它包括中的一个核心分系统，它包括CAD（计算机（计算机辅助设计）、辅助设计）、CAPP（计算机辅助工艺规划）、（计算机辅助工艺规划）、CAM（计算机辅助制造）和（计算机辅助制造）和NCP（数控程序编（数控程序编制）等子系统制）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。品结构方面的信息。37 图图9 CIMS中的工程设计分系统中的工程设计分系统 CADCAPPCAMNCPP工装CAD工程设计集成分系统（DEDIS）38 图图10 EDIS与与CIMS其它分

29、系统的接口信息其它分系统的接口信息EDISMISMASCAQ新产品开发任务书新产品开发任务书技术指标、时间要求、修改说明技术指标、时间要求、修改说明任务审核信息任务审核信息能力需求说明、批量建议和能力需求说明、批量建议和计划任务进度信息、估计成本任务进度信息、估计成本技术指标技术指标开发数据方法、任务状态数据开发数据方法、任务状态数据工装、设备要求、能力数据工装、设备要求、能力数据工艺定额工艺定额故障信息统计故障信息统计设备信息设备信息生产过程统计信息生产过程统计信息零件图、工艺文件零件图、工艺文件NC程序程序DNC故障诊断结果故障诊断结果设备故障诊断结果设备故障诊断结果零件设计工艺要求零件设

30、计工艺要求加工工艺线路加工工艺线路刀具、夹具、量具信息刀具、夹具、量具信息零件公差零件公差设计质量评审信息设计质量评审信息质量处理分析单质量处理分析单工艺能力分析及工艺工艺能力分析及工艺改进措施改进措施39制造自动化分系统（CIMS/MAS） 该分系统的目标是使产品制造活动最优化。在该分系统的目标是使产品制造活动最优化。在CIMS的递阶控制结构中，的递阶控制结构中，MAS处于车间层以下处于车间层以下的底的底3层（单元层、工作站层和设备层），它是层（单元层、工作站层和设备层），它是构成柔性制造自动化控制系统、实现制造环境与构成柔性制造自动化控制系统、实现制造环境与其它系统集成的基础，也是制造自动

31、化系统重点其它系统集成的基础，也是制造自动化系统重点研究的课题。研究的课题。 它包括各种不同自动化程度的制造系统，如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（机床、柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统）、柔性制造系统（FMS）以及其他制造单元，用以实现信息流）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，是对物流的控制并完成物流的转换，是CIMS信息信息流和物流结合部，也是流和物流结合部，也是CIMS最终产生经济效益最终产生经济效益的聚集地的聚集地 40CNCDNCFMCFMSFALAGVAS自动化制造分系统（自动化制造分系统（AMS）图图11自动化制造分系

32、统（自动化制造分系统（AMS）41计算机辅助质量保证分系统计算机辅助质量保证分系统（CIMS/CAQ) 系统的目标是保证从产品设计、制造、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。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、管的组织结构分规划层、管理层和执行层三层，如图理层和执行层三层，如图12所示。所示。 其中规划层为根其中规划层为根据有关方针与法规制据有关方针与法规制定的企业规划、计划、工作制度以及定的企业规划、计划、工作制度以及有关的质量技术规程，包括检测计划、有关的质量技术规程，包括检测计划、规章制度等规章制度等. . 42 图图12 CAQ

33、分系统结构分系统结构质量规划与决策质量规划与决策质量评价分析质量评价分析控制与信息管理控制与信息管理质量信息采集与质量信息采集与现场分析（分厂现场分析（分厂、车间计算机、车间计算机）质量信息采集与质量信息采集与现场分系现场分系（自动采集系统（自动采集系统）规划层规划层管理层管理层执行层执行层43 CIMS支持的支持的CAQ分系统将贯穿分系统将贯穿质量管理的全过程，覆盖全企业质量管理的全过程，覆盖全企业各主要处、室、分厂，并逐步实各主要处、室、分厂，并逐步实现与现与MIS、MAS和和EDIS分系统分系统的集成。的集成。CAQ与与CIMS中其它分中其它分系统之间的联系如图系统之间的联系如图13所示

34、。所示。44 45数据管理分系统（数据管理分系统（CIMS/DBS) 系统的目标是管理整个系统的目标是管理整个CIMS的数据，实现数据的数据，实现数据的集成和共享。数据管理分系统和的集成和共享。数据管理分系统和计算机网络计算机网络分系统是分系统是CIMS环境中的两个重要支撑系统，也环境中的两个重要支撑系统，也是是CIMS信息集成的关键。信息集成的关键。 CIMS环境下的环境下的4个功能分系统的信息数据都要在个功能分系统的信息数据都要在一个结构合理的数据库系统中进行存贮，并通过一个结构合理的数据库系统中进行存贮，并通过计算机网络提供的系统互通能力，将物理上分布计算机网络提供的系统互通能力，将物理

35、上分布的不同功能分系统中的数据联系起来，达到信息的不同功能分系统中的数据联系起来，达到信息交换和共享的目的。交换和共享的目的。 DBS既是既是CIMS信息流的载体，又对信息进行信息流的载体，又对信息进行控制和管理，并为控制和管理，并为CIMS提供集成的手段提供集成的手段46全局共享数据软件全局共享数据软件全局DB集成接口服务软件CAD共享数据PMS共享数据CAQ共享数据BMS共享数据AMS共享数据CADAMSBMSCAQPMS用户用户用户用户用户图14数据管理分系统47网络分系统（网络分系统（CIMS/NETS） 系统的目标是传递系统的目标是传递CIMS各个分系统之间各个分系统之间和内部的信息

36、，实现的数据传递和系统和内部的信息，实现的数据传递和系统通信功能。通信功能。 CIMS网络技术是实施网络技术是实施CIMS应用工程的应用工程的重要支撑技术之一，而一个开放的适合重要支撑技术之一，而一个开放的适合于企业活动的异构计算机网络是于企业活动的异构计算机网络是CIMS集集成的基础。只有通过计算机网络系统，成的基础。只有通过计算机网络系统，才能完成动态控制和管理的各功能分系才能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、数据库和存贮空联系统共享工程资源、数据库和存贮空间。间。48图图15CIMS层次结构及数据流层次结

37、构及数据流49 CIMS的底层设备与控制器连接有的底层设备与控制器连接有两种方式，即现场总线和点一点通两种方式，即现场总线和点一点通信方式。在信方式。在CIMS环境下，由于各环境下，由于各部门通信要求有很大差别，因此，部门通信要求有很大差别，因此，采用单一类型的网络是不现实的，采用单一类型的网络是不现实的，必须根据不同要求，选择不同网必须根据不同要求，选择不同网络，以达到优化组合。如图络，以达到优化组合。如图16所所示为一个示为一个CIMS网络结构的实例网络结构的实例 50 图图16 CIMS网络结构实例网络结构实例 51 图图17CIMS17CIMS网络结构实例网络结构实例52面向功能和控制

38、和的面向功能和控制和的CIMS体系结构体系结构根据系统工程原理，一方面对根据系统工程原理，一方面对CIMS进行正进行正确、合理、精简而又充分的分解，不应有冗确、合理、精简而又充分的分解，不应有冗余的分系统和子系统，其功能的冗余要尽可余的分系统和子系统，其功能的冗余要尽可能少。能少。另一方面，要求有合理的另一方面，要求有合理的“垂直垂直”分解与集分解与集成，即确定合理的递阶控制层数。在保证有成，即确定合理的递阶控制层数。在保证有效控制的前提下，尽量减少递阶效控制的前提下，尽量减少递阶控制的层数控制的层数53 图图1818所示为美国制造工程学会所示为美国制造工程学会（A ASME）提出的轮式结构。

39、）提出的轮式结构。 其其“核核”为集成系统体系结构；内为集成系统体系结构；内层为支撑分系统，包括共享数据、层为支撑分系统，包括共享数据、信息资源管理与通信；中层可信息资源管理与通信；中层可“水水平平”分解为工程设计（产品分解为工程设计（产品/过过程）、制造计划与控制以及工厂程）、制造计划与控制以及工厂自动化自动化3个分系统；外层则有市个分系统；外层则有市场、战略规划、财务及制造管理场、战略规划、财务及制造管理和人力资源管理等分系统。和人力资源管理等分系统。 54 图图18ASME 提出的提出的面向功能构成的面向功能构成的CIMS体系结构体系结构 55CIMS体系结构56 一个系统为满足该系统的

40、目的和要求所具有的形一个系统为满足该系统的目的和要求所具有的形状、特征和状态的结构化布置。状、特征和状态的结构化布置。 1. 轮图的核心是顾客轮图的核心是顾客 2. 围绕顾客的是企业中围绕顾客的是企业中 的人员和群体工作方法的人员和群体工作方法 3. 是信息（知识）共享系统是信息（知识）共享系统 4. 企业的活动层企业的活动层 5.企业管理层企业管理层 6. 企业的外部环境企业的外部环境57 优点：优点：CIMS系统分解成几个分系统，减少系统分解成几个分系统，减少全局控制和开发的难度。全局控制和开发的难度。 这类体系结构提出较早，较成熟。已广泛应这类体系结构提出较早，较成熟。已广泛应用。用。

41、轮式结构以共享数据库和网络把各单元技术连轮式结构以共享数据库和网络把各单元技术连接成一个整体，系统各组成部分及其关系清楚。接成一个整体，系统各组成部分及其关系清楚。但忽略人的因素。但忽略人的因素。 九十年代后期该结构提出改进强调以用户为核九十年代后期该结构提出改进强调以用户为核心，重视人、技术、组织的集成和知识共享并心，重视人、技术、组织的集成和知识共享并覆盖产品生命周期。覆盖产品生命周期。 国内国内863计划计划CIMS主题提出的面向控制体系主题提出的面向控制体系结构如图结构如图19所示所示58CIMS全体全体设计计划层设计计划层单元控制层单元控制层设备层设备层工作站控制层工作站控制层作业管

42、理层作业管理层经营计划层经营计划层产品类产品类1产品类产品类N工作类工作类1工作类工作类N。单元单元N单元单元1。工作站工作站1工作站工作站N。设备设备1设备设备N。图图19我国提出的六层我国提出的六层CIM层次模型层次模型.59面向面向CIM系统集成平台的体系结构系统集成平台的体系结构 面向面向CIM系统集成平台的体系结构是一系统集成平台的体系结构是一些计算机公司为了解决些计算机公司为了解决CIM系统中众多系统中众多软件的支持和连接问题所推出的标准化软件的支持和连接问题所推出的标准化平台。如平台。如Digital公司、公司、IBM公司图公司图20为为IBM公司的公司的CIMS体系结构。类似于

43、体系结构。类似于CIM-OSA（OPEN SYSTEM ARCHITECTURE）中的集成基础结构。）中的集成基础结构。CIM-OSA研究并未实用化，因此这类应研究并未实用化，因此这类应付市场需要的工具平台会有支持面不宽付市场需要的工具平台会有支持面不宽的可能性和危行性。的可能性和危行性。60应用层材料跟踪单元控制系统质量控制其它 输入/输出应用使能器（平台）系统使能器（平台)数据管理设备管理网络通信生产监控通用服务层通用服务层硬件硬件/软件操作系统层软件操作系统层生成/运行环境数据库图图20IBM公司的公司的CIMS体系结构体系结构61CIMS的控制体系的控制体系 由于由于CIMS的功能和控

44、制要求十分复杂，采用常的功能和控制要求十分复杂，采用常规控制系统很难实现。前美国国家标准规控制系统很难实现。前美国国家标准局（现美局（现美国国家标准与技术研究院，国国家标准与技术研究院，NIST）建立的）建立的CIMS实实验研究基地验研究基地自动化制造研究基地（自动化制造研究基地（AMRFAutomated Manufacturing Research Facility）曾）曾提出了著名的提出了著名的CIMS五级递阶控制模型，如图五级递阶控制模型，如图21所所示，这五级分别是：工厂层、车间层、单元层示，这五级分别是：工厂层、车间层、单元层（FMS主控层）、工作站层和设备层。每一层双主控层）、工

45、作站层和设备层。每一层双可分解为多个模块，都由数据驱动，并可扩展成树可分解为多个模块，都由数据驱动，并可扩展成树状结构。状结构。62 图图21 CIMS的五级递阶控制模型的五级递阶控制模型63 工厂层控制系统工厂层控制系统履行厂部职履行厂部职能。能。 功能有：市场预测、制定生产计划、功能有：市场预测、制定生产计划、确定生产资源需求、制定资源规划、确定生产资源需求、制定资源规划、制定产品开发及工艺过程规划、厂制定产品开发及工艺过程规划、厂级经营管理。级经营管理。 可分为三个子系统：生产管理、信可分为三个子系统：生产管理、信息管理、制造工程。息管理、制造工程。64 车间层控制系统车间层控制系统根据

46、工厂层生根据工厂层生产计划，协调车间的生产和辅助性产计划，协调车间的生产和辅助性工作，完成这些工作的资源分配工作，完成这些工作的资源分配。 有两个模块有两个模块 1、作业模块：按排生、作业模块：按排生产计划（如作业定单的制定、发放产计划（如作业定单的制定、发放和管理；单元任务分配；设备利用和管理；单元任务分配；设备利用跟踪；设备维修按排。）跟踪；设备维修按排。）2、资源分、资源分配模块：负责单元层各项目在具体配模块：负责单元层各项目在具体加工时所需的设备和材料加工时所需的设备和材料65 单元层控制系统单元层控制系统 功能是安排零件通过工作站的分批顺序；功能是安排零件通过工作站的分批顺序；管理物

47、料储运、检验及其它有关辅助性管理物料储运、检验及其它有关辅助性工作。如任务分解、资源需求分析。工作。如任务分解、资源需求分析。 单元层也是单元层也是FMS的控制层完成生产计划的控制层完成生产计划实施、计划命令逐级下达等任务实施、计划命令逐级下达等任务 主要模块有：排队管理模块、调度模块、主要模块有：排队管理模块、调度模块、分配模块。分配模块。66 工作站层控制系统：指挥和协工作站层控制系统：指挥和协调车间中一个设备小组的活动。调车间中一个设备小组的活动。一个典型的工作站由一台机器一个典型的工作站由一台机器人、一台机床、一个物料储运人、一台机床、一个物料储运器、和一台控制计算机构成。器、和一台控

48、制计算机构成。 设备层：各类设备，是前沿系设备层：各类设备，是前沿系统。对设备采用控制是为了扩统。对设备采用控制是为了扩大设备的功能。大设备的功能。67CIMS系统的关键技术系统的关键技术 1、现代集成制造系统理论和支持技术、现代集成制造系统理论和支持技术 离散事件动态系统理论离散事件动态系统理论 系统集成与企业优化技术系统集成与企业优化技术 系统仿真技术系统仿真技术 智能技术与方法智能技术与方法68 离散事件动态系统是离散事件动态系统是80年年代发展起年年代发展起来的一门学科，它由美国哈佛大学何来的一门学科，它由美国哈佛大学何益奇等教授提出。这是一种特殊的动益奇等教授提出。这是一种特殊的动态

49、系统其演化过程不能用连续变量来态系统其演化过程不能用连续变量来描述。描述。 它以排队网络为模型。基础是随机过程它以排队网络为模型。基础是随机过程理论。理论。69 2、现代集成制造系统中的信息技术、现代集成制造系统中的信息技术 产品数据管理技术（产品数据管理技术（PDM） 现代制造集成网络技术现代制造集成网络技术 产品模型数据交换标准（产品模型数据交换标准（STEP） 产品全生命周期管理技术（产品全生命周期管理技术（PLM）70 3、计算机辅助计术、计算机辅助计术 计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD） 计算机辅助工艺规划（计算机辅助工艺规划（CAPP） 计算机辅助制造（计算机辅助制造（CAM

50、） 计算机辅助质量管理（计算机辅助质量管理（CAQ）71 4、现代集成制造系统的集成平台技现代集成制造系统的集成平台技术术 软构件及其标准接口软构件及其标准接口 现代集成制造系统应用集成平台现代集成制造系统应用集成平台72 5、制造过程控制技术、制造过程控制技术 数字控制技术（数字控制技术（NC） 柔性制造技术（柔性制造技术（FMT） 智能制造技术（智能制造技术（IMT）73 CIMS的发展现状的发展现状 国外国外CIMS发展简况发展简况 进入进入20世纪世纪80年代以来，发达国家经过几十年大年代以来，发达国家经过几十年大工业生产的积累，人们的基本物质需要得到了相工业生产的积累，人们的基本物质

51、需要得到了相对满足。为了适应人们日益多样化的需求，市场对满足。为了适应人们日益多样化的需求，市场竞争空前激烈。其主要特点是：竞争空前激烈。其主要特点是： (1) 产品的生产周期越来越短产品的生产周期越来越短 据资料记载，据资料记载，20世纪世纪60年代机电产品市场寿命超过十年者占年代机电产品市场寿命超过十年者占32%，到到20世纪世纪80年代降为年代降为15%，而产品市场生命周期在，而产品市场生命周期在5年以下者则由年以下者则由38%猛增到猛增到65%70%。74 (2) 产品的品种增多，批量减少产品的品种增多，批量减少 以日本的汽以日本的汽车行业为例，如果用发动机的输出功率、外车行业为例，如

52、果用发动机的输出功率、外观颜色以及音响设备等条件来区小汽车的种观颜色以及音响设备等条件来区小汽车的种类，就有几千种之多。据日本类，就有几千种之多。据日本1993年提供的年提供的资料表明，一种车型的产量最多是资料表明，一种车型的产量最多是17台，最台，最少是少是6台。在美国台。在美国90%左右的产品生产批量左右的产品生产批量小于小于50件。件。 (3) 产品质量、价格和交货期已成为增强产品质量、价格和交货期已成为增强企业竞争力的企业竞争力的3个决定因素个决定因素 市场竞争和计市场竞争和计算机技术的发展，引起了企业对算机技术的发展，引起了企业对CIM的强烈的强烈需求。许多国家都把推行需求。许多国家

53、都把推行CIM作为一项重要作为一项重要的国策来对策。的国策来对策。75美、欧、日美、欧、日CIMS开发应用的进展及战略开发应用的进展及战略 1991年年3月，美国国家关键技术委员会在向总统提月，美国国家关键技术委员会在向总统提交的双年度报告中，介绍了交的双年度报告中，介绍了22项对于美国长期安项对于美国长期安全和经济繁荣至关重要的技术，其中，把全和经济繁荣至关重要的技术，其中，把CIM列列为为“制造制造”技术类中的四大关键技术之首，从政府技术类中的四大关键技术之首，从政府技术发展战略高度明确了制造企业推行技术发展战略高度明确了制造企业推行CIM的必要的必要性和发展方向。这也是长期以来美国发展科

54、学技术的性和发展方向。这也是长期以来美国发展科学技术的战略方针，即保障国家安全和提高工业在国际上的竞战略方针，即保障国家安全和提高工业在国际上的竞争力的新体现。在此以前，美国空军、美国陆军、陆争力的新体现。在此以前，美国空军、美国陆军、陆军器材部、国防部、国家标准技术研究院以及国家科军器材部、国防部、国家标准技术研究院以及国家科学基金会等政府部门都制订了发展学基金会等政府部门都制订了发展CIM的战略规划，的战略规划，并取得了重要的实施成果并取得了重要的实施成果 76 国家支持国家支持 在美国国家科学基金会的支持下，投在美国国家科学基金会的支持下，投资上千万美元的普度（资上千万美元的普度（Pur

55、due）大学、）大学、杨百翰（杨百翰（Brigham Young）大学和俄）大学和俄亥俄（亥俄（Ohio）州立大学分别建立了）州立大学分别建立了“计算机集成和制造自动化中心计算机集成和制造自动化中心（CIMAC）”、“CIM研究中心和研究中心和研究多种研究多种CIM技术的杰出研究中心技术的杰出研究中心”，有效地推动有效地推动 CIM技术的发展与应用技术的发展与应用 77 CIM的概念和主要单元技术如的概念和主要单元技术如NC、CAD、制造资源规划（、制造资源规划（MRP-II）、）、FMS等都来源于美国，并且美国在这等都来源于美国，并且美国在这些领域的研究上仍保持着总体优势。些领域的研究上仍保

56、持着总体优势。 民间研究民间研究 另外，许多从事信息技术的厂家也是另外，许多从事信息技术的厂家也是开发和提供开发和提供CIM技术产品的主要力量，技术产品的主要力量，如著名的计算机系统公司如著名的计算机系统公司IBM、DEC、HP等都建立了自己的等都建立了自己的CIM产品体系结产品体系结构，向企业提供成套的构，向企业提供成套的CIM技术方案技术方案和计算机环境（硬件、软件）以及实和计算机环境（硬件、软件）以及实施咨询业务施咨询业务 78 制造业中的许多大公司为提高本公司制造业中的许多大公司为提高本公司的竞争力率先应用了的竞争力率先应用了CIM技术，例如技术，例如通用汽车公司、波音飞机公司、西屋通

57、用汽车公司、波音飞机公司、西屋公司、麦克唐纳飞机制造公司等都耗公司、麦克唐纳飞机制造公司等都耗费巨资采用费巨资采用CIM技术，因而，使工厂技术，因而，使工厂生产效率提高生产效率提高40%70%，工程费用，工程费用减少减少15%30%，新产品研制周期缩，新产品研制周期缩短短30%60%，设备利用率提高，设备利用率提高23倍。但美国政府对倍。但美国政府对CIM应用的工业规应用的工业规模缺乏统一规划和有力的支持措施，模缺乏统一规划和有力的支持措施，这是美国这是美国CIM发展战略上的一个弱点。发展战略上的一个弱点。79 西欧作为世界三大技术中心之一，在高技术的发展中西欧作为世界三大技术中心之一，在高技

58、术的发展中一向扮演重要角色。西欧发展一向扮演重要角色。西欧发展CIM的战略有两个层次：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次是各国国内的CIM战略战略。西欧的。西欧的CIM发展战略主发展战略主要体现在尤里卡（要体现在尤里卡（EURECAEuropean Research Coordination Agency）计划和欧共体（）计划和欧共体（ESPRITEuropean Strategic Programme for Research and Development in Information Technolo

59、gies）计划中。）计划中。80 尤里卡即欧洲研究协调组织。该组织由西欧尤里卡即欧洲研究协调组织。该组织由西欧17国共同组成，此宗旨在实现西欧技术振兴，国共同组成，此宗旨在实现西欧技术振兴，此宗旨是此宗旨是1985年年4月由法国总统在内阁会议上月由法国总统在内阁会议上提出，同年提出，同年7月经西欧月经西欧17国外长及科技部长会国外长及科技部长会议讨论后正式执行的。主要开发的项目有：议讨论后正式执行的。主要开发的项目有： (1) 大型生产过程管理系统：研究开发具有运行、大型生产过程管理系统：研究开发具有运行、诊断、预测、决策、监控功能的综合管理系统。诊断、预测、决策、监控功能的综合管理系统。需开

60、发的基础技术有：知识表述技术、专家系统、需开发的基础技术有：知识表述技术、专家系统、人机工程等。人机工程等。 (2) 柔性自动化工厂：建立具有柔性自动化工厂：建立具有CAD/CAM系统系统的产品多样化的自动化工厂，运用计算机和机的产品多样化的自动化工厂，运用计算机和机器人系统实现产品的生产和管理。器人系统实现产品的生产和管理。81 欧共体即欧洲信息技术研究和开发战略计划。欧共体即欧洲信息技术研究和开发战略计划。1982年初欧共体经济顾问委员会调查了欧洲经济未来发年初欧共体经济顾问委员会调查了欧洲经济未来发展情况，发现西欧在信息技术方面落后于美国和日展情况，发现西欧在信息技术方面落后于美国和日本