CIMS和CIPS技术与应用课程-1

主要参考书目TH166/2602CIMS中系统集成和信息集成TH166/0208计算机集成制造系统导论TH166/7420计算机集成制造(CIM)系统设计和实施方法论TP278/1021制造系统信息集成技术

TH166/2238现代制造系统分析与设计TH166/6060CIMS计算机网络TH166/3444CIMS计算机信息集成系统技术TP303/7433CIMS网络设计技术TP166/0214CIMS制造自动化TP278/4044CIMS环境下集成化管理信息系统的分析设计TP391.73-62/4022计算机集成制造系统(CIM)约定、标准与 实施2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用3

主要参考书目(续)TH166/2294计算机集成制造系统的组成与实施TP305/6012计算机集成制造系统F270/5523CIM规划和实施的技术指南F270.7/2261敏捷供需链管理F273.2/0024产品数据库管理(PDM)技术TH165/1252敏捷制造的理论、技术与实践F270.7/4412企业建模理论与方法学导论F270.7/6037ERP原理、设计、实施ISBN7-111-14827-4流程工业综合自动化技术褚健荣冈机械工业出版社2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用4

主要参考书目(续)计算机集成制造，詹姆斯A.雷著，机械工业出版社，2003现代集成制造系统导论，吴澄主编，清华大学出版社，2002先进控制技术及应用，王树青等编著，化学工业出版社，20012025/2/24CIMS和CIPS技术与应用5

课程安排2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用6

课程难点涉及多学科的综合知识——有一定的难度原理性、方法性的课程——数学推导少，哲理和概念比较多，相对比较抽象新兴、发展的学科——还有许多问题有待解决，探索性比较强需要投入，进行深入思考和必要的实践2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用7

第一章绪论1.1CIM和CIP兴起的背景蒸汽机现代信息技术(计算机)手工生产向大规模生产转化刚性生产流水线，大规模、大批量生产标准化简单化生产成本降低损失产品多样性、生产者创造性世界统一市场形成顾客需求多样化企业竞争压力加剧提高生产柔性、应变能力人人合作、主观能动性时间-质量-成本-服务(TQCS)CIMS和CIPS技术与应用从手工作坊到机械工厂：——劳动分工——互换性原理从单件小批到全盘自动化的大量生产汽车工业制造技术发展带来的启示2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用9

案例1.单件手工生产法国巴黎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2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用10

由于零件不标准，尺寸只是近似的，由熟练工匠进行精细锉进行逐个装配，直至总成。结果是没有两辆车是相同的，积累误差导致汽车外型尺寸也发生很大变化。单件生产的特点劳动力在设计、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2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用11

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案例2.大批量重复生产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、维护方法简化生产量200万辆时、价格降低了2/3。劳动力专业化分工、培训时间缩短2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用14

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2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用15

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2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用16

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〕2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用17

优化技术

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自动化生产追求的目标提高劳动生产率提高产品质量提高企业的设计、工艺水平提高企业的内部管理水平2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用18

时间(Time)质量(Quality)成本(Cost)服务(service)

加快新产品的研制和开发周期(科研、设计、制造、测试、交货)提高产品质量、顾客的满意度

降低生产消耗，控制污染，确保生产安全，减少中间环节，压缩库存，加速资金周转，实现生产过程、管理和经营过程整体优化

不断更新产品，加强与客户的联系企业的竞争要素2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用19

1.2CIM与CIP概念的形成

JosephHarrington(1973年，美国)，ComputerIntegratedManufacturing一书中首先提出的，包括两个最基本的观点：

(1)企业生产的各个环节，从市场分析、产品设计、加工制造、经营管理及售后服务的全部经营活动，是一个不可分割的整体，要紧密连接，统一考虑(2)整个经营过程实质是一个数据的采集、传递和加工处理的过程，最后形成的产品可以看作是数据的物质表现2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用20

CIMS概念的完善共同点

覆盖范围实际整个企业的全部活动，分析和设计系统时必须站在企业的高度，全局观点差异点

-全盘自动化

-计算机是集成主体/工具

-人在CIMS中处于什么地位

人们在CIM实践过程中提出了多种不同的定义，表达了不同的认识和看法，CIM的概念也由此不断得到完善和发展CIM不等于全盘自动化，计算机只是工具、手段，系统集成包括人的集成2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用21

CIM定义CIM是一种概念，一种哲理，它指出了制造业应用计算机技术的更高阶段，在企业中将市场分析、经营决策、产品设计、制造过程各个环节乃至到销售和售后服务，包括原材料、生产和库存管理、财务资源管理等全部运营活动，在一种全局集成规划指导下，在更充分发挥人的集体智慧和合作精神的氛围中，关联起来集合成一个整体，逐步实现全企业的计算机化2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用22

CIMS系统

在CIM思想指导下，逐步实现企业全过程计算机和的综合人-机系统。计算机集成制造系统(ComputerIntegratedManufacturingsystem)离散机械制造行业连续流程生产行业计算机集成生产系统(ComputerIntegratedProductionsystem)(流程工业CIMS)CIPSCIMS2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用23

1.3工业生产过程的分类(1)连续过程(2)半连续过程

原料的物料流及能量流持续进入由一系列生产装置序贯组成的固定生产流程后，连续经过反应、换热、分离、流体输送等各类环节，直至生成最后产品，如炼油、化肥、硝酸等。连续过程、半连续过程、批量(间歇)过程、离散过程

生产运行采用类似连续过程的方式进行产品加工，通过切换操作可以利用生产装置生产多种产品。造纸、轧钢、特殊化工生产等是该种方式进行的。2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用24

(3)批量(间歇)过程

主要特征是物料加入某个生产装置后，按一定的工艺条件，并经历一定时间(在这一时间中往往没有物料流出)在达到某要求指标后，再排出物料进行后续过程。制药过程的生物反应发酵罐，高分子化工中的聚合过程，涂料生产过程、炼钢等过程,这一类企业通常是按一定批量，有间断、周期地进行生产，故又称之为批处理过程。2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用25

(4)离散过程

其主要特征是产品生产以件/次的模式进行的，产品以单件或流水线上成批进行生产。在使用生产线方式的情况下，组成产品的部件在生产线的不同加工设备上依次加工装配完成；在产品加工地点相对静止的情况下，产品的不同处理工序在同一地点完成。机械加工、汽车飞机制造、家电生产过程等2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用26

1.4离散制造过程与流程生产过程(1)生产模式比较比较因素离散制造过程流程生产过程产品生产大批量/小批量/单件以大批量为主物料流离散连续加工线路灵活、动态可变工艺线路单一，基本不变上下游工序关系松弛相当强的耦合、关联、制约产品加工种类多变稳定产品设计根据要求经常进行投产后几乎没有产品加工时间可变装置投产后，同样处理量情况下，不变加工过程一般为物理过程伴随着化学、物理变化，机理复杂生产柔性强以刚性系统为主环境问题轻排污问题严重，需要全面治理2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用27

(2)操作模式比较比较因素离散制造过程流程生产过程操作工况常规环境通常在高温、高压、低温、真空、易燃、易爆、有毒的恶劣工况下缓冲单元生产线存在某些缓冲单元一般没有中间缓冲单元，设备启停、正常操作和紧急处理步骤复杂操作监控要求一般很强的实时性要求操作参数一般为物理几何参数，状态可以由人工观测以热工参数、组分参数为主，状态不能直接观测，操作参数量很大操作经济目标缩短供货周期，提高设备利用率强调操作整体性，实现均衡、安全、长周期、高效、低能耗生产，保证产品质量产品设计生产重要环节，通过并行工程，在生产过程中进行比重很小，通常与生产过程分离，单独进行控制方式递阶分层管理与控制集中管理/分散控制操作干扰强度低随机的、不确定的干扰情况普遍存在优化手段调整生产计划，分配负荷，优化排序调整工艺参数，达到最优工况柔性操作代价一般通过选择不同的加工设备及夹具进行柔性操作，主要以时间为代价，时间较短代价低流程切换后需进行设备及管线的清洗、再次开车周期较长，生产在稳定未达标前，原料、能量存在浪费，柔性切换操作时间较长，切换成本大2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用28

(3)自动化技术水平比较比较因素离散制造过程流程生产过程自动化程度普遍实现了单机自动化，中小企业处于机械化阶段，少数大企业处于生产自动化阶段DCS系统普遍应用于生产过程中完成生产过程的监控、管理工作，部分企业完成计算机信息管理系统工作，自动化孤岛现象普遍存在，自动化基础水平好自动化基础技术CAD、CAM、FMS、数控加工设备DCS、PLC、控制仪表、现场总线数据库工程数据库，集中分布式数据库实时数据库、发布式数据库、海量存储数据库计算机网络开放异构网络互连，递阶结构开放异构网络互连、实时性、可靠性要求很高2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用29

1.5离散制造工业与连续流程工业生产过程的自动化技术发展(1)离散制造工业2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用30

(2)连续流程工业过程自动化孤岛问题管理孤岛问题

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自动化孤岛、管理孤岛2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用32

1+1=2?

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将“孤岛”集成在一起2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用34

将“孤岛”集成在一起2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用35

1.6离散制造过程中CIM的发展状况a)美国

把保障国家安全，提高其工业在国际上的竞争力作为科技发展的战略方针，国防部、能源部、陆军器材部、航空航天部等政府部门都极为关注和重视CIM的进展状况，指定自身的CIM发展战略计划1975年美国空军制定空军计算机辅助制造计划AFCAM1976年美国工程师学会制定计算机辅助计划ICAM1985年正式形成CIM计划，投资1亿美元1990年道格拉斯飞机制造公司建成CIMS系统HP、DEC信息网络为基础的开放式结构平台波音公司，777制造过程采用并行工程思想实施，组织了238个不同的工作组，采用数字化定义、数字化预装配(可装配)技术，实现无图纸生产，达到了无样机一次制造成功2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用36

案例3.波音公司Boeing777是数字化设计与制造的典范，研发周期缩短研发周期缩短40%，工程返工减少50%2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用37

美国普渡大学、里海等高校建立计算机智能集成和制造自动化研究中心、先进制造技术研究中心：生产管理模式、理念、总体技术、关键技术CIMS虚拟制造敏捷制造b)欧洲1982年初，欧洲信息技术研究和发展计划ESPRIT1984年实施达到共识:(1)CIM不是企业的最终目标，而是实现企业目标的一中手段(2)CIM是人-机系统(3)不断完善的过程，实施CIM没有最优解，只有满意解(4)集成并不意味着集中，集成是多方位、多层次的集成，分布控制的CIM比集中控制的CIM有更强的生命理和更高的柔性德国瑞士2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用38

C)日本柔性制造系统(FMS)工厂自动化(FA)精良生产(LeanProduction)d)我国国家863高新技术发展计划CIM工程研究中心、研究基地建设多家企业的典型应用工程建设CIM工程研究中心、研究基地建设

清华大学、上海交大、华中理工大学跟踪国际技术发展，总体技术、关键技术的研究，培养骨干技术队伍美国制造工程师学会SME大学领先奖(2次)2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用39

CIM工程研究中心、研究基地建设

北京第一机床厂、沈阳鼓风机厂、成都飞机制造厂、上海二纺机、广东华宝、杭州三联电子有限公司等一批企业分别针对各自的实际需要，实施了CIM工程例1北京第一机床厂40-60个产品，1994年我国铁道部通过国际招标工作求购4台铣床，性能价格比优于外国的企业，交货期比参加竞标德日本、法、德企业晚6个月。

1996年超重龙门铣床德交货期，已从原来的36个月缩短到18个月…………..

获得美国制造工程师学会的SME企业领先奖。例2沈阳鼓风机厂

单件生产，产品的设计、制造周期为18个月，国外企业为10-12个月，不精确的手工产品报价需要6周时间，国外企业计算机报价只需要2周。

CIMS的计算机报价系统在2周内提供符合国际API标准的技术报价、财务报价、商务报价，产品的设计、制造周期从18个月缩短到10-12个月。2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用40

1.7先进制造技术发展a)精良(益)生产(LeanProductionLP)

起源于日本，1950在丰田公司汽车制造过程推行的的生产方式(美国麻省理工学院投入500万美元进行为期5年的研究项目提出的，《改变世界的机器》，1990，JamesP.Womack,DanielT.Jones等)

精简生产过程中一切不产生附加价值的活动和投资，精简管理层次和组织结构，简化开发过程和生产过程，采用JIT生产方式，追求零废品，零库存(1)以人为中心的人机系统-创造工作条件，不断提高职工的技能，充分发挥他们的创造性-强调工作者及时发现生产质量问题和解决问题的能力(2)简化一切过程不断排除一切非生产性的费用，采用准时制，合理安排物流过程，消除中间库存拆除无用的工作位置与中间层的管理人员2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用41

准时制生产方式(JustInTimeJIT)

追求零库存、无缺陷、低成本，彻底排除浪费(点数、库存、搬运、质量检查等不增加产品价值的活动)。

对零件的加工数量和完成时间的要求，由下一道工序的状况决定，下道工序拥挤和阻塞，上道工序就应减慢或停止。(1)JIT的目标、方法和手段(2)JIT的生产计划与控制方法

以最后工序往前推的拉式管理模式，信息流与物流方向相反的负反馈的闭环控制系统。

传统的生产模式是以计划为主的模式，信息流与物流方向相同，从第一道工序逐一往后推的推式管理模式，是一种无反馈的开环系统。2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用42

b)敏捷制造(AgileManufacturingAM)

由美国里海(Lehigh)大学的亚科卡(Iacocca)研究所在美国国会和国防部支持下会同美国众多工业界的主要决策人于1991年向美国国会提交的《美国21世纪制造企业战略》报告中首次提出的。1)敏捷制造是一种组织模式和战略计划，一种系统工程方法和现代制造模式2)敏捷制造基于对未来产品和市场发展的分析，认为产品市场的发展趋势是多元化和个性化，因此要求制造技术尽可能作到产品成本及产品类型与产品数量无关3)强调高素质的员工，造就具有高度灵活、训练有素、能力强且具有高度责任感的员工队伍，并充分发挥其作用4)需要多个相关企业的协同工作，最终目标是使企业能在无法预测、持续多变的市场环境中保持并不断提高其竞争能力5)通过动态联盟(虚拟企业VirtualOrganization)来实现6)实现的手段和工具是虚拟制造(VirtualManufacturing)2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用43

企业的敏捷性可重构(Reconfigurable)可重用(Reusable)可扩充(Scalable)动态联盟支持技术

计算机集成制造技术网络技术标准化技术

敏捷系统具有灵活改变系统能力，一般柔性制造系统(FMS)也有柔性的能力改变系统。Agile与Flexibility二者有本质的区别：模型和仿真技术并行工程

柔性制造系统的柔性是特定的时间对事先预见到的变化的响应能力，它是靠计划好的功能来响应突发事件与紧急的需求，即事先根据预计的变化和需求设计好某些功能，一旦某种情况或需求出现，则选用相应已有功能来解决。

敏捷制造系统是一种对事先预测不到的变化的响应能力，它是靠开放的基础结构和系统的自组织的能力来响应环境的变化2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用44

C)虚拟制造(VirtualManufacturingVM)

概念于20世纪80年代提出的，90年代得到了重视和发展，成为敏捷制造的手段，其本质：以计算机支持的仿真和模拟，从而能在产品设计阶段，实时地并行地模拟出产品未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品性能，优化制造过程，从而更有效地、高质量地、经济地组织生产，实现企业的FTQCS。产品的功能(F)全开发周期(T)短质量(Q)高成本(C)低更好的服务(S)2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用45

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d)智能制造(IntelligentManufacturingIM)

在制造工业的各环节，以一种高度柔性与高度集成的方式，通过计算机模拟人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，旨在取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动，并对人类专家的制造智能进行收集、存储、完善、共享、继承与发展的技术。系统的特点：(1)制造系统的自组织能力(2)制造系统的自律能力(3)自学习和自维护能力(4)整个制造环境的智能集成2025/2/24CIMS和CIPS技术与应用47

e)独立制造岛

同济大学，张曙教授提出的以成组技术为基础，以NC机床为核心，强调信息的自动化和以人为中心的的生产模式，要求组织、人员、技术的三者有机地进行集成。1.8