计算机集成制造系统CIMS

2015-4-1 07:41| 编辑:电工学习网| 查看: 8089| 评论: 0

    计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System)是现代信息技术条件下的新一代制造系统。它以计算机来辅助制造系统的集成，以充分的、及时的信息交流或信息共享将企业的设计、工艺、生产车间以及供销和管理部门集成一个有机的整体，使他们相互协调地运作，以提高产品质量，缩短产品开发周期，提高生产效率，确保企业的整体效益，提高企业竞争力和生存能力。
一、CIMS的提出和发展
    1974年美国人约瑟夫·哈林顿博士在《Computer Integrated Manufacturing》一书中首先提出了计算机集成制造的概念。哈林顿提出的CIM概念中有两个基本观点：
    (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是数据的物质表现。
    这两个基本观点至今仍是CIMS的核心内容。
    虽然，哈林顿是根据计算机技术在工业生产中的应用而预见其必然发展趋势提出CIM概念的，但是当时并未引起人们广泛的注意，直到20世纪80年代初，这一概念才被广泛接受，并把CIMS作为制造工业的新一代生产方式。这一结果并非偶然，它是科学技术发展和市场需求变化共同推动的结果。
    最近一个时期以来，随着科学技术的加速发展，从技术的角度来看，至少具有以下三个突出的特点：
    (1) 人类的活动领域大大扩展，日益涉及到宇宙、深海、沙漠、极地等过去人类很少或从未活动过的领域，这些领域的特点是高负压、微重力、高压、高寒、高温等。在这些超过人类正常体力所能承受的极限条件下活动，要求实现高度自动化作业。
    (2) 工业产品日益趋向复杂、精密、高可靠性、高安全性和高度自动控制。
    (3) 工业生产日益向高速度、高精度、高质量加工方向发展，生产条件也越来越严格和严峻，要求在高负压、高清洁度、高温、深冷、高压、高危险性等条件下进行作业。这种发展趋势也要求实行高度自动化作业，而且有越来越多的产品若不实行自动化作业已不可能进行生产。如加工精度为微米级甚至亚微米级的产品，不用在线测量、闭环控制的自动化加工，是生产不出来的；又如核发电站不实行高度自动化操作也是不可能实际使用的。
    这三者是互相联系，互相促进的。它们有一个共同的发展趋势，就是要求产品功能的自动化。从这个意义上说，自动化已成为现代化的同义语。
    再从市场方面看。从70年代开始，世界市场发生了重大变化。科学技术飞速发展和社会需求多样化的相互作用、相互促进，使过去传统的相对稳定型市场变成动态的、多变的市场，具体表现在：
    (1) 产品的生命周期，即产品的更新换代时间越来越短。
    (2) 加剧了缩短从科学发展到技术应用的周期的竞争。
    (3) 产品的型号和规格日益增多，即使大规模生产的汽车工业也成了一种要求进行多品种、小批量生产的典型行业。在1983年出版的《丰田生产方式的新发展》一书中曾作了一个统计用以说明这种情况(见表1)。表1 3个月中生产的各车种型号数与生产台数

基本车型	型号数	生产台数	台数／型号数
A型	3 700	63 000	17
B型	16 400	204 000	12
C型	4 500	53 000	12
D型	7 500	44 000	6
合计	32 100	364 000	11

    从该表中可以看到，一种车型的产量最多是17台，最少是6台。平均是11台。
    (4) 市场五要素：品种、质量、价格、交货期、服务的竞争越来越激烈。
    面对上述技术和经济的新形势，工业，特别是离散型工业(约占全部工业的50％)，必须寻求一种技术与管理高度结合的新的生产方式，才能在今后继续发展。CIMS正是这样一种新的生产方式。
    计算机在各单元技术上的应用，如CAD、CAM、工业机器人、FMS、ERP等，在缩短新产品研制周期，提高各种资源(设备、材料、能源、厂房、人力、资源、信息等)的利用率，制造高度精密、复杂的产品，缩短生产周期，提高生产、工作效率，降低成本，增强市场应变能力等方面，已给采用这些技术的企业带来显著的效益。但是人们进一步发现，这些自动化单元技术的集成能够带来更高的技术上和经济上的效益。
    1985年，美国科学院根据对美国在CIMS方面处于领先地位的五个公司(麦克唐纳——道格拉斯飞机公司、迪尔拖拉机公司、通用汽车公司、英格索尔公司和西屋公司)所进行的长期调查和分析，认为采用CIMS可以获得如表2的效益。
    这是因为集成度的提高，可以使各种生产要素之间的配置得到更好的优化，各种生产要素的潜力可以得到更大的发挥，实际存在于工业企业生产中各种资源的明显的或潜在的浪费可以得到最大限度的减少以至消除，从而可以获得更好的整体效益。表2 采用CIMS可获得的效益

序号	项目	效益的提高
1	产品质量提高	200%-500%
2	生产率提高	40%-70%
3	设备利用率提高	200%-300%
4	生产周期缩短	30%-60%
5	在制品减少	30%-60%
6	工程设计费用减少	15%-30%
7	人力费用减少	5%-20%
8	提高工程师的工作能力	300%-3 500%

    技术上的可能和市场竞争的需要，终于使哈林顿在1974年提出的CIM概念由不被重视而迅速地成为一些技术上处于先导地位的企业和一些国家政府的实践活动。世界上一些著名的大公司，从20世纪70年代末、80年代初开始制定本公司实现CIMS的规划，建立CIMS的生产工厂(车间)，攻克实现CIMS的技术难关并且不断取得重大进展。一些工业发达国家政府，如美国、日本、欧洲共同体和经互会成员国，都把CIMS作为科学技术发展的一个战略目标，通过制定各种计划、规划，建立国家研究实验基地等手段积极推进这一新的生产方式的发展。我国在1987年开始实施的“高技术研究发展计划纲要”中，也列入了CIMS的课题，一些部门、企业、研究所和高等院校也制定了自己实施CIMS的规划、计划，并从各个方面对CIMS有关技术进行研究、开发。
    二、CIMS技术基础
    CIM是企业组织、管理与运行的一种新哲理，它运用现代多种先进科学技术实现企业的信息流、物质流和价值流的集成和优化运行，是企业赢得市场竞争的经营战略思想。而CIMS是按照CIM哲理建成的复杂的人机系统。它从企业的经营战略目标出发，综合考虑企业中人、技术、资源和管理的作用，综合应用多种先进技术，实现企业生产经营全过程中的信息流和物质流的结成，在控制系统的协调和管理下，使产品质量、生产成本、生产周期等诸多方面达到全局最优，为企业带来更大的紧急效益。其具有两个基本特征：
    ⑴在功能上，CIMS包含整个工厂的全部生产经营活动。即从市场需求分析、生产经营决策、产品设计、加工制造、质量管理、经营销售等一直到售后服务全部活动。
    ⑵CIMS与传统的自动化有所不同，其范围及复杂程度要大的多。CIMS涉及的自动化不是工厂各个环节的自动化或计算机及其网络的简单相加，而是有机的集成，这里的集成，不仅是物料、设备的集成，更主要的是体现以信息集成为本质的技术集成，人的结成。
    一．CIMS的基本构成
    由于CIMS是发展中的技术，它的组成还没有统一的模式，但是根据前面叙述的概念，可以从生产的过程中各个主要的职能计算机辅助系统及数据和通信的支撑系统等不同角度。把CIMS看成是由以下四个系统组成：
    ⑴集成化工程设计与制造系统（CAD、CAM、CAPP、CAE）
    ⑵集成化生产管理系统（CAPM或MIS）
    ⑶柔性制造系统（FMS、FMC）
    ⑷数据库和网络（DB、NW）
    CIMS包含了一个制造工厂的设计、制造、质量控制、经营管理四种主要功能。要使这四种功能集成起来，还需要计算机网络、数据库及柔性制造系统作为支撑环境。
    三、CIMS的主要功能模块
    在计算机网络和分布式工程数据库的支持下，CIMS由四个基本功能模块组成：
    1．工程设计自动化分系统
    该系统通常又可以称为CAD/CAM/CAE分系统，其基本功能为：⑴服务与产品生命周期的产品建模，生成基于STEP标准的统一产品数据模型，为结成工程分析提供分析模型，产生装配图，零件图等各种设计文档，为CAPP，CAIP提供零件几何拓扑信息，加工工艺信息和检测信息，为CIMS提供管理所需要的信息。⑵所谓CAD/CAE/CAPP/CAM集成的实现是指通过信息交换、共享技术将个分系统有机的集成在一起。
    2．制造自动化分系统（MAS）
    MAS是工厂生产经营活动的基础。制造系统的柔性自动化标志着工厂自动化进入一个新的阶段，产品的市场竞争能力与MAS密切相关。MAS具备以下基本功能：⑴实现MAS的递阶结构控制、优化生产调度。⑵工具、夹具、量具集中管理与调度。⑶满足多种小批量生产的需求，实现加工过程的柔性化。⑷信息采集自动化，加强工件检测，刀具监控和鼓掌诊断的功能，使工作可靠，保证无鼓掌运行。⑸对零件加工质量进行统计分析，并反馈给质量保证系统。
    3．质量保证分系统
    根据全面质量管理的要求，质量系统应贯穿与产品生产的全过程，也就是说不仅要处理生产制造过程中的质量问题，还必须对整个企业的运行状况和各个管理环节进行监控、发挥信息和资源高度集成的特点，通过人机结合，对质量环节上的各项质量信息进行采集、处理和反馈，提高信息管理水平。其基本呢功能如下：⑴协调并组织与产品有关的个部门实施全面质量管理。⑵根据用户和市场变化，以及企业质量技术状况和工程设计分析的要求，进行质量规划、制定产品和设备，工具、夹具、量具检测规划和要求。⑶对采集的质量信息进行分析，并对设计、工艺提出改进建议，对生产过程提出响应的控制。⑷对质量信息通过计算机辅助质量管理，全面支持质量最优决策。⑸实施质量成本的有效古那里分析。
    4．经营管理信息分系统（MIS）
    经营管理信息分系统是企事业单位的一种现代优化工具，在CIMS环境下，建立的MIS是一个以缩短产品生产周期、降低成本、减少流动资金、提高企业净尽效益和应变能力为主要目的，并以计划管理为中心，在计算机网络和分布式数据库支撑下，与CIMS中其它分系统实现集成，其核心是适用于各个进程的决策支撑系统。

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