1、現代制造系統現代制造系統北京科技大學物流研究所2009年5月工業工程2006第一章第一章 緒論緒論基本要求與知識點：n基本概念：制造制造系統1-2 1-2 發展制造系統技術的基礎發展制造系統技術的基礎 1 1-1 1-1 研究和發展制造系統的意義研究和發展制造系統的意義制造與制造系統的概念制造與制造系統的概念緒論北京科技大學物流工程1.1研究和發展制造系統技術的意義n制造特征的轉變過去：個人、孤立的機器完成的簡單過程現代：眾多制造要素組成的制造系統實現的復雜工程例：大型船只、大型飛行器北京科技大學物流工程1.1研究和發展制造系統技術的意義n制造系統的特征結構復雜性n過去：簡單單一n現代：系統集

2、成關聯復雜性n系統間 信息交換、信息處理復雜性n支撐技術跨學科集成：機、電、液環境復雜性n社會環境n地域范圍1-1 研究和發展制造系統的意義n 隨著科學技術的進步和社會經濟的發展，“制造”已由個人行為和孤立機器完成的簡單過程演變為必須由眾多制造要素組成的制造系統來完成的復雜工程。從系統科學與工程的角度看，完成現代制造任務的制造主體正在從簡單系統發展為復雜大系統，具體體現在以下三方面： 1結構復雜性 n 從制造領域自身的發展看，制造主體（如制造企業等）作為一個系統不但規模不斷擴大，而且結構日趨復雜。n 在手工業生產時代，產品的設計、加工、裝配和檢驗基本上都由個人完成，如果講系統，這時的制造系統規

3、模小、結構簡單、易于駕馭。n 18世紀的西方工業革命，雖然有力促進了制造技術和制造裝備的發展，但制造作為系統仍很簡單。1結構復雜性n到了19世紀中葉后的大批量生產時代，通過勞動分工實現作業專業化，在機械化和電氣化技術支撐下，進行流水線方式生產，形成了較大規模的制造系統，但此時制造系統的結構卻并不復雜，其分析設計、信息處理、管理控制等問題也相對易于處理。 1結構復雜性n 到了20世紀后半葉特別是近三十年來，市場需求朝多樣化方向發展且競爭加劇，迫使產品生產朝多品種、變批量、短生產周期方向演進，由此形成柔性制造、計算機集成制造、敏捷制造等先進制造模式，按此構成的現代制造系統不但規模龐大，而且結構十分

4、復雜，系統的分析與綜合已具有相當的難度，系統的優化管理控制問題更是難以解決，已成為全球范圍內具有挑戰性的課題。 2關聯復雜性 n系統科學性： 隨著計算機技術和信息技術的發展，制造系統內部各組成環節間的信息聯系以及制造系統與外部環境的信息聯系，在廣泛性和復雜性方面均在不斷加強，系統中信息交換、信息處理的速度亦在迅速提高，從而使制造系統中各組成環節間的相互作用、相互依賴以及環境對制造系統的影響日益加強，“牽一發而動全身”的效應日益凸現。 因此，注重關聯，把握全局在制造過程中將變得越來越重要。這些結果使得制造活動和制造過程呈現出越來越強的系統科學性。2關聯復雜性 n學科綜合性： 相關學科的理論與方法

5、日益向制造學科滲透，對制造學科和制造系統的發展產生了深刻的影響。 在制造系統的底層，機電一體化的制造裝備和加工系統，大幅度提高了制造過程的柔性和效益； 在管理控制層，隨著計算機技術、現代管理理論和控制方法的應用，使制造系統的管理與控制不斷發展、不斷創新，走出了從MRP、MRPII到ERP的發展歷程； 在全局上，系統科學與工程的理論與方法使制造領域廣大人員的思維模式、分析問題和解決問題的方法等都正在發生深刻的變化。 n 3環境復雜性 n我國的經濟體制正在從計劃經濟向社會主義市場經濟轉軌，眾多制造企業失去了計劃經濟時代政府主管部門下達的計劃指令。從系統與控制的角度看，即制造系統沒有了確定的輸入信息

6、。 n 隨著全球經濟一體化進程的加快，國際市場需求不僅變化極快，而且還難以預測。這些不僅造成制造系統輸入信息和運行環境的隨機性越來越大，而且還要求制造系統的響應速度不斷提高。1415神州神州5 5號號圖1-11 神州5號宇宙飛船對策n對策：改變觀念 : 由于上述眾多因素的影響，“制造”正在由輸入確定、過程和環境穩定、輸出少變的簡單系統演變為輸入隨機、過程和環境動態變化、輸出和狀態多變的復雜大系統。工程界和教育界都越來越清楚地認識到現代制造已成為一個復雜的系統工程，如果僅從孤立的制造方法、制造技術、制造工具和制造設備等方面去孤立地研究制造過程，將無法從全局上使“制造”這樣一個復雜大系統運行于最優

7、狀態，發揮出最佳效益。 n對策：加強制造系統研究與發展 : 因此，面對上述現實，我們必須將“制造”作為復雜大系統來對待，加強從系統科學、信息技術與制造工程相結合的角度對現代制造過程進行研究，通過信息、控制與制造相融合的方法對制造系統的內在規律進行分析，努力探索先進的制造系統模式、體系結構和優化運行技術，從而從全局的角度促進制造科學、制造系統和制造工業的發展。 n對策：加強制造系統教學 : 同時，從教育的角度看，作為制造領域的高級專門人才制造專業的本科生和研究生必須掌握制造系統的理論與技術，以從系統科學與工程的高度對現代制造過程有深刻的理解與把握，才能在今后的研究工作、技術工作和管理工作中更好地

8、駕馭全局，為制造工業和國民經濟的發展做出更大的貢獻。n 這也是開設本課程的目的。北京科技大學物流工程1.2發展現代制造系統技術的基礎n先進制造模式和相關理論現代生產模式：JIT、網絡化制造n先進制造技術與裝備柔性制造系統 FMSn系統科學理論與系統工程技術離散事件動態系統n現代管理控制理論與技術運籌學、現代管理理論n計算機與信息技術信息技術、計算機控制技術準時生產JIT成組技術GT質量管理TQC計算機網絡支持下的并行工作方式和小組化工作方式精益生產體系精益生產的體系構成 1-2 發展制造系統技術的基礎n1. 先進制造模式和相關理論: 制造模式決定了制造系統的體系結構、運行原理以及管理和控制方法

9、，因此，要對現代制造系統進行深入研究，要使現代制造系統技術的發展保持正確的方向，就必須以先進制造模式為基礎，以正確、先進的理論為指導。 n2. 先進制造技術與裝備 : 制造技術與制造裝備是構成制造系統的重要元素，要使制造系統發揮出高效益，必須有先進制造技術和先進制造裝備作為支撐。 n 例如,柔性制造系統和計算機集成制造系統的發展,必須以數控加工技術和先進數控機床為基礎。n3. 系統科學理論與系統工程技術 : 制造系統屬于復雜大系統，并且為典型的離散事件動態系統（Discrete Event Dynamic System，簡稱DEDS），其狀態變量數目巨大，不確定性因素和隨機性影響突出，非線性和

10、混沌（chaos）現象嚴重。因此，制造系統研究、開發和應用中所涉及的許多問題，都必須從系統科學與工程的高度去分析和解決。n4. 現代管理控制理論與技術: 一方面，要使已有的制造系統運行于最佳狀態，發揮出最佳效益，必須采用有效的管理控制理論、模式和方法；另一方面，要研究、開發性能優良的新型制造系統，也必須十分重視其管理控制子系統的研究開發。在管理控制子系統的研究開發中，最重要的就是要研究適合先進制造系統的新的管理控制理論與技術。 n5. 計算機與信息技術 : 現代制造系統的研究開發和運行已越來越多地與計算機和信息技術相融合。例如，制造系統研究中建立的復雜數學模型必須借助計算機進行分析和求解，制造

11、系統的開發過程通常都要使用計算機進行仿真分析，制造系統的運行則更是需要通過先進的計算機系統和網絡通訊系統進行信息化管理和數字化控制。北京科技大學物流工程1.3制造系統技術的發展歷史與現狀n制造系統發展階段剛性制造系統：專用機床組成剛性流水線n大批量生產n汽車工業n生產線投資大n捷達車單機柔性加工系統：NC多機柔性加工系統：DNC、FMC、FMS計算機集成制造系統：CIMS跨企業制造系統和全球制造系統1-3 制造系統的發展歷史與現狀n 1. 從技術層面看n 經過數十年的發展，制造系統技術在總體上已形成基本的體系，并在實際應用中發揮著越來越重要的作用。 n 第一階段：剛性制造系統: 本階段在20世

12、紀50年代前已基本形成。 n 第二階段：單機柔性加工系統 : 開始于20世紀50年代初，到70年代已基本成熟。 n 第三階段：多機柔性加工系統 : 出現于20世紀60年代末，70年代以后得到快速發展，如直接數控（DNC）加工系統、柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統(FMS)、柔性加工線（FML）。n 第四階段：計算機集成制造系統 : 20世紀80年代以來得到迅速發展 . 其特征是制造全過程的系統性和集成性，以解決現代企業生存與競爭問題。n第五階段：跨企業和全球制造系統: 20世紀末提出，正在成為21世紀的發展方向。n 基本概念是: 根據全球化的產品需求，通過網絡協調和運作，把分布在世界各地的

13、制造工廠和銷售點聯接成一個整體，從而能夠在任何時候與世界任何一個角落的用戶或供應商打交道，由此構成具有統一目標的在邏輯上為一整體而物理上分布于全世界的跨企業和跨國制造系統。 1-3 制造系統的發展歷史與現狀n 2. 從學科發展看制造系統誕生于 20世紀70年代后期的日本。京都大學人見勝人（Hitomi K.）教授發表著作Manufacturing System Engineering。 在美國，麻省理工學院90年代初即開設有制造系統課程，并出版了專著。 在西歐，一些一流大學亦開設了制造系統課程。 總之，制造系統已成為國外一流大學相關專業和學科的科研與教學工作的重要組成部分。 在我國，制造系統的

14、研究和應用起步也較早，20世紀80年代中就已有柔性制造系統（FMS）在生產實際中應用。 但制造系統作為一個學科和技術領域，在國家支持下開展有組織的深入系統研究和應用，是開始于國家的863計劃。以CIMS為代表的研究項目十幾年來取得一大批成果，并在許多類型的企業中得到廣泛應用，有力推進了我國制造系統技術的發展。 清華大學制造工程研究所在多年制造系統研究和應用實踐積累的基礎上于1989年率先在國內為研究生開出現代制造系統課程。當時正值我國國企改革啟動階段，制造企業面臨巨大的市場壓力，迫切需要利用制造系統知識解決企業面臨的生產經營與管理問題。課程開出后受到企業和學生的歡迎。 北京科技大學物流工程nF

15、A“人機一體化制造系統”n智能制造系統n單元級制造系統：FMCn網絡制造n分布式控制1-4 制造系統研究和應用的發展趨勢n1. 對無人制造自動化進行了反思，提出了 “人機 一體化制造系統”的新思想。 n2. 智能制造系統將是未來制造系統的重要發展方 向之一。 n3. 單元級制造系統的研究仍然占有很重要的地位。 n4. 平臺技術的研究與平臺軟件的開發是近年來制造系統發展的主要動向之一。n5. 現代制造模式的提出和研究，直接推動著制造系統的發展。 n6. 分布式控制將是未來制造系統管理控制的重要發展方向之一。 n7. 一種新的制造觀即信息制造觀正在孕育和發展之中。 n8. 實施可持續發展戰略正在成

16、為制造系統發展的必然趨勢。1-4 制造系統研究和應用的發展趨勢1-5 本課程的主要內容n作為機械工程及自動化專業的專業課，現代制造系統將從系統科學的角度對現代制造過程進行研究，通過信息、控制與制造相融合的方法對制造系統的內在規律進行分析，以近十年來國際上制造系統領域的最新發展和我國在此領域的研究、開發和應用成果為案例，按照工程學科教學的客觀規律和現代人才培養的要求實施教學。本課程內容分四個層次：n1. 基礎理論：n 制造系統的基本概念、理論基礎、體系結構；n2. 系統分析與綜合：n 現代制造系統分析與綜合的主要方法；n3. 管理與控制：n 制造系統的運行管理、調度控制和過程控制；n4. 信息環境：n 從信息與制造相融合的角度，介紹制造系統n 優化運行的信息環境。教學目的與目標n通過本課程的教學，力圖使機械工程及自動化專業的本科生掌握制造系統的理論基礎與體系結構、管理與控制技術、分析與設計的基本方法，提高從系統的角度分析問題和解決問題的能力，為將來從事現代制造系統的分析與設計、管理與控制等方面的工作打好基礎。在學習本課程時，應聯系實際，在掌握理論知識的同時，逐漸學會從系統的角度去看待制造、研究制造、把握制造、發展制造。 學習參考書 n1 Hitomi K., Manufacturing System Engineering, n London, Taylor &a