第3章計算機集成制造系統（CIMS）技術2023/9/81什么是CIMS？CIMS－計算機集成制造系統（ComputerIntegratedManufacturingSystems）CIMS－現代集成制造系統（ContemporaryIntegratedManufacturingSystems）C是手段M是指大制造（制造業）S是指整個系統I是核心，即通過集成提高制造企業的市場競爭能力2023/9/82為什么要學習CIMS?了解相關知識從事企業軟件開發CAD/CAE/CAPPPDM/PLMERPCRM專用、高附加值的軟件從事企業信息化工作企業的技術主管CIO從事企業信息化項目實施金碟、用友浪潮、華天2023/9/83課程主要內容理念篇CIMS的基本概念、基本原理、基本方法、應用背景CIMS的方法體系技術篇CIMS總體設計技術CIMS關鍵技術管理、設計、制造、集成實踐篇企業信息化我國的制造業信息化工程戰略2023/9/843.1信息時代的制造業制造業的發展歷史信息化帶動工業化是必由之路2023/9/85制造業的內涵制造業是指對原材料(采掘業的產品和農產品)進行加工或再加工，以及對零部件裝配的工業的總稱。制造業一般有消費品制造業和資本品制造業、輕型制造業和重型制造業、民用制造業和軍工制造業、傳統制造業和現代制造業之分，其中裝備制造業越來越重要。工業化國家：約1/4的人口從事制造業，約70%～80%的物質財富來自制造業。2023/9/86物質生產貫穿人類歷史材料、能源和信息是人類社會經濟的三大重要支柱。人類社會經濟發展的歷史，就是人類利用材料、能源和信息進行物質生產的歷史。材料、能源和信息領域的任何技術革命，必然導致生產方式的革命和生產力發展的飛躍。物質生產材料產品信息能源2023/9/87制造業發展史制造業創造了人類人與猿相分離，是由于人學會了雙足行走和用手制造并使用工具，這是人類進化的關鍵一步。隨著狩獵和采集技術的改進，人們制造的工具日趨精細，種類越來越多，出現了有組織的石料開采和加工，形成了原始制造業。使用工具、制造工具，即原始的制造技術和生產方式的改變引發了古猿進化的改轍，驅引他們用腦思維，腦容量增大，經選擇遺傳而與猿類分離，變成堂堂直立的人類。毛主席1964年有一首詞《賀新郎·讀史》，頭幾句是：“人猿相揖別，只幾個石頭磨過，小兒時節。”原始的工具制造是人類社會制造業的最早萌芽。2023/9/88制造業發展史制造業是產業革命的主力軍18世紀的產業革命和接踵而來的電氣化運動，從1765年瓦特發明蒸汽機算起已延續了240年。這場波瀾壯闊的工業革命使人類的生產和生活方式發生了不可逆轉的偉大變化。產業革命的標志———瓦特蒸汽機的發明工業革命的第二個高潮———電氣化發生在19世紀后半葉和20世紀初。以1948年美國貝爾實驗室的巴丁、布拉頓和肖克利發明晶體管，1958年制成第一臺固體元件計算機為開端，晶體管的發明和微電子制造技術的飛速發展，開創了全新的信息時代。2023/9/89制造業發展史的啟示蒸汽機和電機的應用，延伸了人的體力勞動，催生了工業革命，使人類社會通過工業化從農業社會發展到工業社會。以計算機為核心的現代信息技術的應用，則延伸了人的腦力勞動，引發了新的工業革命，使人類社會通過信息化從工業社會發展到信息社會，信息化是信息時代的工業革命。農業社會工業社會信息社會工業化工業革命信息化新的工業革命2023/9/810從工業化到信息化的里程碑2023/9/811機械制造業發展的幾個階段第一階段－－手工單件生產第二階段－－大批量重復生產第三階段－－自動化生產第四階段－－現代集成制造2023/9/812單件手工生產（第1階段）法國巴黎P&L汽車制造公司的汽車制造過程(1890年)年產量800臺有許多獨立的工匠手工完成單件制造方式生產流程幾個主要伙伴討論用戶需求，確定汽車規格定購主要零件、各個承包商制造零件、匯總安裝特點勞動力在設計、制造工藝水平上較高，組織十分分散產量低、價格高、產品維護費用高追求的目標全面滿足客戶的要求較高的制造裝配工藝水平2023/9/813大批量重復生產（第2階段）Ford生產線方式的引入（1908年）－零件互換、標準化技術的引入－裝配線（固定線－>流動線）－結果：生產成本大量下降、生產率提高、產品的維護費用下降、維護方法簡化－當生產量達200萬量時，價格降低了2/3。特點－勞動力專業化分工、培訓時間縮短－組織結構一體化、大而全，計劃管理，由上而下協調生產組織－>官僚主義，對市場的響應能力下降－機床的能力不斷提高大批量生產追求的目標（50年代前）－大量生產－低成本－提高勞動生產率2023/9/814自動化生產（第三階段，50-70年代）新的生產組織模式制造資源計劃（MRPII，美國）精益生產（日本）Siemag粗計劃系統（德國）制造設備水平提高數控機床（50年代）FMS（70年代）計算機輔助設計技術應用CAD、CAPP、CAM、CAE單元技術應用2023/9/815自動化生產特點計算機應用水平提高CAD、CAPP、CAM、CAE技術應用MRPII技術應用管理信息系統應用車間控制技術局部集成技術MRPII（計劃、物料、庫存、生產能力、財務、銷售信息集成）CAD/CAPP/CAM集成FMS、獨立制造島（加工設備、物料傳送、倉庫存儲設備的集成〕優化MRPII系統優化了物料供應和生產計劃FMS應用優化了生產調度和控制策略車間作業計劃與調度系統的應用優化了制造資源分配2023/9/816現代集成制造（20世紀80年代以后以信息技術為基礎，系統集成與優化為手段，以提高企業的市場競爭能力為目標，致力于全面提高企業的T、Q、C、S水平。“自動化孤島”問題：片面提高自動化水平并不能夠帶來企業效益的提高“信息孤島”問題：孤立的信息單元作用有限集成成為現代制造業發展的主旋律2023/9/817現代集成制造的代表模式計算機集成制造并行工程虛擬制造精良生產敏捷制造協同制造網絡化制造2023/9/818自然經濟

商品經濟科技生產力經濟形態19102000奴隸社會封建社會資本主義、社會主義共產主義200年差距作坊式生產自然經濟

大量流水和成批生產

多品種小批量

商品經濟產品經濟蒸汽機

電動機信息技術19001980產品經濟科學管理，系統管理，現代管理計劃經濟科學管理系統管理現代管理t傳統管理中國2023/9/819信息技術引發了制造業的深刻變革信息技術促使工業產品知識化，制造業信息化產品信息化設計制造過程信息化管理信息化資源信息化服務信息化信息技術推動了新技術經濟體系的形成產生了新的生產管理和組織形式形成了當代最先進的生產力為制造業注入了新的活力增強了制造業的技術創新和管理創新能力。信息技術促進了經濟全球化與制造全球化2023/9/820信息時代制造業新的工業革命信息技術促進了敏捷制造的發展，形成了以虛擬制造和動態聯盟為特征的新型制造模式。網絡技術促進了全球化制造的發展，引發了制造業的重新分工和資源的重新配置。計算機技術促進設計制造數字化，提高了產品創新能力，縮短了設計周期，降低了產品開發成本。電子商務技術促進了全球化采購/銷售，降低了采購與銷售成本，提高了服務質量。2023/9/821數字BOEING技術趨勢虛擬設計制造全生命周期設計制造PLM并行工程CE全球化的協作平臺EXSTAR美國B777的應用效果開發周期：9年－>4.5年成本降低：25％100％整機數字化設計世界壟斷與霸主地位制造業發生的深刻變革數字化飛機2023/9/822中南大學技術趨勢數字化設計制造虛擬樣機全球采購和分銷大規模定制通用公司應用狀況開發周期（48月－>24月－>12月）碰撞試驗（100次－>50次）個性化定單－>3小時通過在線采購降低成本10％產品概念設計產品詳細設計制造業發生的深刻變革數字化轎車2023/9/823中南大學2023/9/824中南大學中國的進步2023/9/825中南大學2023/9/826數字化設計/制造創我國梟龍飛機研制周期最短的奇跡梟龍/FC-1型飛機從凍結技術狀態到首飛成功，只用了23個月的時間，這是采用了數字化設計/制造/管理技術創造的奇跡。建立梟龍/FC-1型飛機全機結構數字樣機，實現產品數據共享全機工藝規程編制計算機化實現梟龍/FC-1飛機主要結構件數字化設計/工藝/加工/檢測，突破結構件制造瓶頸2023/9/827中南大學

超七全機結構數字樣機

數字化技術在超七飛機研制中的應用來源：成都飛機公司2023/9/828數字化技術在超七飛機研制中的應用來源：成都飛機公司

超七全機結構分析模型

2023/9/829中南大學新支線飛機虛擬樣機數字化定義來源：中國航空工業第一集團公司2023/9/830全機外形前機身理論數據駕駛艙駕駛員座椅安裝中央操縱臺機械系統登機門機構壁板STA148.550-229.000長桁和接頭壁板連接件前起落架支撐梁前機身結構登機門來源：中國航空工業第一集團公司新支線飛機虛擬樣機數字化定義2023/9/831鐵路機車車輛虛擬樣機系統來源：中國鐵路機車車輛北方集團公司大連鐵道學院清華大學2023/9/832滬東造船廠以自行開發產品“中國滬東型”74500噸散貨輪作為主要應用對象，設計效率提高40%以上,生產準備周期縮短了131天。年增加新產品舯艦1

2艘（每艘船價平均為1.7億）2023/9/833深海載人潛器示意圖2023/9/834中南大學深海載人潛器的工作原理和效果圖2023/9/835中南大學機床2023/9/8363.2計算機集成制造系統——CIMS的基本概念2023/9/837CIM概念1973年，J.Harrinton博士提出CIM概念基本思想系統的觀點：企業的各個生產環節是不可分割的，應該加以統一處理信息的觀點：整個生產過程實質上也是對信息的采集、傳遞和加工處理的過程，在企業中主要存在信息流和物流這兩種運動過程，而物流又是受信息流控制的。2023/9/838為什么要提出CIM？在20世紀70年代，美國產業政策過分夸大了第三產業的作用，而將制造業貶低為“夕陽工業”、“生了銹的皮帶”，導致美國制造業優勢的衰退。20世紀80年代初開始的世界性石油危機，暴露出美國制造業的優勢多數已被日本所取代，美國報紙說：“十個高技術產品中的七個，其市場已為日本所占有”、“日本產品在美國人心目中已經成為質量好、價格便宜的同義詞”。美國要用其信息技術的優勢奪回制造業的領導地位，認為“對CIMS，不要再猶豫了！（CIMS，nolongerachoice!）”2023/9/839“自動化孤島”2023/9/840中南大學1+1=2?2023/9/841將“自動化孤島”集成在一起2023/9/842中南大學早期CIM的定義CIM是一種組織、管理與運行企業生產的新哲理，它藉助計算機硬軟件，綜合運用現代管理技術、制造技術、信息技術、自動化技術、系統工程技術，將企業生產全部過程中有關人、技術、經營管理三要素及其信息流與物流有機地集成并優化運行，以實現產品高質、低耗、上市快，從而使企業贏得市場競爭經營管理人/組織技術T、Q、C、S2023/9/843幾層含義CIM是一種組織、管理與運行企業生產的哲理，其宗旨是使企業的產品高質量、低成本、上市快，從而使企業贏得競爭力企業生產的各個環節，是一個不可分割的有機整體企業生產的要素包括人、技術及經營管理，其中，尤其重視發揮人在現代化企業生產中的主導作用。企業生產活動中包括信息流（采集、傳遞和加工處理）和物流兩大部分。現代企業中尤其重視信息流的管理運行及信息流與物流間的集成。CIM技術是基于現代管理技術、制造技術、信息技術、自動化技術、系統工程技術的一門綜合性技術。2023/9/844CIMS定義

CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem）是基于CIM哲理而組成的系統，定義為：“CIMS是通過計算機硬軟件，并綜合運用現代管理技術、制造技術、信息技術、自動化技術、系統工程技術，將企業生產全部過程有關的人、技術、經營管理三要素及其信息與物流有機物有機集成并優化運行的復雜的大系統。”2023/9/8453.3計算機集成制造系統——CIMS的基本概念2023/9/846提出1986年提出了863/CIMS主題計劃。它以“發展高科技、實現產業化”為宗旨，在國家科委(科技部)直接領導和各有關部門的大力支持下，經過近10000名專家、技術人員和管理人員不懈的努力，立足國情，創新發展，從早期的以信息集成為特征的計算機集成制造系統（ComputerIntegratedManufacturingSystem）開始，發展到以信息集成和企業優化為特征的現代集成制造系統（ContemporaryIntegratedManufacturingSystem），走出了一條具有中國特色的CIMS之路，取得重大進展，并在國際上取得了一席之地。2023/9/847時代背景1.全球化趨勢2.以客戶為中心的市場3.競爭新環境和新形式4.知識經濟初露端倪5.因特網的沖擊6.環境保護和可持續發展的呼聲日盛2023/9/848CIM新定義“CIM是一種組織、管理和運行現代制造類企業的理念。它將傳統的制造技術與現代化信息技術、管理技術、自動化技術、系統工程技術等有機結合，使企業產品全生命周期（從市場需求分析到最終報廢處理）各階段活動中有關的人（組織、管理）、經營管理和技術三要素及其信息流、物流和價值流三流有機集成并優化運行，以達到產品（P）上市快（T）、高質（Q）、低耗（C）、服務好（S）、環境清潔（E），進而提高企業的柔性、健壯性、敏捷性，使企業贏得市場競爭。”2023/9/849信息集成過程集成企業間集成2023/9/850四個功能分系統，兩個支撐分系統組成

3.4CIMS的基本組成、體系結構及其關鍵技術511、管理信息分系統（MIS)

MIS是CIMS的神經中樞信息處理包括信息的收集、傳輸、加工和查詢；事務管理包括計劃管理、物料管理、生產管理、財務管理、人力資源管理等；輔助決策根據現有信息，利用數學分析手段預測未來，提供企業經營管理決策。核心工具：制造資源計劃MRPII，將企業內各個管理環節進行集成，縮短生產周期、減少庫存、降低成本、提高企業市場應變能力。522、工程設計信息分系統(EDIS)（CAD/CAPP/CAM）CAD計算機繪圖、有限元分析、產品造型、圖像分析處理、優化設計、動態分析與仿真、物料清單（BOM）生成等；CAPP毛坯設計、工藝方法選擇、工序設計、工藝路線制定、工時定額計算等；CAM刀具路徑確定、刀位文件生成、刀具軌跡仿真、NC代碼的生成等作業。

53CAPP系統的分類

檢索式：事先把零件的工藝規程按零件圖號或成組編碼儲存在計算機中編制新零件的工藝規程時，檢索—調出—編輯修改檢索不到時，另行編制并儲存在計算機中

派生式：例如美國國際計算機輔助制造公司開發的CAM-I系統按零件結構和工藝的相似性，將零件分為若干零件加工族對每一族零件制定優化加工方案編制新零件的工藝規程時，根據輸入信息編制零件的成組代碼，根據代碼識別它所屬的零件加工族，調出該族的典型工藝，自動搜索零件的型面和尺寸參數，確定需要的工序和工步。

54綜合零件實際零件【例】55零件組矩陣零件編碼查找零件組輸入表頭信息工藝規程格式工藝規程打印輸出標準工藝路線文件標準工序文件工作要素處理應用程序工藝路線檢索/編輯標準工序檢索/編輯工藝規程存儲器CAM-I推出的派生式CAPP系統框圖56標準工藝規程文件特征矩陣文件零件圖×××××××××××××××編碼第×零件組零件組形成工藝過程設計a）準備階段零件圖標準工藝檢索編碼×××××第×零件組零件組搜索工藝規程（編輯）b）使用階段派生式CAPP系統工作的兩個階段57派生式CAPP的特點：程序簡單，易于實現。目前多用于回轉體類零件CAPP系統。需人工參與決策，自動化程度不高。具有濃厚的企業色彩，局限性較大。58創成式CAPP系統（GenerativeCAPPSystem）從無到有生成（工藝決策算法和邏輯推理）

零件信息描述零件工藝過程要求較高，目前還處于實驗研究階段。593、制造自動化分系統(MAS)MAS地位:位于企業底層，是企業信息流和物料流的結合點，是最終產生效益聚集地。MAS組成:機械加工系統-CNC、MC、FMC、FMS加工設備；物流系統—對工件和工具存儲、搬運、裝卸等操作；控制系統-實現對加工設備和物流系統的控制；MAS目標:實現多品種、小批量生產柔性自動化；實現優質、低成本、短周期、高效率生產；創造舒適安全勞動環境。Real604、質量保證信息分系統（QIS)

質量計劃--建立質量技術標準，制定檢測計劃、檢測規程和規范；

質量檢測管理--包括進出廠材料檢測、產品質量檢測管理，設計質量指標管理，生產質量數據管理；

質量分析評價--對各類質量問題進行分析，評價各種影響因素，查明主要原因。

質量信息綜合與控制--報表生成，質量綜合查詢，采取各種質量控制措施。615、數據庫管理分系統

對各類數據進行存儲和調用，滿足各分系統信息的交換和共享。

數據的分布：采用分布式異型數據庫技術，通過互連網絡體系，完成全局數據調用和分布式事務處理。

數據庫系統類型：工程數據庫管理系統，實現對圖形數據和非圖形數據處理。6、計算機網絡分系統

是CIMS信息集成工具，常用局域網，對地理范圍大的企業，可通過遠程網進行互連，使CIMS同時兼有局域網和廣域網的特點。

62工廠加工車間裝配車間1#單元N#單元銑削工作站檢驗工作站物料運儲工作站機器人銑床零件存儲器機器人檢驗機零件存儲器機器人機器人小車傳感器……….…..CIMS五層遞階控制結構

63

工廠層-最高決策層，制定長期生產計劃、確定資源需求、產品開發、成本核算，規劃周期幾個月/幾年時間車間層-協調車間作業和資源配置，作用周期幾周/幾個月單元層-完成本單元作業調度，包括作業順序和指令發放、進行任務分配調度、協調物料運輸，規劃時間幾小時/幾周工作站層-負責協調設備小組活動，規劃時間幾分鐘/幾小時設備層-各種設備控制器，執行上層控制命令，完成加工、測量、運輸等任務，響應時間幾毫秒/幾分鐘

CIMS遞階控制結構

641、CIMS決非無人化工廠。

在CIMS研究初期，人們曾認為全盤自動化和無人化工廠或車間是其主要特征。隨著CIMS實踐的深入和一些無人化工廠實施的失敗，人們對無人制造自動化問題進行反思，并對于人在CIMS中的重要作用進行重新認識。近年來，我國實施的CIMS早已突破無人化和高度自動化的局限，而主要強調信息集成和功能集成。CIMS研究和應用中值得注意的幾個問題652、CIMS沒有統一模式。

CIMS的系統結構僅針對一般情況，不同的企業類型，不同的生產方式，其CIMS的系統結構亦不一樣。實際應用中不應求全和統一，而應根據企業實際決定其系統結構。3、CIMS在應用工程中應強調結合實際，總體規劃，分步實施

CIMS是一個復雜的制造系統工程，工程投資大，投入人員多，開發周期長，因此，必須在總體規劃的基礎上，根據企業的財力和物力，分步實施，重點突破，既要保證系統的實用有效，又要保證系統的集成。66CIMS國外發展簡況美國——不僅企業重視，國家也極為重視，認為CIM是奪回失去市場、取得競爭成功的關鍵技術，并將不可逆轉地成為21世紀占主導地位的新的生產方式。20世紀80年代初，美國國家標準局（NBA）所屬AMRF（自動化研究實驗基地）建立了世界上第一個CIMS實驗系統歐共體—