先进生产制造模式概述

第一节 计算机集成制造第二节 并行工程第三节 精益生产第四节 敏捷制造第五节 智能制造系统第六章第六章 先进生产制造模式先进生产制造模式12/3/20221第一节 计算机集成制造 1 CIM和CIMS的概念CIMS的组成CIMS递阶控制结构CIMS的体系结构CIMS在我国的实施进展12/3/20222第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析nCIM：Computer Integrated Manufacturingn计算机集成制造n美国Joseph Harrington博士1973年提出；n基本出发点：n系统的观点：企业的各种生产经营活动是不可分割的，要统一考虑；n信息的观点：整个生产制造过程实质上是信息的采集、传递和加工处理的过程；n内涵：n借助于以计算机为核心的信息技术，将企业中各种与制造有关的技术系统集成起来，使企业内的各类功能得到整体优化，从而提高企业适应市场竞争的能力；1 计算机集成制造计算机集成制造1.1 CIM和CIMS的概念第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析nCIMS：Computer Integrated Manufacturing Systemn计算机集成制造系统n基于CIM理念而组成的系统，是CIM的具体实现；nCIMS的核心集成n技术集成n将企业内各生产环节的有关技术集成；n生产管理技术；n计算机辅助设计、分析技术；n计算机辅助制造技术；n计算机辅助质量管理与控制技术；n要素集成n人/机构、经营管理和技术三要素集成；经营人/机构技术1 计算机集成制造计算机集成制造1.1 CIM和CIMS的概念第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析nCIMS的基本要素及其作用n技术在CIMS中的作用n作为一种高新技术，CIMS首先为企业提供一套技术手段技术手段n综合应用计算机技术、自动化技术、系统工程技术、现代制造技术以及管理科学等，对企业的各种经营方法给予技术上的支持；n从本质上讲，CIMS是一种以“内含”为主的技术改造技术改造n计算机辅助设计技术支持企业产品改革；n用柔性制造系统、自动生产线、先进的控制方法对生产过程进行改造；n用计算机辅助工艺设计提供更科学的工艺规程；nCIMS是覆盖面更大的全方位的企业改造企业改造n不仅在工程设计和生产制造方面，它对企业的经营管理也提供了先进的方法和工具，从技术上给予支持；n同时，也不可避免地引起管理机制和组织机构的改革1 计算机集成制造计算机集成制造1.1 CIM和CIMS的概念第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析nCIMS的基本要素及其作用n管理在CIMS中的作用nCIMS覆盖了整个工厂，企业的管理是企业的决策中枢、协调中心，也是CIMS的重要组成部分；n现代的大工业生产，规模大、环节多、分工细、关系复杂，因此管理内容多，工作复杂，要处理大量的静态和动态数据，需要用计算机进行集成管理；n先进的技术，包括CIMS提供的各种先进技术手段和工具，必须与先进的管理机制相匹配，才能充分发挥作用；n人在CIMS中的作用n人为主体：CIMS是辅助工具；nCIMS的实施改变了人的工作方式；1 计算机集成制造计算机集成制造1.1 CIM和CIMS的概念第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析n组成n功能组成分系统n经营管理信息系统；n工程设计自动化系统；n制造自动化系统；n质量保证信息系统；n支持分系统n计算机网络n数据库管理工程设计自动化分系统经营管理信息分系统制造自动化分系统质量保证信息分系统数据库分系统计算机网络分系统市场信息技术信息支撑分系统功能分系统售后服务信息1 计算机集成制造计算机集成制造1.2 CIMS的组成第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析n经营管理信息分系统n将企业生产经营过程中产、供、销、人、财、物等进行统一管理的计算机应用系统；n基本功能n信息处理：信息的收集、传输、加工和查询；n事物处理：经营计划管理、物料管理、生产管理、财务管理、人力资源管理等；n辅助决策：分析归纳现有信息，利用数学方法预测未来，提供企业经营管理过程中辅助决策信息；n核心n制造资源计划MRPII；1 计算机集成制造计算机集成制造1.2 CIMS的组成第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析n工程设计自动化分系统n包括：CAD/CAPP/CAMnCAD：计算机绘图、有限元分析、产品造型、图像分析处理、优化设计、动态分析与仿真、物料清单生成等功能；nCAPP：毛坯设计、加工方法选择、工序设计、工艺路线制定以及工时定额计算等；nCAM：刀具路径的确定、刀位文件的生成、刀具轨迹仿真以及NC代码的生成等；n核心n3C技术的集成。n产品数据规范化、标准化，在各个系统中交换和共享，实现3C技术的集成。1 计算机集成制造计算机集成制造1.2 CIMS的组成第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析n制造自动化分系统n通过对车间内各生产设备资源进行计划、调度和控制，实现零件和产品的加工制造；系统由制造设备系统、物料运输与存储系统、车间运行控制系统组成；n制造设备系统：包括机械加工设备、测量设备、辅助设备等n物料运输与存储系统：包括物料仓库、缓冲工作站、搬运机器人、传送带、有轨小车、无轨小车等；n车间运行控制系统：生产作业计划调度与控制；资源(物料、刀具、夹具等)需求计划及调度；物料流、刀具流的协调和控制；系统状态监控和故障诊断处理；生产数据采集及反馈；n研究表明：生产中每个工件平均占用机床的时间只占它在工厂中停留总时间的5%左右，其余95%用于不同地点和机床之间的搬运和等待。因此，减少工件搬运、等待的闲置时间，减少在制品库存等成为生产计划调度与控制的主要目的。1 计算机集成制造计算机集成制造1.2 CIMS的组成第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析n质量保证信息分系统n包括质量计划子系统、质量检测管理子系统、质量分析评价子系统和质量信息综合管理与反馈控制子系统；n质量计划子系统质量计划子系统：确定改进质量目标，建立质量标准和技术标准，计划可能达到的途径和预计可能达到的改进效果，并根据生产计划及质量要求制定检测计划及检测规程和规范；n质量检测管理子系统质量检测管理子系统：包括建立成品出厂档案，改善售后服务工作质量；管理进厂材料、外购件和外协件的质量检验数据；管理生产过程中影响成品质量的数据等；n质量分析评价子系统质量分析评价子系统：包括对产品设计质量、外购外协件质量、工序控制点质量、供货商能力、质量成本等进行分析，评价各种因素对造成质量问题的影响，查明主要原因；n质量信息综合管理与反馈控制子系统质量信息综合管理与反馈控制子系统：包括质量报表生成、质量综合查询、产品使用过程质量综合管理等；1 计算机集成制造计算机集成制造1.2 CIMS的组成第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析nCIMS控制结构nCIMS是一个复杂的大系统，控制功能复杂、控制对象地域分散，用一台计算机集中控制难以实现；n递阶控制结构递阶控制结构：将一个复杂的控制系统按照其功能分解成若干层次；各层分别由独立的计算机控制处理，完成各自功能；层与层之间保持信息交换，上层对下层发出命令，下层向上层回送命令执行结果，通过通信联系构成一个完整的控制系统；n美国国家标准与技术局(NIST)在80年代提出五层递阶控制结构；工厂车间生产系统单元工作站设备层次作业规划周期工厂月年车间周月单元小时周工作站分小时设备秒分制造自动化CIMS1 计算机集成制造计算机集成制造1.3 CIMS递阶控制结构第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析n五层递阶控制结构n工厂级控制系统n最高一级控制，进行生产管理，履行”厂部”职能；n车间级控制系统n负责协调车间的生产和辅助性工作；n单元级控制系统n负责相似零件分批通过工作站的顺序和管理诸如物料贮运、检验及其他有关辅助工作；n工作站级控制系统n负责指挥和协调车间中一个设备小组的活动；n设备级控制系统n各种设备的控制器：机器人、机床、小车等；1 计算机集成制造计算机集成制造1.3 CIMS递阶控制结构第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析n我国实施CIMS可划分四个阶段n90年代前后，全国选四家企业进行可行性研究；n19931995年，实施国家级CIMS示范工程；n19962000年，各省实施CIMS示范工程；n2000年以来，大面积推广；1 计算机集成制造计算机集成制造1.4 CIMS在我国的实施进展第二节 并行工程 1 行工程定义行工程运行模式并行工程特征并行工程关键技术并行工程的支持工具12/3/202215第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析n串行工程n前一工作环节完成之后才开始后一工作环节的工作；n各工作环节的作业在时序上没有重叠和反馈，即使有反馈，也是事后的反馈；n并行工程n是一种对产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)进行并行的、一体化设计的工作模式，这种模式可使产品开发人员一开始就能考虑从产品概念设计到产品消亡的整个产品生命周期中的所有因素，包括质量、成本、进度和用户要求；n两个关键思想n是一种工作模式工作模式，而不是具体的工作方法；(工作环节先后次序客观存在)n着重于从产品设计一开始就对产品的关键因素进行全面考虑，以保证产品设计一次成功一次成功；(多次修改)2 并行工程并行工程2.1 并行工程定义第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析n串行工程n并行工程产品设计工艺设计制造装配检测测试用户与供应商市场人员设计人员工艺人员制造人员检测人员产品设计工艺设计制造装配检测测试用户与供应商市场人员设计人员工艺人员制造人员检测人员2 并行工程并行工程2.1 并行工程定义第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析n开发团队模式(Integrated Product Team,IPT)n产品开发由传统的部门制或专业组变成以产品(型号)为主线的多功能集成产品开发团队；nIPT有两种基本类型n(1)实体小组：小组成员物理上聚集；n(2)虚拟小组：小组成员通过网络联系；产品设计装配设计检验设计检验仿真装配仿真加工仿真性能仿真工艺设计评估检验计划装配计划作业计划产品样图2 并行工程并行工程2.2 并行工程运行模式第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析n并行特征n把时间上有先后的作业活动转变为同时考虑和尽可能同时处理和并行处理的活动；n整体特征n强调全局性地考虑问题，即产品研制者从一开始就考虑到产品整个生命周期中的所有因素，追求整体最优；n协同特征n强调人们的群体协同作用，包括与产品全生命周期(设计、工艺、制造、质量、销售、服务等)的有关部门人员组成的小组或小组群协同工作；n集成特征n包括人员集成、信息集成、功能集成和技术集成；2 并行工程并行工程2.3 并行工程特征第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析n产品开发过程的协调与控制n并行工程与传统生产方式的本质区别本质区别是把产品开发的各个活动作为一个集成的、并行的产品开发过程，强调下游过程在产品开发早期参与设计过程；n因此，产品开发过程管理和控制产品开发过程管理和控制是并行工程的关键技术；n包括：过程建模技术、过程管理技术、过程评估技术、过程分析技术和过程集成技术；n集成的产品信息模型n能够全面表达产品信息、工艺信息、制造信息以及产品生命周期内各个环节的信息；n能够表达产品各个版本的演化历史；n能够表达产品的可制造性、可维护性和安全性；n能够使设计小组成员共享模型中的信息；2 并行工程并行工程2.4 并行工程关键技术第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析nCAXnCAD、CAE(计算机辅助工程分析)、CAPP、CAM、CAT(计算机辅助质量检测)nDFXnDFM(Design for Manufacturing)面向制造设计nDFA(Design for Assembly)面向装配设计nDFT(Design for Testing)面向检测设计nDFU(Design for Un Assembly)面向拆卸设计nPDMn协同的网络通信手段n多媒体邮件、电子公告板、基于网络的视频会议系统；2 并行工程并行工程2.5 并行工程的支持工具第三节 精益生产 1 精益生产的历史背景精益生产的内涵精益生产的体系结构精益生方式的主要内容12/3/202222第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析n50年代初制造自动化技术迅速发展n数控技术成组技术柔性制造系统；n只着眼于提高制造的效率，减少生产准备时间，却忽略了可能增加的库存而带来的成本的增加；n日本丰田公司n提出及时生产：追求一种无库存或使库存最小的生产；n1980年以1100万辆的产量全面超过美国；n精益生产n1985-1990年，美国麻省理工学院对美国、日本以及西欧90多家汽车制造厂的研究发现：n日本与美国以及西欧各国在汽车工业发展上的差距，不在于企业的自动化程度的高低、生产批量的大小、产品类型的多少，其根本原因在于生产方式的不同。n将日本的生产方式称为：”精益生产”3 精益生产精益生产3.1 精益生产的历史背景第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析n精益生产的基本概念n“精”就是精干，“益”就是效益；n运用多种现代管理方法和手段，以社会需求为依托，以充分发挥人的作用为根本，有效配置和合理使用企业资源为企业谋求经济效益的一种新型企业生产方式；n精益生产的特征n(1)强调以人为中心n所有工作人员都是终身雇员，不能随意淘汰；n扩大雇员及其小组的独立自主权，生产线工人在生产出现故障时有权让一个工区的生产停下来；n职工是多面手；3 精益生产精益生产3.2 精益生产的内涵第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析n精益生产的特征n(2)以简化为手段n简化组织结构和产品开发过程按并行工程组成项目组；n简化与协作厂的关系利益共同，不以价格谈判为基础；n简化生产过程，减少非生产性费用及时生产；n简化生产检验环节，采用一体化的质量保证体系；n(3)以尽善尽美为目标：零缺陷、零准备、零库存、零搬运、零故障停机、零提前期和批量为一；n从上述特点不难看出，精益生产不仅是一种生产方式，而且更主要是一种适用于现代制造企业的组织管理方法；n生产自动化的水平对企业来说是非常重要的，但未必是工厂效率的决定因素，更重要的人的集成和协作关系的融洽，以及按需求驱动的原则进行组织和管理产品的生产和开发。n日本工序自动化率34%，欧洲48%，日本劳动投入量少70%3 精益生产精益生产3.2 精益生产的内涵第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析n基础n计算机信息网络支持下的群体小组工作方式和并行工程；n组成n及时生产方式JITn成组技术GTn全面质量管理TQCn核心n及时生产方式JITn成组技术GTn将几何形状和加工工艺过程相似的 零件构造为一个个零件工艺族，提 高生产批量、降低生产成本；计算机网络支持下的并行工作方式和小组工作方式及时生产JIT成组技术GT质量管理TQC精益生产体系3 精益生产精益生产3.3 精益生产的体系结构第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析n主查制的开发组织，并行式开发程序n主查项目负责人；n拉动式的生产管理n及时生产方式JITn以人本管理为根本的劳动组织体制n生产工人是企业的主人；n简化产品检验环节，强调一体化的现场质量管理n将保证产品质量的职能和责任转移到直接生产操作人员；n总装厂与协作厂之间的相互依存n建立一种相互依存的信任关系，代替单纯订货式的买卖关系n以顾客为中心的销售策略n主动销售，主动服务；3 精益生产精益生产3.4 精益生方式的主要内容第四节 敏捷制造 1 敏捷制造提出的背景敏捷制造的内涵敏捷制造的关键因素及关键技术敏捷制造对制造业影响12/3/202228第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析n市场竞争n价格质量速度n对制造业的重新认识n20世纪后期，美国将制造业列为”夕阳产业”，制造业衰退；n美国人认识到：n制造业是一个国家国民经济的支柱；n敏捷制造的提出n敏捷制造(Agile Manufacturing，AM)n虚拟企业(Virtual Enterprise，VE)n美国里海大学于1991年正式提出：敏捷制造n核心观点n除了学习日本经验外，更要利用美国信息技术的优势，夺回制造工业的世界领先地位；4 敏捷制造敏捷制造4.1 敏捷制造提出的背景第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析n定义n制造系统在满足低成本和高质量的同时，对变幻莫测的市场需求的快速反应；n内涵n敏捷的生产系统n柔性制造产品型号变化，质量、成本、速度无明显差别n敏捷的经营管理n响应市场的敏捷性；企业日常运行的敏捷性；n敏捷的员工n提高员工素质，增加员工应付新挑战的适应能力；n培养员工主人翁责任感、敬业精神；4 敏捷制造敏捷制造4.2 敏捷制造的内涵第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析n敏捷制造是全球范围内企业和市场的集成n将企业、商业等部门用网络连通，实行面向网络的设计、制造、销售、服务。n制造企业不拘泥于固定的形式、集中的办公地点、固定的组织机构，而是一种以高度灵活方式组织的企业；n敏捷制造的组成n敏捷制造的基础结构n为形成虚拟企业提供环境和条件；n敏捷制造的虚拟企业n实现对市场不可预期变化的响应；4 敏捷制造敏捷制造4.3 敏捷制造的组成第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析n敏捷制造的组成n敏捷制造的基础结构n物理基础结构：虚拟企业运行所必需的厂房、设备、实施、运输、资源等必要的物理条件；n法律基础结构：国家关于虚拟企业的法律和政策条文；n社会基础结构：虚拟公司的解散和重组、人员的流动等是非常自然的事，这些都需要社会来提供职业培训、职业中介等服务环境；n信息基础结构：敏捷制造的信息支持环境，包括企业信息网络、各种服务网点、中介机构等一切为虚拟公司服务的信息手段。4 敏捷制造敏捷制造4.3 敏捷制造的组成第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析n敏捷制造的组成n敏捷制造的虚拟企业n虚拟企业又称动态联盟，是面向产品经营过程的一种动态组织结构；n定义：企业群体为了赢得某一个机遇性市场竞争，把某复杂产品迅速开发生产出来并推向市场，由一个企业内部有优势的不同部分和有优势的不同企业，按照资源、技术和人员的最优配置，快速组成一个功能单一的临时性的经营实体；n这种以最快的速度把企业内部的优势和企业外部不同公司的优势集合起来所形成的竞争力，是以固定专业部门为基础的静态不变的组织结构对市场的竞争力无法比拟的；4 敏捷制造敏捷制造4.3 敏捷制造的组成第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析n敏捷制造的组成n敏捷制造的虚拟企业n虚拟企业的生命周期把握市场机遇选择伙伴经营设计与仿真签订协议虚拟企业形成虚拟企业运作产品或项目任务完成解散和重组4 敏捷制造敏捷制造4.3 敏捷制造的组成第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析n敏捷制造的组成n敏捷制造的虚拟企业n虚拟企业的优点n中小企业可以通过分享其他合作者的资源完成过去只有大企业才能完成的工作；而大企业在不需要大量投资的情况下通过转包生产的方式迅速扩大它的生产能力和市场占有率；降低了失败的风险；n由于合作者有着各自的专长和优势，虚拟企业可以在经济和技术实力上很方便地超过它的所有竞争对手；n跨地区、跨国界的国际合作，使每个合作者都有机会进入更广泛的市场，各自的资源可以得到充分的利用n可兼容企业间的竞争和合作，保存竞争的活力，又避免过度竞争；虚拟企业改变了传统的静态不变的组织结构，是敏捷制造的核心4 敏捷制造敏捷制造4.3 敏捷制造的组成第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析n联合竞争n企业之间的竞争供应链之间的竞争n技术能力交叉n虚拟企业内部制造技术和管理模式的交流和发展；n企业内部的生产单元不受企业产品类型的限制，可充分发挥其生产能力；n环境意识加强n加入虚拟企业的企业需要通过质量、绿色制造等认证；n信息称为商品n信息中介服务n向企业和顾客提供各种咨询服务；n向企业提供零件库及生产企业目录信息；n设计服务机构向企业提供各种设计服务；4 敏捷制造敏捷制造4.4 敏捷制造对制造业影响第五节 智能制造 1 智能制造研究的背景智能制造的含义智能制造系统的特征智能加工与智能加工设备12/3/202237第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析n背景n(1)制造自动化技术的发展，使得制造系统由原先的能量驱动能量驱动型转变为信息驱动型型转变为信息驱动型，要求制造系统具有更强的信息加工能力，特别是信息的智能加工能力；n(2)20世纪70年代开始，发达国家为了追求廉价劳动力，逐渐将制造业移向了发展中国家，发展中国家专业人才严重短缺发展中国家专业人才严重短缺，制约了制造业的发展；n因此，制造业希望减少对人类智慧的依赖，以解决人才供求的矛盾；n智能制造技术(Intelligent Manufacturing Technology，IMT)n智能制造系统(Intelligent Manufacturing System，IMS)n某种意义上可认为是机器人技术在整个制造系统中的推广；5 智能制造智能制造5.1 智能制造研究的背景第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析n智能制造包含智能制造技术和智能制造系统n智能制造技术n指利用计算机模拟制造业人类专家的分析、判断、推理、构思和决策等智能活动，并将这些智能活动与智能机器有机地融合起来，将其贯穿应用于整个制造企业的各个子系统；n智能制造系统n一种智能化的制造系统，由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化的智能系统，它将智能技术融入制造系统的各个环节，通过模拟人类的智能活动，取代人类专家的部分智能活动，使系统具有智能特征；5 智能制造智能制造5.2 智能制造的含义第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析n自律能力n即搜集与理解环境信息和自身信息，并进行分析判断和规划自身行为的能力；n例子：具有自律能力的智能生产线，若其中的一台钻削加工机床刀具发生了断折，自动减慢传送带传送速度，以便后面机床代替加工；5 智能制造智能制造5.3 智能制造系统的特征第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析n人机一体化n目前，人工智能系统只具有逻辑思维能力，最多做到形象思维，完全做不到灵感思维；n因此，想以人工智能全面取代制造过程中人类专家的智能，独立承担分析、判断、决策、等任务是不现实的；n智能制造系统是人机一体化系统，是一种混合智能；n自组织能力n智能制造系统中的各组成单元能根据工作任务的需要，自行集结成一种最合适的结构，并按照最优的方式运行；完成任务后自行解散；n学习能力和自我维护能力n智能制造系统在实践中不断充实知识库，具有自学习功能。同时，在运行过程中自行进行故障诊断，并具备对故障自行排除、自行维护的能力；5 智能制造智能制造5.3 智能制造系统的特征第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析n智能加工n综合应用传感和处理技术、人工智能技术、实时控制技术；n根据已掌握的加工知识和工艺知识，建立加工过程数据模型n根据加工模型与检测值的比较，计算出相关的调整量，驱动执行机构的动作；n对加工状态进行自动调整，按照给定的约束有条理进行加工作业；n智能机床n根据智能加工技术设计制造出来的机床；5 智能制造智能制造5.4 智能加工与智能加工设备