大连理工机械工程工程硕士讲义之现代集成制造系统

大连理工机械工程工程硕士讲义之现代集成制造系统授课内容概述授课内容概述制造业制造业CIMS提高多学科理论和实践相结合的综合能力提高多学科理论和实践相结合的综合能力背景背景核心核心目的目的相关技术相关技术CAD/CAPP/PDM/CE/BPR/ERP/IDEF系统系统/集成集成/网络网络/数据库数据库授课内容授课内容n（一）CIMS/CIMS （计算机集成制造系统和现代集成制造系统）n（二）经营过程重构BPR与并行工程CE的概念方法和技术n（三）集成化系统建模技术 n（四）基于CIMS架构的PDM与CAD/CAPP信息集成n（五）ERP及BOM管理n（六）商务交往中的自我约束Computer/ContemporaryIntegrated Manufacturing SystemsBusiness Process ReengineeringConcurrent EngineeringProduct Data ManagementComputer Aided DesignComputer Aided Process PlanningEnterprise Resources Planning Bill of Materials考核方式及要求n考核方式：平日成绩平日成绩（30%）+结业考试结业考试（70%）n要求：无故缺勤三次以上（包括三次）取消考试资格。无故缺席两次或经同意缺席三次者，须在考试当天与试卷同时提交一份本人手抄与本课程相关的文章（4500汉字）。平日成绩：平日成绩：出勤（20分）+课堂发言（10分）考试形式：考试形式：开卷（70分）CAD/CAM/CIMS现代集现代集成制造系统成制造系统（Contemporary Integrated Manufacturing Systems）本章内容简介本章内容简介n一、制造业的特点及其在全球经济中的竞争焦点的演变n二、CIM的早期含义和CIMS的发展n三、CIMS在我国的发展背景n四、CIMS的关键技术（系统论、信息集成、过程优化、企业集成）n五、CIMS系统实施框架n六、我国成功应用CIMS的案例问题：n企业的目标是什么？n您所服务公司是什么性质的企业？n您所在的公司对国民经济的贡献是什么？n您所在的企业是什么样的生产模式？n您认为企业的利润主要来源是什么？制造业的定义制造业的定义制造业：制造业：制造业是指对原材料(采掘业的产品和农产品)进行加工或再加工，以及对零部件装配的工业的总称。制造业的分类制造业的分类n制造业分类制造业分类：n消费品制造业和资本品制造业n轻型制造业和重型制造业n民用制造业和军工制造业n传统制造业和现代制造业 其中装备制造业越来越重其中装备制造业越来越重要。装备制造业是指资本要。装备制造业是指资本品的制造业，是为国民经品的制造业，是为国民经济和国防建设提供投资类济和国防建设提供投资类产品的企业的总称。产品的企业的总称。国内生产总值产业部门分类国内生产总值产业部门分类第一产业第一产业第三产业第三产业第二产业第二产业农林牧鱼业农林牧鱼业建筑业建筑业工业工业金融保险业等金融保险业等1212个产业部门个产业部门制造业制造业电力、煤气和水电力、煤气和水的生产和供应业的生产和供应业采掘业采掘业制造业的作用制造业的作用制造业在国民经济中的重要性制造业在国民经济中的重要性 强大的制造基础对国家的经济和军事力量是至关重要的。强大的制造基础对国家的经济和军事力量是至关重要的。一个国家只有生产得好，才能生活得好。一个国家只有生产得好，才能生活得好。制造业的重要性制造业的重要性国民生产总值的重要组成部分国民生产总值的重要组成部分GDP/GNPGDP/GNP解决就业解决就业提供高报酬的工作提供高报酬的工作雇佣了大量的科学家和工程师雇佣了大量的科学家和工程师进行进行90%90%的非军事性的的非军事性的R&D R&D Research&DevelopmentResearch&Development ）每每100100份工作支持着份工作支持着40-6040-60个以上的非制造业职位个以上的非制造业职位为其它经济部门提供基本产品为其它经济部门提供基本产品GDP和GNP的异同上世纪90年代以来，越来越多的国家采用国内生产总值（Gross Domestic Product，GDP）代替国民生产总值（Gross National Product，GNP）作为国民经济核算的主要指标。从概念上讲，GNP和GDP都是指一个国家一年内生产最终产品和劳务的市场价值，但它们所指“国家”的含义有所不同。GNP所说的“一国”指一国国民，即只要是该国公民，无论在什么地方创造的最终产品与劳务的市场价值都应计入。GDP所说的“一国”指一国境内，即只要是在该国领土上，无论哪国人创造的最终产品和劳务的市场价值都应计入。制造业竞争焦点的变革制造业竞争焦点的变革早期早期7070年代年代8080年代年代9090年代年代2121世纪初世纪初制造业竞争的焦点制造业竞争的焦点相关的技术、管理对策相关的技术、管理对策以知识为基础的以知识为基础的新产品的竞争新产品的竞争一体化信息工程，一体化信息工程，CIMS-2可持续发展条件下可持续发展条件下E E快速快速开发出高质量性能价格能开发出高质量性能价格能被用户接受新产品被用户接受新产品CE，AM全面满足顾客全面满足顾客TQCSTQCS要求的竞争要求的竞争JIT，CIMS-1信息集成信息集成提高企业整体效率提高企业整体效率及产品质量的竞争及产品质量的竞争SPC，统计过程控制，统计过程控制Statistical Process Control降低产品降低产品成本的竞争成本的竞争标准化标准化流水线流水线制制造造中中心心的的特特征征:现现代代化化工工业业能能力力，制制成成品品的的产产量量，机机械械化化、自自动动化化的的普普及及，劳劳动生产率，制造业的比重动生产率，制造业的比重 全球制造中心的变革全球制造中心的变革18-20世纪初（世纪初（100多年）多年）20世纪上半叶世纪上半叶-70年代初年代初70-80年代年代日本日本英国英国美国美国1760183017601830年期间年期间:英国占欧洲工业产量增长的23。18601860年前后年前后:英国人口占全世界人口的2，欧 洲人口的10，拥有相当于全球 4045,欧洲5560的现 代工业能力，制成品的产量为全球 的25，生产了全世界铁的53，煤的50。1818世纪世纪5050年代至年代至1919世纪世纪3030年代间年代间:英国完成了纺织业的机械化，劳动 生产率因此提高了三四百倍。1870年至1929年:美国机械动力从234万马力迅速增长为4293万马力。1925年:美国有47的工厂实现了电气化。1929年:美国占全球制造业比重达到了43.3的最高点1913年:福特开始以大批量流水生产线方式生产汽车，创造了每天生 产1000辆汽车的现代工业组织方式。1965197119651971年年日日本本主主要要制制成成品品产产量量增增长长占占全全球球产产量量增增长长的的比比重重依依次次为为，钢钢铁铁占占5454，造造船船占占5454，汽汽车车占占4646，电电子子机机械中的民用产品占械中的民用产品占9090。跨国公司的产生跨国公司的产生 在信息时代，传统的空间和距离概念发生了根本性的变化。跨国公司在全球范围内进行跨国、跨洲的经济活动安排的技术障碍显著缩小，今天的跨国公司将总部和核心研究开发部门放在美国，将加工基地、销售总部、采购中心分布在世界各地，但部门间的信息交流就像在同一座办公楼里一样方便。以计算机硬盘生产为例，跨国企业将研究开发环节放在美国，而通过设立子公司的方式将生产制造过程放在东亚。美国企业因此获得了科技创新领先地位和低成本高质量制造产品的双重利益。举一个例子，像直升飞机，这是美国商用直升飞机最成熟的在美国美国 -顶部螺旋桨螺旋桨/-尾部的螺旋螺旋桨桨在西班牙西班牙-顶盖顶盖/-尾部尾部在日本日本 -机身机身在巴西巴西 -起落架起落架中国台湾中国台湾-机头机头中国井冈山中国井冈山-机尾机尾21世纪的“无国界经济”n跨国公司的生产总值占第二世界生产总值的跨国公司的生产总值占第二世界生产总值的 40%40%；n跨国公司的贸易额占世界贸易总值的跨国公司的贸易额占世界贸易总值的 50%50%；n跨国公司的工业研制费占世界总值的跨国公司的工业研制费占世界总值的 80%80%；n跨国公司操纵了世界技术转让的跨国公司操纵了世界技术转让的 75%75%；n跨国公司操纵了对发展中国家技术贸易的跨国公司操纵了对发展中国家技术贸易的 90%90%。&中国国际竞争力发展报告跨国公司的规模（1）跨跨国国公公司司中中最最大大的的200200家家“巨巨头头”的的年年销销售售总总额额（7 7万万多多亿亿美美元元），比比全全世世界界除除了了美美、日日、德德、法法、意意、英英、中中国国、加加拿拿大大、巴巴西西 9 9个个经经济济大大国国之之外外的的180180多多个个国国家家的的GDPGDP总和总和（6.96.9万亿美元）还多。万亿美元）还多。巨巨型型跨跨国国公公司司的的经经济济规规模模十十分分庞庞大大，往往往往超超过一个国家的实力。过一个国家的实力。例如，从经济活动规模来说：例如，从经济活动规模来说：三菱公司三菱公司 印尼印尼通用汽车公司通用汽车公司 丹麦丹麦福特公司福特公司 南非南非丰田公司丰田公司 挪威挪威跨国公司的规模（跨国公司的规模（2 2）生产模式上的变化生产模式上的变化六、七十年代八、九十年代大批量生产模式大批量生产模式定制式生产模式定制式生产模式多品种小批量生产比例增大多品种小批量生产比例增大黄金与知识0200400600800100012001400单位：10亿美元LucentCiscoIBMMicrosoftNokiaIntel人类社会6000年挖掘的黄金（1998年价）物质产品的价值决定于知识产品的含量物质产品的价值决定于知识产品的含量 知识产品的价值决定了物质产品制造业的竞争力知识产品的价值决定了物质产品制造业的竞争力以单位质量钢筋对GNP的贡献为1轿车为5彩电为30计算机为1000而集成电路的贡献率则高达2000。上市时间对商业利润的重要性上市时间对商业利润的重要性假设：假设：5 5 年的产品寿命年的产品寿命;20%20%的市场增长率的市场增长率;每年每年 2%2%的价格降低的价格降低.利润减少利润减少4%4%4%4%22%22%33%33%原因原因开发成本开发成本增加增加 50%50%制造成本制造成本增加增加 10%10%产品上市产品上市延迟延迟6 6个月个月时间作为竞争的决定性因素时间作为竞争的决定性因素来源来源来源来源:Bullinger:Bullinger:Bullinger:Bullinger 78 78 80 80 82 8284848686 88 88 90 90 92 92 9 9 9 94 964 962 2时间时间4 46 68 81010平均产品寿命平均产品寿命 TL TL平均开发时间平均开发时间 TD TDTD TLTD TL年数年数市场竞争的主要特点之一 产品寿命周期越来越短（销售一代、生产一代、研究一代、构思一代）？企业的竞争优势产品和服务产品和服务组织原则组织原则价值观和企业文化价值观和企业文化供应商和顾客供应商和顾客产品开发能力产品开发能力和制造过程和制造过程竞争优势创新能力时间时间二、二、CIMCIM的早期含义和的早期含义和CIMSCIMS的发展的发展CIMCIM（Computer Integrated Manufacturing）直译为计算机集成制造计算机集成制造。它是信息时代的一种组织、管理企业生产的理念一种组织、管理企业生产的理念。其最早的概念由美国人约瑟夫哈灵顿。Harrington)于 1973 年提出来的。哈灵顿认为企业生产的组织和管理应该强调两个观点,即一是整体观点整体观点,即系统观点系统观点,二是信信息观点息观点。实际上，两者都是信息时代组织、管理实际上，两者都是信息时代组织、管理生产最基本的生产最基本的,也是最重要的观点。也是最重要的观点。企业的各种生产经营活动是企业的各种生产经营活动是不可分割的，需要统一考虑不可分割的，需要统一考虑整个生产制造过程实质上是信息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的采集、传递和加工处理的过程概述概述-CIMCIM提出并得以实施的背景提出并得以实施的背景 计算机集成制造这一概念的提出是在1973年，而美国予以重视并大规模实施，是从1984年前后才开始的。二、二、CIMCIM的早期含义和的早期含义和CIMSCIMS的发展的发展 二战前后美国一直是制造业大国，在全球的制造业中具有不可动摇的地位。但是20世纪50年代以后出于军备竞争的需要，对产业进行了调整，偏重于高新技术和军用技术的发展，而放松了对一般制造业的重视和促进。另外在进入70年代中后期，由于信息产业的风起云涌，将将制造业，特别是传统产业，贬低为制造业，特别是传统产业，贬低为“夕阳工业夕阳工业”、“生生了锈的皮带了锈的皮带”,”,美国制造业的发展受到了前所未有的冷遇，甚至大学里不再开设关于制造技术和制造科学方面的课程。其带来的直接后果是，8080年代初开始的世界性的年代初开始的世界性的石油危机，暴露出美国制造业的优势已多数被日本所石油危机，暴露出美国制造业的优势已多数被日本所取代，到了取代，到了80年代中期后美国经济的缓慢发展同日本、欧洲各国的迅猛发展形成强烈的对比，美国制造业和美国经济在国际竞争格局中发生了地位上的改变。美美国报纸说：国报纸说：1010个高技术产品中的个高技术产品中的7 7个个 其市场已为日本其市场已为日本所占有：日本产品在美国人心目中已经成为质量好、所占有：日本产品在美国人心目中已经成为质量好、价格便宜的同义词。价格便宜的同义词。充当制造业“晴雨表”的汽车行业在美国本土遭受了严重的打击。直至90年代初，美国仍有14以上的国内汽车市场被日本汽车所占领；1986年美国一半以上的机床需要进口；同时第二、第三产业的比例出现了严重的失调。制造业霸主的地位易主导致国际贸易逆差剧增，经济空前滑坡。二、二、CIMCIM的早期含义和的早期含义和CIMSCIMS的发展的发展 因此80年代末期，美国反省因产业政策的失误而付出惨痛代价，要用其信息技术的优势夺回制造业的领导地位，认为“对 CIMS,不要再犹豫了!”(CIMS,no longer a choice!)美国先后推出了促进制造业发展的两项计划，即“先先进进制制造造技技术术计计划划”和“制制造造技技术术中中心心计计划划”，经过战略调整，美国在逐渐收复失地的同时巩固了其霸主的地位，出现了超常规的稳定发展期。按照这样的理念,采用信息技术实现集成制造的具体实现便是计算机集成制造系统 CIMS(Computer Integrated Manufacturing Systems)。概述概述-CIMCIM内涵的变化内涵的变化CIMCIM 是信息时代的一种组织、管理企业生产的理念是信息时代的一种组织、管理企业生产的理念CIMCIM技术技术 是实现是实现 CIM CIM 理念的各种技术的总称理念的各种技术的总称CIMS CIMS 是以是以CIMCIM为理念的一种企业的新型生产系统为理念的一种企业的新型生产系统对于 CIM 和 CIMS,至今还没有一个全世界公认的定义。实际上它的内涵是不断发展的。概述美国SME对CIMS的定义的第一个轮图(85年）设设计计管管理理加工制造加工制造技术信息技术信息市场信息市场信息原材料、外购件原材料、外购件产品产品网络、数据库网络、数据库在计算机技术的支持下在计算机技术的支持下,实现企业实现企业经营、生产等主要环节的集成经营、生产等主要环节的集成Society of Manufacturing Engineer(AWF)德国经济生产委员会（1985）提出 CIM的推荐定义:n“CIM是指在所有与生产有关的企业部门中集成地采用电子数据处理。CIM包括了在生产计划与控制、计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工艺规划(CAPP)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助质量管理(CAQ)之间信息技术上的协同工作,其中为生产产品所必需的各种技术功能和管理功能应实现集成。概述概述日本能率协会（1991）提出：为实现企业适应今后企业环境的经营战略,有必要从销售市场开始,对开发、生产、物流、服务进行整体优化组合,CIMS 是以信息作为媒介,用计算机把企业活动中多种业务领域及其职能集成起来,追求整体效益的新型生产系统。概述概述数据库19701975198019851990自动制图自动制图CADCAM数控数控刚性自动线刚性自动线成组工艺成组工艺机器人机器人加工中心加工中心FMSCAE实验室自动化实验室自动化CAT模糊控制模糊控制MRPJIT在线生产管理在线生产管理与与OA集成集成CIM“整体整体整体整体”和和和和“单元单元单元单元”的关系，日本生产自动化的发展的关系，日本生产自动化的发展的关系，日本生产自动化的发展的关系，日本生产自动化的发展设设计计生生产产生生产产管管理理企业的环境：迅速发展、少品种大批量、连续生产、提高作业效率企业的环境：迅速发展、少品种大批量、连续生产、提高作业效率生产类型：大批量生产体制（固定型自动化时代）生产类型：大批量生产体制（固定型自动化时代）企业的环境：稳步发展阶段、中品种中批量（企业的环境：稳步发展阶段、中品种中批量（JIT）、管理灵活性）、管理灵活性生产类型：中品种中批量形成阶段（半柔性自动化时代）生产类型：中品种中批量形成阶段（半柔性自动化时代）企业的环境：稳步发展阶段、多品种小批量、综合生产、经营战略灵活性企业的环境：稳步发展阶段、多品种小批量、综合生产、经营战略灵活性生产类型：多品种小批量短交货期限生产体制形成阶段（柔性自动化时代）生产类型：多品种小批量短交货期限生产体制形成阶段（柔性自动化时代）（OSA）欧共体 CIM 认为:CIM 是信息技术和生产技术的综合应用,旨在提高制造型企业的生产率和响应能力,由此,企业的所有功能、信息和组织管理方面都是集成进来的整体的各个部分。概述概述国际标准化组织 ISO（1992）认为：CIM 是把人和经营知识及能力与信息技术、制造技术综合应用,以提高制造企业的生产率和灵活性,由此将企业所有的人员、功能、信息和组织诸方 面集成为一个整体。概述概述美国 SME 于 1993年提出了CIMS 的第三版稿图这比其第一、二版有了较大的改变该轮图有6层。概述将顾客作为制造业一切活动的核心,强调了人、组织和协同工作,以及基于制造基础设施、资源和企业责任之下的组织、管理生产等的全面考虑。CIMCIM系统的技术组成系统的技术组成数据库通讯网络管理信息 系统工程设计 系统质量保证 系统制造自动化系统CAD/CAE/CAPP/CAM/DFXDNS/CNC/FMC/FMS/VMJIT/CE/AM/MIS/MRPII/BPR/ERP/CAQ/TQCCASE/PDM标准化/集成框架/建模技术/仿真技术CIMSCIMS解决的问题解决的问题CADCAMCAEQASMASMIS集成目的：正确的时刻正确的信息(物料）正确的形式正确的地点正确的人（或设备)分系统之间的逻辑关系分系统之间的逻辑关系工程设计分工程设计分系统系统制造自动化制造自动化分系统分系统经营经营管理管理分系分系统统质量质量保证保证分系分系统统 数据库分系统数据库分系统 计算机网络分系统计算机网络分系统市场信息市场信息技术信息技术信息功能分系统功能分系统支撑分系统支撑分系统售售后后服服务务信信息息分系统信息交换分系统信息交换 MASTISQASMIS产品质量控制信息产品质检报告产品质量控制信息制造计划产品质量管理信息设计生产计划产品工艺信息产品质量要求信息产品工程及工艺信息产品质量跟踪信息制造计划跟踪信息产品库存信息集成的三个阶段集成的三个阶段时间时间 CIMCIM集成集成 CIMCIM进展进展 物理系统集成物理系统集成l系统内部通讯（网络配置与管理）系统内部通讯（网络配置与管理）l数据交换规则与惯例数据交换规则与惯例l物理系统互连物理系统互连应用集成应用集成l可移式应用与分布系统可移式应用与分布系统l公共服务执行环境公共服务执行环境l公共（共享）数据资源公共（共享）数据资源经营（过程）集成经营（过程）集成l人的集成人的集成l基于知识的决策支持基于知识的决策支持l自动化的经营过程监控自动化的经营过程监控l生产和过程仿真生产和过程仿真CIMSCIMS集成模式之一集成模式之一第一阶段第一阶段FMSFMS加工系统加工系统工件流工件流刀具流刀具流信息流信息流最少的人最少的人工干预工干预系统方案系统方案人员柔性人员柔性设备柔性设备柔性柔性柔性CIMSCIMS集成模式之二集成模式之二第二阶段CAD/CAPP/CAMCADCAPPCAM产品数据模型CAPP数据文件CAM数据文件转换器转换器转换器标准格式文件数据库数据库2D/3D图形工艺规程NC程序CIMSCIMS集成模式之三集成模式之三第三阶段企业集成销销 售售 计计 划划 财财 务务 人人 事事物物 资资 车车 间间M I SPDMCADCAMCATCAECAPPEDA生生产产对对象象人人财财物物MRP物物 流流 控控 制制 系系 统统销销 供供 产产发货计划发货计划生产计划生产计划采购计划采购计划CIMSCIMS集成模式之四集成模式之四 七七第三阶段企业集成PDMERP ERPPDMERPERPPDMPDMERPPDMCIMSCIMS集成模式之八集成模式之八基于Web的跨企业集成制造商供应商合作伙伴客户产品协同商务产品协同商务CPCInternetPDM二、二、CIMCIM的早期含义和的早期含义和CIMSCIMS的发展的发展计算机集成制造系统ComputerComputer现代集成制造系统现代集成制造系统ContemporaryContemporary特征特征:集成集成使能技术使能技术:是计算机技术是计算机技术C Computer/ContemporaryIMS Integrated Manufacturing Systems特征特征:集成集成和优化和优化 使能技术使能技术:计算机技术计算机技术+系统技术系统技术计算机集成制造系统的技术构成计算机集成制造系统的技术构成对于离散型制造,它主要包括六类技术:(1)总体技术(2)支撑环境技术(3)设计自动化技术(4)加工生产自动化技术(5)经营管理与决策系统技术生产系统总体模式生产系统总体模式 :系统集成方法论系统集成方法论:系统集成技术系统集成技术:标准化技术标准化技术:企业建模和仿真技企业建模和仿真技术及术及 CIMS CIMS 系统开发系统开发与实施技术等与实施技术等生产系统总体模式生产系统总体模式生产系统总体模式生产系统总体模式:包括集成制造、包括集成制造、包括集成制造、包括集成制造、智能制造及绿色制造等模式智能制造及绿色制造等模式智能制造及绿色制造等模式智能制造及绿色制造等模式;系统集成方法论系统集成方法论系统集成方法论系统集成方法论:包括建立功能模包括建立功能模包括建立功能模包括建立功能模型、信息模型、组织模型、资源模型、型、信息模型、组织模型、资源模型、型、信息模型、组织模型、资源模型、型、信息模型、组织模型、资源模型、决策模型和动态模型等方法论决策模型和动态模型等方法论决策模型和动态模型等方法论决策模型和动态模型等方法论;系统集成技术系统集成技术系统集成技术系统集成技术:包括设计、生产、管理及包括设计、生产、管理及包括设计、生产、管理及包括设计、生产、管理及后勤等子系统间的集成技术后勤等子系统间的集成技术后勤等子系统间的集成技术后勤等子系统间的集成技术,企业三要素企业三要素企业三要素企业三要素 (经营、组织经营、组织经营、组织经营、组织(人人人人)及技术及技术及技术及技术)及三流及三流及三流及三流(物流、信息流、价值流物流、信息流、价值流物流、信息流、价值流物流、信息流、价值流)的集成技的集成技的集成技的集成技 术等术等术等术等;标准化技术标准化技术标准化技术标准化技术:包括产品信息标准、过程包括产品信息标准、过程包括产品信息标准、过程包括产品信息标准、过程信息标准、数据交换与格式标准、图形标信息标准、数据交换与格式标准、图形标信息标准、数据交换与格式标准、图形标信息标准、数据交换与格式标准、图形标准及零件库标准等技术准及零件库标准等技术准及零件库标准等技术准及零件库标准等技术;包括网络、数据库、集成平台包括网络、数据库、集成平台/框架框架,计算机辅助软件工程计算机辅助软件工程,产品数据管理产品数据管理(PDM),(PDM),计算机支持协同工作及人计算机支持协同工作及人/机接机接口等技术。口等技术。包括包括 CAD,CAPP,CAM,CAE,SBX(CAD,CAPP,CAM,CAE,SBX(基于仿真的基于仿真的设计制造设计制造)等。等。包括包括 DNC,CNC,FMC,FMS DNC,CNC,FMC,FMS 及及 RPM(RPM(快速成形快速成形制造制造)等技术。等技术。包括包括 MIS,OA,MRPII,CAQ,ERP,DEM MIS,OA,MRPII,CAQ,ERP,DEM 等技术。等技术。863/CIMS 主题还将 CIM 技术成功地推广到流程制造业,在流程制造业 CIMS 技术包括：(1)总体技术(2)支撑环境技术(3)经营管理与决策系统技术(4)生产过程控制技术过程检测、先进控制、故障诊断和面向生产目标的建模、优化集成控制技术等。计算机集成制造系统的技术构成计算机集成制造系统的技术构成产品形成过程在成本上的重要性产品形成过程在成本上的重要性开发设计生产准备与加工原材料与外购件的采购管理和销售010203040506070开发设计生产准备与加工原材料与外购件的采购管理和销售对成本的影响所需的工时成本 75%的错误是由产品形成阶段引起的 80%的修改工作是在产品制造阶段或后续阶段完成的0 0101020203030404050506060产品定义产品定义产品开发产品开发工艺规划工艺规划制造制造检验检验应用应用发生错误修改错误75%成本成本%80%产品形成过程在质量上的重要性产品形成过程在质量上的重要性0 0101020203030404050506060产品定义产品定义产品开发产品开发 工艺规划工艺规划制造制造检验检验应用应用成本成本%目标：避免错误或尽早修正错误目标：避免错误或尽早修正错误越晚修正错误，其造成的影响越大尽早发现错误，尽快修正错误尽早发现错误，尽快修正错误产品开发设计过程中的信息集成产品开发设计过程中的信息集成生产准备生产准备产品设计产品设计产品规划产品规划产品试验产品试验PDMPDM产品规划产品规划产品设计产品设计产品试验产品试验生产准备生产准备项目管理项目管理生产准备生产准备产品设计产品设计产品规划产品规划产品试验产品试验PDMPDM虚拟产品模型虚拟产品模型过程流过程流过程序列过程序列过程链过程链Internet/Intranet/Extranet企业战略的转变企业战略的转变竞争核心竞争核心产品发展战略产品发展战略技术重点技术重点过程重点过程重点组织重点组织重点利润利润市场份额市场份额有竞争优势的产品有竞争优势的产品的市场规模的市场规模产品上市时间产品上市时间产品创新产品创新较低的成本较低的成本提高生产能力提高生产能力数据共享数据共享知识管理知识管理串行的设计过程串行的设计过程并行工程并行工程企业间合作企业间合作面向部门面向部门面向过程面向过程虚拟企业虚拟企业198019801990199020002000Source:Gartner Source:Gartner GroupGroup三、三、CIMSCIMS在我国的发展背景在我国的发展背景 90年代中期，我国已成为全球最大的钢铁、煤炭生产国。在消费品生产领域也具有世界规模的制造业，例如，缝纫机的生产能力占全球的50，空调器占30，洗衣机占24，电冰箱占16，自行车占63，电视机超过50。当前制造业存在的主要问题 当前我国制造业当前我国制造业大而不强大而不强，主要问题是：，主要问题是：(1)(1)基础技术发展滞后，与装备工业的战略地位极不相称基础技术发展滞后，与装备工业的战略地位极不相称 装备工业基础落后，基础机械、机械基础件发展滞后，成为各类主机和重大技术装备技术进步的重要制约因素。具体表现在如下方面：（1 1）基础机械产品落后）基础机械产品落后 （2 2）机械基础件技术水平低）机械基础件技术水平低 （3 3）制造工艺及自动化技术水平低）制造工艺及自动化技术水平低 三、三、CIMSCIMS在我国的发展背景在我国的发展背景 (2)(2)产品水平低、技术结构落后产品水平低、技术结构落后 工业总体装备水平比世界发达国家落后2030年。在制造技术方面，我国装备工业整体制造水平仍处于机械化为主的阶段，设计手段落后，工艺装备水平低。从产品结构看，长期存在中低档、一般性的趋同，产品水平低、高技术产品少。三、三、CIMSCIMS在我国的发展背景在我国的发展背景国际竞争力和经营管理现状 n人均产值是发达国家的二十分之一n产品价格是发达国家的三分之二三、三、CIMSCIMS在我国的发展背景在我国的发展背景n产品寿命是发达国家的二分之一n资源消耗是发达国家的10倍以上n机器平均零部件数量是发达国家的九倍n采购、销售费用比率是发达国家的三倍n在制品和资金周转周期是发达国家三倍三、三、CIMSCIMS在我国的发展背景在我国的发展背景(3)(3)技术创新能力十分薄弱技术创新能力十分薄弱典型产品中技术典型产品中技术源于本国源于本国98.4%98.4%43%43%制造业新产品制造业新产品贡献率贡献率52%52%5.9%5.9%产品开发周期产品开发周期3-63-6个月个月 12-2412-24个月个月主导产品平均主导产品平均生命周期生命周期3 3年年10.510.5年年美国等发达国家美国等发达国家中国中国三、三、CIMSCIMS在我国的发展背景在我国的发展背景典型产品中技术典型产品中技术源于本国源于本国98.4%98.4%43%43%制造业新产品制造业新产品贡献率贡献率52%52%5.9%5.9%产品开发周期产品开发周期3-63-6个月个月 12-2412-24个月个月主导产品平均主导产品平均生命周期生命周期3 3年年10.510.5年年美国等发达国家美国等发达国家中国中国(4)(4)重要产品和工艺技术主要依靠从国外引进并陷入重要产品和工艺技术主要依靠从国外引进并陷入“恶性循环恶性循环”20世纪90年代，我国装备工业虽然能够提供经济建设所需的一些重大装备和产品，但技术仍主要依靠从国外引进技术仍主要依靠从国外引进，机械制造业中57%的产品产业化是在引进技术基础上完成的。我国装备工业的多数没有自己的技术中心，即使有也水平低，行业自身的自主开发和创新能力很弱，发电设备、轿车、仪器仪表、数控系统等主要产品的更新换代离不开从国外引进技术。由于长期重硬件轻软件、重引进轻消化吸收，加之国内自主开发和创新能力弱，技术改造又往往强调技术装备的更新，而忽视引进技术的消化吸收、创新，片面追求技术的先进性和规模化，致使装备工业陷入了“引进-落后-再引进”的恶性循环。三、三、CIMSCIMS在我国的发展背景在我国的发展背景 (5)(5)许多重大装备尚不具备研究开发与制造能力许多重大装备尚不具备研究开发与制造能力 我国装备工业的整体素质和产业技术水平不高，集中体现于重大技术成套装备严重满足不了国民经济重点工程建设的需要。许多重大技术装备，我国尚不具备研究开发与制造能力，不得不主要依靠进口。有数据表明：我国光纤制造装备的100%、集成电路芯片制造装备的85%、石油化工装备的80%，轿车制造、数控机床、纺织机械、胶印设备的70%被进口产品占领。而且，越是重要、高档、技术附加值越高的装备，进口就越多，自给率就越低。三、三、CIMSCIMS在我国的发展背景在我国的发展背景 (6)(6)体制不能适应形势的发展需求体制不能适应形势的发展需求 我国现有的制造业重点企业主要是国有企业，体制改革滞后，民营制造业企业比重小。？我国正在承接由发达国家和地区转移的部分制造业，因此我国已成为世界制造中心？加工中心？三、三、CIMSCIMS在我国的发展背景在我国的发展背景我国 863 计划 CIMS 主题专家组（1988）认为:“CIMS是未来工厂自动化的一种模式。它把以往企业内相互分离的技术(如 CAD,CAM,FMC,MRPII、)和人员(各部门、各级别),通过计算机有机地综合起来,使企业内部各种活动高速度、有节奏、灵活和相互协调地进行,以提高企业对多变竞争环境的适应能力,使企业经济效益取得持续稳步的发展。三、三、CIMSCIMS在我国的发展背景在我国的发展背景一是考虑了人一是考虑了人,二是将二是将 CIMS CIMS 的目标的目标(提高企提高企业对多变竞争环境的适应能力业对多变竞争环境的适应能力,使企业经济效使企业经济效益取得持续稳步的发展益取得持续稳步的发展)明确地表达出来明确地表达出来经过十多年的实践,我国863计划在1998年提出的新定义为:将将信息技术信息技术信息技术信息技术、现代管理技术现代管理技术现代管理技术现代管理技术和和制造技术制造技术制造技术制造技术相结合相结合应用于企业产品全生命周期的各个阶段应用于企业产品全生命周期的各个阶段应用于企业产品全生命周期的各个阶段应用于企业产品全生命周期的各个阶段通过通过信息集成信息集成信息集成信息集成、过程优化过程优化过程优化过程优化及及资源优化资源优化资源优化资源优化实现实现物流物流物流物流、信息流信息流信息流信息流、价值流价值流价值流价值流的的集成集成集成集成和和优化优化优化优化运行运行达到达到人人人人(组织、管理组织、管理组织、管理组织、管理)、经营经营经营经营和和技术技术技术技术三要素的集成三要素的集成以加强企业新产品开发的以加强企业新产品开发的T T T T、C C C C、Q Q Q Q、S S S S、E E E E从而提高企业的市场从而提高企业的市场应变能力应变能力应变能力应变能力和和竞争能力竞争能力竞争能力竞争能力三、三、CIMSCIMS在我国的发展背景在我国的发展背景 我国走了一条与国外相比有相当创新的发展道路。作为国家 863 计划的一个主题,从 1986 年立项,1987 年开始实施至今,CIMS 已 经在我国的机械、电子、航空、航天、轻工、纺织、石油、化工、冶金等主要制造行业中的二百多家企业中应用,绝大多数都取得了明显的经济效益和社会效益。对行业和地区的制造企业的信息化、现代化起了重要的牵引导向作用。三、三、CIMSCIMS在我国的发展背景在我国的发展背景从系统理论看现代集成制造系从系统理论看现代集成制造系统统是信息时代的一种是信息时代的一种先进生产系统先进生产系统设计设计制造制造管理管理这是一种对国家经济、安全至关重要的系统。这是一种复杂的人机大系统，提出了大量的尚待解决的新问题，包括许多理论问题。现代集成制造系统系统的复杂性系统的复杂性功能的复杂性:现代集成制造系统CIMS产品设计开发过程经营管理过程(包括销售及服务)生产加工制造过程包括产品从规划设计到最终交付用户使用的一切活动物流、信息流、资金流、工作流对象的复杂性:相当一部分过程和活动,很难完全用一般的动力学系统模型、离散事件系统模型及混杂系统模型来描述。系统的复杂性系统的复杂性随机性:影响系统性能的随机因素大量、经常存在,如市场、原材料零部件的供应、合同、价格、设备的损坏、人员的流动等等。系统的复杂性系统的复杂性目标/约束的多样性:企业市场竞争力的提高,表现在多个方面：如T(time,上市时间)Q(quality,质量)C(cost,成本)S (service,服务)K (knowledge,产品创新)E (environment,环境)解决这样的复杂系统的理论进展还大大落后于实际应用的需求。系统的复杂性系统的复杂性复杂问题求解的基本框架复杂问题求解的基本框架解决复杂解决复杂 制造系统的问题是一种综合问题的解决方法制造系统的问题是一种综合问题的解决方法,需要不同层次和不同方法的结需要不同层次和不同方法的结 合才能够取得满意的效果。合才能够取得满意的效果。企企业业诊诊断断需需求求分分析析已有先进设计、已有先进设计、管理、生产模管理、生产模式式创新的经营创新的经营管理理念管理理念技术创技术创新新知识创新知识创新经营管理理念经营管理理念Cax,ERP销售模式、供应销售模式、供应链、人员参与链、人员参与方法论指导方法论指导建模开开放放的的系系统统体体系系结结构构并行并行工程工程/基基础信础信息化息化/信信息集息集成成算算法法实现技术实现技术优化算法优化算法复杂制造系统的解决方案复杂制造系统的解决方案运行运行1.管理理念(生产组织模式)2.方法论（系统结构、建模）3.实现技术（网络、数字、虚拟、绿色、智能、集成）复杂问题求解的基本框架复杂问题求解的基本框架信息集成:异构环境下的信息集成包括：协议的共存与转换异种数据库的数据共享 应用软件的数据交换体现：集成平台和软总线技术。复杂问题求解的基本框架复杂问题求解的基本框架 过程重组和优化(并行工程):过程建模及优化 包括：上游过程考虑下游过程的设计工具DFX 虚拟制造装配 性能评估技术 计算机协同工作环境 体现：并行工程复杂问题求解的基本框架复杂问题求解的基本框架复杂问题求解的基本框架复杂问题求解的基本框架资源优化 动态联盟（敏捷制造)包括：网络化设计制造的支持工具 使能技术 网络安全 供需链管理 电子商务以及 CPC(cooperative product commerce)体现：更快地响应市场 4.4.数学等理论工具数学等理论工具解决系统的优化问题,这也是管理/控制的目的。复杂问题求解的基本框架复杂问题求解的基本框架4.数学等理论工具解决系统的优化问题,这也是管理/控制的目的,下面给出一些例子。(1)生产线的调度优化理论(机器不可靠有限缓冲器情况下的串行、并行、混合等生产线的调度问题)如最小化完工时间,最小化拖期任务数,带特殊工艺约束以及提前/拖期 等调度问题。多数情况下数学方法很难获得闭合解,数学计算和智能算法的结合往往是有效的。复杂问题求解的基本框架复杂问题求解的基本框架 (2）可重入流生产线的调度优化问题典型的问题是微电子生产线,优化指标是设备利用率、平均队长及等待时间(实际加工时间与理论加工时间之比)等,间接指标是质量等。生产线的投料策略(包括投料速度)及生产过程的调度策略。复杂问题求解的基本框架复杂问题求解的基本框架 (3)推/拉结合的生产计划与调度MRPII是美国制造业管理技术的精华,它把对最终产品的需求通过 BOM 展开为对零部件和原材料的需求,用物料投入的方式推动系统运行,故 称推式控制策略。JIT 是日本丰田的管理思想,用产品或成品的取出来拉动 系统运行,因此称拉式控制策略。将提前/拖期生产调度问题扩展为带有能力平衡约束的生产计划问题,提出了准时化生产计划方法,为用 JIT 的思想 改进 MRPII 开辟了一条新路。复杂问题求解的基本框架复杂问题求解的基本框架JITJIT的目标、方法与手段的目标、方法与手段目标：获取最大利润目标：获取最大利润方法：降低成本排除浪费方法：降低成本排除浪费适时适量适时适量弹性作业人数弹性作业人数质量保证质量保证Just in TimeJust in Time生产批量极小化生产批量极小化生产同步化生产同步化缩短作业更换时间缩短作业更换时间后工序领取后工序领取看板管理看板管理生产均衡化生产均衡化标准作业标准作业设备配置设备配置少人化少人化多面手多面手自动化自动化Pull(Pull(拉式拉式)管理模式管理模式需求预测需求预测主生产计划主生产计划产品产品生产排序表生产排序表最终装配最终装配装配装配原料原料加工加工看板看板看板看板实际生产数量实际生产数量生产指令生产指令市场市场到货到货采购采购Push(Push(推式推式)管理模式管理模式需求预测需求预测主生产计划主生产计划产品产品生产排序表生产排序表最终装配最终装配装配装配原料原料加工加工库存库存2 2库存库存1 1实际生产数量实际生产数量生产指令生产指令市场市场到货到货采购指令采购指令生产指令生产指令 (4)并行产品开发过程的调度优化问题 在考虑信息约束条件下,通过资源的优化配置，极小化产品设计开发时间。复杂问题求解的基本框架复杂问题求解的基本框架并行工程缩短产品开发周期并行工程缩短产品开发周期供应商供应商总体设计总体设计工程制图工程制图工艺设计工艺设计加工制造加工制造维修服务维修服务串行串行并行并行总体设计总体设计工程制图工程制图工艺设计工艺设计加工制造加工制造维修服务维修服务供应商供应商 (5)供需链管理中的优化问题供需链是描述商品需、产、供过程中各实体的活动及其相互关系的动态变化的网络。企业必然会从 小而全 、大而全 的生产结构调整为协作化产品制造的生产结构。这便形成了供需链。复杂问题求解的基本框架复杂问题求解的基本框架由于多种原因,企业在物料获取、加工和产品(零部件)配送过程中存在提前期的不确定性,因此安全库存和安全提前期可以缓解提前期变动的影响。围绕供需链的越来越广泛的应用,相关的优化问题也很多。例如，考虑运输时间服从一定的概率分布的前提下，如何在满足一定顾客服务水平的同时，实现库存费用极小化等。复杂问题求解的基本框架复杂问题求解的基本框架 (6)智能方法如人工神经网络、遗转算法、多智能体技术等,在解决上述应用问题时是有效的。理论参数计算与智能方法相结合是解决不必复杂问题的一种行之有效的办法。复杂问题求解的基本框架复杂问题求解的基本框架复杂问题求解的基本框架复杂问题求解的基本框架 验证：这一框架对于当前我国 CIMS 的研究和应用是有用的。理论理论技术技术水平水平应用应用从理论层次的深度而言，仍处于初始阶段从理论层次的深度而言，仍处于初始阶段在复杂制造系统这一领域，理论成果远远落后于企业实际的需求。控制科学，已经从对设备和一般的工业过程的控制发展到了对复杂的人机系统的控制。系统科学和控制科学面临新的发展机遇和挑战。并行工程、虚拟制造等在国际上处于先进水平并行工程、虚拟制造等在国际上处于先进水平引入并吸收了先进的现代管理方法，在正确的方法论及建模引入并吸收了先进的现代管理方法，在正确的方法论及建模工具指导下，领先实现技术，部分完成了企业的信息化取得的。工具指导下，领先实现技术，部分完成了企业的信息化取得的。因此,从四个层次（管理、方法论、实现技术、数学理论工具）的综合集成和综合管(理)控(制)框架,对于现代集成制 造系统这类复杂系统的分析和综合是有效的。复杂问题求解的基本框架复杂问题求解的基本框架我国我国 CIMS CIMS 的特点的特点我国 CIMS 的发展,没有走照搬照抄国外发展模式的路,而是结合国情,发挥优势并有所创新。“系统论”方法“系统论”是贯穿我国 CIMS 研究和发展的一条主线。从系统科学得益甚多。这是区别于国外 CIMS 的一个特点。我国我国 CIMS CIMS 的特点的特点系统论方法系统论方法强调系统分析和建模强调系统分析和建模强调集成和优化强调集成和优化强调协同强调协同强调强调“系统发展模式系统发展模式”1.强调系统分析和建模人们建立各种千变万化的具体系统，总是为了某个目标，为此需要对系统进行分析，因而系统系统建模或过程的过程的建模总是很重要的。分析及改造系统，目的是为了优化，因而约束条件下的系统优化往往是系统问题的核心。因而，在863/CIMS的实施中，关于系统联系、系统目标、系统约束、系统实现以及系统优化等概念，几乎是无处不在，渗透到了方方面面。我国我国 CIMS CIMS 的特点的特点 国内市场、全球市场、可持续发展以至知识经济这些更大的概念都会对企业系统产生重大影响。863/CIMS在确定某种特定技术的研究和应用时，总是从系统角度加以考察，这对该技术的发展一定会带来好处。我国我国 CIMS CIMS 的特点的特点系统联系、系统目标、系统约束、系统实现、系统优化系统联系、系统目标、系统约束、系统实现、系统优化CIMSCAD/CAPP/CAMCADCAD 可以作为一个系统来可以作为一个系统来处理，它往往又是处理，它往往又是 CAD/CAPP/CAM的一部分，的一部分，而后者又仅是企业而后者又仅是企业CIMS的的组成部分。而对企业组成部分。而对企业CIMS必须放在一个更大的系统必须放在一个更大的系统来考察来考察(确定目标、策略、确定目标、策略、组成组成)。2.强调集成和优化系统强调总体，单元技术强调局部。总体便需要集成，因此集成是 863/CIMS 从一开始便深入人心的基本共识。从集成出发，就需要企业的系统建模，就需要解决信息集成在异构环境下的关键技术。因此，系统技术、网络、数据库技术在 CIMS 中总是很重视的。另一方面，信息集成仅仅是构成系统的必要前提，因此系统的优化是其自然发展的结果。改变串行设计方式的并行工程，从系统优化角度考虑是十分自然的。我国我国 CIMS CIMS 的特点的特点企业外部资源更合理的运用，也属于系统优化概念的延续。像精简经营生产过程中一切不产生附加值的过程，即精良生产，从CIMS系统的观点来考虑，是非常容易被吸收的。BPR 也是一样的。又如德国人提出来的 独立制造岛,它可以是组织物流的一种可能的方式,只要符合企业需要,当然可以成为系统的一个可能的部分。我国我国 CIMS CIMS 的特点的特点独立制造岛独立制造岛社会生产实践表明：最有效益的企业：采用适度自动化技术的企业，特别是信息技术，能对企业整体进行全面科学管理和改造。最成功的企业 充分发挥人的潜力、特别是发挥人的智慧和技能的企业。企业的最终目的是同时获得最高的生产力，最佳的产品质量、尽可能大的生产柔性和迅速响应市场需求的应变能力。独立制造岛理论产生的社会背景近些年来，制造系统的新概念层出不穷。独立制造岛独立制造岛精益生产精益生产敏捷制造敏捷制造智能制造智能制造全能制造全能制造以技术为中心向以人为中心转变以技术为中心向以人为中心转变从强调分工向模糊分工转变从强调分工向模糊分工转变从金字塔的多层次生产结构向扁平的网状结构转变从金字塔的多层次生产结构向扁平的网状结构转变从传统的顺序工程向并行工程转变从传统的顺序工程向并行工程转变从固定的组织形式向动态的自主管理组织形式转变从固定的组织形式向动态的自主管理组织形式转变提提高高企企业业的的产产品品质质量量和和敏敏捷捷的的市市场场应应变变能能力力独立制造岛独立制造岛基础基础成组技术成组技术核心核心数控机床数控机床“独立制造岛独立制造岛”是一种面向是一种面向2121世纪的综合技术。世纪的综合技术。数控机床数控机床普通机床普通机床并存并存强调信息流的自动强调信息流的自动化，以软取胜，突化，以软取胜，突出以出以“人人”为中心为中心的生产方式。的生产方式。目标目标经济效益经济效益方法方法组织、人员、技术三者有机集成组织、人员、技术三者有机集成面向车间、权力下放，综合治理。面向车间、权力下放，综合治理。独立制造岛独立制造岛二、把一组适合加工若干族零件的机床集中在一起。二、把一组适合加工若干族零件的机床集中在一起。形成加工过程相对封闭的单元形成加工过程相对封闭的单元。三、由若干熟练工人组成的小组在计算机软件的支持三、由若干熟练工人组成的小组在计算机软件的支持下，下，相对独立自主地组织生产相对独立自主地组织生产。一、一、按照成组技术的原理按照成组技术的原理，根据零件的分类编号把零，根据零件的分类编号把零件划分为不同零件族。件划分为不同零件族。独立制造岛是以敏捷响应市场需求为目的以技术进步为手段以组织改革为保证实现高效益、高柔性、高质量的生产方式 在我国现有条件下推行这种先进制造技术，是实现计算机集成制造的一种初级模式，是实现敏捷制造和精益生产的第一步。独立制造岛独立制造岛独立制造岛的原理：充分发挥岛内人的智力作用，在计算机的支持下，通过对生产过程中信息的采集与反馈，形成岛内相对独立的闭环回路和企业中的局部调节回路。独立制造岛独立制造岛独立制造岛的理论突出了信