計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(computer integrated manufacturing
system)是現(xiàn)代信息技術(shù)條件下的新一代制造系統(tǒng)。它以計(jì)算機(jī)來輔助制造系統(tǒng)的集成，以充分的、及時(shí)的信息交流或信息共享將企業(yè)的設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)車間以及供銷和管理部門集成一個(gè)有機(jī)的整體，使他們相互協(xié)調(diào)地運(yùn)作，以提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高生產(chǎn)效率，確保企業(yè)的整體效益，提高企業(yè)競爭力和生存能力。
一、cims的提出和發(fā)展
1974年美國人約瑟夫·哈林頓博士在《computer integrated
manufacturing》一書中首先提出了計(jì)算機(jī)集成制造的概念。哈林頓提出的cim概念中有兩個(gè)基本觀點(diǎn)：
(1)
企業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，即從市場分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工制造、經(jīng)營管理到售后服務(wù)的全部生產(chǎn)活動(dòng)是一個(gè)不可分割的整體，要緊密連接，統(tǒng)一考慮。
(2)
整個(gè)生產(chǎn)過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)數(shù)據(jù)采集、傳遞和加工處理的過程。最終形成的產(chǎn)品可以看作是數(shù)據(jù)的物質(zhì)表現(xiàn)。
這兩個(gè)基本觀點(diǎn)至今仍是cims的核心內(nèi)容。
雖然，哈林頓是根據(jù)計(jì)算機(jī)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用而預(yù)見其必然發(fā)展趨勢提出cim概念的，但是當(dāng)時(shí)并未引起人們廣泛的注意，直到20世紀(jì)80年代初，這一概念才被廣泛接受，并把cims作為制造工業(yè)的新一代生產(chǎn)方式。這一結(jié)果并非偶然，它是科學(xué)技術(shù)發(fā)展和市場需求變化共同推動(dòng)的結(jié)果。
最近一個(gè)時(shí)期以來，隨著科學(xué)技術(shù)的加速發(fā)展，從技術(shù)的角度來看，至少具有以下三個(gè)突出的特點(diǎn)：
(1)
人類的活動(dòng)領(lǐng)域大大擴(kuò)展，日益涉及到宇宙、深海、沙漠、極地等過去人類很少或從未活動(dòng)過的領(lǐng)域，這些領(lǐng)域的特點(diǎn)是高負(fù)壓、微重力、高壓、高寒、高溫等。在這些超過人類正常體力所能承受的極限條件下活動(dòng)，要求實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化作業(yè)。
(2) 工業(yè)產(chǎn)品日益趨向復(fù)雜、精密、高可靠性、高安全性和高度自動(dòng)控制。
(3)
工業(yè)生產(chǎn)日益向高速度、高精度、高質(zhì)量加工方向發(fā)展，生產(chǎn)條件也越來越嚴(yán)格和嚴(yán)峻，要求在高負(fù)壓、高清潔度、高溫、深冷、高壓、高危險(xiǎn)性等條件下進(jìn)行作業(yè)。這種發(fā)展趨勢也要求實(shí)行高度自動(dòng)化作業(yè)，而且有越來越多的產(chǎn)品若不實(shí)行自動(dòng)化作業(yè)已不可能進(jìn)行生產(chǎn)。如加工精度為微米級(jí)甚至亞微米級(jí)的產(chǎn)品，不用在線測量、閉環(huán)控制的自動(dòng)化加工，是生產(chǎn)不出來的；又如核發(fā)電站不實(shí)行高度自動(dòng)化操作也是不可能實(shí)際使用的。
這三者是互相聯(lián)系，互相促進(jìn)的。它們有一個(gè)共同的發(fā)展趨勢，就是要求產(chǎn)品功能的自動(dòng)化。從這個(gè)意義上說，自動(dòng)化已成為現(xiàn)代化的同義語。
再從市場方面看。從70年代開始，世界市場發(fā)生了重大變化?？茖W(xué)技術(shù)飛速發(fā)展和社會(huì)需求多樣化的相互作用、相互促進(jìn)，使過去傳統(tǒng)的相對穩(wěn)定型市場變成動(dòng)態(tài)的、多變的市場，具體表現(xiàn)在：
(1) 產(chǎn)品的生命周期，即產(chǎn)品的更新?lián)Q代時(shí)間越來越短。
(2) 加劇了縮短從科學(xué)發(fā)展到技術(shù)應(yīng)用的周期的競爭。
(3)
產(chǎn)品的型號(hào)和規(guī)格日益增多，即使大規(guī)模生產(chǎn)的汽車工業(yè)也成了一種要求進(jìn)行多品種、小批量生產(chǎn)的典型行業(yè)。在1983年出版的《豐田生產(chǎn)方式的新發(fā)展》一書中曾作了一個(gè)統(tǒng)計(jì)用以說明這種情況(見表1)。
表1 3個(gè)月中生產(chǎn)的各車種型號(hào)數(shù)與生產(chǎn)臺(tái)數(shù)
基本車型
型 號(hào) 數(shù)
生產(chǎn)臺(tái)數(shù)
臺(tái)數(shù)／型號(hào)數(shù)
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
合計(jì)
32 100
364 000
11
從該表中可以看到，一種車型的產(chǎn)量最多是17臺(tái)，最少是6臺(tái)。平均是11臺(tái)。
(4)
市場五要素：品種、質(zhì)量、價(jià)格、交貨期、服務(wù)的競爭越來越激烈。
面對上述技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的新形勢，工業(yè)，特別是離散型工業(yè)(約占全部工業(yè)的50％)，必須尋求一種技術(shù)與管理高度結(jié)合的新的生產(chǎn)方式，才能在今后繼續(xù)發(fā)展。cims正是這樣一種新的生產(chǎn)方式。
計(jì)算機(jī)在各單元技術(shù)上的應(yīng)用，如cad、cam、工業(yè)機(jī)器人、fms、erp等，在縮短新產(chǎn)品研制周期，提高各種資源(設(shè)備、材料、能源、廠房、人力、資源、信息等)的利用率，制造高度精密、復(fù)雜的產(chǎn)品，縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)、工作效率，降低成本，增強(qiáng)市場應(yīng)變能力等方面，已給采用這些技術(shù)的企業(yè)帶來顯著的效益。但是人們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，這些自動(dòng)化單元技術(shù)的集成能夠帶來更高的技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的效益。
1985年，美國科學(xué)院根據(jù)對美國在cims方面處于領(lǐng)先地位的五個(gè)公司(麥克唐納——道格拉斯飛機(jī)公司、迪爾拖拉機(jī)公司、通用汽車公司、英格索爾公司和西屋公司)所進(jìn)行的長期調(diào)查和分析，認(rèn)為采用cims可以獲得如表2的效益。
這是因?yàn)榧啥鹊奶岣?，可以使各種生產(chǎn)要素之間的配置得到更好的優(yōu)化，各種生產(chǎn)要素的潛力可以得到更大的發(fā)揮，實(shí)際存在于工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)中各種資源的明顯的或潛在的浪費(fèi)可以得到最大限度的減少以至消除，從而可以獲得更好的整體效益。
表2 采用cims可獲得的效益
序 號(hào)
項(xiàng) 目
效益的提高
1
產(chǎn)品質(zhì)量提高
200%-500%
2
生產(chǎn)率提高
40%-70%
3
設(shè)備利用率提高
200%-300%
4
生產(chǎn)周期縮短
30%-60%
5
在制品減少
30%-60%
6
工程設(shè)計(jì)費(fèi)用減少
15%-30%
7
人力費(fèi)用減少
5%-20%
8
提高工程師的工作能力
300%-3
500%
技術(shù)上的可能和市場競爭的需要，終于使哈林頓在1974年提出的cim概念由不被重視而迅速地成為一些技術(shù)上處于先導(dǎo)地位的企業(yè)和一些國家政府的實(shí)踐活動(dòng)。世界上一些著名的大公司，從20世紀(jì)70年代末、80年代初開始制定本公司實(shí)現(xiàn)cims的規(guī)劃，建立cims的生產(chǎn)工廠(車間)，攻克實(shí)現(xiàn)cims的技術(shù)難關(guān)并且不斷取得重大進(jìn)展。一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家政府，如美國、日本、歐洲共同體和經(jīng)互會(huì)成員國，都把cims作為科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)戰(zhàn)略目標(biāo)，通過制定各種計(jì)劃、規(guī)劃，建立國家研究實(shí)驗(yàn)基地等手段積極推進(jìn)這一新的生產(chǎn)方式的發(fā)展。我國在1987年開始實(shí)施的“高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃綱要”中，也列入了cims的課題，一些部門、企業(yè)、研究所和高等院校也制定了自己實(shí)施cims的規(guī)劃、計(jì)劃，并從各個(gè)方面對cims有關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究、開發(fā)。
二、cims技術(shù)基礎(chǔ)
cim是企業(yè)組織、管理與運(yùn)行的一種新哲理，它運(yùn)用現(xiàn)代多種先進(jìn)科學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)企業(yè)的信息流、物質(zhì)流和價(jià)值流的集成和優(yōu)化運(yùn)行，是企業(yè)贏得市場競爭的經(jīng)營戰(zhàn)略思想。而cims是按照cim哲理建成的復(fù)雜的人機(jī)系統(tǒng)。它從企業(yè)的經(jīng)營戰(zhàn)略目標(biāo)出發(fā)，綜合考慮企業(yè)中人、技術(shù)、資源和管理的作用，綜合應(yīng)用多種先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營全過程中的信息流和物質(zhì)流的結(jié)成，在控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和管理下，使產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本、生產(chǎn)周期等諸多方面達(dá)到全局最優(yōu)，為企業(yè)帶來更大的緊急效益。其具有兩個(gè)基本特征：
⑴在功能上，cims包含整個(gè)工廠的全部生產(chǎn)經(jīng)營活動(dòng)。即從市場需求分析、生產(chǎn)經(jīng)營決策、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工制造、質(zhì)量管理、經(jīng)營銷售等一直到售后服務(wù)全部活動(dòng)。
⑵cims與傳統(tǒng)的自動(dòng)化有所不同，其范圍及復(fù)雜程度要大的多。cims涉及的自動(dòng)化不是工廠各個(gè)環(huán)節(jié)的自動(dòng)化或計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)的簡單相加，而是有機(jī)的集成，這里的集成，不僅是物料、設(shè)備的集成，更主要的是體現(xiàn)以信息集成為本質(zhì)的技術(shù)集成，人的結(jié)成。
一．cims的基本構(gòu)成
由于cims是發(fā)展中的技術(shù)，它的組成還沒有統(tǒng)一的模式，但是根據(jù)前面敘述的概念，可以從生產(chǎn)的過程中各個(gè)主要的職能計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)及數(shù)據(jù)和通信的支撐系統(tǒng)等不同角度。把cims看成是由以下四個(gè)系統(tǒng)組成：
⑴集成化工程設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)（cad、cam、capp、cae）
⑵集成化生產(chǎn)管理系統(tǒng)（capm或mis）
⑶柔性制造系統(tǒng)（fms、fmc）
⑷數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)（db、nw）
cims包含了一個(gè)制造工廠的設(shè)計(jì)、制造、質(zhì)量控制、經(jīng)營管理四種主要功能。要使這四種功能集成起來，還需要計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫及柔性制造系統(tǒng)作為支撐環(huán)境。
三、cims的主要功能模塊
在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和分布式工程數(shù)據(jù)庫的支持下，cims由四個(gè)基本功能模塊組成：
1．工程設(shè)計(jì)自動(dòng)化分系統(tǒng)
該系統(tǒng)通常又可以稱為cad/cam/cae分系統(tǒng)，其基本功能為：⑴服務(wù)與產(chǎn)品生命周期的產(chǎn)品建模，生成基于step標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，為結(jié)成工程分析提供分析模型，產(chǎn)生裝配圖，零件圖等各種設(shè)計(jì)文檔，為capp，caip提供零件幾何拓?fù)湫畔?，加工工藝信息和檢測信息，為cims提供管理所需要的信息。⑵所謂cad/cae/capp/cam集成的實(shí)現(xiàn)是指通過信息交換、共享技術(shù)將個(gè)分系統(tǒng)有機(jī)的集成在一起。
2．制造自動(dòng)化分系統(tǒng)（mas）
mas是工廠生產(chǎn)經(jīng)營活動(dòng)的基礎(chǔ)。制造系統(tǒng)的柔性自動(dòng)化標(biāo)志著工廠自動(dòng)化進(jìn)入一個(gè)新的階段，產(chǎn)品的市場競爭能力與mas密切相關(guān)。mas具備以下基本功能：⑴實(shí)現(xiàn)mas的遞階結(jié)構(gòu)控制、優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度。⑵工具、夾具、量具集中管理與調(diào)度。⑶滿足多種小批量生產(chǎn)的需求，實(shí)現(xiàn)加工過程的柔性化。⑷信息采集自動(dòng)化，加強(qiáng)工件檢測，刀具監(jiān)控和鼓掌診斷的功能，使工作可靠，保證無鼓掌運(yùn)行。⑸對零件加工質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并反饋給質(zhì)量保證系統(tǒng)。
3．質(zhì)量保證分系統(tǒng)
根據(jù)全面質(zhì)量管理的要求，質(zhì)量系統(tǒng)應(yīng)貫穿與產(chǎn)品生產(chǎn)的全過程，也就是說不僅要處理生產(chǎn)制造過程中的質(zhì)量問題，還必須對整個(gè)企業(yè)的運(yùn)行狀況和各個(gè)管理環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)控、發(fā)揮信息和資源高度集成的特點(diǎn)，通過人機(jī)結(jié)合，對質(zhì)量環(huán)節(jié)上的各項(xiàng)質(zhì)量信息進(jìn)行采集、處理和反饋，提高信息管理水平。其基本呢功能如下：⑴協(xié)調(diào)并組織與產(chǎn)品有關(guān)的個(gè)部門實(shí)施全面質(zhì)量管理。⑵根據(jù)用戶和市場變化，以及企業(yè)質(zhì)量技術(shù)狀況和工程設(shè)計(jì)分析的要求，進(jìn)行質(zhì)量規(guī)劃、制定產(chǎn)品和設(shè)備，工具、夾具、量具檢測規(guī)劃和要求。⑶對采集的質(zhì)量信息進(jìn)行分析，并對設(shè)計(jì)、工藝提出改進(jìn)建議，對生產(chǎn)過程提出響應(yīng)的控制。⑷對質(zhì)量信息通過計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量管理，全面支持質(zhì)量最優(yōu)決策。⑸實(shí)施質(zhì)量成本的有效古那里分析。
4．經(jīng)營管理信息分系統(tǒng)（mis）
經(jīng)營管理信息分系統(tǒng)是企事業(yè)單位的一種現(xiàn)代優(yōu)化工具，在cims環(huán)境下，建立的mis是一個(gè)以縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期、降低成本、減少流動(dòng)資金、提高企業(yè)凈盡效益和應(yīng)變能力為主要目的，并以計(jì)劃管理為中心，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和分布式數(shù)據(jù)庫支撐下，與cims中其它分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成，其核心是適用于各個(gè)進(jìn)程的決策支撐系統(tǒng)。