计算机集成制造系统.docx
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计算机集成制造系统
《先进制造系统》
期末考查
班级：
工业11-3班
姓名：
易康添
学号：
41
指导老师：
黄永生
机电工程学院
计算机集成制造系统
【摘要】计算机集成制造系统（CIMS）是企业自动化的发展趋势,它综合应用系统工程、计算机技术、管理技术、制造技术和自动化技术,使企业的所有资源集成于一体,优化运行,生产出优质、低耗、适应市场需要的产品,从而使企业赢得市场竞争。
CIMS作为一种先进的集成制造系统,不仅可以提高企业对多变的市场需求的响应速度,而且可以有效地提高企业的创新能力和竞争能力。
本文对CIMS概念的发展、CIMS的组成、关键技术、开发应用CIMS的主要方法、我国CIMS的现状进行了介绍，从而中国企业应大力推广和应用计算机集成制造系统。
【关键词】计算机集成制造系统（CIMS）；概念发展；功能组成；关键技术；主要方法；综合体现；CIMS的现状；未来发展
一、引言
计算机集成制造系统（CIMS），是随着计算机辅助设计与制造的发展而产生的，是在信息技术、自动化技术和制造的基础上，通过计算机技术把分散在产品设计与制造过程中各种孤立的自动化子系统有机地集成起来，形成适用于多品种、小批量生产，实现整体效益的集成化和智能化制造系统。
同其他具体的制造技术不同，CIMS着眼于从整个系统的角度来考虑生产和管理，强调制造系统整体的最优化，它像个巨大的中枢神经网络，将企业的各个部门紧密联系起来，使企业的各个部门紧密联系起来，使企业的生产经营活动更加协调、有序、高效。
实践证明，CIMS的正确实施将给企业带来巨大的经济效益和社会效益。
二、CIMS概念的发展
计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystem简称CIMS）最早由美国的约瑟夫·哈林顿博士于1973年提出的，哈林顿强调，一是整体观点，即系统观点，二是信息观点，二者都是信息时代组织、管理生产最基本、最重要的观点。
可以说，CIM是信息时代组织、管理企业生产的一种哲理，是信息时代新型企业的一种生产模式。
按照这一哲理和技术构成的具体实现便是CIMS。
1987年我国863计划CIMS主题专家组认为：
“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和人员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，使企业经济效益持续稳步地增长。
”
1991年日本能源协会提出：
“CIMS是以信息为媒介，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”。
1992年ISOTC184/SC5/WG1提出：
“CIM是把人、经营知识和能力与信息技术、制造技术综合应用，以提高制造企业的生产率和灵活性，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”。
1993年美国SME提出CIM的新版轮图。
轮图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、管理生产的全面考虑。
经过十多年的实践，我国863计划CIMS主题专家组在1998年提出的新定义为“将信息技术、现代管理技术和制造技术相结合，并应用于企业产品全生命周期（从市场需求分析到最终报废处理）的各个阶段。
通过信息集成、过程优化及资源优化，实现物流、信息流、价值流的集成和优化运行，达到人（组织、管理）、经营和技术三要素的集成，以加强企业新产品开发的T（时间）、Q（质量）、C（成本）、S（服务）、E（环境），从而提高企业的市场应变能力和竞争能力。
最后CIMS概念的总结：
CIMS是利用计算机技术,将企业的生产、经营、管理、计划、产品设计、加工制造、销售及服务等环节和人力、财力、设备等生产要素集成起来,进行统一控制,求得生产活动最优化的思想方法。
CIMS一般由集成工程设计系统、集成管理信息系统、生产过程实时信息系统、柔性制造工程系统及数据库、通讯网络等组成,学科跨度大,技术综合性强,它跨越与覆盖了制造技术、信息技术、自动化及计算机技术、系统工程科学、管理和组织科学等学科与专业。
早期的CIMS研究主要是针对离散工业的,相应的生产体现为决策支持、计划调度、虚拟制造、数字机床、质量管理等,核心技术难题在于计划调度和虚拟制造等。
而随着CIMS研究的进一步发展,人们将CIMS系统集成的思想应用到了流程工业中,也获得了良好的设计效果,而由于流程工业区别与离散工业的特征,使得流程工业CIMS技术主要体现在决策析、计划调度、生产监控、质量管理、安全控制等,其中核心技术难题在于生产监控和质量管理等。
CIMS是随着计算机辅助设计与制造的发展而产生的。
它是在信息技术自动化技术与制造的基础上，通过计算机技术把分散在产品设计制造过程中各种孤立的自动化子系统有机地集成起来，形成适用于多品种、小批量生产，实现整体效益的集成化和智能化制造系统。
三、CIMS的功能组成
按我国企业的实践经验，CIMS一般由六部分组成：
管理信息集成分系统、工程设计集成分系统、制造自动划集成分系统、质量保证集成分系统、计算机网络集成分系统和CIMS分数据库系统。
CIMS的功能组成如下图所示：
CIMS的功能组成
3.1管理信息集成分系统
管理信息集成分系统它的核心是MRP物料需求计划，ERP企业资源计划。
MRP物料需求计划是根据物料清单、库存数据和生产计划计算物料需求的一套技术。
MRP物料需求计划把主生产计划、物料清单和库存量分别存储在计算机中，经过计算，就可以输出一份完整的物料需求计划了。
除此之外，它还可以预测未来一段时间里会有什么物料短缺。
ERP具有很多的功能，
它有超越MPR||范围的基础功能。
支持混合范式的制造环境
支持能动的监控能力
支持开放的客户机/服务器计算环境。
除此之外还有主生产计划（NPS）物料清单（BOM）等等。
管理信息集成分系统如下图：
管理信息集成分系统基本结构
3.2工程设计集成分系统
工程设计集成分系统涉及到CAD/CAPP/CAM.集成系统，特征建模技术产品数据交换标准，CAD/CAPP/CAM.集成数据管理，组成技术，并行工程以及EDIS分系统外部接口。
计算机集成制造技术的发展综述我们重点谈论的是CAD/CAPP/CAM.
CAD/CAPP/CAM.集成系统是有CAD/CAPP/CAM.等子系统在分布式数据和计算机网络系统支持下组成。
CAD子系统及功能：
CAD完成产品的方案设计工程分析及优化和详细设计，通过设计评价决策在设计的有限次迭代，不断优化设计，直到获得满意的设计结果。
其主要功能包括：
三维几何造型：
对设计对象用计算机能够识别的方式进行描述。
有限元分析：
在产品几何模型的基础上，通过单元网络划分确定载荷及约束条件，自动生成有限元模型，并用有限元方法对产品结构的静，动态特性，强度振动热变形磁场强度，流场等进行计算分析，用不同的颜色描述结构应力，磁力热的分布情况，为设计人员精确研究产品结构的受力变形提供一个重要手段。
优化设计：
按设计对象建立优化的数学模型，包括目标函数和约束条件，然后选择合适的优化方法对产品的设计参数，方案或结构行进优化设计。
这也是保证现代化产品设计达到周期短质量高的重要技术手段。
CAD的鲜明特征主要有以下：
（1）强调产品设计过称中计算机的参与和支持。
（2）强调计算机的辅助作用。
（3）不可能也没有必要设计设计产品的所有环节。
CAD的关键技术的实现涉及到以下的关键技术：
（1）产品的造型建模技术。
（2）单一数据库与相关性设计。
（3）NURBS曲面造型技术。
（4）CAD与其他CAX系统的集成技术。
（5）标准化技术。
CAPP子系统及功能：
CAPP进行产品中各种领个的加工过程设计，完成工艺线路与工艺设计，产生工序图和工艺文件，向MIS、QIS、MAS各分系统提供所需要的工艺信息。
CAM子系统及功能：
CAM按照CAD产生的产品的几何信息和CAPP产生的工艺信息，完成零件的数控加工编程及刀具轨迹模拟，为车间提供数据加工指令文件和切屑加工时间等信息，以及人机交互方式，对机器人的动作编程，并进行仿真，以检查机器人的动作和实现机器人的在线控制。
CAM技术的联线应用时将计算机与制造过程直接相连接用以控制、监视和协调物料的流动过程。
3.3制造自动划集成分系统
制造自动划分系统是制造系统地硬件主体。
主要包括：
专用自动化机床，分布式数控系统（DNC），柔性制造单元（FMC）,柔性制造系统（FMS）等，它主要有以下几部分组成：
控制及信息处理部分；伺服装置部分；机械本体部分；传感检测部分。
先进制造设备优越性在于提高了劳动生产率，提高加工精度和产品质量，易于实现生产过程的柔性化，改善了劳动条件。
在CIMS环境中，MAS分系统运行过程的本质是产品的物化（形成）过程，MAS中的数据是连接产品设计、生产过程控制和实际产品加工制造之间的桥梁，即CIMS中的产品设计方案和工艺规划等工程信息是通过MAS信息转换为实际产品的。
3.4质量保证集成分系统
质量保证集成分系统的功能主要有：
（1）质量计划功能。
而其又包含检测计划生成，检测规则生成以及检测程序的生成。
（2）质量检测功能。
（3）质量评价与控制功能。
（4）质量信息管理功能。
企业CIMS的建立，不仅是通过质量保证分系统，提高产品的质量，通过其他分系统也会改善工作，提高产品质量。
质量保证集成分系统结构如下图所示
质量保证集成分系统结构
3.5计算机网络集成分系统
CIMS网络也是计算机网络，他又有其自身的特殊性，他并非是计算机网络公司售出的一种网络产品，而是一种用户根据企业的特点在总体设计的前提下适用当今的网络产品并予以实施的网络系统，没有一个标准的规范的CIMS网络产品，只有结合各企业目标和具体情况的特定CIMS网络。
CIMS网络特点首先CIMAS网络是在一个企业内部运行的计算机网络，它应归属计算机局部网络的范畴。
其次，CIMS集成的子系统包含工程设计、制造过车企业管理与决策三类职能性质不同的领域，他们对通信的要求，如吞吐量、时延，实时性、可靠性等都是不同的，相应的通信协议、拓扑结构、局网存取控制方法和网络介质等也往往都是各异的。
第三，由于CIMS是一个多层体系结构，子网和通信网的选择还要考虑适应系统结构层次上的更具体的需求。
第四，即使在同一服务类型，同一系统结构层次上，CIMS用户也面临着各种各样局网和通信产品的选择。
最后一点就是在各子网本身的组织上也面临倚重机连接的问题。
它的组建应同企业的其他通信设施和今后的综合业务数字网（ISDN）的发展统筹兼顾。
计算机集成制造CIMS网络包含了CIMS的子网单元技术，CIMS网络的工厂主干网。
网络系统的分析与设计方法以及CIMS网络协议软件，CIMS网络协议软件主要是适于生产环境的MAP/TOP协议，我国的上海交通大学计算机系历时7年开发的MinMAP/EAP协议是我国具有自主版权的网络协议软件。
MAP/TOP是实现CIMS的LAN协议，随着网络的扩大，后来的MAP/TOP网络协议得到了扩充和扩展。
例如MinMAP/EAP及现场总线（FieldBus）等就是其中的一部分。
3.6CIMS分数据库系统
数据库系统是CIMS环境中重要的支持系统。
企业在计算机网络系统的支持下，能实现各功能分系统的之间的互联和信息传输，而数据库技术必须采用才能有效地对企业中设计、生产和管理活动提供信息支持。
CIMS对数据库技术的需求主要表现在对异构硬件、软件环境下的分布数据管理，工程技术领域内的数据管理；CIMS各具单元有不同的管理能力，分区自治和统一运行，用户接口和数据标准化以及实时操作。
以上的介绍主要是关于计算机集成制造技术上逐渐发展起来的而现在被认为是不可分割计算机制造技术有机体，CIMS就是通过一个个有机体的紧密结合，一步步发展成为具有强大功能的计算机集成制造网络技术，这些只是一个过程，更多具体的内容在此我们不做更多的介绍，通过参考大量的文献资料我们只做一个点略式的叙述。
四、CIMS的关键技术
计算机集成制造系统是信息技术，先进的管理技术和制造技术在企业中的综合应用，按照CIM将企业经营活动中销售、设计、管理、制造各个环节统一考虑，在信息共享基础上，实现功能集成。
其内容包括管理信息系统（MIS）、工程设计集成系统（CAD/CAPP/CAM）、制造自动化系统（MAS/FMS）和质量管理系统（QMS）四个应用分系统及数据库和网络两个技术支持系统。
在工业发达国家起步较早，不少企业广泛应用了单元技术，但形成了自动化孤岛，要在异构环境下把这些孤岛集成起来，技术上有很大难度。
由此可见，CIMS的关键技术及核心是集成。
4.1共享数据库
网络和数据库是实现CIMS信息集成的支持工具,其中建立异构、分布、多库集成的数据库尤为关键。
（1）工程数据的集成工程数据库的研制，是整个数据库系统的关键，它既保证CAD、CAPP、CAM在集成环境下运行又要为整个CIMS系统的集成提供必要的信息。
通常专用的CAD数据库能管理CAD建立的图形文件及CAM建立的文本文件，但对设计过程中参数缺泛有力的支持，无法从CAD产生的结果中提取CAPP需要的特征。
为此，在专用数据库中建立各种规范及基于加工的特征图谱，并开发与通用关系数据库的专用接口。
形成CAD专用数据库和通用关系数据库共同管理的集成工程数据库。
（2）分布式数据的共享
CIMS工程中各功能分系统分布在不同结点的异构计算机系统上，分布在各节点上的物理数据具有逻辑性相关。
为使间题简单化，应尽量作到各结点在数据库上构成分布式的同构系统，除了参与本结点的局部应用外，还通过网络参与全局应用。
把数据存放在使用频率最高的结点，减少使用时作远地操作和长距离传送，改善响应时间，是进行数据分布设计的总原则。
分系统之间信息共享机制取决于它们之间信息互访的途径。
通常有远程查询和在远程结点建立副本二种。
无论哪种途径，其共享执行机理应有适当的执行指令和相应的存取控制机制组成。
数据共享的安全控制，要考虑到在整个分布式数据库中设置两个层次的存取控制。
一个是在各自结点上的存取控制，称之为局部安全控制模式，另一个是结点间数据互访的存取控制，称之为共享数据安全控制模式。
集成的CAD/CAPP/CAM、如何从CAD系统模型中获取CAPP所需的信息是目前研究CAD/CAPP集成的一个主要问题，也是CIMS集成的关键之一，现代商品化CAD软件虽然提供了良好的三维实体造型阮闭功能，并应用特征技术进行开发，如pro/E软件。
但仅限于形状造型，其造型特征与输出数据难以被CAPP系统提取。
加工特征不同于CAD造型特征，造型特征侧重于实体，加工特征测
重于型面，少数特征还可建立对应关系，大部分加工特征在特征层上难以建立对应关系，不少加工特征须将造型特征按面分解重新组合。
不控制零件的造型过程，而对其结果进行加工特征的自动识别与参数提取是一种希望达到的理想目标，但加工特征的非标准与不确定使之难以实现。
如何通过参数、参数类型、参数关系建立加工特征的识别算法则是关键所在。
加工特征的识别须从相应层上进行，有三种方式：
1）UDF方式：
即用户定义特征，实质是将造型与加工特征从标准的角度统一起来，把一些符合一般设计标准又与某种加工特征有明确对应关系的型面。
同时生成CAPP所需的参数便于提取；
2）AUTO方式：
即自动识别方式，主要解决可以与造型特征建立对应关系又有明确的识别规则的加工特征的识别与参数提取；
3）SELECT方式：
即通过已定义好的加工特征的图形化菜单，让用户按不同的加工特征用鼠标从零件模型上点取叩相应的型面支持菜单的一组程序，根据所选取的加工特征类型自动从模型中提取相应的对数并进行类型检查与重复提取校核。
（3）产品结构表（BOM）自动生成
在CIMS工程中，产品结构（BOM）是CAD产品设计的结果之一，也是管理信息系统（MIS）中主生产计划、物料需求计划、成本核算、物料管理等功能的主要信息依据。
故实现CAD和MIS之间信息共享，BOM自动生成和传输是关键。
产品是现实世界中的复杂对象，由部件和零件组成，而部件又可以由分部件或零件组成，零件可按其特征细化为基本件、标准件、外购件、焊接件等并形成树状结构，如下图所示。
图中每个结点除了物料号作为标识外还包括三部分信息：
图形信息、特征信息、零部件的连接关系。
特征信息构成了“物料”关系模式，零件的连接关系构成了“组合”关系模式。
为了使这些局部数据为整个CIMS共享，支持全系统的各项活动，必须把存入在图形中的三个数据结构中的数据提升到全局层，构成“物料”“组合”两个基表，作为全局信息。
对各节点判断工程图的张数，多图情况下，构成开多张图的队列。
接收模块把获得的全局信息分别插入“物料”表和“组合”表，然后对产品结构信息进行编辑，按产品、部件产生基本件、标准件、外购件明细表的汇总表，从而实现了从CAD分系统中产品结构（BOM）信息向（MRP）分系统建立和传输的全过程。
五、开发应用CIMS的主要方法
“CIMS决不是现有生产模式的计算机化和自动化，它是在新的生产组织原理和概念指导下形成的一种新型生产实体。
”因而发展CIMS决不能采用一般新技术的开发应用方法——只解决技术的开发和使用问题、而应采用—套能很好地解决组织管理、技术开发应用和人员培训等一系列问题的新方法。
目前国外开发应用CIMS比较好的部门和企业也还没有提出一套发展CIMS的完整方法。
这—问题仍需研究和探讨。
5.1组织管理方面
1.领导部门或工业系统的组织管理方法
（1）要建立强有力的领导班子。
（2）要认真制定目标、政策并加强宣传.
（3）要有必要的资金保证。
（4）要建立信息交流渠道。
（5）要重视建立各种集成标稚。
（6）要重视吸引和保留CIM技术人才。
（7）要强调多方面技术合作。
2.企业开发应用CIMS的组织管理方法
（1）要建立有职权的CIM领导班子。
（2）要符合公司战赂发展方向。
（3）要建立相适应的组织管理机构。
（4）要坚持使用已建立的新系统，推动它向前发展。
5.2规划设计方面
1.不可要求过高。
在规划设计时不要对CIMS提出不切合实际的过高要求，应认真分析整个生产过程，根据实际情况进行规划设计、否则会出现欲速则不达的后果。
2.不可机械地照搬别人系统。
约翰迪尔拖拉机公司认为：
什么系统都不能原封不动地照搬，因为即使是完全相同的CIMS，由于实施的时间、地点、技术、财力和组织等诸因素的改变，方案也必然会有所变化。
3.全面规划分期实现。
采用这一方法的原因有两个：
一是CIMS本身的特性——工厂全盘集成自动化。
另一个原因是因为它需要巨额资金，因而往往采用分阶段实施方法。
4.要高度重视各种标准的应用。
标准对规划设计具有特别重要的意义。
因为，对于任何—个CIMS规划设计方案来说，必须使用预先建立的评价标准来评价，如果没有评价标堆就很难确定所选保的规划设计方案是否是最佳方案，因而就不能保证CIMS的成功
5.3技术实施方面
1、应编制全面而详细的实施计划
为保证顺利地实施，首先应编制全面而详细的实施计划，并使计划公开。
应根据具体情况不断修改计划，以保证用所能得到的人力物力达到预期目的。
2、采取由小到大、先简后繁的分阶段实施方法以减少甚至避免实施风险。
3、定期收集实施工作进展情况，总结经验、吸取教训、改善管理。
4、技术人员不可频繁调动。
5.4人员培训方面
1.要高度重视人员培训问题
一个国家、一个部门乃至—个企业，要开发应用CIMS，就要有自己的专家、技术人员和熟练的操作人员，就要改变管理人员对CIMS的不正确看法，消除阻力；除此，还需要提高规划、设外和实施人员的工作效率，因此就必须对各类人员进行培训。
2.采取多种“人员培训”方式
现在人员培训方式较多，但基本方法有两种。
（1）企业本身负责培训和提高CIMS人员的业务水平
（2）设专门教育机构负责培训，例如美国IBM公司，该公司在美国选择48所2年制专科学校和4年制大学作为CIM教育基地。
六、计算机集成制造系统是工业工程的综合体现。
1974年,哈林顿博士提出了计算机集成制造的概念。
其基本观点如下:
企业生产的各个环节,即从市场分折,产品设计,加工制造,经营管理到售后服务的全部生产活动是一个不可分割的整体,要紧密连接,统一考虑。
整个生产过程实质上是一个数据采集、传递和加工处理的过程,最终形成的产品可以看作是数据的物质表现。
由此,我们可以看出,计算机集成制造系统在功能上包含了一个工厂的全部生产经营活动,即从市场预测、产品设计、加工制造、管理到售后服务的全部活动,是一个复杂的大系统。
在特征上,它涉及的自动化不是工厂各个环节的自动化或计算机化（又叫自动化孤岛）的简单相加,而是有机地集成。
这里的集成不仅是物、设备的集成,更主要的是体现以信息集成为特征的技术集成,以至人的集成。
所以我们可以得出这样一个结论:
计算机集成制造系统是以系统科学为理论基础,以现代制造技术,现代信息技术和现代管理技术为手段,对工厂全部生产活动的各分散自动化系统通过计算机及其软件将其有机地集成起来,以达到总体高效益,高柔性的智能型制造系统。
同时,还要说明一点:
计算机集成制造是组织、管理生产的一种哲理、思想和方法,而计算机集成制造系统则是这种思想的具体体现。
工业工程（IE）是不断发展的,从过去最初的单一技术内容逐渐发展成为一门完整的、系统的、综合性应用技术学科。
在这里,各种应用技术与方法得到综合应用。
其中,计算机集成制造系统（CIMS）较为完整地综合地体现了现代工业工程的内容,是工业工程（IE）学科发展的最新领域,它丰富和发展了工业工程的理论和方法,促进了工业工程的发展和完善。
目前虽然CIMS的应用对象,主要以离散型制造业为主,但已逐步开始向其它制造业方向发展。
CIMS作为一种哲理和方法,已经向人们展示出它的强大生命力,并以一种崭新的方式出现在制造业中。
六、我国CIMS的现状
进入20世纪80年代，发达国家经过几十年大工业生产的积累，人们的基本物质需要得到了相对满足。
为了适应人们日益多样化的需求，市场竞争空前激烈。
市场竞争和计算机技术的发展，引起了企业对CIM的强烈需求。
由于CIM对广大制造业企业的生存和发展具有战略意义，而制造业对一个国家的国民经济发展具有举足轻重的作用，因而工业发达国家先后对CIM的发展给予了很大关注，制订了长期发展规划，并采取切实有效的措施推进其在众多企业中的应用。
国外开展CIMS的研究与应用已有20多年历史。
世界各国都十分重视CIM等制造系统集成技术的研究与开发，欧、美等发达国家将CIM技术列入其高技术研究发展战略计划，给予重点支持。
我国开展CIMS研究与应用已有近20年的历史。
我国从1986年开始实施“高技术研究和发展计划（即863计划）”，CIMS是其中的一个主题。
863/CIMS的任务是促进我国CIMS的发展和应用。
从1990年开始，胜利炼油厂、中原制药厂、天津无缝钢管厂等企业已着手CIM计划，福建炼油厂和兰州化纤厂等一些连续生产企业已成功地实施了CIMS，取得了巨大的经济效益。
与国外CIMS的发展相比较，我国已在深度和广度上拓宽了传统CIM的内涵，形成了具有中国特色的CIM理论体系，目前，我国CIMS不仅重视了信息集
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