機(jī)械制造技術(shù)

PAGEPAGE2PAGE機(jī)械制造技術(shù)：現(xiàn)代制造系統(tǒng)的生產(chǎn)模式一、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）1．概述計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，是計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的主要分支技術(shù)之一。對于CIMS的認(rèn)識，一般包括以下兩個基本要點(diǎn)：（1）企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的各個環(huán)節(jié)，如市場分析預(yù)測、產(chǎn)品設(shè)計、加工制造、經(jīng)營管理、產(chǎn)品銷售等一切的生產(chǎn)經(jīng)營活動，是一個不可分割的整體。（2）企業(yè)整個生產(chǎn)經(jīng)營過程從本質(zhì)上看，是一個數(shù)據(jù)的采集、傳遞、加工處理的過程，而形成的最終產(chǎn)品也可看成是數(shù)據(jù)的物質(zhì)表現(xiàn)形式。因此對CIMS通俗的解釋可以是“用計算機(jī)通過信息集成實現(xiàn)現(xiàn)代化的生產(chǎn)制造，以求得企業(yè)的總體效益?！盋IMS是基于現(xiàn)代管理技術(shù)、制造技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)的一門綜合性技術(shù)。CIMS是現(xiàn)代制造企業(yè)的一種生產(chǎn)、經(jīng)營和管理模式。在CIMS的研究和實施中之分強(qiáng)調(diào)“信息流”和“系統(tǒng)集成”兩個基本點(diǎn)。我們可以把CIMS的關(guān)鍵技術(shù)“集成”理解成：⑴人員集成管理者、設(shè)計者、制造者、保障者以及用戶應(yīng)集成一個協(xié)調(diào)整體。⑵信息集成產(chǎn)品生產(chǎn)周期中各類信息的獲取、表達(dá)、處理和操作工具集成為一體，組成統(tǒng)一的管理控制系統(tǒng)。⑶功能集成產(chǎn)品生產(chǎn)周期中，企業(yè)各部門功能集成，以及產(chǎn)品開發(fā)與外部協(xié)作企業(yè)間功能的集成。⑷技術(shù)集成產(chǎn)品開發(fā)過程中，涉及的多學(xué)科以及各種技術(shù)、方法的集成，并形成集成的知識庫和方法庫，以利于CIMS的實施。2．CIMS的系統(tǒng)構(gòu)成CIMS包括工廠企業(yè)設(shè)計、生產(chǎn)及經(jīng)營等全部活動，制造型企業(yè)的CIMS功能模型通常包括以下七個應(yīng)用（功能）分系統(tǒng)。⑴經(jīng)營管理與決策分系統(tǒng)經(jīng)營管理與決策分系統(tǒng)是企業(yè)在管理領(lǐng)域中應(yīng)用計算機(jī)系統(tǒng)的總稱。其功能覆蓋市場銷售、物料供應(yīng)、各級生產(chǎn)計劃與控制、財務(wù)管理、成本、庫存和技術(shù)管理等內(nèi)容，是以經(jīng)營生產(chǎn)計劃、主生產(chǎn)計劃、物料需求計劃、能力需求計劃、車間計劃、車間調(diào)度與控制為主體形成的閉環(huán)一體化經(jīng)營管理與決策系統(tǒng)。它在CIMS中相當(dāng)于神經(jīng)中樞，指揮與控制各個部分有條不紊地工作。⑵設(shè)計自動化分系統(tǒng)設(shè)計自動化分系統(tǒng)是在產(chǎn)品開發(fā)過程中引入計算機(jī)技術(shù)而形成的系統(tǒng)，包括計算機(jī)輔助的產(chǎn)品概念設(shè)計、工程與結(jié)構(gòu)分析、產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計與數(shù)據(jù)編程等內(nèi)容，通常劃分為CAD、CAPP、CAM，工程數(shù)據(jù)管理等子系統(tǒng)，子系統(tǒng)之間強(qiáng)調(diào)信息的連續(xù)流動和共享，即CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)集成。⑶制造自動化分系統(tǒng)CINS中制造自動化分系統(tǒng)是CIMS環(huán)境下的制造設(shè)備、裝置、工具、人員、相應(yīng)信息以及相應(yīng)的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和組織管理模式所組成的系統(tǒng)。制造自動化分系統(tǒng)一般包括5個子系統(tǒng)：制造設(shè)備子系統(tǒng)、物料運(yùn)輸與存儲子系統(tǒng)、能量流子系統(tǒng)、制造信息子系統(tǒng)、制造過程生產(chǎn)計劃調(diào)度與控制子系統(tǒng)。⑷質(zhì)量保證分系統(tǒng)質(zhì)量保證分系統(tǒng)主要是采集、存儲、評價與處理存在于設(shè)計、制造過程中與質(zhì)量有關(guān)信息。從而進(jìn)行一系列的質(zhì)量決策和控制，有效地保證質(zhì)量并促進(jìn)質(zhì)量的提高。質(zhì)量保證分系統(tǒng)包括質(zhì)量監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量評價、質(zhì)量決策、質(zhì)量控制與跟蹤等功能。⑸支撐分系統(tǒng)支撐分系統(tǒng)由數(shù)據(jù)子系統(tǒng)和計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)組成。⑹數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)為核心，由與數(shù)據(jù)庫有關(guān)的計算機(jī)硬件、軟件、數(shù)據(jù)集合以及應(yīng)用人員組成的為CIMS提高信息服務(wù)的系統(tǒng)。信息服務(wù)通常包括對數(shù)據(jù)的定義、組織、存放、查找、維護(hù)和傳遞等功能。數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)是CIMS的信息管理和控制中心，具體執(zhí)行各種制造新鮮的管理、傳遞和交換任務(wù)。⑺計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)計算機(jī)通信往來子系統(tǒng)為CIMS中信息的傳遞、交換和共享提供必要的信息通道及控制機(jī)制，是信息集成得以實現(xiàn)的載體。計算機(jī)通信往來子系統(tǒng)使整個制造系統(tǒng)實現(xiàn)資源共享，提高系統(tǒng)的可靠性，并且使各個分系統(tǒng)之間方便、及時地進(jìn)行信息交流。3．CIMS的成功應(yīng)用⑴早在1985年，美國科學(xué)院對美國在CIMS方面處于領(lǐng)先地位的五家公司--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、英格索爾銑床公司和西屋公司進(jìn)行調(diào)查和分析，他們認(rèn)為采用CIMS可以獲得如下收益：產(chǎn)品質(zhì)量提高200%～500%；生產(chǎn)率提高40%～70%；設(shè)備利用率提高200%～300%；生產(chǎn)周期縮短30%～60%。⑵在我國，成都飛機(jī)工業(yè)公司自1989年開始開展CIMS工程，經(jīng)過10年的發(fā)展完善，使得企業(yè)在產(chǎn)品制造能力和公司管理水平方面上了一個新臺階，從而贏得了國外航空產(chǎn)品轉(zhuǎn)包生產(chǎn)的訂單，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。10年來，企業(yè)僅在網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫方面累計投資就超過2000萬元，但是企業(yè)CIMS工程總設(shè)計師錢應(yīng)璋女土認(rèn)為當(dāng)初的投資在今天得到了回報。企業(yè)目前很好地實現(xiàn)了信息共享和集成，并且利用開放系統(tǒng)避免建設(shè)信息孤立島，省去了大量的重復(fù)性勞動。但是，對于系統(tǒng)的建設(shè)完善，錢應(yīng)璋女土認(rèn)為CIMS工程要分為一期、二期、三期，不斷進(jìn)行，要不斷地推動系統(tǒng)走向?qū)嵱没?，逐步獲得效益。4．CIMS研究和應(yīng)用中需注意的幾個問題⑴CIMS不是無人化工廠在CIMS研究初期，人們曾認(rèn)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(jìn)行了反思，并對人在CIMS中的重要作用進(jìn)行重新認(rèn)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(qiáng)調(diào)信息集成和功能集成。⑵CIMS沒有統(tǒng)一模式CIMS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)僅針對一般情況，不同的企業(yè)類型，不同的生產(chǎn)方式，其CIMS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是不一樣的。實際應(yīng)用中不應(yīng)求全和統(tǒng)一，而應(yīng)根據(jù)企業(yè)實際決定其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。⑶CIMS在應(yīng)用工程中應(yīng)強(qiáng)調(diào)結(jié)合實際，總體規(guī)劃，分步實施。CIMS是一個復(fù)雜的制造系統(tǒng)工程，工程投資大，投入人員多，開發(fā)周期長，因此，必須在總體規(guī)劃的基礎(chǔ)上，根據(jù)企業(yè)的財務(wù)和物力，分布實施，重點(diǎn)突破，既要保證系統(tǒng)的實用有效，又要保證系統(tǒng)的集成。二、并行工程系統(tǒng)（CE）1．并行工程的定義和內(nèi)涵1988年美國國家防御分析研究所（IDA）完整地提出了并行工程（CE）的概念，即“并行工程是集成地、并行地設(shè)計產(chǎn)品及其相關(guān)過程（包括制造過程和支持過程）的系統(tǒng)方法。這種方法要求產(chǎn)品開發(fā)人員在一開始就考慮產(chǎn)品整個生命周期（從概念形成到產(chǎn)品報廢）中的所有因素，包括質(zhì)量、成本、進(jìn)度計劃和用戶要求?！辈⑿泄こ痰哪繕?biāo)：⑴提高全過程（包括設(shè)計、工藝、制造、服務(wù)）中全面的質(zhì)量；⑵降低產(chǎn)品全生命周期中的成本（包括產(chǎn)品是合件、制造、發(fā)送、支持、客戶使用至產(chǎn)品報廢等成本）；⑶縮短產(chǎn)品研制開發(fā)周期（包括減少設(shè)計反復(fù)、降低設(shè)計時間、生產(chǎn)準(zhǔn)備時間、制造時間、發(fā)送時間等）。2．并行工程的運(yùn)行機(jī)理和工作模式所謂串行工程是前一工作環(huán)節(jié)完成之后才開始后一工作環(huán)節(jié)的工作，各個工作環(huán)節(jié)的作業(yè)時序上沒有重復(fù)和反饋。串行工程的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)前后脫節(jié)，設(shè)計改動量大，產(chǎn)品的開發(fā)周期長、成本高。而并行工程是將時間上先后的知識處理和作業(yè)實施過程轉(zhuǎn)變?yōu)橥瑫r考慮和盡可能的同時處理的一種作業(yè)方式。并行工程在產(chǎn)品設(shè)計階段就同時進(jìn)行工藝過程設(shè)計，考慮產(chǎn)品整個生產(chǎn)周期的所在因素，大大縮短產(chǎn)品投放市場的時間，這種方法在日、美企業(yè)中已得到了廣泛的應(yīng)用。并行工程是一種經(jīng)驗哲理，采用并行的發(fā)明故事，在產(chǎn)品設(shè)計階段就集中產(chǎn)品研制周期中的各有關(guān)工程技術(shù)人員，同步地設(shè)計或考慮整個產(chǎn)品生命同期中的所有因素，對產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、裝配設(shè)計、檢驗設(shè)計、售后服務(wù)方案等進(jìn)行統(tǒng)籌考慮、協(xié)同進(jìn)行。?????CIMS作為制造系統(tǒng)為并行工程的應(yīng)用提供了理想的集成環(huán)境，并行工程作為CIMS的一種補(bǔ)充，能更好地解決CIMS產(chǎn)品開發(fā)過程的問題。3．并行工程的特點(diǎn)和效益⑴并行工程的特點(diǎn)是：①強(qiáng)調(diào)合作精神和工作方式②強(qiáng)調(diào)設(shè)計過程的并行性并行性有兩個方面的含義：一是在設(shè)計過程中通過專家把關(guān)，同時考慮產(chǎn)品生命周期的各個方面；二是在設(shè)計階段同時進(jìn)行工藝過程設(shè)計，并對工藝設(shè)計的結(jié)果進(jìn)行計算機(jī)仿真，直至用原型法生產(chǎn)出產(chǎn)品的樣品。③強(qiáng)調(diào)設(shè)計過程的快速“短”反饋并行工程強(qiáng)調(diào)對設(shè)計結(jié)果及時審查，并及時反饋給設(shè)計人員，可以大大縮短設(shè)計時間，還可以保證將錯誤消滅在“萌芽”階段。④強(qiáng)調(diào)設(shè)計過程的系統(tǒng)性設(shè)計、制造、管理等過程不再是一個個相互獨(dú)立的單元，而是將其納入一個系統(tǒng)考慮。設(shè)計過程不僅是得出圖樣和其他設(shè)計資料，還要考慮質(zhì)量控制、成本核算、進(jìn)度計劃等。⑵實施并行工程可以取得的效益：①縮短產(chǎn)品投放市場的時間；②降低成本；③提高質(zhì)量；④保證功能的實用性；⑤增強(qiáng)市場競爭能力。4．并行工程的工程實現(xiàn)采用CE后取得的成效要通過工程實現(xiàn)來體現(xiàn)。實施CE必須要有合適的CE環(huán)境與條件、實施策略與步驟、實施框架及相應(yīng)的工具和技術(shù)。⑴CE環(huán)境在產(chǎn)品的整個生命周期中，特別是對于產(chǎn)品的設(shè)計，CE環(huán)境主要包括：①統(tǒng)一的產(chǎn)品模型。統(tǒng)一的產(chǎn)品模型保證了產(chǎn)品信息的惟一性，并必須有統(tǒng)一的企業(yè)知識庫，使工作人員能用一種“語言”進(jìn)行協(xié)同工作。②一套高性能的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。讓工作人員能在各自的工作站或微機(jī)上進(jìn)行仿真，或利用各自的CAD，CAM，CAPP系統(tǒng)。③一個交互式、良好的用戶界面，實現(xiàn)CAD，CAM，CAE系統(tǒng)的集成，有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫和知識庫，使工作人員能同時以不同角度參與或解決各自的設(shè)計問題。在CE環(huán)境中，企業(yè)要采用計算機(jī)仿真技術(shù)模擬生產(chǎn)過程，實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計，省去了傳統(tǒng)的從設(shè)計到制作樣品的過程，既縮短了時間，降低了成本，又保證了設(shè)計質(zhì)量。⑵實施CE步驟CE實施過程可分為三個階段：①規(guī)劃階段，對集成CE的信息系統(tǒng)進(jìn)行自頂向下的分析；②開發(fā)階段，采集和開發(fā)由現(xiàn)有的設(shè)計、開發(fā)和生產(chǎn)方法到CE方法所需的技術(shù)和手段。③實施階段，包括采購和安裝所需的硬件，調(diào)整相應(yīng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)以適應(yīng)新的設(shè)計方法和管理，訓(xùn)練人員以適應(yīng)新的崗位。⑶CE的集成框架一個集成框架系統(tǒng)可以包括以下幾個層次：①集成框架環(huán)境層提供系統(tǒng)集成的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，以支持異構(gòu)環(huán)境和系統(tǒng)的集成與互聯(lián)，它是整個集成框架實現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)和環(huán)境。集成框架支撐環(huán)境是面向?qū)ο蟮奶幚矸?wù)層，其目的是將通用對象服務(wù)從多種獨(dú)立的語言及某種專用語言的運(yùn)行環(huán)境中獨(dú)立出來，封裝并集成到系統(tǒng)中，以實現(xiàn)異構(gòu)部件的集成和互操作。集成框架環(huán)境層的重要支撐技術(shù)就是客戶/服務(wù)器技術(shù)和面向?qū)ο蠹夹g(shù)，二者的結(jié)合就形成了分布式對象技術(shù)。分布式對象技術(shù)始于90年代初，已經(jīng)發(fā)展成為當(dāng)今分布異構(gòu)環(huán)境下建立應(yīng)用系統(tǒng)集成框架和標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的核心技術(shù)，已經(jīng)在企業(yè)集成、集成化的分布式環(huán)境管理、軟件構(gòu)件技術(shù)等方面發(fā)揮重要作用。實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)集成和即插即用的一個關(guān)鍵是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和相應(yīng)的支持軟件。近幾年國際上研究較多，出現(xiàn)了一些規(guī)范和產(chǎn)品。②系統(tǒng)平臺層基于集成框架環(huán)境層所提供的技術(shù)支持，提供軟硬件支撐平臺和集成軟件接口，建立各分系統(tǒng)之間信息集成與共享、過程集成和生命周期數(shù)據(jù)管理的軟總線，使各應(yīng)用工具按照面向?qū)ο蟮乃枷肽軌蚋奖愕丶床寮从?。集成框架環(huán)境層中的技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)是系統(tǒng)平臺的軟總線實現(xiàn)的基礎(chǔ)。三、敏捷制造系統(tǒng)（AM）1．敏捷制造的特征與傳統(tǒng)的大量生產(chǎn)方式相比，敏捷制造主要具有以下特征：①全新的企業(yè)合作關(guān)系；②大范圍的通訊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；③高度柔性的，模塊化、可伸縮的生產(chǎn)制造系統(tǒng)；④“高質(zhì)量”的產(chǎn)品；⑤高技術(shù)人員是企業(yè)成功的關(guān)鍵；⑥基于信任的雇傭關(guān)系；⑦基于任務(wù)的組織和管理；⑧對于社會的正效應(yīng)。2．敏捷制造研究的主要內(nèi)容敏捷制造被認(rèn)為是21世紀(jì)的先進(jìn)制造技術(shù)，目前研究的主要內(nèi)容包括：⑴分布式數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)；⑵分布式群決策軟件子系統(tǒng)；⑶智能控制子系統(tǒng)；⑷智能傳感器子系統(tǒng)；⑸基于知識的人工智能研究；⑹快速合作子系統(tǒng)；⑺工廠網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)；⑻企業(yè)集成子系統(tǒng)；⑼用戶交互子系統(tǒng)；⑽人與技術(shù)接口子系統(tǒng)；⑾教育培訓(xùn)子系統(tǒng);⑿模塊化可重構(gòu)的硬件子系統(tǒng);⒀仿真與建模子系統(tǒng);⒁廢物處理和消除子系統(tǒng);⒂節(jié)能子系統(tǒng);⒃性能測量與評價子系統(tǒng)；⒄動態(tài)合作子系統(tǒng)。3．實現(xiàn)敏捷制造的主要措施為實現(xiàn)制造企業(yè)不斷變化、快速響應(yīng)的目標(biāo)，敏捷制造企業(yè)通常采取下列措施：⑴企業(yè)內(nèi)部動態(tài)的組織方式敏捷制造要求企業(yè)組織結(jié)構(gòu)減少層次、扁平化、權(quán)利下放，并能根據(jù)時常需求進(jìn)行組織機(jī)構(gòu)設(shè)置和任務(wù)分配。該組織可以對用戶需求和市場競爭做出敏捷反應(yīng)，從而達(dá)到最佳的工作效果。⑵企業(yè)外部的動態(tài)聯(lián)盟敏捷制造企業(yè)的組織形式是開放性的，可以根據(jù)市場需求快速組成動態(tài)聯(lián)盟和虛擬公司，各組成成員在相互行人的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)、資源、經(jīng)營等方面的合作，各自發(fā)揮自己的特長，從而快速、低成本、高質(zhì)量地生產(chǎn)出市場需要的產(chǎn)品，共同獲取利潤。⑶強(qiáng)調(diào)技術(shù)創(chuàng)新為縮短新產(chǎn)品的上市時間，必須掌握最新的技術(shù)信息，并擁有自己獨(dú)有的高新技術(shù)。這一點(diǎn)通過及時掌握新的技術(shù)信息、培養(yǎng)具有廣泛知識和創(chuàng)造性的人才、組成強(qiáng)有力的產(chǎn)品開發(fā)小組方式來實現(xiàn)。⑷組織、人、技術(shù)的集成敏捷制造企業(yè)必須通過集成實現(xiàn)整個企業(yè)的全局協(xié)調(diào)。通過將動態(tài)多變的組織、高素質(zhì)的人才以及高新技術(shù)相集成，組成一個有機(jī)的制造系統(tǒng)，才能使整個企業(yè)具有敏捷特征。實現(xiàn)“敏捷”最終目標(biāo)。組織、人、技術(shù)三者的集成需要以信息的集成作為基礎(chǔ)才能實現(xiàn)。四、虛擬制造系統(tǒng)（VMS）1．概述二十多年來的實踐證明，將信息技術(shù)應(yīng)用于制造業(yè)，進(jìn)行傳統(tǒng)制造業(yè)的改造，是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的必由之路。80年代初，先進(jìn)制造技術(shù)以信息集成為核心的計算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)開始得到實施；80年代末，以過程集成為核心的并行工程(CE)技術(shù)進(jìn)一步提高了制造水平；進(jìn)入90年代，先進(jìn)制造技術(shù)進(jìn)一步向更高水平發(fā)展，出現(xiàn)了虛擬制造(VM)、精益生產(chǎn)(LP)、敏捷制造(AM)、虛擬企業(yè)(VE)等新概念。2．虛擬制造的定義和內(nèi)涵虛擬制造是實際制造過程在計算機(jī)上的本質(zhì)實現(xiàn)，即采用計算機(jī)仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在計算機(jī)上群組協(xié)同工作，實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗，以及企業(yè)各級過程的管理與控制等產(chǎn)品制造的本質(zhì)過程，以增強(qiáng)制造過程各級的決策與控制能力。與實際制造相比較，虛擬制造的主要特點(diǎn)是：(1)產(chǎn)品與制造環(huán)境是虛擬模型；(2)可使分布在不同地點(diǎn)、不同部門的不同專業(yè)