1、现代制造系统概论Contemporary Manufacturing Systems,先进制造工程学,内容提要,1. 制造系统发展简史2. 现代制造系统的发展3. 现代制造系统实例4. 现代制造系统一种实现模式,一、制造系统发展简史,（1）18世纪中叶20世纪初：手工作坊式单件制作（2）20世纪初20世纪中叶：大批量流水式刚性生产（3）20世纪60年代80年代：自动化柔性制造（4）20世纪90年代至今：现代集成制造,普通机床,刚性自动线,柔性自动线,DNC/FMS,17601910,19131950,19601990,1995,如：巴黎P&L汽车制造公司(1886年)单件制造方式，年产量800
2、台没有一台车完全一样，无互换性可言手工选配组装，效率极低产品价格、维护费用高,(1)18世纪中叶20世纪初：手工作坊式单件制作,普通机床单件制作小作坊式生产,(2)20世纪初20世纪中叶：大批量流水式生产,刚性生产线大批量生产标准化产品,1903年，亨利福特创建Ford汽车公司1908年，生产出世界上第一辆T型车1913年，开发出了世界上第一条流水线(曾1天生产9109辆T型车，平均不到10秒/辆)1927年，福特T型车停产，至此福特已售出1500万辆汽车，占世界总量一半,(3)20世纪60年代80年代：自动化柔性制造,柔性生产线（NC,CNC,DNC,FMS）多品种、少批量柔性化生产,194
3、6.2.14，世界第一台电子计算机（美国宾州大学）1952年，世界上第一台NC机床（美国MIT）1966年，计算机群控(DNC,美国)1967年，FMS(英国)1970s，CAD/CAM,(4)20世纪90年代至今：现代集成制造,计算机集成制造(CIM)大规模客户化定制(MC)个性化产品,1973，美国哈林顿博士提出CIMS概念，10年后被重视1980s，3D-CAD,PDM1990s，ERP,CE,AM,1995，大规模客户化定制(MC),100001=110000！,背景：20世纪末制造业发生重大变化市场全球化，竞争空前加剧要求制造TQCS，是一个无止境的过程，要求管理变革和技术进步微电子
4、为基础的信息技术（IT）高速发展,T加快新产品开发和上市时间 (Time)Q提高质量(Quality)C降低成本(Cost)S完善售前/售后服务(Server),以汽车为例：1970年：产品生命周期12年1980年：4年1990年：18个月现在：？,二、现代制造系统的发展,应对：现代制造系统的发展,“敏捷制造”理念,敏捷制造是制造系统为了实现快速反应和灵活多变的目标，以信息技术为基础，以动态联盟为组织形式而采取的一种新的制造理念和制造模式。,精益生产是一种以实现高质量和低消耗为目的，以“简化”为基本手段，以“人”为中心，以“尽善尽美”为追求目标的先进制造理念与制造模式。最近的商业周刊调查结果:
5、90%的制造企业CEO表示：精益生产是企业达到世界级工厂的关键之路。,“精益生产”理念,目前，宝马汽车的可回收件已经达到整车的85%如宝马7系中包含了24公斤的可再生利用材料，其中13公斤以上是天然纤维材料。,绿色制造是一种综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造理念，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中，对环境负面影响小、资源利用率高，使企业经济效益和社会效益协调优化。,“绿色制造”理念,1.制造环节：集成化,1.制造环节：集成化2.制造设备：柔性化3.制造方式：网络化4.制造方法：数字化5.制造过程：智能化,（1）自动化孤岛，阻碍了企业完善TQCS,原因：
6、不同平台 不同标准 不同软件 不同数据库 ,导致不能“五个正确”： 在正确的时间， 将正确的信息， 以正确的方式， 传输给正确的人或机器， 以做出正确的决定,企业应该采用信息技术（包括计算机、通讯、自动化技术等）来改善设计过程、管理决策过程和加工制造过程，并且在网络和数据库的支持下实现信息集成，从而优化生产，改善TQCS，提高企业的市场应变能力。,(2) 基本结论：集成化是必然趋势,（3）CIM/CIMS概念的提出 (Computer Integrated manufacturing),1974年美国哈林顿博士(Dr. Joseph Harrington)在其所著“计算机集成制造”一书中首次提
7、出CIMS概念。两个重要观点：整个生产过程（从市场、设计、制造、管理、售前售后服务等）是一个整体，需要统一考虑;整个生产过程是信息的采集、传送和加工处理的过程，产品尺寸不过是物化的数据.,系统观信息观,CIM/CIMS的定义,CIM：是一种组织、管理与运行企业生产的哲理，它借助计算机软硬件技术，综合运用现代化管理技术、制造技术、自动化技术、系统工程技术，将企业生产全过程中有关人、技术、经营管理三要素及信息流与物流有机地集成并优化运作，以实现产品高质、低耗、上市快，从而使企业赢得市场竞争。CIMS:基于CIM哲理构建的系统,经营管理分系统,质量保证分系统,制造自动化分系统,工程设计分系统,计算机
8、网络和数据库系统,CIMS的组成,Computer Contemporary：它已在广度与深度上大大拓展了原CIM/CIMS的内涵。（广义性、开放性、持久性）“现代”的含义是数字化、网络化、虚拟化、智能化、绿色化，突出信息技术的关键作用。“集成”的内容更为广泛，它包括：信息集成、过程集成及企业间集成等三个阶段的集成优化企业活动中三要素（人/经营/技术）及三流（物流/信息流/资金流）的集成优化CIMS相关技术及各类人员的集成优化等扩展了CIMS的应用范围：包括离散、流程、混合型制造业。现代集成制造系统是一种基于现代集成制造理念构成的数字化、信息化、智能化、绿色化、集成优化的制造系统；它是信息时代
9、的一种新型生产制造模式与系统。,（4）CIM/CIMS内涵的扩展 (Contemporary Integrated manufacturing),CIMS的三要素： 经营、技术、人/机构,CIMS不仅仅把技术系统和经营管理系统集成在一起，而且把人（人的思想、理念及智能）也集成在一起，使整个企业的工作流程、物流和信息流都保持通畅和相互有机联系，所以，CIMS是人、经营和技术三者集成的产物。,CIMS轮图,第1层：驱动轮子的轴心 顾客第2层：企业组织中的人员和群体工作方法 第3层：信息（知识）共享系统 第4层：企业的活动层（三大部门和15个功能区） 第5层：企业管理层，它的功能是合理配置资源，承担
10、企业经营的责任 第6层:企业的外部环境,SME,1993,2.制造设备（手段）：柔性化,1.制造环节：集成化2.制造设备：柔性化3.制造方式：网络化4.制造方法：数字化5.制造过程：智能化,（1）柔性的涵义 对产品及过程的适应性,设备柔性（Machine Flexibility） 过程柔性（Process Flexibility） 工序柔性（Operation Flexibility） 工艺柔性（Routing Flexibility）/加工柔性 产品柔性（Product Flexibility）/反应柔性 批量柔性（Volume Flexibility） 扩展柔性（Expansion Fle
11、xibility） 生产柔性（Production Flexibility）,（2）柔性制造系统(FMS),典型FMS布置图,（3）FMS的定义与特点,FMS是由若干CNC设备、物料运储装置和计算机控制系统组成，能同时地、自动地进行多种零件混流加工的自动化制造系统。,适合多品种(4100种)、中小批量 (502000件)生产的自动化加工能在同一时间内加工多种零件，用户可根据需要安排各种零件批量之间的混合比能在系统中个别机床发生故障的情况下继续保持生产具有无人照管自动运行的能力，减少直接工时费用设备利用率高，系统运行高效(2倍)机床数量减少，节省设备投资(减少)在制品压缩(80%)、缩短生产准备
12、时间FMS占地面积减少(40%)，加工成本降低(60%),FMS主要设备与实例,3.制造方式：网络化,1.制造环节：集成化2.制造设备：柔性化3.制造方式：网络化4.制造方法：数字化5.制造过程：智能化,什么是网络化制造？,网络化制造是企业为应对知识经济和制造全球化的挑战，以快速相应市场需求和提高企业（或企业群体）竞争力为主要目标的一种先进制造模式。网络化制造系统是企业在网络化制造模式的指导思想、相关理论和方法的指导下，在网络化制造平台和软件工具的支持下，结合企业具体的业务需求，设计实施的基于网络的制造系统。,网络化制造的定义与内涵,定义：网络化制造是指通过采用先进的网络技术、制造技术及其其它
13、相关技术, 构建面向企业特定需求的基于网络的制造系统, 并在系统的支持下, 突破空间对企业生产经营范围和方式的约束, 开展覆盖产品整个生命周期全部或部分环节的企业业务活动(如产品设计、制造、销售、采购、管理等), 实现企业间的协同和各种社会资源的共享与集成, 高速度、高质量、低成本地为市场提供所需的产品和服务。内涵：覆盖产品整个生命周期全部或部分环节的企业业务活动(如产品设计、制造、销售、采购、管理等)通过网络突破地理空间障碍，实现企业内部及企业间资源共享和制造协同强调企业间的协作与社会范围内的资源共享，提高企业（群）产品创新和制造能力，实现产品设计制造的低成本和高效率针对企业具体情况和应用需
14、求，可以有多种不同功能、不同形态和应用模式的网络化制造系统,数据库管理支撑分系统(DBS),企业标准化分系统,虚拟研究所及网络化协同产品开发系统,网络化敏捷供应链管理系统,产品虚拟仓库及网络化销售和定制系统,网络化设备资源共享及制造协作系统,企业外部网络化制造系统,产品设计开发分系统（PDS）,管理信息分系统(MIS),质量保证分系统(QAS),制造自动化分系统(MAS),企业内部网络化制造系统,办公自动化分系统(MAS),计算机网络环境支撑分系统(NES) (Internet/Intranet/Extranet/区域宽带网),计算机安全管理与控制分系统(ISMC),企业基础设施系统,一种网络
15、化制造系统的功能结构,区域网络化制造系统体系结构,区域网络化制造系统 ：在一定的地域（如省、市、地、县）范围内，采用官产学研的组织模式，在计算机网络（包括因特网和区域局域网）和数据库的支撑下，动态集成区域内的企业、高校、研究院所及其制造资源和科技资源，进而形成一个开放性的区域集成制造系统。,基于ASP的区域网络化制造系统结构,分布式网络化制造总体结构,4.制造方法：数字化,1.制造环节：集成化2.制造设备：柔性化3.制造方式：网络化4.制造方法：数字化5.制造过程：智能化,（1）什么是数字化制造？,狭义的“数字化制造”是指将数字化技术用于产品的制造过程，通过信息建模和信息处理来改进制造过程，提
16、高制造效率和产品质量，降低制造成本所涉及的一系列活动的总称。广义的“数字化制造”是指将信息技术用于产品设计、制造以及管理等产品全生命周期中，以达到提高制造效率和质量、降低制造成本、实现敏捷响应市场的目的所涉及的一系列活动的总称。,“数字化”现代制造系统的核心特征,管理数字化,设计数字化,生产过程数字化,制造装备数字化,数字企业,数字企业 “四轮”图,（2）数字化制造系统的结构,（3）数字化制造过程示意图,5.制造过程：智能化,1.制造环节：集成化2.制造设备：柔性化3.制造方式：网络化4.制造方法：数字化5.制造过程：智能化,（1）什么是智能制造？,智能制造(IMIntelligent Man
17、ufacturing) 是指在制造系统及制造过程的各个环节通过计算机来实现人类专家的制造智能活动。智能制造技术（IMT）是实现智能制造的各种制造技术的总称。智能制造系统（IMS）是基于智能制造技术实现的制造系统。,（2）智能制造系统的定义,智能制造系统是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化系统，它突出了在制造诸环节中，以一种高度柔性与集成的方式，借助计算机模拟的人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动，并对人类专家的制造智能进行收集、存储、完善、共享、继承和发展。,（3）智能制造系统的内涵,智能制造提出在实际制造系统中以机器智能取代人的
18、部分脑力劳动为目标，强调系统的自组织与自学习能力，强调制造智能的集成，即机器智能和人类智能的有机融合。智能制造的核心涵义在于用计算机实现的机器智能来取代或延伸制造环境中人的部分智能，以减轻人类制造专家部分繁重的脑力劳动负担，并提高制造系统的柔性、精度和效率。,人机一体化的智能集成与融合系统运行方式及结构形式上的自组织能力自律能力搜集与理解自身及环境信息，并进行分析判断和规划自身行为的能力适应复杂环境的自学习和自维护能力,（4）智能制造的技术体系,智能网络与知识库技术,人工智能技术,网络与数据库技术,虚拟现实技术,IMS基础理论,IMS体系结构,IMS运行模式,IMS建模技术,IMS组织技术,I
19、MS设计方法,IMS开发方法,IMS评价技术,智能机器智能机器人智能制造单元智能生产线,智能活动智能设计智能诊断智能管理与决策,智能集成智能技术集成人机智能集成信息化/自动化/智能化集成,支撑技术层,基础技术层,应用技术层,1 美国的先进制造技术计划2 美国的TEAM计划3 日本的智能制造系统计划4 德国“生产2000”计划5 中国863/CIMS计划,美国George Washington大学的预测：到2012年，美国80%的工厂将采用CIMS,现代制造系统在国内外的发展与应用,CIMS在我国的发展,1994年：清华大学荣获大学领先奖1995年：北京第一机床厂荣获工业领先奖1999年：华中理工大学荣获大学领先奖,1986-2000年：863计划CIMS(计算机集成制造系统)主题（CIMS工程研究中心关键技术攻关企业应用示范CIMS产业）2001-2008年：863/CIMS(现代集成制造系统)专题,应用效果100整机数字化设计开发周期：9年 4.5年返工减少50%,成本降低25世界垄断与霸主地位,技术趋势虚拟设计制造全生命周期设计制造PLM并行工程CE全球化的协作平台EXSTAR,Boeing777：CMS成功应用典范,三、 现代制造系统实例,数字化工厂,宁夏小巨人机床有限公司,谢谢！Thank you for your attention,
