计算机集成制造(CIM)

一、CIM和CIMS的概念
计算机集成制造(CIM)的概念，是1973年首先由美国Joseph Harrington博士在《Compu-ter Integrated Manufacturing》一书中提出的，他提出了两个重要的观点：
①企业的各个生产环节是一个不可分隔的整体，需要统一考虑；②整个企业生产制造过程实质上是对信息的采集、传递和加工处理的过程，最终形成的产品可看作是信息的物质表现。
国际标准化组织(1SO)将CIM定义为：CIM是将企业所有的人员、功能、信息和组织等诸方面集成为一个整体的生产方式。我国863／CIMS主题认为：CIM是一种组织管理企业的新理念，它将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术等有机地结合，将企业生产全过程中有关人／机构、经营管理和技术三要素，及其信息流、物质流和能量流有机地集成并优化运行，以实现产品上市快、高质、低耗、服务好，从而使企业赢得市场竞争。
计算机集成制造系统(CIMS)，则是基于CIM理念而组成的系统，是CIM的具体实现。如果说CIM是组织现代化企业的一种哲理，而CIMS则应理解为是基于该哲理的一种工程集成系统。CIMS的核心在于集成，不仅是综合集成企业内各生产环节的有关技术，更重要的是将企业内的人／机构、经营管理和技术这被称之为CIMS三要素的有效集成，以保证企业内的工作流、物质流和信息流畅通无阻。
二、CIMS的组成
从系统的功能角度考虑，一般认为CIMS可由经营管理信息系统、工程设计自动化系统、制造自动化系统和质量保证信息系统四个功能分系统，以及计算机网络和数据库管理两个支撑分系统组成。
1．经营管理信息分系统
经营管理信息分系统是将企业生产经营过程中产、供、销、人、财、物等进行统一管理的计算机应用系统，是CIMS的神经中枢，指挥与控制着CIMS其他各部分有条不紊地工作。经营管理信息分系统具有三方面的基本功能：
(1)信息处理 包括信息的收集、传输、加工和查询。
(2)事务管理 包括经营计划管理、物料管理、生产管理财务管理、人力资源管理等。
(3)辅助决策 分析归纳现有信息，利用数学方法预测未来，提供企业经营管理过程中辅助决策信息。
2．工程设计自动化分系统
工程设计自动化分系统实质上是指在产品设计开发过程中引用计算机技术，使产品设计开发工作更有效、更优质、更自动地进行。工程设计自动化分系统包括通常人们所熟悉的CAD／CAPP／CAM系统。
CAD是指工程技术人员以计算机为工具，用各自的专业知识，对产品进行产品造型、工程分析、模拟仿真和图形处理等整个设计活动的总称。一个完善的CAD系统，应具有计算机绘图、有限元分析、产品造型、图像分析处理、优化设计、动态分析与仿真、物料清单(BOM)的生成等功能。
CAPP是根据产品设计所给出的信息进行产品的加工方法和前造过程的设计技术。CAPP系统功能包括毛坯设计、加工方法选择、工序设计、工艺路线制定以及工时定额计算等。
CAM通常是指刀具路径的确定、刀位文件的生成、刀具轨迹仿真以及NC代码的生成等作业。
3．制造自动化分系统
制造自动化分系统位于企业制造环境的底层，是直接完成制造活动的基本环节，CIMS的信息流和物料流的结合点，是CIMS最终产生经济效益的聚集地。
通常，制造自动化分系统由机械加工系统、控制系统、物流系统、监控系统组成。机械加工系统用于对零件或产品的各种加工和装配，包含有数控机床、加工中心、柔性制造单元和柔性制造系统等加工设备、测量设备和装配设备。控制系统用以实现对机械加工系统的操作过程控制，是制造自动化系统集成信息流、决策流的基础，保证CIMS从车间层到设备层协调可靠的运行。物流系统是制造自动化系统物流集成的基础，它完成对工件和工具的存储、搬运、装卸等操作功能。监控系统是制造自动化系统工作质量保证的基础，它完成制造过程中对加工对象、加工设备及加工工具的在线自动监控。
制造自动化系统的目标可归纳为：
1)实现多品种、小批量产品制造的柔性自动化。
2)实现优质、低成本、短周期及高效率生产，提高企业的市场竞争能力。
3)为作业人员创造舒适而安全的劳动环境。
4．质量保证分系统
质量保证分系统是以提高企业产品制造质量和企业工作管理质量为目标，通过质量保证规划、工况监控采集、质量分析评价和控制，以达到预定的质量要求。CIMS中的质量保证分系统覆盖产品生命周期的各个阶段，它可由四个子系统组成，即
(1)质量计划子系统 用来确定改进质量目标，建立质量标准和技术标准，计划可能达到的途径和预计可能达到的改进效果，并根据生产计划及质量要求制定检测计划及检测规程和规范。
(2)质量检测管理子系统 包括建立成品出厂档案，改善售后服务工作质量；管理进厂材料、外购件和外协件的质量检验数据；管理生产过程中影响成品质量的数据；建立设计质量模块，做好项目决策、方案设计、结构设计、工艺设计的质量管理。
(3)质量分析评价子系统 包括对产品设计质量、外购外协件质量、工序控制点质量、供货商能力、质量成本等进行分析，评价各种因素对造成质量问题的影响，查明主要原因。
(4)质量信息综合管理与反馈控制子系统 包括质量报表生成、质量综合查询、产品使用过程质量综合管理，以及针对各类质量问题所采取的各种措施及信息反馈。
5．数据库管理分系统
数据库管理分系统是CIMS的一个支撑分系统，它是CIMS信息集成的关键之一。在CIMS环境下的经营管理数据、工程技术数据、制造控制和质量保证等各类数据需要在一个结构合理的数据库系统里进行存储和调用，以满足各分系统信息的交换和共享。
6．CIMS计算机网络分系统
计算机网络分系统是CIMS的又一主要支撑技术，是CIMS重要的信息集成工具。计算机网络是以共享资源为目的而由多台计算机、终端设备、数据传输设备以及通信控制处理等设备的集合，它们在统一的通信协议的控制下具有独立自治的能力，具有硬件、软件和数据共享的功能。
依照企业覆盖地理范围的大小，有两种计算机网络可供CIMS采用：一种为局域网；另一种为广域网。目前，CIMS一般以互联的局域网为主。
三、CIMS递阶控制结构
CIMS是一个复杂庞大的工程系统，通常采用递阶控制体系结构。根据目前制造型企业多级管理的结构层次，美国国家标准与技术局(NIST)将CIMS分为五层递阶控制结构，即工厂层、车间层、单元层、工作站层和设备层。这种控制模式包容了制造业的全部功能和活动，体现了集中和分散相结合的控制原理，已被国际社会广泛认可和引用。
(1)工厂层 工厂层是企业最高的管理决策层，具有市场预测、制定长期生产计划、确定生产资源需求、制定资源计划、产品开发以及工艺过程规划的功能，同时还应具有成本核算、库存统计、用户订单处理等厂级经营管理的功能。工厂层的规划周期一般从几个月到几年时间。
(2)车间层 车间层是根据工厂层的生产计划协调车间生产作业和资源配置，包括从设计部门的CAD／CAM系统中接受产品物料清单，从CAPP系统中接受工艺过程数据，并根据工厂层的生产计划和物料需求计划进行车间内各单元的作业管理和资源分配。其中作业管理包括作业定单的制定、发放和管理，安排加工设备、刀具、夹具、机器人、物料运输设备的预防性维修等工作；而资源分配是将设备、托盘、刀具、夹具等根据作业计划分配给相应的工作站。车间层的决策周期一般为几周到几个月。
(3)单元层 单元层主要完成本单元的作业调度，包括零件在各工作站的作业顺序、作业指令的发放和管理、协调工作站间的物料运输、进行机床和操作者的任务分配及调度。并将实际的质量数据与零件的技术规范进行比较，将实际的运行状态与允许的状态条件进行比较，以便在必要时采取措施以保证生产过程的正常进行。单元层的规划时间在几小时到几周的范围内。
(4)工作站层 工作站层的任务是负责指挥和协调车间中一个设备小组的活动，它的规划时间可以从几分钟到几个小时。制造系统中的工作站可分为加工工作站、检测工作站、刀具管理工作站、物料储运工作站等。加工工作站完成加-F_T_件安装、夹紧、切削加工、检测、切屑清除、工件卸除等工作顺序的控制、协调与监控任务。
(5)设备层 设备层包括各种设备(如力D-r'_机床、机器人、坐标测量机、无人小车等)控制器。设备层执行上层的控制命令，完成加工、测量、运输等任务。其响应时间从几毫秒到几分钟。
四、CIM的体系结构
CIMS是为获取制造型企业最佳的整体效益而设计和建造的系统，为保证系统目标的实现，需要一套方法、工具及适合的参考模型。欧共体CIMS／OSA体系结构的基本思想是：将复杂的CIMS系统的设计实施过程，沿结构方向、建模方向和视图方向分别作为通用程度维、生命周期维和视图维三维坐标，对应于从一般到特殊、推导求解和逐步生成的三个过程，以形成CIMS开放式体系结构的总体框架。
(1) CIMS／OSA的结构层次 在CIMS／OSA的结构框架中的通用程度维包含有三个不同的结构层次，即通用层、部分通用层和专用层。
(2) (2)CIMS／0SA的建模层次 CIMS／OSA的生命周期维用，于说明CIMS生命周期的不同阶段，它包含有需求定义、设计说明和实施描述三个不同的建模层次。
(3)CIMS／OSA的视图层 CIMS／OSA的视图层用于描述企业CIMS的不同方面，有功能视图、信息视图、资源视图和组织视图。
五、CIMS在我国的实施进展
为跟踪国际高新技术的发展，参与国际竞争，我国制定了国家高技术研究发展计划(即863计划)。
1．863／CAMS主题的四个工作层次
(1)应用基础研究 包括对CIMS总体集成技术、CAD／CAPP／CAM技术、质量、柔性制造、管理决策、网络数据库、系统技术等专题的研究。
(2)关键技术攻关 包括制造业计算机集成应用的集成平台与原型系统的开发、流程工业计算机集成制造企业管理模式和企业间集成技术、基于生产目标的复杂过程建模与优化集成控制技术、面向大规模定制生产模式的现代优化设计等关键技术的攻关。
(3)目标产品开发 主要内容包括离散工业单元技术目标产品、离散工业重大产品、流程工业单元技术及重大目标产品、目标产品集成系统等内容的开发。
(4)应用示范工程．建立一批包括飞机、机床、鼓风机、纺织机、汽车、家电和服装等行业在内的国家级CIMS技术应用示范企业。
2．“十五”国家863／CIMS主题的五个研究专题
(1)行业／区域现代集成制造系统专题 面向我国重点行业和典型区域，研究开发若干行业／区域现代集成制造系统，并实施重大集成应用，以提高我国重点行业和典型区域的国际竞争力。
(2)数字化设计与制造专题 结合技术难度高的重大复杂产品和设备的设计与制造过程，进行创新研究和开发，为企业提供共性的数字化设计与制造方法、软件工具集和集成化系统，促进中国企业市场竞争力的提高并带动制造业信息化软件产业及咨询服务业的发展。
(3)过程自动化系统专题 以石化、冶金、化工、制药等流程工业企业为对象，以提高行业、企业经济效益，降低生产成本和增强企业国际竞争力。
(4)企业管理与电子商务系统专题 重点研究适合我国国情的现代管理技术、现代企业管理模式与电子商务商业模式，开发支持企业经营管理二‘重组优化与电子商务的软件产品、平台及工具集。
(5)现代集成制造系统平台专题 开展现代集成制造系统实施方钵与共性支撑技术、系统集成与集成平台技术、企业建模与诊断技术、数据库与数据仓库、数据挖掘与知识管理、ASP应用服务技术研究，开发企业建模与诊断系统、制造业整体解决方案集成平台软件工具、集成支撑系统等，取得具有创新性的研究成果和软件系统，并在企业进行实际应用。