[科普中國]-計算機(jī)集成制造系統(tǒng)

計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，簡稱CIMS，是隨著計算機(jī)輔助設(shè)計與制造的發(fā)展而產(chǎn)生的。它是在信息技術(shù)自動化技術(shù)與制造的基礎(chǔ)上，通過計算機(jī)技術(shù)把分散在產(chǎn)品設(shè)計制造過程中各種孤立的自動化子系統(tǒng)有機(jī)地集成起來，形成適用于多品種、小批量生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)整體效益的集成化和智能化制造系統(tǒng)。

計算機(jī)集成制造系統(tǒng)概述隨著市場競爭的日益加劇以及全球化市場的形成，制造技術(shù)已成為一個國家在市場競爭中或戰(zhàn)場對抗中獲勝的支柱。制造技術(shù)的發(fā)達(dá)程度也已經(jīng)成為衡量一個國家綜合實(shí)力和科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。工業(yè)發(fā)達(dá)國家普遍認(rèn)為，從某種意義上講，制造技術(shù)已成為國家命運(yùn)的主宰。80年代初，CIM哲理被人們普遍接受，CIMS成為制造工業(yè)的發(fā)展熱點(diǎn)。很多先進(jìn)工業(yè)國諸如美國、日本、德國、英國、瑞典、瑞士以及前蘇聯(lián)等都紛紛制訂、實(shí)施CIMS策略，迫切需要采用能提高生產(chǎn)率、提高質(zhì)量、降低成本、加快產(chǎn)品更新?lián)Q代、滿足多品種小批量生產(chǎn)要求并迅速適應(yīng)市場變化的現(xiàn)代化制造技術(shù)——柔性計算杋集成制造技術(shù)，對于發(fā)展中國家盡管其工業(yè)基礎(chǔ)比較差又沒有足夠的經(jīng)濟(jì)力量來發(fā)展先進(jìn)制造技術(shù)，但是隨著市場全球化的發(fā)展，卻擺脫不了所面臨的國際、國內(nèi)市場激烈竟?fàn)幍膰?yán)峻形勢，因而也不得不尋求、發(fā)展能促進(jìn)其國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的先進(jìn)制造技術(shù)，所以中國、新加坡、韓國、巴西、以色列、南非以及臺灣、香港等發(fā)展中國家和地區(qū)都積極跟蹤研究并迅速發(fā)展CIMS技術(shù)1。

從生產(chǎn)工藝方面分，CIMS可大致分為離散型制造業(yè)、連續(xù)性制造業(yè)和混合型制造業(yè)三種；從體系結(jié)構(gòu)來分，CIMS也可以分成集中性、分散性和混合型三種。

效益評價CIMS是企業(yè)管理運(yùn)作的一種手段，是一種戰(zhàn)略思想的應(yīng)用，其初期投資大，涉及面廣，資金回籠周期長，短期內(nèi)很難見到效益，因此在對CIMS作效益評價時不能單憑貨幣標(biāo)準(zhǔn)來衡量其效益，要多方面綜合考慮其效益指標(biāo)。所謂綜合效益指CIMS系統(tǒng)對企業(yè)和社會所能帶來的各種效益。可以從下面幾個方面來理解：

(1) 應(yīng)用CIMS提高了勞動生產(chǎn)力為企業(yè)帶來的利潤，為國家增加國民收入所做出的貢獻(xiàn)。

(2) 應(yīng)用CIMS提高了企業(yè)對市場的應(yīng)變能力和抗風(fēng)險能力，對企業(yè)實(shí)現(xiàn)經(jīng)營戰(zhàn)略所做出的貢獻(xiàn)；提高企業(yè)市場競爭力，促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步所作的貢獻(xiàn)。

(3) 為提高整個企業(yè)員工素質(zhì)和技術(shù)水平作的貢獻(xiàn)。

(4) 為節(jié)約天然資源所做出的貢獻(xiàn)。

(5) 通過應(yīng)用和推廣CIMS技術(shù)，為國家優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，發(fā)展新產(chǎn)業(yè)，提高造國際市場上的競爭力所作的貢獻(xiàn)。

體系結(jié)構(gòu)CIMS體系結(jié)構(gòu)是用來描述研究對象整個系統(tǒng)的各個部分和各個方面的相互關(guān)系和層次結(jié)構(gòu)，從大系統(tǒng)理論角度研究，將整個研究對象分為幾個子系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)相對獨(dú)立自治、分布存在、并發(fā)運(yùn)行和驅(qū)動等。我們可以從功能結(jié)構(gòu)和邏輯結(jié)構(gòu)來認(rèn)識CIMS體系結(jié)構(gòu)。從功能層方面分析，CIMS大致可以分為六層：生產(chǎn)/制造系統(tǒng)，硬事務(wù)處理系統(tǒng)，技術(shù)設(shè)計系統(tǒng)，軟事務(wù)處理系統(tǒng)，信息服務(wù)系統(tǒng)，決策管理系統(tǒng)。

技術(shù)構(gòu)成制造技術(shù)先進(jìn)制造技術(shù)是傳統(tǒng)制造技術(shù)不斷吸收機(jī)械、電子、信息、材料、能源和現(xiàn)代管理等方面的成果，并將其綜合應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計、制造、檢測、管理、銷售、使用、服務(wù)的制造全過程，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活的生產(chǎn)，并取得理想技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果的制造技術(shù)的總稱。

敏捷制造（AM－Agile Manufacturing）

敏捷制造是以競爭力和信譽(yù)度為基礎(chǔ)，選擇合作者組成虛擬公司，分工合作，為同一目標(biāo)共同努力來增強(qiáng)整體競爭能力，對用戶需求作出快速反應(yīng)，以滿足用戶的需要。

虛擬制造（VM－Virtual Manufacturing）

虛擬制造利用信息技術(shù)、仿真技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)對現(xiàn)實(shí)制造活動中的人、物、信息及制造過程進(jìn)行全面的仿真，以發(fā)現(xiàn)制造中可能出現(xiàn)的問題，在產(chǎn)品實(shí)際生產(chǎn)前就采取預(yù)防措施，從而達(dá)到產(chǎn)品一次性制造成功，來達(dá)到降低成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，增強(qiáng)產(chǎn)品競爭力的目的。

并行工程（CE－Concurrent Engineering）

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。它要求產(chǎn)品開發(fā)人員在一開始就考慮產(chǎn)品整個生命周期中從概念形成到產(chǎn)品報廢的所有因素，包括質(zhì)量、成本、進(jìn)度計劃和用戶要求，并行工程的發(fā)展為虛擬制造技術(shù)的誕生創(chuàng)造了條件，虛擬制造技術(shù)將是以并行工程為基礎(chǔ)的，并行工程的進(jìn)一步發(fā)展就是虛擬制造技術(shù)。

在探討現(xiàn)代集成制造技術(shù)未來發(fā)展趨勢之前，首先應(yīng)該了解一下，當(dāng)前現(xiàn)代制造業(yè)和制造企業(yè)的特征，它們是推動現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展的內(nèi)存動力2。

發(fā)展趨勢以信息技術(shù)的發(fā)展為支持，以滿足制造業(yè)市場需求和增強(qiáng)企業(yè)競爭力為目的，現(xiàn)代集成制造技術(shù)未來將突出以下八個方面的發(fā)展趨勢。

發(fā)展核心未來世界，“數(shù)字化”將勢不可當(dāng)?！皵?shù)字化”不僅是“信息化”發(fā)展的核心，而且也是先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的核心。信息的“數(shù)字化”處理同“模擬化”處理相比，有著3個不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：信息精確，信息安全，信息容量大。

數(shù)字化制造就是指制造領(lǐng)域的數(shù)字化，它是制造技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與管理科學(xué)的交叉、融和、發(fā)展與應(yīng)用的結(jié)果，也是制造企業(yè)、制造系統(tǒng)與生產(chǎn)過程、生產(chǎn)系統(tǒng)不斷實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的必然趨勢。

它包含了三大部分：以設(shè)計為中心的數(shù)字制造，以控制為中心的數(shù)字制造和以管理為中心的數(shù)字制造。

對制造設(shè)備而言，其控制參數(shù)均為數(shù)字化信號。對制造企業(yè)而言，各種信息（如圖形、數(shù)據(jù)、知識、技能等等）均以數(shù)字形式，通過網(wǎng)絡(luò)，在企業(yè)內(nèi)傳遞，以便根據(jù)市場信息，迅速收集資料信息，在虛擬現(xiàn)實(shí)、快速原型、數(shù)據(jù)庫、多媒體等多種數(shù)字化技術(shù)的支持下，對產(chǎn)品信息、工藝信息與資源信息進(jìn)行分析、規(guī)劃與重組，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品設(shè)計和產(chǎn)品功能的仿真，對加工過程與生產(chǎn)組織過程的仿真，或完成原型制造，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的快速重組與對市場的快速響應(yīng)，以滿足客戶化要求。對全球制造業(yè)而言，用戶借助網(wǎng)絡(luò)發(fā)布信息，各類企業(yè)通過網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)需求，應(yīng)用電子商務(wù)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，形成動態(tài)聯(lián)盟，迅速協(xié)同設(shè)計與制造出相應(yīng)的產(chǎn)品。這樣，在數(shù)字制造環(huán)境下，在廣泛領(lǐng)域乃至跨地區(qū)、跨國界形成一個數(shù)字化組成的網(wǎng)，企業(yè)、車間、設(shè)備、員工、經(jīng)銷商乃至有關(guān)市場均可成為網(wǎng)上的一個“結(jié)點(diǎn)”，在研究、設(shè)計、制造、銷售、服務(wù)的過程中，彼此交互，圍繞產(chǎn)品所賦予的數(shù)字信息，成為驅(qū)動制造業(yè)活動的最活躍的因素3。

發(fā)展關(guān)鍵所謂“精密化”，一方面是指對產(chǎn)品、零件的精度要求越來越高，另一方面是指對產(chǎn)品、零件的加工精度要求越來越高。 “精”是指加工精度及其發(fā)展，精密加工，細(xì)微加工，納米加工，如此等等。

發(fā)展焦點(diǎn)“極”就是極端條件，就是指在極端條件下工作的或者有極端要求的產(chǎn)品，從而也是指這類產(chǎn)品的制造技術(shù)有“極”的要求。在高溫、高壓、高濕、強(qiáng)磁場、強(qiáng)腐蝕等等條件下工作的，或有高硬度、大彈性等等要求的，或在幾何形體上極大、極小、極厚、極薄、奇形怪狀的。顯然，這些產(chǎn)品都是科技前沿的產(chǎn)品。其中之一就是“微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）”。可以說，“極”是前沿科技或前沿科技產(chǎn)品發(fā)展的一個焦點(diǎn)。

發(fā)展前提這是所講的“自動化”就是減輕人的勞動，強(qiáng)化、延伸、取代人的有關(guān)勞動的技術(shù)或手段。自動化總是伴隨有關(guān)機(jī)械或工具來實(shí)現(xiàn)的?？梢哉f，機(jī)械是一切技術(shù)的載體，也是自動化技術(shù)的載體。

“自動化”從自動控制、自動調(diào)節(jié)、自動補(bǔ)償、自動辨識等發(fā)展到自學(xué)習(xí)、自組織、自維護(hù)、自修復(fù)等更高的自動化水平；而且自動控制的內(nèi)涵與水平已遠(yuǎn)非昔比，從控制理論、控制技術(shù)、控制系統(tǒng)、控制元件，都有著極大的發(fā)展。制造業(yè)發(fā)展的自動化不但極大地解放了人的體力勞動，而且更為關(guān)鍵的是有效地提高了腦力勞動，解放了人的部分的腦力勞動。因此，自動化將是現(xiàn)代集成制造技術(shù)發(fā)展的前提條件。

發(fā)展方法“集成化”，一是技術(shù)的集成，二是管理的集成，三是技術(shù)與管理的集成；其本質(zhì)是知識的集成，亦即知識表現(xiàn)形式的集成。如前所述，現(xiàn)代集成制造技術(shù)就是制造技術(shù)、信息技術(shù)、管理科學(xué)與有關(guān)科學(xué)技術(shù)的集成?！凹伞本褪恰敖徊妗?，就是“雜交”，就是取人之長，補(bǔ)己之短。

“集成化”主要指：

（1）、現(xiàn)代技術(shù)的集成。機(jī)電一體化是個典型，它是高技術(shù)裝備的基礎(chǔ)，如微電子制造裝備，信息化、網(wǎng)絡(luò)化產(chǎn)品及配套設(shè)備，儀器、儀表、醫(yī)療、生物、環(huán)保等高技術(shù)設(shè)備。

（2）、加工技術(shù)的集成、特種加工技術(shù)及其裝備是個典型，如增材制造（即快速原型）、激光加工、高能束加工、電加工等等。

（3）、企業(yè)集成，即管理的集成，包括生產(chǎn)信息、功能、過程的集成；包括生產(chǎn)過程的集成。全壽命周期過程的集成；也包括企業(yè)內(nèi)部的集成，企業(yè)外部的集成。

發(fā)展道路“網(wǎng)絡(luò)化”是現(xiàn)代集成制造技術(shù)發(fā)展的必由之路，制造業(yè)走向整體化、有序化，這同人類社會發(fā)展是同步的。制造技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化是由兩個因素決定的：一是生產(chǎn)組織變革的需要，二是生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的可能。這是因?yàn)橹圃鞓I(yè)在市場競爭中，面臨多方的壓力：采購成本不斷提高，產(chǎn)品更新速度加快，市場需求不斷變化，客戶定單生產(chǎn)方式迅速發(fā)展，全球制造所帶來的沖擊日益加強(qiáng)等等；企業(yè)要避免傳統(tǒng)生產(chǎn)組織所帶來的一系列問題，必須在生產(chǎn)組織上實(shí)行某種深刻的變革。這種變革體現(xiàn)于兩方面：一方面利用網(wǎng)絡(luò)，在產(chǎn)品設(shè)計、制造與生產(chǎn)管理等活動乃至企業(yè)整個業(yè)務(wù)流程中充分享用有關(guān)資源，即快速調(diào)集、有機(jī)整合與高效利用有關(guān)制造資源；與此同時，這必然導(dǎo)致制造過程與組織的分散化網(wǎng)絡(luò)化，使企業(yè)必須集中力量在自己最有競爭力的核心業(yè)務(wù)上?？茖W(xué)技術(shù)特別是計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使得生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展到可以使這種變革的需要成為可能。

智能化制造技術(shù)的智能化是制造技術(shù)發(fā)展的前景。智能化制造模式的基礎(chǔ)是智能制造系統(tǒng)，智能制造系統(tǒng)既是智能和技術(shù)的集成而形成的應(yīng)用環(huán)境，也是智能制造模式的載體。與傳統(tǒng)的制造相比，智能制造系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：1、人機(jī)一體化；2、自律能力；3、自組織與超柔性；4、學(xué)習(xí)能力與自我維護(hù)能力；5、在未來，具有更高級的類人思維的能力。

制造技術(shù)的智能化突出了在制造諸環(huán)節(jié)中，以一種高度柔性與集成的方式，借助計算機(jī)模擬的人類專家的智能活動，進(jìn)行分析、判斷、推理、構(gòu)思和決策，取代或延伸制造環(huán)境中人的部分腦力勞動。同時，收集、存儲、處理、完善、共享、繼承和發(fā)展人類專家的制造智能。盡管智能化制造道路還很漫長，但是必將成為未來制造業(yè)的主要生產(chǎn)模式之一。

綠色“綠色”是從環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中引用來的。人類社會的發(fā)展必將走向人類社會與自然界的和諧。人與人類社會本質(zhì)上也是自然世界的一個部分，部分不能脫離整體，更不能對抗與破環(huán)整體。因此，人類必須從各方面促使人與人類社會同自然界和諧一致，制造技術(shù)也不能例外。

制造業(yè)的產(chǎn)品從構(gòu)思開始，到設(shè)計階段、制造階段、銷售階段、使用與維修階段，直到回收階段、再制造各階段，都必須充分計及環(huán)境保護(hù)。所謂環(huán)境保護(hù)是廣義的，不僅要保護(hù)自然環(huán)境，還要保護(hù)社會環(huán)境、生產(chǎn)環(huán)境，還要保護(hù)生產(chǎn)者的身心健康。在此前提與內(nèi)涵下，還必須制造出價廉、物美、供貨期短、售后服務(wù)好的產(chǎn)品。作為“綠色”制造，產(chǎn)品還必須在一定程度上是藝術(shù)品，以與用戶的生產(chǎn)、工作、生活環(huán)境相適應(yīng)，給人以高尚的精神享受，體現(xiàn)著物質(zhì)文明、精神文明與環(huán)境文明的高度交融。每發(fā)展與采用一項(xiàng)新技術(shù)時，應(yīng)站在哲學(xué)高度，慎思“塞翁得馬，安知非禍”，即必須充分考慮可持續(xù)發(fā)展，計及環(huán)境文明。制造必然要走向“綠色”制造。

標(biāo)準(zhǔn)化在制造業(yè)向全球化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化和智能化發(fā)展的過程中，標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)（STEP、EDI和P-LIB等）已顯得愈來愈重要。它是信息集成、功能集成、過程集成和企業(yè)集成的基礎(chǔ)。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

周敏 - 副教授 - 西南大學(xué)