现代集成制造系统

三、现代集成制造系统

信息技术的飞速发展使我们进入了信息时代。信息革命不仅引起人们的思想观念、生活方式的变化，也导致了生产方式和制造哲学的巨大变化。可以说，近十年来提出的新的制造哲学都离不开信息技术，以信息化制造技术为代表的先进制造技术正使制造业处于重要的历史性变革时期。

改革开放以来，随着我国经济进一步发展，市场竞争越来越激烈，国内市场已从卖方市场转化为买方市场，而且正在迅速成为国际市场的一部分，许多大中型企业在竞争中处于不利地位，甚至破产、倒闭。发展我国的集成制造业已成为当务之急。

1.现代集成制造系统的含义与定位

现代集成制造系统(Contemporary Integrated Manufacturing System)是计算机集成制造系统新的发展阶段，在继承计算机集成制造系统优秀成果的基础上，它不断吸收先进制造技术中相关思想的精华，从信息集成、过程集成向企业集成方向迅速发展，在先进制造技术中处于核心地位。具体地说，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、系统工程技术进行有机地结合，通过计算机技术使企业产品在全生命周期中有关的组织、经营、管理和技术有机集成和优化运行，在企业产品全生命周期中实现信息化、智能化、集成优化，达到产品上市快、服务好、质量优、成本低的目的，进而提高企业的柔性、健壮性和敏捷性，使企业在激烈的市场竞争中立于不败之地。从集成的角度看，早期的计算机集成制造系统侧重于信息集成，而现代集成制造系统的集成概念在广度和深度上都有了极大的扩展，除了信息集成外，还实现了企业产品全生命周期中的各种业务过程的整体优化，即过程集成，并发展到企业优势互补的企业之间的集成阶段。

现代集成制造系统的研究范围应该介于国家攀登计划和国家攻关计划之间。与攀登计划研究项目相比较，它更注重成果的应用性，尽可能将技术产业化，并推动我国制造业的现代化进程；与国家攻关计划相比较，它更注重解决我国制造业发展中的关键的共性问题、前瞻性问题和示范性问题。

2.现代集成制造系统的技术构成模式

现代集成制造系统的技术构成模式具有如下一些特点:①从以技术为中心向以人为中心转变，使技术的发展更加符合人类社会的需要；②从强调专业化分工向模糊分工、一专多能转变，使劳动者的聪明才智能够得到充分发挥；③从金字塔的多层管理结构向扁平的网络化结构转变，减少层次和中间环节；④从传统的顺序工作方式向并行工作方式转变，缩短工作周期，提高工作质量；⑤从按照功能划分部门的固定组织形式向动态的自主管理的小组工作方式转变。

现代集成制造系统的技术构成模式应该是在吸收计算机集成制造系统的优秀成果的基础上，继续推动虚拟制造、并行工程、敏捷制造和绿色制造的研究工作深入进行，并不断吸收先进制造技术中的成功经验和先进思想，将它们进行推广应用，由此使现代集成制造系统成为先进制造技术的核心。下面分述之。

(1)虚拟制造。虚拟制造利用信息技术、仿真技术、计算机技术对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真，以发现制造中可能出现的问题，在产品实际生产前就采取预防措施，从而使产品一次性制造成功，达到降低成本、缩短产品开发周期，增强产品竞争力的目的。

目前，虚拟制造技术已经在国外有所应用。例如:美国波音公司设计的一架VS-X虚拟飞机，可用头盔显示器和数据手套进行观察与控制，使飞机设计人员身临其境地观察飞机设计的结果，并对其外观、内部结构及使用性能进行考察；日本松下电器产业有限公司开发的虚拟厨房设备制造系统，允许消费者在购买商品前，在虚拟的厨房环境中体验不同设备的功能，按自己的喜好评价、选择和重组这些设备，他们的选择将被存储并通过网络送至生产部门进行生产；美国考文垂公司开发的虚拟原型制作系统，设计者在设计的初始阶段能够在计算机中构造虚拟原型并对此原型进行评价。

国内的研究刚刚起步，主要集中在三个方面。

1)产品虚拟设计技术。它主要包括虚拟产品开发平台、虚拟测试、虚拟装配以及机床、模具的虚拟设计实现等。其中清华大学利用美国国家仪器公司的Labview开发平台实现了锁相电路的虚拟，机械科学研究院采用C语言和Open GL进行编程，初步实现了立体停车库的虚拟现实下的参数化设计，可以直观地进行车库的布局、设计、分析和运动模拟。

2)产品虚拟制造技术。它主要包括材料热加工工艺模拟、加工过程仿真、板材成型模拟、模具制造仿真等。北京航空航天大学与一汽用OPTRIS开发的板料成型软件，已经基本能够模拟类似车门的中等复杂程度的汽车覆盖件和其他冲压成型件的冲压成型过程；沈阳铸造研究所开发的电渣熔铸工艺模拟软件包ESRD3D，已经应用于水轮发电机变曲面过流部件生产中，其产品在刘家峡、李家峡、天生桥、太平役等7个电站中使用；合肥工业大学研制的双刀架数控车床加工过程模拟软件，已经在马鞍山钢铁股份有限公司车轮轮箍厂应用，使数控程序现场调试时间由几个班缩短到几小时，并保证一次试切成功；北京机床研究所、机械科学研究院、东北大学、上海交通大学和长沙铁道学院等单位也研制出一些这方面的仿真软件。

3)产品虚拟制造系统。它主要包括虚拟制造技术的体系结构、技术支持、开发策略等。其中提出了比较成熟的思想并可能实现的是由上海同济大学张曙教授提出的分散网络化生产系统和西安交通大学谢友柏院士组建的异地网络化研究中心。

从以上的论述中可以看到国内外研究水平差距是很大的，而且由于虚拟制造技术既是并行工程的发展方向又是敏捷制造的核心，这就决定了必须以它作为现代集成制造系统的中心技术，以带动相关技术研究工作的进行，并使它们协同一致顺利地发展。

(2)并行工程。并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)的系统方法。它要求产品开发人员在一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求。为了达到并行的目的，必须建立高度集成的主模型，通过它来实现不同部门人员的协同工作；为了达到产品的一次设计成功，减少反复，它在许多部分应用了仿真技术；主模型的建立、局部仿真的应用等都包含在虚拟制造技术中。可以说，并行工程的发展为虚拟制造技术的诞生创造了条件，虚拟制造技术将是以并行工程为基础的，并行工程的进一步发展就是虚拟制造技术。同时，并行工程是在CAD、CAM、CAPP等技术支持下，将原来分别进行的工作在时间和空间上交叉、重叠，充分利用了原有技术，并吸收了当前迅速发展的计算机技术、网络技术的优秀成果，使其成为先进制造技术的基础。

(3)敏捷制造。敏捷制造是以竞争力和信誉度为基础的，选择合作者组成虚拟公司，分工合作，为同一目标共同努力来增强整体竞争能力，对用户需求作出快速反应，以满足用户的需要。为了达到快速应变能力，虚拟企业的建立是关键技术，其核心是虚拟制造技术，即敏捷制造是以虚拟制造技术为基础的。敏捷制造是现代集成制造系统从信息集成发展到企业集成的必由之路，它的发展水平代表了现代集成制造系统的发展水平，是现代集成制造系统的发展方向。

自从1991年美国提出敏捷制造的思想后，美国政府就赞助许多研究单位开发实现敏捷制造的基础结构和工具，并鼓励在不同行业进行示范应用，目前已经取得了一定进展。例如:在遥测装置生产的敏捷制造示范项目中，它联合了加利福尼亚的圣地亚国家实验室、联合信号公司堪萨斯城分部和新墨西哥的圣地亚国家实验室以及机械主箱、印刷电路板供应商。通过联合弥补了单一企业资源不足的弱点，这一联盟的生产时间比单一企业的生产时间减少了50%，生产率提高显著。现在美国的很多大公司都参加了这一研究计划，在欧洲和日本等发达国家也纷纷成立了相应的机构，进行相应的研究和实施工作。我国专家从1993年就开始对敏捷制造进行跟踪研究，主要包括:实施敏捷制造的技术基础；虚拟公司的建立步骤及其体系结构和运行模式；虚拟公司的组织与应用等。与国外相比，这些研究工作只能算原则性的研究工作，距离实用还需要走很长的一段路。因此，在我国企业目前还不可能实现敏捷制造，但是从科学研究的角度看，我们认为需要在合适的条件下建立一个研究性的虚拟企业，加深我们对虚拟企业在实际应用中所遇难题的理解，即在实践中吸取有益的经验，为今后的发展做一定的技术储备。

(4)绿色制造。制造业将制造资源转变为产品的制造过程，以及产品的使用过程和废弃处理过程中，一方面消耗大量人类社会有限的资源，另一方面造成环境污染，是当前环境污染问题的主要根源。面对当前人类社会可持续发展的需要，制造业必须尽可能减少资源消耗和尽可能解决所带来的环境问题。有鉴于此，实施绿色制造势在必行。

绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废的整个产品生命周期中，对环境的影响(副作用)最小，资源的使用效率最高。绿色制造的提出是人们日益重视环境保护的必然选择，发展不能以环境污染为代价。国际制造业的实践表明，通过改进整个制造工艺来减少废弃物，要比处理工厂处理已经排放的废弃物大大节省开支。绿色制造的实现可以通过计算机仿真来达到目的，即它是虚拟制造的一部分。从可持续发展战略的观点看，绿色制造是必然选择，它将成为现代集成制造系统的一个重要的组成部分。

在我国，近年来在绿色制造及相关问题方面也进行了大量的研究，国家自然科学基金和国家863/CIMS主题均支持了一定数量的绿色制造方面的研究课题，已取得了不少研究成果。国家863/CIMS主题还在中国现代集成制造系统网络开辟了绿色制造专题，对国内外绿色制造研究情况进行了综合介绍(http://www.cims.edu.cn)。国内不少高校和研究院所对绿色制造的理论体系、专题技术等都进行了大量的研究。国家环保局于1996年1月批准成立了国家环保总局华夏环境管理体系审核中心，专门负责ISO 14000系列标准在我国的实施、培训工作以及同国际有关机构的交流，并建立了专门的网站——中国环境管理体系认证信息网。ISO 14000环境管理体系标准引起了我国众多企业的重视，根据最新统计，截至1999年9月2日，厦门ABB开关有限公司、上海高桥巴斯夫分散体有限公司、青岛海尔电冰箱股份有限公司等117家企业获得ISO 14000标准认证。

从以上的分析中我们可以看到:各种先进制造技术是相互关联、彼此交叉的，在先进制造技术这一大厦下，现代集成制造系统成为它的核心，并随着先进制造技术的不断发展而发展，即现代集成制造系统应该是一个动态的概念。