计算机集成制造系统概念及其展望
颜颂涛1
摘要：通过阅读《计算机集成制造系统》和国内外文献，完成本论文。本文的主要工作有：1）计算机集成制造系统的概念、定义。2）计算机集成制造系统的组成，和主要构成部分。3）计算机集成制造系统带给企业的效益。4）计算机集成制造系统的展望。
关键词：CIMS ；展望；概念
1 计算机制造系统
1.1 计算机集成制造系统的概念
1.1.1 自动化孤岛（Islands of Automation）
自动化孤岛是指在一个工厂内，能够完成某种功能的自动化子系统，它在职能上是分布的，在地理上是分散的，在时间上是分割的。近30年来，随着电子技术、计算机技术和机械制造技术的迅猛发展，世界上已开发出许多专门用途的自动化系统，它们是相对独立的，易于控制，具备一定完整的功能（模块），具有便于相互连接的接口，但这些自动化子系统是分期控制和局部管理的，统称为自动化孤岛。
这类自动化孤岛包括：
1．NC 、CNC 、DNC 机床
2．CAD/CAM (CAPP, CAE )、FMS
3．MRP －Ⅱ（制造资源规划） 注意：MRP －材料需求计划
4．Expert System
5．Robot Controller
自动化孤岛向集成化（一体化）发展是一必然方向，也是制造业的一场深刻的变革。
1.1.2 CIMS 定义
CIMS 是建立在自动化孤岛基础上的复杂系统。CIMS 将全部制造过程进行统一规划，将一个工厂的设计、生产和经营的各种分布的自动化孤岛，通过要素化和标准化有机地集成起来，以获得一个高效益和高柔性的智能化大系统。
1974年，美国年轻学者哈灵顿博士首先提出“计算机集成制造”的概念，他认为整个生产过程（从市场、设计制造到管理、售后服务等）是一个整体，需要统一考虑；同时整个生产过程是信息的采集、传送和加工处理的过程，产品的尺寸不过是物化的数据。这一观点为生产过程大量采用信息技术奠定了认识上的基础。
什么是CIMS ？至今尚无一个普遍接受的说法，有人说CIMS 是用计算机去集成制造活动；还有人说，CIMS 是一个管理的哲学。在此，将CIMS 定义为：CIMS 是根据系统工程的观点，将整个车间或工厂作为一个闭环
系统，整个系统完全由计算机进行管理。该系统输入的是产品需求的有关信息，输出的为经过检验的合格产品。
1.2 计算机集成制造系统的组成
1.2.1 CIMS 概况
图1 CIMS示意图
如图所示，CIMS 系统分为三级：
1．决策级
决策级是生产决策机构。决策级根据市场的需求、原材料供应情况，结合本企业的生产技术条件及财务状况，作出生产产品的种类及规模的决策。
2．经营管理级
经营管理级根据决策机构的决定、市场的销售情况等方面的情况，决定产品的类型与产量，协调生产过程的各种活动，实现总体决策所提供的战略目标（包括材料需求规划、质量管理、计算机辅助经济分析等）。同时在空间和时间上, 协调物料的需求, 实现现代管理思想的目标――无库存系统。
3．制造级
制造级是具体实施产品设计与制造的部分，其中包含制造系统中各项自动化技术及其集成，即CAD/CAM、FMS 、柔性检验、自动传送系统、自动化仓库等。
由CIMS 的示意图可以看出计算机集成制造系统的一个最鲜明的特点：在CIMS 内，信息流占主导地位，信息的采集、交换与处理融合在一起，再由信息流控制物质流，控制和指挥整个生产活动。
1.2.2 CIMS 主要组成部分
如上所述，CIMS 包括了企业从市场预测到产品售后服务的全部生产活动。从功能角度看，CIMS 包含了一个企业的设计、制造及经营管理的三种主要功能。要使这三者集成起来，还需要一个支撑环境，
即分布式数
据库和计算机网络。目前，一般认为CIMS 主要由四部分组成：
1．管理与决策信息系统
其主要功能是信息处理，包括收集、传输、加工、查询等；一般分为辅助性经营计划管理、物料管理、生产管理、财务管理、人力资源管理和辅助决策。
2．工程信息系统
其主要功能模块有计算机辅助设计（CAD ）、计算机辅助工程（CAE ）、成组技术（GT ）、计算机辅助编制工艺规程（CAPP ）和计算机辅助制造（CAM ）等。
3．柔性自动化制造系统
其主要功能是在计算机调度和控制下，使加工设备完成由毛坯到产品的转变过程，并将制造现场的不同信息实时地或经过初步处理后反馈到相应部门。
其硬件设备主要包括CNC 、DNC 、自动小车、机器人等。其生产方式主要采用FMC 、FMS 等。
4．集成质量系统
其主要功能就是通过对存在于设计、制造和管理中的质量信息进行有效的收集、处理、储存、评价、分析与利用，并形成一系列的控制手段来保证产品的质量，其中主要包括质量计划、质量信息管理以及计算机辅助在线质量控制。
3 计算机集成制造系统的效益
制造型企业采用CIMS 可以提高企业的整体效率，并获得效益。其效益主要体现在以下几个方面：
一、在工程设计自动化方面
由于采用现代化设计手段CAD/CAPP/CAM，可以
1．提高产品的研制与生产能力
2．保证产品的设计质量
3．缩短产品设计与工艺设计周期（加速产品更新换代）
二、在加工制造方面
FMS 和分布式数控（DNC ）的应用，能够
1．提高制造过程的灵活性与质量
2．提高设备利用率
3．缩短产品的制造周期
4．增强生产能力
三、在经营管理方面
1．使决策与生产管理科学化
2．保证产品报价快速、准确、及时
3．减少生产过程中的“瓶颈”，减少“在制品”
4．库存降至最低水平，减少占用资金和仓库面积，降低生产成本
现代管理科学认为，一个好企业的生产模式应该是无仓库式和哑铃式。1985年，美国科学院对在CIMS 方面处于领先地位的五家公司（麦克唐纳－道格拉斯飞机公司、迪尔拖拉机公司、通用汽车公司、英格索尔铣床公司和西屋公司）进行了调查和分析，认为采用CIMS 可以获得以下效益：
4 计算机集成制造系统的展望
4.1 数字化
未来世界，“数字化”将势不可当。“数字化”不仅是“信息化”发展的核心，而且也是先进制造技术发展的核心。信息的“数字化”处理同“模拟化”处理相比，有着3个不可比拟的优点：信息精确，信息安全，信息容量大。
数字化制造就是指制造领域的数字化，它是制造技术、计算机技术、网络技术与管理科学的交叉、融和、发展与应用的结果，也是制造企业、制造系统与生产过程、生产系统不断实现数字化的必然趋势。
它包含了三大部分：以设计为中心的数字制造，以控制为中心的数字制造和以管理为中心的数字制造。 对制造设备而言，其控制参数均为数字化信号。对制造企业而言，各种信息（如图形、数据、知识、技能等等）均以数字形式，通过网络，在企业内传递，以便根据市场信息，迅速收集资料信息，在虚拟现实、快速原型、数据库、多媒体等多种数字化技术的支持下，对产品信息、工艺信息与资源信息进行分析、规划与重组，实现对产品设计和产品功能的仿真，对加工过程与生产组织过程的仿真，或完成原型制造，从而实现生产过程的快速重组与对市场的快速响应，以满足客户化要求。对全球制造业而言，用户借助网络发布信息，各类企业通过网络，根据需求，应用电子商务，实现优势互补，形成动态联盟，迅速协同设计与制造出相应的产品。这样，在数字制造环境下，在广泛领域乃至跨地区、跨国界形成一个数字化组成的网，企业、车间、设备、员工、经销商乃至有关市场均可成为网上的一个“结点”，在研究、设计、制造、销售、服务的过程中，彼此交互，围绕产品所赋予的数字信息，成为驱动制造业活动的最活跃的因素。
4.2 集成化
“集成化”，一是技术的集成，二是管理的集成，三是技术与管理的集成；其本质是知识的集成，亦即知识表现形式的集成。如前所述，现代集成制造技术就是制造技术、信息技术、管理科学与有关科学技术的集成。
“集成化”主要指：
（1）、现代技术的集成。机电一体化是个典型，它是高技术装备的基础，如微电子制造装备，信息化、网络化产品及配套设备，仪器、仪表、医疗、生物、环保等高技术设备。
（2）、加工技术的集成、特种加工技术及其装备是个典型，如增材制造（即快速原型）、激光加工、高能束加工、电加工等等。
（3）、企业集成，即管理的集成，包括生产信息、功能、过程的集成；包括生产过程的集成。全寿命周期过程的集成；也包括企业内部的集成，企业外部的集成。
4.3 智能化
制造技术的智能化是制造技术发展的前景。智能化制造模式的基础是智能制造系统，智能制造系统既是智能和技术的集成而形成的应用环境，也是智能制造模式的载体。与传统的制造相比，智能制造系统具有以下特点：1、人机一体化；2、自律能力；3、自组织与超柔性；4、学习能力与自我维护能力；5、在未来，具有更高级的类人思维的能力。
制造技术的智能化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。同时，收集、存储、处理、完善、共享、继承和发展人类专家的制造智能。尽管智能化制造道路还很漫长，但是必将成为未来制造业的主要生产模式之一。
计算机集成制造系统概念及其展望
颜颂涛1
摘要：通过阅读《计算机集成制造系统》和国内外文献，完成本论文。本文的主要工作有：1）计算机集成制造系统的概念、定义。2）计算机集成制造系统的组成，和主要构成部分。3）计算机集成制造系统带给企业的效益。4）计算机集成制造系统的展望。
关键词：CIMS ；展望；概念
1 计算机制造系统
1.1 计算机集成制造系统的概念
1.1.1 自动化孤岛（Islands of Automation）
自动化孤岛是指在一个工厂内，能够完成某种功能的自动化子系统，它在职能上是分布的，在地理上是分散的，在时间上是分割的。近30年来，随着电子技术、计算机技术和机械制造技术的迅猛发展，世界上已开发出许多专门用途的自动化系统，它们是相对独立的，易于控制，具备一定完整的功能（模块），具有便于相互连接的接口，但这些自动化子系统是分期控制和局部管理的，统称为自动化孤岛。
这类自动化孤岛包括：
1．NC 、CNC 、DNC 机床
2．CAD/CAM (CAPP, CAE )、FMS
3．MRP －Ⅱ（制造资源规划） 注意：MRP －材料需求计划
4．Expert System
5．Robot Controller
自动化孤岛向集成化（一体化）发展是一必然方向，也是制造业的一场深刻的变革。
1.1.2 CIMS 定义
CIMS 是建立在自动化孤岛基础上的复杂系统。CIMS 将全部制造过程进行统一规划，将一个工厂的设计、生产和经营的各种分布的自动化孤岛，通过要素化和标准化有机地集成起来，以获得一个高效益和高柔性的智能化大系统。
1974年，美国年轻学者哈灵顿博士首先提出“计算机集成制造”的概念，他认为整个生产过程（从市场、设计制造到管理、售后服务等）是一个整体，需要统一考虑；同时整个生产过程是信息的采集、传送和加工处理的过程，产品的尺寸不过是物化的数据。这一观点为生产过程大量采用信息技术奠定了认识上的基础。
什么是CIMS ？至今尚无一个普遍接受的说法，有人说CIMS 是用计算机去集成制造活动；还有人说，CIMS 是一个管理的哲学。在此，将CIMS 定义为：CIMS 是根据系统工程的观点，将整个车间或工厂作为一个闭环
系统，整个系统完全由计算机进行管理。该系统输入的是产品需求的有关信息，输出的为经过检验的合格产品。
1.2 计算机集成制造系统的组成
1.2.1 CIMS 概况
图1 CIMS示意图
如图所示，CIMS 系统分为三级：
1．决策级
决策级是生产决策机构。决策级根据市场的需求、原材料供应情况，结合本企业的生产技术条件及财务状况，作出生产产品的种类及规模的决策。
2．经营管理级
经营管理级根据决策机构的决定、市场的销售情况等方面的情况，决定产品的类型与产量，协调生产过程的各种活动，实现总体决策所提供的战略目标（包括材料需求规划、质量管理、计算机辅助经济分析等）。同时在空间和时间上, 协调物料的需求, 实现现代管理思想的目标――无库存系统。
3．制造级
制造级是具体实施产品设计与制造的部分，其中包含制造系统中各项自动化技术及其集成，即CAD/CAM、FMS 、柔性检验、自动传送系统、自动化仓库等。
由CIMS 的示意图可以看出计算机集成制造系统的一个最鲜明的特点：在CIMS 内，信息流占主导地位，信息的采集、交换与处理融合在一起，再由信息流控制物质流，控制和指挥整个生产活动。
1.2.2 CIMS 主要组成部分
如上所述，CIMS 包括了企业从市场预测到产品售后服务的全部生产活动。从功能角度看，CIMS 包含了一个企业的设计、制造及经营管理的三种主要功能。要使这三者集成起来，还需要一个支撑环境，
即分布式数
据库和计算机网络。目前，一般认为CIMS 主要由四部分组成：
1．管理与决策信息系统
其主要功能是信息处理，包括收集、传输、加工、查询等；一般分为辅助性经营计划管理、物料管理、生产管理、财务管理、人力资源管理和辅助决策。
2．工程信息系统
其主要功能模块有计算机辅助设计（CAD ）、计算机辅助工程（CAE ）、成组技术（GT ）、计算机辅助编制工艺规程（CAPP ）和计算机辅助制造（CAM ）等。
3．柔性自动化制造系统
其主要功能是在计算机调度和控制下，使加工设备完成由毛坯到产品的转变过程，并将制造现场的不同信息实时地或经过初步处理后反馈到相应部门。
其硬件设备主要包括CNC 、DNC 、自动小车、机器人等。其生产方式主要采用FMC 、FMS 等。
4．集成质量系统
其主要功能就是通过对存在于设计、制造和管理中的质量信息进行有效的收集、处理、储存、评价、分析与利用，并形成一系列的控制手段来保证产品的质量，其中主要包括质量计划、质量信息管理以及计算机辅助在线质量控制。
3 计算机集成制造系统的效益
制造型企业采用CIMS 可以提高企业的整体效率，并获得效益。其效益主要体现在以下几个方面：
一、在工程设计自动化方面
由于采用现代化设计手段CAD/CAPP/CAM，可以
1．提高产品的研制与生产能力
2．保证产品的设计质量
3．缩短产品设计与工艺设计周期（加速产品更新换代）
二、在加工制造方面
FMS 和分布式数控（DNC ）的应用，能够
1．提高制造过程的灵活性与质量
2．提高设备利用率
3．缩短产品的制造周期
4．增强生产能力
三、在经营管理方面
1．使决策与生产管理科学化
2．保证产品报价快速、准确、及时
3．减少生产过程中的“瓶颈”，减少“在制品”
4．库存降至最低水平，减少占用资金和仓库面积，降低生产成本
现代管理科学认为，一个好企业的生产模式应该是无仓库式和哑铃式。1985年，美国科学院对在CIMS 方面处于领先地位的五家公司（麦克唐纳－道格拉斯飞机公司、迪尔拖拉机公司、通用汽车公司、英格索尔铣床公司和西屋公司）进行了调查和分析，认为采用CIMS 可以获得以下效益：
4 计算机集成制造系统的展望
4.1 数字化
未来世界，“数字化”将势不可当。“数字化”不仅是“信息化”发展的核心，而且也是先进制造技术发展的核心。信息的“数字化”处理同“模拟化”处理相比，有着3个不可比拟的优点：信息精确，信息安全，信息容量大。
数字化制造就是指制造领域的数字化，它是制造技术、计算机技术、网络技术与管理科学的交叉、融和、发展与应用的结果，也是制造企业、制造系统与生产过程、生产系统不断实现数字化的必然趋势。
它包含了三大部分：以设计为中心的数字制造，以控制为中心的数字制造和以管理为中心的数字制造。 对制造设备而言，其控制参数均为数字化信号。对制造企业而言，各种信息（如图形、数据、知识、技能等等）均以数字形式，通过网络，在企业内传递，以便根据市场信息，迅速收集资料信息，在虚拟现实、快速原型、数据库、多媒体等多种数字化技术的支持下，对产品信息、工艺信息与资源信息进行分析、规划与重组，实现对产品设计和产品功能的仿真，对加工过程与生产组织过程的仿真，或完成原型制造，从而实现生产过程的快速重组与对市场的快速响应，以满足客户化要求。对全球制造业而言，用户借助网络发布信息，各类企业通过网络，根据需求，应用电子商务，实现优势互补，形成动态联盟，迅速协同设计与制造出相应的产品。这样，在数字制造环境下，在广泛领域乃至跨地区、跨国界形成一个数字化组成的网，企业、车间、设备、员工、经销商乃至有关市场均可成为网上的一个“结点”，在研究、设计、制造、销售、服务的过程中，彼此交互，围绕产品所赋予的数字信息，成为驱动制造业活动的最活跃的因素。
4.2 集成化
“集成化”，一是技术的集成，二是管理的集成，三是技术与管理的集成；其本质是知识的集成，亦即知识表现形式的集成。如前所述，现代集成制造技术就是制造技术、信息技术、管理科学与有关科学技术的集成。
“集成化”主要指：
（1）、现代技术的集成。机电一体化是个典型，它是高技术装备的基础，如微电子制造装备，信息化、网络化产品及配套设备，仪器、仪表、医疗、生物、环保等高技术设备。
（2）、加工技术的集成、特种加工技术及其装备是个典型，如增材制造（即快速原型）、激光加工、高能束加工、电加工等等。
（3）、企业集成，即管理的集成，包括生产信息、功能、过程的集成；包括生产过程的集成。全寿命周期过程的集成；也包括企业内部的集成，企业外部的集成。
4.3 智能化
制造技术的智能化是制造技术发展的前景。智能化制造模式的基础是智能制造系统，智能制造系统既是智能和技术的集成而形成的应用环境，也是智能制造模式的载体。与传统的制造相比，智能制造系统具有以下特点：1、人机一体化；2、自律能力；3、自组织与超柔性；4、学习能力与自我维护能力；5、在未来，具有更高级的类人思维的能力。
制造技术的智能化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。同时，收集、存储、处理、完善、共享、继承和发展人类专家的制造智能。尽管智能化制造道路还很漫长，但是必将成为未来制造业的主要生产模式之一。