現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的技術構成及發(fā)展策略研究

1、現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的技術構成及發(fā)展策略研究這篇現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的技術構成及發(fā)展策略研究的關鍵詞是現(xiàn)代 , 代 集,集成, 成制, 制造, 造系,系統(tǒng), 統(tǒng)的, 的技,技術,術構,構成,成及,及發(fā), 發(fā)展, 展策, 策略, 略研,研究,究,現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的技術構成及發(fā)展策略研究注意：本文已經(jīng)在組合機床與自動化加工技術（1999,10:15）雜志發(fā)表使用者請注明文章內(nèi)容出處 陳曉川 劉曉冰（大連理工大學 CIMS中心，大連，116023）內(nèi)容提要：近幾年新的先進制造技術模式和哲理層出不窮，本文結合我國國 情，通過分析現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)與其它先進制造技術的關系，論述了我國現(xiàn)代 集成制造系統(tǒng)的技術構成和

2、發(fā)展策略及途徑，希望為我國制造業(yè)的發(fā)展做些有 益的探索。關鍵詞：現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)，并行工程，虛擬制造，分布式網(wǎng)絡化研究中心 引言 信息技術的發(fā)展引起的革命使我們進入了信息時代。信息革命不僅引起人們的 思想觀念、生活方式的變化，而且導致了生產(chǎn)方式和制造哲理的巨大變化，可 以說近十年來提出的新的制造哲理都離不開信息技術提供的支撐，以信息化制 造技術為代表的先進制造技術正使制造業(yè)處于重要的歷史性變革時期。多年 來，我國的綜合國力不斷增強，入關在即，市場競爭十分激烈，國內(nèi)市場已從 賣方市場轉(zhuǎn)化為買方市場，而且正在迅速成為國際市場的一部分，許多大中型 企業(yè)在競爭中處于不利地位，甚至破產(chǎn)、倒閉。本文結合我

3、國國情，通過分析 現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)與先進制造技術的關系，論述了我國現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的技 術構成和發(fā)展策略及途徑，希望為我國制造業(yè)的發(fā)展做些有益的探索。 現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的含義與定位現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)（ Contemporary Integrated Manufacturing System ）是計 算機集成制造系統(tǒng)新的發(fā)展階段，在繼承計算機集成制造系統(tǒng)優(yōu)秀成果的基礎 上，它不斷吸收先進制造技術中的相關思想的精華，從信息集成、過程集成向 企業(yè)集成方向迅速發(fā)展，在先進制造技術中處于核心地位。具體地說，它將傳 統(tǒng)的制造技術與現(xiàn)代信息技術、管理技術、自動化技術、系統(tǒng)工程技術進行有 機的結合，通過計算機技

4、術使企業(yè)產(chǎn)品在全生命周期中有關的組織、經(jīng)營、管 理和技術有機集成和優(yōu)化運行，在企業(yè)產(chǎn)品全生命周期中實現(xiàn)信息化、智能 化、集成優(yōu)化，達到產(chǎn)品上市快、服務好、質(zhì)量優(yōu)、成本低的目的，進而提高 企業(yè)的柔性、健壯性和敏捷性，使企業(yè)在激烈的市場競爭中立于不敗之地。從 集成的角度看，早期的計算機集成制造系統(tǒng)側重于信息集成，而現(xiàn)代集成制造 系統(tǒng)的集成概念在廣度和深度上都有了極大的擴展，除了信息集成外還實現(xiàn)了企業(yè)產(chǎn)品全生命周期中的各種業(yè)務過程的整體優(yōu)化，即過程集成，并發(fā)展到企 業(yè)優(yōu)勢互補的企業(yè)之間的集成階段。1】?，F(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的研究范圍應該介于國家攀登計劃和國家攻關計劃之間。與 攀登計劃研究項目相比較，它更

5、注重成果的應用性，盡可能將技術產(chǎn)業(yè)化，并 推動我國制造業(yè)的現(xiàn)代化進程；與國家攻關計劃相比較，它更注重解決我國制 造業(yè)發(fā)展中的關鍵的共性問題、前瞻性問題和示范性問題【 現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的技術構成 圖1 現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的技術構成 先進制造技術( AMTAdvanced Manufacturing Technology )作為一個專有名 詞至今還沒有一個明確的、一致公認的定義。通過對其內(nèi)涵和特征的研究，目 前共同的認識是：先進制造技術是傳統(tǒng)制造技術不斷吸收機械、電子、信息、 材料、能源和現(xiàn)代管理等方面的成果，并將其綜合應用于產(chǎn)品設計、制造、檢 測、管理、銷售、使用、服務的制造全過程，以實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高

6、效、低耗、清 潔、靈活的生產(chǎn)，并取得理想技術經(jīng)濟效果的制造技術的總稱【3】。它具有如專多能轉(zhuǎn)變，使勞動者的聰明才智能夠得到 從金字塔的多層管理結構向扁平的網(wǎng)絡化結構轉(zhuǎn)變，減少層次和中 從傳統(tǒng)的順序工作方式向并行工作方式轉(zhuǎn)變，縮短工作周期，提高工 從按照功能劃分部門的固定組織形式向動態(tài)的自主管理的小組工作方 通過對先進制造技術的定義和特點的分析我們發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代集成制造系下一些特點： 從以技術為中心向以人為中心轉(zhuǎn)變，使技術的發(fā)展更加符合人類社會的需要； 從強調(diào)專業(yè)化分工向模糊分工、 充分發(fā)揮； 間環(huán)節(jié)； 作質(zhì)量； 式轉(zhuǎn)變。統(tǒng)擁有先進制造技術的絕大部分特點，只不過先進制造技術所涉及的的范圍要 比現(xiàn)代集

7、成制造系統(tǒng)大，因此通過對先進制造技術的綜合考察，我們提出了一 個現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的技術構成模式。如圖 1 所示，即在先進制造技術中，現(xiàn) 代集成制造系統(tǒng)在吸收計算機集成制造系統(tǒng)的優(yōu)秀成果的基礎上，繼續(xù)推動并 行工程、虛擬制造、敏捷制造和動態(tài)聯(lián)盟的研究工作深入進行，并不斷吸收先 進制造技術中的成功經(jīng)驗和先進思想，將它們進行推廣應用，由此使現(xiàn)代集成 制造系統(tǒng)成為先進制造技術的核心，具體說明如下：1、并行工程( CEConcurrent Engineering )： 并行工程是集成地、并行地設計產(chǎn)品及其相關過程(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

8、 概念形成到產(chǎn)品報廢的所有因素，包括質(zhì)量、成本、進度計劃和用戶要求。為 了達到并行的目的，必須建立高度集成的主模型，通過它來實現(xiàn)不同部門人員 的協(xié)同工作；為了達到產(chǎn)品的一次設計成功，減少反復，它在許多部分應用了 仿真技術；主模型的建立、局部仿真的應用等都包含在虛擬制造技術中，可以 說并行工程的發(fā)展為虛擬制造技術的誕生創(chuàng)造了條件，虛擬制造技術將是以并 行工程為基礎的，并行工程的進一步發(fā)展就是虛擬制造技術。同時，并行工程 是在CAD CAM CAPF等技術支持下，將原來分別進行的工作在時間和空間上交 叉、重迭，充分利用了原有技術，并吸收了當前迅速發(fā)展的計算機技術、網(wǎng)絡 技術的優(yōu)秀成果，使其成為先進

9、制造技術中的基礎。 雖然并行工程在我國進行的研究工作中屬于熱點，也取得了一些成果，但是目 前還存在以下一些問題：(1) 研究的廣度和深度不夠：雖然并行工程的研究工作已經(jīng)廣泛開展，但是無論 從研究的內(nèi)容上看，還是從研究的水平上說都明顯存在差距。如：并行工程在 成本和質(zhì)量上的應用才剛剛起步，與供應商的集成問題還沒有提上日程。(2) 與并行工程有關的技術實用化不夠：在實用技術研究方面，目前還沒有商品 化軟件誕生，而國外公司已經(jīng)推出商品化軟件(如：PTC的Pro-Engineering、CV的 CADDS)。(3) 并行工程的實施隊伍不夠：由于科研力量薄弱，在研究上還不能全面開花， 并行工程的實施就更

10、是難上加難了。而且，當前國內(nèi)機械行業(yè)在激烈的市場競 爭中經(jīng)濟效益不好，CAD/CA技術還有待普及，全面實施并行工程還缺乏基本 的物質(zhì)基礎。由于并行工程所處的基礎性地位及我國研究工作的不足，就決定了必須將它作 為現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的基礎性研究工作不斷深入地進行。2、虛擬制造( VMVirtual Manufacturing)：虛擬制造利用信息技術、仿真技術、計算機技術對現(xiàn)實制造活動中的人、物、 信息及制造過程進行全面的仿真，以發(fā)現(xiàn)制造中可能出現(xiàn)的問題，在產(chǎn)品實際 生產(chǎn)前就采取預防措施，從而達到產(chǎn)品一次性制造成功，來達到降低成本、縮 短產(chǎn)品開發(fā)周期，增強產(chǎn)品競爭力的目的【 4】。目前，虛擬制造技術已

11、經(jīng)在國外有所應用，例如：美國 Boneing 公司設計的一 架 VS-X 虛擬飛機，可用頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套進行觀察與控制，使飛機設計人 員身臨其境地觀察飛機設計的結果，并對其外觀、內(nèi)部結構及使用性能進行考 察；日本 Matsushita 公司開發(fā)的虛擬廚房設備制造系統(tǒng)，允許消費者在購買商 品前，在虛擬的廚房環(huán)境中體驗不同設備的功能，按自己的喜好評價、選擇和 重組這些設備，他們的選擇將被存儲并通過網(wǎng)絡送至生產(chǎn)部門進行生產(chǎn)；美國 Coventry School of Art and Design 開發(fā)的虛擬原型制作系統(tǒng)，設計者在設 計的初始階段能夠在計算機中構造虛擬原型并對此原型進行評價【6】。

12、國內(nèi)的研究剛剛起步，主要集中在三個方面【 7】：( 1)產(chǎn)品虛擬設計技術： 主要包括虛擬產(chǎn)品開發(fā)平臺、虛擬測試、虛擬裝配以及機床、模具的虛擬設計 實現(xiàn)等。其中清華大學利用美國國家儀器公司的 Labview 開發(fā)平臺實現(xiàn)了鎖相 電路的虛擬，機械科學研究院采用 C語言和OpenGL進行編程初步實現(xiàn)了立體停 車庫的虛擬現(xiàn)實下的參數(shù)化設計，可以直觀地進行車庫的布局、設計、分析和 運動模擬。( 2)產(chǎn)品虛擬制造技術 主要包括材料熱加工工藝模擬、加工過程仿真、板材成型模擬、模具制造仿真 等。北航與一汽用OPTRIS開發(fā)的板料成型軟件已經(jīng)基本能夠模擬類似車門的中 等復雜程度的汽車覆蓋件和其他沖壓成型件的沖壓

13、成型過程；沈陽鑄造研究所 開發(fā)的電渣熔鑄工藝模擬軟件包 ESRD3已經(jīng)應用于水輪發(fā)電機變曲面過流部件 生產(chǎn)中，其產(chǎn)品在劉家峽、李家峽、天生橋、太平役等 7 個電站中使用；合肥 工業(yè)大學研制的雙刀架數(shù)控車床加工過程模擬軟件已經(jīng)在馬鞍山鋼鐵股份有限 公司車輪輪箍廠應用，使數(shù)控程序現(xiàn)場調(diào)試時間由幾個班縮短到幾小時，并保 證一次試切成功；北京機床研究所、機械科學研究院、東北大學、上海交大和 長沙鐵道學院等單位也研制出一些這方面的仿真軟件。( 3)虛擬制造系統(tǒng)主要包括虛擬制造技術的體系結構、技術支持、開發(fā)策略等。其中提出了比較 成熟的思想并可能實現(xiàn)的是由上海同濟大學張曙教授提出的分散網(wǎng)絡化生產(chǎn)系 統(tǒng)和西

14、安交通大學謝友柏院士組建的異地網(wǎng)絡化研究中心。從以上的論述中可以看到國內(nèi)外研究水平差距是很大的，而且由于虛擬制造技 術既是并行工程的發(fā)展方向又是敏捷制造的核心，這就決定我們必須以它作為 現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的中心技術，以帶動相關技術的研究工作的進行，并使它們 協(xié)同一致順利地發(fā)展。3、敏捷制造( AMAgile Manufacturing )： 敏捷制造是以競爭力和信譽度為基礎，選擇合作者組成虛擬公司，分工合作， 為同一目標共同努力來增強整體競爭能力，對用戶需求作出快速反應，以滿足 用戶的需要。為了達到快速應變能力，虛擬企業(yè)的建立是關鍵技術，其核心是 虛擬制造技術，即敏捷制造是以虛擬制造技術為基礎的

15、。敏捷制造是現(xiàn)代集成 制造系統(tǒng)從信息集成發(fā)展到企業(yè)集成的必由之路，它的發(fā)展水平代表了現(xiàn)代集 成制造系統(tǒng)的發(fā)展水平，是現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的發(fā)展方向。自從 1991 年美國提出敏捷制造的思想后，美國政府就贊助許多研究單位開發(fā)實 現(xiàn)敏捷制造的基礎結構和工具，并鼓勵在不同行業(yè)進行示范應用，目前已經(jīng)取 得了一定進展。例如：在遙測裝置生產(chǎn)的敏捷制造示范項目中，它聯(lián)合了加利 福尼亞的圣地亞國家實驗室、聯(lián)合信號公司堪薩斯城分部和新墨西哥的圣地亞 國家實驗室以及機械主箱、印刷電路板供應商。通過聯(lián)合彌補了單一企業(yè)資源 不足的弱點，這一聯(lián)盟的生產(chǎn)時間比單一企業(yè)的生產(chǎn)時間減少了 50，生產(chǎn)率 提高顯著。現(xiàn)在美國的很多大

16、公司都參加了這一研究計劃，在歐洲和日本等發(fā) 達國家也紛紛成立了相應的機構，進行相應的研究和實施工作。我國專家從 1993年就開始對敏捷制造進行跟蹤研究，主要包括：實施敏捷制造的技術基 礎；虛擬公司的建立步驟及其體系結構和運行模式；虛擬公司的組織與應用 等。與國外相比，這些研究工作只能算原則性的研究工作，距離實用還需要走 很長的一段路。因此，在我國企業(yè)目前還不可能實現(xiàn)敏捷制造，但是從科學研 究的角度看，我們認為需要在合適的條件下建立一個研究性的虛擬企業(yè)，加深 我們對虛擬企業(yè)在實際應用中所遇難題的理解，即在實踐中吸取有益的經(jīng)驗， 為今后的發(fā)展作一定的技術儲備。4、綠色制造( GMGreen Man

17、ufacturing )： 綠色制造是一個綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造模式，其目標是使得 產(chǎn)品從設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢的整個產(chǎn)品生命周期中，對環(huán)境 的影響(負作用)最小，資源的使用效率最高。綠色制造的提出是人們?nèi)找嬷?視環(huán)境保護的必然選擇，發(fā)展不能以環(huán)境污染為代價，國際制造業(yè)的實踐表 明，通過改進整個制造工藝來減少廢棄物，要比處理工廠處理已經(jīng)排放的廢棄 物大大節(jié)省開支。綠色制造的實現(xiàn)可以通過計算機仿真來達到目的，即它是虛 擬制造的一部分。從可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的觀點看，綠色制造是必然選擇，它將成 為現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的一個重要的組成部分。從以上的分析中我們可以看到：各種先進制造技術

18、是相互關聯(lián)、彼此交叉的， 在先進制造技術這一大廈下，現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)成為它的核心，并隨著先進制 造技術的不斷發(fā)展而發(fā)展，即現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)應該是一個動態(tài)的概念。 我國現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的發(fā)展策略在市場競爭的推動下，先進制造技術發(fā)展十分迅速，新思想、新概念層出不 窮，通過對現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)與先進制造技術關系的分析，我們認為在制定我 國現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的發(fā)展策略時，應該注重以人為本的思想，運用并行工程 的哲理，使各種先進制造技術相互銜接、協(xié)調(diào)發(fā)展，并不斷吸收先進制造技術 的成熟成果，為先進制造技術在我國的廣泛應用起到促進的作用。目前，在美國并行工程已到了推廣應用階段，在虛擬制造方面也有商品化軟件 投

19、入市場，在這方面我們存在巨大的差距，主要表現(xiàn)在：從研究工作方面看， 科研經(jīng)費緊缺，科研力量分散，科研成果難以推廣應用，人才流失嚴重；從企 業(yè)方面看，企業(yè)的整體素質(zhì)不高，管理工作落后，科研能力薄弱，當面臨國際 競爭時大多難以為繼，很難在現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)方面花費過多，而且受企業(yè)人 員素質(zhì)的制約，一些先進的技術還不易取得立竿見影的實際效果，這些都影響 了企業(yè)應用先進制造技術的熱情；從國家政策方面看，雖然國家對制造業(yè)十分 重視，但是，由于我國當前正處在改革過程中，多種機制同時運行，多方利益 難以協(xié)調(diào)，在資金使用上往往顧此失彼，而且國家財政困難，也難以使用重金 支持現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的研究。針對上述實際情

20、況，我們提出下列解決方案：(1)以企業(yè)需求為出發(fā)點，以“甩圖板”工程為契機，大力普及CAD技術，幫助企業(yè)進行人員培訓，提高企業(yè)人員的素質(zhì)(其中包括技術水平、勞動態(tài)度、 道德水平等)，不斷提高企業(yè)的管理水平，在計算機集成制造系統(tǒng)成功示范企 業(yè)中及時推廣并行工程，并適當宣傳虛擬制造、敏捷制造等思想和技術，為企 業(yè)的進一步發(fā)展提供堅實的基礎。( 2)在政府方面，應發(fā)揮政府的協(xié)調(diào)職能，組織企業(yè)和科研部門進行多方面、 多層次的合作，加強科研成果的應用推廣，而且應組織多學科、跨地區(qū)的科研 力量共同攻關；從宏觀上加強對現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的指導，集中大家的智慧制 定出符合我國國情的發(fā)展計劃，并將計劃的執(zhí)行落到實

21、處。( 3)在技術的先進性方面，不要過度追求世界領先，應該根據(jù)企業(yè)實際要求， 解決實際問題，力爭盡快創(chuàng)造效益，以此取得企業(yè)的支持并獲得資金上的幫 助，以便形成良性循環(huán)，促進研究工作的進一步開展。同時，應該參與國際合 作，跟蹤國際研究動態(tài)，當然，也可以適當引進一些關鍵的、有發(fā)展?jié)摿Φ募?術，進行消化和創(chuàng)新，縮短我國與世界先進水平的差距，保持一定的技術領先 性。( 4)針對我國科研力量分散的弱點，仿照分散網(wǎng)絡化生產(chǎn)的思想，利用計算機 網(wǎng)絡，開展合作研究，建立分布式網(wǎng)絡化研究中心，協(xié)調(diào)一致進行科技攻關。 所謂分布式網(wǎng)絡化研究中心就是利用信息技術、網(wǎng)絡技術、計算機技術對現(xiàn)實 研究活動中的人、物、信息及

22、研究過程進行全面的集成，在一定時期內(nèi)為了共 同的目標以最佳的人員和單位組合來開展科學研究工作，調(diào)動各方面的積極性 通過協(xié)同工作達到研究工作的廣泛開展和深入進行，縮短科研周期，增強科技 成果的競爭力，也可以說分布式網(wǎng)絡化研究中心是將現(xiàn)實的研究機構的職能在 網(wǎng)絡中的映射，是一種“虛擬”的工作模式【 9】。 綜上所述，發(fā)展我國的現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)應該以企業(yè)的需求為動力，通過政府 的政策和計劃的協(xié)調(diào)，繼續(xù)深入開展并行工程、虛擬制造、敏捷制造和綠色制 造的研究與應用，并利用分布式網(wǎng)絡化研究中心，組織各地區(qū)的科研力量集中 突破與現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)密切相關的如 STEP標準的應用、CORB規(guī)范的推廣、 企業(yè)過程

23、重構理論的研究等具有重大戰(zhàn)略意義的理論研究工作，逐步使現(xiàn)代集 成制造系統(tǒng)成為我國制造業(yè)的靈魂。參考文獻李伯虎等，現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的發(fā)展與 863/CIMS 主題的實施策略，CIMS,1998,10:715吳澄，李伯虎，從計算機集成制造系統(tǒng)到現(xiàn)代集成制造系 統(tǒng)，CIMS,1998,10:16李敏賢，面向21世紀的先進制造技術，機械工業(yè)自動 化， 1998,20(4):1 3 虛擬制造技術研討與演示會 論文集，機械科學研究院， 1998， 9 Wiens G.J. : Overview of Virtual Manufacturing, Proceedings of 2nd Agile Manuf

24、acturing Conference: Albuquerque, New Mexico, USA, March 1617,1995 王宏典、張友良，虛擬制造技術及其應用，機械科學與技 術， 1998,17(3): 477 479 陳曉川、張暴暴、劉曉冰、馮辛安，虛擬制造技 術研究概況綜述，機械制造， 1998,12:810 IKimura F.: Product and Process Modeling as a Kernel for Virtual Manufacturing Environment.Annals of the CIRP,1993,42(1):147150 陳曉川、劉曉冰、馮辛安，分布式網(wǎng)絡化研究中心及其體系結構，計算機輔助設計與制造， 1998， 12 The Strat