現(xiàn)代制造系統(tǒng)北京科技大學(xué)

1、現(xiàn)代制造系統(tǒng)現(xiàn)代制造系統(tǒng)北京科技大學(xué)物流研究所2009年5月工業(yè)工程2006第一章第一章 緒論緒論基本要求與知識(shí)點(diǎn)：n基本概念：制造制造系統(tǒng)1-2 1-2 發(fā)展制造系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)發(fā)展制造系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ) 1 1-1 1-1 研究和發(fā)展制造系統(tǒng)的意義研究和發(fā)展制造系統(tǒng)的意義制造與制造系統(tǒng)的概念制造與制造系統(tǒng)的概念緒論北京科技大學(xué)物流工程1.1研究和發(fā)展制造系統(tǒng)技術(shù)的意義n制造特征的轉(zhuǎn)變過去：個(gè)人、孤立的機(jī)器完成的簡(jiǎn)單過程現(xiàn)代：眾多制造要素組成的制造系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜工程例：大型船只、大型飛行器北京科技大學(xué)物流工程1.1研究和發(fā)展制造系統(tǒng)技術(shù)的意義n制造系統(tǒng)的特征結(jié)構(gòu)復(fù)雜性n過去：簡(jiǎn)單單一n現(xiàn)代：系統(tǒng)集

2、成關(guān)聯(lián)復(fù)雜性n系統(tǒng)間 信息交換、信息處理復(fù)雜性n支撐技術(shù)跨學(xué)科集成：機(jī)、電、液環(huán)境復(fù)雜性n社會(huì)環(huán)境n地域范圍1-1 研究和發(fā)展制造系統(tǒng)的意義n 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，“制造”已由個(gè)人行為和孤立機(jī)器完成的簡(jiǎn)單過程演變?yōu)楸仨氂杀姸嘀圃煲亟M成的制造系統(tǒng)來完成的復(fù)雜工程。從系統(tǒng)科學(xué)與工程的角度看，完成現(xiàn)代制造任務(wù)的制造主體正在從簡(jiǎn)單系統(tǒng)發(fā)展為復(fù)雜大系統(tǒng)，具體體現(xiàn)在以下三方面： 1結(jié)構(gòu)復(fù)雜性 n 從制造領(lǐng)域自身的發(fā)展看，制造主體（如制造企業(yè)等）作為一個(gè)系統(tǒng)不但規(guī)模不斷擴(kuò)大，而且結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜。n 在手工業(yè)生產(chǎn)時(shí)代，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、加工、裝配和檢驗(yàn)基本上都由個(gè)人完成，如果講系統(tǒng)，這時(shí)的制造系統(tǒng)規(guī)

3、模小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于駕馭。n 18世紀(jì)的西方工業(yè)革命，雖然有力促進(jìn)了制造技術(shù)和制造裝備的發(fā)展，但制造作為系統(tǒng)仍很簡(jiǎn)單。1結(jié)構(gòu)復(fù)雜性n到了19世紀(jì)中葉后的大批量生產(chǎn)時(shí)代，通過勞動(dòng)分工實(shí)現(xiàn)作業(yè)專業(yè)化，在機(jī)械化和電氣化技術(shù)支撐下，進(jìn)行流水線方式生產(chǎn)，形成了較大規(guī)模的制造系統(tǒng)，但此時(shí)制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)卻并不復(fù)雜，其分析設(shè)計(jì)、信息處理、管理控制等問題也相對(duì)易于處理。 1結(jié)構(gòu)復(fù)雜性n 到了20世紀(jì)后半葉特別是近三十年來，市場(chǎng)需求朝多樣化方向發(fā)展且競(jìng)爭(zhēng)加劇，迫使產(chǎn)品生產(chǎn)朝多品種、變批量、短生產(chǎn)周期方向演進(jìn)，由此形成柔性制造、計(jì)算機(jī)集成制造、敏捷制造等先進(jìn)制造模式，按此構(gòu)成的現(xiàn)代制造系統(tǒng)不但規(guī)模龐大，而且結(jié)構(gòu)十分

4、復(fù)雜，系統(tǒng)的分析與綜合已具有相當(dāng)?shù)碾y度，系統(tǒng)的優(yōu)化管理控制問題更是難以解決，已成為全球范圍內(nèi)具有挑戰(zhàn)性的課題。 2關(guān)聯(lián)復(fù)雜性 n系統(tǒng)科學(xué)性： 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，制造系統(tǒng)內(nèi)部各組成環(huán)節(jié)間的信息聯(lián)系以及制造系統(tǒng)與外部環(huán)境的信息聯(lián)系，在廣泛性和復(fù)雜性方面均在不斷加強(qiáng)，系統(tǒng)中信息交換、信息處理的速度亦在迅速提高，從而使制造系統(tǒng)中各組成環(huán)節(jié)間的相互作用、相互依賴以及環(huán)境對(duì)制造系統(tǒng)的影響日益加強(qiáng)，“牽一發(fā)而動(dòng)全身”的效應(yīng)日益凸現(xiàn)。 因此，注重關(guān)聯(lián)，把握全局在制造過程中將變得越來越重要。這些結(jié)果使得制造活動(dòng)和制造過程呈現(xiàn)出越來越強(qiáng)的系統(tǒng)科學(xué)性。2關(guān)聯(lián)復(fù)雜性 n學(xué)科綜合性： 相關(guān)學(xué)科的理論與方法

5、日益向制造學(xué)科滲透，對(duì)制造學(xué)科和制造系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生了深刻的影響。 在制造系統(tǒng)的底層，機(jī)電一體化的制造裝備和加工系統(tǒng)，大幅度提高了制造過程的柔性和效益； 在管理控制層，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代管理理論和控制方法的應(yīng)用，使制造系統(tǒng)的管理與控制不斷發(fā)展、不斷創(chuàng)新，走出了從MRP、MRPII到ERP的發(fā)展歷程； 在全局上，系統(tǒng)科學(xué)與工程的理論與方法使制造領(lǐng)域廣大人員的思維模式、分析問題和解決問題的方法等都正在發(fā)生深刻的變化。 n 3環(huán)境復(fù)雜性 n我國的經(jīng)濟(jì)體制正在從計(jì)劃經(jīng)濟(jì)向社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)軌，眾多制造企業(yè)失去了計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)代政府主管部門下達(dá)的計(jì)劃指令。從系統(tǒng)與控制的角度看，即制造系統(tǒng)沒有了確定的輸入信息

6、。 n 隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程的加快，國際市場(chǎng)需求不僅變化極快，而且還難以預(yù)測(cè)。這些不僅造成制造系統(tǒng)輸入信息和運(yùn)行環(huán)境的隨機(jī)性越來越大，而且還要求制造系統(tǒng)的響應(yīng)速度不斷提高。1415神州神州5 5號(hào)號(hào)圖1-11 神州5號(hào)宇宙飛船對(duì)策n對(duì)策：改變觀念 : 由于上述眾多因素的影響，“制造”正在由輸入確定、過程和環(huán)境穩(wěn)定、輸出少變的簡(jiǎn)單系統(tǒng)演變?yōu)檩斎腚S機(jī)、過程和環(huán)境動(dòng)態(tài)變化、輸出和狀態(tài)多變的復(fù)雜大系統(tǒng)。工程界和教育界都越來越清楚地認(rèn)識(shí)到現(xiàn)代制造已成為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，如果僅從孤立的制造方法、制造技術(shù)、制造工具和制造設(shè)備等方面去孤立地研究制造過程，將無法從全局上使“制造”這樣一個(gè)復(fù)雜大系統(tǒng)運(yùn)行于最優(yōu)

7、狀態(tài)，發(fā)揮出最佳效益。 n對(duì)策：加強(qiáng)制造系統(tǒng)研究與發(fā)展 : 因此，面對(duì)上述現(xiàn)實(shí)，我們必須將“制造”作為復(fù)雜大系統(tǒng)來對(duì)待，加強(qiáng)從系統(tǒng)科學(xué)、信息技術(shù)與制造工程相結(jié)合的角度對(duì)現(xiàn)代制造過程進(jìn)行研究，通過信息、控制與制造相融合的方法對(duì)制造系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律進(jìn)行分析，努力探索先進(jìn)的制造系統(tǒng)模式、體系結(jié)構(gòu)和優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)，從而從全局的角度促進(jìn)制造科學(xué)、制造系統(tǒng)和制造工業(yè)的發(fā)展。 n對(duì)策：加強(qiáng)制造系統(tǒng)教學(xué) : 同時(shí)，從教育的角度看，作為制造領(lǐng)域的高級(jí)專門人才制造專業(yè)的本科生和研究生必須掌握制造系統(tǒng)的理論與技術(shù)，以從系統(tǒng)科學(xué)與工程的高度對(duì)現(xiàn)代制造過程有深刻的理解與把握，才能在今后的研究工作、技術(shù)工作和管理工作中更好地

8、駕馭全局，為制造工業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。n 這也是開設(shè)本課程的目的。北京科技大學(xué)物流工程1.2發(fā)展現(xiàn)代制造系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)n先進(jìn)制造模式和相關(guān)理論現(xiàn)代生產(chǎn)模式：JIT、網(wǎng)絡(luò)化制造n先進(jìn)制造技術(shù)與裝備柔性制造系統(tǒng) FMSn系統(tǒng)科學(xué)理論與系統(tǒng)工程技術(shù)離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)n現(xiàn)代管理控制理論與技術(shù)運(yùn)籌學(xué)、現(xiàn)代管理理論n計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)JIT成組技術(shù)GT質(zhì)量管理TQC計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)支持下的并行工作方式和小組化工作方式精益生產(chǎn)體系精益生產(chǎn)的體系構(gòu)成 1-2 發(fā)展制造系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)n1. 先進(jìn)制造模式和相關(guān)理論: 制造模式?jīng)Q定了制造系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理以及管理和控制方法

9、，因此，要對(duì)現(xiàn)代制造系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，要使現(xiàn)代制造系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展保持正確的方向，就必須以先進(jìn)制造模式為基礎(chǔ)，以正確、先進(jìn)的理論為指導(dǎo)。 n2. 先進(jìn)制造技術(shù)與裝備 : 制造技術(shù)與制造裝備是構(gòu)成制造系統(tǒng)的重要元素，要使制造系統(tǒng)發(fā)揮出高效益，必須有先進(jìn)制造技術(shù)和先進(jìn)制造裝備作為支撐。 n 例如,柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的發(fā)展,必須以數(shù)控加工技術(shù)和先進(jìn)數(shù)控機(jī)床為基礎(chǔ)。n3. 系統(tǒng)科學(xué)理論與系統(tǒng)工程技術(shù) : 制造系統(tǒng)屬于復(fù)雜大系統(tǒng)，并且為典型的離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)（Discrete Event Dynamic System，簡(jiǎn)稱DEDS），其狀態(tài)變量數(shù)目巨大，不確定性因素和隨機(jī)性影響突出，非線性和

10、混沌（chaos）現(xiàn)象嚴(yán)重。因此，制造系統(tǒng)研究、開發(fā)和應(yīng)用中所涉及的許多問題，都必須從系統(tǒng)科學(xué)與工程的高度去分析和解決。n4. 現(xiàn)代管理控制理論與技術(shù): 一方面，要使已有的制造系統(tǒng)運(yùn)行于最佳狀態(tài)，發(fā)揮出最佳效益，必須采用有效的管理控制理論、模式和方法；另一方面，要研究、開發(fā)性能優(yōu)良的新型制造系統(tǒng)，也必須十分重視其管理控制子系統(tǒng)的研究開發(fā)。在管理控制子系統(tǒng)的研究開發(fā)中，最重要的就是要研究適合先進(jìn)制造系統(tǒng)的新的管理控制理論與技術(shù)。 n5. 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù) : 現(xiàn)代制造系統(tǒng)的研究開發(fā)和運(yùn)行已越來越多地與計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)相融合。例如，制造系統(tǒng)研究中建立的復(fù)雜數(shù)學(xué)模型必須借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析和求解，制造

11、系統(tǒng)的開發(fā)過程通常都要使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真分析，制造系統(tǒng)的運(yùn)行則更是需要通過先進(jìn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)進(jìn)行信息化管理和數(shù)字化控制。北京科技大學(xué)物流工程1.3制造系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀n制造系統(tǒng)發(fā)展階段剛性制造系統(tǒng)：專用機(jī)床組成剛性流水線n大批量生產(chǎn)n汽車工業(yè)n生產(chǎn)線投資大n捷達(dá)車單機(jī)柔性加工系統(tǒng)：NC多機(jī)柔性加工系統(tǒng)：DNC、FMC、FMS計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)：CIMS跨企業(yè)制造系統(tǒng)和全球制造系統(tǒng)1-3 制造系統(tǒng)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀n 1. 從技術(shù)層面看n 經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，制造系統(tǒng)技術(shù)在總體上已形成基本的體系，并在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮著越來越重要的作用。 n 第一階段：剛性制造系統(tǒng): 本階段在20世

12、紀(jì)50年代前已基本形成。 n 第二階段：?jiǎn)螜C(jī)柔性加工系統(tǒng) : 開始于20世紀(jì)50年代初，到70年代已基本成熟。 n 第三階段：多機(jī)柔性加工系統(tǒng) : 出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代末，70年代以后得到快速發(fā)展，如直接數(shù)控（DNC）加工系統(tǒng)、柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統(tǒng)(FMS)、柔性加工線（FML）。n 第四階段：計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) : 20世紀(jì)80年代以來得到迅速發(fā)展 . 其特征是制造全過程的系統(tǒng)性和集成性，以解決現(xiàn)代企業(yè)生存與競(jìng)爭(zhēng)問題。n第五階段：跨企業(yè)和全球制造系統(tǒng): 20世紀(jì)末提出，正在成為21世紀(jì)的發(fā)展方向。n 基本概念是: 根據(jù)全球化的產(chǎn)品需求，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)和運(yùn)作，把分布在世界各地的

13、制造工廠和銷售點(diǎn)聯(lián)接成一個(gè)整體，從而能夠在任何時(shí)候與世界任何一個(gè)角落的用戶或供應(yīng)商打交道，由此構(gòu)成具有統(tǒng)一目標(biāo)的在邏輯上為一整體而物理上分布于全世界的跨企業(yè)和跨國制造系統(tǒng)。 1-3 制造系統(tǒng)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀n 2. 從學(xué)科發(fā)展看制造系統(tǒng)誕生于 20世紀(jì)70年代后期的日本。京都大學(xué)人見勝人（Hitomi K.）教授發(fā)表著作Manufacturing System Engineering。 在美國，麻省理工學(xué)院90年代初即開設(shè)有制造系統(tǒng)課程，并出版了專著。 在西歐，一些一流大學(xué)亦開設(shè)了制造系統(tǒng)課程。 總之，制造系統(tǒng)已成為國外一流大學(xué)相關(guān)專業(yè)和學(xué)科的科研與教學(xué)工作的重要組成部分。 在我國，制造系統(tǒng)的

14、研究和應(yīng)用起步也較早，20世紀(jì)80年代中就已有柔性制造系統(tǒng)（FMS）在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用。 但制造系統(tǒng)作為一個(gè)學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域，在國家支持下開展有組織的深入系統(tǒng)研究和應(yīng)用，是開始于國家的863計(jì)劃。以CIMS為代表的研究項(xiàng)目十幾年來取得一大批成果，并在許多類型的企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，有力推進(jìn)了我國制造系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展。 清華大學(xué)制造工程研究所在多年制造系統(tǒng)研究和應(yīng)用實(shí)踐積累的基礎(chǔ)上于1989年率先在國內(nèi)為研究生開出現(xiàn)代制造系統(tǒng)課程。當(dāng)時(shí)正值我國國企改革啟動(dòng)階段，制造企業(yè)面臨巨大的市場(chǎng)壓力，迫切需要利用制造系統(tǒng)知識(shí)解決企業(yè)面臨的生產(chǎn)經(jīng)營與管理問題。課程開出后受到企業(yè)和學(xué)生的歡迎。 北京科技大學(xué)物流工程nF

15、A“人機(jī)一體化制造系統(tǒng)”n智能制造系統(tǒng)n單元級(jí)制造系統(tǒng)：FMCn網(wǎng)絡(luò)制造n分布式控制1-4 制造系統(tǒng)研究和應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)n1. 對(duì)無人制造自動(dòng)化進(jìn)行了反思，提出了 “人機(jī) 一體化制造系統(tǒng)”的新思想。 n2. 智能制造系統(tǒng)將是未來制造系統(tǒng)的重要發(fā)展方 向之一。 n3. 單元級(jí)制造系統(tǒng)的研究仍然占有很重要的地位。 n4. 平臺(tái)技術(shù)的研究與平臺(tái)軟件的開發(fā)是近年來制造系統(tǒng)發(fā)展的主要?jiǎng)酉蛑弧5. 現(xiàn)代制造模式的提出和研究，直接推動(dòng)著制造系統(tǒng)的發(fā)展。 n6. 分布式控制將是未來制造系統(tǒng)管理控制的重要發(fā)展方向之一。 n7. 一種新的制造觀即信息制造觀正在孕育和發(fā)展之中。 n8. 實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略正在成

16、為制造系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。1-4 制造系統(tǒng)研究和應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)1-5 本課程的主要內(nèi)容n作為機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)課，現(xiàn)代制造系統(tǒng)將從系統(tǒng)科學(xué)的角度對(duì)現(xiàn)代制造過程進(jìn)行研究，通過信息、控制與制造相融合的方法對(duì)制造系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律進(jìn)行分析，以近十年來國際上制造系統(tǒng)領(lǐng)域的最新發(fā)展和我國在此領(lǐng)域的研究、開發(fā)和應(yīng)用成果為案例，按照工程學(xué)科教學(xué)的客觀規(guī)律和現(xiàn)代人才培養(yǎng)的要求實(shí)施教學(xué)。本課程內(nèi)容分四個(gè)層次：n1. 基礎(chǔ)理論：n 制造系統(tǒng)的基本概念、理論基礎(chǔ)、體系結(jié)構(gòu)；n2. 系統(tǒng)分析與綜合：n 現(xiàn)代制造系統(tǒng)分析與綜合的主要方法；n3. 管理與控制：n 制造系統(tǒng)的運(yùn)行管理、調(diào)度控制和過程控制；n4. 信息環(huán)境：n 從信息與制造相融合的角度，介紹制造系統(tǒng)n 優(yōu)化運(yùn)行的信息環(huán)境。教學(xué)目的與目標(biāo)n通過本課程的教學(xué)，力圖使機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)的本科生掌握制造系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)與體系結(jié)構(gòu)、管理與控制技術(shù)、分析與設(shè)計(jì)的基本方法，提高從系統(tǒng)的角度分析問題和解決問題的能力，為將來從事現(xiàn)代制造系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)、管理與控制等方面的工作打好基礎(chǔ)。在學(xué)習(xí)本課程時(shí)，應(yīng)聯(lián)系實(shí)際，在掌握理論知識(shí)的同時(shí)，逐漸學(xué)會(huì)從系統(tǒng)的角度去看待制造、研究制造、把握制造、發(fā)展制造。 學(xué)習(xí)參考書 n1 Hitomi K., Manufacturing System Engineering, n London, Taylor &a