制造信息化总体技术.ppt

,制造信息化 总体技术 清华大学制造工程研究所 郁鼎文,研究生课程：先进制造技术专题,制造信息化 总体技术,现代集成制造的体系结构,2,1,3,4,现代集成制造的发展,现代集成制造的概念,概述,5,6,信息系统建模工具,制造信息学,1 概述,蒸气机/电机,人的体力劳动,工业革命,信息技术,人的脑力劳动,制造信息化,信息,知识,决策,利润,1 概述,信息化、知识化制造,制造过程,物资,产品,废品,能量,信息,硬件：物料/设备/工具/能源 软件：制造理论/加工工艺/管理理论/信息 人：技术人员、生产人员、管理人员,制造过程是将制造信息物化在原材料或毛坯上并使之转化为产 品信息的过程，采用不同的制造知识和工艺方法，将导致不同的材 料和能量的转换方式和利用效益。,1 概述,制造业信息化 将信息技术、现代管理技术和制造技术结合，并应用到企业产品生命周期全过程和企业运行管理的各个环节，提高企业市场竞争能力的过程。 特征： 制造信息数字化 制造过程数控化,1 概述,信息流,网络系统 数据库系统,质量信息管理系统,管理 信息 系统,制造 自动化 系统,技术信息系统,质量信息 质量管理信息 生产、物料、维护计划 生产、物料、设备信息 库存、技术准备计划 设备变更信息 产品设计工艺信息,零件、NC、工艺、工装 工艺/设备/可制造分析 产品质量要求 质量控制信息 生产、物料、维护计划 生产、物料、设备信息,工艺设备制造性 零件NC工艺工装 设计工艺信息 库存技术准备计划 产品质量要求 质量控制信息,质量管理信息 质量信息 产品质量要求 质量控制信息 产品质量要求 质量控制信息,供求信息,订单,物料采购信息,物料采购合同,1 概述,信息流,生产经 营决策,结构设计 与分析,总体结 构决策,概念设计 方案决策,设计任务 规划,工艺 设计,过程 仿真,资源需求 与分析,设计流管理,PDM,ERP,市场客户需求信息,产品开发 过程信息流,1 概述,信息流 产品制造 过程信息流,工装规划 与设计,车间调度,NC指令 生成仿真,生产作业 计划,质量控制,资源需求 与分析,PPS,PDM,ERP,资源需求、工艺设计,2 制造信息学,一、概念 制造信息：制造确定性的表征，反映了制造系统的有序化过程。 包括：实施制造过程中的经验法则 客观规律等技术措施 协调生产环节相互关系的逻辑决策知识 制造信息学：研究与制造活动有关的信息的本质、特征、计量、采集、传递、交换和储存的基本理论和方法。,2 制造信息学,二、体系结构,制造信息学体系结构,制造信息学定义,制造信息的分类,制造信息学理论基础,制造信息表示与建模,制造信息存储与管理,制造信息共享与交换,1、研究内容： 制造过程的信息集成、流动和利用； 制造活动中人的经验、技能、诀窍和知识的表达、传递和变换； 非符号信息表达； 海量制造信息的获取、分析、规范、存储和保真机制； 非完整制造信息状态下的生产决策； 数据仓库、知识库和知识发现； 分布式制造信息系统。,2 制造信息学,二、体系结构,2、制造信息的特点 多态性 结构化信息（工艺文件、产品结构、产品零件表、生产计划） 非结构化信息（图形文件、实体模型、NC程序、文本文件、专家知识、设计经验） 结构复杂性（难以用模型表示形式存储和处理） 分布性和异构性（分布在各分系统；时间、环境、应用目的的差异） 实时性（实时加工和监控） 集成性,2 制造信息学,二、体系结构,3、制造信息分类,制造信息,表征对象 设计信息 加工信息 管理信息,表征形式 数字信息 文字信息 图形信息,时间特征 动态信息 静态信息 瞬态信息,空间特征 全局信息 局部信息 公有信息 专有信息,生成方式 手工输入 自动生成 半自动生成,结构特征 结构化信息 半结构化信息 非结构化信息,服务目的 决策信息 服务信息,4、制造信息学的理论基础 制造科学、信息科学、系统科学、控制科学、管理科学、数学建模理论,3 现代集成制造的概念,一、CIM的提出： 1973年美国Dr. JosephHarrington提出CIM哲理（Computer Integrated Manufacturing)，2个要点： 1、企业的各个生产环节是不可分割的，需要统一考虑 2、整个生产过程实质上也是对信息的采集、传递和加工处理的过程，在企业中主要存在信息流和物流这两种运动过程，而物流又是受信息流控制的。 我们把此提升为：系统（整体）观点和信息观点 因此，通俗解释为： 用计算机通过信息集成实现现代化的生产制造，求得企业的总体效益,3 现代集成制造的概念,85年德国经济生产委员会（AWF）提出CIM的推荐定义： “CIM是指在所有与生产有关的企业部门中集成地采用电子数据处理。CIM包括了在生产计划与控制（PPC）、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工艺规划（CAPP）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助质量管理（CAQ）之间信息技术上的协同工作，其中为生产产品所必需的各种技术功能和管理功能应实现集成。” 88年-89年863/CIMS专家组认为： “CIM是未来工厂自动化的一种模式。它把以往企业内相互分离的技术（如CAD、CAM、FMC、MRP）和人员（各部门、各级别），通过计算机有机地综合起来，使企业内部各种活动高速度、有节奏、灵活和相互协调地进行，以提高企业对多变竞争环境的适应能力，使企业经济效益取得持续稳步的发展”,3 计算机集成制造的概念,90年IBM： “应用信息技术提高组织的生产率和响应能力” 91年日本能率协会提出： “为实现企业适应今后企业环境的经营战略，有必要从销售市场开始，对开发、生产、物流、服务进行整体优化组合，CIMS是以信息作为媒介，用计算机把企业活动中多种业务领域及其职能集成起来，追求整体效益的新型生产系统”。 欧共体CIM/OSA： “CIM是信息技术和生产技术的综合应用，旨在提高制造型企业的生产率和响应能力，由此，企业的所有功能、信息和组织管理方面都是集成起来的整体的各个部分”。,3 现代集成制造的概念,863/CIMS的定义 “CIM作为一种组织、管理与进行企业生产的哲理，将信息技术、现代管理技术、系统工程技术和制造技术相结合，并应用于企业产品全生命周期（从市场需求分析到最终报废处理）的各个阶段。通过信息集成、过程优化及资源优化，实现物流、信息流、价值流的集成和优化运行达到人（组织、管理）、经营和技术三要素的集成。以加强企业新产品开发的T（技术）、Q（质量）、C（成本）、S（服务）、E（环境），从而提高企业的市场应变能力和竞争能力。” CIMS的定义： 基于CIM哲理组成的系统，是CIM哲理的实现。,3 现代集成制造的概念,CIM是一种组织、管理与运行企业的哲理。其目的是使企业达到产品上市快、高质、低耗、服务好、环境清洁，进而提高企业的柔性、健壮性、敏捷性，使企业赢得市场竞争。因此，CIM/CIMS不是企业的目标，而是达到企业目标的手段之一； 企业生产过程中的各个环节是一个不可分的整体，要以系统的观点进行优化。此处的优化是指对企业生产过程各阶段活动中有关人/组织、经营管理和技术三要素及其信息流、物流和价值流有机集成并优化； CIM技术是传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术等的有机结合，其包括总体技术、支撑技术、设计自动化技术、制造自动化技术和管理自动化技术； CIMS的主要特点是计算机化、信息化、智能化、集成优化，CIM哲理和相关技术既可用于离散型制造业，也可用于流程和混合型制造业； CIM是生产力发展的必然结果；CIM不是排他的，如CIM与LP。,对CIM和CIMS的进一步说明,3 现代集成制造的概念,二、集成的概念 计算机集成系统的核心是集成 集合不等于集成，集成要比集合更高一个层次。 集成不是将各种计算机和设备简单地连接和拼凑，而是要通过信息集成将原来没有联系或联系不紧密的单元有机地组合成为功能协调的，互相紧密联系的新系统。 集成的特征： 1、人员和组织集成，管理者、设计者、制造者、保障者（质量、销售、服务） 2、信息集成：产品生命周期中各类信息的获取、表示、处理和操作工具集成为 一体。（产品信息模型PIM 产品数据模型PDM） 3、技术集成：产品开发全过程中涉及的多学科知识，以及各种技术、方法、知 识库、方法库。 4、功能集成：企业各部门功能、产品开发与外部协作企业间功能,3 现代集成制造的概念,三、CIMS集成的层次,单项技术（自动化孤岛）联系起来 相互交换信息和数据,整个系统内部各种 应用软件的集成,CIMS的最高阶段 即人的集成。 CIMS 阻力的70% 来源于人，11%对 成本的评估，9%的 技术元件.,3 现代集成制造的概念,四、集成发展阶段,3 现代集成制造的概念,四、集成发展阶段 1、信息集成,自动化孤岛,CAD,生产管理,CAPP/CAM,财务管理,3 现代集成制造的概念,解决企业中各个自动化孤岛之间的信息交换与共享 A、企业建模、系统设计方法、软件工具和规范。 解决了一个制造企业的物流、信息流、价值流（如资金流）、决策流的关系，这是企业信息集成的基础。 B、异构环境下的信息集成。 不同通信协议的共存及向ISO0SI的过渡。 不同数据库的相互访问。 不同商用应用软件之间的接口。,3 现代集成制造的概念,3 现代集成制造的概念,3 现代集成制造的概念,2、过程集成 解决产品设计过程的重建，过程优化技术： 过程重建及建模：产品设计开发过程的重构和建模，即将原来的串行作业过程，尽可能地转变为并行作业，建立模型。,3 现代集成制造的概念, 组织重建及建模：组成支持并行作业的多学科的协同工作小组，以及计算机网络（往往是广域网）支持下的协同工作环境（CSCW）和PDM，它可以提供异地设计人员在同一时间一对设计的评价和修改，进而支持异地互操作。 并行工程的工具：如基于CAX（CAD、CAPP、CAM）的DFA、DFM（Design For Assembly，Design For Manufacturing）等。,3 现代集成制造的概念,3 现代集成制造的概念,现代的组织结构 面向过程的组织结构,Teamwork,3 现代集成制造的概念,3、企业集成,3 现代集成制造的概念,3、企业集成 企业外部资源的优化利用，适应知识经济、全球经济、全球制造的新形势 支持敏捷制造的使能技术。美国的 TEAM计划（即 Technology Enabling Agile Manufacturing）针对航天、电子、机械三类行业的敏捷制造提供使能技术。使能技术包括了资源共享、信息服务虚拟制造、并行工程、建模仿真和人工智能等。 资源优化，包括供应链的建模和管理。 集成化、网络化、数字化、虚拟化以及智能化是改变传统制造系统，使之成为信息时代、知识经济时代的先进制造系统的最主要的内容。 集成化：经历了信息集成-过程集成-企业集成； 网络化：经历了局域网-广域网-InternetIntranetExtranet； 数字化：从部件的数字化定义到产品的全数字化模型； 虚拟化：从二维的仿真到三维的动画。 智能技术：从一开始便被引人到CIMS的设计、管理、调度等知识表示和决策优化中。,4 现代集成制造的体系结构,一、组成,4 现代集成制造的体系结构,二、圆轮图,4 现代集成制造的体系结构,二、圆轮图,4 现代集成制造的体系结构,二、圆轮图,5 现代集成制造的体系结构,二、圆轮图,4 现代集成制造的体系结构,三、体系结构 CIM体系结构定义为一组不同层次的各种视图模型的集合 CIM-OSA就是欧洲ESPRIT计划中一个由来自多个国家的22个公司、研究所和大学组成的集团AMICE所开发的，它由一个三个座标的立方体表示 逐步具体化：描述了从形成基本建造块到建立用于各种类型工业的部分通用模型，再到最后建立特定企业的专用模型的建模过程。 逐步推导：提供了CIM开发的生命周期中不同阶段的模型描述。 逐步生成：用四个视图，即功能、信息、资源和组织，来建立了总系统各个方面的模型。,4 现代集成制造的体系结构,组织模型,组织模型,组织模型,资源视图,资源视图,资源视图,信息视图,信息视图,信息视图,组织模型,资源视图,信息视图,通 用 建 模 层,部 分 通 用 建 模 层,专 用 建 模 层,逐 步 推 导,逐步具体化,逐步生成,CIM开放 式体系结 构,体系结构模型中是面向CIMS开发过程，按生命周期法展开的,4 计算机集成制造的体系结构,1、CIM-OSA 结构层次,通 用 建 模 层,部 分 通 用 建 模 层,专 用 建 模 层,4 计算机集成制造的体系结构,1、CIM-OSA 结构层次,图4.2 参考结构和专用结构,通用层结构和宏大的部分通用层结构构成了一个参考结构库，库内参考结构的多少很大程度上取决于部分通用层中结构模型的多少，这些根据不同类别划分的模型和以企业加工产品类型划分得到的模型，就其数据量来说是很大的，因此CIM-OSA的研究中，建立部分通用层参考结构模型物工作量是十分巨大的。,4 计算机集成制造的体系结构,1、CIM-OSA 实施描述建模层次,图4.3 ICM-OSA建模层次和过程,需求定义模型包括了许多以视图表示的基本经营内容（目标、功能、规则、约束、信息和材料、资源和组织等），所有这些内容都要准确地反映在最后的实施描述模型中。,设计说明建模层提供了对在企业需求定义模型中收集到的需求通过CIM系统设计进行优化和逻辑重构的描述方法，这是一个无冗余的、面向系统的经营需求描述。,实施描述建模层提供了各种方法，把设计说明建模层的内容转变成CIM系统中所有被选定的元个的完整的系统说明。,4 计算机集成制造的体系结构,1、CIM-OSA 实施描述建模层次,图4.3 ICM-OSA建模层次和过程,功能视图指功能和特性结构； 信息视图指信息结构（从经营用户的观点所需的信息）； 资源视图指资源组织； 组织视图指组织结构。,功能视图经营过程和企业活动的组成及优化组合； 信息视图住处的组成及非冗余的组合； 资源视图资源的逻辑组成； 组织视图经营职责的逻辑组合。,功能视图经营过程和企业活动工能的运行结构； 信息视图企业信息的运行结构； 资源视图企业资源的运行结构（包括实施元件的规格说明）； 组织视图企业职责的运行结构。,4 计算机集成制造的体系结构,1、CIM-OSA 实施描述建模层次,信息技术：用于企业所有活动的数据据处理和分配。它包括应用程序和CIM-OSA集成基础结构，和所有支持应用软件运行的 CIM-OSA服务。它在保持应用程序和硬件相互独立的同时，允许应用软件在主机硬件上运行。,制造技术：用以处理物料、装配产品、包装和运输产品。同时它还包手人及其工作计划、机器及其所需的控制程序。,图4.4 实施描述模型的内容,图4.5 实施描述模型技术的元件,4 计算机集成制造的体系结构,1、CIM-OSA 视图层,CIM-OSA结构构成,4 计算机集成制造的体系结构,1、CIM-OSA,功能视图结构关系,4 计算机集成制造的体系结构,1、CIM-OSA,需求定义建模层上信息视图结构,4 计算机集成制造的体系结构,1、CIM-OSA,设计说明建模层上的信息视图结构,实施描述建模层上的信息视图结构,4 现代集成制造的体系结构,4 现代集成制造的体系结构,企业的管理控制职能一般都是按递阶层次展开的,自上而下，涉及范围越来越小，工作内容越来越细，时标越来越短，实时性要求越来越高。,上层传给下层的是控制信息或指令信息，下层传给上层的是状态反馈信息或指令执行情况汇报信息。,按递阶结构，信息不能越级传递。,4 现代集成制造的体系结构,应用软件的运行依次在集成平台、数据库系统、计算机系统支持下实现。,集成则是通过网络系统实现计算机系统间的互联，在网络系统的支持下，实现数据库系统的互联，形成分布式数据库系统，再支持集成平台实现应用软件间的集成。,集成平台 Integrated Platform,应用软件,应用软件,分布数据库系统,数据库系统,数据库系统,网络,计算机系统,计算机系统,应用软件层,集成平台层,数据库层,网络层,计算机层,4 现代集成制造的体系结构,工 厂 层,车间 层,单元 层,工作站 层,设备 层,生产经营 决策分系 统,CAD/CAPP /CAM分 系统,制造 自动化 分系统,质量信息分系统,使能器层是在网络和数据库基础上增加的集成平台。如没有集成平台层亦可直接在网络数据库上进行系统集成。,清华大学精密仪器与机械学系制造工程研究所,Tsinghua University,4 CIMS组成及体系结构 -国内CIMS应用企业体系结构,北京机电研究院CIMS体系结构,清华大学精密仪器与机械学系制造工程研究所,Tsinghua University,嘉陵CIMS体系结构,4 CIMS组成及体系结构 -国内CIMS应用企业体系结构,清华大学精密仪器与机械学系制造工程研究所,Tsinghua University,昆明机床股份公司CIMS体系结构,4 CIMS组成及体系结构 -国内CIMS应用企业体系结构,清华大学精密仪器与机械学系制造工程研究所,Tsinghua University,昆明机床股份公司CIMS层次结构,4 CIMS组成及体系结构 -国内CIMS应用企业体系结构,清华大学精密仪器与机械学系制造工程研究所,Tsinghua University,昆明机床股份公司CIMS计算机层次结构,4 CIMS组成及体系结构 -国内CIMS应用企业体系结构,清华大学精密仪器与机械学系制造工程研究所,Tsinghua University,电子模块CIMS计算机体系结构,4 CIMS组成及体系结构 -国内CIMS应用企业体系结构,清华大学精密仪器与机械学系制造工程研究所,Tsinghua University,电子模块CIMS计算机逻辑结构,4 CIMS组成及体系结构 -国内CIMS应用企业体系结构,清华大学精密仪器与机械学系制造工程研究所,Tsinghua University,4 CIMS组成及体系结构 -国内CIMS应用企业体系结构,清华大学精密仪器与机械学系制造工程研究所,Tsinghua University,4 CIMS组成及体系结构 -国内CIMS应用企业体系结构,清华大学精密仪器与机械学系制造工程研究所,Tsinghua University,4 CIMS组成及体系结构 -国内CIMS应用企业体系结构,清华大学精密仪器与机械学系制造工程研究所,Tsinghua University,4 CIMS组成及体系结构 -国内CIMS应用企业体系结构,清华大学精密仪器与机械学系制造工程研究所,Tsinghua University,4 CIMS组成及体系结构 -国内CIMS应用企业体系结构,5 计算机集成制造的发展,1)基于网络的设计和制造 2)协同工作技术 3)基于虚拟现实的虚拟制造 4)敏捷制造的使能技术 5)各种新的制造模式和管理模式（如大批量定制生产模式等） 6)多代理系统、分布人工智能技术 7)快速原型制造技术 8)PDM技术及应用集成平台和框架 9)企业建模和优化运行技术（动态企业建模、敏捷企业建模等） 10)可持续发展的产品设计、制造及回收技术 11)新型数控和工业机器人系统及其产业化 12)CAD/CAM、ERP的产业化,6 信息系统建模工具,1、IDEF方法 IDEF：是1981年美国空军公布的ICAM（integrated computer aided manufacturing）工程中用了名为“IDEF”的方法，是ICAM DEFinition method的缩写。 IDEF0 功能模型 IDEF9 经营约束的发现 IDEF1X 数据模型 场景驱动信息系统设计 IDEF2 仿真模型设计 IDEF10 信息制品建模 IDEF3 过程描述获取 实施体系结构建模 IDEF4 面向对象设计 IDEF11 信息工具建模 IDEF5 本体论描述获取 IDEF12 组织设计 IDEF6 设计原理获取 组织建模 IDEF7 信息系统审定 IDEF13 三模式映射设计 IDEF8 人与系统接口设计 IDEF14 网络设计 用户接口建模,7 信息系统建模工具,2、IDEF0方法,系统,1,2,3,4,1,2,3,4,活动,输入I,控制C,输出O,机制M,A0图,A3图,6 信息系统建模工具,2、IDEF0方法,6 信息系统建模工具,2、IDEF0方法 以嘉陵摩托CIMS工程为例： A-0图 A0图 A1图 A2图 A3图 A4图 A5图,6 信息系统建模工具,3、IDEF1X方法 信息组成： 数据管理的着眼点应该放在与数据有关的含义上； 信息是为某个特定目的或在一定范围内聚合起来的数据集； 管理信息资源的策略应该放在管理数据被应用于事件的含义上。,6 信息系统建模工具,3、IDEF1X方法 数据三模式：,6 信息系统建模工具,3、IDEF1X方法 实体：独立实体、从属实体 联系：可标定联系、非标定联系、分类联系、非确定联系,6 信息系统建模工具,3、IDEF1X方法 可标定联系,6 信息系统建模工具,3、IDEF1X方法 非标定联系,6 信息系统建模工具,3、IDEF1X方法 分类联系：,6 信息系统建模工具,3、IDEF1X方法 非确定联系：,实体-A / 1,实体-B / 2,银行 / 1,强盗 / 2,6 信息系统建模工具,3、IDEF1X方法 应用,6 信息系统建模工具,3、IDEF1X方法 应用,6 信息系统建模工具,3、IDEF1X方法 应用,6 信息系统建模工具,3、IDEF1X方法 应用,6 信息系统建模工具,3、IDEF1X方法 应用,物料 物料编号（PK）,质量计划 产品号（FK）,物料质检计划 产品号（FK） 物料编号（FK）,现场质量控制计划 产品号（FK）,产品质检计划 产品号（FK）,物料技术性能指标 物料编号（FK）,制造质量信息 产品号（FK）,产品检测信息 产品号（FK）,。,指导 检测,指导 检测,指导 检测,具有,检测规程,检测规程,检测规程,检测规程,物料名称,物料参数表,制造控制数据表,检测数据表,6 信息系统建模工具,3、IDEF1X方法 应用,谢谢各位,