计算机集成制造系统(CIMS)及其他先进制造模式简介.pdf

第 13 章 计算机集成制造系统（CIMS）及其他先进制造模式简介 第第 13 章章 计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（CIMS）及其他先进制造模式简介）及其他先进制造模式简介 本章关键词 制造执行系统（Manufacturing Execution System,MES）并行工程 CE（Concurrent Engineering，CE）逆向工程(Reverse Engineering)计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System，CIMS）互联网资料 http:/www.e- http:/www.cim.co.uk 制造执行系统（MES）软件弥合了企业计划层和生产车间过程控制系统之间的间隔，是制造过程信息集成的纽带。MES 通过强调制造过程的整体优化来帮助企业实施完整的闭环生产，同时也为敏捷制造企业的实施提供了良好的基础。深刻理解 MES 这一先进的管理思想，把握它的发展趋势，对于如何在我国正确的研究和推广 MES 应用具有重要的理论和应用价值。另外，近几年来，并行工程在和逆求工程，是目前国际机械工程领域中重要的研究方向，发展极为迅速。13.1 制造执行系统制造执行系统 MES 13.1.1 MES 的背景的背景 21 世纪的制造企业面临着日益激烈的国际竞争，要想赢得市场、赢得用户就必须全面提高企业的 S、Q、T、C、E。因此，很多企业希望通过实施 MRPII/ERP 来加强管理。然而面对客户对交货期的苛刻要求，面对更多产品的改型，面对订单的不断调整等等很多情况下，计划已经跟不上变化，上层生产计划管理受市场影响越来越大，因而上层生产计划管理并不能充分发挥应有的作用。究其原因在于：(1)MRP/ERP 软件主要是针对资源计划，这些系统虽然通常能处理以前发生的事情并作历史分析，也可以预测并处理未来将要发生的事件，但对今天正在发生的事件却往往留下了不规范的缺口；13-1 第 13 章 计算机集成制造系统（CIMS）及其他先进制造模式简介(2)ERP 系统需要实时的生产信息辅助进行经营决策和订单管理，但是传统生产现场管理只是一黑箱作业，来自生产现场的状态信息和生产数据并不能直接反映经营者所关心的生产进度和质量变化等信息。因此，如何适应复杂多变的竞争需要？如何将黑箱作业透明化，找出任何影响产品品质和成本的问题，改善生产线的运行效率？如何提高计划的实时性和灵活性？这些已成为每个企业所关心并亟待解决的问题。制造执行系统（MES）恰好能填补这一空白。MES 是处于计划层和车间层操作控制系统 SFC 之间的执行层，主要负责生产管理和调度执行。它通过控制包括物料、设备、人员、流程指令和设施在内的所有工厂资源来提高制造竞争力，提供了一种系统地在统一平台上集成诸如质量控制、文档管理、生产调度等功能的方式。从而实现企业实时化的 ERP/MES/SFC系统。由于 MES 强调控制和协调,使现代制造业信息系统不仅有很好的计划系统,而且能使计划落实到实处的执行系统，通过连续信息流来实现企业信息全面集成。因此短短几年间 MES在国外的企业中迅速推广开来，并给企业带来了巨大的经济效益。13.1.2 MES 的内涵的内涵 MES 能通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。当工厂发生实时事件时，MES 能对此及时作出反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。这种对状态变化的迅速响应使 MES 能够减少企业内部没有附加值的活动，有效地指导工厂的生产运作过程，从而使其既能提高工厂及时交货能力，改善物料的流通性能，又能提高生产回报率。MES 还通过双向的直接通讯在企业内部和整个产品供应链中提供有关产品行为的关键任务信息。MES 的关键，是强调整个生产过程的优化，它需要收集生产过程中大量的实时数据，并对实时事件及时处理。同时又与计划层和控制层保持双向通信能力，从上下两层接收相应数据并反馈处理结果和生产指令。因此，MES 不同于以派工单形式为主的生产管理和辅助的物料流为特征的传统车间控制器，也不同于偏重于作业与设备调度为主的单元控制器，而应将 MES 作为一种生产模式,把制造系统的计划和进度安排、追踪、监视和控制、物料流动、质量管理、设备的控制和计算机集成制造接口（CIM）等一体化去考虑，以最终实施制造自动化战略。上个世纪 90 年代初期，美国先进制造研究机构（AMR）通过对大量企业的调查发现，完善的企业生产管理系统，普遍由以下三种软件构成：以 ERP/MRP为代表的企业管理软件，以 SCADA（数据采集与监视）、HMI(Human Machine Interface)为代表的生产过程监控软件，以及实现操作过程自动化、支持企业全面集成的 MES 软件。根据调查结果，AMR于 1992 年提出了三层的企业集成模型，见图 13.1。计划层 执行层 控制层 MRP II/ERPMES Controls图 13.1 AMR 三层企业集成模型 13-2 第 13 章 计算机集成制造系统（CIMS）及其他先进制造模式简介 其中：计划层。也是决策层使用的管理工具，主要应用系统是 ERP、CRM、SCM、BPM（企业绩效管理）等。执行层。企业中层使用的工具 MES（制造执行系统），制造执行系统 MES 在计划管理层与底层控制之间架起了一座桥梁。控制层。一线操作人员使用的，以 SCADA（数据采集与监视）、HMI(Human Machine Interface)为代表的生产过程监控软件。13.1.3 MES 的功能的功能 MES 是利用现场实时的数据提供从可以最佳化产品的订货到生产完成的生产活动的信息。通过减少没有价值的活动，有效的工厂运营得到可能。具体来讲，MES 具有以下功能，见图 13.2：1.工序详细调度：2.资源分配和状态管理 3.生产单元分配 4.文档控制 5.产品跟踪和产品清单管理 6.性能分析 7.人力资源管理 8.维护管理 9.过程管理 10.质量管理 11.数据采集：图 13.3 MES 功能 Autamation 自动化 CRM 客户关 系管理 SCM 客户关 系管理 T&L 运输与 后勤 ERP 企业资 源计划 CMC/PDM 协同制造商务产品数据管MES 工序详 细调度 资源分 配和状 态管理 生产单 元分配 过程 管理 人力资源管理维护 管理 质量 管理 文档控制产品跟踪和产品清单管理 性能分析数据采集13-3 第 13 章 计算机集成制造系统（CIMS）及其他先进制造模式简介 13.1.4 MES 的体系结构的体系结构 体系结构的好坏直接关系到整个系统的敏捷性能。目前比较有影响的有基于 CORBA 的NIIIP-SMART 体系结构和基于 COM/DCOM 的面向制造业的 Windows DNA。两者各有优势，前者在跨平台及实时任务处理上具有优势，后者则有着广泛的应用基础。图 13.4 MES 的体系结构 无论采用哪种体系结构，MES 都需要解决以下关键问题：设计面向对象的 MES 模型以支持应用集成。设计分布式 MES 对象网络以支持实时活动。设计 MES 工作流模型以支持各种控制策略，加强过程管理。设计基于知识的规则以支持管理基于 MES 的产品。集成 CORBA/STEP 以实现与 PDM 的无缝集成。设计 MES 智能代理以支持虚拟企业中 MES 应用。随着信息技术的发展和制造企业的竞争需求，将带动 MES 向可集成性（Integratability）、可配置性（Configurability）、可适应性（Adaptability）、可扩展性（Extensibility）和可靠性（Reliability）的方向发展。13.1.5 MES 的技术支撑的技术支撑 MES 是从企业全局的角度统一规划面向整个生产执行过程的的数据。因此，MES 数据集成平台作为 MES 系统的核心，在开放式体系结构下，以大型商业数据库为基础，采用构件技术、面向对象技术 XML 技术和建模技术，研究、分析、开发和实施以生产过程模型为驱动的流程行业数据集成平台，为建立开放的，柔性的、敏捷的流程行业 MES 系统提供基础的数据环境，发挥企业应用系统的最大价值。并围绕数据平台系统建立了质量管理、物料移动、生产调度、生产统计等关键应用。但由于不同企业可能会从不同的软件供应商购买适合自己的 MES 模块，或将现有系统（legacy system）集成为 MES 功能的一部分，其结果导致许多企业的 MES 系统实际上是往13-4 第 13 章 计算机集成制造系统（CIMS）及其他先进制造模式简介 往各自的处理逻辑、数据库、数据模型和通信机制。又因为 MES 应用常常是要满足关键任务的系统，系统就很难随技术的更新而进行升级。为了实现与外部系统的集成，往往采用API 技术，OLAP 技术和相应的通信机制，这些技术在某种意义上说，也是 MES 功能的核心部分。其中，外部应用系统的调用和插入使用 API 的方式，而应用 EDI 技术和外部环境进行数据交换。当前 MES 的技术模型，见图 13.5。图 13.5 MES 技术支撑 MES逻 辑数据模型数据通信供应链管理企业资源已有系统 LogacySyst办公自动AAA消客户关系管理产品数据自动化控制数据仓库 数据转换接口A应用系统 数据库分销商 电子数据交换电子数据交换AAATools(OLA 案例 宁波卷烟厂制造执行系统（宁波卷烟厂制造执行系统（MES）实践）实践 1.实施背景 宁波卷烟厂制造执行系统（MES）的实践是在国家局 863 项目专家总体组指导下进行和完成的。该系统是根据多年的烟草行业经验设计，根据实际情况，重点突出了生产、质量、设备管理的三条主线，围绕它们进行设计、开发，以适应宁波卷烟厂生产的实际情况，满足宁波卷烟厂现场生产管理的需要。MES是建立在完善的制丝储丝数据采集系统、卷接包数据采集系统、质量检测器具等各类数据采集系统上的，把数据采集用于生产的实时指挥、质量的在线控制、设备的预防维修上，由此为烟草企业提供一种全新的生产管理模式，使烟草企业的生产管理水平上升到全新的高度，具体实施要求如下：(1)利用数据采集系统所获取的实时数据实现生产过程、产品质量的在线监控，提高快速反应能力，促进生产管理由被动指挥型向以预防为主、在线控制的主动实时指挥型管理体系发展。(2)利用数据采集所获取的实时质量数据实现对在制品质量的在线监控，建立对质量参数变化的预防报警机制，预防质量问题的发生，并尽可能的通过对质量检测器具的质量检测数据自动采集，加快检测结果的反馈速度，把质量问题的影响降低到最小。(3)利用数据采集所获取的设备状态及相关数据，使对设备的应急维修逐步过渡到有针对性的预防维修，建立设备故障报警机制，提高技术人员对设备故障的反应速度，建立维修专家支持系统，促使维修工作标准化，提高维修工作效率，提高设备的运行效率和13-5 第 13 章 计算机集成制造系统（CIMS）及其他先进制造模式简介 对质量的保证能力。2.MES功能结构 卷烟厂生产管理信息系统是建立在完善的制丝（储丝）数据采集系统、卷接包数据采集系统、质量检测器具等各类数据采集系统上的，对于数据采集系统，在烟草行业的应用一直有一个误区，过去大家把数据采集系统的应用定位于重点采集生产的消耗数据，为机台考核及成本核算服务，这种定位实际上是错误的，因为再精确的采集也无法做到将生产过程中的边角余料（例如每个卷烟盘纸的剩余部分）以及人为的浪费采集出来，机台考核及成本核算只能以仓库发出的领料数为准，错误的认识极大地阻碍了数据采集系统在烟草企业的应用，因此，尽管很多企业纷纷建立了数据采集系统，但真正发挥实际效益的极少。应该把数据采集用于生产的实时指挥、质量的在线控制、设备的预防维修上，由此为烟草企业提供一种全新的生产管理模式，使烟草企业的生产管理水平上升到全新的高度。3.关键技术 由于卷烟企业制造集成系统是面向卷烟生产全过程，为实时生产管理服务的。因此，设计和实施宁波卷烟厂制造执行系统（MES）必须根据我厂的实际，结合制造执行系统（MES）发展趋势，采用以下关键技术：（1）通用性的综合集成技术 建立高通用性的构架 提高可集成性：提高互操作性：综上，该系统集成了多个厂家的数据采集系统、管理系统的数据，并进行实时数据传递，将数据集成到厂服务器，构成统一的数据平台，并在此基础上开发出多种实时应用。（2）基于微软的.NET平台开发技术 之所以选择微软的.NET平台上进行开发，是因为.NET是一个软件平台，可以连接着信息、用户、不同的系统和设备，它简化了在高度分布式Internet 环境中的应用程序开发。（3）品质管理技术 为保证系统实施的质量，专门制定并发布了品质管理制度，并在品质管理制度下开展13-6 第 13 章 计算机集成制造系统（CIMS）及其他先进制造模式简介 品质管理工作。具体包括以下 3 点：统一规范。配置管理。检查与测试。（4）项目管理技术 为保证项目进展顺利，在实施过程中采用项目管理，具体措施如下：明确项目目标与范围。建立项目组织。制定项目计划。进行项目检查与考核。建立项目过程检查和评价制度，确保过程活动的质量和进度，同时对项目实施人员和部门的工作进行正确和有效评价。13.2 并行工程并行工程 13.2.1 并行工程产生的背景并行工程产生的背景 传统的制造工业中，产品的开发过程是沿用从设计到制造的串行生产模式，即：需求分析，方案设计、产品设计（详细设计）、加工计划控制、加工、装配、检测、实验验证、修改的流程，由于该生产模式中，各个工作环节彼此分离，仅以本环节的需要和优化出发，彼此间缺乏沟通和相关信息交流，很少也很难考虑产品整个生命周期中的各种因素，如可制造性、结构工艺性等，只有在制造后期才能发现所制造的产品存在种种缺陷，这必然要求对原设计进行修改，从而构成了从概念设计到设计修改的大循环，而且可能在不同的环节、多次重复这一过程，造成设计改动大，物力消耗大、成本高、质量不易保证。更重要的是产品开发周期长，失去了宝贵的时间，难以满足激烈的市场竞争的需求。近几年来，并行工程在美国及许多西方国家十分盛行，是目前国际机械工程领域中重要的研究方向。引起各国工程界和学术界的高度重视，发展极为迅速，一些实难性的 CE 系统和 CE 环境相继推出，取得了良好的效果，并行工程的原理有人概括为，有效的领导方法，并行设计产品及相关过程；满足客户要求；不断进行过程的改进；开发管理信息和知识财富；重点放在通过长期计划和决策获取效益上，并行工程不同于计算机集成制造（CIM），却能为计算机集成制造系统（CIMS）提供良好的运行环境。13.2.2 并行工程的涵义并行工程的涵义 并行工程（concurrent Engineering，CE）又称同步工程或周期工程，是针对传统的产品串行生产模式而提出一个概念，一种哲理和方法，至今并于并行工程的定义国际上尚未统一，但可认为：并行工程是集成地（指新集成概念）、并行地设计产品及其相关的各种过程系统论，它要求产品开发人员在设计一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成，到产品报废处理的所有因素，即包括：质量、成本、进度计划和用户要求，换句话说：并行工程是集中了各学科的人材运用现代化的手段组成产品开发群组协同工作，使产品开发的各个阶段，既有一定时序，又能并行，同时收集大量的有关信息、采纳上、下游的各种因素和有用13-7 第 13 章 计算机集成制造系统（CIMS）及其他先进制造模式简介 信息，共同决策产品开发各阶段工作的方案，使产品开发的早期就能及时发现和纠正产品开发过程中的问题，从而缩短了产品开发的周期、提高了产品的质量，降低成本，增强了企业的竞争能力，并行工程强调在集成环境下的并行工程，它是 CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)的进一步发展方向，产品并行生产模式如图 13.7 所示。并行工程的定义目前普遍采用R.I.Winner 在国际分析研究所(IDA)R-388研究报告中的定义:并行工程是对产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。这种工作模式力图使产品开发人员从设计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、进度与用户需求。它有两个基本点：一是要求设计和制造过程的多项计划同时并行交叉进行；二是在设计阶段很早就考虑到这一项产品的所有要素。图 13.7 产品并行生产模式 需求分析方案设计产品设计加工计划控制生产准备加工装配检测实验签定原理实验分析 计算机辅助工程分析面向装配的设计 面向制造的设计 计算机辅助工具设计快速成型制造 13.2.3 并行工程的特点并行工程的特点 1.基于集成制造的并行性 2.并行有序 3.群组协同 4.面向工程的设计 5.计算机仿真技术 13-8 第 13 章 计算机集成制造系统（CIMS）及其他先进制造模式简介 13.2.4 并行工程的体系结构并行工程的体系结构 并行工程通常由过程管理、工程设计、质量管理、生产制造、支持环境等五分个系统组成的。其体系结构如图 13.8 所示：图 13.8 并行工程的体系结构 由图 13.8 可见各分系统中其主要工作也都逐层分解，分工明确，这样就可以使不同地区、工厂、车间生产通过人用计算机手段有机地连结起来（与过去的 CIMS 不同）形成了“闭环”工程。质量管理生产制造支持环境过程管理工程设计过程 质量管理质量功能配置（QFD）计算机辅 助质量控制（ACQ）生产计划 与调度 工况监控 设备运行 速度成型制造（RPM）群组工作集成框架 集成框架系统 网络与 通信 数据库计算机系统 过程设计计划管理 过程控制 计算机 辅助技术（CAX）面向工程的设计（DFx）计算机仿真技术（MPS）并行工程 13.2.5 并行工程事实所需支持环境并行工程事实所需支持环境 并行工程的成功实施需要集成框架软件的支持，产品数据管理（Product Data Management，PDM）系统由于具有分布式数据管理、良好的系统开放性、应用集成与过程管理等功能，是实施并行工程不可缺少的框架系统1。本文以某企业机械产品为例，说明PDM作为产品开发的集成框架对并行工程的支持，提出了产品全生命周期数字化对象模型和基于STEP的CAX信息集成模式，研究在PDM系统支持下信息共享，人员组织模式、并行化产品设计过程等并行设计的关键技术。结合上述并行工程体系结构，需要建立支持多功能并行开发的协同工作环境，对产品进行生命周期全数字化定义，实现信息的完全计算机化管理；定义结构优化的团队组织模式，分层建立信息共享操作的权限；提供与不同应用工具的分层接口，有效管理工具资源信息；在对企业过程模型进行优化的基础上，将其转化为支持环境中可控的工作流程，实现产品的并行设计。13.2.6 并行工程实施的途径并行工程实施的途径 1.沿着“全寿命工程”推进并行工程 13-9 第 13 章 计算机集成制造系统（CIMS）及其他先进制造模式简介 该方法突出产品从概念到处理的全过程设计。全寿命工程项目特别为各国军方关注，该项目实施旨在解决后勤支持的可靠性和可维修性；自然也涉足到并行工程的“全面质量管理”。全寿命工程强调从产品设计早期阶段考虑产品生产周期的各种需求，包括了三种并行活动：（1）设计的考虑和产品系统的需求；（2）制造活动和工艺过程；（3）产品系统支持和后勤支持 2.沿着可制造设计和可装配设计路径，推进并行工程 3.重视组织和文化改变的实施路径 案例 快运棚车开发过程快运棚车开发过程 某型号的铁路快运棚车产品原有的产品开发过程是串行过程。串行的产品开发过程形成了产品设计、生产准备、样机试制、实验、运行考验大循环。从而导致产品开发周期长，影响产品设计的质量和开发成本。采用并行工程的方法可以有效地克服这些缺陷,缩短产品开发周期 3040%，大大减少设计错误，提高设计质量。该实例亦可验证上述的任务分解的几个结论。快运棚车产品的方案设计是确定棚车的性能指标，形成方案图、关键零部件图，在厂内进行评审。方案设计做完后细化产品的大组成，经主管校对以后与工艺人员进行会签。任务分解以后的产品设计由侧墙、端墙、底架、车顶、衣架属、风制动、手制动、标记和车钩等部分组成。管理者在进行快运棚车产品的开发过程的建模时，根据设计主管对任务的分解结果，采用任务的分解者和执行者的分类，划分多学科开发团队的成员的角色，并对任务按照活动的属性来规定其开始时间、结束时间，明确启动活动的输入条件和文本条件。任务分解以后的模型视图如图 13.9 所示：13-10 第 13 章 计算机集成制造系统（CIMS）及其他先进制造模式简介 图 13.9 快运棚车开发过程的模型视图 建模工具中设置活动的分解者与执行者是是在“组织视图”页内进行的。当选择执行者按钮时，就会进入为过程分配过程执行角色的对话框，如图 13.10 所示；当选择分解者按钮时就会进入为过程分配角色的对话框，如图 13.11 所示。其中：待分配角色：是指从组织视图得到的可以为过程分配的角色;已分配角色：是指已经为该过程分配的角色;增加：是指将待分配角色分配到给过程中;删除：是指将已经分配的角色从该过程中删除;重新申请：是指当过程需要重新执行时，为过程已占用的角色重新申请占用;申请：是指对待分配的一个角色得到他所能分配的角色;在图 13.11 的列表框中选择一个角色然后按 OK 按钮，即可为过程分配一个分解者。13-11 第 13 章 计算机集成制造系统（CIMS）及其他先进制造模式简介 图 13.10 任务的分配角色 图 13.11 任务的分解者 13.3 逆向工程逆向工程 在计算机高度发展的今天，三维立体的几何造型技术已被制造业广泛应用于工业模具的设计、方案评审，自动化加工制造及管理维护等各方面。而往往我们都会遇到这样的难题，就是客户给你的只有一个实物样品或手扳模型，没有图纸 CAD 数据档案，工程人员没法得到准确的尺寸，制造模具就更为困难。用传统的雕刻方法，时间长而效果不佳，这时我们就需要采用各种测量手段及三维几何建模方法，将原有实物转化为计算机上的三维数字模型。这就是所谓逆向工程(Reverse Engineering)。13.3.1 逆向工程的背景逆向工程的背景 逆向工程(Reverse Engineering)作为一项新的先进制造技术被提出是在上世纪八十年代末至九十年代初。当时首先由美国汽车龙头福特汽车公司倡导的汽车“2 毫米工程”对传13-12 第 13 章 计算机集成制造系统（CIMS）及其他先进制造模式简介 统的制造业提出了前所未有的挑战。它要求将质量控制从最终产品的检验和检测，提前到产品的开发设计阶段。减小开发风险，降低开发成本，加快产品成功开发的周期。九十年代初在世界范围内掀起了所谓“先进制造技术及设备”的研究、开发热潮。在激烈竞争的全球化市场中，企业往往采用并行工程的概念以实现对提高产品质量和快速响应周期的需求。逆向工程技术则可以有效地实现这一目标，利用这一技术可以缩短产品从设计到制造的时间，从而可以提高产品在国际市场上的竞争力。事实上有很多企业其产品开发过程的起始阶段往往都要生成 CAD 模型，但这在某种程度上常常并不切实可行。在许多领域往往是先构造出一个产品的原型，然后对其从产品的性能、美学以及其它准则进行评价，在证实其设计的可行性后才能进行 CAD 建模来完成设计的后续阶段。逆向工程技术恰好可以用于完成这样一个从产品原型到 CAD 模型建立的过程，因而这一技术被得于广泛应用。13.3.2 逆向工程的涵义逆向工程的涵义 逆向工程（Reverse Engineering,RE）是对产品设计过程的一种描述。一般来说，产品设计过程是一个从无到有的过程，即设计人员首先在大脑中构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后通过绘制图纸建立产品的三维数字化模型，最终将这个模型转入到制造流程中，完成产品的整个设计制造周期。这样的产品设计过程称为“正向设计”过程。而逆向工程产品设计可以认为是一个“从有到无”的过程。简单地说，逆向工程产品设计就是根据已经存在的产品模型，反向推出产品设计数据（包括设计图纸或数字模型）的过程，从这个意义上说，逆向工程在工业设计中的应用已经很久了。早期的船舶工业中常用的船体放样设计就是逆向工程的很好实例。随着计算机技术在制造领导的广泛应用，特别是数字化测量技术的迅猛发展，基于测量数据的产品造型技术成为逆向工程技术关注的主要对象。通过数字化测量设备（如坐标测量机、激光测量设备等）获取的物体表面的空间数据。需要利用逆向工程技术建立产品的三维模型，进而利用 CAM 系统完成产品的制造。因此，逆向工程技术可以认为是将产品样件转化为三维模型的相关数字化技术和几何建模技术的总称。13.3.3 逆向工程实施的原理逆向工程实施的原理 逆向工程的实施过程是多领域、多学科的协同过程。从图 1 中我们可以看出，逆向工程的整个实施过程包括了从测量数据采集、处理到常规 CAD/CAM 系统，最终与产品数据管理系统（PDM 系统）融合的过程。工程的实施需要人员和技术的高度协同、隔合。产品 数据管理系统 对系统产品的组建CAD/CAM系统 产品 EP设备产品评价修改 产品数据管理系统 13-13 第 13 章 计算机集成制造系统（CIMS）及其他先进制造模式简介 图 13.12 逆向工程实施原理 13.3.4 逆向工程应用的领域逆向工程应用的领域 逆向工程的应用领域大致可分为以下几种情况：（1）在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有 CAD 模型的情况下，在对零件原型进行测量的基础上形成零件的设计图纸或 CAD 模型，并以此为依据生成数控加工的 NC代码，加工复制出一个相同的零件。其设计加工流程如图 1 所示。（2）当要设计必须通过实验测试才能定型的工件模型时，通常采用逆向工程的方法。比如航天航空领域，为了满足产品对空气动力学等要求，首先要求在初始设计模型的基础上经过各种性能测试（如风洞实验等）建立符合要求的产品模型，这类零件一般具有复杂的自由曲面外型，最终的实验模型将成为设计这类零件及反求其模具的依据。（3）在美学设计特别重要的领域，例如汽车外型设计广泛采用真实比例的木制或泥塑模型来评估设计的美学效果。此外，如电脑仿型、礼品创意开发等。13.3.5 逆向工程工作步骤逆向工程工作步骤 逆向工程具有与传统设计制造过程截然不同的设计流程。在逆向工程中，按照现有的零件原形进行设计生产，零件所具有几何特征与技术要求都包含在原形中；在传统的设计制造中，按照零件最终所要承担的功能以及各方面的影响因素，进行从无到有的设计。此外，从概念设计出发到最终形成 CAD 模型的传统设计是一个确定的明晰过程，而通过对现有零件原型数字化后形成 CAD 模型的逆向工程是一个推理、逼近的过程。逆向工程一般可分为 4 个阶段：（1）零件原形的数字化，通常采用三坐标测量机（CMM）或激光扫描等测量装置来获取零件原形表面点的三维坐标值。（2）从测量数据中提取零件原形的几何特征 按测量数据的几何属性对其进行分割，采用几何特匹配与识别的方法来获取零件原形所具有的设计与加工特征。（3）零件原形 CAD 模型的重建 将分割后的三维数据在 CAD 系统中分别作表面模型的拟合，并通过各表面片的求交与拼接获取零件原形表面的 CAD 模型。（4）重建 CAD 模型的检验与修正 采用根据获得的 CAD 模型重新测量和加工出样品的方法来检验重建的 CAD 模型是否满足精度或其它试验性能指标的要求，对不满足要求者重复以上过程，直至达到零件的设计要求。13.3.6 逆向工程的关键技术逆向工程的关键技术 1.计算机辅助集成技术 计算机辅助设计和制造技术，在汽车行业中的应用已有 30 多年，但作为计算机辅助集成技术(CAX)，却是近年发展起来的，并得到不断深化和延伸应用。CAX 包括：计算机辅助造型(CAS)、计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助工程分析(CAE)、计算机辅助试验(CAT)、计算机辅助质量检测(CAI)、计算机辅助工艺规程编制(CAPP)、产品信息管理(PIM)、产品数据管理(PPM)等等。13-14 第 13 章 计算机集成制造系统（CIMS）及其他先进制造模式简介 CAX 实际上是把多元化的计算机辅助技术集成起来，复合和协调地进行工作，除了在产品设计时，设计部门工作外，其他各部门也可以提前介入，并行作业，无需等待上一道作业完成后，才开始下一道作业，大大缩短了开发时间；同时，在产品设计早期，能很好地考虑到产品生命周期的各种因素，提前发现设计上的错误和误差，及时进行修正以及可以在设计过程中，按照市场的需求，不断提出可比较的多种设计方案，从而获最得优化的设计成果和效益。如 1993 年美国克莱斯勒公司的“彩虹”轿车的设计，就是全过程实行无纸化设计，仅开发周期就缩短了 31 个月，这是 CAX 首次进行的大演习。2.虚拟现实技术 虚拟现实技术汇集了现代多媒体、人工智能、人机多维界面技术、传感器技术等高科技，并通过人的视觉、听觉、触觉、手势或口令，实现人、机行为一体化的信息空间，形成一种逼真的、动态的、多维的虚拟模型，实现汽车产品的设计工作。近年来，虚拟现实技术已较多地应用到汽车设计工作中。在 20 世纪 80 年代末，应用的是桌面虚拟现实系统，一般在工作站上工作，属于初期阶段；20 世纪 90 年代中期，采用沉浸式虚拟现实系统，应用各种体验器，配合动画，显示出 1：1 的汽车虚拟形象进行设计操作。一些跨国汽车集团已试行分布式虚拟现实系统，可在网络环境中，充分利用分布在世界各地的各种资源，协同进行互动性的产品设计，甚至请顾客在融洽的气氛中，共同探索汽车产品的开发。虚拟现实技术在汽车行业中，已初步形成一种专业理论、工程设计、科学试验等较为完整的应用体系，发展前景非常好。汽车界人士预测，不久的将来，它可能将计算机图形界面淘汰，就像当年图形界面把单词字符界面推下计算机屏幕一样。近年，法国雷诺汽车公司应用全息技术的虚拟现实系统，具有很好的可视化水平，将成为虚拟现实技术的另一分支。3.神经网络系统 神经网络系统是当代模糊控制系统的一个重要分支，近年来在汽车产品设计中得到较为广泛的研究和应用。神经网络系统和传统的计算机结构与程序是两种性质不同的体系。传统计算机数学模型的逻辑程序，不能适应高度复杂性和不确定性的信息识别和处理能力，而神经网络系统则以人脑思维为参照，可以模拟人的思维活动，实现人工智能控制。当前，神经网络系统已部分应用在汽车产品上，如正在研制在汽车空调系统上，应用神经传感器，通过测定每一乘客的皮肤，即可判断每一个乘客对空调的适应状况，以形成不同温度和气流的空气场。汽车专家预测，当前，神经网络系统的发展正进入一个新的时期。目前，高度集成化的神经网络芯片、神经元处理机、神经系统计算机等产品，越来越近似人的感知决策行为，朝着更高层次的智能模拟目标逼近。4.知识工程模块 汽车零部件系统集成和模块化供货，已成为国内外汽车主导企业产品开发的通行办法。当前，国际汽车界正兴起一种知识工程模块，它将成为汽车产品开发最活跃的一个组成部分。美国斯坦福大学费根鲍姆教授说：“知识工程是人们积极应用经验和知识，以解决问题为前提，并与人工智能结合在一起，所形成的一种研究和应用领域。”当前，国际汽车界的产、学、研部门进行了广泛合作，致力于知识工程模块的研发工作，其主要特点是：推行具有鲜明的创新和超前性的产品；积极建立汽车零部件知识工程模块的知识库和高级软件的研发；应用虚拟化方式，协调汽车制造商和零部件制造商之间的协同、组合、可塑、合成工作，实现同步工程，致力于提高汽车产品开发的水平与效率。如全球车辆自动定位与导航系统，先进的车辆控制与安全系统，安全气囊系统、车辆信息与通讯系统等。5.ERP 与 ERP2 ERP(企业资源计划)是在 20 世纪 90 年代推出的。它以供应链管理思想为基础，是应用13-15 第 13 章 计算机集成制造系统（CIMS）及其他先进制造模式简介 现代信息技术的一种管理体系。当前，国外主要汽车企业几乎都在应用，国内已有 40 多家汽车与零部件企业在积极推行。如果说把汽车产品开发工作比作一辆汽车，那么 ERP 就好像一条平坦大道，使汽车能畅通无阻，快速通行。ERP 对汽车产品开发的作用，是立足于更广泛的角度，集成整个开发过程的供应链资源，促进流程重组，实现流程增值，有利于在短时间内促使新产品进入市场，准确地有效地满足用户的需求，尽最大可能实现产品开发的经济效益。ERP 的开发商美国 Gartner 公司称，为实现更大范围集成资源的下一代 ERP 系统ERP2，可能在 2004 年问世。ERP2 可以理解为协同商务的一种模式，其特点是有利于扩大电子商务的作用，由一个企业的纵向集成走向社会化和群体集成。6.分布式网络 目前，国内外汽车企业都参与各种网络活动，这已成为汽车产品开发的一个重要手段。从当代计算机网络的结构和层次上看，分布式网络构成了主导形式。客户机与服务器系统，是属于分布式网络的计算模式，在这种局域网中，服务器像一个大仓库，工作站要信息，就从仓库中搬，这个仓库的“存货”搬空后，网络可以转到另外的仓库中搬货，这种反复的信息交换和提取，充分发挥了网络效率，各个汽车厂家都乐于采用。在分布式因特网、局域网中，推出浏览器与服务器和网络系统，促使信息仓库存量激增，而且虚拟化，是不容易搬完的，可以说它是一个网络库，也是分布式网络的一种特殊结构。13.3.7 逆向工程的发展趋势逆向工程的发展趋势 逆向工程是一项开拓性、实用性和综合性很强的技术，逆向工程技术已经广泛应用到新产品的开发、旧零件的还原以及产品的检测中，它不仅消化和吸收实物原型，并且能修改再设计以制造出新的产品。但同时设计过程中系统集成化程度比较低，人工干预的比重大。将来有望形成集成化逆向工程系统，以软件的智能化来代替人工干预的不足。案例 逆向工程包括快速反求、快速成型、快速模具以及多自由度数控加工等多个环节。其中作为快速反求的发展则是由传统的接触式测量向快速非接触式测量逐步发展，特别是承受着“光机电一体化”技术的发展，结合了计算机、图像处理，激光技术以及精密机械的三维激光扫描机逐渐成为了反求工程的主流。而三维激光扫描从形式上又是从点扫描测量向线扫描测量、场测量发展的，其中线扫描测量与点扫描同样基于“三角法测量原理”，同时借助于高精度，高分辨率的面阵 CCD 图像采集系统，从而使其具有了与点扫描形式类似的高测量精度以及可与场测量方式媲美的高效率。另外，采用步进电机带动旋转平台，可以获取被测物体的全轮廓数据信息，能真正做到了采用三维扫描方式获取物体三维形状信息。Laser-RE 推出后的短短两年时间内，仅就珠江三角洲地区，Laser-RE 就已销售近百余台，国内一些大型的企事业单位均先购了该设备，如：浙江大学、哈尔滨理工大学、重庆工学院、五邑大学、东莞理工学院、江苏金鼎集团等。销售量在国内名列前茅。所以说三维激光扫描机这个“旧时王谢堂前燕”，到今天才真正“飞入寻常百姓家”。在深圳、广州、东莞、顺德、宁波、温州、义乌、泉州、重庆等地涌现出很多以 Laser-RE为革本设备的专业对外进行逆向工程反求处理的国营、个体设计服务中心。“对外激光抄数”、“对外激光三维测绘”在国内制造业内达到前所未有的热度，极大地推动了当地企业产品开发、设计的水平和减少开发周期，取得了很好的经济效益和社会效益。13-16 第 13 章 计算机集成制造系统（CIMS）及其他先进制造模式简介 13.4 计算机集成制造系统计算机集成制造系统 CIMS 13.4.1 计算机集成制造系统的背景计算机集成制造系统的背景 近半个世纪来，制造业间的竞争日趋激烈。制造业市场已从传统的相对稳定逐步演变成动态多变的局面，其竞争的范围也从局部地区扩展到全球范围。回顾历史，随着时代的变迁，产品间竞争的要素不断随之演变。在早期，产品竞争要素是成本（C），七十年代增加了质量（Q），八十年代增加了交货期（T），九十年代又增加了服务（S），近期又增加了环境清洁（E），预计下一世纪将增加知识创新（K）