现代制造系统-第六章

软件
图3 制造系统结构特性
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转变特性
主要从技术角度出发，如何使转变过程更有效进行。
原材料 供应者 原材料 库存 零件 加工 零件 库存 装配 成品 库存 最终 用户
获取阶段
转变阶段
图4 制造系统的物质流
分配阶段
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程序特性
程序 —— 一系列按时间和逻辑安排的步骤 制造系统可视为生产离散型产品的工作程序（图6）

2. 从学科发展看 ◦ 制造系统诞生于 20世纪70年代后期的日本。京都大学人见胜人 （Hitomi K.）教授发表著作《Manufacturing System Engineering》。 ◦ 在美国，麻省理工学院90年代初即开设有制造系统课程，并出 版了专著。 ◦ 在西欧，一些一流大学亦开设了制造系统课程。 ◦ 总之，制造系统已成为国外一流大学相关专业和学科的科研与 教学工作的重要组成部分。 ◦ 在我国，制造系统的研究和应用起步也较早，20世纪80年代中就 已有柔性制造系统（FMS）在生产实际中应用。 ◦ 但制造系统作为一个学科和技术领域，在国家支持下开展有组 织的深入系统研究和应用，是开始于国家的863计划。以CIMS为 代表的研究项目十几年来取得一大批成果，并在许多类型的企业中 得到广泛应用，有力推进了我国制造系统技术的发展。 ◦ 清华大学制造工程研究所在多年制造系统研究和应用实践积累的基 础上于1989年率先在国内为研究生开出《现代制造系统》课程。 当时正值我国国企改革启动阶段，制造企业面临巨大的市场压力， 迫切需要利用制造系统知识解决企业面临的生产经营与管理问题。 课程开出后受到企业和学生的欢迎。
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制造技术
在产品生产中，使原材料转化为产品过程所施行的 各种手段的总和，称为制造技术。 运用一定的知识、技能 操纵可以利用的物质、工具 采取有效的方法
手段包括
……
与大、小制造概念相对应，对于制造技术的理解也 有广义和狭义之分。广义理解制造技术涉及生产活动的 各个方面和生产的全过程，制造技术被认为是一个从产 品概念到最终产品的集成活动，是一个功能体系和信息 处理系统。

制造系统的概念 现代制造系统的特征 制造系统的发展历程

典型制造系统及其发展趋势

基本概念：生产；制造；制造技术；制造 系统；制造业
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生产定义
◦ 从系统的观点，生产可以定义为将生产要素转变成生产财 富并创造效益的输入输出系统
转变效率：生产率 = 输出/输入 输入 输出
生产过程
生产要素
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制造业的概念
制造业在国民经济中的地位
冶金机械 动力机械 纺织机械
建筑机械
交通工具 环保设备 军事装备 医疗设备
家用电器
制造业
机器制造 农业机械
通讯设备 出版印刷 网络媒体 文化娱乐
化工设备
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图1-8 当今制造业的社会功能
制造业的概念
国民经济的支柱产业，国民经济总收入的60%以上来自 制造业，世界发达国家无不具有强大的制造业。 美国：约1/4人口直接从事制造业，其余人口中又有约半 数人所做工作与制造业有关。 机械制造业是制造业的基础, 是重中之重。 日本由于重视制造业，二次大战后30年时间，发展成为 世界经济大国。 与此相反，美国在一段相当长时间内忽视了制造技术的 发展，结果导致经济衰退，竞争力下降，出现在家电、汽 车等行业不敌日本的局面。直至上世纪80年代初，美国才 开始清醒，重新关注制造业的发展，至1994年美国汽车产 量重新超过日本。
生产对象（原材料） 生产资料（直接、间接） 能源 资金 劳动力 信息（知识、技能、情报…）
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效益
生产财富
有形 （产品） 无形 （服务）
+ -
图1 生产的定义
制造 广义理解：制造 = 生产 国际生产工程科学院（CIRP）定义：制造包 括制造企业的产品设计、材料选择、制造生产 、质量保证、管理和营销一系列有内在联系的 运作和活动。 狭义理解：生产过程从原材料→成品直接起 作用的那部分工作内容，包括毛坯制造、零件 加工、产品装配、检验、包装等具体操作（物 质流）。 制造业 美国将机械、电子、轻工、纺织、冶金、化 工等行业列为制造业。
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制造系统的概念
制造系统结构
经营管理 用 户 、 市 场 与 外 部 环 境 财务
经营管理信息流 生产管理信息流 技术信息流 物质流
市场与销售 研究与开发 工程设计
质量控制 采购 资源管理 生产管理
车间制造 （加工、装配、 检验、输送、 存储 … ）
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图2 制造系统功能结构
制造系统特性
结构特性 制造系统可视为若干硬件的集合体。为使硬件充分 发挥效能，必须有软件支持。 硬件发展历程 现代制造系统的特征 典型制造系统及其发展趋势



过去20年来，戴尔电脑公司所采用的商业模式是世 界上最好的商业模式之一。迈克尔· 戴尔作为当代典 型的企业家而备受商业媒体的关注，这个年轻的电 脑奇才从大学辍学，通过创立自己的技术公司赚了 大钱。不过，迈克尔· 戴尔真正有影响的见解并不在 技术方面，而是在商业方面。早在20世纪80年代初 他就开始关注个人电脑生产企业的工作模式，并且 发现了一条更好的路子。 这条更好的路子就是向客户直销，绕过了分销商这 个中间环节。戴尔电脑公司从消费者那里直接拿到 订单，接下来自己购买配件组装电脑。这就意味着 戴尔电脑公司无需车间和设备生产配件，也无需在 研发上投入资金。消费者得到了自己想要的电脑配 置，戴尔公司也避免了中间商的涨价。







1. 从技术层面看 经过数十年的发展，制造系统技术在总体上已形成基本的体系， 并在实际应用中发挥着越来越重要的作用。 第一阶段：刚性制造系统: 本阶段在20世纪50年代前已基本形 成。 第二阶段：单机柔性加工系统 : 开始于20世纪50年代初，到70 年代已基本成熟。 第三阶段：多机柔性加工系统 : 出现于20世纪60年代末，70年 代以后得到快速发展，如直接数控（DNC）加工系统、柔性制造单元 （FMC）、柔性制造系统(FMS)、柔性加工线（FML）。 第四阶段：计算机集成制造系统 : 20世纪80年代以来得到迅速 发展 ，其特征是制造全过程的系统性和集成性，以解决现代企业生 存与竞争问题。 第五阶段：跨企业和全球制造系统: 20世纪末提出，正在成为21世 纪的发展方向。 基本概念是: 根据全球化的产品需求，通过网络协调和运作，把分 布在世界各地的制造工厂和销售点联接成一个整体，从而能够在任何 时候与世界任何一个角落的用户或供应商打交道，由此构成具有统一 目标的在逻辑上为一整体而物理上分布于全世界的跨企业和跨国制造 系统。
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制造系统的示意
压力加工 车身装配 油漆 内部装饰
变速箱装配 锻造 热处理 机械加工
熔化
自动线
发动机装配
发动机试验
浇铸 造型
油漆
机械加工 热处理 驱动桥装配
底盘装配
车身安装 最后试验
压铸
轮胎装配
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图1-5 汽车生产物流示意图

制造系统的概念

制造系统的发展历程
现代制造系统的特征 典型制造系统及其发展趋势

制造系统发展阶段 ◦ 手工作坊阶段： 靠手工操作； 以手工作坊的生产模式为主； 以人力、畜力和自然力为加工动力来源。 ◦ 刚性制造系统：专用机床组成刚性流水线 可实现固定产品的高效率生产；（汽车工 业） 设备利用率高； 生产线投资大，不灵活

制造系统发展阶段 ◦ 单机柔性加工系统：NC 以单台数控加工设备为核心； 柔性好、加工质量高； 适于多品种、中小批量生产。 ◦ 多机柔性加工系统： 强调制造过程的柔性和高效率； 适于中等批量、中等品种生产; DNC（计算机连接数控和分布数控）柔性制造 单元（FMC）柔性制造系统(FMS)。
4. 现代管理控制理论与技术: 一方面，要使已有的制造系统 运行于最佳状态，发挥出最佳效益，必须采用有效的管理控 制理论、模式和方法；另一方面，要研究、开发性能优良的 新型制造系统，也必须十分重视其管理控制子系统的研究开 发。在管理控制子系统的研究开发中，最重要的就是要研究 适合先进制造系统的新的管理控制理论与技术。 5. 计算机与信息技术 : 现代制造系统的研究开发和运行已越 来越多地与计算机和信息技术相融合。例如，制造系统研究 中建立的复杂数学模型必须借助计算机进行分析和求解，制 造系统的开发过程通常都要使用计算机进行仿真分析，制造 系统的运行则更是需要通过先进的计算机系统和网络通讯系 统进行信息化管理和数字化控制。
先进制造模式和相关理论
◦ 现代生产模式：JIT、网络化制造 先进制造技术与装备 ◦ 柔性制造系统 FMS 系统科学理论与系统工程技术 ◦ 离散事件动态系统 现代管理控制理论与技术 ◦ 运筹学、现代管理理论 计算机与信息技术 ◦ 信息技术、计算机控制技术




1. 先进制造模式和相关理论: 制造模式决定了制造系统的体 系结构、运行原理以及管理和控制方法，因此，要对现代制 造系统进行深入研究，要使现代制造系统技术的发展保持正 确的方向，就必须以先进制造模式为基础，以正确、先进的 理论为指导。 2. 先进制造技术与装备 : 制造技术与制造装备是构成制造 系统的重要元素，要使制造系统发挥出高效益，必须有先进 制造技术和先进制造装备作为支撑。 例如,柔性制造系统和计算机集成制造系统的发展,必须以 数控加工技术和先进数控机床为基础。 3. 系统科学理论与系统工程技术 : 制造系统属于复杂大系 统，并且为典型的离散事件动态系统（Discrete Event Dynamic System，简称DEDS），其状态变量数目巨大，不 确定性因素和随机性影响突出，非线性和混沌（chaos）现象 严重。因此，制造系统研究、开发和应用中所涉及的许多问 题，都必须从系统科学与工程的高度去分析和解决。

制造系统的概念


制造系统的发展历程
现代制造系统的特征 典型制造系统及其发展趋势

制造特征的转变
◦ 过去：个人、孤立的机器完成的简单过程 ◦ 现代：众多制造要素组成的制造系统实现的复杂工程 ◦ 例：大型船只、大型飞行器

现代制造系统的特征
◦ 结构复杂性 ◦ 关联复杂性
◦ 环境复杂性
社会环境 地域范围 过去：简单单一 现代：系统集成 系统间 信息交换、信息处理复杂性 支撑技术跨学科集成：机、电、液
一些企业通过合并和收购实现全球化——他们 购买企业以获得自身所需要的资源并使那些企业的 创新内部化。但即使是最完美的并购也会遭遇整合 问题及运作成本上升。波音公司正相反, 它放弃非核 心资产, 通过松散的价值创造网络进行全球性的协作 。 在研制787过程中, 波音所扮演的角色是下一阶 段系统的集成者: 有来自6个不同国家的100多家供 应商参与制造下一代飞机, 这是一种真正的合作方 式而不单单是外包。波音已经建立起一个广泛的水 平型的合作网络, 实时合作、分担风险、共享知识, 以达到更高水平的绩效。 装配由原来的13天缩短为3天。
生产 技术 信息 产品 设计 产品 设计 信息 工艺 过程 计划 工艺 过程 信息
需求 订货 信息
综合 生产 计划
生产 计划 信息
生产 进度 计划
进度 计划 信息
作业 计划
作业 计划 信息
生产 实施
生产 结果 数据
生产 控制
生产 控制 信息
计划阶段
实施阶段
控制阶段
图6 制造系统的程序特性
研究制造系统程序特性，主要从管理角度出发如何使 生产活动达到最佳化。

制造系统发展阶段 ◦ 计算机集成制造系统：CIMS 以计算机网络和数据库为基础，实现了制造 全过程的系统性和集成性； 适于多品种、小批量生产。 ◦ 跨企业制造系统和全球制造系统 通过网络协调和运作，把分布在世界各地的 制造工厂、供应商和销售点连接成一个整体， 由此构成具有同一目标的、在逻辑上为一整 体而物理上分布于全世界的跨企业和跨国制 造系统，即全球制造系统。



从制造领域自身的发展看，制造主体（如制造 企业等）作为一个系统不但规模不断扩大，而 且结构日趋复杂。 在手工业生产时代，产品的设计、加工、装配 和检验基本上都由个人完成，如果讲系统，这 时的制造系统规模小、结构简单、易于驾驭。 18世纪的西方工业革命，虽然有力促进了制 造技术和制造装备的发展，但制造作为系统仍 很简单。