信息时代的制造业

第二节　信息时代的制造业

一、以柔克刚——告别刚性生产线

从20世纪20年代开始，随着汽车、滚动轴承、小型电动机和缝纫机等工业的发展，机械制造中开始出现自动线，最早出现的是组合机床自动线。在此之前，首先是在汽车工业中出现了流水生产线和半自动生产线，随后发展成为自动生产线。第二次世界大战后，在工业发达国家的机械制造业中，自动生产线的数目出现了急剧增加。

自动化生产是人们梦寐以求的事情。人们都听说过诸葛亮三天之内造十万支箭的故事，诸葛亮虽然没有造出十万支箭来，但是他从曹操那里借了十万支箭，显示了诸葛亮过人的计谋。但是在1789年的美国却真发生了这样一件事情，美国政府要求工厂主惠特尼在15个月中生产一万条滑膛枪。这比诸葛亮的十万支箭的任务还要难完成，但是惠特尼采用了一个新的方法完成了任务，他把每个造枪的工作化整为零，每个工作只生产其中的一种部件，然后把每种部件都放在一个袋子里，每个袋子都编上号。最后从不同的袋子里各取出一个零件就可以组装成一条枪。惠特尼就是靠这种方法完成了生产任务。他的这种方法也为后来的流水线生产打下了基础。

在大批量生产中，对一些结构复杂，加工工序较多的工件，往往将它们的各个加工工序合理地安排在若干台组合机床上，组成流水线进行加工，这就是常见的组合机床流水线。如果采用液压、电器控制系统，将流水线上各台组合机床之间的工件输送、转位、在夹具中的定位、夹紧以及辅助装置的动作均实现自动化，并按规定的程序自动地进行工作，这种自动工作的组合机床流水线，称为组合机床自动线。

采用自动线进行生产的产品应有足够大的产量;产品设计和工艺应先进、稳定、可靠，并在较长时间内保持基本不变。在大批量生产中采用自动线能提高劳动生产率，稳定和提高产品质量，改善劳动条件，缩减生产占地面积，降低生产成本，缩短生产周期，保证生产均衡性，有显著的经济效益。

机械制造业中有铸造、锻造、冲压、热处理、焊接、切削加工和机械装配等自动线，也有不同性质的工序，如毛坯制造、加工、装配、检验和包装等的综合自动线。

自动线中设备的连接方式有刚性连接和柔性连接两种。在刚性连接自动线中，工序之间没有储料装置，工件的加工和传送过程有严格的节奏性。当某一台设备发生故障而停止时，会引起全线停工。因此，对刚性连接自动线中各种设备的工作可靠性要求甚高。

在柔性连接自动线中，各工序(或工段)之间设有储料装置，各工序节拍不必严格一致。某一台设备短暂停歇时，可以由储料装置在一定时间内起调剂平衡的作用，因而不会影响其他设备正常工作。综合自动线、装配自动线和较长的组合机床自动线常采用柔性连接。

切削加工自动线在机械制造业中发展最快、应用最广。主要有:用于加工箱体、壳体、杂类等零件的组合机床自动线;用于加工轴类、盘环类等零件的，由通用、专门化或专用自动机床组成的自动线;旋转体加工自动线;用于加工工序简单、小型零件的转子自动线等。

自动线的工件传送系统一般包括机床上下料装置、传送装置和储料装置。在旋转体加工自动线中，传送装置包括重力输送式或强制输送式的料槽或料道，提升、转位和分配装置等。有时采用机械手完成传送装置的某些功能。在组合机床自动线中当工件有合适的输送基面时，采用直接输送方式。其传送装置有各种步进式输送装置、转位装置和翻转装置等对于外形不规则、无合适的输送基面的工件，通常装在随行夹具上定位和输送，这种情况下要增设随行夹具的返回装置。

自动线的控制系统主要用于保证线内的机床、工件传送系统，以及辅助设备按照规定的工作循环和连锁要求正常工作，并设有故障寻检装置和信号装置。为适应自动线的调试和正常运行的要求，控制系统有三种工作状态:调整、半自动和自动。在调整状态时可手动操作和调整，实现单台设备的各个动作;在半自动状态时可实现单台设备的单循环工作;在自动状态时自动线能连续工作。

控制系统有“预停”控制机能，自动线在正常工作情况下需要停车时，能在完成一个工作循环、各机床的有关运动部件都回到原始位置后才停车。自动线的其他辅助设备是根据工艺需要和自动化程度设置的，如有清洗机工件自动检验装置、自动换刀装置、自动排屑系统和集中冷却系统等。为提高自动线的生产率，必须保证自动线的工作可靠性。影响自动线工作可靠性的主要因素是加工质量的稳定性和设备工作可靠性。

组合机床自动线能减轻工人劳动强度，减少操作人员，减少辅助运输工具和减少占地面积，显著提高劳动生产率和降低产品成本。而其缺点是，自动线内任意一台机床或装置发生故障，将会使全线停车或一个工区停车;它要求产品结构和加工工艺不能轻易改变，因为产品更换、工艺方案改变，将引起一系列组合机床被淘汰或重新改装，故称组合机床自动线为刚性自动线。它适应产品变换、工艺变换的能力(柔性)差。

自动线目前的发展方向主要是提高生产率和增大多用性、灵活性，以适应多品种和变批生产的柔性生产线(FMC或FMS)，刚性自动线则逐步退出制造领域。

数字控制机床、工业机器人和电子计算机等技术的发展，以及成组技术的应用，将使自动线的灵活性更大，可实现多品种、中小批量生产的自动化。多品种可调自动线，降低了自动线生产的经济批量，因而在机械制造业中的应用越来越广泛，并向更高度自动化的柔性制造系统发展。

二、未来工厂——CIMS

福特发明的汽车生产线是最成功的早期生产线，1913年福特创建了由专用机床组成的“运动中的组装线”在这种生产线上，要组装的部件由传送带运到一个个工人面前，每一个工人只完成一种操作。组装汽车就像流水一样运行得有条不紊，大大提高了生产效率。这种生产线使福特成为“汽车大王”，也使汽车走入了普通百姓的家中。从流水线问世至今，生产自动化的发展跨越了单机自动化、刚性自动化、柔性自动化和智能自动化几个阶段，现在已经发展到完善的阶段即无人工厂，也就是CIMS技术。

CIMS是英文computer integrated manufacturing systems的缩写，直译就是计算机集成制造系统。计算机集成制造——cims的概念最早是由美国学者哈林顿博士提出的，其基本出发点是:

(1)企业的各种生产经营活动是不可分割的，要统一考虑;

(2)整个生产制造过程实质上是信息的采集、传递和加工处理实现的过程。

因此，企业作为一个统一的整体，必须从系统的观点、全局的观点广泛采用计算机等高新技术，加速信息的采集、传递和加工处理过程，提高工作效率和质量，从而提高企业的总体水平。

制造业的各种生产经营活动，从人的手工劳动变为采用机械的、自动化的设备，并进而采用计算机是一个大的飞跃，而从计算机单机运行到集成运行是更大的一个飞跃。作为制造自动化技术的最新发展、工业自动化的革命性成果，CIMS代表了当今工厂综合自动化的最高水平，被誉为是未来的工厂。

从CIMS概念的提出到现在已有20余年了。20多年来，CIMS的概念已从美国等发达国家传播到发展中国家，已从典型的离散型机械制造业扩展到化工、冶金等连续或半连续制造业。CIMS概念已被越来越多的人所接受，成为指导工厂自动化的哲理，有越来越多的工厂按CIMS哲理，采用计算机技术实现信息集成，建成了不同水平的计算机集成制造系统。

CIMS是自动化程度不同的多个子系统的集成，如管理信息系统(MIS)、制造资源计划系统(MRPII)、计算机辅助设计系统(CAD)、计算机辅助工艺设计系统(CAPP)、计算机辅助制造系统(CAM)、柔性制造系统(FMS)，以及数控机床(NC，CNC)、机器人等。CIMS正是在这些自动化系统的基础之上发展起来的，它根据企业的需求和经济实力，把各种自动化系统通过计算机实现信息集成和功能集成。当然，这些子系统也使用了不同类型的计算机，有的子系统本身也是集成的，如MIS实现了多种管理功能的集成，FMS实现了加工设备和物料输送设备的集成等。但这些集成是在较小的局部，而CIMS是针对整个工厂企业的集成。CIMS是面向整个企业，覆盖企业的多种经营活动，包括生产经营管理、工程设计和生产制造各个环节，即从产品报价、接受订单开始，经计划安排、设计、制造直到产品出厂及售后服务等的全过程。

随着制造业全球化的趋势，CIMS被赋予了新的含义，即现代集成制造系统(contemporary integrated manufacturing system)。将信息技术、现代管理技术和制造技术相结合，并应用于企业全生命周期各个阶段，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(组织及管理)、经营和技术三要素的集成，以加强企业新产品开发以及加快产品上市的时间T、质量Q、产品成本C、服务S、环境E、灵活性F为目标的生产管理模式，从而提高企业的市场应变能力和竞争力。

自动化技术为生产力的发展起了巨大作用，实现了人们摆脱繁重的劳动的愿望。同时自动化技术也在应用中得到不断发展和完善。

三、以假乱真——虚拟制造

在当今经济全球化、贸易自由化和社会信息化的形势下，制造业的经营战略发生了很大变化。

在20世纪30～60年代企业追求的是规模效益，如:美国福特汽车公司、通用汽车公司相继采用刚性流水线进行大批量生产;70年代更加重视降低生产成本，如:日本丰田公司采用准时化生产;80年代提高产品质量成为主要目标;进入90年代新产品开发及交货期成为竞争的焦点。由此产生了多种多样的制造哲理，如:精益生产、并行工程、敏捷制造和虚拟制造等，它们各有侧重，从不同角度研究如何增强企业的竞争力。而虚拟制造技术是制造技术与仿真技术相结合的产物。

虚拟制造(virtual manufacturing，VM)技术是制造技术与仿真技术相结合的产物。虚拟制造也可以对想象中的制造活动进行仿真，它不消耗现实资源和能量，所进行的过程是虚拟过程，所生产的产品也是虚拟的。虚拟制造技术的应用将会对未来制造业的发展产生深远影响，虚拟制造的重大作用主要表现为:

(1)运用软件对制造系统中的五大要素(人、组织管理、物流、信息流、能量流)进行全面仿真，使之达到了前所未有的高度集成，为先进制造技术的进一步发展提供了更广大的空间，同时也推动了相关技术的不断发展和进步。

(2)可加深人们对生产过程和制造系统的认识和理解，有利于对其进行理论升华，更好地指导实际生产，即对生产过程、制造系统整体进行优化配置，推动生产力的巨大跃升。

(3)在虚拟制造与现实制造的相互影响和作用过程中，可以全面改进企业的组织管理工作，而且对正确作出决策有不可估量的影响。例如:可以对生产计划、交货期、生产产量等进行预测，及时发现问题并改进现实制造过程。

(4)虚拟制造技术的应用将加快企业人才的培养速度。我们都知道模拟驾驶室对驾驶员、飞行员的培养起到了良好作用，虚拟制造也会产生类似的作用。例如:可以对生产人员进行操作训练、异常工艺的应急处理等。

一般来说，虚拟制造的研究都与特定的应用环境和对象相联系，由于应用的不同要求而存在不同的侧重点，因此出现了三个流派，即以设计为中心的虚拟制造、以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造。

虚拟制造技术的广泛应用将从根本上改变现行的制造模式，对相关行业也将产生巨大影响，可以说虚拟制造技术决定着企业的未来，也决定着制造业在竞争中能否立于不败之地。

四、大脑的延伸——智能制造

智能制造(intelligent manufacturing，IM)是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统。它在制造过程中能进行智能活动，诸如分析、推理、判断、构思和决策等。通过人与智能机器的合作共事，去扩大、延伸和部分取代人类专家在制造过程中的脑力劳动。它把制造自动化的概念更新，扩展到柔性化、智能化和高度集成化。

谈起智能制造，首先应介绍日本在1990年4月所倡导的“智能制造系统IMS”国际合作研究计划。许多发达国家如美国、欧洲共同体、加拿大、澳大利亚等参加了该项计划。该计划共计划投资10亿美元，对100个项目实施前期科研计划。

毫无疑问，智能化是制造业自动化的发展方向。在制造过程的各个环节几乎都广泛应用人工智能技术。专家系统技术可以用于工程设计、工艺过程设计、生产调度、故障诊断等。也可以将神经网络和模糊控制技术等先进的计算机智能方法应用于产品配方、生产调度等，实现制造过程智能化。而人工智能技术尤其适合于解决特别复杂和不确定的问题。但同样显然的是，要在企业制造的全过程中全部实现智能化，如果不是完全做不到的事情，至少也是在遥远的将来。而智能化如果只是在企业的某个局部实现，又无法保证全局的优化，则这种智能化的意义是有限的。

从广义概念上来理解，计算机集成制造系统(CIMS)、敏捷制造等都可以看做是智能自动化的例子。的确，除了制造过程本身可以实现智能化外，还可以逐步实现智能设计、智能管理等，再加上信息集成，全局优化，逐步提高系统的智能化水平，最终建立智能制造系统。这可能是实现智能制造的一种可行途径。

五、神医妙手——故障诊断

现代的机械制造系统具有控制规模大、自动化程度高和柔性化强的特点。目前制造系统的结构越来越复杂且价格越来越昂贵，由于各种故障而导致的停机都是不可忍受的负担。故障诊断系统就能够在这种情况下满足需要，也就是能够合理制定维修计划，最大限度地减少停机维修的时间，并能在故障发生之后迅速做出反应。因此，故障诊断系统现在得到了迅速的发展。

诊断的目的是对于机械制造过程或者其他过程中产生的各种故障进行获取、传输、处理、分析和解决。其技术包括对过程中出现的各种物理量用先进的传感器接收，进行信号传输和信号处理，从分析处理的结果来对生产设备的工作情况以及产品的质量进行检测，对其发展趋势进行预测，并对故障进行诊断和报警。

因此，多台多种类传感器的应用是故障诊断系统所必需的，因为只有通过获取到足够的数据才有可能获得精确的分析结果。早期的系统通常只采用一种传感器来监视系统，但这个方法早就无法满足现在获取系统状态的需要了。现在的系统的复杂度都在日益提高，多种不同精度的传感器的同时应用为获得准确数据提供了可能。

此外，基于知识的专家系统的应用为系统的智能化分析提供了人工智能的支持。这种专家系统拥有一个专门领域的知识库和一套有效的推理机制。由于现在生产系统的复杂性，通常的专家系统都拥有一个复合的知识库，提供相应的生产系统的知识支持。而且伴随着网络和通信技术的发展，故障诊断系统也发展了分布式和集成性的特点。

要能够获得比较好的诊断效果，需要首先知道故障的模式。所谓模式就是相当于症状的一种描述。把能够获得的故障的模式集中在一起，就能够对故障进行有效的分类。正如治病不能只看症状一样，还要分析生病的原因。分析故障的机理，也就是诱发故障的原因，这就好比知道系统生病的原因一样。有的时候，故障的机理和故障的模式不是很容易区分的。但是通过综合分析这样的机理和模式，就有可能归纳出一个故障的模型，这个模型可以被故障诊断的专家系统所采用，作为知识库的一部分。一种比较普遍的方法是把故障模型表示称为树形结构，这样的表达便利了以后的程序分析，也便于集成在专家系统中。所以可以看出，故障模型的建立是故障分析中最重要的部分。

现阶段，故障分析在机械生产系统方面可以应用在自动生产线、数控机床、柔性制造单元以及计算机集成制造系统。具体分析不同的应用环境，才能够获得适合于不同环境的设计。例如自动生产线，它是由基本工艺设备和各种辅助设备、控制系统组成的，实质上来说就是一个刚性自动化制造系统。自动线由不同的机床组成，由于集成性的存在，它比单个设备复杂，要想在短时间内找出原因和位置是很困难的，除了提高设备的可靠性之外，在一定的条件下，完全有必要引入自动线中的故障诊断系统。为了和自动线相适应，就要在不同的位置获取信息，然后引入一个适合于流动生产的故障模型来分析故障的原因。这样，故障诊断的引入就有可能为自动线带来鲁棒性(robustcontrol)。

故障诊断是随着生产过程的复杂化而产生的一种技术，由于和现代传感器技术、专家系统技术相结合，已经展现出了很强的生命力，必将为提高企业的生产效率和稳定性提供越来越强大的支持。