三、現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)

信息技術(shù)的飛速發(fā)展使我們進(jìn)入了信息時(shí)代。信息革命不僅引起人們的思想觀念、生活方式的變化，也導(dǎo)致了生產(chǎn)方式和制造哲學(xué)的巨大變化。可以說，近十年來提出的新的制造哲學(xué)都離不開信息技術(shù)，以信息化制造技術(shù)為代表的先進(jìn)制造技術(shù)正使制造業(yè)處于重要的歷史性變革時(shí)期。

改革開放以來，隨著我國經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展，市場競爭越來越激烈，國內(nèi)市場已從賣方市場轉(zhuǎn)化為買方市場，而且正在迅速成為國際市場的一部分，許多大中型企業(yè)在競爭中處于不利地位，甚至破產(chǎn)、倒閉。發(fā)展我國的集成制造業(yè)已成為當(dāng)務(wù)之急。

1.現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的含義與定位

現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)(Contemporary Integrated Manufacturing System)是計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)新的發(fā)展階段，在繼承計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)優(yōu)秀成果的基礎(chǔ)上，它不斷吸收先進(jìn)制造技術(shù)中相關(guān)思想的精華，從信息集成、過程集成向企業(yè)集成方向迅速發(fā)展，在先進(jìn)制造技術(shù)中處于核心地位。具體地說，它將傳統(tǒng)的制造技術(shù)與現(xiàn)代信息技術(shù)、管理技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)進(jìn)行有機(jī)地結(jié)合，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)使企業(yè)產(chǎn)品在全生命周期中有關(guān)的組織、經(jīng)營、管理和技術(shù)有機(jī)集成和優(yōu)化運(yùn)行，在企業(yè)產(chǎn)品全生命周期中實(shí)現(xiàn)信息化、智能化、集成優(yōu)化，達(dá)到產(chǎn)品上市快、服務(wù)好、質(zhì)量優(yōu)、成本低的目的，進(jìn)而提高企業(yè)的柔性、健壯性和敏捷性，使企業(yè)在激烈的市場競爭中立于不敗之地。從集成的角度看，早期的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)側(cè)重于信息集成，而現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的集成概念在廣度和深度上都有了極大的擴(kuò)展，除了信息集成外，還實(shí)現(xiàn)了企業(yè)產(chǎn)品全生命周期中的各種業(yè)務(wù)過程的整體優(yōu)化，即過程集成，并發(fā)展到企業(yè)優(yōu)勢互補(bǔ)的企業(yè)之間的集成階段。

現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的研究范圍應(yīng)該介于國家攀登計(jì)劃和國家攻關(guān)計(jì)劃之間。與攀登計(jì)劃研究項(xiàng)目相比較，它更注重成果的應(yīng)用性，盡可能將技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，并推動(dòng)我國制造業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程；與國家攻關(guān)計(jì)劃相比較，它更注重解決我國制造業(yè)發(fā)展中的關(guān)鍵的共性問題、前瞻性問題和示范性問題。

2.現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的技術(shù)構(gòu)成模式

現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的技術(shù)構(gòu)成模式具有如下一些特點(diǎn):①從以技術(shù)為中心向以人為中心轉(zhuǎn)變，使技術(shù)的發(fā)展更加符合人類社會(huì)的需要；②從強(qiáng)調(diào)專業(yè)化分工向模糊分工、一專多能轉(zhuǎn)變，使勞動(dòng)者的聰明才智能夠得到充分發(fā)揮；③從金字塔的多層管理結(jié)構(gòu)向扁平的網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，減少層次和中間環(huán)節(jié)；④從傳統(tǒng)的順序工作方式向并行工作方式轉(zhuǎn)變，縮短工作周期，提高工作質(zhì)量；⑤從按照功能劃分部門的固定組織形式向動(dòng)態(tài)的自主管理的小組工作方式轉(zhuǎn)變。

現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的技術(shù)構(gòu)成模式應(yīng)該是在吸收計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的優(yōu)秀成果的基礎(chǔ)上，繼續(xù)推動(dòng)虛擬制造、并行工程、敏捷制造和綠色制造的研究工作深入進(jìn)行，并不斷吸收先進(jìn)制造技術(shù)中的成功經(jīng)驗(yàn)和先進(jìn)思想，將它們進(jìn)行推廣應(yīng)用，由此使現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)成為先進(jìn)制造技術(shù)的核心。下面分述之。

(1)虛擬制造。虛擬制造利用信息技術(shù)、仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)對現(xiàn)實(shí)制造活動(dòng)中的人、物、信息及制造過程進(jìn)行全面的仿真，以發(fā)現(xiàn)制造中可能出現(xiàn)的問題，在產(chǎn)品實(shí)際生產(chǎn)前就采取預(yù)防措施，從而使產(chǎn)品一次性制造成功，達(dá)到降低成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，增強(qiáng)產(chǎn)品競爭力的目的。

目前，虛擬制造技術(shù)已經(jīng)在國外有所應(yīng)用。例如:美國波音公司設(shè)計(jì)的一架VS-X虛擬飛機(jī)，可用頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套進(jìn)行觀察與控制，使飛機(jī)設(shè)計(jì)人員身臨其境地觀察飛機(jī)設(shè)計(jì)的結(jié)果，并對其外觀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及使用性能進(jìn)行考察；日本松下電器產(chǎn)業(yè)有限公司開發(fā)的虛擬廚房設(shè)備制造系統(tǒng)，允許消費(fèi)者在購買商品前，在虛擬的廚房環(huán)境中體驗(yàn)不同設(shè)備的功能，按自己的喜好評價(jià)、選擇和重組這些設(shè)備，他們的選擇將被存儲(chǔ)并通過網(wǎng)絡(luò)送至生產(chǎn)部門進(jìn)行生產(chǎn)；美國考文垂公司開發(fā)的虛擬原型制作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)的初始階段能夠在計(jì)算機(jī)中構(gòu)造虛擬原型并對此原型進(jìn)行評價(jià)。

國內(nèi)的研究剛剛起步，主要集中在三個(gè)方面。

1)產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)。它主要包括虛擬產(chǎn)品開發(fā)平臺、虛擬測試、虛擬裝配以及機(jī)床、模具的虛擬設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)等。其中清華大學(xué)利用美國國家儀器公司的Labview開發(fā)平臺實(shí)現(xiàn)了鎖相電路的虛擬，機(jī)械科學(xué)研究院采用C語言和Open GL進(jìn)行編程，初步實(shí)現(xiàn)了立體停車庫的虛擬現(xiàn)實(shí)下的參數(shù)化設(shè)計(jì)，可以直觀地進(jìn)行車庫的布局、設(shè)計(jì)、分析和運(yùn)動(dòng)模擬。

2)產(chǎn)品虛擬制造技術(shù)。它主要包括材料熱加工工藝模擬、加工過程仿真、板材成型模擬、模具制造仿真等。北京航空航天大學(xué)與一汽用OPTRIS開發(fā)的板料成型軟件，已經(jīng)基本能夠模擬類似車門的中等復(fù)雜程度的汽車覆蓋件和其他沖壓成型件的沖壓成型過程；沈陽鑄造研究所開發(fā)的電渣熔鑄工藝模擬軟件包ESRD3D，已經(jīng)應(yīng)用于水輪發(fā)電機(jī)變曲面過流部件生產(chǎn)中，其產(chǎn)品在劉家峽、李家峽、天生橋、太平役等7個(gè)電站中使用；合肥工業(yè)大學(xué)研制的雙刀架數(shù)控車床加工過程模擬軟件，已經(jīng)在馬鞍山鋼鐵股份有限公司車輪輪箍廠應(yīng)用，使數(shù)控程序現(xiàn)場調(diào)試時(shí)間由幾個(gè)班縮短到幾小時(shí)，并保證一次試切成功；北京機(jī)床研究所、機(jī)械科學(xué)研究院、東北大學(xué)、上海交通大學(xué)和長沙鐵道學(xué)院等單位也研制出一些這方面的仿真軟件。

3)產(chǎn)品虛擬制造系統(tǒng)。它主要包括虛擬制造技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)、技術(shù)支持、開發(fā)策略等。其中提出了比較成熟的思想并可能實(shí)現(xiàn)的是由上海同濟(jì)大學(xué)張曙教授提出的分散網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)系統(tǒng)和西安交通大學(xué)謝友柏院士組建的異地網(wǎng)絡(luò)化研究中心。

從以上的論述中可以看到國內(nèi)外研究水平差距是很大的，而且由于虛擬制造技術(shù)既是并行工程的發(fā)展方向又是敏捷制造的核心，這就決定了必須以它作為現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的中心技術(shù)，以帶動(dòng)相關(guān)技術(shù)研究工作的進(jìn)行，并使它們協(xié)同一致順利地發(fā)展。

(2)并行工程。并行工程是集成地、并行地設(shè)計(jì)產(chǎn)品及其相關(guān)過程(包括制造過程和支持過程)的系統(tǒng)方法。它要求產(chǎn)品開發(fā)人員在一開始就考慮產(chǎn)品整個(gè)生命周期中從概念形成到產(chǎn)品報(bào)廢的所有因素，包括質(zhì)量、成本、進(jìn)度計(jì)劃和用戶要求。為了達(dá)到并行的目的，必須建立高度集成的主模型，通過它來實(shí)現(xiàn)不同部門人員的協(xié)同工作；為了達(dá)到產(chǎn)品的一次設(shè)計(jì)成功，減少反復(fù)，它在許多部分應(yīng)用了仿真技術(shù)；主模型的建立、局部仿真的應(yīng)用等都包含在虛擬制造技術(shù)中?？梢哉f，并行工程的發(fā)展為虛擬制造技術(shù)的誕生創(chuàng)造了條件，虛擬制造技術(shù)將是以并行工程為基礎(chǔ)的，并行工程的進(jìn)一步發(fā)展就是虛擬制造技術(shù)。同時(shí)，并行工程是在CAD、CAM、CAPP等技術(shù)支持下，將原來分別進(jìn)行的工作在時(shí)間和空間上交叉、重疊，充分利用了原有技術(shù)，并吸收了當(dāng)前迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)秀成果，使其成為先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)。

(3)敏捷制造。敏捷制造是以競爭力和信譽(yù)度為基礎(chǔ)的，選擇合作者組成虛擬公司，分工合作，為同一目標(biāo)共同努力來增強(qiáng)整體競爭能力，對用戶需求作出快速反應(yīng)，以滿足用戶的需要。為了達(dá)到快速應(yīng)變能力，虛擬企業(yè)的建立是關(guān)鍵技術(shù)，其核心是虛擬制造技術(shù)，即敏捷制造是以虛擬制造技術(shù)為基礎(chǔ)的。敏捷制造是現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)從信息集成發(fā)展到企業(yè)集成的必由之路，它的發(fā)展水平代表了現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的發(fā)展水平，是現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的發(fā)展方向。

自從1991年美國提出敏捷制造的思想后，美國政府就贊助許多研究單位開發(fā)實(shí)現(xiàn)敏捷制造的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和工具，并鼓勵(lì)在不同行業(yè)進(jìn)行示范應(yīng)用，目前已經(jīng)取得了一定進(jìn)展。例如:在遙測裝置生產(chǎn)的敏捷制造示范項(xiàng)目中，它聯(lián)合了加利福尼亞的圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室、聯(lián)合信號公司堪薩斯城分部和新墨西哥的圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室以及機(jī)械主箱、印刷電路板供應(yīng)商。通過聯(lián)合彌補(bǔ)了單一企業(yè)資源不足的弱點(diǎn)，這一聯(lián)盟的生產(chǎn)時(shí)間比單一企業(yè)的生產(chǎn)時(shí)間減少了50%，生產(chǎn)率提高顯著。現(xiàn)在美國的很多大公司都參加了這一研究計(jì)劃，在歐洲和日本等發(fā)達(dá)國家也紛紛成立了相應(yīng)的機(jī)構(gòu)，進(jìn)行相應(yīng)的研究和實(shí)施工作。我國專家從1993年就開始對敏捷制造進(jìn)行跟蹤研究，主要包括:實(shí)施敏捷制造的技術(shù)基礎(chǔ)；虛擬公司的建立步驟及其體系結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式；虛擬公司的組織與應(yīng)用等。與國外相比，這些研究工作只能算原則性的研究工作，距離實(shí)用還需要走很長的一段路。因此，在我國企業(yè)目前還不可能實(shí)現(xiàn)敏捷制造，但是從科學(xué)研究的角度看，我們認(rèn)為需要在合適的條件下建立一個(gè)研究性的虛擬企業(yè)，加深我們對虛擬企業(yè)在實(shí)際應(yīng)用中所遇難題的理解，即在實(shí)踐中吸取有益的經(jīng)驗(yàn)，為今后的發(fā)展做一定的技術(shù)儲(chǔ)備。

(4)綠色制造。制造業(yè)將制造資源轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品的制造過程，以及產(chǎn)品的使用過程和廢棄處理過程中，一方面消耗大量人類社會(huì)有限的資源，另一方面造成環(huán)境污染，是當(dāng)前環(huán)境污染問題的主要根源。面對當(dāng)前人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要，制造業(yè)必須盡可能減少資源消耗和盡可能解決所帶來的環(huán)境問題。有鑒于此，實(shí)施綠色制造勢在必行。

綠色制造是一個(gè)綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造模式，其目標(biāo)是使產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造、包裝、運(yùn)輸、使用到報(bào)廢的整個(gè)產(chǎn)品生命周期中，對環(huán)境的影響(副作用)最小，資源的使用效率最高。綠色制造的提出是人們?nèi)找嬷匾暛h(huán)境保護(hù)的必然選擇，發(fā)展不能以環(huán)境污染為代價(jià)。國際制造業(yè)的實(shí)踐表明，通過改進(jìn)整個(gè)制造工藝來減少廢棄物，要比處理工廠處理已經(jīng)排放的廢棄物大大節(jié)省開支。綠色制造的實(shí)現(xiàn)可以通過計(jì)算機(jī)仿真來達(dá)到目的，即它是虛擬制造的一部分。從可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的觀點(diǎn)看，綠色制造是必然選擇，它將成為現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的一個(gè)重要的組成部分。

在我國，近年來在綠色制造及相關(guān)問題方面也進(jìn)行了大量的研究，國家自然科學(xué)基金和國家863/CIMS主題均支持了一定數(shù)量的綠色制造方面的研究課題，已取得了不少研究成果。國家863/CIMS主題還在中國現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)開辟了綠色制造專題，對國內(nèi)外綠色制造研究情況進(jìn)行了綜合介紹(http://www.cims.edu.cn)。國內(nèi)不少高校和研究院所對綠色制造的理論體系、專題技術(shù)等都進(jìn)行了大量的研究。國家環(huán)保局于1996年1月批準(zhǔn)成立了國家環(huán)?？偩秩A夏環(huán)境管理體系審核中心，專門負(fù)責(zé)ISO 14000系列標(biāo)準(zhǔn)在我國的實(shí)施、培訓(xùn)工作以及同國際有關(guān)機(jī)構(gòu)的交流，并建立了專門的網(wǎng)站——中國環(huán)境管理體系認(rèn)證信息網(wǎng)。ISO 14000環(huán)境管理體系標(biāo)準(zhǔn)引起了我國眾多企業(yè)的重視，根據(jù)最新統(tǒng)計(jì)，截至1999年9月2日，廈門ABB開關(guān)有限公司、上海高橋巴斯夫分散體有限公司、青島海爾電冰箱股份有限公司等117家企業(yè)獲得ISO 14000標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。

從以上的分析中我們可以看到:各種先進(jìn)制造技術(shù)是相互關(guān)聯(lián)、彼此交叉的，在先進(jìn)制造技術(shù)這一大廈下，現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)成為它的核心，并隨著先進(jìn)制造技術(shù)的不斷發(fā)展而發(fā)展，即現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)應(yīng)該是一個(gè)動(dòng)態(tài)的概念。