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CIMS中的关键技术
纪 浩
( 武汉大学动力与机械学院，湖北武汉，430072)
摘要：计算机集成制造系统( CIMS) 是21世纪制造业的生产模式。集成质量系统(IQS,Integrated Quality System) 是CIMS中不可缺少的重要组成部分, 是成功实施CIMS的有力保证。本文探讨了集成质量系统的概念、特点、作用和功能, 并对其关键技术进行了分析。
关键词　CIMS; 集成质量系统; 质量保证; 质量控制

CIMS是21世纪制造业的生产模式, 世界各国都非常重视。我国已将CIMS列为国家863高科技发展研究计划, 并确定为自动化领域中的CIMS主题。经过全国许多专家和工程技术人员10年的共同努力, CIMS在我国的研究、开发和应用已取得非常可喜的进展。CIMS应用示范工程的实施, 增强了企业的活力和竞争力, 使企业取得了较好的经济效益和社会效益。目前在全国范围内有66家企业实施CIMS应用示范工程, 而且申请实施CIMS工程的企业还在不断增加。集成质量系统(IQS) 是CIMS的重要组成部分, 是成功实施CIMS工程的有力保证。集成质量系统应用系统工程的观点和方法, 广泛采用各种先进的现代科学技术和手段, 将产品生命周期中各阶段、各部分的质量因素、质量控制、质量保证作为一个有机的整体来研究, 以保证产品质量符合设计要求和满足用户的需求。集成质量系统将传统的以检验驱动, 转变为以用户驱动来保证产品质量; 将传统的注意制造过程中的质量控制转变为注意整个产品生命周期中各个环节的质量控制; 将事后检验, 转变为事前预防。

1集成质量系统
传统的质量概念是指产品满足设计者所确定的技术要求。产品加工完成后, 通过检验评定成品质量。质量的保证来自于加工检验设备的性能和操作者的技能。传统的质量控制仅对制造过程进行控制, 通过检验查出不合格产品, 经统计、分析找出制成产品不合格的原因, 对相应的制造过程加以改进与控制, 将不合格产品率控制在某一百分比之下。然而, 产品的形成过程也就是产品质量的形成过程, 影响质量的因素贯穿于产品的整个生命周期,仅对制造过程进行控制是不能保证产品质量的。GB/ T1900- ISO9004把产品质量形成的全过程分
为11个阶段, 并用一个典型的质量环来表示, 如图1. 1所示

图1. 1　质量环
这11个阶段可概括成三大阶段。即: 制造前、制造中和制造后。在产品的整个生命周期内, 每个阶段都有大量的质量活动。在制造前, 存在诸如用户提出质量要求、产品质量规范、市场及经营信息的采集、制造资源等质量活动; 在制造中有工艺、工装设备的制定、检测、控制、试验等质量控制和管理活动; 在制造后, 存在贮运、销售、售后服务、维护修理等质量活动。这些质量活动之间存在着不可分割的千丝万缕的联系。制造前看似一个产品生命周期的初始阶段, 实质上, 新产品质量的保证, 来源于在市场上销售和售出的老产品。只有上代产品的市场和经营在制造前反馈回准确真实的信息, 才能使制造前的质量有保证。制造前质量的成败, 是制造中质量成败的前提。只有制造前为制造中提供科学、合理的设计和经济可行的准备, 才能使制造中有规可循, 有据可依。最为显著的是, 制造后质量的提高可以使前两个阶段的质量得到承认和实现。同时, 制造后的质量无论多么辉煌, 没有前面的质量保证, 无疑是空中楼阁, 没有存在的基础。
通过上述分析, 可以看出: 要保证和提高产品质量, 就必须对产品整个生命周期中的各个质量活动进行有效、系统、协调、全面地管理与控制, 于是便产生了集成质量系统。集成质量系统应用系统工程的观点和方法, 广泛采用各种先进的现代科学技术和手段, 将产品生命周期中各阶段、各部分的质量因素、质量控制、质量保证作为一个有机的整体究, 以保证产品质量符合设计要求, 保证产品满足用户需求。
图1.2　CIMS环境下的集成质量系统在CIMS环境中, 把相互分离的单元质量保证技术通过计算机网络有机地结合起来, 就形成了CIMS环境下的集成质量系统, 如图1. 2所示。

图1.2　CIMS环境下的集成质量系统
该系统及时采集、处理、控制与质量有关的信息, 使质量活动协调进行, 提高产品质量, 并提高对多变的质量要求的适应能力集成质量系统是CIMS的重要子系统之一, 主要用于确定质量目标和制定质量保证计划; 在企业的内部和外部通过各种方式采集质量数据; 处理质量数据并进行评价, 诊断产品和过程存在问题及原因; 将有关纠正措施和控制信息传递到相应部门和设备; 进行质量优化, 为不同部门和不同层次的质量活动提供决策依据和知识。
2集成质量系统的特点
集成质量系统的主要特点如下:
( 1) 适应小批量、多变、高质量的用户需求。
( 2) 工作方式是用户驱动, 而不是检验驱动。
( 3) 目标是: 保证产品质量符合设计要求, 保证产品满足用户的需求。
( 4) 对产品的整个生命周期的全部质量活动进行管理与控制
( 5) 以计算机网络和数据库管理系统为支撑,实现质量信息的提取、交换、共享和处理的集成化:
( 6) 强调的是在质量问题的“源”处控制质量,而不仅仅是对已产生的质量缺陷进行处理, 进行的是过程控制, 而不仅仅是产品生产结果的控制。重点是预防。
( 7) 广泛采用人工智能技术( 专家系统、知识库、神经网络等) 实现数据采集、数据处理、质量分析、质量控制等单元的智能化。
( 8) 是一种模块化的开放式系统, 能够根据企业环境的变化以及对质量要求的不断提高, 进行相应的扩充、修改和完善。
3集成质量系统的关键技术
3. 1集成质量系统的理论体系与体系结构
集成质量系统涉及到计算机网络技术、数据库管理技术、CAD/ CAPP/ CAM技术、数据采集技术、信号分析与处理技术、检验与控制技术、系统工程、计算机仿真技术、并行工程、人工智能( AI) 技术等多学科先进技术的综合应用, 大力开展质量方法论和理论体系的研究, 建立合适、正确、完整的体系结构是成功实施集成质量系统的关键。
3. 2质量方法论
质量方法论是质量设计与分析的指导思想, 是建立集成质量系统的理论基础。60年代初美国企业界就提出了全面质量管理( TQM, Total QualityManagement) 的概念, 被各国采用并发展至今。日本在质量方法上的研究以偏重质量管理为特色, 提出了一系列质量分析与管理方法, 如Taguchi( 田口)法、公司范围质量控制( Company Wide QualityControl) 方法等, 推动了日本工业的发展。西方质量方法学则偏重技术, 注重各种质量保护单元技术及其在CIMS环境下信息集成的研究, 这种倾向加速了90年代质量保证技术化潮流的形成。
3. 3面向质量的设计技术
面向质量的设计( DesignFor Quality) 要求把一系列的质量保证措施与设计系统( CAD/ CAPP)有机地集成, 在产品和过程设计阶段就开始实施质量保证。实现面向质量的设计的关键是建立相应的产品与过程模型的信息交换模型。常用的面向质量的设计有: 质量功能配置( Quality FunctionDe-ployment) 、故障模式和效应分析( FailureModeandEffect Analysis) 、健壮性设计( Robust Design) 、优化设计、质量信息反馈的有效利用等。
面向质量的设计从质量保证的角度出发, 采用矩阵图解法, 将用户需求的实现分解到产品开发的各个阶段和各个职能部门中去, 通过协调各部门的工作以保证最终产品的质量。面向质量的设计的具体作法是: 首先提取用户对产品的需求, 确定最终产品的质量指标, 形成规划矩阵; 将规划矩阵中的信息翻译分解成产品的单元特性, 形成配置矩阵; 将配置矩阵信息转移到生产系统各环节, 提出关键参数的控制点和检验点, 形成过程控制矩阵; 由过程控制矩阵列出操作人员规范, 形成操作指令矩阵。
3. 4质量数据采集与分析技术
质量数据采集与分析是集成质量系统正常运行的前提, 包括产品整个生命周期中各个阶段质量数据的采集与分析。通过质量数据的采集与分析, 可以知道用户对产品质量的需求、发现质量问题之所在、找出质量因素之变化规律、质量的分布情况, 以便为建立各种质量模型, 如用户质量需求模型、质量损失模型、质量维护模型、质量评价模型、质量控制模型等提供依据和数据。质量数据采集与分析技术的重要研究内容是用户质量数据的采集技术、质量数据的实时/ 自动采集技术、机器人辅助测量技术、循环内检验(In-circleGauging) 技术、质量数据的传输与共享以及面向多品种、小批量生产的统计、抽样技术等。
3. 5柔性化、集成化、智能化的制造维护技术
维护主要是指对设备与过程的状态监控和故障诊断及其相关措施, 其目的在于保证制造系统可靠、稳定、准确地发挥功能, 使产品达到设计规定的质量要求, 避免设备损坏。传统的维护系统一般存在以下缺点和问题: 只有单一或少量信号被采集和处理, 信号中只有少量信息和特征被提取和利用; 监控算法和策略选择不当或不完善, 使键控准确性、可靠性低; 故障诊断大多靠人工来进行, 效率和准确度低,缺乏同其它CIMS子系统以及设备CNC的接口。柔性化、集成化、智能化的制造维护技术主要解决以下几个方面的问题:
( 1) 智能化采集与处理技术, 以实现对大量不同类型信号的深层次处理。
( 2) 多参数、具有复杂决策能力的决策模型与算法, 以及基于知识的自学习机制。
( 3) 维护系统结构的模块化和功能的柔性化。
( 4) 维护系统的集成化, 一方面实现状态监控和故障诊断的集成, 另一方面建立维护系统与CIMS各层次的软硬件接口。
3. 6人工智能技术
在集成质量系统中广泛应用人工智能( AI) 技术, 可以实现集成质量系统各个质量阶段与方面的智能化, 如智能数据采集、智能过程检测与控制、智能故障诊断等, 从而提高集成质量系统的功效。
3. 7基于可视化的动态仿真技术
该技术能够动态地模拟集成质量系统中的各种质量过程, 通过模拟可以观察其变化规律, 检验其可行性与可靠性, 这是成功实施集成质量系统的重要工具和手段。

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