中华学生百科全书-第53章
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机械制造自动化迄今已有几十年历史。早期由于技术水平的局限性，只
能在大规模生产领域内引入生产自动化。30 年代到 50 年代间，人们主要建
立了由机械式或液压式的自动车床、组合机床或专用机床组成的单品种生产
自动线。这种自动生产线有其固定的生产节奏，要改变加工品种是非常困难，
且费用极高，故称之为“刚性自动化生产线”。到了 60 年代，人们意识到大
批量生产只是机械制造业的小部分，约占 15％～25％，而中、小批量生产要
占到 75％～85％。比如在日本，多品种、中小批量生产企业的产量是大批量
生产企业的两倍，但是雇员却是大批量生产企业的 4 倍。由此可见，在国民
经济生产部门中比重占绝对优势的多品种、中小批量生产企业的劳动生产率
大大落后于大批量生产企业，这就迫使人们寻找新的生产方式来改变这种落
后局面。
美国森斯特兰德公司在 1967 年建成了世界上最早的柔性制造系统
（FMS）。在随后的 10 年中，又继续开发了几十套 FMS。在此期间，FMS 的技
术先进性得到充分证明，其经济效益也十分显著。在此基础上，FMS 数目激
增 3 倍，用户的兴趣和社会需求也持续高涨。此后，每年 FMS 的平均增长率
均在 30％～40％。
近年来，我国走国外引进和自行开发并举的道路，在 FMS 的研制和应用
方面获得了长足进步，并取得了比较明显的社会和经济效益。如北京机床研
究所为掌握当代机械制造新技术，与日本发那科公司合作，在 1985 年建立了
我国第一套柔性系统 JCS—FMS—1。该系统包括 5 台 CNC 机床、一台工业监
控计算机以及包括中央管理的计算机控制系统。
机电一体化
机电一体化，作为新型智能产品设计的原则，作为传统产品更新换代的
方向，作为生产、办公、家庭、医疗等领域自动化的基础，正日益为企业所
重视，新产品、新系统不断涌现，呈现出一片生机勃勃的美好景象。
机电一体化的概念是在现代微电子技术向传统机械工业渗透的过程中逐
步形成起来的，是机械、微电子、自动控制和计算机技术相互融合的产物，
是一门具有交叉性、边缘性、多学科性的综合技术。机电一体化的目标是使
产品向多功能化、高效率化、高智能化、省料节能化方向发展，并力求使产
品结构具有轻、薄、细、巧的特征，以便满足社会生产自动化和人民生活多
样化的要求。
目前机电一体化主要有如下两种方式。第一种是机械产品电子化，即在
原有机械产品上采用新的微电子技术，使产品在质量、性能、功能、效率和
节能诸方面都有较大幅度提高，甚至能使产品结构发生质的飞跃。
比如汽车电子化，对于节省燃料、减少环境污染和提高行驶安全性来说，
是至关重要的。用微处理器（即微电脑）控制汽车发动机的点火、燃油喷射
量、空气燃油比和废气再循环，可以促使燃烧完成，节约能源和减少大气污
染。统计资料表明，采用微机控制燃油喷射量可以节油 10％～20％。再加上
微机控制汽车速度，使汽车在不同情况下都处于最经济合理运转状态，可节
油 5％～6％。此外，电子小汽车上还采用了微电子技术控制排气，可以使排
出的废气中有毒气体（如碳氢类气体、一氧化氮和一氧化碳等）含量最低。
还有汽车高速行驶防撞车控制系统，汽车行驶闭环控制系统等，为提高汽车
行驶安全、防止交通事故提供了保障。
机电一体化的第二种方式是机械技术与电子技术有机结合，开辟了两者
单独使用时都不能达到的效果。
机电一体化技术革命的发展时间虽然不长，但已成为机械和电子工业发
展的巨大推动力。因此，世界工业发达国家，甚至许多中等发达国家都对开
发技术密集型的机电一体化产品，提高各种机械电子设备的自动化和智能化
极端关注。在机电一体化技术和应用方面，日本和美国走在世界的前列。
相对来说，我国的数控机床、工业机器人等机电一体化技术，起步并不
算晚，但发展速度不快。为此国家提出了振兴我国机电工业的中长远目标，
即在今后 10 到 15 年内，使我国主要机电产品达到工业发达国家 70 年代末和
80 年代初的水平，部分产品争取接近国际水平。
全面自动化
电子计算机的产生、发展及其在工业生产中的广泛应用，使得以机械工
业为代表的离散型生产方式孕育了一场新的技术革命——从局部自动化走向
全面自动化，即由原来局限于产品制造过程的自动化扩展到脑力劳动领域的
产品设计和经营管理自动化，促进机械工业，进而带动整个工业企业实现运
营综合自动化，这就是计算机集成制造系统（puter In…tegrated
Manufacturing Systems，简称 CIMS）的基本思想。1974 年美国的约瑟夫．
哈林顿（JOsePh Harrington）博士在《计算机集成制造》一书中，率先提出
了这一具有划时代意义的新概念。根据他的设想，CIMS 在功能上应包含一个
工厂的全部生产经营活动，即从市场预测、产品设计、加工制造、经营管理
到售后服务的全部活动。因为这些活动是一个不可分割的整体，必须统一考
虑。所以 CIMS 比传统的工厂自动化的范围广得多，是一个复杂的大系统。另
外一点要注意的是，CIMS 涉及的综合自动，不是工厂各个生产环节自动化和
计算机化的简单迭加，而是这些环节的有机集成。这里所说的集成，不仅是
物质和设备的集成，更主要的是体现在以信息集成为特征的技术集成。
综合上述两点看法，我们可以给 CIMS 下一定义：CIMS 是在自动化技术、
信息技术和制造技术的基础上，通过计算机硬件和软件，将制造工厂全部生
产活动所需的各种分散的自动化系统有机地集成起来，是适合于多品种、中
小批量生产的、具有总体高效益、高柔性的智能制造系统。
从学科看，CIMS 是系统科学、控制论、计算机科学与制造技术相互渗透
产生的集成方法和技术。通过将这些技术应用到实际的生产制造过程中，反
过来又促进了这些学科的发展。
目前，我国的 CIMS 单元技术十分薄弱，系统集成技术也刚刚起步，因此
必须根据实际经济和技术力量，确定一个符合中国国情的有限目标和一条行
之有效的发展我国 CIMS 的途径。所以国家根据世界高技术的发展趋势和制造
业未来技术改造的需要，在把 CIMS 选择为中国高技术发展计划的主题项目的
同时，还明确规定了 2000 年 863／CIMS 的战略目标，即跟踪国际上 CIMS 高技
术的发展，掌握 CIMS 的关键技术，同时在制造业中建立能获得综合经济效
益、并能带动整个行业的 CIMS 示范点。
应当指出，虽然世界各国都十分重视 CIMS 的开发和研制，并投以大量人
力和物力，但总的来说，目前仍处于初级阶段。比如现在美国正在实施 CIMS
的近 10 万家企业，其中大约 3／4 的企业尚处于刚刚开始阶段，他们用计算机
完全辅助管理、设计和生产等工作，多为单机自动化，离 CIMS 的目标还相距
甚远。真正实施 CIMS 的企业大约只有 100 多家。即使在这些公司中，所建成
的 CIMS 大多是在一个工段、一个车间或者一个分厂范围内实现计算机集成化
的。比如美国通用电气公司的 CIMSM，把销售、经营、产品设计、工艺设计、
数控加工等 8 个子系统集成在一起，虽是美国规模较大的 CIMS，但也只限于
在蒸汽涡轮发电机的小零件生产车间。通用汽车公司的 CIMS 虽然规模稍大
些，但也只限于生产汽车前轮驱动轴部件的工厂。
自动控制的应用
工厂自动化
工厂自动化是指用自动装置或系统控制来管理生产设备及生产过程，它
集计算机技术、自动化技术、激光技术和机器人技术之大成，是本世纪 80
年代到 90 年代工业生产中主攻技术方向之一。
一般认为，工厂自动化是指利用计算机充分掌握从接受订货开始，到产
品发货结束之间所有生产活动的复杂信息流，并对生产系统整体进行高度管
理和控制的自动化过程。其目的主要是：①省力；②提高设备运转率和利用
率；③实现高效生产管理，即减少零件、材料、半成品和成品的库存量、减
少资金积压，加快资金周转，创造大的经济效益；①缩短从产品规划、设计、
研制到产品出厂之间的生产周期；⑤满足用户对产品的多样化、多功能化和
智能化需求。
工厂自动化，按其性质又可分为连续生产自动化和断续生产自动化两
种。
连续生产自动化又叫过程自动化，主要是指石油、化工、冶金、电力等
工业部门中连续生产过程的自动化。即通过采用各种检测仪表、调节仪表、
控制装置、电子计算机等自动化技术工具，对整个生产过程进行自动检测、
监督和控制，以达到实现各种最优的技术经济指标，提高经济效益和劳动生
产率，节约能源、改善劳动条件、保护生态环境等目标。
由于连续生产自动化处理的对象是流体或粉体，传输与控制比较容易，
所以进展很快。本世纪 40 年代开始，人们开始使用分散式测量仪表和控制装
置，进行单参数自动调节，取代了传统的手工操作。
到了 50 年代，人们开始把检测与控制仪表集中在中央控制室，实行车间
集中控制，一些工厂企业初步实现了检测仪表化和局部自动化。这一阶段，
过程控制系统结构绝大多数还是单输入单输出系统，受控变量主要是温度、
压力、流量和液位四种参数，控制的目的是保持这些参数的稳定，消除或减
少对生产过程的干扰影响。而过程控制系统采用的方法是经典控制理论中的
频率法和轨迹法，主要解决了单输入单输出系统的常值控制和系统综合控制
问题。
60 年代，工业生产的不断发展，对过程控制提出了新的要求（如高效率、
高质量、高可靠性等），电子技术的飞速发展也为生产过程自动化提供了功
能较完善的工具和手段。在自动化仪表方面，开始大量采用单元组合仪表。
为了满足定型、灵活、多功能等要求，还出现了组装仪表，以适应比较复杂
的模拟和逻辑规律相结合的控制系统需要。与此同时，开始采用电子计算机
对大型设备，如大型蒸馏塔、大型轧钢机等，进行最优控制，实现了直接数
字控制（DDC）及设定值控制（SPC）。在系统方面，为了提高控制性能和实
现某些特殊控制要求，出现了包括反馈和前馈的复合控制系统。在过程控制
理论方面，除了仍采用经典控制理论解决实际生产过程中的问题外，现代控
制理论也开始得到应用，控制系统由单变量系统转向复杂的多变量系统。在
此期间，工厂企业实现了车间或大型装置的集中控制。
70 年代以来，现代工业生产的迅猛发展，自动化仪表与硬件的开发，微
计算机的问世，使生产过程自动化进入了新的高水平阶段。对整个工厂或整
个工艺流程的集中控制，应用计算机系统进行多参数综合控制，或者用多台
计算机对生产过程进行分级综合控制和参与经营管理，是这一阶段的主要特
征。在新型自动化技术工具方面，开始采用微机控制的智能单元组合仪表，
显示和调节仪表，以适应各种复杂控制系统的需要。现代控制理论中的状态
反馈、最优控制和自适应控制等设计方法和特殊控制规律，在过程控制中得
到了广泛应用，自动化技术呈现出一派欣欣向荣的新景象。
自动化技术一问世就显示出了强大的生命力，应用自动生产线，大大提
高了劳动生产率。不到 3 年时间，使汽车生产成本下降近 3 倍，只用 8 年就
使汽车销售价格下跌到原价的 9％，使汽车迅速进入千万普通人家。汽车工
业自动化的发展，使钢铁和石油的产量和质量都有大幅度提高。而且电子计
算机在机械制造生产中的应用，使传统的机械制造业焕发了青春。计算机与
机床结合，出现了数控机床和计算机数控机床；应用 CAD／CAM、工业机器人
等技术的柔性制造系统，可减少劳力 20～80％，提高生产率 10 倍以上；CIMS
更为工厂全面自动化，实现无人工厂铺平了道路。正如邓小平同志在全国科
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