数字化设计与先进制造系统.ppt.ppt

数字化设计与先进制造系统 冯欣欣email fxmao cax cad计算机辅助设计 cae计算机辅助工程 capp计算机辅助工艺设计 cam计算机辅助制造 cafd计算机辅助工装设计 5 cad cae capp cam cafd 产品策划 设计开发 样件生产 生产 质量检验 进入市场 产品生命周期 capp 计算机辅助工艺设计 工艺设计的主要内容 1 选择机床2 选择刀具3 确定定位装夹方案4 确定工序步骤5 确定切削参数6 生成工艺文件7 数控编程准备 6 5 dfx designforx面向x的设计 dfm designformanufacturing dfa designforassembly dfc designforcost dfq designforquality dfe designforenvironment 知识经济对制造的影响 信息技术改变了人类的生活需求呈现个性化 多样化需求市场多变 快变全球经济一体化 必须参与世界竞争竞争异地制造 合作制造 24小时不间断制造成为可能企业生存关键 核心能力 快速响应能力合作与竞争并存成为趋势知识成为重要的制造资源资源 3 4 必须快速生产出市场需要的产品生产的瓶颈变成了产品快速创新决定产品成本和利润的主要因素是新产品中所含知识及创新的价值新的资源利用方式 异地资源利用新的企业 学习型企业新的竞争方式 培养核心能力 合作新的生产方式 新的技术 解决方案 先进制造技术 先进制造模式 知识经济时代的制造 制造企业生产方式的转变 1 用机器代替手工 从作坊形成工厂18世纪末机器在英国诞生 先后传人法国 德国和美国 2 从单件生产方式发展成大量生产方式泰勒 以劳动分工和计件工资制为基础的科学管理 福特 零件互换技术 1913年建立了具有划时代意义的汽车装配生产线 3 柔性化 集成化 智能化和网络化的现代制造技术柔性制造系统 计算机集成制造系统 网络化制造 智能制造系统 及时生产 精良生产 敏捷制造 5 6 7 单品种大批量 扁平网络结构 自主管理动态团队组织 价格低廉 生产规模 标准产品 职能分工 实用耐久 生产方式变革 柔性制造设备 快速产品创新 并行工作方式 快速相应市场 满足个性爱好 多品种小批量 多层次递阶控制结构 固定组织 先进制造技术 现代设计 并行 反求 cad cam等 精密成型 netshape 高速切削 超精加工 特种加工 水 激光 快速原型拟实加工自动化技术 检测技术集成制造技术 先进制造模式 精益生产leanproduction lp 敏捷制造agilemanufacturing仿生制造bionicmanufacturing智能制造intelligencemanufacturing柔性制造flexiblemanufacturing绿色生产clean green manufacturing 10 绿色生产clean green manufacturing 绿色产品的标志 绿色产品是指生产过程及其本身节能 节水 低污染 低毒 可再生 可回收的一类产品 它也是绿色科技应用的最终体现 22 绿色产品就是在其生命周期全程中 符合环境保护要求 对生态环境无害或危害极少 资源利用率高 能源消耗低的产品 主要包括企业在生产过程中选用清洁原料 采用清洁工艺 用户在使用产品时不产生或很少产生环境污染 产品在回收处理过程中很少产生废弃物 产品应尽量减少材料使用量 材料能最大限度地被再利用 产品生产最大限度地节约能源 在其生命周期的各个环节所消耗的能源应达到最少 绿色产品的第一个环节是设计 绿色产品要求产品质量优 环境行为优 绿色产品的第二个环节是生产过程 要求实现无废少废 综合利用和采用清洁生产工艺 绿色产品的第三个环节是产品本身的品质 比一般产品更体现以人为本 提高舒适度和健康保护及环境保护程度 绿色产品的第四个环节是废弃物便于处置 boothroyd引用福特公司的报告表明 尽管产品设计和工艺费用只占整个产品费用的6 却影响了总费用的70 以上 设计阶段对产品生命周期的巨大影响 1 并行工程 并行工程 concurrentengineering 20世纪50年代 20世纪60年代基于产品功能和成本的竞争 物美价廉20世纪70年代 20世纪80年代增加了对质量的关注20世纪80年代末 20世纪90年代初在质量和成本的基础上增加了产品开发时间 2 3 串行产品开发模式 4 串行开发模式的重大缺陷 忽视了不相邻活动之间的交流和协调 形成以部门利益为重而不考虑全局最优化的 抛过墙式 工作环境 各部门对产品开发整体过程缺乏综合考虑 造成局部最优而非全局最优 上下游矛盾与冲突不能及时得到调解 开发时间加长 成本提高 5 1988年 美国防御分析研究院 ida 提出并行工程的概念 并行工程是对产品及相关过程 包括制造过程和支持过程 进行并行 一体化设计的一种系统化工作模式 这种工作模式力图使开发者从一开始就考虑到产品全生命周期的所有因素 包括质量 成本 进度和用户需求 注 支持过程 包括对制造过程的支持 原材料的获取 中间产品的库存 工艺过程设计 生产计划制定 和使用过程的支持 产品销售 使用维护 售后服务 产品报废后的处理 6 并行工程的含义 并行工程是一个关于设计过程的方法 它需要在设计中全面地考虑到相关过程的各种问题 但并非包括制造过程等其它过程 它要求所有设计工作要在生产开始前完成 并不是要求在设计产品的同时就进行生产 并行工程不是指同时或交错地完成设计和生产任务 而是指对产品及其下游过程进行并行设计 不能随意消除一个完整工程过程中现存的 顺序的 向前传递信息的任一必要阶段 并行工程是对设计过程的集成 是企业集成的一个侧面 它企图做到的是优化设计 依靠集成各学科专业人员的智慧做到设计一次成功 8 9 10 并行工程的特点 concurrence并行性 产品设计与其后续相关过程在同一时间框架内并行处理 constrains约束性 在充分考虑产品设计约束的同时引入其后续相关过程约束 coordination协调性 对产品设计及其后续相关过程进行统一协调和管理 consensus一致性 产品设计过程中的所有重大决策都要建立在工作组成员意见一致的基础上 computerization计算机性 产品设计需要在计算机及其网络系统支持下实现集成和并行 14 并行工程应避免的几个误解 ce是设计与制造的并行或同步ce是设计活动的并发或并行ce是一种管理模式ce是对其他几种生产模式的否定 ce不能称之为生产模式 而是一种新的产品开发模式 不是通过简单的并行来缩短产品开发周期 而是通过过程分解 ipt 集成产品开发团队 成员之间的信息和知识共享等方法 打破传统的专业壁垒 增加设计活动间的协作 从而获取更高的效益 科学的管理思想和先进技术的集成 15 20 提高设计效率 缩短产品上市时间据调查 传统方式的设计者在查找信息和处理信息上花费30 70 的时间寻找信息 检索信息等 提高设计与制造数据的准确性 一致性和安全性pdm系统的版本管理功能能够保证所有参与同一项目的人员采用同一最新数据来工作 避免了设计上的重复和不一致 部门之间的信息共享 信息再利用 pdm的优点 21 面向x的设计 dfx x代表了产品生命周期中的所有因素 包括制造 装配 拆卸 检测 维护 测试 回收 可靠性 质量 成本 安全性以及环境保护等 22 cim概念cim computerintegratedmanufacturingcim一词是由美国的josephharrington博士于1973年著书 computerintegratedmanufacturing 从而提出的 cim的基本观点 系统 集成化 观点 企业生产的各个环节 即从市场分析 产品设计 加工制造 经营销售到售后服务的全部生产活动是一个不可分割的整体 要紧密连接 统一考虑 信息化观点 整个生产过程实质上是一个数据的采集 传递和加工处理的过程 最终形成的产品可以看作是数据的物质表现 30 cim概念cim computerintegratedmanufacturingcim一词是由美国的josephharrington博士于1973年著书 computerintegratedmanufacturing 从而提出的 cim的基本观点 系统 集成化 观点 企业生产的各个环节 即从市场分析 产品设计 加工制造 经营销售到售后服务的全部生产活动是一个不可分割的整体 要紧密连接 统一考虑 信息化观点 整个生产过程实质上是一个数据的采集 传递和加工处理的过程 最终形成的产品可以看作是数据的物质表现 30 cims是将信息技术 现代管理技术和制造技术相结合 并应用于企业产品全生命周期 从市场需求分析到最终报废处理 的各个阶段 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 管理 经营和技术三要素的集成 以加强企业新产品开发t 时间 q 质量 c 成本 s 服务 e 环境 从而提高企业的市场应变能力和竞争能力 31 1 2 2cims目标 1 缩短产品开发 生产周期 快速响应市场 以时间求效益 以速度求竞争 占领市场 2 降低产品成本 减少库存 以成本求效益 以价格求竞争 占领市场 3 提高产品质量 以质量求效益 以质量求竞争 赢得信誉 占领市场 4 增加生产柔性 提高设备利用率 以最小资源获最大效益 向设备要效益 5 提高企业制造与管理水平 保持整体实力 保持长期效益 未来竞争能力 35 自动化 是美国人d s harder于1936年提出的 当时他在通用汽车公司工作 他认为在一个生产过程中 机器之间的零件转移不用人去搬运就是 自动化 这实质是早期制造自动化的概念 制造自动化 以下简称自动化 的概念是一个动态发展过程 过去 人们对自动化的理解或者说自动化的功能目标是以机械的动作代替人力操作 自动地完成特定的作业 这实质上是自动化代替人的体力劳动的观点 后来随着电子和信息技术的发展 特别是随着计算机的出现和广泛应用 自动化的概念已扩展为用机器 包括计算机 不仅代替人的体力劳动而且还代替或辅助脑力劳动 以自动地完成特定的作业 3 广义地讲 自动化制造系统是由一定范围的被加工对象 一定柔性和自动化水平的各种装备和高素质的人员组成的一个有机整体 自动化制造系统具有五个典型组成部分 一定范围的被加工对象 具有一定技术水平和决策能力的人 信息流及其控制系统 能量流及其控制系统 物料流及物料处理系统 5 制造自动化的组成 tqcse模型t表示时间 time q表示质量 quality c表示成本 cost s表示服务 service e表示环境友善性 environment 在tqcse模型中 t有两方面的含义 一是指采用自动化技术 能缩短产品制造周期 产品上市快 二是提高生产率 q的含义是采用自动化系统 能提高和保证产品质量 c的含义是采用自动化技术能有效地降低成本 提高经济效益 s也有两方面的含义 一是利用自动化技术 更好地做好市场服务工作 二是利用自动化技术 替代或减轻制造人员的体力和脑力劳动 直接为制造人员服务 e的含义是制造自动化应该有利于充分利用资源 减少废弃物和环境污染 有利于实现绿色制造 制造自动化功能模型 4 1952年美国麻省理工学院研制出的第一台数控铣床揭开了柔性自动化的序幕 70年代初柔性自动化进人了生产实用阶段 近20多年来 柔性自动化有了飞速的发展 从单台数控机床到加工中心 dnc distributednumericalcontrol分布式数控 柔性制造单元 柔性制造系统和计算机集成制造系统 到90年代更是向敏捷化 网络化 虚拟化 智能化等方向发展 制造自动化技术的发展历程 6 制造自动化技术的发展历程 第一台阶 刚性自动化 包括刚性自动线和自动单机 本台阶在20世纪40一50年代已相当成熟 应用传统的机械设计与制造工艺方法 采用专用机床和组合机床 自动单机或自动化生产线进行大批量生产 其特征是高生产率和刚性结构 很难实现生产产品的改变 引人的新技术包括继电器程序控制 组合机床等 7 制造自动化技术的发展历程 第二台阶 数控加工 包括数控 nc 和计算机数控 cnc 本台阶中的数控 nc 在50一70年代发展迅速并已成熟 但到了70一80年代 由于计算机技术的迅速发展 它迅速被计算机数控 cnc 取代 数控加工设备包括数控机床 加工中心等 数控加工的特点是柔性好 加工质量高 适应于多品种 中小批量 包括单件产品 的生产 引人的新技术包括数控技术 计算机编程技术等 8 制造自动化技术的发展历程 第三台阶 柔性制造 本台阶特征是强调制造过程的柔性和高效率 适应于多品种 中小批量的生产 涉及的主要技术包括成组技术 gt 计算机直接数控和分布式数控 dnc 柔性制造单元 fmc 柔性制造系统 fms 柔性加工线 fml 离散系统理论和方法 仿真技术 车间计划与控制 制造过程监控技术 计算机控制与通信网络等等 9 制造自动化技术的发展历程 第四台阶 计算机集成制造 cim 和计算机集成制造系统 cims cims既可看作是制造自动化发展的一个新阶段 又可看作是包含制造自动化系统的一个更高层次的系统 cims在80年代以来得到迅速发展 而今正方兴未艾 其特征是强调制造全过程的系统性和集成性 以解决现代企业生存与竟争的tqcs问题 即产品上市快 time 质量好 quality 成本低 cost 和服务好 service cims涉及的学科和技术非常广泛 包括现代制造技术 管理技术 计算机技术 信息技术 自动化技术和系统工程技术等 10 制造自动化技术的发展历程 第五台阶 新的制造自动化模式 如智能制造 敏捷制造 虚拟制造 网络制造 全球制造 绿色制造等 上述新的制造自动化模式是在20世纪末提出并开展研究的 是制造自动化面向21世纪的发展方向 11 将加工程序翻译成便于计算机处理的格式 包括刀具补偿 长度 半径 磨损补偿 速度计算和辅助指令的处理 经插补运算可确定各坐标轴的进给速度 方向和位移量 并以脉冲信号的方式传输给伺服系统 传输主轴的变速 换向 启停 刀具的选择和交换 工件夹紧和松开 冷却液启停等辅助指令 数控机床的基本运行原理 数控柜 刀库和换刀机构 立柱 主轴箱 操作面板 工作台装置 床身 26 加工中心的分类 无机械手的加工中心 带刀库 机械手的加工中心 刀库转塔式加工中心 按换刀形式分 可装20把刀的无臂式atc刀具库 28 工业机器人的组成操作机 执行机构 手部 用于抓取对象 有夹持式 吸附式等不同结构腕部 联接手部和手臂部件 用以调整手部姿态和方位臂部 承载负荷 改变空间位置机身 支撑臂部部件 扩大臂部活动和作业范围机座及行走机构 机器人基础件 确定或改变机器人位置驱动系统驱动执行机构完成规定作业 提供动力和运动 控制系统控制机器人按给定的程序动作 记忆示教指令 再现示教信息 是机器人的大脑 智能系统是机器人的感受系统 由感知和决策两部分组成 34 工业机器人的分类 按结构形式分直角坐标机器人有三个正交平移坐标轴 各个坐标轴运动独立 图a 圆柱坐标机器人有一个旋转轴和两个平移轴 图b 关节机器人类似人手臂 由各关节组成 可实现三个方向旋转运动 图c 球坐标机器人有两个旋转轴和一个平移轴 图d 35 agv自动导向小车 agv是无人搬运车 automatedguidedvehicle rgv有轨导向车 railguidedvehicle 的基本概念根据美国物流协会定义 agv automatedguidedvehicle 是指装备有电磁或光学导引装置 能够按照规定的导引路线行驶 具有小车运行和停车装置 安全保护装置以及具有各种移载功能的运输小车 我国国家标准 物流术语 中 对agv的定义为 agv 装有自动导引装置 能够沿规定的路径行驶 在车体上具有编程和停车选择装置 安全保护装置以及各种物料移载功能的搬运车辆 agvs 多台agv小车和自动导向系统 自动装卸系统 通信系统 安全系统在控制系统的统一指挥下 组成一个柔性化的自动搬运系统 称为自动导引车系统 简称agvs 37 1 柔性制造 柔性制造系统 2 定义根据 中华人民共和国国家军用标准 有关 武器装备柔性制造系统术语 的定义 fms被定义为 柔性制造系统 flexiblemanufacturingsystem 是数控加工设备 物料运储装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统 它包括多个柔性制造单元 能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整 适用于多品种 中小批量生产 美国制造工程师协会的计算机辅助系统和应用协会把柔性制造系统定义为 使用计算机控制柔性工作站和集成物料运储装置来控制并完成零件族某一系列工序的 或所有工序的一种集成制造系统 5 柔性制造系统原理框图 6 1 中央管理和控制计算机接收来自工厂主计算机的指令 对整个fms实行监控2 物流控制计算机对自动化仓库 无人输送台车 加工毛坯和成品 加工用的刀具和夹具等实行集中管理和控制3 自动化仓库对毛坯 半成品或成品等进行自动调用和储存4 无人运输小车行走于机床 自动化仓库 中央刀具库之间的自动化台车5 加工单元fms的基本单元 由cnc机床 工业机器人 robot 随行工作台 ps 组成 完成多工位加工的制造单位 7 6 工夹具站工具 刀具的集中存储区 即时实现对夹具的调整与维护7 信息传输网络fms的通讯网络系统9 随行工作台 ps 从无人输送台车到制造单元之间传送的缓冲区 精益生产 leanproductionlp 什么是精益生产 1985年美国麻省理工学院国际汽车项目组织了世界上14个国家的专家 学者 花费了5年时间 耗资500万美元 对日本等国汽车工业的生产管理方式进行调查研究后总结出来的生产方式 在日本称为丰田生产方式 精益 一词取 精 字中的完美 周密 高品质和 益 字中的利和增加 更有 精益求精 的含义 21 精益生产追求的目标 一 基本目标工业企业是以盈利为目的的社会经济组织 因此 最大限度地获取利润就成为精益生产的基本目标 二 终极目标精益求精 尽善尽美 永无止境地追求 七个零 1 零 转产工时浪费 products 多品种混流生产 2 零 库存 inventory 消减库存 3 零 浪费 cost 全面成本控制 4 零 不良 quality 高品质 5 零 故障 maintenance 提高运转率 6 零 停滞 delivery 快速反应 短交期 7 零 灾害 safety 安全第一 七种浪费 纠正错误 定义 对产品进行检查 返工等补救措施表现 额外的时间和人工进行检查 返工等工作由此而引起的无法准时交货企业的运作是补救式的 而非预防式的 救火方式的运作 起因 生产系统不稳定过度依靠人力来发现错误员工缺乏培训 定义 生产多于需求或生产快于需求表现 库存堆积过多的设备额外的仓库额外的人员需求额外场地起因 生产能力不稳定缺乏交流 内部 外部 换型时间长开工率低生产计划不协调对市场的变化反应迟钝 七种浪费 过量生产 七种浪费 物料搬运 定义 对物料的任何移动表现 需要额外的运输工具需要额外的储存场所需要额外的搬运人员大量的盘点工作产品在搬运中损坏起因 生产计划没有均衡化生产换型时间长工作场地缺乏组织场地规划不合