制造企业数字化智能设计制造与管理技术与应用ppt课件.ppt

制造企业数字化智能设计制造与管理技术与应用 1 参考资料 数字制造 周祖德编著科学出版社 数字制造基础 杨文玉 尹周平 孙容磊等编著北京理工大学出版社 现代制造企业信息化 刘树森等编著科学出版社 2 制造企业数字化智能设计制造与管理技术与应用 绪论数字化智能设计数字化智能制造数字化智能管理 3 第一章绪论 现代制造企业概况我国制造业面临的新环境和新使命 制造强国 的指导方针和发展目标我国制造业发展路径智能化概述数字化制造概述 4 1 1现代制造企业概况 1 现代制造企业制造环境的变化产品生命周期缩短大市场和大竞争交货期成为主要竞争因素用户需求个性化明显多品种 小批量生产比例增大 5 1 1现代制造企业概况 2 现代制造企业制造模式的变化 6 物料需求计划 MRP 物料需求计划 MaterialRequirementPlanning MRP 是指根据产品结构各层次物品的从属和数量关系 以每个物品为计划对象 以完工时期为时间基准倒排计划 按提前期长短区别各个物品下达计划时间的先后顺序 是一种工业制造企业内物资计划管理模式 概念 特点 需求的相关性需求的确定性计划的复杂性 目标 物料及产品按需供应库存水平尽可能降低生产活动精确衔接 MRP根据市场需求预测和顾客订单制定产品的生产计划 然后基于产品生成进度计划 组成产品的材料结构表和库存状况 通过计算机系统计算所需物资的需求量和需求时间 从而确定材料的加工进度和订货日程 原理 7 制造资源计划 MRP 制造资源计划 ManufacturingResourcePlanning MRPII 是在物料需求计划上发展出的一种规划方法 它是以物料需求计划MRP为核心 覆盖企业生产活动所有领域 有效利用资源的生产管理思想和方法的人 机应用系统 概念 MPR与MRP 区别 它围绕企业的基本经营目标 以生产计划为主线 对企业制造的各种资源进行统一的计划和控制 使企业的物流 信息流 资金流流动畅通地动态反馈 原理 MPR主要对制造环节中的物流进行管理 使企业达到 既要保证生产又要控制库存 的目的 而MRP 则集成了物流和资金流 将人 财 物 时间等各种资源进行周密计划 合理利用 以提高企业的竞争力 8 准时生产方式 JustInTime简称JIT 又称作无库存生产方式 零库存 一个流或者超级市场生产方式 是日本丰田汽车公司在20世纪60年代实行的一种生产方式 现在这一方式与源自日本的其它生产 流通方式一起被西方企业称为 日本化模式 概念 准时生产方式是通过生产的计划和控制及库存的管理 追求一种无库存 或库存达到最小的生产系统 它的核心是追求一种无库存的生产系统 或使库存达到最小的生产系统 原理 品质柔性投放市场时间产品多元化效率适应性学习 特点 生产流程化资源配置合理化生产均衡化 对生产制造的影响 准时制生产 JIT 9 精益生产 LP 精益生产又称精良生产 其中 精 表示精良 精确 精美 益 表示利益 效益等等 精益生产就是及时制造 消灭故障 消除一切浪费 向零缺陷 零库存进军 概念 追求零库存追求快速反应 即快速应对市场的变化 企业内外环境的和谐统一人本位主义 库存是 祸根 核心 降低在制品数量及其占用资金 降低产品质量损失 缩短订单交货期 减少设备故障停机率 降低生产耗用工时 减少人员 工具 6S与目视控制准时化生产 JIT 全面生产维护 TPM 价值流图 目标 10 并行工程 CE 并行工程 ConcurrentEngineering 简称CE 是一种先进的企业全局管理和生产集成模式 它将企业中复杂的工程设计 制造和经营管理过程中的各种作业 按最终目标 在时间和空间上并行交互进行 从而缩短了传统串行作业方式所需的时间和反复修改的次数 大幅度提高了作业质量 加快进程 降低了成本 概念 在先进制造技术中的地位与作用 并并行工程强调系统集成与整体优化 并行工程强调面向过程和面向对象 本质 承上启下的作用 并行工程与面向制造和装配的产品设计 11 企业资源计划 ERP 企业资源计划 EnterpriseResourcePlanning 简称ERP 它是针对物资资源管理 物流 人力资源管理 人流 财务资源管理 财流 信息资源管理 信息流 集成一体化的企业管理系统 包含客户 服务架构 使用图形用户接口 应用开放系统制作 概念 将企业的各个方面的资源 包括人 财 物 产 供 销等因素 合理配置 以使之充分发挥效能 使企业在激烈的市场竞争中全方位地发挥能量 从而取得最佳经济效益 原理 体现了对整个供应链资源进行有效管理的思想 体现了精益生产 并行工程和敏捷制造的思想 体现事先计划与事中控制的思想 管理理念 工具 ERP信息系统 12 计算机集成制造 CIMS 计算机集成制造系统 ComputerIntegratedManufacturingSystem 简称CIMS 它是在信息技术自动化技术与制造的基础上 通过计算机技术把分散在产品设计制造过程中各种孤立的自动化子系统有机地集成起来 形成适用于多品种 小批量生产 实现整体效益的集成化和智能化的制造系统 概念 从生产工艺方面分 离散型制造业 连续性制造业 混合型制造业从体系结构来分 集中性 分散性 混合型 分类 应用 CIMS的技术 先进制造技术敏捷制造虚拟制造并行工程 保障和提高了新产品开发的质量缩短了新产品的上市周期经营管理科学化同时降低了产品的成本 13 网络化制造 NM 网络化制造 Networked manufacturing NM 是指通过采用先进的网络技术 制造技术及其它相关技术 构建面向企业特定需求的基于网络的制造系统 并在系统的支持下 突破空间对企业生产经营范围和方式的约束 开展覆盖产品整个生命周期全部或部分环节的企业业务活动 如产品设计 制造 销售 采购 管理等 概念 背景及发展 国外 德国Produktion2000框架方案 第五框架计划 1998 2002年 第六框架计划 2002 2006年 国内 杨叔子院士 基于Agent的网络化制造模式及基于利益驱动的动态重组机制 刘飞教授 支撑网络化制造的技术体系 祁国宁和顾新建教授 网络化制造的几种发展途径 14 智能制造 IM 智能制造 IntelligentManufacturing 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制造系统 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 延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动 概念 从智能制造系统的本质特征出发 在分布式制造网络环境中 根据分布式集成的基本思想 应用分布式人工智能中多Agent系统的理论与方法 实现制造单元的柔性智能化与基于网络的制造系统柔性智能化集成 原理 前景 智能化是制造自动化的发展方向 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 15 大规模定制 MC 大规模定制 MassCustomization MC 是一种集企业 客户 供应商 员工和环境于一体 在系统思想指导下 用整体优化的观点 充分利用企业已有的各种资源 在标准技术 现代设计方法 信息技术和先进制造技术的支持下 根据客户的个性化需求 以大批量生产的低成本 高质量和效率提供定制产品和服务的生产方式 概念 MC的基本思想是通过产品结构和制造流程的重构 运用现代化的信息技术等一系列高新技术 把产品的定制生产全部或部分转化为批量生产 以大规模生产的成本和速度 为单个客户或小批量多品种市场定制任意数量的产品 基本思想 分类 按订单销售 Sale To Order 按订单装配 Assemble to Order 按订单制造 Make to Order 按订单设计 Engineer to Order 16 大规模定制 MC 产品设计模块化产品制造专业化生产组织和管理网络化企业间的合作关系伙伴化 特点 生产制造系统模块化动态组合的布局方式动态组合的调度方式动态响应的控制结构 关键技术 大规模定制的企业核心能力表现 准确获取顾客需求的能力面向MC的敏捷产品开发设计能力柔性的生产制造能力 17 敏捷制造 AM 敏捷制造 AgileManufacturing AM 是指制造企业采用现代通信手段 通过快速配置各种资源 包括技术 管理和人 以有效的方式响应用户的需求 实现制造的敏捷性 其核心是企业在不断变化 不可预测的经营环境中的快速重构能力 具体表现为多个企业的核心制造能力的动态组织 概念 要提高企业对市场变化的快速反应能力 满足顾客的要求 除了充分利用企业内部资源外 还可以充分利用其他企业乃至社会的资源来组织生产 核心思想 从产品开发开始的整个产品生命周期都是为满足用户需求的 采用多变的动态组织结构 着眼于长期获取经济效益 建立新型的标准体系 实现技术 管理和人的集成 最大限度地调动 发挥人的作用 特点 18 云制造 CM 云制造 CloudManufacturing CM 是为避免制造资源的浪费 借用云计算的思想 利用信息技术实现制造资源的高度共享 建立共享制造资源的公共服务平台 提供各种制造服务 实现制造资源与服务的开放协作 社会资源高度共享 概念 面向服务和需求的制造 不确定性制造 透明和集成的制造 支持多用户的制造 支持按需使用和付费的制造 低门槛众包式制造 绿色低碳制造等 针对大型集团企业的研发设计能力服务平台 区域性加工资源共享服务平台 制造服务化支持平台也是将来云制造重点发展的方向之一 制造更可以服务于量大面广的中小企业 建立物流拉动的现代制造服务平台 五大应用方向 特征 19 1 2我国制造业面临的新环境 新的发展阶段新的挑战新的发展机遇 20 1 2 1新的发展阶段 形成比较独立完整体系 告别工业产品短缺时代 产业规模持续扩大 新中国成立后我国制造业经历了三个发展阶段 2010年 我国制造业产出占世界比重的19 8 超越美国的19 6 成为全球制造业第一大国 这一成就世界瞩目 1949 1978年 1978 1990年 1990 2010年 21 1 2 1新的发展阶段 自主创新能力不强 核心技术对外依存度高 高端装备的关键零部件依赖进口 处于价值链低端 产品多数处于附加值较低的 制造 加工 组装 环节 产品附加值较低 生产经营效率不高 2011年我国制造业增加值率为21 5 发达国家在35 以上 劳动生产率约为发达国家的36 40 产业结构不合理 一般加工工业和资源密集型产业比重过大 技术密集型产业所占比重偏低 为用户提供服务的现代制造服务业占比偏低 产品质量问题突出 质量直接损失每年1700亿元以上 间接损失超万亿 食品安全事故时有发生 危及人民生命健康和损害国家形象 但 我国制造业大而不强 不可持续发展问题凸显 22 1 2 2新的挑战 发达国家高端制造业回归本土 美国为首的发达国家鼓励制造业回迁 期望巩固制造强国地位与固有优势 抢占新工业革命先机 发展中国家低端制造业低成本竞争优势 印度 越南 印尼等发展中国家以更低的劳动力成本吸引着越来越多的跨国企业布局 成为低端制造新的转移方向 我国资源和环境双重约束 一方面 石油 铁矿石 水等能源资源约束趋紧 另一方面 牺牲环境的代价越来越大 23 1 2 3新的发展机遇 第三次工业革命给我国制造业带来难得的 机会窗口期 以数字化制造为标志的第三次工业革命已显端倪 这为我国制造业的超越发展带来机遇 我国将成为第三次工业革命的主要参与者 而不再是前两次工业革命的 看客 城镇化及消费结构升级提供了巨大的市场需求空间 一个快速增长的10多亿人口的消费市场 是任何一个国家在工业化 现代化过程中都未曾拥有的 这是我国制造业拥有的最大优势也是最大机遇之一 经济体制机制改革将加速制造业转型升级 打造中国经济升级版 依靠改革释放制度红利 将有助于破除制造业发展的体制机制障碍 激发市场活力 24 1 3我国制造业面临的新使命 世界历史上三次 世界制造中心 的转移印证了 制造业强则国家强 制造业对促进国家经济繁荣的巨大作用无可替代 因此 我国制造业肩负新的使命 制造业又大又强以制造业的繁荣和强大托起中国伟大复兴梦 25 1 4 制造强国 的指导方针 结构优化 创新驱动 质量为先 绿色发展 26 1 4 1结构优化 结构优化是制造业科学发展的主线 是提升国民经济整体素质的主要途径 推动战略性新兴产业和先进制造业健康发展 坚持利用信息技术和先进适用技术改造传统产业 着力发展现代制造服务业 加强基础产业建设 解决关键材料 元器件和零部件及制造工艺严重滞后的局面 27 1 4 2创新驱动 创新驱动是制造业生存和发展的灵魂 是实现制造强国的不竭动力 提高原始创新 集成创新和引进消化吸收再创新能力 更加注重协同创新 在制造业的优势领域取得突破 成为技术的引领者 以数字化智能化制造为核心 推动制造技术 设计技术和生产模式的创新 加快建设以企业为主体 市场为导向 产学研用相结合的国家技术创新体系 28 1 4 3质量为先 质量为先是制造业生存发展的生命 是国家强盛的关键内核 要制定质量发展政策 强化质量安全监管 夯实质量技术基础 大力实施品牌发展战略 创新质量管理理念 优化质量发展环境 29 1 4 4绿色发展 绿色发展是破解资源环境瓶颈制约 实现制造业可持续发展的必由之路 开发高效率 低消耗 低排放的绿色制造流程 加大节能降耗力度 加快淘汰落后生产能力 大力发展环保装备产业 推行清洁生产和污染治理 倡导绿色产业文化 健全激励和约束机制 30 1 5 制造强国 的发展目标 一批优势产业率先实现突破 跻身强国之列 如通信设备 发电与输变电设备 工程机械 轨道交通设备 石油炼制 钢铁 仪器仪表7大产业 2020年 2030年 我国制造业整体上处于世界前列 成为制造强国 其中通信设备 发电与输变电设备 工程机械 轨道交通设备 石油炼制 钢铁 仪器仪表7大产业处于世界领先地位 31 1 6 制造强国 的发展路径 由技术创新战略替代技术引进 跟随战略 由数值化智能化制造替代人工制造 由质量效益型制造替代粗放型制造 由绿色制造替代资源消耗型和环境污染型制造 由服务 生产型制造替代生产型制造 由产业的空间集聚替代产业的分散布局 由电子商务逐步替代店 铺式的商业模式 由输出资本 技术 产品替代单一的产品出口 32 举例 大力推行数字化和智能化 制造业数字化智能化是信息化和工业化深度融合的重要内容 是实现制造强国的核心技术 实施分两步走的策略2020年前应全力推行 数控一代工程 在面上实现产品的数字化和制造过程的数字化 选择信息化和数字化基础好的汽车 机床 工程机械 航空 通信设备制造 仪器仪表等产业的骨干企业 进行智能制造试点示范 2020年后可在全行业分批分期推广智能制造 33 制定科学可行的技术路线以传感器 控制系统和人工智能技术为神经中枢 强化智能制造的智能功能 以工业机器人和传动装置为手臂 增强智能制造的执行功能 以智能制造单元和成套设备 数字化车间和数字化工厂为载体 构建智能制造主体 以工业互联网为智慧通道 加快智能制造信息的传递 以共性关键技术和创新平台为支撑 增强智能制造技术基础 以示范 应用及产业化为手段 推进产业规模化发展 举例 大力推行数字化和智能化 34 举例 大力推行数字化和智能化 大力发展智能制造装备 智能制造装备 是国家战略性新兴产业重点发展方向之一 大力发展智能制造装备 为实施智能制造提供基本条件和物质基础 开展工艺优化和流程的创新 智能制造不仅是 硬件 的智能化 更重要的是工艺优化和工艺流程的再造 对经营管理体系和机制进行改革 使之能适应数字化 智能化改造的需要 对生产模式和商业模式进行创新 在互联网 物联网 云计算 大数据等泛在信息的强力支持下 实现远程定制 异地设计 协同生产的新型生产模式 推行电子商务 逐步代替店铺式的商业模式 35 1 7智能化概述 智能化 是指由现代通信与信息技术 计算机网络技术 行业技术 智能控制技术汇集而成的针对某一个方面的应用 智能化技术 集成化 模块化 网络化 智能化系统 由现代通信与信息技术 计算机网络技术 行业技术 智能控制技术汇集而成的针对某一个方面的应用的智能集合 36 1 8数字化的概念 概念一 数字化就是将许多复杂多变的信息转变为可以度量的数字 数据 再以这些数字 数据建立起适当的数字化模型 把它们转变为一系列二进制代码 引入计算机内部 进行统一处理 这就是数字化的基本过程 概念二 数字化将任何连续变化的输入如图画的线条或声音信号转化为一串分离的单元 在计算机中用0和1表示 通常用模数转换器执行这个转换 数字化是利用数字技术对传统的技术内容和体系进行改造的进程 数字化的核心是离散化 其本质是如何将连续物理现象 模糊的不确定现象 设计制造过程的物理量和伴随制造过程而出现和产生的几何量 设计制造环境 个人的知识 经验和能力离散化 进而实现数字化 37 1 9数字化制造 数字化制造 以设计为中心 以管理为中心 以控制为中心 数字化制造就是指制造领域的数字化 它是制造技术 计算机技术 网络技术与管理科学的交叉 融和 发展与应用的结果 也是制造企业 制造系统与生产过程 生产系统不断实现数字化的必然趋势 38 第二章数字化智能设计 概述绘图 三维CAD计算机辅助工程 CAE 计算机辅助制造 CAM 计算机辅助工艺设计 CAPP 计算机辅助工业设计 CAID 数字原型 虚拟现实 39 2 1概述 数字化设计 数字化设计就是通过数字化的手段来改造传统的产品设计方法 旨在建立一套基于计算机技术 网络信息技术 支持产品开发与生产全过程的设计方法 数字化设计的内涵是支持产品开发全过程 支持产品创新设计 支持产品相关数据管理 支持产品开发流程的控制与优化等 归纳起来就是产品建模是基础 优化设计是主体 数据管理是核心 40 2 1概述 数字化设计制造 数字化设计制造的本质是产品设计制造信息的数字化 是将产品的结构特征 材料特征 制造特征和功能特征统一起来 应用数字技术对设计制造所涉及的所有对象和活动进行表达 处理和控制 从而在数字空间中完成产品设计制造过程 即制造对象 状态与过程的数字化表征 制造信息的可靠获取及其传递 以及不同层面的数字化模型与仿真 41 2 1概述 数字化设计制造特点 与传统的制造系统相比 数字化设计制造具有以下特点 过程的延伸 不仅是产品零件 部件的设计和加工制造过程 而且包括工装设计制造 检测和服务等 智能水平的提高 人工智能技术在数字化制造系统诸多方面的应用 包括零件设计 工艺设计 工装设计 过程控制等 使系统的智能水平提高并更为有效 集成水平的提高 覆盖零件全生命周期 实现生命周期各个阶段的横向集成和企业各个层次的纵向集成 在信息集成的基础上实现功能和过程集成 实现在正确的时间将正确的信息传递给正确的人 42 2 1概述 产品形成过程 产品规划 概念设计 生产准备 详细设计 昨天过程序列 43 2 1概述 产品设计过程 从CAD到虚拟现实 44 2 2绘图 三维CAD 产品开发设计的一般进程 45 2 2 1计算机辅助设计 CAD ComputerAidedDesign 先导性 提前进行产品的样品设计或虚拟设计 可以让用户实时从屏幕上看到尚未问世的新产品的外观与性能 对其进行多方面的观察和评审 为产品的方案设计及标书的编写和绘制做出快速反应 可仿真性 在产品进入详细设计阶段时 CAD技术可以进行模拟装配和运动仿真 以便及早发现运动机构的碰撞或空间布局中的干涉 避免不必要的损失和浪费 并行性 便于组织实施并行工程 在计算机中确立产品模型和总体布局 与之配套的各个独立系统 部件组 试验组 生产准备等都可以在总体设计下同时分头协调地进行工作 大大加快产品开发速度 CAD技术特点 46 2 2 1计算机辅助设计 CAD ComputerAidedDesign 动态扩展性 能方便 快捷地输入已有的图样 并对图样上的信息缺陷实现修复 能根据客户提出的各种设计及时修改 在此基础上建立的各种数据库越来越丰富 可以方便地检查和迅速组织各套图的发放 为生产准备工作的各个方向赢得时间 效益性 CAD技术作为信息技术的一个重要组成部分 是促进科研成果的开发和转化 实现智能劳动自动化 加快国民经济发展 有利于国防现代化的一项关键性高技术 是提高产品设计质量 缩短开发周期 大幅度提高劳动生产率的重要手段 是企业提高创新能力和管理水平 增强市场竞争力和参与国际竞争的必要条件 CAD技术的开发与应用水平已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化的重要标志之一 47 2 2 2CAD的发展历程 48 平板式绘图机 七 五 八 五 九 五 计算机辅助绘图 计算机辅助设计 计算机辅助产品开发 国产CAD软件的国内市场占有率 我国CAD应用的普及与深化历程 49 2 2 3概念设计与形状设计 50 2 2 2概念设计与形状设计 概念设计阶段产品信息特性 概念设计阶段产品信息特性 产品信息是定性的 Qualitative 产品信息是不精确的 Imprecise 产品信息是不确定的 Uncertain 产品信息是不完全的 Incomplete 51 2 2 2概念设计与形状设计 52 自然直观地表达和传输人类概念 具有充分的表现力不依赖定量信息的定性形状表现计算机建模和操作有利于形状的表达和演变 2 2 3概念形状设计 53 2 2 4当前CAD面临的主要问题 曲面与实体集成核心技术问题 大型组件设计技术问题 54 2 3计算机辅助工程 CAE ComputerAidedEngineering 1 有限元分析技术 基本思想是将问题的求解区域划分为一系列单元 单元之间仅靠节点连接 有限元分析的三个阶段 前处理 产生模型结构的有限元网格划分 定义边界条件 零件本身的特性 如材料 密度等 和工况条件的施加等 为后续的数值分析做数据准备 解算 根据前处理生成的网格模型和附加条件 构造数值方程后解算出数值解 后处理 将数值解与零件的几何模型联系在一起 以彩色等值线 零件变形图或动画形等式把数值解形象地体现出来 55 2 3计算机辅助工程 CAE ComputerAidedEngineering 2 优化技术 优化设计是上世纪60年代初期发展起来的一门新学科 它是最优化技术和计算机技术在设计领域应用的结果 优化设计为工程设计提供了一种重要的科学设计方法 在解决复杂设计问题时 它能够从众多的设计方案中找到尽可能完善或最适宜的设计方案 主要包含两部分内容 优化设计问题的建模技术和优化设计问题的求解技术 优化设计数学模型的三要素 设计变量 目标函数和约束条件 56 2 3计算机辅助工程 CAE ComputerAidedEngineering 3 仿真技术 借助计算机 用系统的模型对真实系统或设计中的系统进行试验 以达到分析 研究与设计该系统的目的 利用仿真技术不但可以预示或再现系统的运动规律和运动过程 而且可以对无法直接进行试验的系统进行仿真试验研究 通过仿真可以将产品在制造和使用过程中可能发生的问题提前到设计阶段处理 在减少损失 节约经费 缩短开发周期 提高产品质量等方面发挥着巨大作用 57 2 3计算机辅助工程 CAE ComputerAidedEngineering 4 虚拟样机技术 利用计算机建立产品的三维几何模型 经过建立约束关系的装配模型 功能和性能仿真 部分或全部代替物理样机的试验 使得物理样机在真正生产之前 产品性能的大部分已通过了计算机模拟或验证 从而减少产品设计的返工和出错率 提高设计效率 同时又可及早发现物理样机在制造和装配中可能出现的问题 关键技术 三维几何建模技术 产品的数字化定义方法 数字化预装配以及仿真技术 58 2 4计算机辅助制造 CAM ComputerAidedManufacturing 计算机辅助制造CAM 指利用计算机辅助完成从生产准备到产品制造整个过程的活动 完成复杂零件的数控加工包括工艺过程设计 工装设计 NC自动编程 生产作业计划 生产控制 质量控制等 CAM的支撑技术是数控编程 刀具轨迹生成 数控加工仿真技术 59 2 5计算机辅助工艺规划 CAPP ComputerAidedProcessPlanning 计算机辅助工艺规划 CAPP 是实现CAD CAM一体化 建立集成制造系统的桥梁 是一种通过计算机技术 以系统化 标准化的方法 辅助确定零件或产品从毛胚到成品的制造工艺流程规划方法与技术 它通过加工工艺信息 材料 热处理 批量等 的输入 利用人机交互方式或由计算机自动生成零件的工艺路线和工序内容等工艺文件 与传统的手工工艺过程设计相比 CAPP能够显著提高工艺文件的质量和工作效率 减少工艺编制工作对工艺人员技能的依赖 缩短生产准备周期 便于保留企业生产经验 建立工艺知识库 改进工艺方法 引入新工艺 60 2 6计算机辅助工业设计 CAID Computer aidedIndustrialDesign 计算机辅助工业设计 CAID 传统的产品设计主要是面向功能的设计 往往忽略产品的造型 肌理 色彩 装饰 人机因素等 随着市场竞争的日益激烈 可供顾客选择的产品空间越来越大 顾客除了选择产品的使用功能外 更加注重产品的外观 色彩 宜人性等个性化特征 这些往往成为产品的主要卖点 同时也使得产品具有更高的附加值 CAID是工业设计理论与CAD技术的有机结合 它是与工业设计的特点及工业设计师的设计思维和习惯相适应的一种计算机辅助设计技术 CAID技术以工业设计知识为核心 以计算机为辅助工具 运用工业设计的理念和方法 实现形态 色彩 宜人性设计和美学原则的定量化描述 充分发挥计算机快速 高效的优点 以及设计人员的创造性思维 审美能力和综合分析能力 61 2 7数字原型 虚拟现实 Source D H BrownAssociates Inc 零部件详细设计 概念设计CAD 虚拟装配设计 部件连接和特性设计 NC CAM加工数据 车间制造 实体装配 工程图纸 设计 制造 信息共享的层次 低 高 产品描述的完整性 从概念到零件 62 生产经营部门和ERP 客户合同 产品标准 产品说明书 车间工艺 配置和维护 需求分析 市场调研 零件清单 BOM管理 产品定义 要求和功能描述 设计方案 设计BOM 制造BOM 零部件详细设计 概念设计CAD 虚拟装配设计 部件连接和特性设计 NC CAM加工数据 车间制造 实体装配 工程图纸 设计 制造 信息共享的层次 低 高 产品描述的完整性 Source D H BrownAssociates Inc 信息技术的挑战 63 图形库标准及通用件库设计文档资料库 PDM平台及网络数据库支撑环境 概形方案设计 布置方案设计 原理方案设计 功能设计 需求分析 产品概念设计 基于主模型的协同设计 基于反求工程的快速产品建模 基于加工过程和信息的产品建模 参数化特征造型 产品详细设计 产品可装配性分析 产品可制造性分析 产品运动学 动力学分析 产品结构分析 产品分析 装配轨迹自动 半自动实现 装配序列自动 半自动实现 加工轨迹规划 检测过程仿真 装配过程仿真 加工过程仿真 运动 动力学仿真 产品实现过程虚拟仿真 加工工艺规划 产品工艺规划 虚拟产品开发系统的一般性体系结构 64 2 7 1虚拟制造 虚拟设计 评价分析 原材料 数据信息 设备 厂房 产品 实际生产 修改反馈 人力 虚拟加工 虚拟装配 废品 65 2 7 2虚拟制造与CAD CAE CAM 建模 仿真 66 2 8实例一 邦迪管路基于UG的管路设计CAD系统 基于三维软件系统UG平台开发 具有胎具设计系统和检具设计系统两大子系统 通过参数化标准件 Excel数据文件 一键式生成复杂管路 一键式生成胎具和检具 可由UG的工程图转换为二维dwg格式文件 可用AutoCAD打开并编辑 可入库 PDM管理 保存和打印 彩色 67 2 8实例一 邦迪管路基于UG的管路设计CAD系统 68 主界面 69 自定义标准件管理 70 自定义标准件制作 71 生成管路 72 检具设计 生成底板 73 检具设计 装配检具 74 检具设计 装配插针 75 检具设计 工程图 76 胎具设计 标准件管理 77 胎具设计 生成管路 78 胎具设计 模型设计 选定夹持点生成工作台执行弯曲操作弯曲回弹检查干涉胎具位置调整输出bend数据 79 胎具设计 夹持点 80 胎具设计 生成工作台 81 胎具设计 弯曲结果 82 2 9实例二 基于UG二次开发的铸造工艺CAD系统 基于三维软件系统UG平台开发 具有重量 模数 补缩系统 冒口和冷铁 浇注系统 直浇道 横浇道 内浇道 等计算设计 参数化绘制功能 得到三维铸造工艺图 通过接口文件 设计后的三维模型可用于CAE模拟分析和CAM数控加工 符合铸造工艺CAD CAE CAM一体化要求 三维铸造工艺可由UG的工程图转换为二维dwg格式文件 可用AutoCAD打开并编辑 利用二维铸造CAD可生成红蓝铅笔电子文档 可入库 PDM管理 保存和打印 彩色 83 主界面 84 提取零件信息 85 参数设计 86 分型面设计 87 加工余量 88 拔模斜度 89 工艺方案 90 2 10实例三 数字化车间组合夹具参数化设计系统 整合车 钻 镗 铣 刨组合夹具 建立数据库 实现组合夹具参数化设计针对组合夹具参数化设计 开发了包含多种组合夹具的参数化模型开发参数化设计系统软件 实现组合夹具设计快速化 标准化 91 92 93 94 组合夹具零件整理 95 组合夹具参数化设计系统界面 96 基于VB组合夹具参数化设计系统界面 97 第三章数字化智能制造 在数字化技术和制造技术融合的背景下 并在虚拟现实 计算机网络 快速原型 数据库和多媒体等支撑技术的支持下 根据用户的需求 迅速收集资源信息 对产品信息 工艺信息和资源信息进行分析 规划和重组 实现对产品设计和功能的仿真以及原型制造 进而快速生产出达到用户要求性能的产品整个制造全过程 98 第三章数字化智能制造 网络制造 敏捷制造 虚拟制造 快速原型制造 计算机集成制造 绿色设计与制造 99 3 1数字制造的全球实现 网络制造 网络制造 Networkedmanufacturing 指通过采用先进的网络技术 制造技术及其其它相关技术 构建面向企业特定需求的基于网络的制造系统 并在系统的支持下 突破空间对企业生产经营范围和方式的约束 开展覆盖产品整个生命周期全部或部分环节的企业业务活动 如产品设计 制造 销售 采购 管理等 实现企业间的协同和各种社会资源的共享与集成 高速度 高质量 低成本地为市场提供所需的产品和服务 100 101 3 1 1网络化制造特点 1 敏捷化 敏捷化是网络化制造的核心思想之一 生产制造系统在现今发展阶段 面临的最大挑战是 市场环境的快速变化带来的不确定性 技术的迅速发展带来的设备和知识的更新速度加快 市场由卖方转为买方 市场正逐步走向全球化 产品特征由单一 标准化转变为顾客化个性化 产品的寿命周期明显缩短 制造企业之间尽管不再是单纯的你死我活的竞争 但竞争的激烈程度有增无减 所有这一切都要求制造业具有快速反应外部环境变化的能力 即敏捷化的能力 2 分散化 其一是资源分散性 包括制造硬件资源 如设备 物料 人力和知识等 分散在不同的组织内 不同的地域内 不同的文化条件下等 另一是指制造系统中生产经营管理决策的分散化 102 3 1 1网络化制造特点 3 动态化 网络化制造联盟是针对市场需求和机遇 面向特定产品而组建的 市场和产品是网络化制造联盟存在的先决条件 根据市场和产品的动态变化 网络化制造联盟随之发生动态变化 市场和产品机遇不存在时 网络化制造联盟解散 根据新的市场和产品机遇重新组建新的联盟 4 协作化 资源地充分利用体现在形成产品的价值链中的每一环节 产品从设计 零部件制造 总装 直到产品销售 售后服务 都需要网络联盟合作伙伴之间的紧密配合 这种协作化是一个快速响应市场 完成共同战略目标的优化过程 103 3 1 1网络化制造特点 5 集成化 由于资源和决策的分散性特征 要充分发挥资源的效率 就必须将制造系统中各种分散的资源能够实现实时集成 分散资源的高效集成是网络化制造的目标之一 6 数字化 借助信息技术 网络化制造能够实现真正完全无图纸的虚拟设计 数字化和虚拟化制造 帮助企业形成信息化的组织构架 实现企业内部 企业与外界的信息流 物流和资金流的顺畅传递 从而保证了产品设计与制造周期的缩短 降低成本 提高工作效率 7 网络化 现代通讯技术的发展促进了网络联盟的形成 由于制造资源和市场的分散 实现快速重组必须建立在网络化的基础之上 因此 组建高效的网络联盟需要将电子网络作为支撑环境 并充分应用现代化通讯技术与信息技术 104 3 1 2网络化制造模式 模式一 基于Agent分布式网络化制造模式Agent概念最初源于分布式人工智能领域 用以表示具有推理决策与问题求解能力的智能逻辑单元 Agent之间通过计算机网络连接 Agent作为网络上的智能结点 构成分布式多Agent系统 其特点是具有开放性 分布式合作和适应环境变化的自组织能力 而任何规模 任一层次的制造系统都是由若干个完成不同任务的环节组成 各环节在独立完成自身任务的同时 又相互协作 共同完成制造任务 因此 制造系统实现制造资源向产品转化的整个过程是一个典型的多Agent协同求解过程 在基于Agent的制造环境中 同样可以引入市场竞争机制 以经济利益为纽带 通过市场竞争中的招标 投标 中标方式 驱动各Agent之间的动态组合 达到制造系统的动态重组 一般而言 每个Agent都是自律的和彼此独立的组件 但也可以拥有若干Agent作为自己的 友元 建立一种相对紧密的关系 105 106 3 1 2网络化制造模式 107 3 1 2网络化制造模式 模式二 动态网络联盟1991年 美国政府为了在世界经济中重振雄风 并在未来全球市场竞争中取得优势地位 由国防部 企业界和学术界联合研究未来制造技术 并完成了 21世纪制造企业发展战略报告 该报告明确提出了敏态灵活的虚拟组织机构 VirtualOrganization 或动态联盟 先进的柔性生产技术和高素质的人员进行全面的集成 从而使企业能够从容应付快速变化和不可预测的市场需求 获得企业的长期经济效益 其中的动态联盟与虚拟组织结构或虚拟公司 VirtualCompany 是相同的概念 其含义是指企业群体为了赢得某一机遇性市场竞争 把一复杂产品迅速开发出来 并推向市场 他们从各自公司中选出开发新产品的优势部分 然后综合成一个单一的经营实体 该动态联盟或虚拟企业的生命周期取决于产品市场机遇 机遇一旦消失 它即行解体 动态联盟的基础是企业联盟网络 联盟网络可以直接建立在Internet上 也可以建立在专用网上 108 109 3 1 3网络制造技术组成 网络化制造技术群包括 基于网络的制造系统管理和营销技术群 基于网络的产品设计与开发技术群 基于网络的制造过程技术群网络化制造功能组成模块 基于网络的分布式CAD系统 基于网络的工艺设计系统 开放结构控制的加工中心 110 3 2数字制造的动态联盟 敏捷制造 敏捷制造的含义 敏捷制造是一种生产组织模式 它利用人的智能和信息技术 通过多方面的协作改变企业沿用的复杂的多层递阶结构 改变传统的大批量生产模式 在整个产品生命周期中最大限度的满足客户需求 提高企业的竞争力 111 3 2数字制造的动态联盟 敏捷制造 112 3 2 1敏捷制造 动态联盟 动态联盟是敏捷制造的基本组织形态 其含义是指企业群体为了赢得某一机遇性市场竞争 围绕某种新产品开发 通过选用不同组织 企业的优势资源 综合成单一的靠网络通讯联系的阶段性经营实体 动态联盟具有集成性和时效性两大特点 它实质上是不同组织 企业间的动态集成 随市场机遇的存亡而聚散 113 3 2 2敏捷制造研究情况 敏捷化协会 AgilityForum 1994年 美国成立了三个敏捷制造研究所 得克萨斯大学的航天敏捷制造研究所 罗斯林工艺研究所的电子敏捷制造研究所 伊立诺斯大学的车床敏捷制造研究所 114 七项敏捷商务实践 AgileBusinessPractice 四项敏捷企业决策支持 AgileEnterpriseDecisionSupport 八项敏捷智能化设计与制造系统 AgileIntelligentDesignandManufacturingSystem 十项敏捷供应链管理 AgileSupplyChainManagement 研究 3 2 2敏捷制造研究情况 115 3 3数字制造的计算机实现 虚拟制造 虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本质实现 即采用计算机仿真与虚拟现实技术 在计算机上群组协同工作 实现产品的设计 工艺规划 加工制造 性能分析 质量检验 以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程 以增强制造过程各级的决策与控制能力 116 3 3数字制造的计算机实现 虚拟制造 虚拟制造技术是一门以计算机仿真技术 制造系统与加工过程建模理论 VR技术 分布式计算理论 产品数据管理技术等为理论基础 研究如何在计算机网络环境及虚拟现实环境下 利用制造系统个层析及各环节的数学模型 完成制造系统整个过程的计算与仿真的技术 117 3 3数字制造的计算机实现 虚拟制造 虚拟制造系统 VirtualManufacturingSystem VMS 是基于虚拟制造技术实现的制造系统 是现实制造系统 RealManufacturingSystem 在虚拟环境下的映射 它由虚拟信息系统 VirtualInformationSystem VIS 和虚拟物理系统 VirtualPhysicalSystem VPS 构成 虚拟信息系统利用计算机信息系统模拟现实信息系统 RealInformationSystem RIS 的设计 规划 调度 控制 评估等活动 虚拟物理系统利用计算机信息系统模拟现实物理系统 RealPhysicalSystem RPS 的制造过程和制造活动 118 3 3 1虚拟制造的分类 119 3 3 2虚拟制造的理论基础 120 3 3 3可视化交互建模体系结构 121 3 3 4虚拟制造功能框图 122 3 3 5虚拟制造的关键技术 关键技术 虚拟设计与装配技术 虚拟实验技术 虚拟生产技术 虚拟产品实现技术 虚拟检测与评价技术 虚拟纹理分析技术 123 3 4数字制造的快速实现 快速原型制造 1 快速原型技术 RP RapidPrototyping 是一种基于离散堆积成形思想的新型成形技术 它产生于20世纪80年代 是在现代CAD CAM技术 激光技术 计算机数控技术 精密伺服驱动技术以及新材料等的基础上集成发展起来的先进的产品研究与开发技术 实现从零件设计到三维实体原型制造一体化的系统技术 2 快速原型制造 RPM RapidPrototypingManufacturing 是使用RP技术 由CAD模型直接驱动的快速完成任意复杂形状三维实体零件的技术的总称 124 3 4 1快速原型制造产生的背景 125 3 4 2快速原型制造技术的基本过程 126 3 4 2快速原型制造技术的基本过程 1 CAD模型设计 应用三维CAD软件 根据产品要求设计三维模型 或采用逆向工程技术获取产品的三维模型 2 三维模型的近似处理 用一系列小三角形平面来逼近模型上的不规则曲面 从而得到产品的近似模型 3 三维模型的Z向离散化 即分层处理 将近似模型沿高度方向分成一系列具有一定厚度的薄片 提取层片的轮廓信息 4 处理层片信息 生成数控代码 根据层片几何信息 生成层片加工数控代码 用以控制成形机的加工运动 5 逐层堆积制造 在计算机控制下 根据生成的数控指令 RP系统中的成形头在X Y平面内按截面轮廓进行扫描 固化液态树脂 从而堆积出当前的一个层片 并将当前层与已加工好的零件部分粘合 然后 成形机工作台面下降一个层厚的距离 再堆积新的一层 如此反复进行直到整个零件加工完毕 6 后置处理 对完成的原型进行处理 使之达到要求 清理零件表面 去除辅助支撑结构 127 3 4 3快速原型制造技术的基本原理 三维CAD模型 分层切片 各层截面的轮廓 激光器 或喷嘴 按各层截面轮廓切割 固化或烧结 微小厚度的片状实体 逐层堆积 三维模型或样件 128 3 4 4快速原型制造技术的特点 高度柔性CAD模型直接驱动技术的高度集成设计 制造一体化快速响应性制造成型自由化材料使用的广泛性 129 3 5数字制造的集成模型 计算机集成制造 CIM ComputerIntegratedManufacturing 是一种组织 管理 企业生产的新哲理 借助计算机软硬件 综合应用现代管理技术 制造技术 信息技术 自动化技术 系统技术 将企业生产过程中有关人 技术 经营管理三要素及其信息流与物质流有机集成并优化运行 以实现产品高质量 低成本 短交货期 提高企业对市场变化的应变能力和综合竞争能力 概念 针对企业所面临的激烈市场竞争形势而提出的组织企业生产的一种哲理 基本观点 制造企业中的各个部分 即从市场分析 经营决策 工程设计 制造过程 质量控制 生产指挥到售后服务 是一个互相紧密相关的整体 整个制造过程本质上可以抽象成一个数据的搜集 传递 加工和利用的过程 最终产品仅是数据的物化表现 前者体现了集成的思想 它将企业决策 经营管理 生产制造 销售及售后服务有机地结合在一起 后者就是信息制造观的思想 基本思想 130 3 5 1计算机集成制造系统 CIMS ComputerIntegratedManufacturingSystem 一 CIMS的功能结构CIMS包含了一个制造企业的设计 制造 经营管理三种主要功能 要使这三者集成起来 还需要一个支持环境 即分布式数据库和计算机网络以及指导集成运行的系统技术 1 四个功能分系统 1 管理信息分系统 以MRP 为核心 2 产品设计与制造工程设计自动化分系统 即CAD CAPP CAM系统 3 制造自动化或柔性自动化分系统 数控机床等 4 质量保证分系统 包括质量检测 质量评价 质量控制 质量跟踪等2 两个支撑分系统 1 计算机网络分系统 实现异种机互联 异构局部网络及多种网络的互联 2 数据库分系统 支撑CIMS各分系统 覆盖企业全部信息的数据库系统 131 3 5 1计算机集成制造系统 CIMS ComputerIntegratedManufacturingSystem 二 CIMS集成的内涵集成与连接不同 它不是简单地把多个单元连在一起 而是将原来没有联系或联系不紧密的单元组成为有一定功能 紧密联系的新系统 1 系统运行环境的集成2 信息的集成3 应用功能的集成4 技术的集成5 人和组织的集成 132 3 5 1计算机集成制造系统 CIMS ComputerIntegratedManufacturingSystem 计算机技术结构示意图 133 3 5 1计算机集成制造系统 CIMS ComputerIntegratedManufacturingSystem 三 CIMS广泛适用性1 没有行业限制企业追求的共同目标 高