制造工程信息技术 第2章基础理论 1 (2014)

1、1 制造工程信息技术制造工程信息技术 第第2 2章章 基础理论与方法（基础理论与方法（1 1） 清华大学清华大学制造工程研究所制造工程研究所 2 PetriPetri网建模方法网建模方法 广义模型化方法广义模型化方法 现代制造系统现代制造系统 第2章 基础理论与方法 功能建模方法功能建模方法IDEF0IDEF0 信息建模方法信息建模方法IDEF1xIDEF1x 过程建模方法过程建模方法IDEF3IDEF3 排队论方法排队论方法 3 信息流信息流 物料流物料流 基本构成基本构成 2.1 现代制造系统 能量流能量流 制造信息观制造信息观 4 2.1.1 2.1.1 基本构成基本构成 系统是由众多的

2、要素和子系统组成的有机系统是由众多的要素和子系统组成的有机 整体，子系统与要素之间存在着组织、协调等整体，子系统与要素之间存在着组织、协调等 管理问题。管理问题。 制造系统是一个由制造技术、制造资源、制造系统是一个由制造技术、制造资源、 制造信息以及对资源、信息进行加工处理所组制造信息以及对资源、信息进行加工处理所组 成的相互联系的有机体。成的相互联系的有机体。 制造系统是一个输入制造资源，通过制造制造系统是一个输入制造资源，通过制造 过程而输出产品的输入输出系统。过程而输出产品的输入输出系统。 2.1 2.1 现代制造系统现代制造系统 5 2.1.1 2.1.1 基本构成基本构成 2.1 2

3、.1 现代制造系统现代制造系统 制造系统制造系统 市场需求市场需求 物料物料 能量能量 信息信息 控制控制 制造约束制造约束目标目标 策略策略 产品产品 6 2.1 2.1 现代制造系统现代制造系统 包头一机包头一机 加工分厂加工分厂 装配分厂装配分厂 机械加工机械加工 成型加工成型加工 特种加工特种加工 热处理热处理 部件装配部件装配 总装总装 采购、库存采购、库存 生产管理生产管理 设计开发设计开发 能源能源 计划计划 财务成本财务成本人力资源与培训人力资源与培训 销售销售 维修维修 技术服务技术服务 质量质量 后勤服务后勤服务 2.1.1 2.1.1 基本构成基本构成 7 2.1.1 2

4、.1.1 基本构成基本构成 制造系统是制造业的基本组成实体。制造系统是制造业的基本组成实体。 2.1 2.1 现代制造系统现代制造系统 经营管理经营管理 市场与销售市场与销售 研究与开发研究与开发 工程设计工程设计 生产管理生产管理 采购供应采购供应 质量控制质量控制 财务管理财务管理 人事管理人事管理 车间制造车间制造 8 用户、市场与外部环境用户、市场与外部环境 经营管理经营管理财务财务 市场与销售市场与销售 研究与开发研究与开发 生产管理生产管理 工程设计工程设计 质量控制质量控制 资源管理资源管理 采购供应采购供应 车间制造车间制造 （加工、装配、（加工、装配、 检验、输送、检验、输送

5、、 存储等）存储等） 人力资源管理人力资源管理 经营管理信息流经营管理信息流 生产管理信息流生产管理信息流 技术信息流技术信息流 物料流物料流 制造系统功能结构制造系统功能结构 2.1 2.1 现代制造系统现代制造系统 9 2.1 2.1 现代制造系统现代制造系统 制造系统的特性：制造系统的特性： 1 1、结构：、结构：是制造过程所涉及的硬件（物料、设备、工是制造过程所涉及的硬件（物料、设备、工 具、能源等）、软件（制造理论、工艺、信具、能源等）、软件（制造理论、工艺、信 息等）、人员所组成的具有特定功能的有机息等）、人员所组成的具有特定功能的有机 整体。整体。 10 制造系统的特性：制造系统

6、的特性： 2 2、转变：、转变：输入制造系统的资源（原材料、能源、信息、输入制造系统的资源（原材料、能源、信息、 人力人力.）通过制造过程输出产品）通过制造过程输出产品 2.1 2.1 现代制造系统现代制造系统 制造过程制造过程 原材料原材料 产品产品 废物废物 机器机器工具工具能源能源 劳动力劳动力信息信息 制造过程制造过程 原材料原材料中间产品中间产品产品产品 增值增值 从技术的角度从技术的角度 从经济的角度从经济的角度 11 2.1 2.1 制造与制造技术制造与制造技术 制造系统的特性：制造系统的特性： 3 3、过程：、过程： 12 1.1 1.1 制造与制造技术制造与制造技术 13 2

7、.1 2.1 现代制造系统现代制造系统 2.1.1 2.1.1 基本构成基本构成 现代制造系统与传统制造系统现代制造系统与传统制造系统 14 2.1 2.1 现代制造系统现代制造系统 制造资源：制造资源： 狭义狭义：物料、设：物料、设 备、能源、土地、厂备、能源、土地、厂 房、工具等。房、工具等。 广义广义：还包括：还包括： 资金、技术、信息和资金、技术、信息和 人力等。人力等。 制造系统中资源制造系统中资源 的输入、消耗、转化、的输入、消耗、转化、 回收、处理及这些过回收、处理及这些过 程的影响和控制，形程的影响和控制，形 成了制造系统的物料成了制造系统的物料 流。流。 2.1.2 2.1.

8、2 物料流物料流 15 2.1 2.1 现代制造系统现代制造系统 工序间工序间 存储存储 加工加工 制造制造 存储存储 原材料原材料 零件零件 检验检验 存储存储 外协件外协件 外购件外购件 合格件合格件 产品产品 装配装配 存储存储 检验检验 不合格品不合格品 合格品合格品 存储存储 采购采购 产品销售产品销售 市场市场 不合格件不合格件 2.1.2 2.1.2 物料流物料流 16 2.1 2.1 现代制造系统现代制造系统 加工：基本功能，改变形状、性能、结构加工：基本功能，改变形状、性能、结构 制造制造 设备设备 辅助辅助 设备设备 制造制造 技术技术 操作操作 人员人员 2.1.2 2.

9、1.2 物料流物料流 17 2.1 2.1 现代制造系统现代制造系统 传送：改变空间位置传送：改变空间位置 事先计划原则事先计划原则 最短路径原则最短路径原则 连续流动原则连续流动原则 工作简化原则工作简化原则 作业集中原则作业集中原则 成本效益原则成本效益原则 单元装配原则单元装配原则 重重 力力 原原 则则 安安 全全 原原 则则 传送过程的传送过程的 高效化、系统化高效化、系统化 提高制造系统提高制造系统 的生产效率的生产效率 三条途径：三条途径： 1 1、优化工厂布局、优化工厂布局 2 2、减少运送次数、减少运送次数 3 3、优化运输路线、优化运输路线 和速度和速度 2.1.2 2.1

10、.2 物料流物料流 18 2.1 2.1 现代制造系统现代制造系统 储存：一段时间内，无形状和空间位置改变储存：一段时间内，无形状和空间位置改变 原材料的储存原材料的储存 工序间的储存工序间的储存 零件的储存零件的储存 产品的储存产品的储存 2.1.2 2.1.2 物料流物料流 19 2.1 2.1 现代制造系统现代制造系统 检验：物流的质量控制检验：物流的质量控制 装配：形成产品的环节装配：形成产品的环节 装配装配产品产品 检验工序 2.1.2 2.1.2 物料流物料流 20 2.1 2.1 现代制造系统现代制造系统 2.1.3 信息流信息流 制造信息系统不断与制制造信息系统不断与制 造过程

11、的各种状态交换信造过程的各种状态交换信 息，形成了信息流。息，形成了信息流。 以正确的方式以正确的方式 在正确的时间在正确的时间 向正确的信息流节点向正确的信息流节点 传输所需要的正确信息传输所需要的正确信息 21 2.1 2.1 现代制造系统现代制造系统 网络系统网络系统 数据库系统数据库系统 质量信息管理系统质量信息管理系统 管理管理 信息信息 系统系统 制造制造 自动化自动化 系统系统 技术信息系统技术信息系统 质量信息 质量管理信息 生产、物料、维护计划 生产、物料、设备信息 库存、技术准备计划 设备变更信息 产品设计工艺信息 零件、NC、工艺、工装 工艺/设备/可制造分析 产品质量要

12、求 质量反馈信息 生产、物料、维护计划 生产、物料、设备信息 工艺设备制造性 零件NC工艺工装 设计工艺信息 库存技术准备计划 产品质量要求 质量控制信息 质量管理信息 质量信息 产品质量要求 质量反馈信息 产品质量要求 质量控制信息 供求信息 订单物料采购信息 物料采购合同 2.1.3 2.1.3 信息流信息流 22 2.1 2.1 现代制造系统现代制造系统 生产经生产经 营决策营决策 结构设计结构设计 与分析与分析 总体结总体结 构决策构决策 概念设计概念设计 方案决策方案决策 设计任务设计任务 规划规划 工艺工艺 设计设计 过程过程 仿真仿真 资源需求资源需求 与分析与分析 设计流设计流

13、 管理管理 市场客户需求信息市场客户需求信息 产品开发产品开发 过程信息流过程信息流 2.1.3 2.1.3 信息流信息流 产品数产品数 据管理据管理 企业资企业资 源计划源计划 23 2.1 2.1 现代制造系统现代制造系统 工装规划工装规划 与设计与设计 车间调度车间调度 计划计划 NCNC指令指令 生成仿真生成仿真 生产作业生产作业 计划计划 质量控制质量控制 包装包装 生产计生产计 划系统划系统 产品数产品数 据管理据管理 企业资企业资 源计划源计划 资源需求、工艺设计资源需求、工艺设计 产品制造产品制造 过程信息流过程信息流 2.1.3 2.1.3 信息流信息流 24 2.1.4 能

14、量流能量流 来自制造系统外部的能量来自制造系统外部的能量( (如电能如电能) )，流向制造系统的各有关，流向制造系统的各有关 环节或子系统，一部分用以维持各环节或子系统的运动，另一环节或子系统，一部分用以维持各环节或子系统的运动，另一 部分通过传递、损耗、储存、释放、转化等有关过程，以完成部分通过传递、损耗、储存、释放、转化等有关过程，以完成 制造过程的有关功能。这种制造系统中的能量运动过程，称为制造过程的有关功能。这种制造系统中的能量运动过程，称为 制造系统的制造系统的能量流能量流。 2.1 2.1 现代制造系统现代制造系统 制造系统制造系统 能量能量 维持系统的运动维持系统的运动 传递、损

15、耗、传递、损耗、 储存、释放、转化储存、释放、转化 25 机械加工系统的能量流机械加工系统的能量流 2.1 2.1 现代制造系统现代制造系统 电机驱动电机驱动 系统系统 机床传动机床传动 系统系统 切削加工切削加工 系统系统 EI E EC C切削能切削能 E ES S系统广义储能系统广义储能 E EL L系统损耗的总能量系统损耗的总能量 2.1.4 2.1.4 能量流能量流 26 2.1 2.1 现代制造系统现代制造系统 传统制造观传统制造观 机械制造观机械制造观 注重制造过程注重制造过程 物料流物料流 能量流能量流 现代制造观现代制造观 制造信息观制造信息观 信息是纽带信息是纽带 信息流控

16、制物料流和能量流信息流控制物料流和能量流 信息投入已成为决定产品竞争力的关键因素信息投入已成为决定产品竞争力的关键因素 需提高制造系统的信息处理能力需提高制造系统的信息处理能力 智能制造的基础智能制造的基础 2.1.5 2.1.5 制造信息观制造信息观 制造过程的实质：信息资源的采集、输入、加工处理的过程，形成制造过程的实质：信息资源的采集、输入、加工处理的过程，形成 的产品是信息的物质表现形式。的产品是信息的物质表现形式。 提高原材料的信息含量提高原材料的信息含量 27 广义模型的概念广义模型的概念 广义模型化方法提出广义模型化方法提出 概述概述 2.2 广义模型化方法 广义模型化方法广义模

17、型化方法 28 2.2 2.2 广义模型化方法广义模型化方法 2.2.1 2.2.1 概述概述 模型：实际系统理想化的抽象或简化表示模型：实际系统理想化的抽象或简化表示 模型? 29 2.2 2.2 广义模型化方法广义模型化方法 2.2.1 2.2.1 概述概述 范围：范围：全局、局部；全局、局部； 方法：方法：数学解析、图示概念、图示数学解析、图示概念、图示 解析等；解析等； 功能：功能：结构描述、系统分析、系统设结构描述、系统分析、系统设 计实施、系统运行管理等；计实施、系统运行管理等； 对象：对象：产品、资源、信息、组织与决产品、资源、信息、组织与决 策、企业过程等。策、企业过程等。 3

18、0 2.2 2.2 广义模型化方法广义模型化方法 2.2.1 2.2.1 概述概述 产品的三维装配模型产品的三维装配模型 31 2.2 2.2 广义模型化方法广义模型化方法 2.2.1 2.2.1 概述概述 机床厂机床厂 生产部生产部 销售部销售部 铸造车间铸造车间 机加工机加工 车间车间 热处理热处理 车间车间 装配车间装配车间 组织结构模型组织结构模型 32 2.2 2.2 广义模型化方法广义模型化方法 2.2.1 2.2.1 概述概述 方案设计方案设计 详细设计详细设计 修改修改 审核审核 过程模型过程模型 33 2.2 2.2 广义模型化方法广义模型化方法 2.2.1 2.2.1 概述

19、概述 结合面刚度与阻尼模型结合面刚度与阻尼模型 34 2.2 2.2 广义模型化方法广义模型化方法 2.2.1 2.2.1 概述概述 20)2(2 0)(2 0)( 0 11 131 120 10 nPPP PPP PPP PP nnn 生产调度模型生产调度模型 刀具磨损模型刀具磨损模型 35 2.2.2 2.2.2 广义模型化方法的提出广义模型化方法的提出 A A、不确定性问题（模糊性、随机性）、不确定性问题（模糊性、随机性） 模糊性：柔性较高、自动化模糊性：柔性较高、自动化 随机性：故障、随机误差随机性：故障、随机误差 B B、不确知性问题、不确知性问题 机械系统结合面机械系统结合面 纳米

20、精度问题纳米精度问题 C C、主动性问题（人）、主动性问题（人） D D、适用性问题：模型准确性与简化综合、适用性问题：模型准确性与简化综合 2.2 2.2 广义模型化方法广义模型化方法 模型精确、复杂模型精确、复杂 缺乏有效的分析和综合方法缺乏有效的分析和综合方法 有效的分析和综合方法有效的分析和综合方法模型简化模型简化 广义模型化广义模型化 36 2.2 2.2 广义模型化方法广义模型化方法 一个制造系统涉及到的模型一个制造系统涉及到的模型 产品模型产品模型 三维模型三维模型 二维模型二维模型 结构模型结构模型 分析模型分析模型 工艺模型工艺模型 装配模型装配模型 毛坯模型毛坯模型 零件模

21、型零件模型 机床机床 床身床身主轴箱主轴箱工作台工作台刀架刀架 齿轮齿轮主轴主轴箱体箱体 37 2.2 2.2 广义模型化方法广义模型化方法 一个制造系统涉及到的模型一个制造系统涉及到的模型 组织模型组织模型 工厂工厂 车间车间销售部销售部供应部供应部人事部人事部 齿轮齿轮主轴主轴箱体箱体 控制模型控制模型 过程模型过程模型 38 2.2.3 2.2.3 广义模型的概念广义模型的概念 由知识模型、数学模型、关系模型相互结合的集成模型。由知识模型、数学模型、关系模型相互结合的集成模型。 2.2 2.2 广义模型化方法广义模型化方法 知识模型知识模型 知识表达方法知识表达方法 （产生式规则、语义（产生式规则、语义 网络、框架、谓词）网络、框架、谓词） 知识获取技术知识获取技术 （人工移植、机器感（人工移植、机器感 知、机器学习）知、机器学习） 数学模型数学模型 控制理论、系统控制理论、系统 辨识、运筹学辨识、运筹学 （状态方程、传（状态方程、传 递函数、微分方递函数、微分方 程）程） 关