现代制造技术第7章现代制造系统课件

1、第7章 现代制造系统7.1 计算机集成制造系统（CIMS）7.2 虚拟制造技术（VM）7.3 敏捷制造与并行工程技术7.4 智能制造与精益生产技术7.5 反求设计与快速成形制造技术7.6 网络制造第7章 现代制造系统7.1 计算机集成制造系统CIMS7.1.1 CIMS的概念 计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System，简称CIMS）是一种现代制造系统。在讨论CIMS的概念之前，我们先了解“CIM”的概念。 CIM（Computer Integrated Manufacturing，计算机集成制造）是美国约瑟夫哈林顿（Joseph Ha

2、rrington）博士于1974年在其Computer Integrated Manufacturing一书中首先提出的。 CIMS至今也没有统一公认的定义，其中一个主要原因就是CIMS本身总是处在不断发展之中。基于现状，可把CIMS理解为是现代制造企业的一种生产、经营和管理模式。 它包括了企业全部的生产经营活动，所以比传统的工厂自动化的范围大得多，是一个复杂的大系统；CIMS所涉及的自动化不是工厂各个环节自动化的简单叠加，而是有机的集成，这里的集成不仅是有形物的集成，更是以信息集成为特征的技术集成，乃至与人的集成。第7章 现代制造系统第7章 现代制造系统 这样，我们可以得出以下看法：CIMS

3、是在自动化技术、信息技术及现代制造技术的基础上，通过计算机软硬件将企业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，是适应多品种、小批量生产的总体高效率、高柔性的智能制造系统。第7章 现代制造系统 从系统的功能角度考虑，一般认为CIMS可有经营管理信息系统、工程设计自动化系统、制造自动化系统和质量保证信息系统四个功能分系统，以及计算机网络和数据库两个支撑分系统组成。7.1.2 CIMS的基本组成第7章 现代制造系统7.1.3 CIMS的递阶控制模式 CIMS是一个复杂的大系统，通常采用递阶控制的体系模式。所谓的递阶控制即为将一个复杂的控制系统按照其功能分解成若干层次，各层次进行独立的控

4、制处理，完成各自的功能。 层与层之间保持信息交换，上层对下层发出命令，下层对上层回送命令执行结果，通过信息联系构成完整的系统。这种控制模式减少了全局控制的难度以及系统开发的难度，已成为当今复杂系统的主流控制模式。 第7章 现代制造系统CIMS递阶控制结构第7章 现代制造系统 7.1.4 CIMS的体系结构 要实施高度集成的自动化系统，必须有一个合适的体系结构。 CIMS/OSA体系结构为制造工业的CIMS提供了一种参考模型，已作为对CIMS进行规划、设计实施和运行的系统工具。 欧共体CIMS/OSA体系结构的基本思想是：将复杂的CIMS系统的设计实施过程沿结构方向、建模方向和视图方向分别作为通

5、用程度维、生命周期维和视图维三维坐标，对应于从一般到特殊（具体化）、推导求解和逐步生成的三个过程，以形成CIM开放式体系结构总体矿框架。 第7章 现代制造系统CIMS/OSA的结构框架第7章 现代制造系统7.1.5 我国在CIMS技术方面的进展十年来，我国863/CIMS主题在“效益驱动、总体规划、重点突破、分步实施”16字方针的指导下，CIMS在我国的研究、开发与应用取得了重大进展，完成了一批CIMS前沿技术的研究，开发了一批具有实用价值的CIMS工具产品，建立了十多个典型的CIMS应用工程。 1994年11月，建立在清华大学的国家CIMS工程中心获得美国制造工程师学会（SME）的CIMS应

6、用开发“大学领先奖”，这表明我国CIMS研究达到了国际先进水平，我国CIMS技术得到国际社会的承认。 第7章 现代制造系统 1995年11月，北京第一机床厂CIMS工程荣获美国制造工程师学会的CIMS“工业领先奖”，这一进步表明我国的CIMS在工业应用上也进入国际先进水平。 成都飞机工业公司是我国航天工业的骨干企业，实施CIMS的第一期工程后，麦道（MD）机头的装配周期从12个月缩短到6个月，达到每月生产2架的水平，成为飞机部件合格的国际承包商，并将成为美国麦道公司的MD80/90机头的唯一供应商。 第7章 现代制造系统 沈阳鼓风机厂是我国生产大型涡轮压缩机的骨干企业，实施CIMS工程之后，采

7、用分布环境下的产品报价系统，报价从6周缩短到2周，已经达到国际API标准的技术报价、财务报价及商务报价（中英文格式）水平 。 北京第一机床厂是成功应用CIMS的第三个实例。在实施CIMS工程后，超重型数控龙门铣床的开发周期从32个月缩短到24个月甚至20个月，加工中心的开发周期从12个月缩短到6个月，显示了技术进步的巨大威力。 除了上面的几家，还有上海第二纺织机械有限公司、郑州纺织机械厂、东风汽车公司、济南第一机床厂、华宝空调器厂、中国时装设计中心等都是成功利用CIMS的例子第7章 现代制造系统 然而，CIMS的实践并非一帆风顺。因为： 1）企业经常面临技术、投资、和人员素质问题； 2）在规划

8、中，缺少对企业结构、功能和车间组织的深入研究； 3）片面强调高技术，偏离企业目标，没有获得所期望的柔性和经济效益； 4）在建立CIMS的过程中实现全面集成困难很大，且花费代价太高； 5）过分强调信息集成与自动化，而忽略了“人”在系统中的作用。 面对这种情况，CIMS应在实践的基础上，认真总结经验，不断吸收新思想、新观点、新技术，从而产生新一代CIMS。第7章 现代制造系统 7.2.1虚拟制造的定义 虚拟制造技术是利用仿真与虚拟现实等技术， 在高性能计算机及高速网络的支持下，采用群组协同工作， 通过模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题， 实现产品制造的本质过程， 包括产

9、品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验、并进行过程管理与控制等。 7.2 虚拟制造技术（VM）第7章 现代制造系统虚拟装配第7章 现代制造系统虚拟现实第7章 现代制造系统7.2.2 虚拟制造的分类第7章 现代制造系统 VM 的相关技术包括： 虚拟现实技术、仿真技术、建模技术、可制造性评价、计算机图形学、可视化技术和多媒体技术等技术。 这些技术早已被广泛应用， VM 是这些技术的综合应用和发展， 其中前4 项是虚拟制造的关键技术。 7.2.3 虚拟制造关键技术第7章 现代制造系统 1.虚拟现实技术(Virtual Reality Technology) 虚拟现实技术是在为改善人与计算机

10、的交互方式， 提高计算机的可靠操作性中产生的。它综合了计算机图形学技术、传感器技术、计算机仿真技术、可视化技术、多媒体技术和并行工程等多种科学技术， 在计算机上生成一种虚拟的、可交互的， 使人产生身临其境的沉浸感的环境。 GBurde 虚拟现实技术三角形第7章 现代制造系统2、仿真技术( Simulation Technology) 仿真的基本步骤为： 研究系统收集数据建立系统模型确定仿真算法建立仿真模型运行仿真模型输出结果并分析。 就仿真技术应用的对象来看， 可将制造业中的仿真分为四类： 面向产品的仿真; 面向制造工艺和装备的仿真; 面向生产管理的仿真; 面向企业其他环节的仿真第7章 现代制

11、造系统 3、建模技术(Modeling Technology) 虚拟制造系统实现的关键技术在软件方面就是系统的建模， 因为虚拟制造系统本身就是现实制造系统在虚拟环境下的映射， 是现实制造系统的模型化、形式化和计算机化的抽象描述和表示。 虚拟制造系统的建模主要包括： 生产模型的建立、产品模型的建立和工艺模型的建立。 4、可制造性评价(Manufacturability Analysis)第7章 现代制造系统 VM 中可制造性评价的定义为， 在给定的设计信息和制造资源等环境信息的计算机描述下， 确定设计特性( 如形状、尺寸、公差、表面质量等) 是否是可制造的， 若是可制造的， 则确定可制造性等级;

12、 若是不可制造的， 判断引起制造问题的设计原因， 如果可能， 则给出修改方案。 未来的虚拟制造系统的评价方法要能方便的定位和消除可能的制造瓶颈， 即系统应能自动将定级依据反馈给设计者; 虚拟制造系统也必须建立自动确定重新设计方案的算法， 而不是粗略的成本估计及其定级标准; 它应当是支持多工艺类型的、能区分其差异和优劣的、并能进行多工艺类型的综评价7.2.4 虚拟制造技术的应用实例第7章 现代制造系统飞行器虚拟制造第7章 现代制造系统7.3 敏捷制造与并行工程技术7.3.1 敏捷制造（AM） 敏捷制造是改变传统的大批量生产，利用先进制造技术和信息技术对市场的变化作出快速响应的一种生产方式；通过可

13、重用、可重组的制造手段与动态的组织结构和高素质的工作人员的组成，获得企业的长期经济效益。 敏捷制造的基本原理为：采用标准化和专业化的计算机网络和信息集成基础结构，以分布式结构连接各类企业，构成虚拟制造环境：以竞争合作为原则在虚拟制造环境内动态选择成员，组成面向任务的虚拟公司进行快速生产；系统运行目标是最大限度满足客户的需求。第7章 现代制造系统根据上述的基本原理，可将敏捷制造的特点归纳为以下几点：敏捷制造企业不仅能迅速设计、试制全新的产品，而且还易于吸收实际经验和工艺改革建议，不断改进老产品。 敏捷制造企业能在整个生命周期中满足用户要求。敏捷制造企业的生产成本与生产批量无关。 敏捷制造企业采用

14、多变的动态组织结构。 敏捷制造企业通过所建立的基础结构，以实现企业经营目标。 敏捷制造企业把最大限度地调动、发挥人的作用作为强大的竞争武器。 第7章 现代制造系统7.3.2 并行工程技术（CE） 关于并行工程的定义目前国际上有多种提法，其基本意思都是指：对产品开发生命周期中的一切过程和活动，借助信息技术的支持、在集成的基础上实行并行交叉方式的作业，从而缩短产品开发周期，加快产品投入市场的时间。 并行工程是一种哲理，是一种系统集成化的现代生产方式。第7章 现代制造系统 串、并行工程时序的比较第7章 现代制造系统 并行工程采用并行的方式，在产品设计阶段就集中产品研制周期中的各有关工程技术人员，同步

15、地设计或考虑整个产品生命周期中的所有因素，对产品设计、工艺设计、装配设计、检验方式、售后服务方案等进行统筹考虑、协同进行。 在上述并行工程运行模式下，每一个设计者可以像在传统的CAD工作站上一样进行自己的设计工作。借助于适当的通信工具，在公共数据库、知识库的支持下，设计者之间可以相互进行通信，根据目标要求既可随时应其它设计人员要求修改自己的设计，也可要求其它的设计人员响应自己的要求。通过协调机制，群体设计小组的多种设计工作可以并行协调地进行 第7章 现代制造系统并行工程的运行模式第7章 现代制造系统并行工程设计网络第7章 现代制造系统7.4 智能制造与精益生产技术7.4.1 智能制造（IM）

16、智能制造系统（Intelligent Manufacturing System）简称IMS，它是将人工智能融合进制造系统各个环节中，通过模拟专家的智能活动，取代或延伸制造环境中应由专家来完成的那部分活动。与常规制造系统不同，智能制造系统具有自适应能力、自学习能力和自组织能力。 第7章 现代制造系统 与传统制造系统相比，智能制造系统具有如下的特征：（1）自律能力 （2）人机一体化 （3）灵境（Virtual reality）技术 （4）自组织能力 （5）学习能力与自我优化能力 （6）自我修复能力与强大的适应性 灵境技术与人机界面 第7章 现代制造系统7.4.2 精益生产（LP） 这是一种全新的生

17、产方式，既不同于欧洲的单件生产方式，也不同于美国的大批量生产方式，它综合了单件生产与大批量生产方式的优点，使工厂的工人、设备投资、厂房以及开发新产品的时间等一切投入都大为减少，而生产出的产品和质量却更多更好。 精量生产是通过系统结构、人员组织、运行方式和市场供求等方面的变革，使生产系统能很快适应用户需求不断变化，并能使生产过程中一切无用、多余的东西被精简，最终达到包括市场销售在内的生产的各方面最好的结果。第7章 现代制造系统精良生产方式的特点（1）强调以“人”为中心的人-机系统（2）以用户为“上帝”（3）组织机构上以“精简”为手段（4）Team Work和并行设计（5）JIT供货方式（6）“零

18、缺陷”工作目标第7章 现代制造系统精良生产的体系构成 精良生产体系就是在计算机网络支持下的、以小组方式工作的并行工作方式。如精良生产体系比作一幢大楼，它的三根支柱就是：（1）全面质量管理，它是保证产品质量，达到零缺陷目标的主要措施；（2）准时生产和零库存，它是缩短生产周期和降低生产成本的主要方法；（3）成组技术，这是实现多品种、按顾客定单组织生产、扩大批量、降低成本的技术基础。 精良生产的体系构成第7章 现代制造系统 7.5 反求设计与快速成形制造技术7.5.1 反求设计 反求设计(Reverse Design) 是以先进的产品或技术为对象，进行深入的分析研究，探索并掌握其关键技术，在消化、吸

19、收的基础上，开发出同类型创新产品的设计。传统设计是通过工程师的创造性劳动，将一个事先并不知道的事物变为人类需求和喜爱的产品。 概括地说，传统设计是由未知到已知、由想象到现实的过程。反求设计则是从已知事物的有关信息(包括实物、技术资料文件、照片、广告、情报等) 出发，去寻求这些信息的科学性、技术性，先进性、经济性、合理性等，并且充分消化和吸收，而更重要的是在此基础上改进、挖潜进行再创造。第7章 现代制造系统 反求设计分为两个阶段：反求对象分析阶段与设计阶段。反求对象分析阶段：通过对原有产品的剖析、寻找原产品的技术缺陷、吸取其技术精华、关键技术，为改进或创新设计提出方向。反求设计阶段：在对原产品进

20、行反求分析的基础上，可进行测绘仿制、开发设计和变异设计，研制出符合市场需求的新产品。 （1）反求对象设计指导思想的分析（2）反求对象功能原理方案分析（3）反求对象材料的分析（4）反求对象工艺分析第7章 现代制造系统反求工程设计程序第7章 现代制造系统 7.5.2 快速成型制造技术 快速成形技术（Rapid Prototyping Technology，简称RP）是20世纪80年代国外发展起来的一种新技术，它完全是顺应快速开发产品的客观需要而产生的。快速成形技术与虚拟制造技术一起，被称为未来制造业的两大支柱技术。 快速成形技术是综合利用CAD技术、数控技术、激光加工技术和材料技术来实现从零件设计

21、到三维实体原型制造的机电一体化系统技术。它是采用软件离散化和材料堆积的原理实现实体的成型。 第7章 现代制造系统 快速成形技术原理第7章 现代制造系统 快速成形技术原理第7章 现代制造系统 进行快速成形技术制造实体样件时，按照以下步骤进行：（1）由CAD软件设计出零件的三维曲面或实体模型，按照一定的厚度在Z向对生成的CAD模型进行切面分层，生成每个截面的二维平面信息。（2）对二维层面信息进行工艺处理，选择合适的加工参数，系统自动生成刀具移动轨迹和数控加工代码。（3）对加工过程进行仿真，确保定数控加工代码正确无误。（4）利用数控装置控制激光束或其它工具的运动，在当前层上进行轮廓扫描，加工出适当的

22、截面形状。（5）铺上一层新的成型材料，进行下一层面的加工，如此重复，直到整个零件加工完毕。第7章 现代制造系统激光 快速成型 实例第7章 现代制造系统快速成形技术的特点1）高度柔性化2）技术高度集成化3）成形的快速性4）制造技术的全数字化5）材料使用的广泛化6）生产过程更环保第7章 现代制造系统快速成形技术的分类按不同成形材料分类，快速成形可分为以下几种：1）液态材料成形2）离散颗粒成形3）实体薄片成形按不同成形工艺分类，快速成形可分为：1）光固化成形法（SLA）2）叠层实体制造法（LOM）3）选择性激光烧结法（SLS）4）熔融沉积成形法（FDM）第7章 现代制造系统 快速成形技术的主要工艺方法1. 光固化成形法（Stereo Lithography Apparatus ，SLA）SLA快速原型法