现代制造系统之先进制造模式

现代制造系统工业工程2008第七讲先进制造模式AdvancedManufacturingPhilosophyandProductionModel

绿色制造

2134智能制造虚拟制造Introduction56可重构制造系统虚拟制造ParallelMachineTool虚拟制造的定义一个在计算机网络及虚拟现实环境中完成的，利用制造系统各层次及不同侧面的数学模型，对包括设计、制造、管理和销售等各个环节的产品全生命周期的各种技术方案和技术策略进行评估和优化的综合过程。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，利用制造系统各层次及各环节的数字模型，完成制造系统整个过程的计算与仿真的技术虚拟制造技术的定义虚拟制造系统的定义是一个在虚拟制造技术的指导下，在计算机网络和虚拟现实环境中建立起来的，具有集成、开放、分布、并行、人机交互等特点的，能够从产品生产全过程的高度来分析和解决制造系统各个环节的技术问题的软硬件系统。虚拟制造的特点：以模型为核心

产品模型产品信息在计算机上的展示。

过程模型设计过程、工艺规划过程、加工制造过程、装配过程、性能分析过程

活动模型

企业生产组织和经营活动的模型

资源模型对企业各种资源的建模描述虚拟制造的特点VM是实际制造过程在计算机上的映射和本质表现。通过计算机虚拟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，提高人的预测和决策水平，使制造技术不再主要依赖于经验。产品设计与制造是在虚拟环境下进行的：可使分布在不同地点、不同部门的不同专业人员在同一个产品模型上协同工作，相互交流，信息共享，减少大量的文档生成及其传递的时间和误差，使产品开发以快捷、优质、低耗响应市场。虚拟制造技术的内涵虚拟制造系统实际制造系统计算机仿真虚拟现实基于网络的VPS虚拟信息系统确认和验证技术人员客户抽象与综合虚拟产品实际信息系统样机需求工人工厂RPS实际产品客户需求工人计算机产品信息资源机会循环到合格工厂拟实制造实际制造创意修改和控制虚拟制造技术的内涵虚拟制造的关键技术虚拟现实技术虚拟设计技术可制造性评价产品数据管管理（PDM）实际制造过程技术人员和和用户数字化模型型计算机仿真真、虚拟现现实虚拟开发平台虚拟设计

有限元分析运动学分析动力学分析虚拟加工

工艺过程优化工具设计优化单元工艺优化加工过程分析虚拟装配

装配工艺规划装配路线规划装配分配规划装配质量规划虚拟生产平台虚拟布局虚拟实际生产环境虚拟生产动态过程优化生产环境布局虚拟设备虚拟集成支撑环境优化集成方案虚拟调度虚拟产品生产过程优化生产调度方案虚拟企业平台协同工作环境

支持异地设计、装配、测试的环境。虚拟企业动态组合

系统集成任务调度虚拟制造的的体系结构构产品建模产品异地设设计零部件分析析优化快速原型生产工艺优优化工具设计优优化刀位控制参数优化刀位轨迹参数优化加工方案评估虚拟实验虚拟检测工艺模型验验证产品模型实实验：虚拟拟机床生产计划仿真优化虚拟生产布布局虚拟设备集集成虚拟装配虚拟生产平平台服务器器虚拟企业平平台服务器器企业协同工工作环境企业虚拟运运行企业运行仿仿真产品优化设设计产品性能评评价可制造性评评价虚拟设计虚拟制造虚拟生产虚拟企业虚拟制造的的功能组成成类别特点主要目标主要技术支持应用领域以设计为中心在设计阶段为设计人员提供制造信息使用基于制造的仿真以优化产品和工艺的设计通过“在计算机上制造”产生多个“软”样机

评价可制造性·特征造型·面向数学模型设计加工过程仿真技术

造型设计热力学分析运动学分析动力学分析容差分析加工过程仿真

虚拟制造的的功能组成成类别特点主要目标主要技术支持应用领域以生产为中心·

将仿真能力用于制造过程模型，以便低费用、快速地评价不同的工艺方案

用于资源需求规划、生产计划的产生及评价的环境

评价可生产性

·虚拟现实·嵌入式仿真

工厂或产品的物理布局

传统制造：主要考虑空间

虚拟制造：总体协调、优化动态过程,人、环境、效率

生产计划的编排

传统制造：静态、确定型

虚拟制造：动态、随机型

类别特点主要目标主要技术支持应用领域以控制为中心·将仿真加到控制模型和实际处理中可“无缝”地仿真使得实际生产周期期间不间断地优化

·对离散制造--基于仿真的实时动态调度对连续制造--基于仿真的最优控制

设计为核心优化产品设计、工艺设计加工方案评价生产为核心优化资源选择评价工艺验证新工艺控制为核心优化车间控制优化制造过程产品概念设设计CAD/CAMM!M2M3M4供设计者参参考的制造造信息虚拟产品原原型成成本估估算新产品模型型、工艺、、制造信息息虚拟生产计计划质量评估新工艺及对对应信息、、如成本车间机床及控制系统统工厂资源（（人、设备备）M1：已有的模模型和工艺艺M2：日程模型型、逻辑模模型M3：过程模型型M4：成品模型型参数VM使能技术---产品建模技技术VM使能技术——性能分析CAD模型网格划分施加约束主轴箱立柱柱的热变形形分析网格划分主轴箱立柱柱的热变形形分析温度场分布布热变形分布布VM使能技术——加工过程仿仿真VM使能技术——虚拟测量VM使能技术——生产过程仿仿真虚拟使能技技术——虚拟现实技技术VR（Virtualreality）是在计算机图形形学、计算算机仿真技技术、人机机接口技术术、多媒体体技术以及及传感器技技术基础上发展展起来的一一门交叉技术。由计算机直直接把视觉觉、听觉和和触觉等多多种信息合合成，并提提示给人的的感觉器官官，在人的的周围生成成一个三维维的虚拟环环境，从而而把人、现现实世界和和虚拟空间间结合起来来融为一体体，相互间间进行信息息的交流和和反馈的技技术。VR又被称为幻幻境或灵境境技术。浸入性：用用户感到被被虚拟世界界包围，好好像完全融融入其中视觉觉浸浸入入：：使使用用者者可可以以亲亲身身体体验验虚虚拟拟环环境境真真实实直直观观的的试试图图触觉觉浸浸入入：：允允许许使使用用者者接接触触并并感感觉觉虚虚拟拟物物体体听觉觉浸浸入入：：模模拟拟人人耳耳感感受受声声音音方方式式，，提提供供真真实实声声音音嗅觉浸入、味味觉浸入：刚刚刚开始或尚尚未开始研究究交互性：用户户能通过自然然的动作与虚虚拟世界的物物体进行交互互作用构想性：在虚虚拟现实系统统中，帮助人人们获取知识识和形成新的的概念虚拟现实的基基本特征绿色制造与再再制造GreenManufacturing&Remanufacture前言:为什么要发展展绿色制造20世纪以前，人类生产生生活模式：“大量生产大量消费大量废弃”造成了全球规规模的环境与与资源问题。。环境、资源、、人口是当今今社会面临的的三大问题。。21世纪，绿色制制造势在必行行！优质、低耗、高效、清洁化产品退役的问问题－汽车目前美国有汽汽车1.7亿辆；欧洲1.5亿辆，亚洲整整体上相当；；1.5亿辆汽车排队队可绕地球10圈；1.5亿辆汽车排队队可以到达月月球。产品退役的问问题－电子产产品当第一个半导导体还在硅谷谷进行实验时时，谁会想到到数十年后个个人电脑（每每年6000万台）在数量量上达到并超超过汽车（每每年5000万台）。传统的再循环环过程报废产品的结结束回收汽车粉碎机的的进料与出料料报废产品的结结束回收汽车粉碎机后后的金属碎屑屑手工分拣非金属碎屑产品性能的80%是由设计阶段段决定。产品的环境性性能体现在产产品的全生命命周期在产品整个生生命周期内，，着重考虑产产品环境属性性（可拆卸性性，可回收性性、可维护性性、可重复利利用性等）并并将其作为设设计目标，在在满足环境目目标要求的同同时，保证产产品应有的功功能、使用寿寿命、质量等等要求。绿色设设计（（GreenDesign）即Reduce,Reuse,Recycle，减少少环境境污染染、减减小能能源消消耗，，产品品和零零部件件的回回收再再生循循环或或者重重新利利用。。绿色设设计3R原则绿色切切削技技术干切削削、少少切削削液的的切削削等绿色长长成技技术激光快快速成成型等等绿色加加工技技术绿色加加工工工艺技技术清洁的的能源源。清洁的的生产产过程程清洁的的产品品绿色生生产/清洁生生产(CleanerProduction)清洁能能源。。包括括开发发节能能技术术，尽尽可能能开发发利用用再生生能源源以及及合理理利用用常规规能源源。清洁洁生生产产过过程程。。包包括括尽尽可可能能不不用用或或少少用用有有毒毒有有害害原原料料和和中中间间产产品品。。对对原原材材料料和和中中间间产产品品进进行行回回收收，，改改善善管管理理、、提提高高效效率率。。清洁产品。。包括以不不危害人体体健康和生生态环境为为主导因素素来考虑产产品的制造造过程甚至至使用之后后的回收利利用，减少少原材料和和能源使用用。再制造的定定义废旧产品拆拆卸部分经过清清洗、检测测、翻新或或替换重新组装、、测试得到到新的产品品将废旧产品品制造成““如新产品品一样好””的再制造造产品的再再循环过程程。再制造产品品的质量和和性能可以以达到或超超过原型新新品，但成成本不超过过原型新品品的50％，可以节节能60％、节材70％，对环境境的不良影影响也显著著降低。因因为再制造造以废旧产产品的零部部件为毛坯坯，主要以以先进的表表面工程技技术为修复复手段，使使得废旧产产品不再““一扔了之之”。再制制造不仅可可使废旧产产品起死回回生，还可可很好地解解决资源节节约和环境境污染问题题再制造的条条件恢复产品的的技术条件件产品由可以以互换的组组件构成回收毛坯（（core）价格便宜宜产品生产技技术在产品品换代之前前比较稳定定庞大的市场场需求20世纪90年代，美国国提出3R体系（Reuse再利用、Recycle再循环、Remanufacture再制造）。。以徐滨士士院士为代代表的中国国学者也提提出4R体系（Reduce减量化、Reuse再利用、Recycle再循环、Remanufacture再制造）。。再制造关键键技术表面工程技技术寿命评估技技术将废旧产品品制造成““如新产品品一样好””的再制造造产品的再再循环过程程。变单纯的废废物处置为为再制造再制造实例例墨盒，碳粉盒汽车整体再再制造车轮再制造造:打磨翻新机械加工修配电镀焊接

再制造前的发动机再制造后的发动机

首先对报废发动机的曲轴等关键零部件进行剩余寿命评估，再由热喷涂、纳米电刷镀等技术完成表面修复，而后进行精加工、更换标准件、装配、加注纳米自修复添加剂、试车等，直至出厂。流程工业绿绿色化高炉转炉连铸热连轧冷连轧产品焦化烧结120万吨废钢800~1000万吨钢铁厂厂发电厂煤气120万KW水泥厂废渣300万吨14~28万吨废塑料智能制造系系统A-ManufacturingSystems智能算法为了找出地地球上最高高的山，一一群有志气气的兔子们们开始想办办法。1．兔子朝着着比现在高高的地方跳跳去。他们们找到了不不远处的最最高山峰。。但是这座座山不一定定是珠穆朗朗玛峰。这这就是局部搜索索，它不能保保证局部最最优值就是是全局最优优值。2．兔子喝醉醉了。他随随机地跳了了很长时间间。这期间间，它可能能走向高处处，也可能能踏入平地地。但是，，他渐渐清清醒了并朝朝最高方向向跳去。这这就是模拟拟退火。3．兔子们吃吃了失忆药药片，并被被发射到太太空，然后后随机落到到了地球上上的某些地地方。他们们不知道自自己的使命命是什么。。但是，如如果你过几几年就杀死死一部分海海拔低的兔兔子，多产产的兔子们们自己就会会找到珠穆穆朗玛峰。。这就是遗遗传算法。。4.兔子们知道道一个兔的的力量是渺渺小的。他他们互相转转告着，哪哪里的山已已经找过，，并且找过过的每一座座山他们都都留下一只只兔子做记记号。他们们制定了下下一步去哪哪里寻找的的策略。这这就是禁忌忌搜索。可重构制造造系统Re-configurableManufacturingSystemsRMS形成的市场场和技术环环境(续)通用机床组组成的生产产线----生产效率较较低工序分散的的加工方式式和工序间间物流输送送的等待时时间导致生生产效率较较低已有的制造造系统存在在的主要问问题:RMS形成的市场场和技术环环境(续)专用机床和和组合机床床的自动生生产线----平均利用率率低据统计国外外汽车零件件制造的自自动生产线线的平均利利用率仅达达53%（Prof.M.Matta),我国汽车行行业的机械械加工自动动线的利用用率约为40~60%。RMS形成的市场和和技术环境(续)柔性制造系统统---冗余的功能和和高的投资统计美国、欧欧洲和亚洲的的22个国家370家制造厂，近近乎80%的加工中心只只利用其20%的功能（Prof.H.Schalz)1.2RMS的基本需求快速组成对更更新产品的批批量生产能力力能无缝地缩放放生产规模方便地组织多多品种工件的的混流生产或或并流生产低的重组费用用和高的生产产效率短的试生产期期和稳定的加加工质量目标：快速响应市场场需求降低投资风险险方便进行技术术升级2RMS的基本构架和和主要特征每种零件用一一条专用生产产线加工零件P11Part零件P11PartP11(零件族F1)（PartFamilyF1）加工方案MachiningSolutionC11专用机床SpecialMachineToolsTL11零件PmnPartPmn(零件族Fm)（PartFamilyFm）加工方案MachiningSolutionCmn专用机床SpecialMachineToolsTLmn零件PmnPartCAD数据

工艺设计

机床设计

固定式生产线

成品CADData

ProcessPlanningMachineToolsDesignDedicatedLineProduct专用的制造系系统2.1RMS的构架特点一族（组）零零件用一条柔柔性制造系统统加工

CAD数据

CAM柔性生产线

成品

CADDataFlexibleManufacturingLineroduct

P11…P1n零件族F1PartFamilyF1P11…P1nNC程序NCPrograms11～1nFMS1/FML1DesignandProcessControl设计和运行零件族FmPartFamilyFmPm1…PmnNC程序NCProgramsm1～mnFMSm/FMLmDesignandProcessControl设计和运行

Pm1…Pmn柔性制造系统统RMS的构架特点(续)P11P1nPm1Pmn零件族PartFamilyF1～Fm零件PartsP11…P1nPm1…Pmn零件族加工方案MachiningSolutionforPartFamiliesC1～Cm系统级组态机床为单元的布局调整和运行System-LevelConfiguration机床级组态模块为单元的机床调整和运行Machine-LevelConfigurationNC程序NCPrograms11…mn4R1C过程效应建模及控制M