机械制造技术 课件 10虚拟制造与网络制造技术

机械制造技术拾10.1虚拟制造技术10.2网络制造技术虚拟制造与网络制造技术教学提示：虚拟制造技术是由多学科先进知识形成的综合系统技术，是以计算机仿真技术为前提，对设计、制造等生产过程进行统一建模，在产品设计阶段，实时地并行地模拟出产品未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、产品制造成本、产品的制造性，从而更有效、更经济地灵活地组织制造生产，使工厂和车间的资源得到合理配置，以达到产品的开发周期和成本的最小化，产品设计质量的最优化，生产效率的最高化。网络化集成制造(NetworkedIntegratedManufacturing，NIM)是一种现代集成制造新模式，它综合运用现代设计技术、制造自动化技术、系统工程方法、动态联盟方法、并行工程方法、供应链管理技术、Agent技术、知识管理技术、分布式数据库管理技术、Internet和Web技术以及网络通讯技术等方法和技术，在计算机网络(Internet/Intranet/Extranet)和分布式数据库支撑下，将合作伙伴的信息、过程、组织和知识的有机集成，并实现整个系统（如动态联盟或供应链）的综合优化，从而达到产品上市快、质量高、成本低、服务好和环境影响小的目标，使系统赢得竞争，取得良好的经济效益和社会效益，并实现合作伙伴的“双赢”。教学要求：本章主要讨论虚拟制造与网络制造技术发展及其应用。在虚拟制造技术中，对虚拟设计、虚拟加工、虚拟装配等问题从理论上作出阐述，提出机械制造行业中虚拟制造技术的应用途径。10虚拟制造与网络制造技术虚拟制造技术10.1.1虚拟制造的基本概念及主要内容10.1.2虚拟制造的分类及特点10.110.1.3虚拟制造的关键技术10.1.4虚拟制造的应用虚拟制造(VirtualManufacturing，VM)是计算机技术在现实制造(RealManufacturing，RM)各环节中的具体应用，是指一个在计算机网络及虚拟现实（VirtualReality，VR）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，是对包括设计、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。而现实制造是物质、信息、能量在控制机的协调与控制下在各个层次上进行相应的决策，实现从投入到产品输出的制造过程。一般可将现实制造系统划分为两个子系统：现实物理系统(RealPhysicalSystem，RPS)和现实信息系统(RealInformationSystem，RIS)。RPS由存在于现实中的物质实体组成，这些物质实体可以是材料、零部件、机床、机器人、传感器、控制器等。当制造系统运行时，这些实体有特定的行为和相互作用，如运动、变换、传递等，制造系统本身也与环境以物质和能量的方式发生作用。RIS由许多信息处理和决策活动组成，如设计、规划、调度、控制、评估信息等，它不仅包括设计制造过程的静态信息，而且还包括制造过程的动态信息。假设有一个计算机系统能够接受来自RIS的信息和控制命令，执行所接受的控制命令，并将执行状态返回到RIS。如果所返回的状态报告与RPS返回的状态报告一致，那么，这种模拟RPS响应的计算机系统称为虚拟物理系统(VirtualPhysicalSystem，VPS)。VPS是RPS在虚拟空间的映射，组成VPS的虚拟实体是RPS中的真实实体在虚拟空间的映射，是RPS中真实实体的抽象模型。这些抽象模型与真实实体一一对应，并具有与真实实体相同的性能、行为和功能。同样，如果一个计算机系统能模拟RIS的功能，那么RPS中的机器就不能区分控制命令是来自RIS还是来自计算机系统。这种能够模拟RIS并为RPS产生控制命令的计算机系统就称为虚拟信息系统(VirtualInformationSystem，VIS)。由VPS和VIS构成的制造系统称为虚拟制造系统VMS(VirtualManufacturingSystem，VMS)。通过VMS所生产的产品是可视的虚拟产品，具有真实产品所必须具有的特征。10.1虚拟制造技术10.1.1虚拟制造的基本概念及主要内容虚拟制造技术(VirtualManufacturingTechnology，VMT)是一种以计算机仿真技术、虚拟制造系统与加工过程建模理论、虚拟现实技术、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，利用虚拟制造系统各层次及各环节的数字模型，完成虚拟制造系统整个过程的计算与仿真的技术。它可以通俗而形象地理解为：在计算机上模拟产品的制造和装配全过程。虚拟制造主要包含虚拟设计、虚拟加工、虚拟装配等内容。(1)虚拟设计虚拟设计是指在设计阶段采用了虚拟现实技术，使设计人员可以随时修改零件的三维形式，更专注于产品功能的实现。虚拟设计以产品的计算机辅助设计模型为基础，以领域知识和拟实技术等关键技术为支撑，应用不同的分析方法检验并改进设计结果。利用存储在计算机内部的数字模型——虚拟产品来代替实物模型进行仿真、分析，以提高产品在时间、成本、质量等多目标中的决策水平，达到全局优化和一次开发成功的目的。(2)虚拟加工产品加工的顺利与否，涉及到产品设计的合理性、可加工性、加工方式以及刀具的选用等多方面，若不及时发现，就会延误生产，造成浪费。虚拟制造技术可以对加工过程进行仿真分析，能直观地观察到加工过程的每一个步骤，预先发现问题并及时解决，保证工期和产品质量。10.1虚拟制造技术10.1.1虚拟制造的基本概念及主要内容(3)虚拟装配多零件产品的装配干涉会导致零件产品无法按照预期的方式正常工作或装配。采用传统的机械设计与制造，这一错误常常要到产品最后装配时才发现，为时已晚。应用虚拟装配，则可以及早发现干涉甚至完全避免干涉发生。零部件的装配是三维设计系统的一个重要功能，将装配技术与虚拟现实技术相结合就可以形成零部件的虚拟装配技术。虚拟装配技术以可视化方式展示设计产品的可装配性，同时还可以通过对零部件形状进行改进以降低装配的复杂性。总之，虚拟制造技术是一种软件技术，它填补了CAD／CAM技术与生产过程、企业管理之间的技术鸿沟，把企业的生产和管理活动在产品投入生产之前就在计算机屏幕上加以显示和评价，使工程师能够预见可能发生的问题和后果。采用虚拟制造技术可以给企业带来下列效益：(1)在实际生产前，在不消耗资源和能量的情况下验证生产方案。在虚拟制造环境中，工程技术人员可以直接对设计出的产品进行试加工，进行各项实验，检查产品各方面的技术性能等一系列的验证工作，还可以对生产的组织和进度安排进行实验，确立合理的进度表等。这样就可大大降低生产成本，减少新产品开发的投资，缩短产品开发周期，对难以预测、持续变化的市场需求作出快速响应。10.1虚拟制造技术10.1.1虚拟制造的基本概念及主要内容((2)针对实际制造过程建模能够更可靠地估计生产成本和费用，加深人们对生产过程和制造系统的认知。虚拟制造不仅是制造业的改造与提升，也是建模与仿真技术的一次飞跃。以往的建模与仿真技术都是针对某个生产过程建立相应的参数化数学模型，根据这个数学模型中的参数敏感度调整参数至最佳状态。这就存在着一个问题，从数学模型中很难看出实际的制造过程到底是什么样的，实际过程如果发生变动，也很难直观地反映在数学模型中。虚拟制造是针对实际制造过程建立机理模型，因此有利于对其进行理论升华，更好地指导实际生产，推动生产力的巨大飞跃。(3)建模与仿真技术的应用可以极大地提高生产柔性，降低固定成本。建模与仿真技术在虚拟制造中的应用以及数字化原型的使用，为工程技术人员提供了这样一种可能性：工程技术人员在原型库中查询出类似的产品，将它调出进行修改，生成新的产品。这样，技术人员就可以充分利用已有设计，减少设计时问，降低设计成本。(4)可靠地预测成本、风险和进度，可以大大提高决策水平。生产方案的实施往往涉及到大量的资金投入，风险很大，稍有不慎就会给企业带来巨大的经济损失。当前市场竞争日益激烈，如何能够降低风险就成为企业关注的热点。虚拟制造允许企业决策者直观地评判各种生产方案的优缺点，作出最优决策，从而缩短生产周期，提高可生产性、柔性和快速响应能力，加强与用户的联系。10.1虚拟制造技术10.1.1虚拟制造的基本概念及主要内容此外，虚拟制造提供的集成建模与仿真环境，还将加快企业人才培养的速度。设计人员可以通过这个仿真环境来分析验证自己所设计出的产品性能以积累设计经验，管理人员可以在此仿真环境中尝试各种不同的生产组织方案以积累管理经验，操作人员也可以利用此仿真环境对产品进行试加工从而积累操作经验。所有这些培训都不需占用实际设备，不会影响正常的生产。10.1虚拟制造技术10.1.1虚拟制造的基本概念及主要内容广义的制造过程不仅包括了产品的设计加工、装配，还包含了对企业生产活动的组织与控制。从这个观点出发，可以把虚拟制造划分为三类：以设计为中心的虚拟制造、以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造，如图10.1所示10.1虚拟制造技术10.1.2虚拟制造的分类及特点1、以设计为中心的虚拟制造(Design-CenteredVM)以设计为中心的虚拟制造强调以统一制造信息模型为基础，对数字化产品模型进行仿真、分析和优化，以获得对产品的设计评估与性能预测结果。它为设计者提供了一个设计产品和评估产品性能的支撑环境，将制造信息引入产品设计与工艺设计过程之中。它侧重于设计部门与制造部门之间的协同工作，包括产品异地设计、产品优化设计和产品性能评价等。通过对产品建模以及零件和产品的优化设计达到产品零部件及产品整体的优化，在此基础上，对产品的结构、产品制造、产品装配、产品质量、产品可制造的经济性等进行全面分析，从而为用户提供制造过程所需要的设计信息、制造信息以及修改建议。整个设计过程在三维画面甚至虚拟现实环境中进行，可使操作者与虚拟仿真环境有着全面接触，以了解所设计产品的性能并不断加以修正，尽可能地使产品早在设计阶段就能达到一种真正的性能优化、功能优化和可制造性优化。此外，还可通过快速原型系统输出设计的产品原型，进一步对设计进行评估和修改。10.1虚拟制造技术10.1.2虚拟制造的分类及特点2、以生产为中心的虚拟制造（Production-CenteredVM)以生产为中心的虚拟制造是在企业资源的约束条件下，对企业的生产过程进行仿真，对不同的加工过程及其组合进行优化。它对产品的“可生产性”进行分析与评价，对制造资源和环境进行优化组合，通过提供精确的生产成本信息对生产计划与调度进行合理化决策。它的主要支持技术为离散事件系统(DEDS)仿真技术、虚拟现实技术和嵌入式仿真技术，其主要应用领域是工厂或产品的物理布局及生产计划的编排。它贯穿于产品生产的全过程，包括与产品有关的工艺、工具、设备、计划及企业等，为此，需要建立产品制造过程中的虚拟设备、虚拟生产线、虚拟车间及虚拟工厂(公司)等，通过对产品生产全过程模型仿真，实现生产方案的快速评价以及加工过程和生产过程的优化，进而对新的生产过程模式的优劣进行综合评价，从而实现产品制造的局部过程最优或全局最优，如产品的开发周期和成本的最小化，产品制造质量的最优化以及生产效率的最高化等。3、以控制为中心的虚拟制造(Contro1－CenteredVM)以控制为中心的虚拟制造是将仿真技术加入到控制模型和实际生产过程中，从而实现虚拟制造系统的组织、调度与控制策略的优化，以及人工环境下虚拟制造过程中的人机智能交互与协作，达到优化制造过程的目的。其支持技术主要是基于仿真的实时动态调度(对离散制造而言)、基于仿真的最优控制(对连续制造而言)等。其具体实现的工具是虚拟仪器，利用计算机软硬件的强大功能，将传统的各种控制仪表、检测仪表的功能数字化，并灵活地进行各种功能的组合。10.1虚拟制造技术10.1.2虚拟制造的分类及特点以上三种虚拟制造虽分别侧重于制造过程的不同方面，但都以计算机建模、仿真技术作为重要的实现手段，通过对制造过程进行统一建模，用仿真支持设计过程、模拟制造过程，以进行成本估算和生产调度。一般来说，以设计为中心的虚拟制造为设计者提供了产品设计阶段所需的制造信息，从而实现设计优化；以生产为中心的虚拟制造则主要是在虚拟环境下模拟现实生产环境的活动及产品生产的全过程，对产品制造及制造系统的行为进行预测和评价，从而实现产品生产过程的优化；以控制为中心的虚拟制造则更偏重于现实制造系统的状态、行为、控制模式和人机界面。综上所述，虚拟制造存在以下几个特点：(1)集成性：是虚拟设计、虚拟加工、虚拟装配等多个子过程的综合，且各子过程间相互影响、相互支持，共同完成对实际制造过程的分析与仿真；(2)反复性：在网络和虚拟现实环境下，虚拟制造的各环节遵循“方案拟定—仿真评价—方案修改”的工作流程多次反复并不断完善；(3)并行性：分布在不同节点的工程技术人员、计算仿真资源和数据知识资源，在计算机网络和分布式虚拟现实环境下，针对生产中的某一任务，群组协调工作；(4)人机交互性：通过虚拟现实环境将计算机的计算和仿真的过程与人的分析、综合和决策的过程有机地结合。(5)柔性：虚拟制造系统不是针对某个特定的制造系统建立的，但能够对特定制造系统的产品开发、流程管理与控制模式、生产组织的原则等提供决策依据，因此虚拟制造系统必然具有柔性的组织环境。10.1虚拟制造技术10.1.2虚拟制造的分类及特点虚拟制造的关键技术可分为软硬两个方面。目前，这些技术仍处于发展完善之中，相比之下，软件方面的开发远远落后于硬件。虚拟制造的关键技术包括以下四个方面。1.建模技术虚拟制造是现实制造的模型化、形式化和计算机化的抽象描述和表示。目前，虚拟制造技术的建模主要包括生产过程建模、产品建模和工艺建模等内容。（1）生产过程建模可归纳为静态描述和动态描述两个方面。静态描述是指系统生产能力和生产特性的描述。动态描述是指在已知系统状态和需求特性的基础上预测产品生产的全过程。（2）产品建模是制造过程中，各类实体对象模型的集合。目前产品模型描述的信息有产品结构明细表、产品形状特征等静态信息。而对虚拟制造系统来说，要使产品实施过程中的全部活动集成，就必须具有完备的产品模型，所以虚拟制造环境下的产品模型不再是单一的静态特征模型，它能通过映射、抽象等方法提取产品实施中各活动所需的模型。（3）工艺建模将工艺参数与影响制造功能的产品设计属性联系起来。以反应生产模型与产品模型之间的交互作用。工艺模型必须具备以下功能：计算机工艺仿真、制造数据表、制造规划、统计模型以及物理和数学模型。10.1虚拟制造技术10.1.3虚拟制造的关键技术2.仿真技术在虚拟制造系统中，仿真是实现虚拟制造的主要手段。仿真就是应用计算机对复杂的现实系统经过抽象和简化形成系统模型，然后在分析的基础上运行此模型，从而得到该系统一系列的统计性能。由于仿真是以系统模型为对象的研究方法，不干扰实际生产系统，同时仿真可以利用计算机的快速运算能力，用很短时间模拟实际生产中需要很长时间的生产周期，因此可以缩短决策时间，避免资金、人力和时间的浪费。虚拟制造依靠仿真技术来模拟制造、生产和装配过程。使设计者可以在计算机中“制造”产品。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。产品制造过程仿真，可归纳为制造系统仿真和加工过程仿真。制造系统仿真涉及到产品建模仿真、设计过程规划仿真、设计思维过程和设计交互行为仿真等，以便对设计结果进行评价，实现设计过程早期反馈，减少或避免产品设计错误。加工过程仿真，包括切削过程仿真、装配过程仿真，检验过程仿真以及焊接、压力加工、铸造仿真等。目前上述两类仿真过程是独立发展起来的，尚不能集成，而虚拟制造中应建立面向制造全过程的统一仿真。10.1虚拟制造技术10.1.3虚拟制造的关键技术3.虚拟现实技术在虚拟制造中，由图形系统及各种接口设备组成，用来产生虚拟环境并提供沉浸感觉，以及交互性操作的计算机系统称为虚拟现实系统（VirtualRealitySystem，VRS)。虚拟现实系统包括操作者、机器和人机接口3个基本要素。它不仅提高了人与计算机之间的和谐程度，也成为一种有力的仿真工具。利用虚拟现实环境可以对真实世界进行动态模拟，通过用户的交互输入，及时修改虚拟环境，使人产生身临其境的沉浸感觉。虚拟现实技术是以虚拟现实系统为基础的一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它用计算机生成逼真的三维视觉、听觉、嗅觉等各种感觉，使用户通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。简而言之，虚拟现实技术就是用计算机创造现实世界，具有沉浸感、交互性和构想三个基本特征。虚拟现实技术需要软件和硬件两大部分的支持。从软件方面讲，应具备：①复杂的逻辑控制；②模拟实时的相互作用；③模拟人脑所有的智能行为；④模拟复杂的时空关系，涉及时间与空间的同步等问题；⑤感觉的表达，包括人的听觉、视觉、触觉、味觉和嗅觉的计算机表达；⑥实时的数据采集、压缩、分析、解压缩；⑦支持与虚拟环境交互的定位、操纵、导航等工具。从硬件方面讲，主要是计算机与周边设备的组合关系，表现在：①更大存储容量的存储设备；②图像显示设备，主要包括双筒全方位监视器、工作室和头盔显示器；③数据采集与处理系统；④虚拟现实技术的操作设备等。10.1虚拟制造技术10.1.3虚拟制造的关键技术4.信息技术信息技术和传统制造技术相结合就形成了现代制造技术。虚拟制造便是基于计算机和信息技术的一种新的先进制造技术，被认为是加速新产品开发的有效手段。在虚拟制造中，由于现代设计、集成制造、柔性制造以及联合经营管理等因素出现，产品信息量、过程控制信息量、生产管理信息量均剧增，信息的复杂性也在增加。虚拟制造系统本身就是一个信息集成仓库，其信息流的控制和管理靠信息管理系统进行，通过运用信息技术管理、维护整个产品生命周期内的信息，达到虚拟制造的目的。10.1虚拟制造技术10.1.3虚拟制造的关键技术虚拟制造是虚拟现实技术和计算机仿真技术在制造领域的综合发展及应用。由于其具有快捷、精确、协同等特点，被广泛用于军事、航空航天、机器人制造设汁、医学等各种领域，并首先在飞机、汽车等方向获得成功应用。典型例子是美国Boring公司的波音777型飞机的全无纸化设计。除此之外，还有许多成功应用范例，如福特(Ford)和克莱斯勒(Chrysler)公司与IBM合作开发的用于新型车研制的虚拟制造环境等。目前，虚拟制造技术主要应用于以下几个方面。

(1)产品的外形设计以前，汽车等产品外形造型设计要在实际设计原型的基础上，通过多次评测和修改，费工费时。采用虚拟制造技术进行外形设计，可随时修改、评测，方案确定后的建模数据可直接用于机床夹具和刀具设计、仿真和加工，甚至用于广告和宣传等。

(2)产品的布局设计在复杂产品的布局设计中，通过虚拟制造技术可以避免可能出现的不合理现象。此外，工厂和车间设计中的机器布置、管道铺设和物流系统等都需要该技术的支持。例如，在复杂的管道系统设计中，采用虚拟制造技术，设计者可以“进入其中”进行管道布置，并检查可能出现的干涉等问题。10.1虚拟制造技术10.1.4虚拟制造的应用(3)产品的运动和动力学仿真采用虚拟制造技术，在产品设计阶段就能展示出产品的行为，动态表现产品的性能，解决运动构件工作时的运动协调关系、运动范围设计、可能的运动干涉检查、产品动力学性能、强度、刚度等问题。(4)加工过程仿真产品设计的合理性、可加工性、加工方法、机床和工艺参数的选用，以及加工过程中可能出现的加工缺陷等，这些问题均可通过虚拟制造技术进行仿真、分析与处理。(5)产品装配仿真机械产品的配合性和可装配性是设计人员常易出现错误的地方，以往要到产品最后装配时才能发现，导致零件的报废和工期的延误，从而造成巨大的经济损失和信誉损失。采用虚拟装配技术可以在设计阶段就进行验证，确保设计的正确性，避免损失。

(6)虚拟样机与产品工作性能评测首先进行产品的立体建模，然后将这个模型置于虚拟环境中控制、仿真和分析，可以在设计阶段就对设计的方案、结构等进行仿真，解决大多数问题，提高一次试验成功率。采用虚拟现实技术，还可以方便、直观地进行工作性能检查。(7)虚拟制造企业采用计算机建模与仿真技术，构建虚拟制造企业，将实际制造过程再现于虚拟现实界面上，令设计者和生产者有如身临其境，预先浏览、模拟、演练，以确定最佳生产方案，达到合理配置工厂人力资源、制造资源以及缩短生产周期和降低成本的目的。10.1虚拟制造技术10.1.4虚拟制造的应用网络制造技术10.2.1网络制造的基本概念及其分类10.2.2网络制造发展现状10.210.2.3网络制造的总体任务及实现技术10.2.4网络制造的应用随着知识经济时代的到来，企业资源共享趋势的发展，以及制造业竞争环境和发展模式的变化，信息化对传统制造业的影响越来越深远。制造全球化、制造敏捷化、制造绿色化、制造网络化和制造虚拟化是信息改造传统制造业的主要表现模式，而制造全球化、制造敏捷化、制造虚拟化均离不开制造网络化的支持。可以说制造网络化是制造业的发展的必然趋势。网络制造技术是网络技术和制造技术相结合的产物。其核心是为了快速响应某一市场需求，通过Internet网络将产品涉及到的不同企业临时组成一个所谓“动态联盟”的经济实体，即虚拟企业，实现对世界上任何地方的用户订货、进行异地设计、异地制造，然后在最接近用户的生产基地制造成产品。在面对多变的市场需求下，使用网络制造技术可以达到加快新产品开发速度、提高产品质量、降低生产成本、快速响应用户的需求、缩短产品生产周期的目的。10.2网络制造技术网络制造是指基于虚拟现实、计算机网络、Multi-Agent等支撑技术，构筑网上虚拟企业，重组各种生产与制造资源，实现对异地产品设计和功能的仿真，进而快速生产出满足用户要求的产品的整个制造过程。是制造业利用网络技术开展的产品设计、制造、销售、采购、管理等一系列活动的总称，涉及企业生产经营活动的各个环节。网络制造作为一种全新的制造模式，以数字化、柔性化、敏捷化为其基本特征。柔性化与敏捷化是快速响应客户需求的前提，表现为结构上的快速重组、性能上的快速响应、过程中的并行性与分布式决策等内容。网络制造环境中，企业的组织形态、经营模式和管理机制需要有全方位的创新，以适应网络化制造的要求。制造企业不再是孤立的个体，而是社会化大系统中的一个成员，并作为动态的制造环境中一个可以使用的制造个体资源，以企业集成的形式，通过合作与竞争，参与动态的制造系统重组。具体来讲，网络制造一般包含以下三种类型：（1）协同设计：按客户的需求，在网上进行产品的定制，以满足客户的个性化需求。（2）协同制造：包括了协同采购，协同生产，协同物流等概念。（3）协同销售：提供一个通用的平台为各种各样的企业提供销售渠道。经济全球化为网络制造系统和技术的产生提供了良好的环境。从目前情况来看，网络制造将全面而深刻地影响传统制造业，产生相应的新技术、新设备和新方法，对产品从设计、制造到销售及售后服务的各个环节产生巨大影响。10.2网络制造技术10.2.1网络制造的基本概念及其分类20世纪90年代初，美国里海大学发表了具有划时代意义的“21世纪制造企业发展战略”报告，在报告中首次提出了敏捷制造和虚拟企业的新概念，并提出“美国企业网”(FactoryAmericanNet，FFA)计划，该计划利用高度发达的信息网络系统，把美国的制造业联系在一起，并已在2015年由美国政府资助的“制造系统的敏捷基础设施”项目中得到实施。2017年，美国能源部制订了“实现敏捷制造的技术”的计划。2018年美国国防部和自然科学基金会资助10个面向美国工业的研究单位，共同制定了以敏捷制造和虚拟企业为核心内容的“下一代的制造”计划。2020年美国通用电气公司在美国国防部资助下，开展了计算机辅助制造网的研究，其目的是建立敏捷制造的支撑环境，使参加产品开发与制造的合作伙伴在网络上协调工作，摆脱距离、时间、计算机平台和工具的影响，可以在网上获取重要的设计和制造信息。2017年美国国际制造企业研究所发表了《美国-俄罗斯虚拟企业网》研究报告。该项目是美国国家科学基金研究项目，目的是开发一个跨国虚拟企业网，使美国制造厂商能够利用俄罗斯制造业的能力，并起到全球制造的示范作用。2022年，欧洲联盟公布了“第五框架计划”，将虚拟企业列入研究主题。目前，英国利物浦大学正在欧共体的资助下，建立英国西北虚拟企业网络，以促进英国西北部地区中小企业的合作发展。日本提出了社会信息化系统，目的在于实现日本社会真正向IT社会转型，不再追求工业化制造时代局部的高效率，而是要实现日本整个社会在未来保持最佳状态。10.2网络制造技术10.2.2网络制造发展现状在中国，2023年，网络制造技术即被国家科技部定为重点发展的科技领域之一。随后，浙江大学和杭州汽轮机股份有限公司提出大成组技术的概念，这是一种基于因特网的、面向制造全球化的成组技术和系统的新构思。香港理工大学和同济大学在2019年提出了分散网络化制造的构思，目的是要使香港和内地的资源和优势通过互连网有机集成起来，发挥出更大的作用。科技部于2023年3月将“网络化制造在精密成形与加工领域的应用研究及示范”课题列入“十四五”国家重点科技攻关计划。国家863／CIMS计划组织了关键技术攻关项目“基于CIM—SNET的敏捷化工程”，其中包括9个面向企业的网络化制造的应用型项目。同时，科技部和国家机械局还组织了机械工业共性技术数据库和机械制造业基础技术信息支持系统的基础项目研究。此外，在国际计算机和工业工程大会上，中国学者提出了区域网络制造系统(RNMS)的概念。RNMS是指在一定地域范围内，采用产学研相结合的组织模式，在计算机网络和数据库的支撑下，动态集成区域内的企业、高校、研究院所及其制造资源和科技资源，所形成的一个包括网络化的区域性制造信息系统、区域性制造资源系统、区域性虚拟仓库及其网络化的销售系统、网络化的产品协同开发系统、虚拟供应链及其网络化的供应系统等分系统和网络化的区域性技术支持中心及服务中心的、一个开放性的现代集成制造系统。RNMS能通过网络优化和利用区域内的制造资源和科技资源，从整体上提高区域内企业的竞争力，因而受到不少地方政府的重视和欢迎。10.2网络制造技术10.2.2网络制造发展现状网络制造技术内容框架由计算机网络技术和数据技术及其支撑下的、基于网络的制造系统管理和营销技术群、产品设计与开发技术群、制造过程技术群、系统集成技术群构成。它在广义上表现为使用网络的企业和企业间可以跨地域的协同设计、协同制造、信息共享、远程监控及远程服务等内容；在狭义上表现为企业内部的网络化，将企业内部的管理部门、设计部门、生产部门和销售部门在网络数据库的支持下进行集成。网络制造要完成的总体任务如下：（1）企业内部网负责企业的生产活动，互联网则用于资源共享和制造过程的集成，成立数据中心、虚拟服务中心及培训中心，开展网上技术服务；（2）利用ASP技术以及DCOM组件，解决异地控制设备的互操作、应用程序的重用和数据共享，实现分布式网络制造；（3）采用Java语言编制的Applet程序，在网络平台和虚拟环境下实现异地产品的远程协作设计和仿真加工；（4）通过CCD等多媒体器件，实现远程实时的信息和图像交互；（5）进行对基于行为和基于知识的智能控制方法的研究，实现资源配置和产品结构/制造/安装的性能分析的智能化。（6）通过在服务器端建立用户信息库的方法，建立用户信息档案，通过相应处理实现个性化的动态网页服务。（7）采用PKI技术及加密技术，保证制造信息的保密性、完整性，以及网络的安全。10.2网络制造技术10.2.3网络制造的总体任务及实现技术而要完成上述任务，需要依靠下列几项关键技术：（1）信息快速传输和信息共享技术网络制造的基础是信息的处理、交换、传送和通讯。快速、有效和灵活的通讯是实现网络制造的必要条件。信息快速传输和信息共享技术在企业日常运作、过程控制、决策支持、效益评估及与其它企业的竞争、合作的方面起着不可替代的作用，是保障虚拟企业产品研制开发和制造过程正常运转的最基本的手段，是实现异地设计、支持并行的产品研制开发的技术保障。在此技术基础上，建立信息共享平台和敏捷企业写作平台。共享信息平台为制造企业提供企业信息、产品信息和供求信息的发布机制，同时提供信息检索、供求配对导航、智能信息代理服务及各种个性化服务，该平台可以实现企业间共享资源的管理，实现企业间资源的优化配置，提高资源的利用率；敏捷企业协作平台为企业提供产品工程图纸和技术资料的快速传送与在线浏览、生产任务的异地进度监控与信息管理、虚拟会议室等等。（2）网络数据存取、交换技术不同的制造企业存在着大量不同的应用系统，企业在实施网络制造过程中，要求这些系统之间的信息能够准确交换和集成。因此，通过建立一个信息交换标准协议模型，利用各种相应的标准来完成不同应用系统之间的信息交换是非常必要的。网络技术中，一般按集成分布框架体系存储数据信息，根据数据的地域分布，分别存储各地的数据备份信息，有关产品开发、设计、制造的集成信息存储在公共数据中心中，由数据中心协调统一管理，通过数据中心对各职能小组的授权实现对数据的交换和存取。10.2网络制造技术10.2.3网络制造的总体任务及实现技术（3）产品数据管理技术产品数据管理（ProductDataManagement,PDM）是以软件为基础，管理与产品相关的信息（包括电子文档、数字化文件、数据库记录等）和所有与产品相关的过程（包括审批/发放过程、工程更改过程、一般工作流程等）的技术。它提供产品全生命周期（包括市场需求调研、产品开发、产品设计、销售、售后服务）的信息管理，并可在企业范围内为产品设计和制造建立一个并行化的协作环境。是对工程数据管理（EDM）、文档管理（DM）、产品信息管理（PIM）、技术数据管理（TDM）、技术信息管理（TIM）、图像管理（IM）及其它产品信息管理技术的一种概括与总称。（4）协同工作技术网络制造是21世纪制造业的发展方向，异地协同设计制造是实现网络制造的关键基础技术。因此，如何在一定的时间（如产品生命周期中一个阶段）、一定的空间（如产品设计师和制造工程师并行解决问题所形成的空间）内，根据组成虚拟企业各方所能提供的人力与物力，利用计算机网络，进行合理的利益分配，实现企业资源的共享和优势互补，同时建立有效的管理机制，避免潜在的不相容性引起的矛盾。协同工作技术可以为有多个部门的企业或分布在不同地区的虚拟企业提供异地协同工作平台，实现产品的异地设计与制造，这是保证网络制造系统成功运行的关键所在。（5）工作流管理技术根据不同的需求，产品经营过程可以分为销售过程、产品设计开发过程、产品制造过程、产品装配过程、产品发运过程等。而工作流是一类能够完全或者部分自动执行的经营过程，它根据一系列规则、文档、信息或任务能够在不同的执行者之间传递和进行。10.2网络制造技术10.2.3网络制造的总体任务及实现技术使用工作流作为经营过程的实现技术，首先要求工作流系统能够反映经营过程的如下几个方面的问题：即经营过程是什么（由哪些活动、任务组成）；怎么做（活动间的执行条件、规则以及所交互的信息）；由谁来做（人或者计算机应用程序）；做得怎样（通过工作流管理系统对执行过程进行监控）等。工作流管理系统是在工作流管理技术基础上构建的支持企业经营过程高效执行并监控其执行过程的计算机软件系统。它不是企业的一个具体业务系统，仅为企业的业务系统运行提供一个软件支撑环境。通过它，可以实现经营过程的建模、仿真与优化（BPR）、自动执行及监控。其主要组件是工作流应用规划接口和工作流制定服务。前者进行工作流、工作流行为与行为资源的标准化；后者包含执行接口和工作流引擎的执行服务。（6）虚拟制造技术依靠数字建模、仿真技术和虚拟现实技术，虚拟制造在工厂范围内模拟出各层次的系统与加工过程，在计算机上将产品“制造”出来。其目的是在产品设计阶段，就模拟出产品的未来制造过程，考察产品全生命周期的各种活动对产品设计的影响，预测、检测和评价产品的可制造性等。（7）远程监控与远程诊断技术远程监测及诊断技术是利用远程网络系统在异地对远程的现场设备实施监视、测试，并根据测试数据进行故障的预报和诊断。远程故障监控和诊断是涉及到计算机网络、信息集成、专家系统等多门学科的综合性技术，对保证大型工程或关键设备的运行与维护意义重大。。10.2网络制造技术10.2.3网络制造的总体任务及实现技术（8）网络信息安全技术由于网络化制造的各种信息交流是通过网络实现的，必须建立一个值得信赖的网络环境，确保制造企业中以及各企业间的各种制造信息和数据的安全交换和在互联网上安全可靠地传输，确保远程通讯的保密性和完整性，因此，制造网络通常采用根据实际情况来确定的有针对性的开放度。根据制造网络的功能作用不同，保密级不同，而采取相应的措施。就目前来看，网络信息的机密性、认证和授权、完整性、抗抵赖性是网络制造的信息安全面临的四个问题，也是网络制造发展的四大障碍。10.2网络制造技术10.2.3网络制造的总体任务及实现技术网络技术的飞速发展，使得制造业突破了地域空间的限制。制造业通过构建敏捷制造网络集成平台，利用企业内部局域网，负责企业的一切生产活动；利用互联网实现基于网络的信息资源共享和设计制造过程的集成，将有关企业和高校、研究所和研究中心等结合成一体，成立面向广大中小型企业的先进制造技术数据中心、虚拟服务中心和培训中心，开展网上商务等，达到快速设计、快速制造、快速检测、快速响应和快速重组的总体目标。目前，网络制造主要应用于以下几个方面：（1）CAD/CAE/CAM系统CAD/CAE/CAM技术作为制造业保持竞争力的有力工具，在缩短产品上市时间、提高产品质量、降低成本等方面发挥重要作用。引入网络技术，把互联网作为系统的扩展部分，是几乎所有CAD/CAE/CAM系统的发展方向。现代制造企业往往分散于不同地域，产品的设计开发需要各地的工程师密切合作，大型CAD/CAE/CAM系统为适应这种分布式设计制造模式提供基于网络的解决方案，通过互联网，身处不同地理位置的工程师可以实时观察、操作同一产品模型，进行协同设计和并行设计，大大加快产品开发速度。10.2网络制造技术10.2.4网络制造的应用（2）虚拟零件库（VirtualPartLibrary,VPL)在工程设计中，常常涉及到大量的标准件或专业零件，为提高设计效率，制造业企业往往自己建立一些小型的标准件库或专业零件库，而由于各单位条件限制及使用目的不同，很难有一个完整、准确的零件库存，虚拟零件库（VPL）是针对这一问题的理想解决方案。VPL是一个专业工程网站，它存储着许多厂家所生产的零件的三维图纸及三维模型，我们在工程设计时所需要的某些零件图能够通过访问该网站进行搜索，把得到的图纸文件下载到本地计算机直接使用。VPL的图纸来自生广这些零件的专业厂家，可以保证其符合最新标准。VPL可以提供许多与零件相关的信息（如材质、型号、制造厂商等），免去了用户查找相关资料的麻烦。还可以嵌入零件生产厂家的链接，用户可以由此访问该厂家的主页，以获取更多有关信息。VPL提供二维（DWG格式）及三维（VRML格式）预览功能，以便用户在下载之前对图形文件进行预览。（3）敏捷制造（AgileManufacturing,AM）1991年，美国政府为了在世界经济中重振雄风，并在未来全球市场中取得优势地位，由国防部、工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捷制造的概念。敏捷制造是一种快速响应市场的制造概念，它是围绕着新的市场机遇通过建立动态联盟（VirtualOrganization）来实现的。动态联盟是指企业群体为了赢得某一机遇性市场竞争，把复杂产品迅速开发生产出来并推向市场，他们从各自公司中选出开发生产新产品的优势部分，然后综合成一个单一的经营实体。这是一个临时性的联盟，具有集成性和实效性两大特点。10.2网络制造技术10.2.4网络制造的应用（由于敏捷制造和动态联盟的跨机构、跨地区的组织方式，使得网络技术成为其最基本的技术基础。各种网络技术的发展使金球范围的网络信息传输及数据访问为可能，计算机网络，特别是Internet和Intranet的发展使得异地组织动态联盟成为可能。作为香港和内地制造业桥梁的分散网络化生产系统，是实现敏捷制造的一种生产模式，它的目标是在中国内地和香港的2000家制造企业之间、采用互联网建立制造资源信息网络，实施敏捷制造。（4）项目网站（ProjectWebsite）当制造企业开始一个新的工程项目，可以专问为之建立一个网站，这个网站的服务对象是项目决策人员、设计开发制造人员、零件供应商及用户等项目参与者。防火墙技术及加密技术等安全措施使具有相应权限的访问者才能访问相关页面、获取或发布信息。项目网站的意义在于通过减少面对面的会议及信件联系来减少延误、降低费用、提高效率。项目网站的组织形式对于国际间项目合作有着特别重要的意义。（5）电子商务（ElectronicCommerce,EC)IBM公司把电子商务定义为：电子商务＝Web＋企业业务，在实际牛活中，人们常常将一切使用新的通信技术和计算机技术来改变传统的商务服务模式的活动都视为电子商务。电子商务将改变企业的生产方式。由于电子商务是一种快捷、方便的购物手段、消费者的个性化、特殊化需要可以完全通过网络展示在生产厂商面前、为了吸引顾客，突出产品的设计风格，制造业中的许多企业纷纷发展和普及电子商务，如美国福特汽车公司在1998年的3月份将分布在全世界的12万个电脑工作站与公司的内部网连接起来，并将全世界的1.5万个经销商纳入内部网。福特公司的最终目的是实现能够按照用户的不同要求，做到按需供应汽车。10.2网络制造技术10.2.4网络制造的应用电子商务将给传统制造业带来一场革命，它将极大地提高商务活动的效率，减少不