《智能制造技术》课件-项目3：数字化设计与制造系统

智能制造技术郑重说明课件制作不易，请尊重本课件制作者的知识产权，本课件仅限教学使用，不得发布到网上，不能拿来参加教学比赛、申报教学成果等！数字化设计

数字设计技术是以计算机软硬件为基础，以提高产品开发质量和效率为目标的相关技术的有机集成。产品开发计算机数字化信息网络技术智能算法计算机图形学CG计算机辅助设计CAD计算机辅助工程CAE逆向工程RE利用计算机进行图形的表示、计算、处理和显示的相关原理与算法。概念设计、优化设计、有限元分析、计算机仿真、计算机辅助绘图产品的三维造型设计和二维产品图绘制。通过软件根据已有实体数据生成数字化模型，模型的重建、修正、评价——快速制造。数字化设计

性能与安全分析，保证产品的可用性和可靠性

智能设计指应用现代信息技术，采用计算机模拟人类的思维活动，提高计算机的智能水平，从而使计算机能够更多、更好地承担设计过程中各种复杂任务，成为设计人员的重要辅助工具。智能设计

初级阶段（ICAD）：设计型专家系统，解决设计中某些困难问题；

高级阶段（IICAD）：人机智能化设计系统，柔性、多样性、低成本、高质量。智能设计

分析-综合-评价模型生成-测试模型约束满足模型基于知识的设计模型设计思维模型基于计算机辅助软件工程的设计模型智能CAD系统的设计模型1962年由W.Asimow提出，主要观点是把每一个设计活动分解成为分析、综合、评价三个阶段。分析-综合-评价模型智能设计

分析对目标形成显式的描述综合寻找可能的解答评价确定解的合法性，选取最佳的方案智能设计

生成-测试模型1972年由Popper提出的，主要观点是将设计活动视为在一个状态空间中的问题求解搜索的过程。生成一种假设用已有的现象或数据去测试不能满足假设的现象生成新的假设符合所有现象的假设设计的解智能设计

出发点是把设计形式化，以逻辑表达设计要求，通过逻辑推理的办法得到最终的设计结果。约束满足模型

从初始问题状态开始，推理过程是不断满足状态中特性的各个约束条件。设计的最终要求一组特性以及相应的约束条件问题求解的最终状态智能设计

是把设计师的知识提炼出来构成知识库，并通过对知识的运用来进行设计，通过知识的学习来改善知识库的内容，提高系统的设计能力。基于知识的设计模型设计问题知识库设计过程的知识设计对象的知识智能设计

是从研究认知、思维出发，然后建立反映设计思维本质的设计模型系统。设计思维模型收集信息，调研和观察分析和整理信息，明确关键问题和设计目标筛选优化方案，持续调整设计发布产品，并进行持续优化智能设计

基于计算机辅助软件工程的设计模型CASE推理：借助于以前类似问题的经验或方法来进行推理求解根据问题从库中检索出相应的CASE调整出适合当前问题的求解方案求解当前问题，形成新的CAS新CASE加入到CASE库中智能设计

智能CAD系统的设计方法常规设计联想设计进化设计按设计能力智能设计

常规设计

设计属性、设计过程、设计策略已经规划好，智能系统在推理机的作用下，调用符号模型进行设计。

只能解决定义良好、结构良好的常规问题。

目前，国内外投入应用的智能设计系统大多属于此类。

智能设计

联想设计——利用工程中已有的设计事例，进行比较，获取现有设计的指导信息；——利用人工神经网络数值处理能力，从试验数据、计算数据中获得关于设计的隐含知识，以指导设计。智能设计

进化设计20世纪90年代，遗传算法拓展出进化编程、进化策略，并称为进化计算（EC）。

特点：设计方案或设计策略编码为基因串，可形成设计样本的基因种群，对环境知识依赖少。

智能设计

智能刀具CAD系统西北工业大学——突出设计人员与系统之间的优势互补，确立设计人员对CAD系统的控制。——把设计人员从重复性劳动中解放出来，从事刀具创造性设计。——将设计人员特别是领域专家的优秀设计经验和成功加以保存利用，大大提高刀具设计的精度和质量，提高设计效率。基于实例推理的车床主轴部件智能CAD系统研究智能设计

将“设计-评价-再设计”这一机械设计创新过程用计算机辅助进行实现，对车床主轴部件进行了智能CAD系统的设计。东北大学智能CAD系统实例推理系统知识库管理参数化建模三个模块既联系又独立，可有效的提取出与设计者要求最近的实例。智能制造技术主讲教师：陈红梅郑重说明课件制作不易，请尊重本课件制作者的知识产权，本课件仅限教学使用，不得发布到网上，不能拿来参加教学比赛、申报教学成果等！数字孪生

概述

数字孪生(又称为数字双胞胎、数字化双胞胎等)，是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段,为物理实体增加或扩展新的能力。数字孪生的描述:数字孪生是现实世界实体或系统的数字化体现。Garter数字孪生

数字孪生的定义北航陶飞在Nature中的评述：

数字孪生作为实现现实世界与虚拟世界之间双向映射、动态交互、实时连接的关键途径，可将物理实体和系统的属性、结构、状态、性能、功能和行为映射到虚拟世界，形成高保真的动态多维、多尺度或多物理量模型，为观察物理世界、认识物理世界、理解物理世界、控制物理世界、改造物理世界提供了一种有效手段。数字孪生

数字孪生的定义

数字孪生(即数字克隆)是基于物理实体的系统描述,可以实现对跨越整个系统生命周期的可信来源的数据、模型和信息进行创建、管理和应用。CIMdata数字孪生

概念模型、参考架构、应用框架、成熟度模型之间的关系数字孪生的模型数字孪生

数字孪生的五维概念模型

数字孪生五维概念模型是一个通用的参考架构，能适用不同领域的不同应用对象。数字孪生

数字孪生的五维概念模型

物理实体是基础，一般由具备不同功能的子系统构成，它们共同支持设备的运行，支持传感器采集设备和环境数据等。物理实体对物理实体的准确分析与有效维护是建立数字孪生模型的前提。数字孪生

从多时间尺度、多空间尺度对物理实体进行描述和刻画，形成对物理实体的完整映射。虚拟实体虚拟实体模型包括几何模型、物理模型、行为模型和规则模型

可使用VR与AR技术实现虚拟实体与物理实体的虚实叠加及融合显示，增强虚拟实体的沉浸性、真实性及交互性。数字孪生的五维概念模型数字孪生

服务对数字孪生应用过程中面向不同领域、不同层次用户、不同业务需求的各类数据、模型、算法、仿真、结果等进行服务化封装，并以应用软件或移动端APP的形式提供给用户，保证用户可以方便、高效使用。服务数字孪生的五维概念模型数字孪生

孪生数据是数字孪生的驱动力，集成融合了信息数据与物理数据，满足信息空间与物理空间的一致性与同步性需求，能提供更加准确的全要素、全流程、全业务数据支持。数字孪生的五维概念模型孪生数据数字孪生

数字孪生的五维概念模型

也包括物理实体、虚拟实体、服务与孪生数据之间的连接，使它们产生的数据实时存入孪生数据，并使孪生数据能够驱动三者运行。连接

包括物理实体、虚拟实体、服务之间的连接，使它们在运行中保持交互、一致与同步。数字孪生

数字孪生的系统架构数字孪生系统的通用参考架构数字孪生

数字孪生的成熟度模型

数字孪生镜像物理世界，接收实时信息，驱动物理世界，可进化为“超体”。此过程称成熟度进化，经历数化、互动、先知、先觉、共智五步。数字孪生

“数化”是对物理世界数字化的过程。这个过程需要将物理对象表达为计算机和网络所能识别的数字模型。(1)数化数字孪生的成熟度模型——建模技术是数化的核心技术之一。——物联网是数化的另一项核心技术，将物理世界本身的状态变为可以被计算机和网络所能感知、识别和分析的数字化内容。数字孪生

(2)互动数字孪生的成熟度模型“互动”主要是指数字对象与相应物理对象之间的实时动态互动。——物联网是实现虚实之间互动的核心技术。——数字线程是实现数字对象之间互动的核心技术。还包括数字对象之间的互动。数字孪生

数字对象需表达物理形状并融入物理规律、机理。数字孪生系统应能建模并分析预测物理对象未来状态。(3)先知数字孪生的成熟度模型“先知”是指利用仿真技术对物理世界实现动态预测。数字孪生

数字孪生的成熟度模型(4)先觉

“先觉”是依据不完整的信息和不明确的机理，利用工业大数据和机器学习技术来预测未来。

如果要求数字孪生体更加智能和智慧，就不应局限于人类对物理世界的确定性知识，因为人类本身就不是完全依赖确定性知识领悟世界的。数字孪生

数字孪生的成熟度模型

“共智”是指利用云计算技术实现不同数字孪生体之间的智慧交换和共享，其隐含的前提是单个数字孪生体内部各构件的智慧可以互相共享。(5)共智

所谓的单个数字孪生体是人为定义的范围，多个数字孪生体可以通过共智形成更大和更高层次的数字孪生体，这个数量和层次可以是无限的。数字孪生

数字孪生的核心技术建模仿真基于数据融合的数字线程数字孪生

数字化建模技术起源于20世纪50年代，目的是简化和模型化物理世界的实体或问题。

数字孪生通过数字化和模型化消除不确定性。

建模技术是创建数字孪生的源头和核心技术。数字孪生的核心技术建模数字孪生

数字孪生模型的发展分为4个阶段：数字孪生的核心技术建模数字孪生

数字孪生的核心技术NASA在飞船飞行时，构建双胞胎实体模型，曾助拯救Apollo13。建模第1阶段是实体模型阶段，没有虚拟模型与之对应。数字孪生

数字孪生的核心技术

虚拟模型反映一类实体，非特定实体。二维或三维模型数字表达，非个体对应。建模

第2阶段是部分实体模型有其对应的虚拟模型，但它们之间不存在数据通信。此阶段非数字孪生，为实物数字模型。数字孪生

数字孪生的核心技术建模第3阶段，虚拟模型部分实现，如实体模型影子，称数字影子模型。虚拟与实体模型间可双向通信，数字孪生建模技术可满足此要求。数字孪生

建模数字孪生的核心技术

虚拟模型能完整表达实体模型，两者可融合、自我认知与处置，状态实时同步。可先有虚拟再有实体，为数字孪生高级应用。第4阶段是完整数字孪生阶段，即实体模型和虚拟模型完全一一对应。数字孪生

物理实体很难对应单一数字孪生体。物理实体因阶段、环境和物理过程不同而变化，需不同数字孪生体从不同视角描述。建模数字孪生的核心技术不同建模者描述同一物理实体的数字孪生模型结果往往不同。差异源于模型表达和数据粒度。细粒度数据有助于更深刻认识物理实体。数字孪生

建模与仿真是伴生体。建模是模型化理解，仿真验证理解正确性。数字化模型仿真技术是创建和运行数字孪生体、实现有效闭环的核心。仿真将模型转化为软件形式模拟物理世界。正确模型与完整数据可反映物理世界特性。仿真数字孪生的核心技术数字孪生

仿真数字孪生的核心技术

仿真兴起于工业，发展出多种技术和软件，新一轮工业革命下，工程仿真软件与制造技术结合，在研发、制造、运维等环节作用至关重要。制造场景下的仿真示例产品仿真包括工艺仿真、装配仿真、数控加工仿真等包括离散制造工厂仿真、流程制造工厂仿真等制造仿真生产仿真数字孪生

仿真数字孪生的核心技术包括系统仿真、多体仿真、物理场仿真、虚拟实验等仿真在智能制造中的应用数字孪生

仿真数字孪生的核心技术“数化”的核心技术—建模总是和仿真联系在一起，或是仿真的一部分;“互动”是半实物仿真中司空见惯的场景;“先知”核心技术的本色就是仿真;“先觉”中的核心技术——工业大数据是一种新的仿真范式;“共智”需要通过不同孪生体之间的多种学科耦合仿真碰撞产生智慧。仿真是数字孪生智能化和智慧化的源泉与核心如何保障产品的设计、制造运维等各方面的数据顺利产生、交换和流转;1如何在正确的时间把正确的信息用正确的方式连接到正确的位置;3在一些相对独立的系统之间，如何实现数据的无缝流动;2如何高效实现连接的过程追溯及连接效果的评估。4数字孪生

数字孪生的核心技术数字线程数字线程主要解决的问题:数字孪生

数字线程数字孪生的核心技术

数字线程指一种信息交互的框架，能够打通原来多个竖井式的业务视角，连通设备全生命周期数据(也就是数字孪生模型)的互联数据流和集成视图。CIMdata公司数字线程通过端到端的互联系统模型和基于模型的系统工程流程来支撑数字孪生系统。定义数字孪生

数字线程数字孪生的核心技术数字孪生

数字线程是某个或某类物理实体与对应的若干数字孪生体之间的沟通桥梁,这些数字孪生体反映了该物理实体不同侧面的模型视图。数字线程数字孪生的核心技术数字线程与数字孪生体之间的关系能够实现多视图模型数据融合的机制是数字线程技术的核心。1)

能区分类型和实例。8)记录与系统及其使能系统相关的文档和信息。5)

记录各种属性及其随时间和视图的变化而变化的情况。4)

支持系统各模型间及模型视图间跨时间尺度。3)

支持系统各模型视图间跨时间尺度的实际状态记录、关联和追踪。2)

支持需求及其分配、追踪、验证和确认。数字孪生对数字线程的需求数字孪生

数字孪生的核心技术数字线程6)

记录作用于系统的过程或动作,以及由系统完成的过程或动作。7)

记录使能系统的用途和属性。数字孪生

数字孪生的核心技术数字线程概念设计阶段，产品、制造工程师共创共享动态数字模型，生成所需可视化工艺、数控程序等，优化产品、过程，实时同步更新。数字线程必须在全生命周期中使用某种“共同语言”才能交互。数字线程评估系统生命周期能力，仿真发现缺陷，优化产品可操作性等，实现预测维护。数字孪生

数字孪生在智能制造中的应用

制造业研发领域数字化进展显著。CAD、CAE、CAM、MBSE等技术普及，研发设计离不开数字化。

数字孪生技术提升产品性能，缩短周期，为企业带来回报。

生产制造中，数字孪生控制设备自动运行，实现高精度加工和装配，提前预估故障，提高安全性和可靠性，实现智能控制。数字孪生

数字孪生在智能制造中的应用☹电厂、钢铁厂、矿场有物料堆放场。传统设计靠人为规划，常无法满足现场需求，造成浪费。数字孪生设计物料堆放场☺ABB公司用数字孪生技术设计物料堆放场。利用物联网历史数据优化需求，开发数字孪生体实时反映物料变化。经多次优化，在数字孪生体中虚拟运行发现问题并改进，迭代后形成最终方案，后续持续优化运行。数字孪生

数字孪生在智能制造中的应用数字孪生机床

开发机床数字孪生体，优化加工过程。使用自主工具监控，结合数据改进制造。优化控制部件，提高生产率，确保部件良好。数字孪生

模型可计算材料去除率、预测刀具破坏、模拟刀具稳定性、优化加工过程、预测表面粗糙度和热误差。机床数字孪生实时连接模型与数据，辅助决策。监控系统本地部署，数据上传云端管理。基于CAD和CAE技术数字孪生在智能制造中的应用数字孪生机床数字孪生水泵数字孪生

数字孪生在智能制造中的应用

水泵应用普遍，运行中来流条件的改变,导致气蚀,造成水泵叶片损坏,水泵过早报废。数字孪生

1.智能制造与工艺优化工艺仿真与优化：通过数字孪生模拟生产流程，优化工艺参数，减少试错成本。设备状态监测：实时监控设备运行状态，预测维护需求，减少停机时间。生产线虚拟调试：在虚拟环境中验证产线设计，缩短投产周期。数字孪生工业应用场景及典型案例应用场景：数字孪生

航空发动机制造：中国航发集团采用数字孪生技术优化涡轮叶片制造工艺，使制造效率提升25%，质量一次合格率提高15%。工业夹爪元宇宙：WOMMER重型平行夹爪结合数字孪生技术，实现虚拟仿真与物理设备联动，优化夹持路径，提高装配精度。兴澄特钢“灯塔工厂”：利用数字孪生优化特钢生产线，产量提升11.79%，不良率下降近60%。1.智能制造与工艺优化数字孪生工业应用场景及典型案例典型案例：缺陷检测：通过AI+数字孪生实时分析产品缺陷，提高质检效率。全生命周期追溯：记录产品从原材料到成品的完整数据，便于质量回溯。数字孪生

数字孪生工业应用场景及典型案例2.质量控制与追溯应用场景：泸州鑫阳钒钛钢铁：构建数字孪生工厂，实现质量精准追溯与智能检测，优化炼钢全流程8。东阳光生化制药：利用数字孪生预测发酵过程关键控制点，使生产波动率降低39.3%，抗生素产能提升15%。数字孪生

数字孪生工业应用场景及典型案例2.质量控制与追溯典型案例：数字孪生

数字孪生工业应用场景及典型案例智能电网优化：模拟电力系统运行，优化能源调度。抽水蓄能电站运维：通过数字孪生实时监控设备状态，提高发电效率。3.能源与基础设施管理应用场景：数字孪生

数字孪生工业应用场景及典型案例尚志抽水蓄能电站：采用BIM+数字孪生技术优化地下厂房施工，效率提升20%，并实现智能通风与安全监测。云南玉溪钢铁厂5G数字孪生：实现无人行车远程控制，减少人工干预，每年节省成本300万元。3.能源与基础设施管理典型案例：数字孪生未来发展趋势数字化技术

智能化与自主决策：AI驱动的数字孪生将实现更高级的自适应优化。跨领域融合：与5G、元宇宙、区块链结合，拓展应用边界。全生命周期管理：覆盖设计、制造、运维、回收全流程。智能制造技术主讲教师：陈红梅郑重说明课件制作不易，请尊重本课件制作者的知识产权，本课件仅限教学使用，不得发布到网上，不能拿来参加教学比赛、申报教学成果等！数字化工艺

数字化工艺概述

随着机械制造生产技术的发展和当今市场对多品种、小批量产品的需求,特别是CAD、CAM系统向集成化、智能化、网络化、可视化方向发展,如何利用全社会资源完成产品设计和制造任务、怎样快速响应市场的需求、如何采用信息化、数字化手段进行工艺准备工作日益为人们所重视。解放工艺设计人员，转向新工艺研发，提升制造工艺与产品质量。有助于总结和继承工艺设计人员的宝贵经验。大大缩短工艺准备周期,提高产品对市场需求的快速响应能力。有利于工艺准备工作的最优化和标准化。为实现制造业信息化创造条件。数字化工艺

数字化工艺概述CAPP代替传统方法的意义数字化工艺

计算机辅助工艺设计(CAPP)是指借助于计算机软硬件技术和支撑环境,利用计算机的数值计算、逻辑判断和推理等功能来制订零件的机械加工工艺过程。CAPP的定义数字化工艺

解决手工工艺设计效率低、一致性差、质量不稳定、不易达到优化目标等问题。CAPP的功能CAPP本质是利用计算机技术辅助工艺师完成零件从毛坯到成品的设计和制造过程。数字化工艺

CAPP系统的分类派生式CAPP系统按传统的设计方式创成式CAPP系统综合式CAPP系统数字化工艺

CAPP系统的分类派生式CAPP系统

派生式CAPP系统必须有一定量的样板(标准)工艺文件,以便在已有工艺文件的基础上修改并编制生成新的工艺文件。

派生式系统是以成组技术(GT)为基础，它的基本原理是利用零件的相似性,即相似零件有相似的工艺规程。数字化工艺

CAPP系统的分类优点：开发周期短、开发费用低,适用于工艺文件比较简单的中小工厂。派生式CAPP系统缺点：针对性较强,使用局限性大,系统的适应能力较差。数字化工艺

CAPP系统的分类创成式CAPP系统

系统工艺规程由程序中决策逻辑和制造数据生成，含加工方法、设备刀具等知识。工艺决策中的决策逻辑存入工艺知识库，供调用。输入零件信息，系统自动生成工艺文件，用户可略作修改。数字化工艺

创成式CAPP系统基于专家系统，不需要样板工艺文件,采用一定逻辑算法与规则,对输入的几何要素等信息进行处理并确定加工要素,从而自动生成工艺规程。CAPP系统的分类创成式CAPP系统数字化工艺

综合式CAPP系统CAPP系统的分类将派生式CAPP系统、创成式CAPP系统与人工智能结合而成的系统。数字化工艺

CAPP系统的局限性创成式CAPP系统自动生成工艺文件，但需全面零件信息，信息需求量大。因知识表达和理论推理受限，自优化和自完善功能差，专家系统方法仍处于理论研究和简单应用阶段。派生式CAPP系统必须有样板文件,适用局限性大,只针对某些具有相似性的零件产生工艺文件，无法解决其他类型的工艺文件。数字化工艺

CAPP系统的基本组成CAPP系统的组成根据工作原理、产品对象、规模大小不同而有较大的差异。CAPP系统基本的组成包括：控制模块零件信息输入模块工艺过程设计模块工序决策模块工步决策模块NC加工指令生成模块输出模块加工过程动态仿真数字化工艺

(1)控制模块CAPP系统的基本组成

协调各模块的运行,作为人机交互的窗口,实现人机之间的信息交流,控制零件信息的获取方式。数字化工艺

CAPP系统的基本组成(2)零件信息输入模块当零件信息不能从CAD系统直接获取时,用此模块实现零件信息的输入。数字化工艺

CAPP系统的基本组成(3)工艺过程设计模块用于完成加工工艺流程的决策,产生工艺过程卡片,供加工及生产管理部门使用。数字化工艺

CAPP系统的基本组成(4)工序决策模块生成工序卡片,计算工序间尺寸,生成工序图。数字化工艺

CAPP系统的基本组成(5)工步决策模块

对工步内容进行设计,确定切削用量,提供NC加工控制指令所需的刀位文件。数字化工艺

CAPP系统的基本组成(6)NC加工指令生成模块

依据工步决策模块所提供的刀位文件,调用NC指令代码系统,产生NC加工控制指令。数字化工艺

CAPP系统的基本组成(7)输出模块

可输出工艺流程卡片、工序卡片、工步卡片、工序图及其他文档,也可从现有工艺文件库中调出各类工艺文件,利用编辑工具对现有工艺文件进行修改,进而得到所需的工艺文件输出。数字化工艺

CAPP系统的基本组成(8)加工过程动态仿真对所产生的加工过程进行模拟,检查工艺的正确性。加工方法的选择工艺文件的输出定位基准与夹紧方案的选择毛坯的选择及毛坯图的生成加工顺序的安排专用机床、刀具、夹具、量具等工艺装备设计方案的提出通用机床、刀具、夹具、量具等工艺装备的选择工艺参数的计算数字化工艺

CAPP系统的内容数字化工艺

CAPP系统的基础技术（1）成组技术(GT)(2)零件信息的描述与获取(3)工艺设计决策机制(5)工序图及其他文档的自动生成(4)工艺知识的获取及表示(6)NC加工指令的自动生成及加工过程动态仿真(7)工艺数据库的建立数字化工艺

成组工艺是把尺寸、形状、工艺相近似的零件组成一个个零件族,按零件族制订工艺规程并进行生产制造。CAPP系统的基础技术(1)成组技术(GT)CAPP系统研究与成组技术相关，早期多以GT为基础。能扩大批量,减少品种数,提高生产率,适用于多品种、小批量生产。数字化工艺

CAPP系统的基础技术

输入零件信息是CAPP首步，零件信息描述是关键，技术难度大，影响工艺设计效率。其准确性、科学性和完整性将影响工艺过程质量、可靠性和效率。(2)零件信息的描述与获取数字化工艺

CAPP系统的基础技术对零件的信息描述应满足的要求：(2)零件信息的描述与获取信息描述要准确、完整。信息描述要易于被计算机接受和处理,界面友好,使用方便,效率高。信息描述要易于被工程技术人员理解和掌握,便于操作人员使用。信息描述系统(模块或软件)应考虑CAD、CAM、CAT等多方面要求,以信息共享。数字化工艺

CAPP系统的基础技术

主要决策内容：工艺流程的决策、工序决策、工步决策、工艺参数决策。(3)工艺设计决策机制核心：特征型面加工方法的选择、零件加工工序、工步的安排及组合。为保证全局最优，系统集成内容，综合分析、优化、交叉设计。数字化工艺

CAPP系统的基础技术要使工艺设计在企业内得到广泛有效的应用,必须总结出适合本企业零件加工的典型工艺及工艺决策的方法,按CAPP系统的开发要求,用不同的知识表示形式和推理策略来描述这些经验及决策逻辑。(4)工艺知识的获取及表示工艺设计随设计人员、资源条件、技术水平和工艺习惯的不同而变化。数字化工艺

CAPP系统的基础技术(5)工序图及其他文档的自动生成工序图绘制是CAPP系统的关键部分，也是实施CAPP结果的重要手段。重要机理是反推法。自动生成工序图可降低成本、改善品质、提高精度、保证零件性能。数字化工艺

CAPP系统的基础技术(6)NC加工指令的自动生成及加工过程动态仿真依据工步决策模块提供的文件,调用NC指令代码系统,生成NC加工控制指令。加工过程动态仿真是指对所生成的加工过程进行模拟,检查工艺的正确性。数字化工艺

CAPP系统的基础技术(7)工艺数据库的建立分组矩阵文件、标准工艺文件、工步代码文件等文件库切削数据库(进给量、切削速度、切削深度等)加工设备库(机床、刀具、夹具等)加工余量、公差、工时定额、成本计算参数库数字化工艺

CAPP系统在智能制造中的应用开目CAPP界面目前国内CAD、CAM软件市场上的CAPP系统有机械加工工艺手册(软件版)、金叶CAPP(CAPP

Framework)、开目CAPP及天河CAPP等。数字化工艺

CAPP系统在智能制造中的应用(1)

中国一汽集团某汽车厂CAPP应用案例CAPP

Framework软件

中国一汽某汽车厂建机床、工艺、生产资源等库，可按需补充。有知识库支持，工艺编制快速半智能化。图示化提高编制效率，保证数据一致完整。系统共享工艺信息，统计汇总强大，数据一致。用户界面简洁直观，易上手，缩短磨合期。数字化工艺

(2)

天纬油泵油嘴股份有限公司某CAPP应用案例CAPP系统在智能制造中的应用

结合汽车制造行业需求，通过CAPPFramework平台，建立全过程、全方位工艺信息管理平台，简化部署与应用，符合企业战略。满足迫切需求，推进离散制造信息化，增强竞争力。数字化工艺

工艺数字化就是让工艺能够贯通生产、实现与机器对话、与设备通信、与机器人聊天,从而赋予信息系统自我学习的能力,将人从繁琐的文件处理工作中解放出来。CAPP系统在智能制造中的应用智能制造技术郑重说明课件制作不易，请尊重本课件制作者的知识产权，本课件仅限教学使用，不得发布到网上，不能拿来参加教学比赛、申报教学成果等！产品全生命周期管理系统

PLM：对产品从需求提出至被淘汰的整个过程进行严格的流程控制管理，是对产品生命周期中全部组织、管理行为的综合与优化，以不断增加个体消费需求为导向，贯穿产品的设计、生产、发展、配送直到最后的回收环节，并包括所有相关服务。产品需求管理产品论证管理产品档案库产品绩效管理流程引擎及工作台产品关停并转管理产品360度视图产品生命周期管理功能客户需求的存档归类分析上线测试产品设计，发现问题，提高设计的准确性，降低市场风险。运营后，对产品进行跟踪，预测其趋势，定位其所处生命阶段，无效益产品可及时关停产品下线，该产品的生命结束，归档为以后的产品设计提供参考保存所有已生产产品的数据档案，为后期其他产品的设计上线提供参考。给客户精准提供最合理的产品推荐。整个流程的开关系统，控制所有流程产品全生命周期管理系统PLM能够使企业以最优成本来高效率地管理产品的全生命周期，包括从产品概念、产品设计和产品制造一直到服务支持和产品报废。计算机辅助设计（CAD）计算机辅助制造（CAM）计算机辅助工程（CAE）计算机辅助工艺规划（CAPP）产品数据管理（PDM）数字化制造C4P产品全生命周期管理系统数据管理产品数据运营数据价值链数据外部数据实时数据的精准分析——车前挡风玻璃。企业的数据分析——汽车后视镜

产品全生命周期管理系统的核心是数据。SAP科曼-内嵌入产品的传感器会获得更多的实时产品数据，使得产品管理能够贯穿产品的需求、设计、生产、营销、售后乃至淘汰报废的全部生命历程；-企业和消费者的互动过程及交易行为也将产生大量数据，这些数据能帮助消费者参与到产品的创新活动中。1）产品数据——产品的各种数据数据管理

（1）产生于生产线、生产设备的数据——可对设备本身实时监控；（2）采集和分析采购、仓储、销售、配送等供应链环节上的数据

——能够在大幅提升运营效率的同时降低运营成本；2）运营数据

实时分析销售数据与供应链数据的变化，可以动态地调整优化生产节奏及库存规模。数据管理

哈佛大学商学院教授迈克尔·波特于1985年提出价值链的概念，波特认为，“每一个企业都是在设计、生产、销售、发送和辅助其产品的过程中进行种种活动的集合体。所有这些活动可以用一个价值链来表明。”

3）价值链数据价值链的提出数据管理

价值链数据是指在价值链上各活动产生的数据。3）价值链数据

价值链上各环节的数据和信息被深入挖掘与分析，让企业有机会将价值链上的更多环节转化为企业的战略优势。

基本活动：内部后勤、生产作业、外部后勤、市场和销售、服务等；

辅助活动：采购、技术开发、人力资源管理和企业基础设施等。数据管理4）外部数据

外部数据看战略、内部数据看执行，相对于更易获得和掌控的内部数据，外部数据更能看到方向和路线，外部数据对企业的价值更大，其挖掘空间也更大。

从第三方平台获取的数据，包括网络、论坛、期刊、会议等。数据管理

在智能制造的时代，制造型企业的数据将呈现爆炸式增长，所有产品、设备包括生产者本身都在源源不断产生数据，这些数据经过高效的实时分析，将渗透到企业运营、价值链乃至产品的整个生命周期。数据管理数据三维可视化管理虚拟仿真设计三维可视化管理

三维可视化技术是指利用创建图形、图像或动画，实现信息的直观交流与沟通的技术和方法。

能够以三维立体化的人机交互界面呈现工厂生产组织，为生产运行及设备管理提供一个可视化、高效率的信息沟通和协同合作的环境。

在电脑上直观、真实、精确地展示各种设施设备的形状及分布情况，在三维场景中可对设备进行快速定位与基础信息查询。1）企业资产布局全景的可视化

对在建工程、设备安装等进行三维建模，用不同颜色表现每一阶段的安装建设过程。2）安装管理的可视化三维可视化管理3）设备台账管理的可视化

借助动态设备管理平台，用户能够快速找到相应的设备，查看设备的真实情况。

可以对企业重点设备或生产设施进行在线信息采集、报警、控制等管理，及时发现设施缺陷或安全隐患。

4）智能维护管理的可视化三维可视化管理1）信号传递迅速快捷；2）管理的对象及位置一目了然；3）很容易的得知问题所在；4）可远程辨别异常；5）形象、直观的将潜在问题呈现出来；

优势：

三维可视化技术可以为产品的整个生命周期提供全程的三维可视化管理服务。三维可视化管理虚拟仿真技术

虚拟仿真技术又称虚拟现实（virtualreality，VR）技术或模拟技术，是用虚拟系统模仿真实系统的技术。

VR技术是在多媒体技术、计算机仿真技术与网络通信技术等信息技术迅猛发展的基础上，将仿真技术与虚拟现实技术相结合的产物，是一种更高级的仿真技术。使用者可获得视觉、听觉、嗅觉、触觉、运动感觉等多种知觉，从而获得身临其境的感受。基本特性：1）沉浸性环境可以作用于人，人也可以对环境进行控制，虚拟环境还能够对人的操作予以实时的反应。2）交互性3）虚幻性可以模拟以前存在过的、现在真实存在的环境，也可模拟将来可能出现的、幻想的环境。4）逼真性虚拟环境都很逼真，环境做出的反应符合客观世界规律。虚拟仿真技术智能制造技术郑重说明课件制作不易，请尊重本课件制作者的知识产权，本课件仅限教学使用，不得发布到网上，不能拿来参加教学比赛、申报教学成果等！制造执行系统提出目的制造执行系统提出

制造执行系统（ManufacturingExecutionSystem，MES）由美国AMR公司（AdvancedManufacturingResearch,Inc.）在90年代初提出。

加强MRP（物料需求计划）的执行功能，把MRP计划与车间作业现场控制设备通过制造执行系统连接起来。

“能通过信息传递，对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行管理优化的系统。”制造执行系统定义美国生产执行系统协会

制造执行系统是一套对生产现场进行综合管理的集成系统，连接了底层自动化控制系统和上层管理系统，是构建智能工厂的核心。制造执行系统按不同时间/机种/生产线等多角度分析对比MES系统的功能：MES现场管理细度现场数据采集电子看板管理仓库物料存放生产任务分配仓库管理责任追溯绩效统计评估统计分析由按天变为按分钟/秒由人手录入变为扫描、快速准确采集人工统计发布变为自动采集、自动发布模糊、杂散变为透明、规整人工变为自动分配、产能平衡人工、数据滞后变为系统指导、及时、准确困难、模糊变为清晰、正确靠残缺数据估计变为凭准确数据分析制造执行系统

必须清楚掌握产销流程，提高生产过程的可控性；

企业应用制造执行系统的前提：减少生产线人工干预，及时正确地搜集生产线数据；更加合理地安排生产计划并掌控生产进度；从产品开发、设计、外包、生产到按时交付，每个阶段都必须高度的自动化、智能化和信息的高度集成化。制造执行系统—是对整个车间制造过程的优化，而不是单独解决某一生产瓶颈；—必须具备实时收集生产过程数据的功能，并作出相应的分析和处理；—需要与计划层和控制层进行信息交互，实现企业信息的集成。MES系统的特征：制造执行系统

实时分析就是在设备运行过程中，对实时测量信号处理的时间能够满足动态过程参数分辨需要的分析。

实时分析技术的高低，反映了企业收集、传输和分析处理大数据的能力。

制造执行系统用集成的思想替代原来车间需要使用的孤立软件系统，它强调信息的实时性。实时分析

1）对生产设备和过程监控

精确控制产品故障、配件损耗，监控所有的生产流程，及时发现能耗的异常变化和峰值情况，实时优化能源消耗。实时分析的作用：2）实现自组织生产

机器可以自组织生产，智能工厂也能够实现自行运转。工业机器产品信息交换、运转和互相操控设备实时分析3）复杂系统的研究

制造业领域的数据，主要呈现大体量、多源性、连续采样、价值密度低、动态性强等特点，对其进行分析，可以对复杂系统的动态行为进行研究。

实时分析发生了什么，什么程度，原因找到问题、懂得数据、确定解决问题方案细分市场模块运营商传递给消费者数据变现出售给消费者通过问题确定解决方案寻找商机建立数据化运营体系建立数据监控体系数据运营

数据运营是指数据的所有者通过对数据的分析与挖掘，把隐藏在大量数据中的信息作为商品发布出去，供数据的消费者使用。智能制造技术郑重说明课件制作不易，请尊重本课件制作者的知识产权，本课件仅限教学使用，不得发布到网上，不能拿来参加教学比赛、申报教学成果等！企业资源计划系统企业资源计划（ERP），是一套面向企业流程管理的系统，于1990年由美国的高德纳咨询公司提出被定义为应用软件。ERP不但属于软件，同样属于先进科学的管理思想，已成为现代企业管理理论之一。

ERP体现了供应链管理SCM的思想，还吸纳了准时生产、精良生产、并行工程、敏捷制造等先进管理思想。功能模块财务管理模块生产控制管理模块物流管理模块人力资源管理模块会计核算财务管理主生产计划物料需求计划能力需求计划的制订车间控制和制造标准通用PPT图表设计分销管理库存控制采购管理批次跟踪管理辅助决策招聘管理工资核算工时管理差旅核算企业资源计划系统

资源管理范围:

企业资源计划系统形成了完整的供应链客户需求企业内部的制造活动供应商的制造资源对供应链进行有效管理管理功能:制造分销财务管理运输管理仓库管理质量管理实验室管理设备维修备品备件管理生产保障体系企业资源计划系统对质量适应变化、客户满意绩效等关键问题的实时分析能力企业资源计划系统事务处理控制:在线分析处理、售后服务及质量反馈设计、制造、销售、运输等集成起来并行处理各种相关作业为企业提供能很好地支持和管理混合型制造环境，满足企业多元化经营需求。生产方式管理:财务管理:

可以满足跨国经营的多国家地区、多工厂、多语种、多币制应用需求。将财务计划和价值控制功能集成到了整个供应链上。跨国(或地区)经营事务处理:企业资源计划系统对市场快速响应，为企业提供准确、及时的报告，帮助企业增强对经营环境改变的反应能力。企业资源计划系统特点即时性—企业的人员、财务、制造与分销的集成，—物流与资金流的集成。集成性系统内部各子系统的融合及信息供给有利于财务的前瞻性分析和预测。远见性仓库管理系统仓库管理系统（WMS）是一个实时的计算机软件系统，它能够按照运作的业务规则和运算法则，对信息、资源、行为、存货和分销运作进行更完美地管理，最大化地满足有效产出和精确性要求。可提供企业整个库存的可视性，提升了库存决策信息的透明性、可靠性和实时性。仓库管理系统可以实现本地一个仓库的精细化管理，也可以实现全球范围内的仓库管理，目标是支持全球供应链的需求。WMS可以是独立系统，也可以是ERP系统的模块。实现与ERP系统的无缝连接ERP数据库输送机控制系统订单优化仓库管理系统系统功能设定模块基本资料维护模块采购管理模块仓库管理模块销售管理模块报表生成模块查询模块履历查询模块功能模块1、基础资料的管理更加完善，库存准确，操作效率高；2、库存低，物料资产使用率高，仓储成本低；3、操作规程执行难度小，易于制定合理的维护计划；4、实时更新数据，可以提供历史的记录分析；5、规程文件变更后能及时传递和正确使用，对帐工作效率提高；6、预算控制严格，退库业务减少。特点

仓库管理系统

1980年初美国便有所谓的“接触管理”

专门收集客户与公司联系的所有信息。1990则演变成包括电话服务中心,支持资料分析的客户关怀。客户关系管理系统1999年，Gartner

GroupInc公司提出了客户关系管理概念，简称CRM。客户关系管理系统客户关系管理（CRM）是为了增加赢利、销售收入和提高客户满意度而设计的企业范围的商业战略。

为企业提供全方位的管理视角，赋予企业更完善的客户交流能力，使客户的收益率最大化。战略目标是增加赢利与销售收入，以及提升客户满意度。定义：客户关系管理系统企业了解消费者更多的个性化的需求提供相应的个性化产品和服务提高客户满意度，获得更大的利润通过CRM源于“以客户为中心”的新型商业模式，是一种旨在改善企业与客户关系的新型管理机制。焦点问题增强客户关系，创造价值，提高利润增长的上限和底线。客户关系管理系统CRM的功能市场营销客户服务销售分析现有的目标客户群体，精确的市场投放，预测市场发展趋势，降低运营成本潜在客户、客户、联系人、业务机会、订单、回款单、报表统计图客户反馈、解决方案、满意度调查客户关系管理系统CRM的组成客户合作管理系统业务操作管理系统数据分析管理系统信息技术管理系统对市场营销、销售、客户服务部门提供支持。保证客户与企业的沟通交流挖掘新客户、留住老客户、发现重点客户，支持交叉销售、支持面向特定客户的个性化服务为系统运行提供先进的技术进行保障客户关系管理系统先进性综合性智能化涉及许多先进的技术综合了销售、营销、客户服务行为的优化和自动化的要求与其他企业信息系统的集成，实现跨系统的商业智能，提升企业整体信息化水平。对商业流程和数据采取集中管理，简化软件的部署、维护和升级工作，减少交易成本，提高市场占有率。CRM的特点供应链管理系统供应链管理（SupplyChainManagement，SCM）系统最早是由西方企业的知名管理顾问在20世纪80年代提出。SCM是一种集成的管理思想和方法，以信息技术为依托，以集成化和协同化的思想为指导，应用系统的方法来管理供应链中各环节的内部计划、设计及管理等活动，以及各环节相互关系之间的协作关系，以期实现物流、信息流、资金流和工作流在整个供应链上的顺畅流动，达到供应链的运作最优化。供应链管理系统SCM供应物流需求生产作业SCM采购制造作业生产过程物流市场需求以互联网为基础的各种技术为支撑以同步化生产、集成化制造为指导供应链是围绕核心企业，通过对信息流、物流、资金流的控制，从采购原材料开始到最终产品送到消费者手中，这样一个由供应商、制造商、分销商、零售商和最终用户所连成的整体功能网链结构。供应链管理系统供应链管理系统基本结构五大要素三大流是商品、交易等信息的传递过程，是一种虚拟形态。信息是在供应商与用户之间双向流动的。供应链管理系统生产能力信息促销计划交付时间表订单、销售情况、库存和质量信息信息流供应链管理系统物流物资的流通过程。

——原材料、中间品和成品由供应商送到用户的过程——用户的退货、维修等活动，是现金、所有权、发票等在供应链的循环过程。——由用户流向供应商：以现金、信用卡支付。——由供应商到用户的：所有权和发票的转移。供应链管理系统资金流主要目标整体利润最大化客户满意度最大化总库存最小化生产周期最短化物流服务水平最优化寻求最优平衡点实现供应链管理效益的最大化供应链管理系统供应链管理系统系统组成供应链计划系统仓储管理系统运输管理系统分销资源计划系统供应商关系管理系统电子数据交换自动识别技术和应用地理信息技术需求、‌分销、‌生产、排序、‌运输计划、‌企业或供应链分析货物管理、仓库布局和分析从采购到配送过程的物流供应链采购、‌库存、‌销售、‌促销管理、‌财务以及企业决策分析优化供应商选择，与供应商建立紧密伙伴关系实现数据的交换与处理实现物流和保管的自动化与计算机化供应链管理系统数据传输安全，保证随时掌握情况信息沟通及时，生产发货完美整合缩短生产周期，做出合理的补货策略促进愉快合作，建立良好的供应商关系特点智能制造技术主讲教师：陈红梅郑重说明课件制作不易，请尊重本课件制作者的知识产权，本课件仅限教学使用，不得发布到网上，不能拿来参加教学比赛、申报教学成果等！数字化监测诊断系统

概述

技术进步推动设备向大型化、自动化等方向发展，性能与复杂度提高，常发生故障。传统定时巡检和事后维护方式已无法满足需求，设备状态监测和故障诊断技术能监测参数、分析状态、发现故障苗头，采取预防措施，避免损失，确保生产顺利。数字化监测诊断系统

定义

设备状态监测与故障诊断技术是一种了解和掌握设备在使用过程中的状态,判断其整体或局部是否正常,及早发现故障及其原因,并能预测故障发展趋势的技术。数字化监测诊断系统

流程设备状态监测与故障诊断技术设备状态监测故障诊断预测发展趋势数字化监测诊断系统

为了维持设备的使用及操作状态,或消除故障和缺陷等问题。

设备维护目的数字化监测诊断系统

远程维护技术通过整合设备的状态监测技术、故障诊断技术和计算机网络技术,用若干台中心计算机作为服务器,在重要关键设备上建立监测点,采集设备的状态数据,建立设备状态的网络分析中心,对地域分布广泛的大型设备进行远程的状态监测、状态征兆匹配及诊断,从而达到高效维护的目的。远程维护技术数字化监测诊断系统

远程维护范围大型设备运行状态的远程综合评价和维护设备故障的在线诊断、远程诊断和远程会诊设备研发人员与维护人员的网络论坛等数字化监测诊断系统

数字化监测诊断系统的功能需求基本功能需求1)存储设备运行数据,支持监测、诊断、预测、维护等功能。2)备份数据库，防数据丢失。3)满足人员查看设备状态需求。4)实时报警、记录设备异常。5)故障诊断，及时处理异常。6)多角度分析诊断，提供维修建议。7)融合传感器数据，支持诊断预测。8)远程维护中心,支持监测、报警、诊断、预测，提供维修建议。9)设定权限，防误操作，保安全。10)系统完整、可靠、可扩展。数字化监测诊断系统

数字化监测诊断系统的组成一个完整的数字化监测诊断系统,完成对设备的监测、诊断与维护。数据采集系统,通常称为下位机设备监测诊断系统,通常称为上位机通信网络,包括连接上位机与下位机的网络、上位机之间的网络和下位机之间的网络。数字化监测诊断系统

下位机负责现场设备直接控制及数据采集,并把数据反馈给上位机，也接收上位机命令。下位机常见的下位机有PLC、单片机、RTU和各种智能仪表等。数字化监测诊断系统的组成数字化监测诊断系统

上位机从下位机获取现场设备状态数据并分析处理，与管理级用户通信，告知用户设备状态。设备异常时，上位机警告用户维修。数据可存数据库或传至监控平台分析。上位机数字化监测诊断系统的组成上位机是指人可以直接发出指令完成操控的集中管理监控计算机,一般是PC。数字化监测诊断系统

通信网络是数字化监测诊断系统的必要部分，实现数据通信。通信网络数字化监测诊断系统的组成系统中的通信网络包括有线网络和无线网络。上位机与下位机通信取决于下位机。包括下位机之间、上位机之间及上位机与下位机之间的通信。数字化监测诊断系统

数字化监测诊断系统的核心功能数据采集与传输数据存储与分析智能诊断与远程维护数字化监测诊断系统

数据采集与传输数字化监测诊断系统的核心功能

监控生产过程需采集设备状态参数，下位机无记录功能，需上位机保存数据。下位机采集后，数据传给上位机分析处理。通信畅通是系统运行的保证。数据采集是从传感器等设备自动采集信息