现代设计技术与先进生产系统培训(ppt 77页).ppt

1、水利工程启闭机,何小新 博士,地 址：武汉武昌东湖南路8号 武汉大学 电 话E-mail: ,现代设计技术及先进生产系统 本章介绍几种有助于提高水利机械产品质量的现代设计方法和手段，包括虚拟样机技术和机械产品快速设计平台，同时还介绍有关的先进生产系统，使技术人员了解现代设计与先进制造技术方面的相关知识，以便在实际生产中推广与应用。,主要内容,一 虚拟样机技术 二 快速设计平台及其在起闭机设计中的应用 三 生产系统管理 四 生产率管理与工业工程,第一节 虚拟样机技术 传统的产品开发通常分为 4个阶段： 产品设计、 试验、 制造样机、 产品生产。,(1)产品设计阶段，包括

2、方案设计、结构设计和零部件设计； (2)实验室试验阶段，主要是对关键零部件的工作进行探索性的研究； (3)制造物理样机阶段，主要是根据设计做出物理样机，以检验设计的合理性； (4)产品生产阶段。 传统的产品开发周期长，消耗大，成本高，有明显的局限性，不能适应现代化制造业中要求柔性化、快捷及高质量的要求。,为从根本上改变这种局面，近年来在产品开发中出现了一个新的研究领域-虚拟样机技术 (virtual prototype technology)。,虚拟样机的设计方法同传统的设计方法相比具有显著特点： 在设计早期确定关键的设计参数、 更新产品开发过程、 缩短开发周期、 降低成本、提高产品质量。 国

3、内外对虚拟样机技术进行了广泛的研究和探讨 如波音777， 空中客车 北京航空航天大学的BH4灵巧手的设计。,一、虚拟样机概述 虚拟样机(virtual prototype，简称VP) 。 VP利用软件建立机械系统的三维实体模型和力学模型，分析和评估系统的性能，从而为物理样机的设计和制造提供参数依据。 虚拟样机技术 一种基于智能设计技术、并行工程、仿真工程及网络技术的先进制造技术，它以计算机仿真和建模技术为支持，利用虚拟产品模型，在产品实际加工之前对产品的性能、行为、功能和产品的可制造性进行预测，从而对设计方案进行评估和优化，以达到产品生产的最优目标。,虚拟样机技术作为一项工程分析和预测技术，目

4、前日益显示出强大的生命力，其应用范围已经超越了国家、地区和行业的界限，在航空、航天、车辆等机械领域已经有了广泛的应用，如 美军研制F22第四代战斗机的虚拟样机与风洞试验的经费比是6：4 ，充分说明了虚拟样机技术的重要性。 另外美国航空航天局的喷气推进实验室成功地实现了火星探测器探路号在火星上的软着陆。在探测器发射之前，工程师运用虚拟样机技术预测到探测器可能在着陆时滚翻。针对这个问题，工程师们修改了技术方案，保证了火星登陆计划的顺利完成。,二、虚拟样机技术的基础 1、智能设计技术。 技术的出现是产品设计历史上的一个里程碑，它在很大程度上缩短了产品设计的周期，减少了设计人员的工作量。 但现有的技术

5、注重于外形细节设计行为，却忽略了产品概念信息的描述。实际上，设计人员总是先考虑产品的功能，然后才设计出产品的外形。 由于虚拟样机技术对概念设计的要求，智能设计技术需要将用于概念设计的分析工具 (如有限元分析、快速原型等 )、计算机辅助概念设计和技术有机地集成起来，支持产品几何定形前的功能规划和计算。,2、并行工程。 并行工程是集成各种技术，并行设计产品及相关过程的一种系统方法，同步实现设计、分析评估、制造、装配、核算和管理。 它要求产品开发人员从一开始就考虑到产品整个生命周期的所有因素 (质量、成本、工艺、结构、性能等 ),且要求实现计算机网络环境下的协同工作。 要实现同步的目标，其实质就是整

6、个工作都要在一个共享的数据库下进行信息交互。,3、仿真工程。 对于虚拟样机系统来说，必须有一套能有效支持可制造性分析的产品、工艺和生产系统模型。 产品模型必须能够管理与制造加工有关的数据 (如形位公差等 ); 工艺模型包括统计分析、计算机工艺仿真、制造数据库和制造规则库等； 生产系统模型包括系统生产能力和生产特性的描述及系统动态行为和状态的描述。 虚拟样机系统需要对上述模型进行数字化仿真和可视化，以对产品设计、工艺设计进行评估和优化。,4、网络技术。 在网络上进行分布式设计与制造是虚拟企业的生产方式。利用分布式设计与制造，可以实时地决定合作厂家，实现异地产品设计和制造，不仅节约了时间，而且由于

7、分布节点之间的关系建立在一种全面合作和开放式体系的基础上，所以有利于设计、规划和处理问题。 以上技术仍处于发展、完善之中，相比之下，支持虚拟样机技术所需的硬件较软件更为成熟。,三、制造虚拟样机的基本过程 制造虚拟样机的过程就是上述各种先进技术相互支持、相互融合的过程 机械系统虚拟样机建立的步骤如图5-1所示。,首先是进行机械设计，建立实体模型（虚拟样机）。设计的原始数据来自设计要求、应改进的缺陷、干涉尺寸、装配环境等。 在设计的早期阶段，要求设计师给定全约束、全尺寸是不可能、不现实的，重要的是建立一些方程和规则，以体现一些最重要的工程数据，使零件在设计准则下可自动修改。 在完整、安全的网络环境

8、下，设计小组成员不必操心数据的完整性，他们能够共享数据，并能主动控制修改和更新。,最后是对最终的设计产品进行仿真。仿真能预测产品在实际环境中的性能，它包含了一系列步骤，从力学分析、建模、施加负载和约束，到预测其在真实工况下的响应。 仿真的真正用意不是得到几个数据，而是评估产品的性能和优化产品的结构，进而指导设计，改进设计。 在产品设计和仿真阶段，需要使用一些应用软件(如三维产品设计软件、有限元分析软件等 )。根据设计尺寸并利用这些软件，便可以在计算机上构造产品的虚拟样机，为最终投产做好准备。,四、ADAMS软件概述 ADAMS Automatic Dynamic Analysis of Mec

9、hanical Systems 机械系统动力学自动化分析软件包 由美国机械动力公司开发的。 世界上第一个具有仿真整个机械系统工作性能的大型仿真分析系统，可以建立机械系统的虚拟样机 采用比较先进的计算方法，大大缩短了计算时间，其精确度也相当高 被广泛应用于机械设计的各个领域。,ADAMS是集实体建模、结构参数优化、动态编辑于一体的机构仿真软件。 提供了图形菜单和文本菜单驱动，模型建立方便，操作一目了然； 提供了IGES接口，方便了与其它CAD软件的数据交换，便于简化建立模型工作； 提供了FEA接口，可与Msc/Nastran等有限元软件进行数据交换，使得物体大变形分析与刚体分析融于一体，有利于将

10、复杂的模型抽象化，更逼近地反映真实样车。 提供了丰富的内嵌函数和与C语言/FORTRAN语言的接口，使用户能够应用数学公式精确地表达出模型，大大地提高了分析结果的可靠性和真实性。,整个实现过程是： 首先，通过CAD软件，根据总体参数进行结构设计和几何建模。 然后，根据几何模型建立有限元模型，然后通过有限元软件中解算，进行强度校核及模态解算。 如果结果符合要求，就将与控制系统设计有关的参数交于控制系统设计部门，根据这些参数及总体参数进行控制系统设计； 反之，将结果反馈给结构设计人员对结构进行修改。 得到满意结果后，将有限元模型及刚体模型都传输到ADAMS中进行多体建模并定义所需变量。通过ADAM

11、S进行运动学和动力学仿真 如果结果满意，虚拟样机设计过程完毕； 反之，将信息传给控制系统设计和结构系统设计部门进行改进，重复上述过程，直至满意为止。,五、应用实例-自行火炮动力学仿真试验 1、仿真模型,图5-2 某自行火炮动力学模型,模型特点： 动力轮前置， 双侧履带，每侧有6个路轮、3个支撑滚子，每侧履带有83块履带板， 车体上有可旋转的炮塔，炮塔上装有摇架，用以调整炮管射角，摇架上装有炮管，炮管可沿摇架平动。,系统自由度 当两个动力轮上施加转动时，整个模型有1051个自由度 当两个动力轮上施加驱动力矩时，整个模型有1053个自由度 受力分析 履带板、 导向轮、 路轮、 动力轮 支撑滚子力,

12、履带板与地面之间的作用力的表示 表示为3个方向的力和3个方向的力矩 其中z方向力表示履带板与地面之间的垂直方向的作用力，另外两个水平方向的作用力表示履带板与路面之间的剪切力（摩擦力）。 履带板与地面之间的作用力的计算 在仿真中，首先计算某一履带板上的参考坐标系在整体坐标系中的坐标（x, y, z）， 然后计算坐标为(x, y)的路面点的z坐标， 通过比较这两个z坐标，判断履带板是否与地面接触，并计算接触后的变形，根据变形量，计算履带板与路面之间的z向作用力。 另外两个水平方向的变形，则以该履带板在两个相邻积分时刻的水平位置变化为度量。,相邻的履带板之间的摩擦力矩 两个相邻的履带板之间作用有场力

13、和销子的摩擦力矩。 每个履带板都有6个自由度，两个相邻的履带板之间的相对平移和相对转动引起这种场力作用，它实际上相当于一个广义的弹簧和阻尼器。 履带板与车体的挡板之间的接触力 当履带摆动，其位置高于车体挡板时，即与车体接触，接触力的合力用一个一般力表示。,履带板对导向轮作用力 导向轮上作用有一个一般力，该力是履带板对导向轮作用力的合力。 首先判断哪些履带板与导向轮接触，然后计算接触变形、接触力，最后计算这些接触力的合力。 导向轮与张紧装置通过转动铰链相连，在该铰链上可设置摩擦力矩。,路轮上作用有一个一般力，路轮通过转动铰链与连杆相连，在铰链上可定义摩擦力矩的作用。 路轮与车体通过连杆相连，连杆

14、一端通过转动铰链连接路轮，一端通过转动铰链和扭转弹簧与车体相连。 连杆与车体相连的铰链处作用有：轴承摩擦力矩、阻尼力矩、扭转弹簧力矩和限制扭转过位的力矩，该力矩只有当连杆的扭转弹簧变形过大时才起作用。 动力轮受到的履带板的作用力之合力 动力轮与车体通过转动铰链相连。动力轮受到的履带板的作用力之合力也用一个一般力表示。,支撑滚子上作用力 支撑滚子与车体用铰链相连，在该铰链上作用有轴承摩擦力矩，支撑滚子上作用的一般力的计算方法与路轮一样。 运动学和动力学仿真目的 感兴趣部件的运动、变形、受力等,2、仿真算例 针对4种行驶状况进行了动力学仿真： 1）初始条件 力轮设定恒定转速：55rad/min，所

15、有部件的初速设为VX0=14.1725m/s，该设置使所有部件均以同样的初速前进。 使自行火炮通过一梯形障碍，障碍高0.4m，顶宽0.2m，底宽0.6m。 计算结果包括： 左侧动力轮上的一般力在其转轴上的力矩分量； 左侧路轮2的连杆与车体的连接扭转弹簧的变形；左侧路轮2的z向力。,2、仿真算例 （2）初始条件 VX0=0，两动力轮设定2000N.m的驱动力矩 初始时刻左侧第37、36块履带板都在路面上。 计算 车体质心速度、加速度在x轴方向的分量， 左侧路轮2的z向力， 作用在左侧第37块履带板上的场力。,2、仿真算例 3）初始条件 VX0=0 左动力轮的驱动力矩设为0，右动力轮的驱动力矩设为

16、2000n.m， 计算 车体质心转动角速度、角加速度， 左侧路轮2的z向力， 左侧第37块履带板上的场力在其参考系中的x轴上的分量。,2、仿真算例 4）初始条件 VX0=0 左动力轮的驱动力矩设为-2000n.m，右动力轮的驱动力矩设为2000n.m， 计算 车体质心转动角速度、角加速度， 左侧路轮2的z向力， 左侧第37块履带板上的场力在其参考系中的x轴上的分量。,第二节 快速设计平台及其在起闭机设计中的应用 门式启闭机现阶段，依照传统的设计方法会存在以下几个问题： （1）知识的重用度不高，每一次设计都是在全新的基础上完成，以往的设计经验、图纸、分析数据等都很难方便的使用，导致设计效率低下，

17、开发成本过高； （2）计算手段有限，对设计完成的关键承载构件仍然采用近似的计算方法进行校核，导致计算精度不高，材料浪费严重； （3）出图效率较低，由于仍然采用二维CAD软件进行绘图，造成设计意图不直观，校图时间过长。 为此，在门机初始设计和详细设计阶段应采取先进的设计方法、技术或手段提高门机设计质量和设计效率。,一、启闭机快速设计平台系统功能 为了解决现阶段设计和分析中存在的问题，在郑州水工机械厂的协作下，武汉大学开发了一套专门用于门机快速设计和分析的平台系统。在知识工程和虚拟样机技术的基础上，该平台可实现以下功能： （1）以知识工程技术为基础，综合面向对象方法和CBR（基于实例推理）方法的优

18、点综合表达门机实例，将标准、手册、规范和专家意见等与产品相关的知识进行归类、抽取并转化为计算机能够识别和管理的符号，实现以往设计经验、图纸、公式和分析数据的重用，引导并极大的方便了设计者进行门机的选型以及对各部件进行空间布置与参数确定等工作； （2）在大型设计软件CATIA的基础上，建立三维参数化门机设计模型，并利用参数化驱动、表格驱动和产生式规则驱动三种方式进行门机的智能化设计，最大程度上方便了设计者对门机三维参数化模型的查询和变型工作；,一、启闭机快速设计平台系统功能 （3）在大型分析软件ANSYS的基础上，建立门机有限元分析模型，并通过APDL语言定义影响整体性能的关键参数，实现分析模型

19、的参数化。通过事物特性表技术，建立逻辑模型，实现设计模型和分析模型的无缝集成，最终实现设计与分析工作的并行化和真正意义上的“工程参数”驱动设计参数。 （4）建立门机的实例库和参数库，库中存放的是实例及部件的结构参数，各种类型的实例及部件的数据及相关索引表格都以链表的形式存放在数据库中，最终利用开放数据库互连ODBC提供的统一的应用程序接口，实现了三维设计软件CATIA和三维分析软件ANSYS与数据库的连接。,综上所述，门机快速设计平台 以知识工程和虚拟样机技术为基础， 集成计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助分析（CAE）等CAX技术， 按照并行化的设计路线，指导设计者进行方案选择、方案变型、

20、强度分析和性能优化工作， 通过数据库技术对设计方案和分析结果进行有效地文件管理， 由此达到提高门机设计水平，缩短研发周期的目的。,二、快速设计平台的实现流程 门机的设计流程由设计人员的设计习惯以及门机的结构特点来决定。在门机快速设计平台下，设计流程图如图5-3所示。,图5-3 设计流程图,在该设计流程下， 总工程师在服务器端上形成产品设计任务，并将产品的三个关键部件（门架，回转吊，小车）分配给不同的设计小组； 各个小组设计人员在客户机端的主界面中选择相应的模块导入到客户机端； 小组设计人员根据设计需要，修改相应的参数，并根据用户输入的参数自动生成有限元分析模型，并进行自动分析；若分析结果不满意

21、，可返回主界面调整参数，再次进行有限元分析，直到满足需求为止； 完成有限元分析后，系统调用CATIA软件，根据用户输入的参数自动生成三维设计模型；可根据实际设计需要进行少量细节修改； 最后，小组完成设计后，将本小组设计的模块上传回服务器端；系统自动对设计模型进行总体装配，并对模型进行干涉检查，最终整个设计流程完成，用户在CATIA软件的基础上，生成相应的二维工程图。,三、快速设计平台的应用情况 武汉大学动力与机械学院针对门机的结构特点，根据郑州水工机械厂的设计经验和设计流程，构建了门机快速设计平台，该平台以知识工程、虚拟样机等作为技术支持，实现了门机的智能化快速变型设计，并实现了设计与分析的集

22、成，最终提高了门机的设计质量和设计效率。,第三节 生产系统管理 一、灵捷制造战略 （一）灵捷制造的含义 1、背景 灵捷制造(Agile Manufacturing，AM)是由美国通用汽车公司(GM)等和里海(Leigh)大学的雅柯卡(Iacocca)研究所联合研究，于1988年首次提出的。 1992年，美国政府宣布将这种全新的制造模式作为21世纪制造企业的战略。,2、灵捷制造的定义和表现 定义： 灵捷制造就是指制造系统在满足低成本和高质量的同时，对变幻莫测的市场需求的快速反应。 灵捷制造的灵捷能力表现： （1）对市场的快速反应能力。判断和预见市场变化并对其快速地做出反应的能力。 （2）竞争力。

23、企业获得一定生产力、效率和有效参与竞争所需的技能。 （3）柔性。以同样的设备与人员生产不同产品或实现不同目标的能力。 （4）快速。以最短的时间执行任务(如产品开发、加工制造、供货等)的能力。 （二）灵捷制造战略要点 灵捷制造战略所包含的基本内容如表5-l所示。,表5-l 灵捷制造战略要点,二、并行工程 （一）并行工程的定义和主要目标 1、并行工程定义： Concurrent Engineering，CE 是对产品及其相关过程(包括制造和支持过程)进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。 这种工作模式力图使开发者们从一开始就考虑到产品全生命周期(从概念形成到产品报废)的所有因素，包括质量、成

24、本、进度和用户需求。,2、主要目标 全面提高制造全过程(包括设计工艺制造服务)中的质量。 降低产品全生命周期中的成本(包括产品设计、制造、运送、支持、客户使用至产品报废等成本)。 缩短产品研制开发周期(包括减少设计反复、降低设计时间生产准备时间制造时间发送时间等)。,（二）并行工程的方法 1、重组产品开发过程 （1）传统的产品开发过程以串行为主，其流程如图5-5所示。,（2）并行工程开发过程的重组与优化。,图5-6 产品并行开发流程,分解原有串行流程，将设计、制造、试验验证的大循环分解为若干小循环，避免将设计错误传递到下游阶段； 重组产品开发的子过程，使其尽量并行进行，减少不必要的环节，使产品

25、开发过程更合理、高效； 重新定位企业的资源，确定各个阶段参加产品开发的资源；利用建模方法和工具对并行流程进行仿真与优化。,2、组建集成产品开发团队 (1) 成员来自不同的部门并被授权。 团队成员对产品负责，相互依赖。 (3) 团队成员在协同环境中工作。 (4) 采用并行工作技术和方法，实施信息预发布、设计评审及反馈。 (5) 采用并行的产品开发模式，按工作流程开发产品。 (6) 定期组织团队会议，进行信息交流、讨论，进行团队决策。 (7) 采用产品数字定义、数字预装配、CAPP等设计工具和团队工具。 (8) 团队成员有平等权力阐述个人的见解，以积极的态度解决团队冲突，避免独裁。支持其他团队的工

26、作。,3、建立支持团队工作的协同工作环境 协同工作环境由 计算机网络、 计算机硬件、 产品数据管理系统、 数据库、 产品开发软件、 团队工具、 协同工作工具等组成。,4、应用各种技术工具完成产品并行开发 (1) DFA (Design For Assembly) 面向装配的设计主要是在设计过程中解决可装配及装配路径问题，确保产品的可装配性，避免后期出现装配类别的问题。 (2) DFM (Design for Manufacturing) 面向制造的设计主要是在设计过程中解决设计特征的加工问题，确保产品的可制造性。 (3) 全数字化定义的计算机辅助设计工具，如CAD，CAE，CAPP，CAM，Q

27、FD(质量功能配置)，CSCW(计算机支持协同工作环境)等。 (4) 利用PDM (产品数据管理) 工具完成产品开发中有关的数据、流程、人员、产品结构、文本、资源等管理。,（三）并行工程实施的途径 1、以集成制造信息系统和软件要求为主 并行工程认为及时、相关和精确的信息服务是并行工程的基础，认为成功实施并行工程的关键是形成设计过程中有效可用的数据库、软件和专家系统。 2、计算机辅助设计和计算机辅助制造工具集成 这种集成基于特征设计，由于制造工艺具有与设计不同的特征，故满足广义特征的建模方法成为关键。 3、沿着“全寿命工程”推进并行工程 该方法突出产品从概念到处理的全过程设计。全寿命工程强调从产

28、品设计早期阶段考虑产品生产周期的各种需求 4、沿着可制造设计和可装配设计路径，推进并行工程。 5、重视组织和文化改变的实施路径。,第四节 生产率管理与工业工程 工业工程是在制造工程学、管理科学和系统工程学等学科基础上发展起来的一门交叉的工程学科。 它是将人、设备、物料、信息和环境等生产系统要素进行优化配置，对工业等生产过程进行系统规划与设计、评价与创新，从而提高工业生产率和社会经济效益专门化的综合技术，它在降低运作成本方面可以发挥重要作用。,目前，我国面临着资源利用率低、质量和效益不高、产品等综合结构不合理、环境适应较差、国际竞争力及创新能力亟待增强，以及战略管理和内部管理弱化、技术与管理脱节

29、、特色化缺乏、产品，市场技术等方面发展不平衡等诸多问题和困境。 我国众多的民族企业，公司与各类组织，迫切需要现代工业工程理论的大量普及和应用，并从工业工程中找到实现组织目标的规划、设计、实施、测评与管理的方法与工具。,本节从工业工程的核心“降低成本、提高质量和生产率”出发，介绍生产率的定义、测评及影响生产率的要素，重点讨论工业工程程序体系中最重要的基础技术-工作研究。包括方法研究和作业测定两大部份。,一、工业制造与工业工程 工业工程的研究对象 所有生产要素所组成的各种生产及经营管理系统，包括社会经济系统的广义现代生产系统。其中制造工程是工业工程研究、开发与应用的重要内容。 工业工程从制造业向其

30、他产业部门、政府与各类组织拓展 工业工程的发展 成为与机械工程、建筑工程、电气工程和化学工程齐名的美国五大工程之一。 日本、韩国、新加坡、台湾以及香港等国家和地区20世纪中期开始重视了工业工程学科的理论研究和实际应用，在产业化和经济发展领域，取得了巨大的成功。 在我国说，工业工程还是一门新兴的学科，并已引起了广泛的关注和重视。,（一）工业工程定义 工业工程（IE）是综合运用数学、物理学和社会科学的基础知识及工程分析的方法，将人力物资装备能量和信息组成一个集成系统, 并对这样的系统进行规划设计评价和改进的活动。,（二）工业工程目标、功能和特征 目标： 追求企业的效率和社会系统的效益。 功能： 规

31、划、设计、评价、创新。 特征： IE是一门工程类科学技术，主要解决工程技术中的管理问题； IE的对象为生产及经营管理系统，且不局限于工业生产领域； IE所使用的工具为自然科学的“描述性”、工程技术的“规范性”以及社会科学的“交互性”、系统工程方法以及计算机技术； IE的任务和目标为通过各种资源的有效配置，实现系统的有效运行，达到制造系统的生产率提高和社会经济效益的提高。,（三）工业工程的内容体系 1、人因与效率工程 （1）工作研究（Work Study） （2）工效学（或人机工程学、管理工效学、人因工程学等 （3）组织设计（Organization Design） （4）人力资源开发与管理 2

32、、生产及其制造系统工程 （1）设施规划与物流分析 （2）现代制造工程（Modern Manufacturing Engineering） （3）生产计划与控制（Production Planning and Control） （4）质量管理与可靠性（Quality Control and Reliability） 3、现代经营工程 （1）工程经济（Engineering Economics） （2）工业设计（Industrial Design） （3）企业经营战略管理（Business Strategy Management）,二、生产率及生产率管理 （一）生产率的意义 生产率是一切经济价值的源泉，它成为一切生产组织、一个企业、一个行业、一个地区乃至一个国家的经济系统最为关注的目标。 工业工程的功能就是规划、设计、管理和不断改善生产系统，使之更有效地运行，取得更好的效果。所以