現(xiàn)代制造技術(shù)第7章現(xiàn)代制造系統(tǒng)課件

1、第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng)7.1 計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）7.2 虛擬制造技術(shù)（VM）7.3 敏捷制造與并行工程技術(shù)7.4 智能制造與精益生產(chǎn)技術(shù)7.5 反求設(shè)計與快速成形制造技術(shù)7.6 網(wǎng)絡(luò)制造第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng)7.1 計算機集成制造系統(tǒng)CIMS7.1.1 CIMS的概念 計算機集成制造系統(tǒng)（Computer Integrated Manufacturing System，簡稱CIMS）是一種現(xiàn)代制造系統(tǒng)。在討論CIMS的概念之前，我們先了解“CIM”的概念。 CIM（Computer Integrated Manufacturing，計算機集成制造）是美國約瑟夫哈林頓（Joseph Ha

2、rrington）博士于1974年在其Computer Integrated Manufacturing一書中首先提出的。 CIMS至今也沒有統(tǒng)一公認的定義，其中一個主要原因就是CIMS本身總是處在不斷發(fā)展之中。基于現(xiàn)狀，可把CIMS理解為是現(xiàn)代制造企業(yè)的一種生產(chǎn)、經(jīng)營和管理模式。 它包括了企業(yè)全部的生產(chǎn)經(jīng)營活動，所以比傳統(tǒng)的工廠自動化的范圍大得多，是一個復(fù)雜的大系統(tǒng)；CIMS所涉及的自動化不是工廠各個環(huán)節(jié)自動化的簡單疊加，而是有機的集成，這里的集成不僅是有形物的集成，更是以信息集成為特征的技術(shù)集成，乃至與人的集成。第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng)第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng) 這樣，我們可以得出以下看法：CIMS

3、是在自動化技術(shù)、信息技術(shù)及現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過計算機軟硬件將企業(yè)全部生產(chǎn)活動所需的各種分散的自動化系統(tǒng)有機地集成起來，是適應(yīng)多品種、小批量生產(chǎn)的總體高效率、高柔性的智能制造系統(tǒng)。第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng) 從系統(tǒng)的功能角度考慮，一般認為CIMS可有經(jīng)營管理信息系統(tǒng)、工程設(shè)計自動化系統(tǒng)、制造自動化系統(tǒng)和質(zhì)量保證信息系統(tǒng)四個功能分系統(tǒng)，以及計算機網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫兩個支撐分系統(tǒng)組成。7.1.2 CIMS的基本組成第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng)7.1.3 CIMS的遞階控制模式 CIMS是一個復(fù)雜的大系統(tǒng)，通常采用遞階控制的體系模式。所謂的遞階控制即為將一個復(fù)雜的控制系統(tǒng)按照其功能分解成若干層次，各層次進行獨立的控

4、制處理，完成各自的功能。 層與層之間保持信息交換，上層對下層發(fā)出命令，下層對上層回送命令執(zhí)行結(jié)果，通過信息聯(lián)系構(gòu)成完整的系統(tǒng)。這種控制模式減少了全局控制的難度以及系統(tǒng)開發(fā)的難度，已成為當(dāng)今復(fù)雜系統(tǒng)的主流控制模式。 第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng)CIMS遞階控制結(jié)構(gòu)第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng) 7.1.4 CIMS的體系結(jié)構(gòu) 要實施高度集成的自動化系統(tǒng)，必須有一個合適的體系結(jié)構(gòu)。 CIMS/OSA體系結(jié)構(gòu)為制造工業(yè)的CIMS提供了一種參考模型，已作為對CIMS進行規(guī)劃、設(shè)計實施和運行的系統(tǒng)工具。 歐共體CIMS/OSA體系結(jié)構(gòu)的基本思想是：將復(fù)雜的CIMS系統(tǒng)的設(shè)計實施過程沿結(jié)構(gòu)方向、建模方向和視圖方向分別作為通

5、用程度維、生命周期維和視圖維三維坐標，對應(yīng)于從一般到特殊（具體化）、推導(dǎo)求解和逐步生成的三個過程，以形成CIM開放式體系結(jié)構(gòu)總體礦框架。 第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng)CIMS/OSA的結(jié)構(gòu)框架第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng)7.1.5 我國在CIMS技術(shù)方面的進展十年來，我國863/CIMS主題在“效益驅(qū)動、總體規(guī)劃、重點突破、分步實施”16字方針的指導(dǎo)下，CIMS在我國的研究、開發(fā)與應(yīng)用取得了重大進展，完成了一批CIMS前沿技術(shù)的研究，開發(fā)了一批具有實用價值的CIMS工具產(chǎn)品，建立了十多個典型的CIMS應(yīng)用工程。 1994年11月，建立在清華大學(xué)的國家CIMS工程中心獲得美國制造工程師學(xué)會（SME）的CIMS應(yīng)

6、用開發(fā)“大學(xué)領(lǐng)先獎”，這表明我國CIMS研究達到了國際先進水平，我國CIMS技術(shù)得到國際社會的承認。 第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng) 1995年11月，北京第一機床廠CIMS工程榮獲美國制造工程師學(xué)會的CIMS“工業(yè)領(lǐng)先獎”，這一進步表明我國的CIMS在工業(yè)應(yīng)用上也進入國際先進水平。 成都飛機工業(yè)公司是我國航天工業(yè)的骨干企業(yè)，實施CIMS的第一期工程后，麥道（MD）機頭的裝配周期從12個月縮短到6個月，達到每月生產(chǎn)2架的水平，成為飛機部件合格的國際承包商，并將成為美國麥道公司的MD80/90機頭的唯一供應(yīng)商。 第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng) 沈陽鼓風(fēng)機廠是我國生產(chǎn)大型渦輪壓縮機的骨干企業(yè)，實施CIMS工程之后，采

7、用分布環(huán)境下的產(chǎn)品報價系統(tǒng)，報價從6周縮短到2周，已經(jīng)達到國際API標準的技術(shù)報價、財務(wù)報價及商務(wù)報價（中英文格式）水平 。 北京第一機床廠是成功應(yīng)用CIMS的第三個實例。在實施CIMS工程后，超重型數(shù)控龍門銑床的開發(fā)周期從32個月縮短到24個月甚至20個月，加工中心的開發(fā)周期從12個月縮短到6個月，顯示了技術(shù)進步的巨大威力。 除了上面的幾家，還有上海第二紡織機械有限公司、鄭州紡織機械廠、東風(fēng)汽車公司、濟南第一機床廠、華寶空調(diào)器廠、中國時裝設(shè)計中心等都是成功利用CIMS的例子第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng) 然而，CIMS的實踐并非一帆風(fēng)順。因為： 1）企業(yè)經(jīng)常面臨技術(shù)、投資、和人員素質(zhì)問題； 2）在規(guī)劃

8、中，缺少對企業(yè)結(jié)構(gòu)、功能和車間組織的深入研究； 3）片面強調(diào)高技術(shù)，偏離企業(yè)目標，沒有獲得所期望的柔性和經(jīng)濟效益； 4）在建立CIMS的過程中實現(xiàn)全面集成困難很大，且花費代價太高； 5）過分強調(diào)信息集成與自動化，而忽略了“人”在系統(tǒng)中的作用。 面對這種情況，CIMS應(yīng)在實踐的基礎(chǔ)上，認真總結(jié)經(jīng)驗，不斷吸收新思想、新觀點、新技術(shù)，從而產(chǎn)生新一代CIMS。第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng) 7.2.1虛擬制造的定義 虛擬制造技術(shù)是利用仿真與虛擬現(xiàn)實等技術(shù)， 在高性能計算機及高速網(wǎng)絡(luò)的支持下，采用群組協(xié)同工作， 通過模型來模擬和預(yù)估產(chǎn)品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的問題， 實現(xiàn)產(chǎn)品制造的本質(zhì)過程， 包括產(chǎn)

9、品的設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗、并進行過程管理與控制等。 7.2 虛擬制造技術(shù)（VM）第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng)虛擬裝配第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng)7.2.2 虛擬制造的分類第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng) VM 的相關(guān)技術(shù)包括： 虛擬現(xiàn)實技術(shù)、仿真技術(shù)、建模技術(shù)、可制造性評價、計算機圖形學(xué)、可視化技術(shù)和多媒體技術(shù)等技術(shù)。 這些技術(shù)早已被廣泛應(yīng)用， VM 是這些技術(shù)的綜合應(yīng)用和發(fā)展， 其中前4 項是虛擬制造的關(guān)鍵技術(shù)。 7.2.3 虛擬制造關(guān)鍵技術(shù)第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng) 1.虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality Technology) 虛擬現(xiàn)實技術(shù)是在為改善人與計算機

10、的交互方式， 提高計算機的可靠操作性中產(chǎn)生的。它綜合了計算機圖形學(xué)技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、可視化技術(shù)、多媒體技術(shù)和并行工程等多種科學(xué)技術(shù)， 在計算機上生成一種虛擬的、可交互的， 使人產(chǎn)生身臨其境的沉浸感的環(huán)境。 GBurde 虛擬現(xiàn)實技術(shù)三角形第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng)2、仿真技術(shù)( Simulation Technology) 仿真的基本步驟為： 研究系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)建立系統(tǒng)模型確定仿真算法建立仿真模型運行仿真模型輸出結(jié)果并分析。 就仿真技術(shù)應(yīng)用的對象來看， 可將制造業(yè)中的仿真分為四類： 面向產(chǎn)品的仿真; 面向制造工藝和裝備的仿真; 面向生產(chǎn)管理的仿真; 面向企業(yè)其他環(huán)節(jié)的仿真第7章 現(xiàn)代制

11、造系統(tǒng) 3、建模技術(shù)(Modeling Technology) 虛擬制造系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)在軟件方面就是系統(tǒng)的建模， 因為虛擬制造系統(tǒng)本身就是現(xiàn)實制造系統(tǒng)在虛擬環(huán)境下的映射， 是現(xiàn)實制造系統(tǒng)的模型化、形式化和計算機化的抽象描述和表示。 虛擬制造系統(tǒng)的建模主要包括： 生產(chǎn)模型的建立、產(chǎn)品模型的建立和工藝模型的建立。 4、可制造性評價(Manufacturability Analysis)第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng) VM 中可制造性評價的定義為， 在給定的設(shè)計信息和制造資源等環(huán)境信息的計算機描述下， 確定設(shè)計特性( 如形狀、尺寸、公差、表面質(zhì)量等) 是否是可制造的， 若是可制造的， 則確定可制造性等級;

12、 若是不可制造的， 判斷引起制造問題的設(shè)計原因， 如果可能， 則給出修改方案。 未來的虛擬制造系統(tǒng)的評價方法要能方便的定位和消除可能的制造瓶頸， 即系統(tǒng)應(yīng)能自動將定級依據(jù)反饋給設(shè)計者; 虛擬制造系統(tǒng)也必須建立自動確定重新設(shè)計方案的算法， 而不是粗略的成本估計及其定級標準; 它應(yīng)當(dāng)是支持多工藝類型的、能區(qū)分其差異和優(yōu)劣的、并能進行多工藝類型的綜評價7.2.4 虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用實例第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng)飛行器虛擬制造第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng)7.3 敏捷制造與并行工程技術(shù)7.3.1 敏捷制造（AM） 敏捷制造是改變傳統(tǒng)的大批量生產(chǎn)，利用先進制造技術(shù)和信息技術(shù)對市場的變化作出快速響應(yīng)的一種生產(chǎn)方式；通過可

13、重用、可重組的制造手段與動態(tài)的組織結(jié)構(gòu)和高素質(zhì)的工作人員的組成，獲得企業(yè)的長期經(jīng)濟效益。 敏捷制造的基本原理為：采用標準化和專業(yè)化的計算機網(wǎng)絡(luò)和信息集成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，以分布式結(jié)構(gòu)連接各類企業(yè)，構(gòu)成虛擬制造環(huán)境：以競爭合作為原則在虛擬制造環(huán)境內(nèi)動態(tài)選擇成員，組成面向任務(wù)的虛擬公司進行快速生產(chǎn)；系統(tǒng)運行目標是最大限度滿足客戶的需求。第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng)根據(jù)上述的基本原理，可將敏捷制造的特點歸納為以下幾點：敏捷制造企業(yè)不僅能迅速設(shè)計、試制全新的產(chǎn)品，而且還易于吸收實際經(jīng)驗和工藝改革建議，不斷改進老產(chǎn)品。 敏捷制造企業(yè)能在整個生命周期中滿足用戶要求。敏捷制造企業(yè)的生產(chǎn)成本與生產(chǎn)批量無關(guān)。 敏捷制造企業(yè)采用

14、多變的動態(tài)組織結(jié)構(gòu)。 敏捷制造企業(yè)通過所建立的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)企業(yè)經(jīng)營目標。 敏捷制造企業(yè)把最大限度地調(diào)動、發(fā)揮人的作用作為強大的競爭武器。 第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng)7.3.2 并行工程技術(shù)（CE） 關(guān)于并行工程的定義目前國際上有多種提法，其基本意思都是指：對產(chǎn)品開發(fā)生命周期中的一切過程和活動，借助信息技術(shù)的支持、在集成的基礎(chǔ)上實行并行交叉方式的作業(yè)，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，加快產(chǎn)品投入市場的時間。 并行工程是一種哲理，是一種系統(tǒng)集成化的現(xiàn)代生產(chǎn)方式。第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng) 串、并行工程時序的比較第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng) 并行工程采用并行的方式，在產(chǎn)品設(shè)計階段就集中產(chǎn)品研制周期中的各有關(guān)工程技術(shù)人員，同步

15、地設(shè)計或考慮整個產(chǎn)品生命周期中的所有因素，對產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、裝配設(shè)計、檢驗方式、售后服務(wù)方案等進行統(tǒng)籌考慮、協(xié)同進行。 在上述并行工程運行模式下，每一個設(shè)計者可以像在傳統(tǒng)的CAD工作站上一樣進行自己的設(shè)計工作。借助于適當(dāng)?shù)耐ㄐ殴ぞ撸诠矓?shù)據(jù)庫、知識庫的支持下，設(shè)計者之間可以相互進行通信，根據(jù)目標要求既可隨時應(yīng)其它設(shè)計人員要求修改自己的設(shè)計，也可要求其它的設(shè)計人員響應(yīng)自己的要求。通過協(xié)調(diào)機制，群體設(shè)計小組的多種設(shè)計工作可以并行協(xié)調(diào)地進行 第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng)并行工程的運行模式第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng)并行工程設(shè)計網(wǎng)絡(luò)第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng)7.4 智能制造與精益生產(chǎn)技術(shù)7.4.1 智能制造（IM）

16、智能制造系統(tǒng)（Intelligent Manufacturing System）簡稱IMS，它是將人工智能融合進制造系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)中，通過模擬專家的智能活動，取代或延伸制造環(huán)境中應(yīng)由專家來完成的那部分活動。與常規(guī)制造系統(tǒng)不同，智能制造系統(tǒng)具有自適應(yīng)能力、自學(xué)習(xí)能力和自組織能力。 第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng) 與傳統(tǒng)制造系統(tǒng)相比，智能制造系統(tǒng)具有如下的特征：（1）自律能力 （2）人機一體化 （3）靈境（Virtual reality）技術(shù) （4）自組織能力 （5）學(xué)習(xí)能力與自我優(yōu)化能力 （6）自我修復(fù)能力與強大的適應(yīng)性 靈境技術(shù)與人機界面 第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng)7.4.2 精益生產(chǎn)（LP） 這是一種全新的生

17、產(chǎn)方式，既不同于歐洲的單件生產(chǎn)方式，也不同于美國的大批量生產(chǎn)方式，它綜合了單件生產(chǎn)與大批量生產(chǎn)方式的優(yōu)點，使工廠的工人、設(shè)備投資、廠房以及開發(fā)新產(chǎn)品的時間等一切投入都大為減少，而生產(chǎn)出的產(chǎn)品和質(zhì)量卻更多更好。 精量生產(chǎn)是通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、人員組織、運行方式和市場供求等方面的變革，使生產(chǎn)系統(tǒng)能很快適應(yīng)用戶需求不斷變化，并能使生產(chǎn)過程中一切無用、多余的東西被精簡，最終達到包括市場銷售在內(nèi)的生產(chǎn)的各方面最好的結(jié)果。第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng)精良生產(chǎn)方式的特點（1）強調(diào)以“人”為中心的人-機系統(tǒng)（2）以用戶為“上帝”（3）組織機構(gòu)上以“精簡”為手段（4）Team Work和并行設(shè)計（5）JIT供貨方式（6）“零

18、缺陷”工作目標第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng)精良生產(chǎn)的體系構(gòu)成 精良生產(chǎn)體系就是在計算機網(wǎng)絡(luò)支持下的、以小組方式工作的并行工作方式。如精良生產(chǎn)體系比作一幢大樓，它的三根支柱就是：（1）全面質(zhì)量管理，它是保證產(chǎn)品質(zhì)量，達到零缺陷目標的主要措施；（2）準時生產(chǎn)和零庫存，它是縮短生產(chǎn)周期和降低生產(chǎn)成本的主要方法；（3）成組技術(shù)，這是實現(xiàn)多品種、按顧客定單組織生產(chǎn)、擴大批量、降低成本的技術(shù)基礎(chǔ)。 精良生產(chǎn)的體系構(gòu)成第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng) 7.5 反求設(shè)計與快速成形制造技術(shù)7.5.1 反求設(shè)計 反求設(shè)計(Reverse Design) 是以先進的產(chǎn)品或技術(shù)為對象，進行深入的分析研究，探索并掌握其關(guān)鍵技術(shù)，在消化、吸

19、收的基礎(chǔ)上，開發(fā)出同類型創(chuàng)新產(chǎn)品的設(shè)計。傳統(tǒng)設(shè)計是通過工程師的創(chuàng)造性勞動，將一個事先并不知道的事物變?yōu)槿祟愋枨蠛拖矏鄣漠a(chǎn)品。 概括地說，傳統(tǒng)設(shè)計是由未知到已知、由想象到現(xiàn)實的過程。反求設(shè)計則是從已知事物的有關(guān)信息(包括實物、技術(shù)資料文件、照片、廣告、情報等) 出發(fā)，去尋求這些信息的科學(xué)性、技術(shù)性，先進性、經(jīng)濟性、合理性等，并且充分消化和吸收，而更重要的是在此基礎(chǔ)上改進、挖潛進行再創(chuàng)造。第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng) 反求設(shè)計分為兩個階段：反求對象分析階段與設(shè)計階段。反求對象分析階段：通過對原有產(chǎn)品的剖析、尋找原產(chǎn)品的技術(shù)缺陷、吸取其技術(shù)精華、關(guān)鍵技術(shù)，為改進或創(chuàng)新設(shè)計提出方向。反求設(shè)計階段：在對原產(chǎn)品進

20、行反求分析的基礎(chǔ)上，可進行測繪仿制、開發(fā)設(shè)計和變異設(shè)計，研制出符合市場需求的新產(chǎn)品。 （1）反求對象設(shè)計指導(dǎo)思想的分析（2）反求對象功能原理方案分析（3）反求對象材料的分析（4）反求對象工藝分析第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng)反求工程設(shè)計程序第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng) 7.5.2 快速成型制造技術(shù) 快速成形技術(shù)（Rapid Prototyping Technology，簡稱RP）是20世紀80年代國外發(fā)展起來的一種新技術(shù)，它完全是順應(yīng)快速開發(fā)產(chǎn)品的客觀需要而產(chǎn)生的?？焖俪尚渭夹g(shù)與虛擬制造技術(shù)一起，被稱為未來制造業(yè)的兩大支柱技術(shù)。 快速成形技術(shù)是綜合利用CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光加工技術(shù)和材料技術(shù)來實現(xiàn)從零件設(shè)計

21、到三維實體原型制造的機電一體化系統(tǒng)技術(shù)。它是采用軟件離散化和材料堆積的原理實現(xiàn)實體的成型。 第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng) 快速成形技術(shù)原理第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng) 快速成形技術(shù)原理第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng) 進行快速成形技術(shù)制造實體樣件時，按照以下步驟進行：（1）由CAD軟件設(shè)計出零件的三維曲面或?qū)嶓w模型，按照一定的厚度在Z向?qū)ι傻腃AD模型進行切面分層，生成每個截面的二維平面信息。（2）對二維層面信息進行工藝處理，選擇合適的加工參數(shù)，系統(tǒng)自動生成刀具移動軌跡和數(shù)控加工代碼。（3）對加工過程進行仿真，確保定數(shù)控加工代碼正確無誤。（4）利用數(shù)控裝置控制激光束或其它工具的運動，在當(dāng)前層上進行輪廓掃描，加工出適當(dāng)?shù)?/p>

22、截面形狀。（5）鋪上一層新的成型材料，進行下一層面的加工，如此重復(fù)，直到整個零件加工完畢。第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng)激光 快速成型 實例第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng)快速成形技術(shù)的特點1）高度柔性化2）技術(shù)高度集成化3）成形的快速性4）制造技術(shù)的全數(shù)字化5）材料使用的廣泛化6）生產(chǎn)過程更環(huán)保第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng)快速成形技術(shù)的分類按不同成形材料分類，快速成形可分為以下幾種：1）液態(tài)材料成形2）離散顆粒成形3）實體薄片成形按不同成形工藝分類，快速成形可分為：1）光固化成形法（SLA）2）疊層實體制造法（LOM）3）選擇性激光燒結(jié)法（SLS）4）熔融沉積成形法（FDM）第7章 現(xiàn)代制造系統(tǒng) 快速成形技術(shù)的主要工藝方法1. 光固化成形法（Stereo Lithography Apparatus ，SLA）SLA快速原型法