數(shù)字工廠及其應用技術

2023/1/121數(shù)字工廠及其應用技術

22023/1/12課程簡介

數(shù)字化制造技術作為先進制造技術的重要發(fā)展方向，已經(jīng)成為國內外先進制造技術研究的熱點，數(shù)字化工廠是數(shù)字化制造中關鍵環(huán)節(jié)之一，數(shù)字化工廠技術最主要解決產(chǎn)品設計和產(chǎn)品制造之間的鴻溝，降低設計到生產(chǎn)制造之間的不確定性，在數(shù)字空間中將生產(chǎn)制造過程壓縮和提前，使生產(chǎn)制造過程在數(shù)字空間中得以檢驗，從而提高系統(tǒng)的成功率和可靠性，縮短從設計到生產(chǎn)的轉化時間。32023/1/12課程簡介

本課程是一門理論與工程實踐相結合的選修課，適合于具有工科背景的學生。其主要目的是讓學生了解數(shù)字制造技術的發(fā)展、數(shù)字化工廠技術的概念與理論；數(shù)字制造建模理論；支持數(shù)字工廠的虛擬現(xiàn)實與優(yōu)化仿真技術、工廠布局與規(guī)劃技術、生產(chǎn)規(guī)劃與物流仿真技術、制造過程仿真模擬技術等，拓寬知識面，為今后更高層次的學習和研究奠定基礎。42023/1/12考核形式平時作業(yè)綜述性的研究報告52023/1/12仿真與優(yōu)化2134虛擬制造技術數(shù)字制造的建模理論緒論56數(shù)字化工廠支撐技術數(shù)字化工廠理論7數(shù)字化工廠應用技術課程體系62023/1/12第一章緒論1引言2現(xiàn)代制造的特征3數(shù)字化制造內涵與體系72023/1/12制造技術是當代科學技術發(fā)展最為活躍的領域，是產(chǎn)品更新、生產(chǎn)發(fā)展、國際間技術競爭的重要手段；制造業(yè)是國民經(jīng)濟最重要的支柱產(chǎn)業(yè)，在工業(yè)化國家約有25%的人口從事制造業(yè)，70%~80%的物質財富來自制造業(yè)；制造業(yè)是我國國民經(jīng)濟的核心和工業(yè)化的原動力，我國制造業(yè)總產(chǎn)值約占全國GDP的42.5%；世界各發(fā)達國家都把先進制造技術列為國家中、長期發(fā)展的重大關鍵技術。第一章緒論82023/1/12

制造業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的發(fā)展方向:

小批量→少品種大批量→多品種變批量

制造業(yè)資源配置的發(fā)展方向:

勞動密集→設備密集→信息密集→知識密集制造技術生產(chǎn)方式的發(fā)展方向

手工→機械化→單機自動化→剛性流水自動化→柔性自動化→智能自動化

第一章緒論92023/1/12

1.知識經(jīng)濟條件下以社會、市場、環(huán)境和資源為背景的制造業(yè)產(chǎn)品生命周期縮短用戶需求多樣化大市場和大競爭交貨期成為競爭的第一要素信息化和智能化人的知識、素質和需求的變化環(huán)境保護意識的增強與可持續(xù)發(fā)展知識經(jīng)濟時代制造業(yè)呈現(xiàn)新特點第一章緒論102023/1/12

特點如下：2.知識經(jīng)濟條件下以社會、市場、環(huán)境和資源為背景的制造技術常規(guī)制造工藝的優(yōu)化新型（非正規(guī)）加工方法的發(fā)展專業(yè)、學科間的界限逐漸淡化、消失工藝設計由經(jīng)驗走向定量分析信息技術、管理技術與工藝技術緊密結合第一章緒論112023/1/123.二十一世紀制造業(yè)面臨的六大挑戰(zhàn)（1）快速響應市場能力的挑戰(zhàn)——

全部制造環(huán)節(jié)并行實現(xiàn)

（2）打破傳統(tǒng)經(jīng)營的組織、地域及時間壁壘的挑戰(zhàn)—

技術資源的集成

（3）信息時代的挑戰(zhàn)——

信息向知識的轉變

（4）日益增長的環(huán)保壓力的挑戰(zhàn)——

可持續(xù)發(fā)展

（5）制造全球化和貿(mào)易自由化的挑戰(zhàn)——

可重組工程

（6）技術創(chuàng)新的挑戰(zhàn)——

全新制造工藝及產(chǎn)品的開發(fā)第一章緒論122023/1/12多軸聯(lián)動，高進給速度，工件重100噸，行程6米。加工精度微米級例：高速、高精度數(shù)控機床例：3萬噸水壓機活動橫梁自重

2100噸行程

1830毫米鍛件尺寸

3米響應時間

0.3秒全行程位移誤差0.13毫米制造裝備高精度、高可靠性大行程、大變載、高速、高加速度132023/1/12第一章緒論航空發(fā)動機是一種高附加值產(chǎn)品：航空發(fā)動機、客機、計算機、轎車和輪船的價值比為1400：800：300：9：11998年-2007年世界航空發(fā)動機銷售和維修市場總額為3500億美元142023/1/12GE90發(fā)動機2800多個組件10000多個零件航空發(fā)動機研究和發(fā)展特點：技術難度大：涉及氣動、熱工、結構與強度、控制、測試、計算機、制造技術和材料等多個學科，一臺發(fā)動機內有幾十個部件和系統(tǒng)及數(shù)以萬計的零件第一章緒論152023/1/12航空發(fā)動機研究和發(fā)展特點：周期長：發(fā)動機從方案論證到定型投入使用的周期長達30年。例如美國空軍第四代戰(zhàn)斗機發(fā)動機從1986年開始驗證機研制；1991年原型機工程和制造研制，2004-2005投入使用第一章緒論162023/1/12172023/1/12航空發(fā)動機研究和發(fā)展特點：費用高：80年代研制一臺推力為11000kgf，推重比5.5的渦輪風扇發(fā)動機的費用大約為10-15億美元；90年代F119發(fā)動機研制費用超過20億美元；聯(lián)合攻擊戰(zhàn)動機F35的動力裝置F135研制費用高達50億美元發(fā)動機研制費用約占航空研究費用的25%第一章緒論182023/1/12產(chǎn)業(yè)革命（標志技術）經(jīng)濟模式前期工業(yè)經(jīng)濟時代發(fā)達工業(yè)經(jīng)濟時代知識工業(yè)經(jīng)濟時代主要生產(chǎn)模式主要生產(chǎn)要素生產(chǎn)過程生產(chǎn)特征關鍵技術對產(chǎn)品要求企業(yè)注重企業(yè)管理強調與資源的關系與環(huán)境的關系第一次產(chǎn)業(yè)革命（蒸汽機）第二次產(chǎn)業(yè)革命（電力）規(guī)模經(jīng)濟規(guī)模生產(chǎn)勞動力流水線、可互換式制造機械化單元技術批量大數(shù)量集中利用資源破壞環(huán)境第三次產(chǎn)業(yè)革命（原子能）速度經(jīng)濟集成生產(chǎn)資本自動線、剛性或柔性集成制造自動化綜合技術品種多質量自主節(jié)約資源關心環(huán)境高新技術產(chǎn)業(yè)革命（信息技術）知識經(jīng)濟集約生產(chǎn)知識并行工程、分布式網(wǎng)絡智能制造數(shù)字化、網(wǎng)絡化智能技術個性化、參與化、快速響應服務（質量、價格、售后服務）協(xié)同、人的創(chuàng)新作用更新資源保護環(huán)境、美化環(huán)境192023/1/1220-60年代：生產(chǎn)規(guī)模剛性生產(chǎn)線：大量生產(chǎn)70年代：生產(chǎn)成本精良生產(chǎn)、準時生產(chǎn)制80年代：產(chǎn)品質量CIMS、全面質量管理TOC90年代：市場響應速度敏捷制造、快速響應制造21世紀、知識和創(chuàng)新新經(jīng)濟、全球化網(wǎng)絡化制造202023/1/12現(xiàn)代制造的特征（1）先進制造技術是多學科的融合集成鴻溝“Gap”設計功能描述制造設計物化面向制造的設計、虛擬設計虛擬制造、數(shù)字工廠212023/1/12現(xiàn)代制造的特征先進制造技術是多學科的融合傳統(tǒng)制造業(yè)網(wǎng)絡信息技術智能理論控制論企業(yè)管理信息論現(xiàn)代制造理論體系計算機集成制造、智能制造、敏捷制造、網(wǎng)絡化制造222023/1/12現(xiàn)代制造的特征先進制造是覆蓋產(chǎn)品全生命周期的制造設計制造銷售使用設計制造銷售使用232023/1/12

網(wǎng)絡協(xié)同化

大型集團企業(yè)信息化向網(wǎng)絡協(xié)同化方向發(fā)展，為其在全球范圍內優(yōu)化配置資源提供支撐。系統(tǒng)集成化骨干企業(yè)信息化向系統(tǒng)集成化方向發(fā)展，促進企業(yè)核心競爭力的提升。服務平臺化

中小企業(yè)信息化向服務平臺化方向發(fā)展，降低其企業(yè)信息化成本，提高其敏捷、靈活與快速響應性?，F(xiàn)代制造的特征信息化與數(shù)字化制造數(shù)字化制造是先進制造技術與信息技術相結合的產(chǎn)物，體現(xiàn)了制造技術的發(fā)展趨勢和學科前沿；242023/1/12德國法國英國西班牙機艙內裝飾前后機身駕駛艙和中段機翼發(fā)動機機架垂直尾翼水平尾翼發(fā)動機工裝美國其它供應商空客A380采用跨國異地設計/制造/管理的信息平臺ACE系統(tǒng)。通過29100個環(huán)球的網(wǎng)絡終端，使分布在世界各地的設計人員、供應商均可根據(jù)級別進入相應的設計系統(tǒng)，修改數(shù)據(jù)可即時傳送效率和準確率大大提高。

（1）網(wǎng)絡協(xié)同化：制造業(yè)信息化技術支撐產(chǎn)業(yè)鏈、企業(yè)間的國際化協(xié)作和全球資源優(yōu)化配置，實現(xiàn)集團企業(yè)與供應商、經(jīng)銷商和服務商的信息流、業(yè)務流的集成。252023/1/12福特公司C3P計劃強調使用單一的核心系統(tǒng)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)設計制造集成。集成環(huán)境C3P，使得產(chǎn)品數(shù)據(jù)能夠在各個部門間高效傳遞，大幅度減少了紙制介質的使用，縮短了研發(fā)周期。在Teamcenter基礎上進行二次開發(fā)和系統(tǒng)定制，將PDM向PLM延伸并實現(xiàn)與ERP系統(tǒng)的有機融合，提供汽車全生命周期的集成平臺。（2）系統(tǒng)集成化：制造業(yè)信息化技術促進企業(yè)內部的數(shù)據(jù)、資源的集成，實現(xiàn)企業(yè)內部數(shù)字化設計、制造與管理的互連互通，支撐企業(yè)核心競爭力的提升。262023/1/12

（3）服務平臺化：以公共服務平臺為基礎，采用一對多的服務方式，為中小企業(yè)提供制造業(yè)信息化的應用服務，支持企業(yè)的業(yè)務過程、實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)作的信息集成。汽車行業(yè)公共數(shù)據(jù)網(wǎng)絡平臺（ANX）為汽車制造廠、多級配件供應商、多級銷售商和多級服務企業(yè)建立了統(tǒng)一的信息交流環(huán)境。ANX平臺大大降低了運營成本，為眾多中小企業(yè)提供了介入原本只有大型企業(yè)才能擁有的采購、銷售和服務體系。ANX：美國ENX：歐洲JNX：日本KNX：韓國AANX：澳大利亞TANX：中國臺灣272023/1/12現(xiàn)代制造的特征新的制造理念與發(fā)展傳統(tǒng)制造技術向高精度、高速高效、自動化和智能化方向發(fā)展生物制造與仿生機械：結構、功能、能源與運動機械仿生和仿生制造、生物自生長成形制造；機械超前反饋仿生與制造的科學與技術；生物制造原理和技術；新一代生物芯片制造原理與技術納米制造科學與技術：納米材料制備及其性能測量；納米尺度加工、制造、測量與裝配；納電子制造與分子原子制造的原理與技術綠色制造282023/1/12數(shù)字制造的概念和發(fā)展制造就是在人的主導下，通過物質、能源和信息三大要素之間的相互作用，將原材料轉化為產(chǎn)品的過程原材料能量設備產(chǎn)品廢物回收處理信息人與環(huán)境292023/1/12數(shù)字制造的概念和發(fā)展隨著信息技術和計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展，世界正經(jīng)歷一場網(wǎng)絡化革命網(wǎng)絡化、數(shù)字化、全球化、知識化和服務化是制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)數(shù)字化已成為制造業(yè)中產(chǎn)品全生命周期不可缺少的驅動因素。制造業(yè)由傳統(tǒng)的能量驅動型逐步轉為數(shù)字信息驅動型未來的制造業(yè)將成為一種信息產(chǎn)業(yè)，信息將成為制造業(yè)的決定因素，用信息化技術促進制造業(yè)的改造已成為時代的潮流302023/1/12數(shù)字制造的概念和發(fā)展信息在制造過程中的作用人類大腦四肢工具對象感官器官環(huán)境人類體力與智力為主導的制造312023/1/12數(shù)字制造的概念和發(fā)展信息在制造過程中的作用人類大腦手機器對象感官器官環(huán)境工業(yè)革命-機器時代322023/1/12數(shù)字制造的概念和發(fā)展信息在制造過程中的作用人類大腦數(shù)字指令控制器對象感官器官環(huán)境計算機時代-數(shù)字控制時代執(zhí)行器傳感器332023/1/12數(shù)字制造的概念和發(fā)展信息在制造過程中的作用智能體控制器執(zhí)行器對象傳感器環(huán)境信息時代342023/1/12數(shù)字制造的概念和發(fā)展裝配有限元分析機構分析工藝規(guī)劃數(shù)控編程CAD、CAM、CAPP、PDM制造執(zhí)行柔性制造企業(yè)資源計劃供應鏈管理客戶關系管理STEP/TCP/IPXML352023/1/12362023/1/12數(shù)字制造的概念和發(fā)展波音777是世界上第一個采用全數(shù)字化定義和無紙化生產(chǎn)的大型飛機依據(jù)飛機部件功能劃分為238個綜合設計制造小組，共有人員8000余人配置2200個使用CATIA軟件的IBMRISC6000工作站和9000多臺PC，建立了由8臺主機聯(lián)網(wǎng)的并行工程環(huán)境，支持238小組進行產(chǎn)品設計與信息交換減少設計更改和返工率50%以上，降低成本30%-60%，縮短開發(fā)時間50%372023/1/12數(shù)字制造的概念數(shù)據(jù)是未經(jīng)過組織的數(shù)字、詞語、聲音、圖像等；信息是以有意義的形式加以排列和處理的數(shù)據(jù)；知識是用于生產(chǎn)的信息，信息是知識的基石，信息經(jīng)過加工處理、應用與生產(chǎn)，才能轉變成知識；數(shù)字是用于表示事物以及事物之間的聯(lián)系符號，信息的載體，而信息是數(shù)字的內涵；企業(yè)信息化就是將數(shù)據(jù)、信息和知識高效地存儲管理起來，并完成從數(shù)據(jù)到信息再到知識的的轉換，進而從知識中再創(chuàng)造出新的知識，將企業(yè)的效益最大化；382023/1/12數(shù)字制造的定義數(shù)字制造是用數(shù)字化定量、表述、存儲、處理和控制方法，支持產(chǎn)品全生命周期和企業(yè)的全局優(yōu)化運營，以制造過程的知識融合為基礎，以數(shù)字化建模仿真與優(yōu)化為特征；它是在虛擬現(xiàn)實、計算機網(wǎng)絡、快速原型、數(shù)據(jù)庫等技術支撐下，根據(jù)用戶的需求，對產(chǎn)品信息、工藝信息和資源信息進行分析、規(guī)劃和重組，實現(xiàn)對產(chǎn)品設計和功能的仿真以及原型制造，進而快速生產(chǎn)出達到用戶要求性能的產(chǎn)品的整個制造過程。微觀過程數(shù)字化：制造工藝過程知識的獲取以及進行制造工藝自主設計和優(yōu)化控制宏觀過程數(shù)字化：生產(chǎn)系統(tǒng)的布局設計與實際優(yōu)化運作的數(shù)字化392023/1/12數(shù)字制造的概念輪圖402023/1/12三種數(shù)字制造觀以制造為中心的數(shù)字制造觀來源于數(shù)字控制技術與數(shù)控機床是數(shù)字制造的基礎；多臺數(shù)控機床和工業(yè)機器人協(xié)同工作，形成柔性制造單元，若干柔性制造單元形成柔性制造系統(tǒng)，以數(shù)字量實現(xiàn)加工過程的物料流、加工流和控制流的表征、存儲和控制通過網(wǎng)絡技術將每臺設備作為一個節(jié)點實現(xiàn)一個車間或多個車間的生產(chǎn)過程自動化412023/1/12三種數(shù)字制造觀以設計為中心的數(shù)字制造觀由于計算機的發(fā)展以及計算機圖形學與機械設計的結合，產(chǎn)生了以數(shù)據(jù)庫為核心，以交互式圖形系統(tǒng)為手段，以工程分析計算為主體的計算機輔助設計系統(tǒng)（CAD）；將CAD的產(chǎn)品設計信息轉換為產(chǎn)品制造、工藝規(guī)則信息，進一步形成面向產(chǎn)品設計、制造、工藝、管理、成本核算等所有信息數(shù)字化；計算機網(wǎng)絡技術的高速發(fā)展形成了支持異地協(xié)同跨平臺、區(qū)域的群體智能協(xié)作422023/1/12三種數(shù)字制造觀以管理為中心的數(shù)字制造觀根據(jù)不斷變化的市場信息、用戶訂貨和預測，從企業(yè)全局和長遠利益出發(fā)，通過決策模型，評價企業(yè)的生產(chǎn)和經(jīng)營狀況，預測企業(yè)的未來和現(xiàn)階段的運行狀況；出現(xiàn)了能夠覆蓋整個企業(yè)從產(chǎn)品的市場需求、研發(fā)、設計、制造、銷售、服務、維護等生命周期中信息的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，從而實現(xiàn)以產(chǎn)品和供應鏈為核心的過程集成；形成了以ERP為中心的MRP/PDM/MIS/ERP等技術集成432023/1/12數(shù)字制造技術內涵數(shù)字制造宏觀數(shù)字制造微觀數(shù)字制造制造資源、環(huán)境、服務等數(shù)字化生產(chǎn)系統(tǒng)布局設計與實際優(yōu)化運作產(chǎn)品營銷、維修、使用等數(shù)字化決策支持系統(tǒng)QFD、CAD、DFX、VM、RP、CAE、CAM、CAPPNC、MC、CNC、FMC、FMS、基于Web制造、無紙化制造、遠程協(xié)同最終產(chǎn)品數(shù)字制造信息支持技術：IGES、STEP、MRP、MIS、PDM。。。。。442023/1/12決策支持數(shù)字設計計算機輔助工程管理調度市場與客戶維修與報廢數(shù)字制造數(shù)字制造的概念體系標準化數(shù)據(jù)庫建模仿真知識管理監(jiān)控調度通信網(wǎng)絡信息網(wǎng)絡技術數(shù)字裝備制造工藝材料資源制造技術與裝備信息科學管理科學控制科學制造科學基礎理論和科學問題452023/1/12數(shù)字制造關鍵技術1.數(shù)字制造技術標準及實施規(guī)范2.制造信息學3.數(shù)字制造建模與仿真工具4.網(wǎng)絡化制造5.數(shù)字裝備6.數(shù)字制造中的知識管理與應用7.以可視化為代表的人機交互技術462023/1/12產(chǎn)品數(shù)字化過程數(shù)字化資源數(shù)字化實際數(shù)字化制造過程體系制造活動數(shù)字樣機建模體系數(shù)字樣機虛擬試驗和制造體系數(shù)字化工廠與數(shù)字化制造系統(tǒng)擴展企業(yè)單獨企業(yè)數(shù)字車間數(shù)字制造單元設計方法學產(chǎn)品數(shù)字模型試驗建模VR方法管理數(shù)字化裝備數(shù)字化服務數(shù)字化472023/1/12HeadquartersCustomerEquipmentProviderWarehouse/DistributionFactorySupplierCustomerCustomerWarehouse/DistributionWarehouse/DistributionMachineProviderSupplierSupplierSupplierSupplierFactoryFactoryFactoryDesignCentreDesignCentreDesignCentredistributedtransactionandinformationmanagementmaterialflowmainspipelineeffectivesupplynetwork482023/1/1240年代50年代60年代70年代80年代90年代00年代STEP產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標準敏捷制造CIMS虛擬制造設計方法學并行工程網(wǎng)絡化制造虛擬現(xiàn)實與高性能計算Internet/WWW/XML專家系統(tǒng)FMS網(wǎng)絡化CAD/CAMCAD/CAMCAPPCAMIGESCAD自由曲面計算機圖形學有限元分析數(shù)控技術APT計算機綠色制造服務型制造492023/1/12以數(shù)字制造為基礎的先進制造技術數(shù)字制造的全球實現(xiàn)網(wǎng)絡化制造數(shù)字制造的動態(tài)聯(lián)盟敏捷制造數(shù)字制造的計算機實現(xiàn)虛擬制造數(shù)字制造的快速實現(xiàn)快速原型制造數(shù)字制造的集成模型計算機集成制造數(shù)字制造的環(huán)保實現(xiàn)綠色制造數(shù)字制造的服務化服務型制造502023/1/12ManufacturingCell1ManufacturingCellnOEM1OEMmInternet網(wǎng)Customer1CustomerpSystemportalClientexpertTechnologysupportNetworkedmanufacturer在網(wǎng)絡化制造系統(tǒng)下，需要有客戶、供應商、網(wǎng)絡化制造集成者、技術專家等的共同參與。他們借助于網(wǎng)絡化制造的門戶網(wǎng)站進行異地網(wǎng)絡化制造系統(tǒng)的組建、管理、合作協(xié)調等。網(wǎng)絡化制造512023/1/12設備人員成本質量服務一定的產(chǎn)品開發(fā)能力產(chǎn)品的數(shù)據(jù)管理生產(chǎn)技術準備生產(chǎn)計劃與調度成本核算質量管理設備工作情況運行數(shù)據(jù)采集CADCAPPCAM辦公自動化制造資源仿真虛擬現(xiàn)實技術過程仿真合作伙伴選擇聯(lián)盟組建項目流程管理招/投標機制合作與協(xié)同任務管理用戶管理供應商管理評價機制網(wǎng)絡和通信技術網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡安全電子郵件/白板虛擬遙現(xiàn)客戶1客戶n供應商1供應商m網(wǎng)絡化制造者Internet網(wǎng)522023/1/12外購零件外購零件外協(xié)零件外協(xié)零件自制零件自制零件外購部件外購部件外協(xié)部件外協(xié)部件自制部件自制部件產(chǎn)品自裝配產(chǎn)品自裝配產(chǎn)品外協(xié)裝配產(chǎn)品外協(xié)裝配或關系或關系e-配套工廠11e-配套工廠11e-配套工廠1me-配套工廠1me-責任工廠ne-責任工廠ne-配套工廠n1e-配套工廠n1e-配套工廠nwe-配套工廠nw所選制造資源所選制造資源所選制造資源所選制造資源所選制造資源所選制造資源制造服務