智能制造概論 課件 第3章 智能制造核心技術(shù)

第3章

智能制造核心技術(shù)CONTENTS目錄01數(shù)字化制造技術(shù)02智能檢測技術(shù)01數(shù)字化制造技術(shù)3.1.1產(chǎn)品的數(shù)字化處理3.1.2逆向工程技術(shù)3.1數(shù)字化制造技術(shù)3.1.1產(chǎn)品數(shù)據(jù)的數(shù)字化處理在數(shù)字化制造中，產(chǎn)品數(shù)據(jù)的數(shù)字化處理是一個重要的步驟。它將產(chǎn)品的相關(guān)信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字化形式，建立數(shù)字模型，以實現(xiàn)產(chǎn)品的數(shù)字化管理和生產(chǎn)制造。3.1.1產(chǎn)品數(shù)據(jù)的數(shù)字化處理數(shù)據(jù)挖掘與分析建立數(shù)字模型數(shù)據(jù)共享與交流數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理與分析123453.1.1產(chǎn)品數(shù)據(jù)的數(shù)字化處理

數(shù)據(jù)采集：通過傳感器、掃描儀等設(shè)備，收集產(chǎn)品的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，包括3D圖形數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)、物料配方、生產(chǎn)計劃等。數(shù)據(jù)處理與分析：對采集到的數(shù)據(jù)進行處理和分析，將其轉(zhuǎn)化為可識別、可操作、可利用的數(shù)字化數(shù)據(jù)，并進行相應的數(shù)據(jù)清洗、分類和整合，以確保數(shù)據(jù)的準確性和完整性。建立數(shù)字模型：根據(jù)產(chǎn)品的特點和需求，采用數(shù)字化設(shè)計軟件，建立數(shù)字模型，包括3D模型、CAD模型和CAM模型等。這些模型將作為生產(chǎn)加工的依據(jù)，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)制造。數(shù)據(jù)共享與交流：通過網(wǎng)絡(luò)等手段，將數(shù)字模型和相關(guān)數(shù)據(jù)信息共享給生產(chǎn)部門、研發(fā)團隊和客戶等相關(guān)人員，實現(xiàn)生產(chǎn)、協(xié)同和服務的數(shù)字化管理。數(shù)據(jù)挖掘與分析：通過大數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術(shù)手段，對數(shù)字化數(shù)據(jù)進行挖掘和分析，預測未來趨勢和變化，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。3.1.2逆向工程技術(shù)逆向工程(ReverseEngineering，RE)又稱反求工程、反向工程，可以定義為將實物轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型相關(guān)的數(shù)字化技術(shù)、幾何模型重建技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱。逆向工程是在沒有設(shè)計圖樣或圖樣不完整而有樣品的情況下，利用三維掃描測量儀，準確快速地測量樣品表面數(shù)據(jù)或輪廓外形，加以點數(shù)據(jù)處理、曲面創(chuàng)建、三維實體模型重構(gòu)，然后通過CAM系統(tǒng)進行數(shù)控編程，直至利用CNC加工機床或快速成型機來制造產(chǎn)品。3.1.2逆向工程技術(shù)（1）逆向工程的分類逆向工程技術(shù)包括幾何逆向反求、材料逆向反求和工藝逆向反求等，是一個復雜、龐大的系統(tǒng)工程。所謂產(chǎn)品的幾何逆向反求，就是根據(jù)實物樣件的的表面輪廓的數(shù)字化信息反求出樣件的CAD模型，其重構(gòu)方法主要有以下三種:幾何逆向反求實物反求軟件反求影象反求3.1.2逆向工程技術(shù)①實物反求。在已有實物的前提下，通過試驗、測繪和分析，提出重構(gòu)所需的關(guān)鍵點、線、面等信息，結(jié)合曲面構(gòu)造方法實現(xiàn)模型再現(xiàn)。②軟件反求。產(chǎn)品樣本的技術(shù)文件、圖樣、設(shè)計說明書、使用說明書、有關(guān)規(guī)范和標準等均稱為技術(shù)軟件。③影像反求。根據(jù)產(chǎn)品數(shù)字化圖片或影視畫面提供的幾何維度和色彩維度信息，實現(xiàn)模型重構(gòu)，稱為影像反求。3.1.2逆向工程技術(shù)（3）逆向工程關(guān)鍵技術(shù)010203數(shù)據(jù)測量技術(shù)接觸式測量法、非接觸測量法數(shù)據(jù)預處理技術(shù)為了排除噪聲數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)，精簡和歸并冗余數(shù)據(jù)模型重構(gòu)及產(chǎn)品制造技術(shù)重構(gòu)產(chǎn)品零件的CAD模型，在探詢和了解原設(shè)計技術(shù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對原型的修改和再設(shè)計3.1.2逆向工程技術(shù)（4）逆向工程常用軟件3.1.2逆向工程技術(shù)（4）逆向工程常用軟件（1）ImagewareImageware是由美國EDS公司研發(fā)的是著名的逆向工程軟件之一。（2）GeomagicStudioGeomagicStudio是由美國RaindropGeomagic公司研發(fā)的逆向工程和三維檢測軟件。（3）CopyCAD

CopyCAD是由英國DELCAM公司研發(fā)的功能強大的逆向工程系統(tǒng)軟件。3.1.3增材制造技術(shù)增材制造技術(shù)也稱3D打印技術(shù)，是通過CAD設(shè)計數(shù)據(jù)采用材料逐層累加的方法制造實體零件的技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的材料去除（切削加工）技術(shù)，是一種“自下而上”材料累加的制造方法。從成型角度看，零件可視為“點”或“面”的疊加。從制造角度看，它根據(jù)CAD造型生成零件三維幾何信息。3.1.3增材制造技術(shù)增材制造技術(shù)也稱3D打印技術(shù)，是通過CAD設(shè)計數(shù)據(jù)采用材料逐層累加的方法制造實體零件的技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的材料去除（切削加工）技術(shù)，是一種“自下而上”材料累加的制造方法。

1）獲取模型。利用計算機輔助軟件如Pro/E、I-DEAS、NX等軟件進行直接構(gòu)建。

2）三維模型分層處理。在成型高度方向上用一系列一定間隔的平面切割模型，以提取截面輪廓信息。3）層層制造并堆積。根據(jù)切片處理獲得的截面輪廓，在計算機控制下相應的成型頭按各截面輪廓進行掃描。4）后處理。從成型系統(tǒng)里取出成型件，經(jīng)過剝離、后固化、修補、拋光等3.1.3增材制造技術(shù)增材制造主要方式：（1）光固化成形SLA

利用紫外光照射在液態(tài)的光敏樹脂使其凝固的原理進行工作的

。由計算機控制激光束以模型各分層截面輪廓為軌跡逐點掃描,使被掃描區(qū)內(nèi)的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應后固化，從而形成制件的一個薄層截面。每固化一層，

工作臺就下降一精確的距離，在剛剛固化的樹脂表面布放一層新的樹脂以便進行在前一層已固化的樹脂上，直到形成零件實體。3.1.3增材制造技術(shù)增材制造主要方式：（2）選擇性激光燒結(jié)(SLS)利用粉末狀材料成形的。將材料粉末鋪灑在已成形零件的上表面，并刮平；用高強度的CO2激光器在剛鋪的新層上掃描出零件截面；材料粉末在高強度的激光照射下被燒結(jié)在一起，得到零件的截面，并與下面已成形的部分粘接。3.1.3增材制造技術(shù)增材制造主要方式：3）熔融擠出成型（FDM/MEM）絲材在噴頭內(nèi)被加熱熔化。噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔化的材料擠出，材料迅速固化，并與周圍的材料粘結(jié)。每一個層片都是在上一層上堆積而成，上一層對當前層起到定位和支撐的作用。4）三維印刷(3DP)與SLS工藝類似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金屬粉末。所不同的是材料粉末不是通過燒結(jié)連接起來的，而是通過噴頭用粘接劑(如硅膠)將零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接劑粘接的零件強度較低，還須后處理。5）分層實體制造(LOM)LOM方法采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等。通過加熱的滾筒紙使紙張一層層粘在一起。每粘一層由激光按照零件形狀將紙切斷，最后由每一層疊起來的紙張形成零件3.1.4虛擬制造技術(shù)（1）智能設(shè)計技術(shù)智能設(shè)計技術(shù)是對傳統(tǒng)計算機輔助設(shè)計（ComputerAidedDesign，CAD）技術(shù)的進一步研究和加強，既具有傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)的數(shù)值計算和圖形處理能力，又能瞞足設(shè)計過程自動化的要求，對設(shè)計的全過程提供智能化的計算機支持，因此又被稱為智能CAD系統(tǒng)，簡稱ICAD。將傳統(tǒng)CAD技術(shù)作為工具以設(shè)計方法學為指導以人工智能技術(shù)為實現(xiàn)手段面向集成智能化強大的人機交互功能3.1.4虛擬制造技術(shù)（2）建模技術(shù)虛擬制造系統(tǒng)（VirtualManufacturingSystemVMS）是現(xiàn)實制造系統(tǒng)（RealManufacturingSystemRMS）在虛擬環(huán)境下的映射，是RMS的模型化、形式化和計算機化的抽象描述和表示。（3）仿真技術(shù)仿真就是應用計算機將復雜的現(xiàn)實系統(tǒng)抽象并簡化為系統(tǒng)模型，然后在分析的基礎(chǔ)上運行此模型，從而獲知原系統(tǒng)一系列的統(tǒng)計性能。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，最后輸出結(jié)果并分析3.1.4虛擬制造技術(shù)

（4）虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實（VirtualReality，VR）技術(shù)是綜合利用計算機圖形系統(tǒng)、各種顯示和控制等接口設(shè)備，在計算機生成的可交互的三維環(huán)境（稱為虛擬環(huán)境）中提供沉浸感覺的技術(shù)。

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)包括操作者、機器和人機接口三個基本要素。利用虛擬實現(xiàn)技術(shù)可以對真實世界進行動態(tài)模擬，通過用戶的交互輸入，及時按輸出修改虛擬環(huán)境，使人產(chǎn)生身臨其境的沉浸感覺。3.1.4虛擬制造技術(shù)虛擬設(shè)計與裝配：虛擬產(chǎn)品形狀設(shè)計、裝配與設(shè)計優(yōu)仳虛擬產(chǎn)品實現(xiàn)技術(shù)：虛擬加工、遠程機器人操作與監(jiān)控。虛擬檢測與評價技術(shù)：虛擬表面接觸剛度分析、刀位軌跡檢測虛擬試驗技術(shù)：虛擬試驗的物理建模。虛擬生產(chǎn)技術(shù)：虛擬生產(chǎn)線車間實時三維布局。3.1.4虛擬制造技術(shù)（5）數(shù)字化虛擬制造在制造業(yè)中的應用

數(shù)字化虛擬制造技術(shù)首先成功應用于飛機、汽車等工業(yè)領(lǐng)域，未來在智能制造中的應用前景非常廣闊。02虛擬制造系統(tǒng)是一個監(jiān)視、控制、管理、維護和仿真系統(tǒng)，可以提高制造和生產(chǎn)過程中的管理、協(xié)調(diào)和控制能力生產(chǎn)過程管理01虛擬使用環(huán)境、虛擬測試環(huán)境和虛擬制造環(huán)境產(chǎn)品開發(fā)過程管理03根據(jù)產(chǎn)品類型、規(guī)模以及企業(yè)資源等情況，控制和協(xié)調(diào)生產(chǎn)活動，合理配置和利用人、財、物資源，以提高企業(yè)的整體運作效率整體運作04虛擬制造系統(tǒng)管理軟件用于系統(tǒng)管理人員對于整個虛擬制造系統(tǒng)的管理、控制、維護和更新系統(tǒng)維護2智能檢測

技術(shù)3.2.1射頻識別技術(shù)3.2.2機器視覺檢測技術(shù)3.2.3無損檢測技術(shù)3.2智能制造應用模型智能檢測技術(shù)智能檢測技術(shù)具有檢測精度高、工作效率高及不受人為因素干擾等優(yōu)勢，在滿足大批量檢測連續(xù)性、一致性和可靠性要求的同時，能將人從惡劣檢測環(huán)境、高機械性重復性的勞動中解放出來。智能檢測技術(shù)除了廣泛應用于智能制造裝備之外，還可以應用于生產(chǎn)過程監(jiān)控、基于虛擬現(xiàn)實的產(chǎn)品設(shè)計等環(huán)節(jié)，通過該技術(shù)，可以大幅度降低設(shè)計和生產(chǎn)制造成本。智能檢測技術(shù)在智能制造中的應用如圖3-9所示。3.2.1射頻識別技術(shù)1.RFID系統(tǒng)概述

時至今日，射頻電路已成為廣泛應用于無線通信中的集成電路，上至衛(wèi)星通信，下至手機、WiFi、共享單車，處處都有射頻電路的身影。RFID的技術(shù)理論得到了進一步的豐富和發(fā)展，適應高速移動物體的RFID技術(shù)不斷發(fā)展，得到廣泛應用。2.電子標簽

電子標簽由標簽芯片和天線構(gòu)成，芯片用來存儲物品的數(shù)據(jù)，芯片的電路一般包含電源電路、時鐘電路、解調(diào)器、解碼器、控制器、編碼器、存儲器和負載調(diào)制電路等功能模塊。天線用來收發(fā)無線電波。3.讀寫器

讀寫器的技術(shù)參數(shù)包括工作頻率、輸出功率、輸出接口等。工作頻率分為低頻、高頻、超高頻。輸出功率不僅要滿足對應用的需要，還需要符合國家和地區(qū)對無線發(fā)射功率的許可，符合人體健康要求。輸出的接口形式有很多，有RS232、RS485、USB、WiFi、4G等多種接口。4.系統(tǒng)高層

智系統(tǒng)高層可以將許多讀寫器獲取的數(shù)據(jù)信息有效地整合起來，完成查詢、管理和數(shù)據(jù)交換的功能。射頻識別（RadioFrequencyIdentification，RFID），是自動識別技術(shù)的一種通過電磁波對記錄媒體（電子標簽或射頻卡）進行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信。RFID的應用非常廣泛，典型應用有動物晶片、汽車晶片防盜器、門禁管制、停車場管制、生產(chǎn)線自動化、物料管理等。3.2.1RFID系統(tǒng)的工作流程如圖3-12所示，電子標簽由標簽芯片和天線構(gòu)成，芯片用來存儲物品的數(shù)據(jù)，芯片的電路一般包含電源電路、時鐘電路、解調(diào)器、解碼器、控制器、編碼器、存儲器和負載調(diào)制電路等功能模塊。天線用來收發(fā)無線電波。3.2.1.電子標簽3.2.1.讀寫器如圖3-13所示，讀寫器由射頻模塊、控制處理模塊和天線組成。天線可以是外接的，獨立于讀寫器，也可以是內(nèi)置的。射頻模塊用于基帶信號（原始電信號）與射頻信號的相互轉(zhuǎn)化。控制處理模塊是讀寫器的核心，對發(fā)射信號進行編碼、調(diào)制等各種處理，對接收信號進行解調(diào)、解碼等各種處理。執(zhí)行防碰撞算法，實現(xiàn)與后端應用的規(guī)范接口。3.2.2機器視覺檢測技術(shù)從機器視覺檢測系統(tǒng)的工作流程可以看出，機器視覺檢測系統(tǒng)是一種相對復雜的系統(tǒng)。大多數(shù)監(jiān)控和檢測對象都是運動的物體，系統(tǒng)與運動物體的匹配和協(xié)調(diào)動作尤為重要，所以給系統(tǒng)各部分的動作時間和處理速度提出了嚴格的要求。在某些應用領(lǐng)域，例如機器人、飛行物體制導等，對整個系統(tǒng)或者系統(tǒng)的一部分的重量、體積和功耗等都會有嚴格的要求。3.2.3無損檢測技術(shù)從機器視覺檢測系統(tǒng)的工作流程可以看出，機器視覺檢測系統(tǒng)是一種相對復雜的系統(tǒng)。大多數(shù)監(jiān)控和檢測對象都是運動的物體，系統(tǒng)與運動物體的匹配和協(xié)調(diào)動作尤為重要，所以給系統(tǒng)各部分的動作時間和處理速度提出了嚴格的要求。在某些應用領(lǐng)域，例如機器人、飛行物體制導等，對整個系統(tǒng)或者系統(tǒng)的一部分的重量、體積和功耗等都會有嚴格的要求。02智能制造

應用案例以智能檢測技術(shù)在研制生產(chǎn)中的應用場景如圖3-10所示。高端裝備采購商對于智能檢測技術(shù)極為青睞。例如，西門子燃汽輪機要求高溫部分的大型鍛件必須采用智能檢測設(shè)備進行檢測。3.2高端裝備研制生產(chǎn)領(lǐng)域是智能檢測技術(shù)應用的大舞臺以CNR1讀寫器為核心技術(shù)，菜鳥還打造出一系列的拳頭產(chǎn)品，并應用到物流倉儲和供應鏈管理的各業(yè)務場景當中。例如RFID盤點小車、RFID吊頂防盜器、單側(cè)通道門等。以RFID吊頂防盜器為例，2023年，菜鳥基于CNR1讀寫器和巴特勒矩陣天線，并結(jié)合多傳感融合算法，推出RFID吊頂防盜器產(chǎn)品，并將其應用在了服飾行業(yè)門店防盜場景。低凈空、免運維、低誤報、低成本成為這款物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的亮點。3.2.1菜鳥超高頻RFID產(chǎn)品生態(tài)圈1.航空、航天領(lǐng)域

在航空航天領(lǐng)域，對飛行器、火箭、衛(wèi)星等高精密度設(shè)備的質(zhì)量和安全性能要求極高。無損檢測技術(shù)在這里發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。例如，對于飛機的機翼、發(fā)動機等關(guān)鍵部件，采用超聲波探傷、磁粉探傷等無損檢測方法，可以有效地檢測出內(nèi)部的裂紋、缺陷等，確保飛行器安全飛行。2.