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計算機輔助設(shè)計與制造 制造業(yè)相關(guān)新技術(shù) 制作 彭浩舸 計算機輔助設(shè)計與制造 本章學(xué)習(xí)目標(biāo) 了解當(dāng)前CAD CAM熱點研究的技術(shù)問題理解敏捷制造 并行工程 精良生產(chǎn) 虛擬制造 快速成形技術(shù)等新技術(shù)方法了解CIMS的內(nèi)涵及組成 掌握CIMS的體系結(jié)構(gòu)和主要內(nèi)容了解先進制造技術(shù) 擴大視野 提高專業(yè)興趣 重點 各先進技術(shù)相關(guān)概念 計算機輔助設(shè)計與制造 學(xué)習(xí)內(nèi)容 敏捷制造AM并行工程CE精良生產(chǎn)LP虛擬制造VM快速成形技術(shù)RPCIMS的體系結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù) 計算機輔助設(shè)計與制造 1 敏捷制造 agilemanufacturing AM 概述敏捷制造的概念及特征敏捷制造的基本原理敏捷制造的體系結(jié)構(gòu)敏捷制造的實施 為了重新奪回制造業(yè)的優(yōu)勢 美國政府制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)瞄向21世紀(jì) 在美國國會和國防部的支持下 由LehighUniversity和美國GM公司牽頭 組織百余家公司進行大規(guī)模的調(diào)查研究 于1991年發(fā)表了具有劃時代意義的 21世紀(jì)制造企業(yè)戰(zhàn)略 報告 首次提出敏捷制造和虛擬企業(yè)的新概念 描繪了已經(jīng)開始出現(xiàn)的全球制造的未來全景 經(jīng)國會聽證后成為美國政府公開倡導(dǎo)和投資支持的先進制造計劃的核心 計算機輔助設(shè)計與制造 概述 敏捷制造的新思想 目標(biāo) 制造系統(tǒng)在滿足低成本和高質(zhì)量的同時 對變幻莫測的市場需求做出快速反應(yīng) 敏捷制造的主要特色 柔性和成員間的合作 全新企業(yè)概念 將制造系統(tǒng)空間擴展到全國乃至全世界 通過企業(yè)網(wǎng)絡(luò)建立信息交流高速公路 以競爭能力和信譽為依據(jù)選擇合作伙伴 組成動態(tài)公司 建立 虛擬企業(yè) 全新的組織管理概念 以任務(wù)為中心的一種動態(tài)組合 強調(diào)技術(shù)和管理的結(jié)合 強調(diào)權(quán)力分散 職權(quán)下放到項目組 全新的產(chǎn)品概念 敏捷制造的產(chǎn)品進入市場以后 可以根據(jù)用戶的需要進行改變 得到新的功能和性能 即使用柔性的 模塊化的產(chǎn)品設(shè)計方法 全新的生產(chǎn)概念 產(chǎn)品成本與批量無關(guān) 從產(chǎn)品看是單件生產(chǎn) 而從具體的實際和制造部門看 卻是大批量生產(chǎn) 計算機輔助設(shè)計與制造 敏捷制造的概念及特征 利用人工智能和信息技術(shù) 通過多方面的協(xié)作 在先進的柔性制造技術(shù)的基礎(chǔ)上 通過企業(yè)內(nèi)部的多功能項目組和企業(yè)外部的多功能項目組 組建虛擬公司 把全球范圍內(nèi)的各種資源集成在一起 實現(xiàn)技術(shù) 管理和人的集成 從而在整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)最大限度滿足用戶需求 提高企業(yè)的競爭能力 敏捷制造的基本特征 AM是自主制造系統(tǒng) 每個工件和加工過程 設(shè)備的利用以及人員的投入都由本單元自己掌握和決定 這種系統(tǒng)簡單 易行 有效AM是虛擬制造系統(tǒng) 功能 組織 地域的虛擬化AM是可重構(gòu)的制造系統(tǒng) 通過對制造系統(tǒng)的硬件重構(gòu)和擴充 適應(yīng)新的生產(chǎn)過程 定義 快速響應(yīng)市場的變化 在盡可能短的時間內(nèi)向市場提供適銷對路的環(huán)保型產(chǎn)品的制造系統(tǒng) 計算機輔助設(shè)計與制造 敏捷制造的基本原理 采用標(biāo)準(zhǔn)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)的運行目標(biāo)是最大限度滿足用戶需求 敏捷性體現(xiàn) 持續(xù)變化性 產(chǎn)品 技術(shù) 管理模式 快速反應(yīng)性 以適應(yīng)市場的變化 質(zhì)量高標(biāo)準(zhǔn) 低費用實現(xiàn)敏捷制造的條件 設(shè)備高度柔性 可編程性和模式化 信息系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化和可維護性 人的因素和管理機構(gòu)實施方式 虛擬公司 競爭 合作 用戶參與設(shè)計與制造 兼顧經(jīng)濟效益和社會效益 增加信息服務(wù)和系統(tǒng)管理功能 計算機輔助設(shè)計與制造 敏捷制造的體系結(jié)構(gòu) 敏捷制造和實施主要包括 敏捷制造的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)敏捷制造虛擬企業(yè) 1 敏捷制造的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu) 為虛擬企業(yè)提供環(huán)境和條件物理基礎(chǔ)結(jié)構(gòu) 虛擬企業(yè)運行所必須的廠房 設(shè)備 設(shè)施 運輸 資源等物理條件法律基礎(chǔ)結(jié)構(gòu) 規(guī)則基礎(chǔ)結(jié)構(gòu) 主要指國家有關(guān)虛擬企業(yè)的法律 合同和政策社會基礎(chǔ)結(jié)構(gòu) 虛擬企業(yè)生存和發(fā)展 還需要相應(yīng)的社會環(huán)境 由社會提供為虛擬企業(yè)服務(wù)的公共設(shè)施信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu) 指敏捷制造的信息支持環(huán)境 包括提供各種服務(wù)的網(wǎng)點 中介機構(gòu)等一切為虛擬企業(yè)服務(wù)的信息手段 計算機輔助設(shè)計與制造 2 虛擬企業(yè)的組織 敏捷制造連接各種生產(chǎn)資源 根據(jù)用戶的需求和虛擬制造環(huán)境中各公司現(xiàn)有能力 在合作競爭的基礎(chǔ)上組成面向任務(wù)的公司 市場機會存在 虛擬公司就存在 市場機會消失 虛擬公司也將解體虛擬公司依靠電子信息手段將分布在不同地區(qū)的不同公司的人力資源和物質(zhì)資源組織一個動態(tài)的合作競爭組織結(jié)構(gòu) 參加虛擬制造企業(yè)的公司通過網(wǎng)絡(luò)提供標(biāo)準(zhǔn)的 模塊化的和柔性的設(shè)計和制造服務(wù) 快速響應(yīng)某一市場需求各類服務(wù)經(jīng)過資格認證入網(wǎng) 當(dāng)有若干公司可以提供相同或類似服務(wù)時 在競爭合作的基礎(chǔ)上擇優(yōu)錄用敏捷制造主要采用合作競爭的策略 分布在網(wǎng)絡(luò)上的每個公司都缺乏足夠的資源和能力來單獨滿足用戶需求 各公司之間必須進行合作 各自解決一定的子問題 每個公司所得出的相應(yīng)子問題解的集合構(gòu)成原問題的解 敏捷制造的關(guān)鍵是在計算機網(wǎng)絡(luò)和信息集成的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上構(gòu)成虛擬制造環(huán)境 根據(jù)市場需求和社會經(jīng)濟效益組成虛擬制造企業(yè) 計算機輔助設(shè)計與制造 敏捷制造的實施 敏捷制造的實施包括敏捷制造戰(zhàn)略選擇 敏捷化建設(shè) 敏捷制造系統(tǒng)建立和敏捷制造系統(tǒng)的運行與規(guī)律等步驟 是一個不斷發(fā)展和完善的過程 1 市場分析與評估在需求預(yù)測和訂單的基礎(chǔ)上 采用質(zhì)量功能配置 價值工程等技術(shù) 按照需求 重要性 成本和技術(shù)難度等評價指標(biāo)進行評估 將需求轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的工程目標(biāo) 2 組建虛擬企業(yè)通過向下游的設(shè)計預(yù)發(fā)布 采用成熟的設(shè)計與工藝并結(jié)合物料情況 形成詳細設(shè)計方案 分析確定需要外購或外協(xié)加工的零部件 制定生產(chǎn)計劃 并對生產(chǎn)系統(tǒng)與后勤保障作相應(yīng)調(diào)整 動態(tài)調(diào)配生產(chǎn)資源 建立邏輯上的實際的臨時性功能組織3 選擇合作伙伴企業(yè)間合作以競標(biāo)方式選擇合作伙伴 采用群組協(xié)同工作方式 通過網(wǎng)絡(luò)基于同一產(chǎn)品模型合作完成設(shè)計 4 組織制造活動協(xié)調(diào)相應(yīng)的組織關(guān)系和業(yè)務(wù)關(guān)系等 并采用基于網(wǎng)絡(luò)的PDM技術(shù)對整個業(yè)務(wù) 生產(chǎn)過程 產(chǎn)品信息等進行集成管理 實現(xiàn)敏捷制造 計算機輔助設(shè)計與制造 2 并行工程 ConcurrentEngineering CE 并行工程概述并行工程的概念及特征并行工程的體系結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)并行工程的主要方法并行工程的應(yīng)用和發(fā)展 并行工程是隨著CAD CAM CIMS技術(shù)發(fā)展提出的一種新哲理 新的系統(tǒng)工程方法 并行工程的關(guān)鍵是用并行設(shè)計方法代替串行設(shè)計方法 計算機輔助設(shè)計與制造 并行工程概述 思路 并行地 集成地開展設(shè)計產(chǎn)品設(shè)計 開發(fā)及加工制造產(chǎn)品開發(fā)人員與其他人員一起共同工作 在設(shè)計的階段就考慮產(chǎn)品整個生命周期的所有要求 包括質(zhì)量 成本 進度 用戶要求 最大限度地提高產(chǎn)品開發(fā)效率及一次成功率 面向產(chǎn)品全生命周期的設(shè)計是一種具備高度預(yù)見性和預(yù)防性的設(shè)計 計算機輔助設(shè)計與制造 并行工程的概念及特征 并行工程實質(zhì) 集成地 并行地設(shè)計產(chǎn)品及其零部件和各種相關(guān)過程的一種系統(tǒng)方法 1 強調(diào)團隊工作 團隊精神和工作方式2 強調(diào)設(shè)計過程的并行性3 強調(diào)設(shè)計過程的系統(tǒng)性4 強調(diào)設(shè)計過程的快速反饋 將產(chǎn)品整個生命周期中各個方面的專家 甚至包括潛在的用戶都集中起來 形成專門的工作小組 共同工作 隨時對設(shè)計出的產(chǎn)品和零件從各個方面進行審查 力求設(shè)計出的產(chǎn)品便于加工 便于裝配 便于維修 便于運送 外觀美 成本低 便于使用 計算機輔助設(shè)計與制造 并行工程的概念及特征 并行工程實質(zhì)就是集成地 并行地設(shè)計產(chǎn)品及其零部件和各種相關(guān)過程的一種系統(tǒng)方法 1 強調(diào)團隊工作 團隊精神和工作方式2 強調(diào)設(shè)計過程的并行性3 強調(diào)設(shè)計過程的系統(tǒng)性4 強調(diào)設(shè)計過程的快速反饋 兩方面的含義 1 設(shè)計過程中通過專家把關(guān) 同時考慮產(chǎn)品壽命循環(huán)的各個方面 2 設(shè)計階段同時進行工藝 包括加工工藝 裝配工藝和檢驗工藝 過程設(shè)計 并對工藝設(shè)計的結(jié)果進行計算機仿真 甚至用快速原型法產(chǎn)生出產(chǎn)品的樣件 計算機輔助設(shè)計與制造 并行工程的概念及特征 并行工程實質(zhì)就是集成地 并行地設(shè)計產(chǎn)品及其零部件和各種相關(guān)過程的一種系統(tǒng)方法 1 強調(diào)團隊工作 團隊精神和工作方式2 強調(diào)設(shè)計過程的并行性3 強調(diào)設(shè)計過程的系統(tǒng)性4 強調(diào)設(shè)計過程的快速反饋 設(shè)計 制造 管理等過程不再是一個個相互獨立的單元 而是納入一個整體系統(tǒng)考慮 設(shè)計過程不僅出圖紙和其他設(shè)計資料 還要進行質(zhì)量控制 成本核算 也要產(chǎn)生進度計劃 強調(diào)對設(shè)計結(jié)果及時審查 并及時反饋給設(shè)計人員 這樣可以大大縮短設(shè)計時間 保證將錯誤消滅在 萌芽 狀態(tài) 計算機輔助設(shè)計與制造 并行工程的體系結(jié)構(gòu) 各分系統(tǒng)中主要工作逐層分解 分工明確 使不同地區(qū) 工廠 車間生產(chǎn)通過人 用計算機手段有機地連結(jié)起來形成 閉環(huán) 工程 計算機輔助設(shè)計與制造 并行工程的關(guān)鍵技術(shù) 一個完整的公共數(shù)據(jù)庫 集成并行設(shè)計所需要的諸方面的知識 信息和數(shù)據(jù) 并且以統(tǒng)一的形式加以表達支持各方面人員并行工作的計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 該系統(tǒng)可以實時 在線地在各個設(shè)計人員之間溝通信息 發(fā)現(xiàn)并調(diào)解沖突一套切合實際的計算機仿真模型和軟件 可以由一個設(shè)計方案預(yù)測 推斷產(chǎn)品的制造及使用過程 發(fā)現(xiàn)所隱藏的問題 此問題是實施并行工程的 瓶頸 計算機輔助設(shè)計與制造 并行工程的主要實現(xiàn)方法 信息系統(tǒng)方法 將及時 相關(guān)和準(zhǔn)確的信息流作為并行工程的構(gòu)造單元 創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫 軟件和專家系統(tǒng)促進整個設(shè)計過程的各種數(shù)據(jù)的可利用性和可訪問性 CAD CAM集成方法 將并行工程考慮為制造系統(tǒng)中CAD和CAM工具的集成 同時設(shè)計產(chǎn)品及其工藝面向制造和裝配設(shè)計的方法 使產(chǎn)品有更好的結(jié)構(gòu) 零件有更好的可加工性 計算機輔助設(shè)計與制造 并行工程的應(yīng)用和發(fā)展 美國波音飛機制造公司投資40多億美元研制波音777型噴氣式客機 借助計算機網(wǎng)絡(luò)支持并行設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)制造 從1990年10月開始設(shè)計到94年6月僅花了3年零8個月就試制成功 試飛一次成功 真正實現(xiàn)了無紙化制造 實物總裝后 用激光測量偏差 飛機全長63 7米 從機艙前端到后端50米 最大偏差僅為0 9mmAT T公司生產(chǎn)計算機配套印刷組件產(chǎn)品時 原設(shè)計未考慮生產(chǎn)工藝性問題 致使產(chǎn)品質(zhì)量低下 合格率僅5 采用并行設(shè)計以后 利用計算機虛擬檢測 找出設(shè)計中的缺陷 使產(chǎn)品合格率達到90 HP公司采用并行工程改進產(chǎn)品質(zhì)量 其實施要點包括管理部門的支持 對用戶的關(guān)注 統(tǒng)計過程控制 系統(tǒng)的問題解決過程以及全體人員參與五個方面 結(jié)果公司全部產(chǎn)品的綜合故障降低83 制造成本減少42 產(chǎn)品開發(fā)周期縮短35 計算機輔助設(shè)計與制造 3 精良生產(chǎn) LeanProduction LP 精良生產(chǎn)概述精良生產(chǎn)的內(nèi)涵及特征精良生產(chǎn)的體系結(jié)構(gòu)精良生產(chǎn)的應(yīng)用前景 二次大戰(zhàn)后 豐田汽車公司考察ford轎車廠后進行了一系列的探索和實驗 根據(jù)日本國情 社會和文化背景 嚴格的上下級關(guān)系 團隊工作精神 建立了一整套新的生產(chǎn)管理體制 采用精益生產(chǎn)方式組織生產(chǎn)和管理 使豐田汽車的質(zhì)量 產(chǎn)量和效益都躍上一個新臺階 成為世界汽車之王 計算機輔助設(shè)計與制造 精良生產(chǎn)概述 精良生產(chǎn)是以最少投入獲得成本低 質(zhì)量高 投放市場快的產(chǎn)品 大大降低成本和廢品率 是未來制造業(yè)的發(fā)展方向之一目前 歐美許多采用LP技術(shù)的公司獲得了較大的經(jīng)濟效益 是綠色制造的有力支持技術(shù)之一 核心思想 從生產(chǎn)操作 組織管理 經(jīng)營方式 各方面 找出所有不能為產(chǎn)品帶來增值的活動或人員并加以革除精良生產(chǎn)是相對于大量生產(chǎn) MassProduction 而言的一種新型生產(chǎn)方式 精良生產(chǎn)方式綜合了單件生產(chǎn)和大量生產(chǎn)的優(yōu)點 既避免了單件生產(chǎn)的高成本 又避免了大量生產(chǎn)的僵化不靈活精良生產(chǎn)目標(biāo)是要求產(chǎn)品 盡善盡美 因此要在生產(chǎn)中 精益求精 不斷降低成本 力求做到無廢品 零庫存 無設(shè)備故障 計算機輔助設(shè)計與制造 精良生產(chǎn)的內(nèi)涵及特征 核心 準(zhǔn)時制生產(chǎn)方式 JIT 精良生產(chǎn)方式是追求一種無庫存的生產(chǎn)系統(tǒng) 或使庫存達到最小的生產(chǎn)系統(tǒng) 只在需要的時候 按需要的量生產(chǎn)所需的產(chǎn)品 計算機輔助設(shè)計與制造 精良生產(chǎn)的體系結(jié)構(gòu) 精良生產(chǎn)采用由多能工人組成的工作小組和柔性很高的自動化設(shè)備 避免了手工作坊式的技藝性生產(chǎn)的高費用和大批量生產(chǎn)的高剛性 計算機輔助設(shè)計與制造 精良生產(chǎn)方式 為了提高效率 往往采取以下幾種方法 減少以至撤消非增值的人員和崗位 徹底消除各種浪費 實行總裝線上工人集體負責(zé)制 努力在本工序內(nèi)把問題解決好 1 對操作工人的要求大大提高 注重整體效益 通過精心策劃安排各種產(chǎn)品混合生產(chǎn) 盡可能最大限度地滿足各工序間的負荷平衡 取得總體上的最高效率 創(chuàng)造和諧穩(wěn)定的勞資關(guān)系 充分調(diào)動員工的工作積極性 主動性和創(chuàng)造性 盡可能發(fā)揮每個人的最大能力 計算機輔助設(shè)計與制造 從組織安排上為工人提供全面了解工廠信息的手段 從而使每個工人都有機會為工廠需要解決的問題出力 這種靈活的動態(tài)工作小組是精良工廠的核心所在 改變單調(diào)枯燥的重復(fù)工作 由于精良生產(chǎn)中工人都必須是多面手 它通過動態(tài)的工作小組集體負責(zé)生產(chǎn)的某段環(huán)節(jié) 因此工作不再是簡單地重復(fù)某一操作 而是經(jīng)常充滿創(chuàng)造性的挑戰(zhàn) 去掉了為了保證生產(chǎn)的正常進行而配備的冗余的緩沖環(huán)節(jié) 超額的庫存 超額的面積和超額的工人等 使得其生產(chǎn)是 精良 的 從推動方式變?yōu)槔》绞?即由傳統(tǒng)的按照企業(yè)的生產(chǎn)計劃 在現(xiàn)場按日程進度的需求決定 而不是反過來由前一道工序的生產(chǎn)結(jié)果決定后一道工序的生產(chǎn) 這就形成了 準(zhǔn)時生產(chǎn) Justintime JIT 的概念 這要求從原材料供應(yīng)商 到協(xié)作廠配套件 到各個車間 班組之間互相提供半成品 都應(yīng)當(dāng)在準(zhǔn)確的時間 地點 按照準(zhǔn)確的數(shù)量 質(zhì)量提供給準(zhǔn)確需要的人 看板 Kanban 系統(tǒng)是實現(xiàn)JIT思想的有效手段和工具 它的功能是在前后工序間傳遞物料需求和供應(yīng)信息 按功能可將其分為基本看板 供應(yīng)看板 采購看板 轉(zhuǎn)包看板和輔助看板五類 2 生產(chǎn)管理上全面貫徹 精益求精 的管理思想 計算機輔助設(shè)計與制造 領(lǐng)導(dǎo)方式 推行 主查 系統(tǒng) 大大增強設(shè)計組項目負責(zé)人的權(quán)威感和榮譽感 調(diào)動了其積極性 集體協(xié)作 由 主查 負責(zé)組織一個緊密結(jié)合的小組對一個項目全權(quán)負責(zé) 項目組成員來自公司的各職能部門 但 主查 對他們在項目開發(fā)過程中具有很大的控制權(quán) 保證了各成員對項目的充分參與 使項目的集體協(xié)作順暢進行 信息交流 事先由集體討論制定出項目組成員的責(zé)任條約 項目開發(fā)過程中 嚴格按條約執(zhí)行 避免可能發(fā)生的沖突 降低內(nèi)耗 提高工作效率 同步開發(fā) 精良生產(chǎn)的基本精神就是消除一切無用的和浪費的東西 包括時間的浪費 提倡盡可能并行地做事 以縮短總的時間進度 3 產(chǎn)品設(shè)計上四個顯著特點 計算機輔助設(shè)計與制造 精良生產(chǎn)的應(yīng)用前景 精益生產(chǎn)是一個永無止境的精益求精的過程 它致力于改進生產(chǎn)流程和流程中的每一道工序 盡最大可能消除價值鏈中一切不能增加價值的活動 提高勞動利用率 消滅浪費 按照顧客訂單生產(chǎn)的同時也最大限度的降低庫存 精益是一種全新的企業(yè)文化 而不是最新的管理時尚 精益生產(chǎn)依據(jù)較為獨特的生產(chǎn)組織方式 并取得了良好的效果 這不僅是因為它的某項管理手段比大批量生產(chǎn)方式或其他生產(chǎn)方式優(yōu)越 而且在于它依托所處的經(jīng)濟 技術(shù)和人文環(huán)境 采用了適應(yīng)環(huán)境的管理體系 從而體現(xiàn)了巨大的優(yōu)越性 計算機輔助設(shè)計與制造 4 虛擬制造 VirtualManufacturingTechnology VM 虛擬制造概述虛擬制造的概念及特征虛擬制造與實際制造的關(guān)系虛擬制造的體系結(jié)構(gòu)虛擬制造的關(guān)鍵技術(shù)虛擬制造技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用 虛擬制造技術(shù)是80年代后期提出并得到迅速發(fā)展的一個新思想 它以虛擬現(xiàn)實和仿真技術(shù)為基礎(chǔ) 對產(chǎn)品的設(shè)計 生產(chǎn)過程統(tǒng)一建模 在計算機上實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計 加工和裝配 檢驗 使用整個生命周期的模擬和仿真 計算機輔助設(shè)計與制造 虛擬制造概述 虛擬制造技術(shù)是在計算機上模擬產(chǎn)品的制造和裝配全過程的技術(shù) 虛擬制造既涉及到與產(chǎn)品開發(fā)制造有關(guān)的工程活動的虛擬 又包含與企業(yè)組織 經(jīng)營有關(guān)的管理活動的虛擬 可以將擬實制造分為虛擬加工 虛擬生產(chǎn)和虛擬企業(yè)等三個層次擬實制造技術(shù)包括產(chǎn)品全信息模型 支持各層次擬實制造的技術(shù)體系 支持各層次集成的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù) 計算機輔助設(shè)計與制造 虛擬制造的概念及特征 虛擬制造是實際制造過程在計算機上的本質(zhì)實現(xiàn) 即采用計算機仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù) 在計算機上群組協(xié)同工作 實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計 工藝規(guī)劃 加工制造 性能分析 質(zhì)量檢驗 以及企業(yè)各級過程的管理與控制等產(chǎn)品制造的本質(zhì)過程 以增強制造過程各級的決策與控制能力 虛擬制造系統(tǒng)基本上不消耗資源和能量 也不生產(chǎn)實際產(chǎn)品 而是產(chǎn)品的設(shè)計 開發(fā)與實現(xiàn)過程在計算機上的本質(zhì)實現(xiàn) 與實際制造相比較 具有如下主要特征 高度集成敏捷靈活分布合作 計算機輔助設(shè)計與制造 虛擬制造與實際制造的關(guān)系 1 虛擬加工層支持產(chǎn)品的并行設(shè)計 工藝規(guī)劃 加工 裝配及維修等過程 進行可加工性分析 該層次的主要技術(shù)內(nèi)容包括基于產(chǎn)品技術(shù)復(fù)合化的產(chǎn)品設(shè)計與分析 基于仿真的零部件制造設(shè)計與分析 基于仿真的制造過程碰撞干涉檢驗及運動軌跡檢驗 材料加工成型仿真 產(chǎn)品虛擬裝配等 2 虛擬生產(chǎn)層支持生產(chǎn)環(huán)境的布局設(shè)計及設(shè)備集成 產(chǎn)品遠程虛擬測試 企業(yè)生產(chǎn)計劃及調(diào)度的優(yōu)化 進行可行性分析 該層次的主要技術(shù)內(nèi)容涉及虛擬生產(chǎn)環(huán)境布局 虛擬設(shè)備集成和虛擬計劃與調(diào)度 3 虛擬企業(yè)層實現(xiàn)勞動力 資源 資本 技術(shù) 管理和信息等的最優(yōu)配置 支持可合作性分析 其主要技術(shù)內(nèi)容包括虛擬企業(yè)協(xié)同工作環(huán)境 虛擬企業(yè)動態(tài)組合及運行支持環(huán)境等 虛擬制造是實際制造的抽象 實際制造是虛擬制造的實例 計算機輔助設(shè)計與制造 虛擬制造的體系結(jié)構(gòu) 虛擬制造主要包括 虛擬制造技術(shù)VMT虛擬企業(yè)VE系統(tǒng)集成 計算機輔助設(shè)計與制造 虛擬制造技術(shù) VMT VirtualManufacturingTechnology 虛擬制造技術(shù)是一種軟件技術(shù) 填補了CAD CAM技術(shù)與生產(chǎn)過程和企業(yè)管理之間的技術(shù)鴻溝 把企業(yè)的生產(chǎn)和管理活動在產(chǎn)品投入生產(chǎn)之前就在計算機屏幕上加以顯示和評價 使設(shè)計人員和工程師能夠預(yù)見可能發(fā)生的問題和后果 基于計算機模擬的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境使人們能夠在 真實地生產(chǎn)產(chǎn)品 之前 虛擬地生產(chǎn)產(chǎn)品 零件生存周期的模擬將提供精確的數(shù)據(jù) 這些數(shù)據(jù)排除開發(fā)難制造的或不能制造的產(chǎn)品設(shè)計 AM被稱為21世紀(jì)美國制造業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略 而其關(guān)鍵技術(shù)之一就是虛擬制造技術(shù) 計算機輔助設(shè)計與制造 虛擬企業(yè) VE VirtualEnterprise 虛擬企業(yè)也稱虛擬公司 是虛擬制造環(huán)境下的一種企業(yè)生產(chǎn)模式和組織模式 是一種企業(yè)的合作伙伴關(guān)系 這些企業(yè)以快速響應(yīng)市場機遇的快速配套 多重關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)形式所組成 合作伙伴在地域上可能是分布在不同地方 具有不同的規(guī)模和技術(shù)組合 對虛擬企業(yè)貢獻其核心的能力 提高以準(zhǔn)時方式提供價廉質(zhì)優(yōu)的產(chǎn)品的能力 它把不同地區(qū)的合作伙伴的現(xiàn)有資源 利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù) 迅速組合成為一種跨企業(yè) 跨地區(qū)的統(tǒng)一指揮 協(xié)調(diào)工作的經(jīng)營實體虛擬企業(yè)是AM的核心AM的主要思想是充分意識到小規(guī)模 模塊化的生產(chǎn)方式一個公司不追求全能 而追求很有特色的 很先進的局部優(yōu)勢 當(dāng)市場上新的機遇出現(xiàn)時 組織幾個有關(guān)公司合作 各自貢獻特長 以最快的速度 最優(yōu)的組合贏得這一機遇 完成之后又獨自經(jīng)營 計算機輔助設(shè)計與制造 系統(tǒng)集成 系統(tǒng)集成是綜合建模和仿真 虛擬企業(yè)中產(chǎn)生的信息 并以數(shù)據(jù) 知識和模型的形式 通過建立交互通信的網(wǎng)絡(luò)體系 支持分布式的 不同計算機平臺的和開放式的虛擬制造環(huán)境 其目標(biāo)是為合作伙伴制造企業(yè)的活動提供一個緊密集成的健壯結(jié)構(gòu)和工具 并使虛擬企業(yè)共享合作伙伴企業(yè)的技術(shù) 資源和利益 以達到最大的敏捷性 即 在連續(xù)變化的 不可預(yù)見的環(huán)境里茁壯成長的能力 通過國際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)交換合作伙伴之間的信息 是虛擬企業(yè)成功的關(guān)鍵問題 在這樣一個虛擬企業(yè)里的合作伙伴通過建立基于INTERNET的Web服務(wù)器 共享產(chǎn)品 工藝過程 生產(chǎn)管理 零部件供應(yīng)和產(chǎn)品銷售 服務(wù)等信息 計算機輔助設(shè)計與制造 虛擬制造的關(guān)鍵技術(shù) 虛擬制造系統(tǒng)是虛擬制造環(huán)境下的一種基于計算機仿真技術(shù)的多集成的 多學(xué)科技術(shù)綜合應(yīng)用的制造系統(tǒng)虛擬制造技術(shù) 環(huán)境構(gòu)成技術(shù)過程特征抽取元模型 集成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)制造特征數(shù)據(jù)集成多學(xué)科交織功能決策支持工具接口技術(shù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)建模技術(shù)仿真技術(shù)信息技術(shù) 計算機輔助設(shè)計與制造 虛擬現(xiàn)實技術(shù) 虛擬現(xiàn)實技術(shù)是人的想象力和電子學(xué)等相結(jié)合而產(chǎn)生的一項綜合技術(shù) 是為改善人與計算機的交互方式 提高計算機可操作性產(chǎn)生的虛擬現(xiàn)實技術(shù)綜合利用計算機圖形系統(tǒng) 各種顯示和控制等接口設(shè)備及多媒體計算機仿真技術(shù) 在計算機上生成一種特殊的 可交互的三維環(huán)境 稱為虛擬環(huán)境 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)VRS VirtualRealitySystem 包括操作者 機器和人機接口三個基本要素 用戶通過各種傳感系統(tǒng)與這種環(huán)境進行自然交互 使人產(chǎn)生身臨其境的沉浸感覺 它不僅提高了人與計算機之間的和諧程度 也成為一種有力的仿真工具 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)特征 自主性交互性沉浸感 計算機輔助設(shè)計與制造 建模技術(shù) 模型化處理是計算機通過抽象來表達客觀事物的主要方法要使系統(tǒng)協(xié)調(diào)地工作 首先就要為系統(tǒng)建模 在產(chǎn)品設(shè)計階段或產(chǎn)品制造之前 實時地并行地模擬出產(chǎn)品的未來制造全過程及其對產(chǎn)品設(shè)計的影響 并在計算機上 虛擬 地運行整個企業(yè) 在求得系統(tǒng)的最佳運行參數(shù)后 再據(jù)此實現(xiàn)企業(yè)的物理運行虛擬制造系統(tǒng)VMS VirtualManufacturingSystem 是現(xiàn)實制造系統(tǒng)RMS RealManufacturingSystem 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 VMS建模的信息體系結(jié)構(gòu)包括 生產(chǎn)模型產(chǎn)品模型工藝模型 計算機輔助設(shè)計與制造 仿真技術(shù) 仿真是應(yīng)用計算機對復(fù)雜的現(xiàn)實系統(tǒng)經(jīng)過抽象和簡化形成系統(tǒng)模型 然后在分析的基礎(chǔ)上運行此模型 從而得到系統(tǒng)一系列的統(tǒng)計性能仿真是以系統(tǒng)模型為對象的研究方法 不干擾實際生產(chǎn)系統(tǒng) 仿真可以利用計算機的快速運算能力 用很短時間模擬實際生產(chǎn)中需要很長時間的生產(chǎn)周期 因此可以縮短決策時間 避免資金 人力和時間的浪費 計算機還可以重復(fù)仿真 優(yōu)化實施方案 仿真是 的基礎(chǔ) 而另一方面 是仿真的擴展 仿真基本步驟 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 依靠仿真技術(shù)來模擬制造 生產(chǎn)和裝配過程 使設(shè)計者可以在計算機中 制造 產(chǎn)品 計算機輔助設(shè)計與制造 信息技術(shù) 虛擬制造是基于計算機和信息技術(shù)的一種新的先進制造技術(shù) 被認為是加速新產(chǎn)品開發(fā)的有效手段虛擬制造與現(xiàn)代設(shè)計 集成制造 柔性制造以及聯(lián)合經(jīng)營等相關(guān)聯(lián) 產(chǎn)品信息量 過程控制信息量 生產(chǎn)管理信息量均劇增 信息復(fù)雜性也增加虛擬制造系統(tǒng) VMS 是一個集成信息倉庫 信息流的控制和管理靠虛擬制造的信息管理系統(tǒng) 處理的對象是有關(guān)產(chǎn)品和制造系統(tǒng)的信息與數(shù)據(jù) 它來自現(xiàn)實制造系統(tǒng) 目的是指導(dǎo)現(xiàn)實制造系統(tǒng) 并且可以創(chuàng)造 建立 組織新的現(xiàn)實制造系統(tǒng)在虛擬制造中 通過運用信息技術(shù)管理 協(xié)調(diào)維護整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)的信息 達到虛擬制造目的 信息技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)相結(jié)合形成了現(xiàn)代制造技術(shù) 計算機輔助設(shè)計與制造 虛擬制造技術(shù)在制造業(yè)中應(yīng)用 目前虛擬制造技術(shù)應(yīng)用效果比較明顯的10個方面 產(chǎn)品的外形設(shè)計產(chǎn)品的布局設(shè)計產(chǎn)品的運動和動力學(xué)仿真熱加工工藝模擬加工過程仿真產(chǎn)品裝配仿真虛擬樣機與產(chǎn)品工作性能評測產(chǎn)品的廣告與漫游企業(yè)生產(chǎn)過程仿真與優(yōu)化虛擬研究開發(fā)中心 計算機輔助設(shè)計與制造 5 快速成形技術(shù)RP 快速成形技術(shù)的原理典型的快速成形技術(shù)快速成形技術(shù)的應(yīng)用 快速原型技術(shù)是一種涉及多學(xué)科的新型綜合制造技術(shù)80年代后 隨著計算機輔助設(shè)計的應(yīng)用 產(chǎn)品造型和設(shè)計能力得到極大提高 然而在產(chǎn)品設(shè)計完成后 批量生產(chǎn)前 必須制出樣品以表達設(shè)計構(gòu)想 快速獲取產(chǎn)品設(shè)計的反饋信息 并對產(chǎn)品設(shè)計的可行性作出評估 論證快速原型技術(shù)的出現(xiàn) 為這一問題的解決提供了有效途徑 倍受國內(nèi)外重視 計算機輔助設(shè)計與制造 快速成形技術(shù)的原理 基本過程 首先將零件的三維實體沿某一坐標(biāo)軸進行分層處理 得到一系列二維截面數(shù)據(jù)按特定的成形方法每次只加工一個截面 然后自動疊加一層成形材料 這一過程反復(fù)進行直到所有的截面加工完畢 生成三維實體原型快速成型加工方式無切削力產(chǎn)生 無須設(shè)計復(fù)雜的夾具 亦無撞刀及刀具磨耗等問題 任何復(fù)雜的形狀 只要能在CAD軟件繪出 即可由快速原型機自動地 成長 出原型 快速成型制造是一種離散 堆積的加工技術(shù) 計算機輔助設(shè)計與制造 幾種典型的快速成形技術(shù) 激光立體光刻法 SLA 分層實體制造法 LOM 選擇性激光燒結(jié)法 SLS 熔融沉積法 FDM 三維印刷法 3DP 快速成形技術(shù)是快速制造的核心 能在幾小時或幾十小時內(nèi)直接從CAD三維實體模型制作出原型 比圖紙和計算機屏幕提供了一個信息更豐富 更直觀的實體采用該技術(shù)能夠在產(chǎn)品開發(fā)的階段 全面考慮產(chǎn)品生命周期中的各種因素 力爭使開發(fā)能夠一次獲得成功 從而縮短開發(fā)周期 提高產(chǎn)品質(zhì)量 降低成本 避免開發(fā)的投資風(fēng)險 被譽為是并行工程環(huán)境的戰(zhàn)略工具 計算機輔助設(shè)計與制造 激光立體光刻法 SLA 原理 以液態(tài)聚合物 光敏樹脂 為基本材料 以激光或紫外光照射達到固化 激光造型裝置一直以美國3DSystems公司的SLA型產(chǎn)品獨占鰲頭 并形成壟斷市場 激光立體造型制造精度可達 0 1mm 主要用作為產(chǎn)品提供樣品和實驗?zāi)Ｐ?計算機輔助設(shè)計與制造 分層實體制造法 LOM 原理 以激光或切割刀切割工件外輪廓于被覆有熱熔性黏結(jié)劑的薄片材料上 外輪廓切割好之后經(jīng)熱壓黏結(jié)于上一層已切割完成之薄片材料上 如此循環(huán)直到工件完成 LOM可制作一些光造型法難以制作的大型零件和厚壁樣件 且制作成本低廉 約為光造型法的1 2 速度高 約為木模制作時間的1 5以下 并可簡便地分析設(shè)計構(gòu)思和功能 計算機輔助設(shè)計與制造 選擇性激光燒結(jié)法 SLS 原理 以激光照射粉末 被激光照射之處粉末與粉末黏結(jié)成型 一層完成之后再照射下一層直到工件完成 SLS技術(shù)造型速度快 一般制品僅需1天 2天即可完成 造型精度高 每層粉末最小厚度約0 07mm 激光動態(tài)精度可達 0 09mm 并具有自動激光補償功能 原型強度高 聚碳酸脂其彎曲強度可達34 5MPa 尼龍可達55MPa 因此 可用原型進行功能試驗和裝配模擬 以獲取最佳曲面和觀察配合狀況 計算機輔助設(shè)計與制造 熔融沉積法 FDM或MEM 原理 類似擠牙膏的方式 加工方式是以加熱頭熔化線狀之熱塑性材料 再將熱塑性的固體細絲材料由加熱頭熔化擠出而一層一層堆積成型直到整個工件完成 FDM技術(shù)的速度快 一般模型僅需幾小時即可成型 無污染 在原型開發(fā)和精鑄蠟?zāi)５确矫娴玫綇V泛應(yīng)用 計算機輔助設(shè)計與制造 三維印刷法 3DPrintingPrinted 3DP 原理 使用噴嘴噴射粉末黏著劑使得粉末顆粒產(chǎn)生鍵結(jié) 并藉由添加黏著劑以增如粉末間的鍵結(jié)力量 然后高溫下滲入金屬 密實零件 提高強度 計算機輔助設(shè)計與制造 快速成形技術(shù)在機械制造業(yè)的應(yīng)用 產(chǎn)品實體造型快速將CAD模型制成產(chǎn)品概念原型 實體模型 供設(shè)計評定和功能驗證 取得用戶的反饋信息產(chǎn)品檢驗與實驗將功能原型用于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計檢驗 裝配干涉檢驗 靜力或動力實驗 快速模具制造傳統(tǒng)的模具制造方法周期長 成本高 一套簡單的塑料注塑模具其價值也在10萬元以上 設(shè)計上的任何失誤反映到模具上都會造成不可挽回的損失 快速原型技術(shù)可精確制作模具的型心和型腔 也可直接用于注射過程制作塑料樣件 以便發(fā)現(xiàn)和糾正出現(xiàn)的錯誤 計算機輔助設(shè)計與制造 6 CIMS的體系結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù) CIMS概述CIMS的概念CIMS的特征CIMS的體系結(jié)構(gòu)CIMS的主要功能模塊CIMS的關(guān)鍵技術(shù)CIMS的發(fā)展 70年代 隨著市場全球化 工業(yè)市場競爭不斷加劇 給企業(yè)帶來了巨大的壓力 迫使企業(yè)紛紛尋求有效方法 加速推出高性能 高可靠性 成本低的產(chǎn)品 以期更有力地參與競爭 另一方面 計算機技術(shù)飛速發(fā)展 并不斷應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域中 為CIMS的產(chǎn)生作了技術(shù)上的準(zhǔn)備 計算機輔助設(shè)計與制造 CIMS概述 80年代至90年代 CIM進入了一個迅速發(fā)展的階段 在其內(nèi)涵與概念上都有了許多新的豐富 并與許多新概念相結(jié)合 形成互補 例如人工智能 準(zhǔn)時制造 精良生產(chǎn) 敏捷制造 并行工程 研究這些方法及技術(shù)對應(yīng)用CIM技術(shù)求得企業(yè)經(jīng)營活動的總體優(yōu)化有著不可低估的意義 1974年美國約瑟夫 哈林頓博士提出組織企業(yè)生產(chǎn)的新思想 1 制造業(yè)中各個部分 即從市場分析 經(jīng)營決策 工程設(shè)計 制造過程 質(zhì)量控制 生產(chǎn)指揮到售后服務(wù)的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)是不可分割的 互相緊密聯(lián)系在一起2 整個制造過程本質(zhì)上可抽象成一個數(shù)據(jù)的采集 傳遞 加工和利用的過程這兩個緊密聯(lián)系的基本觀點構(gòu)成了CIM的概念 CIMS引起了各國的重視 紛紛列入國家重點計劃 并取得顯著成效 如美國國家關(guān)鍵技術(shù)委員會把CIM列入影響美國長期安全和經(jīng)濟繁榮的22項關(guān)鍵技術(shù)之一 目前 世界CIM產(chǎn)業(yè)已達數(shù)十億美元 年 與CIM有關(guān)的系統(tǒng)集成 企業(yè)管理 工程設(shè)計及制造等相關(guān)技術(shù)都取得長足的進展 計算機輔助設(shè)計與制造 CIMS的概念 863 CIMS主題專家組根據(jù)中國國情定義 CIM是一種組織 管理與運行企業(yè)生產(chǎn)的哲理 它借助計算機硬件及軟件 綜合運用現(xiàn)代管理技術(shù) 制造技術(shù) 信息技術(shù) 自動化技術(shù) 系統(tǒng)工程技術(shù) 將企業(yè)生產(chǎn)全過程 市場分析 經(jīng)營管理 工程設(shè)計 加工制造 裝配 物料管理 售前售后服務(wù) 產(chǎn)品報廢處理 中有關(guān)的人 組織 技術(shù) 經(jīng)營管理三要素與其信息流 物流有機地集成并優(yōu)化運行 實現(xiàn)企業(yè)整體優(yōu)化 以達到產(chǎn)品高質(zhì) 低耗 上市快 服務(wù)好 使企業(yè)贏得市場競爭 CIMS是一種基于CIM哲理構(gòu)成的計算機化 信息化 智能化 集成化的制造系統(tǒng) CIM ComputerIntegratedManufacturing 計算機輔助設(shè)計與制造 CIMS的特征 1 在功能上 CIMS包含了整個工廠的全部生產(chǎn)經(jīng)營活動 即從市場需求分析 生產(chǎn)經(jīng)營決策 產(chǎn)品設(shè)計 加工制造 質(zhì)量管理 經(jīng)營銷售等一直到售后服務(wù)全部活動 各部分的活動 通過計算機以信息流的形式進行交互 集成控制 2 CIMS涉及的自動化不是工廠各個環(huán)節(jié)的自動化或計算機及其網(wǎng)絡(luò) 即 自動化孤島 的簡單相加 而是有機的集成 計算機輔助設(shè)計與制造 CIMS的體系結(jié)構(gòu) CIMS是一個集產(chǎn)品設(shè)計 制造 經(jīng)營 管理為一體的多層次 多結(jié)構(gòu)的復(fù)雜系統(tǒng) 需要從系統(tǒng)設(shè)計到實施具有較高規(guī)范程度和參考價值的體系結(jié)構(gòu) 國際上CIMS體系結(jié)構(gòu)基本上分為3類 面向CIM系統(tǒng)生命周期的體系結(jié)構(gòu)面向CIM系統(tǒng)功能構(gòu)成和控制結(jié)構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)面向CIMS集成平臺的體系結(jié)構(gòu) 計算機輔助設(shè)計與制造 面向CIM系統(tǒng)生命周期的體系結(jié)構(gòu) 制造系統(tǒng)的生命周期包括 需求分析與定義 系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)實施和系統(tǒng)運行四個階段不同的企業(yè)對CIMS有不同的要求和設(shè)計思想 從而可以形成不同的CIM結(jié)構(gòu) 同時企業(yè)在不同的階段對CIMS結(jié)構(gòu)的描述有不同的要求和任務(wù) 因此在上一代制造系統(tǒng)生命周期尚沒有結(jié)束時 就要開始一個新的系統(tǒng)周期 這就要有一套結(jié)構(gòu)化方法和平臺幫助和支持需求分析與定義 系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)實施和系統(tǒng)運行的生命周期 它具有時空開放性 盡可能多地利用原有系統(tǒng)中的組成部分 而系統(tǒng)組成部分應(yīng)充分而無冗余歐共體ESPRIT計劃中所提出的CIM OSA體系結(jié)構(gòu)是這類結(jié)構(gòu)的典型代表 計算機輔助設(shè)計與制造 面向CIM系統(tǒng)功能構(gòu)成和控制結(jié)構(gòu)的體系結(jié)構(gòu) CIMS是一個復(fù)雜的大型系統(tǒng) 為簡化實施 可將其分解為