汽車智能制造技術(shù)課件

汽車智能制造技術(shù)主編：韋光茂溫承欽黃維忠副主編：湯巖峰李嘉鋒李高任溫志力參編：陳志高楊浩韋忠勁陸潤明王浩儼蒲嬋英薛華杰李瑞榮主審：莫軍目錄01智能制造的概念與標(biāo)準(zhǔn)體系02認(rèn)識智能制造技術(shù)03智能制造數(shù)字化基礎(chǔ)04工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用05先進(jìn)制造技術(shù)與應(yīng)用06智能控制技術(shù)基礎(chǔ)07智能制造應(yīng)用01智能制造的概念與標(biāo)準(zhǔn)體系智能制造的概念智能制造的國家標(biāo)準(zhǔn)體系智能制造的本質(zhì)與價值內(nèi)涵智能制造的概念智能制造智能制造的技術(shù)

智能制造的特征智能制造發(fā)展前景未來智能制造的前景智能制造

智能制造源于對人工智能的研究。人工智能就是用人工方法在計算機(jī)上實現(xiàn)的智能。智能制造(IntelligentManufacturing,IM)是一種由智能機(jī)器和人類專家共同組成的人機(jī)一體化智能系統(tǒng),它在制造過程中能進(jìn)行智能活動,諸如分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等。通過人與智能機(jī)器的合作共事,去擴(kuò)大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動。它把制造自動化的概念更新,擴(kuò)展到柔性化、智能化和高度集成化。毫無疑問,智能化是制造自動化的發(fā)展方向。在制造過程的各個環(huán)節(jié)幾乎都應(yīng)用人工智能技術(shù)。人工智能技術(shù)可以用于工程設(shè)計、工藝過程設(shè)計、故障診斷等,也可以將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制技術(shù)等先進(jìn)的計算機(jī)智能方法應(yīng)用于產(chǎn)品配方、生產(chǎn)調(diào)度等,實現(xiàn)制造過程智能化。

智能制造的技術(shù)

工業(yè)自動化技術(shù)工業(yè)自動化技術(shù)是指利用計算機(jī)、傳感器、執(zhí)行器等設(shè)備,對生產(chǎn)過程進(jìn)行自動化控制和管理的技術(shù)手段。隨著計算機(jī)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展,工業(yè)自動化技術(shù)已經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的PLC控制到現(xiàn)代的智能化控制的轉(zhuǎn)變。現(xiàn)代的智能化控制系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)自動化控制,還可以實現(xiàn)實時的數(shù)據(jù)采集和處理、生產(chǎn)計劃管理、質(zhì)量監(jiān)控等功能。同時,智能化控制系統(tǒng)還可以與其他信息系統(tǒng)集成,形成完整的數(shù)字化生產(chǎn)體系。

機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)是指利用計算機(jī)算法和數(shù)學(xué)模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,從而讓機(jī)器具備學(xué)習(xí)和智能化的能力。機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在智能制造領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用,可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化控制、預(yù)測性維護(hù)、缺陷檢測和質(zhì)量監(jiān)控等功能。機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)還可以幫助企業(yè)實現(xiàn)自動化決策和優(yōu)化,提高生產(chǎn)效率和降低成本。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是指將各種物理設(shè)備和傳感器通過互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接起來,實現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換和共享的技術(shù)手段。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能制造領(lǐng)域中具有重要的作用,可以實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和維護(hù)、實時數(shù)據(jù)采集和處理、生產(chǎn)計劃管理等功能。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),企業(yè)可以實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的生產(chǎn)過程。云計算技術(shù)云計算技術(shù)是指將各種計算資源通過互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接起來,實現(xiàn)資源的共享和利用的技術(shù)手段。云計算技術(shù)在智能制造領(lǐng)域中具有重要的作用,可以實現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲和處理、實時計算和決策等功能。通過云計算技術(shù),企業(yè)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和協(xié)同,加速產(chǎn)品研發(fā)和創(chuàng)新。大數(shù)據(jù)技術(shù)大數(shù)據(jù)技術(shù)是指利用計算機(jī)算法和數(shù)學(xué)模型對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,從而獲得有價值的信息和知識的技術(shù)手段。大數(shù)據(jù)技術(shù)在智能制造領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用,可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的監(jiān)控和優(yōu)化、產(chǎn)品質(zhì)量的提升、客戶需求的預(yù)測和滿足等功能。通過大數(shù)據(jù)技術(shù),企業(yè)可以實現(xiàn)智能化決策和優(yōu)化,提高競爭力和市場占有率。

智能制造的特征

自律能力智能制造具有搜集與理解環(huán)境信息和自身信息,并進(jìn)行分析判斷和規(guī)劃自身行為的能力。智能制造系統(tǒng)能監(jiān)測周圍環(huán)境和自身作業(yè)狀況并進(jìn)行信息處理,根據(jù)處理結(jié)果自行調(diào)整控制策略,采用最佳運行方案,從而使整個制造系統(tǒng)具備抗干擾、自適應(yīng)和容錯糾錯等能力。強(qiáng)有力的知識庫和基于知識的模型是自律能力的基礎(chǔ)。具有自律能力的設(shè)備稱為“智能機(jī)器”,在一定程度上表現(xiàn)出獨立性、自主性和個性,甚至相互間還能運作與競爭。人機(jī)一體化智能制造不是單純的“人工智能”系統(tǒng),而是一種人機(jī)一體化的智能系統(tǒng),是一種“混合智能”。從人工智能發(fā)展現(xiàn)狀來看,基于人工智能的智能機(jī)器只能進(jìn)行機(jī)械式的推理、預(yù)測、判斷,它只具有邏輯思維(專家系統(tǒng)),最多做到形象思維(神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)),完全做不到靈感(頓悟)思維,只有人類專家才真正同時具備以上3種思維能力?，F(xiàn)階段想以人工智能全面取代制造過程中人類專家的腦力勞動,獨立承擔(dān)起分析、判斷、決策等任務(wù)是不現(xiàn)實的。因此,在智能制造系統(tǒng)中,高素質(zhì)、高智能的人將發(fā)揮更好的作用,機(jī)器智能和人的智能將真正地融合在一起,互相配合,相得益彰。自組織與超柔性智能制造系統(tǒng)中的各組成單元能夠根據(jù)工作任務(wù)需要,快速、可靠地組建新系統(tǒng),集結(jié)成一種超柔性最佳結(jié)構(gòu),并按照最優(yōu)方式運行。同時,對于快速變化的市場、生產(chǎn)制造要求有很強(qiáng)的適應(yīng)性,其柔性不僅表現(xiàn)在運行方式上,也表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)組成上,這種柔性稱為超柔性,如同一群人類專家組成的群體,具有生物特征。例如,在當(dāng)前任務(wù)完成后,該結(jié)構(gòu)將自行解散,以便在下一任務(wù)中能夠組成新的結(jié)構(gòu)。自學(xué)習(xí)與自維護(hù)智能制造系統(tǒng)能夠在實踐中不斷地充實知識庫,具有自主學(xué)習(xí)功能。同時,在運行過程中自行診斷故障,并具備對故障自行排除、自行維護(hù)的能力。這種特征使智能制造系統(tǒng)能夠進(jìn)行自我優(yōu)化,并適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境。智能制造發(fā)展前景(一)智能制造發(fā)展?fàn)顩r近年來,國外智能制造業(yè)發(fā)展發(fā)生了明顯的變化,發(fā)達(dá)國家技術(shù)工人短缺,新興國家勞動力成本上漲,同時制造業(yè)又出現(xiàn)了制造地點分散、生產(chǎn)方式變更、制造技術(shù)日益復(fù)雜化等變化。為此,美國、德國、英國、日本等世界發(fā)達(dá)國家紛紛開始實施“再工業(yè)化”計劃,頒布了一系列“智能制造”戰(zhàn)略。經(jīng)過多年發(fā)展,我國制造業(yè)規(guī)模已經(jīng)躍居世界首位,建立起門類齊全、獨立完整的制造體系,但與先進(jìn)國家相比,我國制造業(yè)大而不強(qiáng)的問題仍然存在。未來智能制造的發(fā)展趨勢未來,智能制造技術(shù)將與制造業(yè)深度融合。智能制造將造就全新的業(yè)態(tài),由多個提供單一產(chǎn)品或服務(wù)的供應(yīng)商共同構(gòu)建協(xié)作系統(tǒng),形成融合發(fā)展的生態(tài)圈。發(fā)展趨勢技術(shù)趨勢產(chǎn)業(yè)趨勢政策趨勢未來智能制造的前景未來智能制造的發(fā)展將對經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境等方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響,具有廣闊的發(fā)展前景。未來前景經(jīng)濟(jì)前景社會前景環(huán)境前景未來智能制造的發(fā)展將推動經(jīng)濟(jì)的增長和企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。智能制造將為企業(yè)提供更高效、更精確、更環(huán)保、更智能的生產(chǎn)方式和管理方式,提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量,降低生產(chǎn)成本,增強(qiáng)企業(yè)的核心競爭力和市場競爭力。智能制造還將促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同和創(chuàng)新,推動傳統(tǒng)制造業(yè)向智能制造轉(zhuǎn)型升級,促進(jìn)新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)的發(fā)展。智能制造還將促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級,推動制造業(yè)向高端化、智能化、綠色化方向發(fā)展,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。未來智能制造的發(fā)展將對社會產(chǎn)生廣泛的影響。智能制造將為社會提供更加高效、便捷、安全、環(huán)保的產(chǎn)品和服務(wù),滿足人民對美好生活的需求,提高人民的生活質(zhì)量和幸福感。智能制造也將為社會創(chuàng)造更多的就業(yè)機(jī)會,促進(jìn)人力資源的合理流動和優(yōu)化配置,提高勞動者的技能和素質(zhì)。智能制造還將為社會帶來更多的創(chuàng)新和發(fā)展機(jī)會,促進(jìn)社會的科技進(jìn)步和文化發(fā)展。未來智能制造的發(fā)展將對環(huán)境產(chǎn)生重要的影響。智能制造將推動生產(chǎn)過程的智能化、數(shù)字化和自動化,減少能源消耗和物料浪費,降低生產(chǎn)過程中的碳排放和環(huán)境污染,實現(xiàn)資源的有效利用和保護(hù)。智能制造還將促進(jìn)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,提高環(huán)保產(chǎn)品和服務(wù)的質(zhì)量和效益,推動生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展。智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南(2021版)》智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)是建立在智能制造應(yīng)用體系之上的標(biāo)準(zhǔn)體系,以規(guī)范和促進(jìn)智能制造的發(fā)展和應(yīng)用。其目的是協(xié)助管理和實現(xiàn)智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和可持續(xù)發(fā)展的生產(chǎn)過程。智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)包括3個方面:產(chǎn)品、裝備和工廠。

產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系是指產(chǎn)品制造中所需的標(biāo)準(zhǔn)體系。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系包括設(shè)計、材料、工藝、檢驗指標(biāo)等方面。通過建立產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系,有助于確保產(chǎn)品的品質(zhì)和穩(wěn)定性,同時也有利于提高產(chǎn)品的制造效率并降低生產(chǎn)成本。

裝備標(biāo)準(zhǔn)體系裝備標(biāo)準(zhǔn)體系是指智能制造裝備設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)體系。裝備標(biāo)準(zhǔn)體系包括裝備的分類、技術(shù)參數(shù)、功能性能、安全性能和運行維護(hù)等方面。裝備標(biāo)準(zhǔn)體系的建立有助于提高裝備之間的互操作性,以及整個生產(chǎn)過程的智能化和自動化程度。工廠標(biāo)準(zhǔn)體系工廠標(biāo)準(zhǔn)體系是指智能制造生產(chǎn)廠家的標(biāo)準(zhǔn)體系。工廠標(biāo)準(zhǔn)體系包括工廠規(guī)劃、生產(chǎn)管理、供應(yīng)鏈管理、質(zhì)量控制、信息化解決方案等方面。通過建立工廠標(biāo)準(zhǔn)體系,有助于提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量、提升生產(chǎn)能力。除產(chǎn)品、裝備和工廠3個方面外,智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)還包括數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系、信息標(biāo)準(zhǔn)體系、安全標(biāo)準(zhǔn)體系等方面。這些標(biāo)準(zhǔn)體系的建立,不僅有助于推進(jìn)智能制造的發(fā)展,而且也有利于保證產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。建立全面的標(biāo)準(zhǔn)體系,便于智能制造應(yīng)用在全球范圍內(nèi)的普及和推廣。《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南(2021版)》智能制造系統(tǒng)架構(gòu)智能制造系統(tǒng)架構(gòu)從生命周期、系統(tǒng)層級和智能特征等3個維度對智能制造所涉及的要素、裝備、活動等內(nèi)容進(jìn)行描述,主要用于明確智能制造的標(biāo)準(zhǔn)化對象和范圍裝備標(biāo)準(zhǔn)體系。

總體要求①基本原則②建設(shè)目標(biāo)建設(shè)思路智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)包括“A基礎(chǔ)共性”“B關(guān)鍵技術(shù)”“C行業(yè)應(yīng)用”等3個部分,主要反映標(biāo)準(zhǔn)體系各部分的組成關(guān)系。智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系框架包含了智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系的基本組成單元,同體系結(jié)構(gòu)一樣包括“A基礎(chǔ)共性”“B關(guān)鍵技術(shù)”“C行業(yè)應(yīng)用”等3個部分。建設(shè)內(nèi)容組織實施組織設(shè)施包括加強(qiáng)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、加快標(biāo)準(zhǔn)研制、加強(qiáng)宣貫培訓(xùn)、實施動態(tài)更新、加強(qiáng)國際合作等5個部分。智能制造的本質(zhì)與價值內(nèi)涵智能制造的本質(zhì)智能制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)智能制造的核心價值智能制造的本質(zhì)智能制造的本質(zhì)從本質(zhì)上看,智能制造是智能技術(shù)與制造技術(shù)的深度融合。從發(fā)展脈絡(luò)上看,傳統(tǒng)制造基于信息通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等實現(xiàn)數(shù)字化,而這些技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展便是智能技術(shù)。傳統(tǒng)的制造技術(shù)在智能技術(shù)的引導(dǎo)下,向更加成熟和高效的方向進(jìn)步,再基于智能制造關(guān)鍵技術(shù)賦能,實現(xiàn)制造工廠的智能化。智能制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)智能設(shè)計智能設(shè)計指應(yīng)用智能化的設(shè)計手段及先進(jìn)的設(shè)計信息化系統(tǒng)[CAX(插圖)、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同設(shè)計、設(shè)計知識庫等],支持企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計過程各個環(huán)節(jié)的智能化提升和優(yōu)化運行。例如,在實踐中,建模與仿真已廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計,新產(chǎn)品進(jìn)入市場的時間實現(xiàn)大幅度壓縮。智能產(chǎn)品在智能產(chǎn)品領(lǐng)域,互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能、數(shù)字化技術(shù)嵌入傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計,使產(chǎn)品逐步成為互聯(lián)網(wǎng)化的智能終端,比如將傳感器、存儲器、傳輸器、處理器等設(shè)備裝入產(chǎn)品當(dāng)中,使生產(chǎn)出的產(chǎn)品具有動態(tài)存儲、通信與分析能力,從而使產(chǎn)品具有可追溯、可追蹤、可定位的特性,同時還能廣泛采集消費者個體對創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計的個性化需求,令智能產(chǎn)品更加具有市場活力。智能裝備智能制造模式下的工業(yè)生產(chǎn)裝備需要與信息技術(shù)和人工智能等技術(shù)進(jìn)行集成與融合,從而使傳統(tǒng)生產(chǎn)裝備具有感知、學(xué)習(xí)、分析與執(zhí)行能力。生產(chǎn)企業(yè)在裝備智能化轉(zhuǎn)型過程中可以從單機(jī)智能化或者單機(jī)裝備互聯(lián)形成智能生產(chǎn)線或智能車間兩方面著手。智能生產(chǎn)在產(chǎn)品短缺的時代,產(chǎn)品的價值與價格主要由生產(chǎn)廠商主導(dǎo),廠家生產(chǎn)什么,消費者就只能購買什么,生產(chǎn)的主動權(quán)主要由廠家掌控。而在智能制造時代,產(chǎn)品的生產(chǎn)方式不再是生產(chǎn)驅(qū)動,而是用戶驅(qū)動,即生產(chǎn)智能化可以完全滿足消費者的個性化定制需求,產(chǎn)品價值與定價不再是企業(yè)一家獨大,而是由消費者需求決定。在實踐中,生產(chǎn)企業(yè)可以將智能化的軟硬件技術(shù)、控制系統(tǒng)及信息化系統(tǒng)(分布式控制系統(tǒng)、分布式數(shù)控系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)等)應(yīng)用到生產(chǎn)過程中,按照市場和客戶的需求優(yōu)化運行生產(chǎn)過程,這是智能制造的核心。智能管理隨著大數(shù)據(jù)、云計算等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動通信技術(shù)及智能裝備的成熟,管理智能化也成為可能。在整個智能制造系統(tǒng)中,企業(yè)管理者使用物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等實現(xiàn)智能生產(chǎn)的橫向集成,再利用移動通信技術(shù)與智能裝備實現(xiàn)整個智能生產(chǎn)價值鏈的數(shù)字化集成,從而形成完整的智能管理系統(tǒng)。此外,生產(chǎn)企業(yè)使用大數(shù)據(jù)或者云計算等技術(shù)可以提高企業(yè)搜集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與及時性,使智能管理更加高效與科學(xué)。企業(yè)智能管理領(lǐng)域不僅包括產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計管理、生產(chǎn)管理、庫存/采購/銷售管理等制造核心環(huán)節(jié),還包含服務(wù)管理、財務(wù)/人力資源管理、知識管理、產(chǎn)品全生命周期管理等。智能服務(wù)智能服務(wù)作為智能制造系統(tǒng)的末端組成部分,起著連接消費者與生產(chǎn)企業(yè)的作用,服務(wù)智能化最終體現(xiàn)在線上與線下的融合“O2O服務(wù)”,即一方面生產(chǎn)企業(yè)通過智能化生產(chǎn)不斷拓展其業(yè)務(wù)范圍與市場影響力,另一方面生產(chǎn)企業(yè)通過互聯(lián)網(wǎng)和移動通信技術(shù)將消費者連接到企業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中,通過消費者的不斷反饋提升產(chǎn)品服務(wù)質(zhì)量、提高客戶體驗度。具體來說,制造服務(wù)包含產(chǎn)品服務(wù)和生產(chǎn)性服務(wù),前者指對產(chǎn)品售前、售中及售后的安裝調(diào)試、維護(hù)、維修、回收、再制造、客戶關(guān)系的服務(wù),強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品與服務(wù)相融合;后者指與企業(yè)生產(chǎn)相關(guān)的技術(shù)服務(wù)、信息服務(wù)、物流服務(wù)、管理咨詢、商務(wù)服務(wù)、金融保險服務(wù)、人力資源與人才培訓(xùn)服務(wù)等,為企業(yè)非核心業(yè)務(wù)提供外包服務(wù)。智能服務(wù)強(qiáng)調(diào)知識性、系統(tǒng)性和集成性,強(qiáng)調(diào)以人為本的精神,為客戶提供主動、在線、全球化服務(wù),它采用智能技術(shù)提高服務(wù)狀態(tài)/環(huán)境感知、服務(wù)規(guī)劃/決策/控制水平,提升服務(wù)質(zhì)量,擴(kuò)展服務(wù)內(nèi)容,促進(jìn)現(xiàn)代制造服務(wù)業(yè)這一新業(yè)態(tài)不斷發(fā)展和壯大。智能制造的核心價值智能制造的應(yīng)用模式國內(nèi)學(xué)者總結(jié)出了智能制造的4種應(yīng)用模式?；诂F(xiàn)場連接的智能化生產(chǎn)模式。這種模式主要應(yīng)用于石化、鋼鐵、電子信息、家電、航空航天、汽車等行業(yè)中。例如,尼桑公司在汽車生產(chǎn)中采集控制器參數(shù),分析比較機(jī)械臂運行異常狀態(tài),可以提前三周預(yù)測潛在故障問題?；诋a(chǎn)品聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)化延伸模式。這種模式主要應(yīng)用于工程機(jī)械、電力設(shè)備、供水設(shè)備、家電等行業(yè)中。例如,通用公司可以基于Predix平臺監(jiān)控飛機(jī)燃油消耗狀態(tài),并進(jìn)行分析以優(yōu)化飛行管理,幫助亞航公司1年節(jié)省約2000萬美元燃油費用。基于企業(yè)互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同模式。這種模式主要應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶、家電等行業(yè)中。例如,寶鋼集團(tuán)與一汽大眾公司就新車型開發(fā)進(jìn)行縱向協(xié)同設(shè)計,預(yù)先對40多個零件進(jìn)行選材和優(yōu)化,使部分新零件屈服強(qiáng)度提升50%?；谛枨缶珳?zhǔn)對接的個性化定制模式。這種模式主要應(yīng)用于家電、服裝、家具等行業(yè)中。例如,紅領(lǐng)公司根據(jù)消費者個性化需求進(jìn)行服裝設(shè)計、數(shù)據(jù)分析和信息交換,實現(xiàn)以多品種、小批量、快翻新為特征的C2B式定制生產(chǎn)。02認(rèn)識智能制造技術(shù)智能設(shè)計和智能裝備智能加工與智能服務(wù)智能制造面臨的挑戰(zhàn)智能設(shè)計和智能裝備

智能裝備在汽車生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用新能源汽車數(shù)字化及智能化工廠設(shè)計與運行智能制造的應(yīng)用模式智能研發(fā)裝備智能研發(fā)裝備主要應(yīng)用在研發(fā)設(shè)計階段的先進(jìn)技術(shù)開發(fā)、產(chǎn)品的概念設(shè)計、工程設(shè)計和試驗驗證等環(huán)節(jié)。先進(jìn)技術(shù)開發(fā)方面主要是提供系統(tǒng)開發(fā)仿真裝備、試驗驗證裝備等。概念設(shè)計主要服務(wù)內(nèi)容是模型制作及模型數(shù)據(jù)的采集裝備。工程設(shè)計階段主要用于軟硬件開發(fā)的在環(huán)仿真裝備。試驗驗證方面是智能研發(fā)裝備應(yīng)用最多領(lǐng)域,覆蓋整車系統(tǒng)和零部件的各方面內(nèi)容。自動化成套生產(chǎn)線自動化成套生產(chǎn)線在汽車產(chǎn)業(yè)已廣泛應(yīng)用,從零部件到整車制造均有所應(yīng)用。根據(jù)生產(chǎn)工藝劃分,自動化成套生產(chǎn)線主要包括自動化機(jī)加生產(chǎn)線、自動化沖壓生產(chǎn)線、自動化焊接生產(chǎn)線、自動化裝配生產(chǎn)線等,典型如發(fā)動機(jī)缸體/缸蓋機(jī)加生產(chǎn)線、車身覆蓋件/結(jié)構(gòu)件沖壓生產(chǎn)線、白車身焊接生產(chǎn)線、動力總成自動化裝配線等。部分特殊生產(chǎn)工藝如鑄造件、注塑件、發(fā)泡件等也實現(xiàn)了自動化生產(chǎn)。工業(yè)機(jī)器人在汽車制造過程中,集成了移動機(jī)器人、堆垛機(jī)器人、裝配機(jī)器人、焊裝機(jī)器人、檢測機(jī)器人等,實現(xiàn)物料自動搬運、柔性物料傳送、零部件自動清洗、白車身焊接、自動化裝配等一系列作業(yè)任務(wù)。精密數(shù)控機(jī)床數(shù)控機(jī)床在整車生產(chǎn)和零部件加工中均有應(yīng)用,整車生產(chǎn)主要是沖壓工藝的壓力機(jī);零部件生產(chǎn)主要是發(fā)動機(jī)、變速器、傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)中的各類零部件加工,這也是數(shù)控機(jī)床在汽車產(chǎn)業(yè)的重點應(yīng)用領(lǐng)域。我國數(shù)控機(jī)床行業(yè)出現(xiàn)了明顯的供需矛盾,主要體現(xiàn)在普通數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)能過剩和精密數(shù)控機(jī)床的供應(yīng)不足,導(dǎo)致供給側(cè)結(jié)構(gòu)性失衡。新能源汽車數(shù)字化及智能化工廠設(shè)計與運行數(shù)字層設(shè)計與運行針對新能源汽車的數(shù)字化設(shè)計涵蓋A面設(shè)計、外觀CAS面設(shè)計、CAE工程、工程數(shù)據(jù)設(shè)計、SE工程等,其中多數(shù)屬于并行工程(CE)范疇,它穿插于所有設(shè)計與測試,不受組織架構(gòu)與地點等影響而同步開展,同時運用不同模擬軟件技術(shù)模擬各種條件,基于全生命周期管理數(shù)據(jù),整合公司所有資源,打造從企業(yè)內(nèi)部—供應(yīng)商—客戶一體化數(shù)據(jù)集成,保持產(chǎn)品靈活性的同時,提升生產(chǎn)效率,實現(xiàn)快速上市。平臺層模型設(shè)計與運行以“鋁合金車身熔化極惰性氣體保護(hù)焊(MIG)過程質(zhì)控”為例,介紹數(shù)字化焊接加工過程的處理方式。物理層設(shè)計與運行全數(shù)字化頂層設(shè)計強(qiáng)調(diào)對全數(shù)字化設(shè)備、運行管理生產(chǎn)線、供應(yīng)鏈管理、能源管理、驗證測試、產(chǎn)品設(shè)計等一系列數(shù)字化建立橫向合作體系與縱向一體化管理,形成端到端并行制造。智能加工與智能服務(wù)

先進(jìn)制造模式的概念與演化先進(jìn)制造模式的類型先進(jìn)制造模式的戰(zhàn)略目標(biāo)

先進(jìn)制造模式的管理先進(jìn)制造模式的概念與演化先進(jìn)制造模式的含義:先進(jìn)制造模式(AdvancedManufacturingMode,AMM)是指運用先進(jìn)制造技術(shù)進(jìn)行制造的模式?；仡櫄v史,人類制造模式的發(fā)展大致經(jīng)歷了4個主要階段:①手工與單件生產(chǎn)模式。②大批量生產(chǎn)模式。③柔性自動化生產(chǎn)模式。④高效、敏捷與集成經(jīng)營生產(chǎn)模式。先進(jìn)制造模式的類型制造模式具有鮮明的時代性。在傳統(tǒng)制造技術(shù)逐漸向現(xiàn)代高新技術(shù)發(fā)展、滲透、交匯和演變,形成先進(jìn)制造技術(shù)的同時,出現(xiàn)了一系列先進(jìn)制造模式。柔性生產(chǎn)模式。計算機(jī)集成制造模式。智能制造模式。精益生產(chǎn)模式。敏捷制造模式。虛擬制造模式。極端制造模式。綠色制造模式。先進(jìn)制造模式的戰(zhàn)略目標(biāo)以獲取生產(chǎn)有效性為首要目標(biāo)。先進(jìn)制造模式的共同目標(biāo)是快速響應(yīng)不可預(yù)測的市場變化,以滿足企業(yè)的生產(chǎn)有效性。以制造資源快速有效集成為基本原則。先進(jìn)制造模式的共同方法是在更大的空間范圍內(nèi)與更深的層次上,快速有效地集成資源,通過增強(qiáng)制造系統(tǒng)的一致性和靈活性來提高企業(yè)的應(yīng)變能力。先進(jìn)制造模式的經(jīng)濟(jì)性在于制造資源快速有效地集成。以人、組織、技術(shù)相互結(jié)合為實施途徑。先進(jìn)制造模式的共同思想是以人為中心,以人、組織、技術(shù)相互結(jié)合為實施途徑,保證生產(chǎn)的有效性。人、組織和技術(shù)是制造的三大必備資源。人是制造活動的主體,組織是反映制造活動中人與人的相互關(guān)系,技術(shù)則是實現(xiàn)制造的基本手段。先進(jìn)制造模式的管理先進(jìn)制造模式針對的現(xiàn)實是未來企業(yè)之間的競爭,除對比資源和技術(shù)關(guān)鍵性外,還對比組織的創(chuàng)新優(yōu)化。制造系統(tǒng)的組織優(yōu)化包括空間組織優(yōu)化和時間組織優(yōu)化?？臻g組織優(yōu)化側(cè)重于制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,包括邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)優(yōu)化。時間組織優(yōu)化主要針對信息與物流結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代企業(yè)組織結(jié)構(gòu)的特性主要體現(xiàn)在以下6個方面:靈活性、分散性、動態(tài)性、并行性、獨立性和簡單性。智能制造面臨的挑戰(zhàn)我國智能制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀我國智能制造技術(shù)發(fā)展存在的問題我國智能制造技術(shù)的發(fā)展建議智能制造技術(shù)發(fā)展趨勢分析我國智能制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀我國的智能制造技術(shù)相比較于發(fā)達(dá)國家,起步較晚且相應(yīng)的發(fā)展政策也有待完善。但隨著競爭的逐漸激烈,智能制造技術(shù)的發(fā)展趨勢,我國對智能制造技術(shù)的發(fā)展及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展也越來越重視。智能制造技術(shù)作為未來制造業(yè)發(fā)展核心技術(shù),將對工業(yè)自動化產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生重大影響。雖然存在著一系列的問題,但是在重大技術(shù)發(fā)展上卻有較大的突破,如機(jī)器人技術(shù)、智能信息處理技術(shù)及感知技術(shù)等,這些方面的研究及發(fā)展,已經(jīng)取得較好的成績。智能制造技術(shù)的主要發(fā)展方向則是增強(qiáng)先進(jìn)技術(shù)的自主創(chuàng)新能力。在一些沿海地區(qū),尤其是廣東、上海、浙江等發(fā)展較快的地區(qū)中已經(jīng)建立了完善的智能制造管理系統(tǒng),一些大型企業(yè)已經(jīng)在積極進(jìn)行智能化升級改造。例如,海爾集團(tuán)通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化的建立,并與國內(nèi)外高校合作,不斷引進(jìn)智能制造技術(shù)方面的人才,對智能制造展開研究。整體來講,我國智能制造技術(shù)的發(fā)展正不斷完善工業(yè)智能化,從生產(chǎn)到制造的每一環(huán)節(jié)都體現(xiàn)出智能的重要性。我國智能制造技術(shù)發(fā)展存在的問題缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)從目前我國智能制造水平來講,缺乏統(tǒng)一的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn),尤其是相關(guān)法律規(guī)則的制定在很大程度上存在著缺陷,這是制約我國智能制造技術(shù)發(fā)展的重要因素之一。在未來發(fā)展過程中,我國必須加強(qiáng)對這方面的重視程度,通過建立完善的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范智能制造技術(shù)的發(fā)展方向,在多方面資源不夠充足的情況下,合理利用資源,并對其技術(shù)進(jìn)行不斷創(chuàng)新,加強(qiáng)制造過程中的集成化作業(yè)方式,從而降低因系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)問題而出現(xiàn)的資源浪費現(xiàn)象。智能制造企業(yè)面臨著較大的升級成本壓力企業(yè)作為制造技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的主體,在進(jìn)行智能化改造的過程中必然會遇到多種問題,從技術(shù)引進(jìn)本身到人才儲備等多方面都面臨著極大的壓力。企業(yè)一方面要確保最低成本的增加,另一方面還要加強(qiáng)智能制造技術(shù)的升級改造,從這個意義上來講,企業(yè)面臨的壓力是巨大的。有些企業(yè)由于難以做出科學(xué)的判斷,從而出現(xiàn)決策上的錯誤,導(dǎo)致企業(yè)運營受到嚴(yán)重影響,所以有些企業(yè)為了生存,放棄了智能制造技術(shù)的升級改造。智能化制造行業(yè)缺乏自主創(chuàng)新能力自主創(chuàng)新能力對于任何一個企業(yè)而言意義都是重要的,企業(yè)進(jìn)行升級改造,不僅需要儲備人才,還需要具有自主創(chuàng)新能力。我國在自主創(chuàng)新能力方面與發(fā)達(dá)國家相比仍存在一定的差距,多項制造智能技術(shù)都是由國外引進(jìn)的,智能化產(chǎn)品缺乏自主創(chuàng)新的能力也就是缺乏其核心競爭力。與智能制造行業(yè)相關(guān)的現(xiàn)代服務(wù)業(yè)發(fā)展較差現(xiàn)代服務(wù)行業(yè)的發(fā)展可以說是智能制造行業(yè)發(fā)展的重要因素之一。然而一些關(guān)鍵的現(xiàn)代服務(wù)行業(yè)的發(fā)展規(guī)?；蚴羌夹g(shù)水平難以滿足智能制造技術(shù)的發(fā)展需要。無論是傳統(tǒng)企業(yè)的升級改造,還是創(chuàng)新型服務(wù)模式都不能更好地為智能制造行業(yè)服務(wù),這也是導(dǎo)致影響智能制造技術(shù)發(fā)展緩慢的因素之一。我國智能制造技術(shù)的發(fā)展建議進(jìn)行頂層標(biāo)準(zhǔn)制定和重點行業(yè)推廣頂層標(biāo)準(zhǔn)的制定和重點行業(yè)推廣在未來智能制造技術(shù)的創(chuàng)新過程中,首先必須引起相關(guān)部門及國家的高度重視。對智能制造技術(shù)建立完善的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)來指導(dǎo)企業(yè)能更好地進(jìn)行智能制造的升級改造。利用科學(xué)的方法制定一套完整型、通用型智能制造行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),針對關(guān)鍵技術(shù),要與發(fā)達(dá)國家接軌,實現(xiàn)國際化的標(biāo)準(zhǔn)。只有這樣,才能更好地推動我國智能制造技術(shù)的發(fā)展。確立智能制造體系智能制造體系對于智能制造行業(yè)的發(fā)展是至關(guān)重要的,智能制造體系是智能制造技術(shù)發(fā)展的根基。在建立智能制造體系的過程中,政府應(yīng)鼓勵各行業(yè)之間協(xié)同發(fā)展,積極支持跨部門、跨行業(yè)的合作,使企業(yè)和政府共同進(jìn)行智能制造的共性標(biāo)準(zhǔn)及重點應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。產(chǎn)業(yè)聚集平臺、公共服務(wù)平臺和投入融資平臺的建立能夠促進(jìn)我國智能制造行業(yè)的發(fā)展。通過建立產(chǎn)業(yè)聚集平臺,能夠起到促進(jìn)行業(yè)間信息共享和技術(shù)服務(wù)的作用,從而為企業(yè)向智能制造轉(zhuǎn)型創(chuàng)造良好的環(huán)境。公共服務(wù)平臺的建立需要政府、社會和社會組織等各方面的公共合作,通過創(chuàng)建一個這樣的服務(wù)組織,為企業(yè)發(fā)展所需的技術(shù)和資源的共享提供便利,實現(xiàn)各類資源的充分整合,為企業(yè)的發(fā)展提供支持。投入融資平臺的建立主要是為了給企業(yè)提供資金支持,而企業(yè)的智能制造升級最大的障礙正是前期的巨大投入,通過建立投入融資平臺能夠給企業(yè)提供資金支持,規(guī)避企業(yè)的經(jīng)營風(fēng)險,實現(xiàn)金融行業(yè)和制造行業(yè)的共同發(fā)展。建立完善的體制通過建立完善的體制來保證智能制造行業(yè)的發(fā)展,在充分認(rèn)識智能制造技術(shù)的重要性,以及清醒地認(rèn)識自身具有的不足的基礎(chǔ)之上,基于智能制造的頂層設(shè)計來建立健全體制,保障智能制造行業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。智能制造技術(shù)發(fā)展趨勢分析市場的需求和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步在不斷地推動智能制造技術(shù)的發(fā)展,當(dāng)前制造的生產(chǎn)規(guī)模正朝著多品種、變批量、柔性的方向發(fā)展;隨著信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,制造行業(yè)的資源配置正不斷發(fā)生變化,同時向信息密集方向發(fā)展。隨著智能制造技術(shù)的發(fā)展,制造行業(yè)的設(shè)計、生產(chǎn)、管理和服務(wù)等各個環(huán)節(jié)都將逐步地向智能化方向發(fā)展?！爸悄芄S”和“云制造”將是未來智能制造技術(shù)的發(fā)展方向,在未來,智能工廠由物理系統(tǒng)(實際的)和信息系統(tǒng)(虛擬的)兩部分構(gòu)成,其中前者是實質(zhì)的生產(chǎn)系統(tǒng),后者則是物質(zhì)系統(tǒng)虛擬的“靈魂”,而移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)是二者之間的橋梁和傳輸通道。從國家層面出發(fā),我國可以制訂一系列智能發(fā)展計劃和專項智能技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃戰(zhàn)略,開發(fā)一些與國家行動計劃相關(guān)的智能制造技術(shù),這樣就可以將智能技術(shù)與經(jīng)濟(jì)緊密地聯(lián)系在一起,從觀念引導(dǎo)到智能技術(shù)的引進(jìn),再到數(shù)字化開放和專項技術(shù)的開展都將減少很多我國智能制造技術(shù)的發(fā)展,實現(xiàn)彎道超車的阻礙,真正意義上開展全民智能制造行業(yè)。從核心技術(shù)層面出發(fā),智能制造技術(shù)是需要人的主觀能動性來加強(qiáng)核心技術(shù)的創(chuàng)新與新數(shù)據(jù)的信息資源整合,所以這就需要相關(guān)技術(shù)人員必須加強(qiáng)這方面的學(xué)習(xí),定期去國外進(jìn)行深造學(xué)習(xí),進(jìn)而帶動智能制造領(lǐng)域的發(fā)展。從人才引進(jìn)層面出發(fā),21世紀(jì)是人才的競爭,綜合實力的增強(qiáng)及創(chuàng)新都表明必須重視人才的力量,加大對人才的重視程度和教育力度,不斷加強(qiáng)對人才的培養(yǎng)。通過引進(jìn)和相互交流的方式來增強(qiáng)我國與其他國家彼此之間的學(xué)習(xí)。針對國外智能制造專業(yè)的人才要進(jìn)行科學(xué)的引進(jìn),通過建立實驗室和組建科研團(tuán)隊等方式,來加強(qiáng)人才的引進(jìn)。03智能制造數(shù)字化基礎(chǔ)概述數(shù)字化設(shè)計與仿真有限元分析基礎(chǔ)數(shù)字化工藝概述數(shù)字化工廠的發(fā)展與實現(xiàn)智能化工廠的概念與特征數(shù)字化工廠的發(fā)展與實現(xiàn)數(shù)字化的概念數(shù)據(jù)是人們利用規(guī)定的符號對現(xiàn)實世界的事物及其活動所做的抽象描述和記錄,將數(shù)據(jù)以有意義的形式加以排列和處理,就形成了信息。記錄數(shù)據(jù)最常用的是數(shù)字,如在數(shù)學(xué)語言中通用的是阿拉伯?dāng)?shù)字,二進(jìn)制的“0”和“1”是計算機(jī)處理語言的基礎(chǔ)。數(shù)字化是將各種形式的信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢远攘康臄?shù)據(jù),再以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立起適當(dāng)?shù)臄?shù)字化模型,把它們轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗卸M(jìn)制代碼,引入計算機(jī)內(nèi)部,進(jìn)行統(tǒng)一處理和應(yīng)用。數(shù)字化工廠的發(fā)展隨著以計算機(jī)為核心的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于制造業(yè),逐步產(chǎn)生了數(shù)字化工廠的概念。數(shù)字化工廠是將真實有形的工廠映射到虛擬的網(wǎng)絡(luò)中,形成一個與現(xiàn)實工廠相對應(yīng)的,其功能可以局部或全部模擬工廠行為的系統(tǒng),可以反映或預(yù)測工廠真實的結(jié)果。數(shù)字化工廠最初側(cè)重于企業(yè)內(nèi)部微觀過程數(shù)字化,主要是對產(chǎn)品生產(chǎn)過程機(jī)理知識的獲取,以及進(jìn)行生產(chǎn)工藝設(shè)計和優(yōu)化控制,即通過虛擬制造技術(shù)對生產(chǎn)過程仿真,提前解決實際生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的問題。隨著技術(shù)的進(jìn)步與功能的擴(kuò)展,形成廣義的數(shù)字化工廠,即利用集成的信息技術(shù)優(yōu)化整個生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計與性能,實現(xiàn)生產(chǎn)運營和管理的數(shù)字化。數(shù)字化工廠最初起源于數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計,其代表技術(shù)是CAD(計算機(jī)輔助設(shè)計)、CAM(計算機(jī)輔助制造)、CAE(計算機(jī)輔助工程)、CAPP(計算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計)和PDM(產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理),目的是解決產(chǎn)品設(shè)計和產(chǎn)品制造之間的“鴻溝”。通過對生產(chǎn)過程的模擬,使生產(chǎn)制造過程在數(shù)字空間中得以檢驗,縮短從設(shè)計到生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化時間,優(yōu)化生產(chǎn)線配置和布局,減少生產(chǎn)線準(zhǔn)備和停機(jī)時間,提高產(chǎn)品質(zhì)量。在廣義的數(shù)字化工廠中,實現(xiàn)設(shè)計數(shù)字化、制造裝備數(shù)字化、生產(chǎn)過程數(shù)字化、管理數(shù)字化,上至宏觀戰(zhàn)略決策、下到具體業(yè)務(wù)操作都采用數(shù)字化管理方法和手段。數(shù)字化工廠的應(yīng)用數(shù)字化工廠是由數(shù)字化模型、方法和工具構(gòu)成的綜合應(yīng)用系統(tǒng),通過連續(xù)的數(shù)據(jù)集成,對真實工廠進(jìn)行虛擬的仿真,進(jìn)行數(shù)字化綜合集成應(yīng)用。數(shù)字化工廠概念和產(chǎn)品出現(xiàn)后,許多制造企業(yè)進(jìn)行實踐應(yīng)用,取得了不少的成功案例。波音公司采用數(shù)字化工廠技術(shù)縮短飛機(jī)設(shè)計與制造時間,減少產(chǎn)品缺陷,大幅度降低成本。歐洲空中客車公司在A380飛機(jī)研制過程中,應(yīng)用數(shù)字化技術(shù),建立了基于PLM(產(chǎn)品生命周期管理)的全球設(shè)計制造管理信息平臺,實現(xiàn)了分散在30個國家的1500家零部件生產(chǎn)商和供應(yīng)商之間的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同,讓所有合作商在統(tǒng)一的數(shù)字化平臺下協(xié)同地開展數(shù)字化方式的設(shè)計、制造、測試飛機(jī)零部件和飛機(jī)裝配過程。康佳集團(tuán)通過數(shù)字化工廠,減少了90%的手工操作錯誤,節(jié)約了30%左右的產(chǎn)品研發(fā)費用。在國內(nèi)外一些領(lǐng)先的煉油企業(yè),全面集成各種現(xiàn)場數(shù)據(jù),實時監(jiān)測,動態(tài)預(yù)警,精細(xì)化生產(chǎn)運行管理和操作執(zhí)行。如美國瓦萊羅能源公司通過數(shù)字化工廠平臺,實時監(jiān)控20000個數(shù)據(jù)流的情況,對所有信息進(jìn)行實時匯總,并可實時報警顯示,通過電子儀表盤可以知道每桶油的能耗是否超過了計劃用量,工廠每年可以節(jié)約1.2億美元到2億美元的成本。智能化工廠的概念與特征智能化工廠的概念數(shù)字化是信息化的基本階段,智能化就是信息化的高級階段。智能化的概念在之前已經(jīng)提出,我們所熟知的機(jī)器人就是智能化產(chǎn)品的代表。智能化是指使對象具備靈敏準(zhǔn)確的感知功能、正確的思維與判斷功能及行之有效的執(zhí)行功能而進(jìn)行工作。如今智能化的概念逐漸滲透到社會生活的各個方面,出現(xiàn)了智能電網(wǎng)、智能交通、智能物流、智能工廠等。智能化在企業(yè)的應(yīng)用形式是建立智能化系統(tǒng),利用現(xiàn)代通信技術(shù)、軟件技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能控制技術(shù)等匯集而成的針對某一個方面應(yīng)用的智能集合。智能工廠是通過智能裝備和模型驅(qū)動而構(gòu)造的智能制造模式,是智能系統(tǒng)與其他學(xué)科互相交織在工廠的綜合應(yīng)用,包括智能控制、智能測量與診斷、智能設(shè)計、智能加工、智能調(diào)度等方面。先進(jìn)控制系統(tǒng)是一種基于模型,以系統(tǒng)辨識、最優(yōu)控制、最優(yōu)估計等為基礎(chǔ)的一種智能控制系統(tǒng),可以改善生產(chǎn)過程動態(tài)控制的性能,減少生產(chǎn)過程變量的波動幅度,保證產(chǎn)品質(zhì)量,提高目標(biāo)產(chǎn)品生產(chǎn)率。中石化燕山石化公司歷時五年建成的乙烯APC系統(tǒng)是中國石化第一套乙烯全流程先進(jìn)過程控制系統(tǒng),該系統(tǒng)自動將裝置總處理量實時推向最大化,每年可提高產(chǎn)量2%左右。智能化工廠的主要特征智能化工廠是采用智能技術(shù)的生產(chǎn)實現(xiàn)模式,以智能系統(tǒng)為載體和平臺,代替人的部分活動。智能化強(qiáng)調(diào)整體自組織能力與個體的自主性,系統(tǒng)的建模需要大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),系統(tǒng)的仿真需要實時數(shù)據(jù)支持,系統(tǒng)要具備一定的容錯能力,并具有學(xué)習(xí)能力。通過與物聯(lián)網(wǎng)、移動應(yīng)用、虛擬現(xiàn)實等新技術(shù)結(jié)合,不斷擴(kuò)展智能化工廠的功能。智能化工廠的主要特征智能化工廠是采用智能技術(shù)的生產(chǎn)實現(xiàn)模式,以智能系統(tǒng)為載體和平臺,代替人的部分活動。智能化強(qiáng)調(diào)整體自組織能力與個體的自主性,系統(tǒng)的建模需要大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),系統(tǒng)的仿真需要實時數(shù)據(jù)支持,系統(tǒng)要具備一定的容錯能力,并具有學(xué)習(xí)能力。通過與物聯(lián)網(wǎng)、移動應(yīng)用、虛擬現(xiàn)實等新技術(shù)結(jié)合,不斷擴(kuò)展智能化工廠的功能。數(shù)字化設(shè)計與仿真基本概念幾何建模特征建模技術(shù)基本概念建模技術(shù)建模技術(shù)是CAD/CAM系統(tǒng)的核心技術(shù),也是計算機(jī)能夠輔助人類從事設(shè)計、制造活動的根本原因。在傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計與制造中,技術(shù)人員是通過工程圖樣來表達(dá)和傳遞設(shè)計思想及工程信息的。在使用計算機(jī)后,這些設(shè)計思想和工程信息是以具有一定結(jié)構(gòu)的數(shù)字化模型方式存儲在計算機(jī)內(nèi),并經(jīng)過適當(dāng)轉(zhuǎn)換可提供給生產(chǎn)過程各個環(huán)節(jié),從而構(gòu)成統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型。模型一般由數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)、算法3部分組成。因此，CAD/CAM建模技術(shù)就是研究產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型在計算機(jī)內(nèi)部的建模方法、過程及采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法。對于現(xiàn)實世界中的物體,從人們的想象出發(fā),到完成計算機(jī)內(nèi)部表示的這一過程稱之為建模。建模的方法及其發(fā)展由于對客觀事物的描述方法、存儲內(nèi)容、存儲結(jié)構(gòu)的不同而有不同的建模和不同的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型。目前主要的建模方法有幾何建模和特征建模兩種;主要的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型有二維模型、三維線框模型、曲面模型、實體模型、特征模型、集成產(chǎn)品模型及最新的生物模型等。幾何建模幾何建模的定義就機(jī)械產(chǎn)品的CAD/CAM系統(tǒng)而言,最終產(chǎn)品的描述信息包括形狀信息、物理信息、功能信息及工藝信息等,其中形狀信息是最基本的。自20世紀(jì)70年代以來,首先對產(chǎn)品形狀信息的處理進(jìn)行了大量的研究工作,這一工作就是現(xiàn)在所稱的幾何建模(GeometricModeling)。目前市場上的CAD/CAM系統(tǒng)大多都采用幾何建模方法。所謂幾何建模方法,即物體的描述和表達(dá),其是建立在幾何信息和拓?fù)湫畔⒌奶幚砘A(chǔ)上的。幾何信息一般是指物體在歐氏空間中的形狀、位置和大小,而拓?fù)湫畔t是物體各分量的數(shù)目及其相互間的連接關(guān)系。在CAD/CAM系統(tǒng)中,幾何建模是自動設(shè)計和圖形處理的基礎(chǔ)。從20世紀(jì)70年代初歐洲首先把幾何建模技術(shù)列為計算機(jī)輔助設(shè)計和制造的中心研究項目以來,經(jīng)過二十多年的發(fā)展,在幾何建模的研究方面已取得很大的進(jìn)展。圍繞著幾何建模技術(shù)主要的研究課題有:①現(xiàn)實世界中物體的描述方法,如二維、三維描述及線框、表面、實體建模技術(shù)等。②三維實體建模中的各種計算機(jī)內(nèi)部表達(dá)模式,如邊界表示法、構(gòu)造立體幾何法、空間單元表示法等。③發(fā)展一些關(guān)鍵算法,如并、交、差運算及消隱運算等。④幾何建模系統(tǒng)的某些重要應(yīng)用,如工程圖的生成,具有明暗度和陰影的圖形及彩色圖的生成,有限元網(wǎng)格生成,數(shù)控程序的生成和加工過程模擬等。幾何建模系統(tǒng)分類二維幾何建模系統(tǒng)計算機(jī)內(nèi)部模型可以是二維的,也可以是三維的,這主要取決于應(yīng)用場合和目的。由于二維幾何建模系統(tǒng)可以滿足一般繪圖工作的要求,符合長期以來人們用視圖表達(dá)產(chǎn)品形狀和尺寸的習(xí)慣,并且所占存儲空間少,價格便宜,因此CAD/CAM的研究大多都是從二維幾何建模系統(tǒng)開始的。二維幾何建模系統(tǒng)主要研究平面輪廓處理問題,它可以分為邊式和面式兩類系統(tǒng)。所謂邊式系統(tǒng)只描述輪廓邊,然后通過不同類型輪廓邊的相互順序?qū)崿F(xiàn)繪圖目的。由于它沒有定義相互聯(lián)系邊的范圍,所以不能實現(xiàn)自動畫剖面線、拷貝和圖形變換等功能。所謂面式系統(tǒng),是將封閉輪廓邊包圍的范圍定義成一個平面,并作為一個整體來處理。它不僅可自動畫削面線、拷貝、變換,還可以隨意相互拼合(相加或相減),從而構(gòu)成任意復(fù)雜的圖形。

由于二維幾何建模系統(tǒng)比較簡單實用,同時大部分二維CAD系統(tǒng)都提供了方便的人機(jī)交互功能,比較符合設(shè)計人員慣用的繪圖工作方式,如果任務(wù)僅局限于計算機(jī)輔助繪圖或是對回轉(zhuǎn)體零件進(jìn)行數(shù)控編程,則可采用二維幾何建模系統(tǒng)。在二維幾何建模系統(tǒng)中,由于各視圖及剖面圖在計算機(jī)內(nèi)部是相互獨立產(chǎn)生的,所以就不可能將同一個零件的這些不同信息構(gòu)成一個整體模型。當(dāng)一個視圖改變時,其他視圖不可能自動改變,這是它的一個很大弱點。在二維和三維幾何建模系統(tǒng)之間還有一個領(lǐng)地,有人稱為二維半(2.5D)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)指的是一個平面輪廓在深度方向延伸形成三維表示方法。由于其幾何處理仍是平面輪廓問題,所以仍應(yīng)屬于二維幾何建模系統(tǒng)。2.三維幾何建模系統(tǒng)現(xiàn)實世界的物體是三維的,因而三維幾何建模系統(tǒng)可以更加真實、完整、清楚地描述物體,它代表了CAD發(fā)展的主流。例如飛機(jī)的設(shè)計,過去是從二維圖紙開始,而現(xiàn)在飛機(jī)的設(shè)計包括總體設(shè)計、模型設(shè)計、零部件設(shè)計及工裝設(shè)計,大部分都采用三維數(shù)字化設(shè)計。三維數(shù)字化定義(DPD)和三維數(shù)字化預(yù)裝配(DPA)技術(shù)是實現(xiàn)異地?zé)o紙制造及虛擬制造的基本手段。幾何建模系統(tǒng)分類①二維幾何建模系統(tǒng)由于二維幾何建模系統(tǒng)可以滿足一般繪圖工作的要求,符合長期以來人們用視圖表達(dá)產(chǎn)品形狀和尺寸的習(xí)慣,并且所占存儲空間少,價格便宜,因此CAD/CAM的研究大多都是從二維幾何建模系統(tǒng)開始的。二維幾何建模系統(tǒng)主要研究平面輪廓處理問題,它可以分為邊式和面式兩類系統(tǒng)。所謂邊式系統(tǒng)只描述輪廓邊,然后通過不同類型輪廓邊的相互順序?qū)崿F(xiàn)繪圖目的。由于它沒有定義相互聯(lián)系邊的范圍,所以不能實現(xiàn)自動畫剖面線、拷貝和圖形變換等功能。所謂面式系統(tǒng),是將封閉輪廓邊包圍的范圍定義成一個平面,并作為一個整體來處理。它不僅可自動畫削面線、拷貝、變換,還可以隨意相互拼合(相加或相減),從而構(gòu)成任意復(fù)雜的圖形。

由于二維幾何建模系統(tǒng)比較簡單實用,同時大部分二維CAD系統(tǒng)都提供了方便的人機(jī)交互功能,比較符合設(shè)計人員慣用的繪圖工作方式,如果任務(wù)僅局限于計算機(jī)輔助繪圖或是對回轉(zhuǎn)體零件進(jìn)行數(shù)控編程,則可采用二維幾何建模系統(tǒng)。在二維幾何建模系統(tǒng)中,由于各視圖及剖面圖在計算機(jī)內(nèi)部是相互獨立產(chǎn)生的,所以就不可能將同一個零件的這些不同信息構(gòu)成一個整體模型。當(dāng)一個視圖改變時,其他視圖不可能自動改變,這是它的一個很大弱點。在二維和三維幾何建模系統(tǒng)之間還有一個領(lǐng)地,有人稱為二維半(2.5D)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)指的是一個平面輪廓在深度方向延伸形成三維表示方法。由于其幾何處理仍是平面輪廓問題,所以仍應(yīng)屬于二維幾何建模系統(tǒng)。②三維幾何建模系統(tǒng)現(xiàn)實世界的物體是三維的,因而三維幾何建模系統(tǒng)可以更加真實、完整、清楚地描述物體,它代表了CAD發(fā)展的主流。例如飛機(jī)的設(shè)計,過去是從二維圖紙開始,而現(xiàn)在飛機(jī)的設(shè)計包括總體設(shè)計、模型設(shè)計、零部件設(shè)計及工裝設(shè)計,大部分都采用三維數(shù)字化設(shè)計。三維數(shù)字化定義(DPD)和三維數(shù)字化預(yù)裝配(DPA)技術(shù)是實現(xiàn)異地?zé)o紙制造及虛擬制造的基本手段。幾何建模方法幾何建模方法實體建模體素的定義及描述布爾運算線框建模表面建模特征建模技術(shù)特征建模的概念①特征建模概念的提出幾何建模技術(shù)推動了CAD/CAM的發(fā)展,隨著信息技術(shù)的發(fā)展及計算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,對CAD/CAM系統(tǒng)提出越來越高的要求,尤其是計算機(jī)集成制造技術(shù)的出現(xiàn),要求將產(chǎn)品的需求分析、設(shè)計開發(fā)、制造生產(chǎn)、質(zhì)量檢測、售后服務(wù)等產(chǎn)品整個生命周期的各個環(huán)節(jié)的信息有效地集成起來。由于現(xiàn)有的CAD系統(tǒng)大多都建立在幾何模型的基礎(chǔ)上,即建立在對已存在對象的幾何數(shù)據(jù)及拓?fù)潢P(guān)系描述的基礎(chǔ)上,這些信息無明顯的功能、結(jié)構(gòu)和工程含義,所以想從這些信息中提取、識別工程信息是相當(dāng)困難的,為此推動了特征建模技術(shù)的發(fā)展。特征的概念最早出現(xiàn)在1978年美國MIT的一篇學(xué)士論文“CAD中基于特征的零件表示”中,隨后經(jīng)過幾年的醞釀討論,至80年代末有關(guān)特征建模技術(shù)才得到廣泛關(guān)注。特征是一種集成對象,包含豐富的工程語義,因此,它是在更高層次上表達(dá)產(chǎn)品的功能和形狀信息。對于不同的設(shè)計階段和應(yīng)用領(lǐng)域有不同的特征定義,例如功能特征、加工特征、形狀特征、精度特征等。特征體現(xiàn)了新的設(shè)計方法學(xué),它是新一代的CAD/CAM建模技術(shù)。②特征的定義特征是一種綜合概念,它作為產(chǎn)品開發(fā)過程中各種信息的載體,除包含零件的幾何拓?fù)湫畔⑼?還包含了設(shè)計制造等過程所需要的一些非幾何信息,如材料信息、尺寸、形狀公差信息、熱處理信息、表面粗糙度信息和刀具信息等。因此特征包含豐富的工程語義,它是在更高層次上對幾何形體上的凹腔、孔、槽等的集成描述。形狀特征是描述產(chǎn)品或零件的最基本特征,因此目前特征的分類也多以形狀特征為主進(jìn)行研究。特征的分類與特征的定義一樣,也是依賴于相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域及零件類型。根據(jù)制造方法不同,可分為鑄、鍛、焊、機(jī)加工和注塑成型等特征;按零件類型不同,可分為軸盤類、板塊類、箱體類、自由曲面類等特征。按照特征的復(fù)雜程度可分為簡單特征和復(fù)合特征。簡單特征為獨立的形狀結(jié)構(gòu),復(fù)合特征為簡單特征的組合結(jié)構(gòu),如周向均布孔、矩形陣列孔、同心孔等。其中工程語義信息包括3類屬性信息,即靜態(tài)信息—描述特征形狀、位置屬性數(shù)據(jù);規(guī)則和方法—確定特征功能和行為;特征關(guān)系—描述特征間相互約束關(guān)系。依據(jù)不同應(yīng)用功能,可以為特征賦予不同的工程語義信息。由于該種定義強(qiáng)調(diào)了特征的工程語義信息,既能表達(dá)設(shè)計人員的設(shè)計意圖,又具有相應(yīng)的制造加工信息,所以特征建模技術(shù)成為CAD/CAM集成的核心技術(shù)。隨著特征建模技術(shù)的發(fā)展,研究人員又提出了一系列新的概念和方法,如功能特征、結(jié)構(gòu)特征、特征識別、特征映射等,為了能對特征在整個產(chǎn)品開發(fā)過程中的本質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)化、理論化的描述,有人從廣義設(shè)計空間理論出發(fā),提出了廣義設(shè)計特征的概念,并對設(shè)計過程中的功能特征、原理特征、結(jié)構(gòu)特征和制造特征等進(jìn)行系統(tǒng)研究,建立了基于廣義設(shè)計特征的集成產(chǎn)品模型體系。特征建模技術(shù)的實現(xiàn)和發(fā)展最近幾年在基于特征的CAPP、基于特征的NC編程方面進(jìn)行了很多研究。由于設(shè)計特征與制造特征的對應(yīng)關(guān)系,在CAD設(shè)計完成后,CAPP、CAM可直接將特征設(shè)計的結(jié)果作為輸入自動生成工藝過程和NC加工程序,實現(xiàn)了具有統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫、統(tǒng)一界面的集成CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)。特征建模技術(shù)是正在研究發(fā)展中的技術(shù),至今還有很多難題有待進(jìn)一步研究。例如,特征的嚴(yán)格數(shù)學(xué)定義、特征所能勝任的零件復(fù)雜程度、特征如何體現(xiàn)零件的功能要求,以及功能特征與制造特征的映射等。產(chǎn)品建模應(yīng)用實例數(shù)字化計算機(jī)仿真數(shù)字化計算機(jī)仿真的定義、地位及作用、發(fā)展歷程、發(fā)展趨勢計算機(jī)仿真方法的基本類型計算機(jī)仿真過程仿真技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計、制造中的應(yīng)用數(shù)字化計算機(jī)仿真的定義、地位及作用、發(fā)展歷程、發(fā)展趨勢計算機(jī)仿真的定義所謂計算機(jī)仿真又稱為計算機(jī)模擬(ComputerAnalogy)或計算機(jī)實驗,就是建立系統(tǒng)(系統(tǒng)包括所有工程和非工程)的仿真模型,進(jìn)而在計算機(jī)上對該仿真模型進(jìn)行模擬實驗(仿真實驗)研究,以達(dá)到通過模擬實際系統(tǒng)的行為而認(rèn)識其本質(zhì)規(guī)律目的的過程。計算機(jī)仿真在實體尚不存在,或者不易在實體上進(jìn)行試驗的情況下,通過對考察對象進(jìn)行建模,用數(shù)學(xué)方程式表達(dá)出其物理特性,然后編制計算機(jī)程序,利用仿真模型來模仿實際系統(tǒng)所發(fā)生的運動過程并進(jìn)行試驗,在模擬環(huán)境下實現(xiàn)和預(yù)測產(chǎn)品在真實環(huán)境下的性能和特征(動態(tài)的和靜態(tài)的),通過考察對象在系統(tǒng)參數(shù)、內(nèi)外環(huán)境條件改變的情況下,其主要參數(shù)如何變化,從而達(dá)到全面了解和掌握考察對象特性的目的。計算機(jī)仿真包含從建模、施加負(fù)載和約束到預(yù)測在真實狀況下的響應(yīng)等一系列步驟。仿真技術(shù)綜合集成了計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、多媒體技術(shù)、軟件工程、信息處理、自動控制、相似原理、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù),以計算機(jī)和各種物理設(shè)備為工具,利用系統(tǒng)模型對真實的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)實驗研究的一門多學(xué)科的綜合性技術(shù)。計算機(jī)仿真主要研究數(shù)字仿真方法、仿真語言、仿真技術(shù)、仿真計算機(jī)及其應(yīng)用。仿真方法研究包括仿真算法、仿真模型的建立、仿真模型的誤差及仿真算法的選擇等;仿真語言研究和仿真的程序設(shè)計是在高級語言的基礎(chǔ)上建立起來的,近年來已有幾十種仿真語言問世;仿真技術(shù)是研究并行處理的全數(shù)字仿真技術(shù)和在模擬仿真中的尋優(yōu)技術(shù);仿真計算機(jī)則是研究仿真專用計算機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點。計算機(jī)仿真的地位及作用計算機(jī)仿真方法是一種綜合了實驗方法與理論方法兩者的優(yōu)勢,但又具備自己獨特之處的全新的研究方法,它在科學(xué)方法論體系中應(yīng)處于獨立的地位。由于其有效性、可重復(fù)性、經(jīng)濟(jì)性、安全性和保密性等優(yōu)點,計算機(jī)仿真在科學(xué)研究和產(chǎn)品開發(fā)中發(fā)揮的作用越來越大,計算機(jī)仿真規(guī)模由小到大、從局部到整體、由以實物及外場為主向以數(shù)學(xué)模型及實驗室內(nèi)仿真為主,仿真應(yīng)用由軍事領(lǐng)域普及到了國民經(jīng)濟(jì)的各個方面。任何一個學(xué)科只要理論上較完備,就可借助計算機(jī)仿真方法進(jìn)行開拓性的研究。不少學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)家利用計算機(jī)仿真方法進(jìn)行了全新的理論探索和應(yīng)用研究,取得了許多用其他方法無法得到的重大成果。作為系統(tǒng)全生命周期中各階段的重要技術(shù)手段和工具,目前正廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)及軍事的各個領(lǐng)域,并已在各類大型工業(yè)制造、運輸系統(tǒng)控制與培訓(xùn)得到了成功的運用。其作用主要表現(xiàn)為以下4個方面。①在系統(tǒng)研制過程中,借助計算機(jī)仿真方法能方便、迅速地對復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)反復(fù)進(jìn)行修改和調(diào)整;規(guī)劃、評價和研究系統(tǒng)某一部分的性能、系統(tǒng)各個部分或各個分系統(tǒng)之間的相互影響,以及它們對整體性能的影響;比較各種設(shè)計方案,從而獲得最優(yōu)系統(tǒng)設(shè)計。②對于復(fù)雜的工程系統(tǒng),用計算機(jī)仿真方法就可大大降低實驗成本等相關(guān)費用。③對于一些難度高、危險大的復(fù)雜工程系統(tǒng),進(jìn)行計算機(jī)仿真實驗?zāi)軌驕p少經(jīng)濟(jì)和政治風(fēng)險,提高成功率。④對于經(jīng)濟(jì)、軍事、社會等各種非工程復(fù)雜系統(tǒng),以真實系統(tǒng)或預(yù)設(shè)系統(tǒng)的仿真模型為依據(jù),在給定條件下運行具體仿真模型和對計算機(jī)輸出信息的分析,推演出系統(tǒng)變化趨勢,提高對實際系統(tǒng)運行狀態(tài)和變化規(guī)律的綜合評估與預(yù)測能力,為制定對策提供可靠依據(jù)。計算機(jī)仿真的發(fā)展歷程根據(jù)仿真模型類型及實現(xiàn)方式的不同,仿真技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了物理仿真、模擬仿真、混合仿真、數(shù)字仿真和進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后的智能化仿真、分布式并行處理仿真、仿真支持系統(tǒng)等從實物到計算機(jī)仿真5個階段。計算機(jī)仿真的發(fā)展趨勢計算機(jī)仿真技術(shù)正從人、計算機(jī)同研究數(shù)學(xué)映射模型為主題逐步轉(zhuǎn)向創(chuàng)建人、信息、計算機(jī)相融合的智能化、集成化、協(xié)調(diào)化高度一體的仿真環(huán)境。計算機(jī)仿真發(fā)展主要趨勢有以下8個方面。①面向?qū)ο蟮慕７椒ê蛨D形建模技術(shù)。利用計算機(jī)軟件技術(shù)提供一種可視化建模仿真環(huán)境,使復(fù)雜的建模過程得到簡化,使其接近人的自然思維方式,并且所建立的模型具有內(nèi)在的可擴(kuò)充性和可重用性,為大型復(fù)雜系統(tǒng)的仿真分析提供了方便。②在被仿真的系統(tǒng)方面,重點由對連續(xù)系統(tǒng)仿真轉(zhuǎn)向?qū)﹄x散事件系統(tǒng)仿真。③在對仿真基本框架中3個步驟(建模、仿真實驗、結(jié)果分析)的重視程度方面,由重視仿真實驗轉(zhuǎn)向重視建模和仿真結(jié)果分析。④在仿真軟件方面,由研究開發(fā)仿真語言轉(zhuǎn)向研究開發(fā)一體化仿真軟件系統(tǒng)(或稱一體化仿真環(huán)境)。⑤在仿真的對象及目的方面,由研究系統(tǒng)的動力學(xué)特性擴(kuò)展為研究系統(tǒng)的各種特性。⑥在仿真環(huán)境方面,由集中式仿真轉(zhuǎn)向分布式仿真。分布式仿真已成為計算機(jī)仿真技術(shù)的一個重要發(fā)展方向,利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將處在不同地理位置的各個部門連接起來,實現(xiàn)資源共享,達(dá)到節(jié)省人力、物力和財力的目的。⑦仿真技術(shù)與人工智能技術(shù)的結(jié)合(智能化仿真)涉及知識庫用于建模與仿真(包括利用知識庫和專家系統(tǒng)為仿真模型的建立和提供咨詢服務(wù))、仿真結(jié)果的檢驗、可信度分析等方面。⑧虛擬現(xiàn)實技術(shù)改變了計算機(jī)仿真過程中人機(jī)交流方式,使用戶可以進(jìn)入虛擬世界內(nèi)部直接觀察或感受事物內(nèi)在的變化,并可以直接參與到事物的相互作用中去成為虛擬世界中的一部分。計算機(jī)仿真方法的基本類型仿真分類方法按分類方式的不同仿真技術(shù)有多種分類方法。①按照傳統(tǒng)分類方法,仿真方法有幾何仿真方法(用實物去仿真,直接給出對象的空間形式)、物理仿真方法(給出仿真實際行為和過程)、數(shù)學(xué)仿真方法(用數(shù)學(xué)關(guān)系來研究問題)、功能仿真方法(用示意框圖、符號圖示、公式、方程式來研究問題)、邏輯仿真方法(人們思考和處理問題的一種規(guī)律)、思維仿真方法(一種推測性、聯(lián)想性、知識再現(xiàn)性、輸出對輸入做出響應(yīng)的方法)。②按模型類型分類,有連續(xù)系統(tǒng)仿真、離散系統(tǒng)仿真、連續(xù)/離散混合系統(tǒng)仿真、定性系統(tǒng)仿真。連續(xù)系統(tǒng)仿真的系統(tǒng)狀態(tài)變量隨時間連續(xù)變化,能用一組方程式來描述;離散事件系統(tǒng)仿真的系統(tǒng)狀態(tài)只在一些時間點上由于某種隨機(jī)事件的驅(qū)動而發(fā)生變化,在兩個事件之間狀態(tài)變量保持不變,其數(shù)學(xué)模型一般很難用數(shù)學(xué)方程來描述,通常是用流程圖和網(wǎng)絡(luò)圖來描述。③按模型在空間分布形式,有集中式仿真、分布式仿真。④按所用計算機(jī)類型分類,由于電子計算機(jī)分為模擬計算機(jī)、數(shù)字計算機(jī)、混合計算機(jī)和全數(shù)字并行處理計算機(jī),因而相應(yīng)就存在模擬計算機(jī)仿真方法、數(shù)字計算機(jī)仿真方法、混合計算機(jī)仿真方法和全數(shù)字并行計算機(jī)仿真方法等四大類仿真方法。⑤按仿真運行時間與系統(tǒng)真實運行時間的比例關(guān)系,有實時仿真、超時仿真、欠時仿真。⑥按被仿真對象的性質(zhì),有工程系統(tǒng)仿真、非工程系統(tǒng)仿真。⑦按模型的實現(xiàn)方式和手段,有硬件在回路中仿真或半實物仿真、計算機(jī)仿真、人在回路中仿真。半實物仿真把數(shù)學(xué)模型與物理模型及實物聯(lián)合在一起進(jìn)行試驗,也稱為數(shù)學(xué)-物理仿真。模擬計算機(jī)仿真方法(模擬仿真方法)模擬仿真使用的工具是模擬計算機(jī)。模擬計算機(jī)仿真是一種建立在不同物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型相似基礎(chǔ)上的仿真方法,是以實際系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與模擬計算機(jī)中具有模型特征的典型硬件電路間的相似性為基礎(chǔ)的。實際系統(tǒng)中的各種物理量,如速度、距離、角度、重量等都可用按一定比例變換后的電壓來表示;而硬件電路由各種基本運算部件,如加法器、乘法器、比例器、積分器、函數(shù)器等組成,其輸入、輸出均是電壓,不同的電壓值代表數(shù)學(xué)方程中的不同變量(通常以10V或100V作為機(jī)器變量的滿標(biāo)度),通過將這些基本計算部件連接起來就能完成較復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算。根據(jù)相似原理,實際系統(tǒng)中某一物理量隨時間變化的動態(tài)關(guān)系和模擬計算機(jī)上與該物理量對應(yīng)的電壓隨時間的變化關(guān)系是相似的,因此實際系統(tǒng)的數(shù)學(xué)方程和模擬計算機(jī)上的解題方程存在相似關(guān)系。由于模擬計算機(jī)能快速地解算常微分方程,若設(shè)法用微分方程、代數(shù)方程或邏輯方程建立描述實際系統(tǒng)特性的連續(xù)時間,那么就可以在模擬計算機(jī)上進(jìn)行仿真實驗。編制模擬計算機(jī)的運算程序與編制數(shù)字計算機(jī)的程序完全不同,它是設(shè)計模擬運算部件的連接框圖。模擬計算機(jī)由于其硬件上的特殊性,是一種并行運算裝置,所有運算部件都在同一時間進(jìn)行運算,因而模擬計算機(jī)仿真具有運算速度快,當(dāng)參數(shù)變化時容易掌握解的變化,仿真時間標(biāo)尺可任意設(shè)定,易于和實物相連構(gòu)成仿真器等優(yōu)點。但是,模擬計算機(jī)仿真同樣存在運算精度較低的問題,如在處理多變量或非線性較強(qiáng)的場合的對于偏微分方程難以求得高精度的解,邏輯控制功能較差，自動化程度也較低。數(shù)字計算機(jī)仿真方法(數(shù)字仿真方法)數(shù)字仿真使用的工具是通用數(shù)字計算機(jī)。20世紀(jì)60年代后,數(shù)字計算機(jī)逐漸取代早期采用的模擬計算機(jī),成為主要仿真工具。它把數(shù)學(xué)模型當(dāng)作數(shù)字計算問題,用求解的方法進(jìn)行處理。隨著數(shù)值分析及軟件的發(fā)展,數(shù)字仿真領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,數(shù)字式仿真幾乎可以應(yīng)用于如系統(tǒng)動力學(xué)問題、系統(tǒng)中的排隊、管理決策問題等所有工程和非工程領(lǐng)域。數(shù)字仿真模型的建立與模擬仿真有很大不同,數(shù)字仿真不是建立在數(shù)學(xué)模型相似的基礎(chǔ)上,而是建立在離散數(shù)值計算的基礎(chǔ)上。數(shù)字計算機(jī)的運算對象是二進(jìn)制數(shù)碼,因而機(jī)器變量表現(xiàn)為離散的形式,為了使數(shù)字計算機(jī)能夠識別,必須將連續(xù)的數(shù)學(xué)運算轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)值計算。另外,數(shù)字計算機(jī)仿真需要選擇合適的數(shù)值計算公式,研究各種仿真算法,以實現(xiàn)系統(tǒng)模型的離散化和建立仿真模型,然后再運用適當(dāng)?shù)乃惴ㄕZ言編制仿真程序。近年來已經(jīng)開發(fā)出的大量數(shù)字仿真軟件包,大大地提高了數(shù)字計算機(jī)仿真的自動化程度。數(shù)字仿真具有運算精度高、邏輯判斷功能強(qiáng)、使用方便靈活(系統(tǒng)參數(shù)可隨意調(diào)整)等優(yōu)點。但是,數(shù)字仿真同樣存在計算速度不如模擬式仿真,對復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)難以實現(xiàn)實時仿真,進(jìn)行實物或半實物仿真時需配備模/數(shù)(A/D)、數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換裝置等不足之處?；旌嫌嬎銠C(jī)仿真方法(混合仿真方法)混合仿真使用的工具是混合計算機(jī)?；旌嫌嬎銠C(jī)是由模擬計算機(jī)、數(shù)字計算機(jī)及專用的混合接口(A/D、D/A轉(zhuǎn)換裝置)組成的計算機(jī)系統(tǒng),兼有模擬計算機(jī)的快速性及數(shù)字計算機(jī)的靈活性?；旌嫌嬎銠C(jī)仿真將模擬仿真與數(shù)字仿真的優(yōu)點結(jié)合起來,可充分發(fā)揮模擬計算機(jī)和數(shù)字計算機(jī)兩者各自的長處(即模擬計算機(jī)的高速處理能力)及數(shù)字計算機(jī)的高精度、高存儲及強(qiáng)邏輯功能。它不僅能解決系統(tǒng)動力學(xué)、管理決策等問題,還能解決解偏微分方程和求最優(yōu)值的問題。由于混合仿真可充分發(fā)揮模擬仿真和數(shù)字仿真各自的優(yōu)勢,所以提高了處理復(fù)雜工程系統(tǒng)仿真時的能力,可用于處理復(fù)雜、快速系統(tǒng)的實時仿真問題。但是,由于混合計算機(jī)硬件構(gòu)造上的特點,其所用的硬件、軟件與數(shù)字計算機(jī)相比要復(fù)雜得多,并且造價高昂,因此僅僅應(yīng)用于航空、航天等少數(shù)領(lǐng)域,難以在民用部門推廣。全數(shù)字并行計算機(jī)仿真方法(并行仿真方法)并行仿真使用的工具是全數(shù)字并行計算機(jī)。并行仿真就是利用并行計算機(jī)系統(tǒng)在多臺處理機(jī)上對同一復(fù)雜模型進(jìn)行并行求解,以便大大縮短仿真運行時間,或者實現(xiàn)對該系統(tǒng)的實時求解與控制。并行計算機(jī)系統(tǒng)通過利用多個計算機(jī)資源去完成某個單一的作業(yè)(即并行處理),以獲得很快的處理速度。并行計算機(jī)的結(jié)構(gòu)若從資源開發(fā)的角度可分為空間并行處理和時間并行處理兩大類。空間并行處理又分為陣列處理(單指令多數(shù)據(jù)流—SIMD系統(tǒng))和功能并行處理(多指令多數(shù)據(jù)流—MIMD系統(tǒng))。時間并行處理主要指流水線處理(多指令單數(shù)據(jù)流—MISD系統(tǒng))。并行仿真不管是在專用仿真計算機(jī)或是通用陣列計算機(jī)上實施,都需要解決諸如設(shè)計實用可靠的并行仿真算法,計算任務(wù)在各臺處理機(jī)上的合理分配,各處理機(jī)間的通信方式,并行仿真算法在并行計算機(jī)上的實現(xiàn)等問題。并行仿真的最大優(yōu)點是其極快的處理速度,因而適用于特大型復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)的實時仿真。但是,目前并行處理系統(tǒng)在硬件與軟件的設(shè)計和實現(xiàn)上都存在一些問題,并行仿真硬件與軟件還難以實現(xiàn)最佳匹配,這都使得并行計算機(jī)的優(yōu)勢難以得到充分發(fā)揮。計算機(jī)仿真過程無論哪種類型的仿真都是以系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的,在一定假設(shè)條件下進(jìn)行的信息處理過程,是在仿真基礎(chǔ)上進(jìn)行的實驗研究的過程。計算機(jī)仿真包括系統(tǒng)、模型和計算機(jī)3個要素。對于不同類型的計算機(jī)仿真方法,計算機(jī)仿真的具體內(nèi)容區(qū)別很大。計算機(jī)仿真包括“系統(tǒng)模型和仿真模型的建立、仿真實驗、分析”這3個基本部分,包括從建模到實驗再到分析的全過程。仿真技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計、制造中的應(yīng)用仿真技術(shù)是世界發(fā)達(dá)國家十分重視的一門高新技術(shù),廣泛應(yīng)用于航空、導(dǎo)彈、原子彈、宇航等控制系統(tǒng)。宇航工業(yè)中著名的“阿波羅”登月仿真系統(tǒng)包括混合計算機(jī)、運動仿真器、月球仿真器、駕駛艙、視景系統(tǒng)等,可實現(xiàn)在計算機(jī)上預(yù)先對登月計劃進(jìn)行分析、設(shè)計與檢驗,同時還可對宇航員進(jìn)行仿真操作訓(xùn)練(共進(jìn)行五年),從而降低了實際登月的風(fēng)險系數(shù)。仿真技術(shù)與可視化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等相結(jié)合,在機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計、制造中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下4個方面。①物理力學(xué)仿真。②幾何仿真。③加工過程仿真。④工作過程仿真。有限元分析基礎(chǔ)有限元法概述有限元法的計算步驟有限元分析的優(yōu)化設(shè)計有限元分析應(yīng)用實例有限元法概述有限元分析技術(shù)是最重要的工程分析技術(shù)之一。它廣泛應(yīng)用于彈塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)、流體力學(xué)、熱傳導(dǎo)等領(lǐng)域。有限元法是20世紀(jì)60年代以來發(fā)展起來的新的數(shù)值計算方法,是計算機(jī)時代的產(chǎn)物。雖然有限元的概念早在20世紀(jì)40年代就有人提出,但由于當(dāng)時計算機(jī)尚未出現(xiàn),它并未受到人們的重視。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,有限元法在各個工程領(lǐng)域中不斷得到廣泛應(yīng)用,現(xiàn)已遍及宇航、核研究、機(jī)電、化工、建筑、海洋等工業(yè),是機(jī)械產(chǎn)品動、靜、熱特性分析的重要手段。早在20世紀(jì)70年代初期就有人給出結(jié)論:有限元法在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用,使機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計產(chǎn)生革命性的變化,理論設(shè)計代替了經(jīng)驗類比設(shè)計。目前,有限元法仍在不斷發(fā)展,理論上不斷完善,各種有限元分析程序包的功能越來越強(qiáng)大,使用越來越方便。有限元法的基本思想是將結(jié)構(gòu)離散化,用有限個容易分析的單元來表示復(fù)雜的對象,單元之間通過有限個節(jié)點相互連接,然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件綜合求解。由于單元的數(shù)目和節(jié)點的數(shù)目是有限的,所以稱為有限元法。這種方法靈活性很大,只要改變單元的數(shù)目,就可以使解的精確度改變,得到與真實情況無限接近的解。有限元法的基本理論要用到數(shù)學(xué)、力學(xué)方面的各種知識。對于一個應(yīng)用工程師來說,他的目的是應(yīng)用有限元法去求解各種工程問題,目前市場上各種功能強(qiáng)大的有限元程序包很多,這些程序包使用方便,也不需要對有限元法進(jìn)行很深入的了解,即可應(yīng)用這些程序求解工程問題。因此,對于一般的工程技術(shù)人員來說,只需要花很少的時間了解一些有限元的基本知識即可,不需要對它的理論背景做更深入的研究。有限元法的計算步驟有限元法的計算步驟在采用有限元法(線彈性)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計算時,通常采用如下步驟。①結(jié)構(gòu)離散化結(jié)構(gòu)離散化是把實際結(jié)構(gòu)劃分為有限個單元的集合體,相鄰單元之間只在節(jié)點處互相連接在一起,傳遞力和位移,使力學(xué)模型變成離散模型。依據(jù)結(jié)構(gòu)本身形狀和受力情況的不同采用的單元類型也不同。常用的有桿單元、梁單元、板殼單元、體單元等。單元劃分的疏密主要依據(jù)精度要求和計算機(jī)容量及其計算費用來確定。通常在應(yīng)力集中的部位及應(yīng)力變化比較劇烈的地方,單元宜劃分得密一些,單元的大小要逐步過渡。②單元分析所謂單元分析,就是建立各個單元的節(jié)點位移和節(jié)點力之間的關(guān)系式,即導(dǎo)出單元剛度矩陣。單元分析具體有以下步驟。構(gòu)造單元位移模式。描述單元中各點位移變化規(guī)律的函數(shù)稱為位移模式或位移函數(shù)。一般彈性體受力變形后的內(nèi)部各點位移變化情況是很復(fù)雜的,但是,在小單元的區(qū)域內(nèi),可以假設(shè)位