數字工廠及其應用技術課件

1、2022/9/141數字工廠及其應用技術 22022/9/14課程簡介 數字化制造技術作為先進制造技術的重要發(fā)展方向，已經成為國內外先進制造技術研究的熱點，數字化工廠是數字化制造中關鍵環(huán)節(jié)之一，數字化工廠技術最主要解決產品設計和產品制造之間的鴻溝，降低設計到生產制造之間的不確定性，在數字空間中將生產制造過程壓縮和提前，使生產制造過程在數字空間中得以檢驗，從而提高系統的成功率和可靠性，縮短從設計到生產的轉化時間。32022/9/14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字制造技術的發(fā)展、數字化工廠技術的概念與理論；數字制造建模理論；

2、支持數字工廠的虛擬現實與優(yōu)化仿真技術、工廠布局與規(guī)劃技術、生產規(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。 42022/9/14考核形式平時作業(yè)綜述性的研究報告52022/9/14仿真與優(yōu)化2 1 34虛擬制造技術 數字制造的建模理論緒論56數字化工廠支撐技術數字化工廠理論7數字化工廠應用技術課程體系72022/9/14制造技術是當代科學技術發(fā)展最為活躍的領域，是產品更新、生產發(fā)展、國際間技術競爭的重要手段；制造業(yè)是國民經濟最重要的支柱產業(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)是我國國民經濟的核心和工業(yè)

3、化的原動力，我國制造業(yè)總產值約占全國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82022/9/14 制造業(yè)生產規(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102022/9/14 特點如下：2.知識經濟條件下以社會、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 工藝設計由經驗走向定量分析 信息技術、管理技術與工

4、藝技術緊密結合第一章 緒論112022/9/143. 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 （2）打破傳統經營的組織、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) 全新制造工藝及產品的開發(fā)第一章 緒論122022/9/14多軸聯動，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

5、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142022/9/14GE90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及數以萬計的零件第一章 緒論152022/9/14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172022/9/14航空發(fā)動機研究和發(fā)展特點：費用高

6、：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182022/9/14產業(yè)革命（標志技術）經濟模式前期工業(yè)經濟時代發(fā)達工業(yè)經濟時代知識工業(yè)經濟時代主要生產模式主要生產要素生產過程生產特征關鍵技術對產品要求企業(yè)注重企業(yè)管理強調與資源的關系與環(huán)境的關系第一次產業(yè)革命（蒸汽機）第二次產業(yè)革命（電力）規(guī)模經濟規(guī)模生產勞動力流水線、可互換式制造機械化單元技術批量大數量集中利用資源破壞環(huán)境第三次產業(yè)革

7、命（原子能）速度經濟集成生產資本自動線、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)境高新技術產業(yè)革命（信息技術）知識經濟集約生產知識并行工程、分布式網絡智能制造數字化、網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）協同、人的創(chuàng)新作用更新資源保護環(huán)境、美化環(huán)境192022/9/1420-60年代：生產規(guī)模剛性生產線：大量生產70年代：生產成本精良生產、準時生產制80年代：產品質量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)新新經濟、全球化網絡化制造202022/9/14現代制造的特征（1）先進制造技術是多學科的融

8、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、數字工廠212022/9/14現代制造的特征先進制造技術是多學科的融合傳統制造業(yè)網絡信息技術智能理論控制論企業(yè)管理信息論現代制造理論體系計算機集成制造、智能制造、敏捷制造、網絡化制造222022/9/14現代制造的特征先進制造是覆蓋產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242022/9/14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。通過29100個環(huán)球的網絡終端，使分布在世界各地的

9、設計人員、供應商均可根據級別進入相應的設計系統，修改數據可即時傳送效率和準確率大大提高。 （1）網絡協同化：制造業(yè)信息化技術支撐產業(yè)鏈、企業(yè)間的國際化協作和全球資源優(yōu)化配置，實現集團企業(yè)與供應商、經銷商和服務商的信息流、業(yè)務流的集成。252022/9/14福特公司C3P計劃強調使用單一的核心系統和產品數據模型，實現設計制造集成。集成環(huán)境C3P，使得產品數據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)和系統定制，將PDM向PLM延伸并實現與ERP系統的有機融合，提供汽車全生命周期的集成平臺。（2）系統集成化：制造業(yè)信息化技術促進企

10、業(yè)內部的數據、資源的集成，實現企業(yè)內部數字化設計、制造與管理的互連互通，支撐企業(yè)核心競爭力的提升。272022/9/14現代制造的特征新的制造理念與發(fā)展傳統制造技術向高精度、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282022/9/14數字制造的概念和發(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

11、，將原材料轉化為產品的過程原材料能量設備產品廢物回收處理信息人與環(huán)境292022/9/14數字制造的概念和發(fā)展隨著信息技術和計算機網絡技術的發(fā)展，世界正經歷一場網絡化革命網絡化、數字化、全球化、知識化和服務化是制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)數字化已成為制造業(yè)中產品全生命周期不可缺少的驅動因素。制造業(yè)由傳統的能量驅動型逐步轉為數字信息驅動型未來的制造業(yè)將成為一種信息產業(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302022/9/14數字制造的概念和發(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312022/9/14數字制造的概念和發(fā)展信息在

12、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322022/9/14數字制造的概念和發(fā)展信息在制造過程中的作用人類大腦數字指令控制器對象感官器官環(huán)境計算機時代-數字控制時代執(zhí)行器傳感器332022/9/14數字制造的概念和發(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342022/9/14數字制造的概念和發(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/IPXML352022/9/14362022/9/14數字制造的概念和發(fā)展波音777是世界上第一個采用全數字化定義

13、和無紙化生產的大型飛機依據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IBM RISC6000工作站和9000多臺PC，建立了由8臺主機聯網的并行工程環(huán)境，支持238小組進行產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%372022/9/14數字制造的概念數據是未經過組織的數字、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據；知識是用于生產的信息，信息是知識的基石，信息經過加工處理、應用與生產，才能轉變成知識；數字是用于表示事物以及事物之間的聯系符號，信息的載體，而信息是數字的內涵

14、；企業(yè)信息化就是將數據、信息和知識高效地存儲管理起來，并完成從數據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；382022/9/14數字制造的定義數字制造是用數字化定量、表述、存儲、處理和控制方法，支持產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，以數字化建模仿真與優(yōu)化為特征；它是在虛擬現實、計算機網絡、快速原型、數據庫等技術支撐下，根據用戶的需求，對產品信息、工藝信息和資源信息進行分析、規(guī)劃和重組，實現對產品設計和功能的仿真以及原型制造，進而快速生產出達到用戶要求性能的產品的整個制造過程。微觀過程數字化：制造工藝過程知識的獲取以及進行制造工藝自

15、主設計和優(yōu)化控制宏觀過程數字化：生產系統的布局設計與實際優(yōu)化運作的數字化392022/9/14數字制造的概念輪圖402022/9/14三種數字制造觀以制造為中心的數字制造觀來源于數字控制技術與數控機床是數字制造的基礎；多臺數控機床和工業(yè)機器人協同工作，形成柔性制造單元，若干柔性制造單元形成柔性制造系統，以數字量 實現加工過程的物料流、加工流和控制流的表征、存儲和控制通過網絡技術將每臺設備作為一個節(jié)點實現一個車間或多個車間的生產過程自動化412022/9/14三種數字制造觀以設計為中心的數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，產生了以數據庫為核心，以交互式圖形系統為手段，以工

16、程分析計算為主體的計算機輔助設計系統（CAD）；將CAD的產品設計信息轉換為產品制造、工藝規(guī)則信息，進一步形成面向產品設計、制造、工藝、管理、成本核算等所有信息數字化；計算機網絡技術的高速發(fā)展形成了支持異地協同跨平臺、區(qū)域的群體智能協作422022/9/14三種數字制造觀以管理為中心的數字制造觀根據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)的生產和經營狀況，預測企業(yè)的未來和現階段的運行狀況；出現了能夠覆蓋整個企業(yè)從產品的市場需求、研發(fā)、設計、制造、銷售、服務、維護等生命周期中信息的產品數據管理系統，從而實現以產品和供應鏈為核心的過程集成；形成了以ERP

17、為中心的MRP/PDM/MIS/ERP等技術集成432022/9/14數字制造技術內涵數字制造宏觀數字制造微觀數字制造制造資源、環(huán)境、服務等數字化生產系統布局設計與實際優(yōu)化運作產品營銷、維修、使用等數字化決策支持系統QFD、CAD、DFX、VM、RP、CAE、CAM、CAPPNC、MC、CNC、FMC、FMS、基于Web制造、無紙化制造、遠程協同最終產品數字制造信息支持技術：IGES、STEP、MRP、MIS、PDM。442022/9/14決策支持數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字制造數字制造的概念體系標準化數據庫建模仿真知識管理監(jiān)控調度通信網絡信息網絡技術數字裝備制造工藝

18、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452022/9/14數字制造關鍵技術1.數字制造技術標準及實施規(guī)范2.制造信息學3.數字制造建模與仿真工具4.網絡化制造5.數字裝備6.數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462022/9/14產品數字化過程數字化資源數字化實際數字化制造過程體系制造活動數字樣機建模體系數字樣機虛擬試驗和制造體系數字化工廠與數字化制造系統擴展企業(yè)單獨企業(yè)數字車間數字制造單元設計方法學產品數字模型試驗建模VR方法管理數字化裝備數字化服務數字化472022/9/14HeadquartersCustomerEquipmen

19、t ProviderWarehouse/DistributionFactorySupplierCustomerCustomerWarehouse/DistributionWarehouse/DistributionMachine ProviderSupplierSupplierSupplierSupplierFactoryFactoryFactoryDesignCentreDesignCentreDesignCentredistributed transaction and informationmanagementmaterial flow mains pipelineeffective s

20、upply network482022/9/14 40年代 50年代 60年代 70年代 80年代 90年代 00年代 STEP產品數據交換標準敏捷制造CIMS虛擬制造設計方法學并行工程網絡化制造虛擬現實與高性能計算Internet/WWW/XML專家系統FMS網絡化CAD/CAMCAD/CAMCAPPCAMIGESCAD自由曲面計算機圖形學有限元分析數控技術APT計算機綠色制造服務型制造492022/9/14以數字制造為基礎的先進制造技術數字制造的全球實現網絡化制造數字制造的動態(tài)聯盟敏捷制造數字制造的計算機實現虛擬制造數字制造的快速實現快速原型制造數字制造的集成模型計算機集成制造數字制造的環(huán)

21、保實現綠色制造數字制造的服務化服務型制造502022/9/14Manufacturing Cell1Manufacturing Cell nOEM 1OEM mInternet 網Customer 1Customer pSystem portalClient expertTechnology supportNetworked manufacturer在網絡化制造系統下，需要有客戶、供應商、網絡化制造集成者、技術專家等的共同參與。他們借助于網絡化制造的門戶網站進行異地網絡化制造系統的組建、管理、合作協調等。網絡化制造512022/9/14設備人員成本質量服務一定的產品開發(fā)能力產品的數據管理生產技

22、術準備生產計劃與調度成本核算質量管理設備工作情況運行數據采集CADCAPPCAM辦公自動化制造資源仿真虛擬現實技術過程仿真合作伙伴選擇聯盟組建項目流程管理招/投標機制合作與協同任務管理用戶管理供應商管理評價機制網絡和通信技術網絡數據庫網絡安全電子郵件/白板虛擬遙現客戶 1客戶 n供應商 1供應商 m網絡化制造者Internet 網522022/9/14外購零件外購零件外協零件外協零件自制零件自制零件外購部件外購部件外協部件外協部件自制部件自制部件產品自裝配產品自裝配產品外協裝配產品外協裝配或關系或關系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e-責任工廠1e-責任工廠1外購零件