现代设计技术与先进生产系统培训(共77页).ppt

1、水利工程启闭机水利工程启闭机何小新何小新 博士博士地地 址：武汉武昌东湖南路址：武汉武昌东湖南路8号号 武汉大学武汉大学 E-mail: 现代设计技术及先进生产系统现代设计技术及先进生产系统 本章介绍几种有助于提高水利机械产品本章介绍几种有助于提高水利机械产品质量的现代设计方法和手段，包括虚拟样机质量的现代设计方法和手段，包括虚拟样机技术和机械产品快速设计平台，同时还介绍技术和机械产品快速设计平台，同时还介绍有关的先进生产系统，使技术人员了解现代有关的先进生产系统，使技术人员了解现代设计与先进制造技术方面的相关知识，以便设计与先进制造技术方面的相关知识，以便在实际生产中推广与应用。在实际生产中

2、推广与应用。主要内容 一 虚拟样机技术 二 快速设计平台及其在起闭机设计中的应用 三 生产系统管理 四 生产率管理与工业工程 第一节 虚拟样机技术 传统的产品开发通常分为传统的产品开发通常分为 4个阶段：个阶段： 产品设计、产品设计、 试验、试验、 制造样机、制造样机、 产品生产。产品生产。 (1)产品设计阶段，包括方案设计、结构设计和零产品设计阶段，包括方案设计、结构设计和零部件设计；部件设计； (2)实验室试验阶段，主要是对关键零部件的工作实验室试验阶段，主要是对关键零部件的工作进行探索性的研究；进行探索性的研究； (3)制造物理样机阶段，主要是根据设计做出物理制造物理样机阶段，主要是根据

3、设计做出物理样机，以检验设计的合理性；样机，以检验设计的合理性； (4)产品生产阶段。产品生产阶段。 传统的产品开发周期长，消耗大，本钱高，有明传统的产品开发周期长，消耗大，本钱高，有明显的局限性，不能适应现代化制造业中要求柔性显的局限性，不能适应现代化制造业中要求柔性化、快捷及高质量的要求。化、快捷及高质量的要求。 为从根本上改变这种局面，近年来在产品开为从根本上改变这种局面，近年来在产品开发中出现了一个新的研究领域发中出现了一个新的研究领域-虚拟样机技虚拟样机技术术 (virtual prototype technology)。 虚拟样机的设计方法同传统的设计方法相比虚拟样机的设计方法同传

4、统的设计方法相比具有显著特点：具有显著特点： 在设计早期确定关键的设计参数、在设计早期确定关键的设计参数、 更新产品开发过程、更新产品开发过程、 缩短开发周期、缩短开发周期、 降低本钱、提高产品质量。降低本钱、提高产品质量。 国内外对虚拟样机技术进行了广泛的研究和国内外对虚拟样机技术进行了广泛的研究和探讨探讨 如波音如波音777， 空中客车空中客车 北京航空航天大学的北京航空航天大学的BH4灵巧手的设计。灵巧手的设计。 一、虚拟样机概述 虚拟样机(virtual prototype，简称VP) 。 VP利用软件建立机械系统的三维实体模型和力学模型，分析和评估系统的性能，从而为物理样机的设计和制

5、造提供参数依据。 虚拟样机技术 一种基于智能设计技术、并行工程、仿真工程及网络技术的先进制造技术，它以计算机仿真和建模技术为支持，利用虚拟产品模型，在产品实际加工之前对产品的性能、行为、功能和产品的可制造性进行预测，从而对设计方案进行评估和优化，以到达产品生产的最优目标。 虚拟样机技术作为一项工程分析和预测技术，目前虚拟样机技术作为一项工程分析和预测技术，目前日益显示出强大的生命力，其应用范围已经超越了日益显示出强大的生命力，其应用范围已经超越了国家、地区和行业的界限，在航空、航天、车辆等国家、地区和行业的界限，在航空、航天、车辆等机械领域已经有了广泛的应用，如机械领域已经有了广泛的应用，如

6、美军研制美军研制F22第四代战斗机的虚拟样机与风洞试验第四代战斗机的虚拟样机与风洞试验的经费比是的经费比是6：4 ，充分说明了虚拟样机技术的重，充分说明了虚拟样机技术的重要性。要性。 另外美国航空航天局的喷气推进实验室成功地实现另外美国航空航天局的喷气推进实验室成功地实现了火星探测器探路号在火星上的软着陆。在探测器了火星探测器探路号在火星上的软着陆。在探测器发射之前，工程师运用虚拟样机技术预测到探测器发射之前，工程师运用虚拟样机技术预测到探测器可能在着陆时滚翻。针对这个问题，工程师们修改可能在着陆时滚翻。针对这个问题，工程师们修改了技术方案，保证了火星登陆方案的顺利完成。了技术方案，保证了火星

7、登陆方案的顺利完成。 二、虚拟样机技术的根底 1、智能设计技术。 技术的出现是产品设计历史上的一个里程碑，它在很大程度上缩短了产品设计的周期，减少了设计人员的工作量。 但现有的技术注重于外形细节设计行为，却忽略了产品概念信息的描述。实际上，设计人员总是先考虑产品的功能，然后才设计出产品的外形。 由于虚拟样机技术对概念设计的要求，智能设计技术需要将用于概念设计的分析工具 (如有限元分析、快速原型等 )、计算机辅助概念设计和技术有机地集成起来，支持产品几何定形前的功能规划和计算。 2、并行工程。、并行工程。 并行工程是集成各种技术，并行设计产品及并行工程是集成各种技术，并行设计产品及相关过程的一种

8、系统方法，同步实现设计、相关过程的一种系统方法，同步实现设计、分析评估、制造、装配、核算和管理。分析评估、制造、装配、核算和管理。 它要求产品开发人员从一开始就考虑到产品它要求产品开发人员从一开始就考虑到产品整个生命周期的所有因素整个生命周期的所有因素 (质量、本钱、工质量、本钱、工艺、结构、性能等艺、结构、性能等 ),且要求实现计算机网络且要求实现计算机网络环境下的协同工作。环境下的协同工作。 要实现同步的目标，其实质就是整个工作都要实现同步的目标，其实质就是整个工作都要在一个共享的数据库下进行信息交互。要在一个共享的数据库下进行信息交互。 3、仿真工程。、仿真工程。 对于虚拟样机系统来说，

9、必须有一套能有效对于虚拟样机系统来说，必须有一套能有效支持可制造性分析的产品、工艺和生产系统支持可制造性分析的产品、工艺和生产系统模型。模型。 产品模型必须能够管理与制造加工有关的数产品模型必须能够管理与制造加工有关的数据据 (如形位公差等如形位公差等 ); 工艺模型包括统计分析、计算机工艺仿真、工艺模型包括统计分析、计算机工艺仿真、制造数据库和制造规那么库等；制造数据库和制造规那么库等； 生产系统模型包括系统生产能力和生产特性生产系统模型包括系统生产能力和生产特性的描述及系统动态行为和状态的描述。的描述及系统动态行为和状态的描述。 虚拟样机系统需要对上述模型进行数字化仿虚拟样机系统需要对上述

10、模型进行数字化仿真和可视化，以对产品设计、工艺设计进行真和可视化，以对产品设计、工艺设计进行评估和优化。评估和优化。 4、网络技术。、网络技术。 在网络上进行分布式设计与制造是虚拟企业在网络上进行分布式设计与制造是虚拟企业的生产方式。利用分布式设计与制造，可以的生产方式。利用分布式设计与制造，可以实时地决定合作厂家，实现异地产品设计和实时地决定合作厂家，实现异地产品设计和制造，不仅节约了时间，而且由于分布节点制造，不仅节约了时间，而且由于分布节点之间的关系建立在一种全面合作和开放式体之间的关系建立在一种全面合作和开放式体系的根底上，所以有利于设计、规划和处理系的根底上，所以有利于设计、规划和处

11、理问题。问题。 以上技术仍处于开展、完善之中，相比之下，以上技术仍处于开展、完善之中，相比之下，支持虚拟样机技术所需的硬件较软件更为成支持虚拟样机技术所需的硬件较软件更为成熟。熟。 三、制造虚拟样机的根本过程 制造虚拟样机的过程就是上述各种先进技术相互支持、相互融合的过程 机械系统虚拟样机建立的步骤如图5-1所示。确定研究目标实体模型建立输入试验数据外挂程序编制程序验证？实验设计虚拟样机成功是是模型再验证？否否否仿真研究？模型寻优系统描述是图图5-1 虚拟样机的建立步虚拟样机的建立步骤骤否样机雏型验证？ 首先是进行机械设计，建立实体模型虚拟首先是进行机械设计，建立实体模型虚拟样机。设计的原始数

12、据来自设计要求、应样机。设计的原始数据来自设计要求、应改进的缺陷、干预尺寸、装配环境等。改进的缺陷、干预尺寸、装配环境等。 在设计的早期阶段，要求设计师给定全约束、在设计的早期阶段，要求设计师给定全约束、全尺寸是不可能、不现实的，重要的是建立全尺寸是不可能、不现实的，重要的是建立一些方程和规那么，以表达一些最重要的工一些方程和规那么，以表达一些最重要的工程数据，使零件在设计准那么下可自动修改。程数据，使零件在设计准那么下可自动修改。 在完整、平安的网络环境下，设计小组成员在完整、平安的网络环境下，设计小组成员不必操心数据的完整性，他们能够共享数据，不必操心数据的完整性，他们能够共享数据，并能主

13、动控制修改和更新。并能主动控制修改和更新。 最后是对最终的设计产品进行仿真。仿真能最后是对最终的设计产品进行仿真。仿真能预测产品在实际环境中的性能，它包含了一预测产品在实际环境中的性能，它包含了一系列步骤，从力学分析、建模、施加负载和系列步骤，从力学分析、建模、施加负载和约束，到预测其在真实工况下的响应。约束，到预测其在真实工况下的响应。 仿真的真正用意不是得到几个数据，而是评仿真的真正用意不是得到几个数据，而是评估产品的性能和优化产品的结构，进而指导估产品的性能和优化产品的结构，进而指导设计，改进设计。设计，改进设计。 在产品设计和仿真阶段，需要使用一些应用在产品设计和仿真阶段，需要使用一些

14、应用软件软件(如三维产品设计软件、有限元分析软件如三维产品设计软件、有限元分析软件等等 )。根据设计尺寸并利用这些软件，便可。根据设计尺寸并利用这些软件，便可以在计算机上构造产品的虚拟样机，为最终以在计算机上构造产品的虚拟样机，为最终投产做好准备。投产做好准备。 四、ADAMS软件概述 ADAMS Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems 机械系统动力学自动化分析软件包 由美国机械动力公司开发的。 世界上第一个具有仿真整个机械系统工作性能的大型仿真分析系统，可以建立机械系统的虚拟样机 采用比较先进的计算方法，大大缩短了计算时间，其精确度也

15、相当高 被广泛应用于机械设计的各个领域。 ADAMS是集实体建模、结构参数优化、动态编辑是集实体建模、结构参数优化、动态编辑于一体的机构仿真软件。于一体的机构仿真软件。 提供了图形菜单和文本菜单驱动，模型建立方便，操作提供了图形菜单和文本菜单驱动，模型建立方便，操作一目了然；一目了然； 提供了提供了IGES接口，方便了与其它接口，方便了与其它CAD软件的数据交换，软件的数据交换，便于简化建立模型工作；便于简化建立模型工作； 提供了提供了FEA接口，可与接口，可与Msc/Nastran等有限元软件进行数等有限元软件进行数据交换，使得物体大变形分析与刚体分析融于一体，有据交换，使得物体大变形分析与

16、刚体分析融于一体，有利于将复杂的模型抽象化，更逼近地反映真实样车。利于将复杂的模型抽象化，更逼近地反映真实样车。 提供了丰富的内嵌函数和与提供了丰富的内嵌函数和与C语言语言/FORTRAN语言的接语言的接口，使用户能够应用数学公式精确地表达出模型，大大口，使用户能够应用数学公式精确地表达出模型，大大地提高了分析结果的可靠性和真实性。地提高了分析结果的可靠性和真实性。 整个实现过程是：整个实现过程是： 首先，通过首先，通过CAD软件，根据总体参数进行结构设软件，根据总体参数进行结构设计和几何建模。计和几何建模。 然后，根据几何模型建立有限元模型，然后通过有然后，根据几何模型建立有限元模型，然后通

17、过有限元软件中解算，进行强度校核及模态解算。限元软件中解算，进行强度校核及模态解算。 如果结果符合要求，就将与控制系统设计有关的参如果结果符合要求，就将与控制系统设计有关的参数交于控制系统设计部门，根据这些参数及总体参数交于控制系统设计部门，根据这些参数及总体参数进行控制系统设计；数进行控制系统设计； 反之，将结果反响给结构设计人员对结构进行修改。反之，将结果反响给结构设计人员对结构进行修改。 得到满意结果后，将有限元模型及刚体模型都传输得到满意结果后，将有限元模型及刚体模型都传输到到ADAMS中进行多体建模并定义所需变量。通过中进行多体建模并定义所需变量。通过ADAMS进行运动学和动力学仿真

18、进行运动学和动力学仿真 如果结果满意，虚拟样机设计过程完毕；如果结果满意，虚拟样机设计过程完毕； 反之，将信息传给控制系统设计和结构系统设计部反之，将信息传给控制系统设计和结构系统设计部门进行改进，重复上述过程，直至满意为止。门进行改进，重复上述过程，直至满意为止。 五、应用实例-自行火炮动力学仿真试验 1、仿真模型、仿真模型图图5-2 某自行火炮动力学模型某自行火炮动力学模型 模型特点：模型特点： 动力轮前置，动力轮前置， 双侧履带，每侧有双侧履带，每侧有6个路轮、个路轮、3个支撑滚子，每个支撑滚子，每侧履带有侧履带有83块履带板，块履带板， 车体上有可旋转的炮塔，炮塔上装有摇架，用车体上有

19、可旋转的炮塔，炮塔上装有摇架，用以调整炮管射角，摇架上装有炮管，炮管可沿以调整炮管射角，摇架上装有炮管，炮管可沿摇架平动。摇架平动。 系统自由度系统自由度 当两个动力轮上施加转动时，整个模型有当两个动力轮上施加转动时，整个模型有1051个自由度个自由度 当两个动力轮上施加驱动力矩时，整个模型有当两个动力轮上施加驱动力矩时，整个模型有1053个自个自由度由度 受力分析受力分析 履带板、 导向轮、 路轮、 动力轮 支撑滚子力 履带板与地面之间的作用力的表示 表示为3个方向的力和3个方向的力矩 其中z方向力表示履带板与地面之间的垂直方向的作用力，另外两个水平方向的作用力表示履带板与路面之间的剪切力摩

20、擦力。 履带板与地面之间的作用力的计算 在仿真中，首先计算某一履带板上的参考坐标系在整体坐标系中的坐标x, y, z， 然后计算坐标为(x, y)的路面点的z坐标， 通过比较这两个z坐标，判断履带板是否与地面接触，并计算接触后的变形，根据变形量，计算履带板与路面之间的z向作用力。 另外两个水平方向的变形，那么以该履带板在两个相邻积分时刻的水平位置变化为度量。 相邻的履带板之间的摩擦力矩相邻的履带板之间的摩擦力矩 两个相邻的履带板之间作用有场力和销子的摩两个相邻的履带板之间作用有场力和销子的摩擦力矩。擦力矩。 每个履带板都有每个履带板都有6个自由度，两个相邻的履带板个自由度，两个相邻的履带板之间

21、的相对平移和相对转动引起这种场力作用，之间的相对平移和相对转动引起这种场力作用，它实际上相当于一个广义的弹簧和阻尼器。它实际上相当于一个广义的弹簧和阻尼器。 履带板与车体的挡板之间的接触力履带板与车体的挡板之间的接触力 当履带摆动，其位置高于车体挡板时，即与车当履带摆动，其位置高于车体挡板时，即与车体接触，接触力的合力用一个一般力表示。体接触，接触力的合力用一个一般力表示。 履带板对导向轮作用力履带板对导向轮作用力 导向轮上作用有一个一般力，该力是履带板对导向轮上作用有一个一般力，该力是履带板对导向轮作用力的合力。导向轮作用力的合力。 首先判断哪些履带板与导向轮接触，然后计算首先判断哪些履带板

22、与导向轮接触，然后计算接触变形、接触力，最后计算这些接触力的合接触变形、接触力，最后计算这些接触力的合力。力。 导向轮与张紧装置通过转动铰链相连，在该铰导向轮与张紧装置通过转动铰链相连，在该铰链上可设置摩擦力矩。链上可设置摩擦力矩。 路轮上作用有一个一般力，路轮通过转动铰链与连路轮上作用有一个一般力，路轮通过转动铰链与连杆相连，在铰链上可定义摩擦力矩的作用。杆相连，在铰链上可定义摩擦力矩的作用。 路轮与车体通过连杆相连，连杆一端通过转动铰链连接路轮与车体通过连杆相连，连杆一端通过转动铰链连接路轮，一端通过转动铰链和扭转弹簧与车体相连。路轮，一端通过转动铰链和扭转弹簧与车体相连。 连杆与车体相连

23、的铰链处作用有：轴承摩擦力矩、阻尼连杆与车体相连的铰链处作用有：轴承摩擦力矩、阻尼力矩、扭转弹簧力矩和限制扭转过位的力矩，该力矩只力矩、扭转弹簧力矩和限制扭转过位的力矩，该力矩只有当连杆的扭转弹簧变形过大时才起作用。有当连杆的扭转弹簧变形过大时才起作用。 动力轮受到的履带板的作用力之合力动力轮受到的履带板的作用力之合力 动力轮与车体通过转动铰链相连。动力轮受到的履带板动力轮与车体通过转动铰链相连。动力轮受到的履带板的作用力之合力也用一个一般力表示。的作用力之合力也用一个一般力表示。 支撑滚子上作用力支撑滚子上作用力 支撑滚子与车体用铰链相连，在该铰链上作用支撑滚子与车体用铰链相连，在该铰链上作

24、用有轴承摩擦力矩，支撑滚子上作用的一般力的有轴承摩擦力矩，支撑滚子上作用的一般力的计算方法与路轮一样。计算方法与路轮一样。 运动学和动力学仿真目的运动学和动力学仿真目的 感兴趣部件的运动、变形、受力等感兴趣部件的运动、变形、受力等 2、仿真算例、仿真算例 针对针对4种行驶状况进行了动力学仿真：种行驶状况进行了动力学仿真： 1初始条件初始条件 力轮设定恒定转速：力轮设定恒定转速：55rad/min，所有部件，所有部件的初速设为的初速设为VX0=14.1725m/s，该设置使所有，该设置使所有部件均以同样的初速前进。部件均以同样的初速前进。 使自行火炮通过一梯形障碍，障碍高使自行火炮通过一梯形障碍

25、，障碍高0.4m，顶宽顶宽0.2m，底宽，底宽0.6m。 计算结果包括：计算结果包括： 左侧动力轮上的一般力在其转轴上的力矩分左侧动力轮上的一般力在其转轴上的力矩分量；量； 左侧路轮左侧路轮2的连杆与车体的连接扭转弹簧的的连杆与车体的连接扭转弹簧的变形；左侧路轮变形；左侧路轮2的的z向力。向力。 2、仿真算例、仿真算例 2初始条件初始条件 VX0=0，两动力轮设定，两动力轮设定2000N.m的驱动力矩的驱动力矩 初始时刻左侧第初始时刻左侧第37、36块履带板都在路面上。块履带板都在路面上。 计算计算 车体质心速度、加速度在车体质心速度、加速度在x轴方向的分量，轴方向的分量， 左侧路轮左侧路轮2

26、的的z向力，向力， 作用在左侧第作用在左侧第37块履带板上的场力。块履带板上的场力。 2、仿真算例、仿真算例 3初始条件初始条件 VX0=0 左动力轮的驱动力矩设为左动力轮的驱动力矩设为0，右动力轮的驱，右动力轮的驱动力矩设为动力矩设为2000n.m， 计算计算 车体质心转动角速度、角加速度，车体质心转动角速度、角加速度， 左侧路轮左侧路轮2的的z向力，向力， 左侧第左侧第37块履带板上的场力在其参考系中的块履带板上的场力在其参考系中的x轴上的分量。轴上的分量。 2、仿真算例、仿真算例 4初始条件初始条件 VX0=0 左动力轮的驱动力矩设为左动力轮的驱动力矩设为-2000n.m，右动力，右动力

27、轮的驱动力矩设为轮的驱动力矩设为2000n.m， 计算计算 车体质心转动角速度、角加速度，车体质心转动角速度、角加速度， 左侧路轮左侧路轮2的的z向力，向力， 左侧第左侧第37块履带板上的场力在其参考系中的块履带板上的场力在其参考系中的x轴上的分量。轴上的分量。 第二节 快速设计平台及其在起闭机设计中的应用 门式启闭机现阶段，依照传统的设计方法会存在以下几个问题： 1知识的重用度不高，每一次设计都是在全新的根底上完成，以往的设计经验、图纸、分析数据等都很难方便的使用，导致设计效率低下，开发本钱过高； 2计算手段有限，对设计完成的关键承载构件仍然采用近似的计算方法进行校核，导致计算精度不高，材料

28、浪费严重； 3出图效率较低，由于仍然采用二维CAD软件进行绘图，造成设计意图不直观，校图时间过长。 为此，在门机初始设计和详细设计阶段应采取先进的设计方法、技术或手段提高门机设计质量和设计效率。 一、启闭机快速设计平台系统功能 为了解决现阶段设计和分析中存在的问题，在郑州水工机械厂的协作下，武汉大学开发了一套专门用于门机快速设计和分析的平台系统。在知识工程和虚拟样机技术的根底上，该平台可实现以下功能： 1以知识工程技术为根底，综合面向对象方法和CBR基于实例推理方法的优点综合表达门机实例，将标准、手册、标准和专家意见等与产品相关的知识进行归类、抽取并转化为计算机能够识别和管理的符号，实现以往设

29、计经验、图纸、公式和分析数据的重用，引导并极大的方便了设计者进行门机的选型以及对各部件进行空间布置与参数确定等工作； 2在大型设计软件CATIA的根底上，建立三维参数化门机设计模型，并利用参数化驱动、表格驱动和产生式规那么驱动三种方式进行门机的智能化设计，最大程度上方便了设计者对门机三维参数化模型的查询和变型工作； 一、启闭机快速设计平台系统功能 3在大型分析软件ANSYS的根底上，建立门机有限元分析模型，并通过APDL语言定义影响整体性能的关键参数，实现分析模型的参数化。通过事物特性表技术，建立逻辑模型，实现设计模型和分析模型的无缝集成，最终实现设计与分析工作的并行化和真正意义上的“工程参数

30、驱动设计参数。 4建立门机的实例库和参数库，库中存放的是实例及部件的结构参数，各种类型的实例及部件的数据及相关索引表格都以链表的形式存放在数据库中，最终利用开放数据库互连ODBC提供的统一的应用程序接口，实现了三维设计软件CATIA和三维分析软件ANSYS与数据库的连接。 综上所述，门机快速设计平台综上所述，门机快速设计平台 以知识工程和虚拟样机技术为根底，以知识工程和虚拟样机技术为根底， 集成计算机辅助设计集成计算机辅助设计CAD、计算机辅助、计算机辅助分析分析CAE等等CAX技术，技术， 按照并行化的设计路线，指导设计者进行方按照并行化的设计路线，指导设计者进行方案选择、方案变型、强度分析

31、和性能优化工案选择、方案变型、强度分析和性能优化工作，作， 通过数据库技术对设计方案和分析结果进行通过数据库技术对设计方案和分析结果进行有效地文件管理，有效地文件管理， 由此到达提高门机设计水平，缩短研发周期由此到达提高门机设计水平，缩短研发周期的目的。的目的。 二、快速设计平台的实现流程 门机的设计流程由设计人员的设计习惯以及门机的设计流程由设计人员的设计习惯以及门机的结构特点来决定。在门机快速设计平门机的结构特点来决定。在门机快速设计平台下，设计流程图如图台下，设计流程图如图5-3所示。所示。 图图5-3 设计流程图设计流程图 在该设计流程下，在该设计流程下， 总工程师在效劳器端上形成产品

32、设计任务，并将产总工程师在效劳器端上形成产品设计任务，并将产品的三个关键部件门架，回转吊，小车分配给品的三个关键部件门架，回转吊，小车分配给不同的设计小组；不同的设计小组； 各个小组设计人员在客户机端的主界面中选择相应各个小组设计人员在客户机端的主界面中选择相应的模块导入到客户机端；的模块导入到客户机端； 小组设计人员根据设计需要，修改相应的参数，并小组设计人员根据设计需要，修改相应的参数，并根据用户输入的参数自动生成有限元分析模型，并根据用户输入的参数自动生成有限元分析模型，并进行自动分析；假设分析结果不满意，可返回主界进行自动分析；假设分析结果不满意，可返回主界面调整参数，再次进行有限元分

33、析，直到满足需求面调整参数，再次进行有限元分析，直到满足需求为止；为止； 完成有限元分析后，系统调用完成有限元分析后，系统调用CATIA软件，根据软件，根据用户输入的参数自动生成三维设计模型；可根据实用户输入的参数自动生成三维设计模型；可根据实际设计需要进行少量细节修改；际设计需要进行少量细节修改； 最后，小组完成设计后，将本小组设计的模块上传最后，小组完成设计后，将本小组设计的模块上传回效劳器端；系统自动对设计模型进行总体装配，回效劳器端；系统自动对设计模型进行总体装配，并对模型进行干预检查，最终整个设计流程完成，并对模型进行干预检查，最终整个设计流程完成，用户在用户在CATIA软件的根底上

34、，生成相应的二维工软件的根底上，生成相应的二维工程图。程图。 三、快速设计平台的应用情况 武汉大学动力与机械学院针对门机的结构特武汉大学动力与机械学院针对门机的结构特点，根据郑州水工机械厂的设计经验和设计点，根据郑州水工机械厂的设计经验和设计流程，构建了门机快速设计平台，该平台以流程，构建了门机快速设计平台，该平台以知识工程、虚拟样机等作为技术支持，实现知识工程、虚拟样机等作为技术支持，实现了门机的智能化快速变型设计，并实现了设了门机的智能化快速变型设计，并实现了设计与分析的集成，最终提高了门机的设计质计与分析的集成，最终提高了门机的设计质量和设计效率。量和设计效率。 第三节 生产系统管理 一

35、、灵捷制造战略 一灵捷制造的含义 1、背景 灵捷制造(Agile Manufacturing，AM)是由美国通用汽车公司(GM)等和里海(Leigh)大学的雅柯卡(Iacocca)研究所联合研究，于1988年首次提出的。 1992年，美国政府宣布将这种全新的制造模式作为21世纪制造企业的战略。 2、灵捷制造的定义和表现、灵捷制造的定义和表现 定义：定义： 灵捷制造就是指制造系统在满足低本钱和高质量的灵捷制造就是指制造系统在满足低本钱和高质量的同时，对变幻莫测的市场需求的快速反响。同时，对变幻莫测的市场需求的快速反响。 灵捷制造的灵捷能力表现：灵捷制造的灵捷能力表现： 1对市场的快速反响能力。判

36、断和预见市场变对市场的快速反响能力。判断和预见市场变化并对其快速地做出反响的能力。化并对其快速地做出反响的能力。 2竞争力。企业获得一定生产力、效率和有效竞争力。企业获得一定生产力、效率和有效参与竞争所需的技能。参与竞争所需的技能。 3柔性。以同样的设备与人员生产不同产品或柔性。以同样的设备与人员生产不同产品或实现不同目标的能力。实现不同目标的能力。 4快速。以最短的时间执行任务快速。以最短的时间执行任务(如产品开发、如产品开发、加工制造、供货等加工制造、供货等)的能力。的能力。 二灵捷制造战略要点二灵捷制造战略要点 灵捷制造战略所包含的根本内容如表灵捷制造战略所包含的根本内容如表5-l所示。

37、所示。表表5-l 灵捷制造战略要点灵捷制造战略要点 二、并行工程 一并行工程的定义和主要目标 1、并行工程定义： Concurrent Engineering，CE 是对产品及其相关过程(包括制造和支持过程)进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。 这种工作模式力图使开发者们从一开始就考虑到产品全生命周期(从概念形成到产品报废)的所有因素，包括质量、本钱、进度和用户需求。 2、主要目标、主要目标 全面提高制造全过程全面提高制造全过程(包括设计工艺包括设计工艺制造效劳制造效劳)中的质量。中的质量。 降低产品全生命周期中的本钱降低产品全生命周期中的本钱(包括产品包括产品设计、制造、运送、支持、

38、客户使用至产品设计、制造、运送、支持、客户使用至产品报废等本钱报废等本钱)。 缩短产品研制开发周期缩短产品研制开发周期(包括减少设计反包括减少设计反复、降低设计时间生产准备时间制造时复、降低设计时间生产准备时间制造时间发送时间等间发送时间等)。 二并行工程二并行工程的方法的方法 1、重组产品开发、重组产品开发过程过程 1传统的产品传统的产品开发过程以串行开发过程以串行为主，其流程如为主，其流程如图图5-5所示。所示。2并行工程开发过程的重组与优化。图图5-6 产品并行开发流程产品并行开发流程 分解原有串行流程，将设计、制造、试验验证分解原有串行流程，将设计、制造、试验验证的大循环分解为假设干小

39、循环，防止将设计错的大循环分解为假设干小循环，防止将设计错误传递到下游阶段；误传递到下游阶段； 重组产品开发的子过程，使其尽量并行进行，重组产品开发的子过程，使其尽量并行进行，减少不必要的环节，使产品开发过程更合理、减少不必要的环节，使产品开发过程更合理、高效；高效； 重新定位企业的资源，确定各个阶段参加产品重新定位企业的资源，确定各个阶段参加产品开发的资源；利用建模方法和工具对并行流程开发的资源；利用建模方法和工具对并行流程进行仿真与优化。进行仿真与优化。 2、组建集成产品开发团队、组建集成产品开发团队 (1) 成员来自不同的部门并被授权。成员来自不同的部门并被授权。 团队成员对产团队成员对

40、产品负责，相互依赖。品负责，相互依赖。 (3) 团队成员在协同环境中工作。团队成员在协同环境中工作。 (4) 采用并行工作技术和方法，实施信息预发布、采用并行工作技术和方法，实施信息预发布、设计评审及反响。设计评审及反响。 (5) 采用并行的产品开发模式，按工作流程开发产采用并行的产品开发模式，按工作流程开发产品。品。 (6) 定期组织团队会议，进行信息交流、讨论，进定期组织团队会议，进行信息交流、讨论，进行团队决策。行团队决策。 (7) 采用产品数字定义、数字预装配、采用产品数字定义、数字预装配、CAPP等设计等设计工具和团队工具。工具和团队工具。 (8) 团队成员有平等权力阐述个人的见解，

41、以积极团队成员有平等权力阐述个人的见解，以积极的态度解决团队冲突，防止专制。支持其他团队的的态度解决团队冲突，防止专制。支持其他团队的工作。工作。 3、建立支持团队工作的协同工作环境、建立支持团队工作的协同工作环境 协同工作环境由协同工作环境由 计算机网络、计算机网络、 计算机硬件、计算机硬件、 产品数据管理系统、产品数据管理系统、 数据库、数据库、 产品开发软件、产品开发软件、 团队工具、团队工具、 协同工作工具等组成。协同工作工具等组成。 4、应用各种技术工具完成产品并行开发、应用各种技术工具完成产品并行开发 (1) DFA (Design For Assembly) 面向装配的设计主面向

42、装配的设计主要是在设计过程中解决可装配及装配路径问题，确要是在设计过程中解决可装配及装配路径问题，确保产品的可装配性，防止后期出现装配类别的问题。保产品的可装配性，防止后期出现装配类别的问题。 (2) DFM (Design for Manufacturing) 面向制造的设面向制造的设计主要是在设计过程中解决设计特征的加工问题，计主要是在设计过程中解决设计特征的加工问题，确保产品的可制造性。确保产品的可制造性。 (3) 全数字化定义的计算机辅助设计工具，如全数字化定义的计算机辅助设计工具，如CAD，CAE，CAPP，CAM，QFD(质量功能配置质量功能配置)，CSCW(计算机支持协同工作环境

43、计算机支持协同工作环境)等。等。 (4) 利用利用PDM (产品数据管理产品数据管理) 工具完成产品开发中工具完成产品开发中有关的数据、流程、人员、产品结构、文本、资源有关的数据、流程、人员、产品结构、文本、资源等管理。等管理。 三并行工程实施的途径三并行工程实施的途径 1、以集成制造信息系统和软件要求为主、以集成制造信息系统和软件要求为主 并行工程认为及时、相关和精确的信息效劳是并行并行工程认为及时、相关和精确的信息效劳是并行工程的根底，认为成功实施并行工程的关键是形成工程的根底，认为成功实施并行工程的关键是形成设计过程中有效可用的数据库、软件和专家系统。设计过程中有效可用的数据库、软件和专

44、家系统。 2、计算机辅助设计和计算机辅助制造工具集成、计算机辅助设计和计算机辅助制造工具集成 这种集成基于特征设计，由于制造工艺具有与设计这种集成基于特征设计，由于制造工艺具有与设计不同的特征，故满足广义特征的建模方法成为关键。不同的特征，故满足广义特征的建模方法成为关键。 3、沿着、沿着“全寿命工程推进并行工程全寿命工程推进并行工程 该方法突出产品从概念到处理的全过程设计。全寿该方法突出产品从概念到处理的全过程设计。全寿命工程强调从产品设计早期阶段考虑产品生产周期命工程强调从产品设计早期阶段考虑产品生产周期的各种需求的各种需求 4、沿着可制造设计和可装配设计路径，推进并行、沿着可制造设计和可

45、装配设计路径，推进并行工程。工程。 5、重视组织和文化改变的实施路径。、重视组织和文化改变的实施路径。 第四节 生产率管理与工业工程 工业工程是在制造工程学、管理科学和系统工程学等学科根底上开展起来的一门交叉的工程学科。 它是将人、设备、物料、信息和环境等生产系统要素进行优化配置，对工业等生产过程进行系统规划与设计、评价与创新，从而提高工业生产率和社会经济效益专门化的综合技术，它在降低运作本钱方面可以发挥重要作用。 目前，我国面临着资源利用率低、质量和效目前，我国面临着资源利用率低、质量和效益不高、产品等综合结构不合理、环境适应益不高、产品等综合结构不合理、环境适应较差、国际竞争力及创新能力亟

46、待增强，以较差、国际竞争力及创新能力亟待增强，以及战略管理和内部管理弱化、技术与管理脱及战略管理和内部管理弱化、技术与管理脱节、特色化缺乏、产品，市场技术等方面开节、特色化缺乏、产品，市场技术等方面开展不平衡等诸多问题和困境。展不平衡等诸多问题和困境。 我国众多的民族企业，公司与各类组织，迫我国众多的民族企业，公司与各类组织，迫切需要现代工业工程理论的大量普及和应用，切需要现代工业工程理论的大量普及和应用，并从工业工程中找到实现组织目标的规划、并从工业工程中找到实现组织目标的规划、设计、实施、测评与管理的方法与工具。设计、实施、测评与管理的方法与工具。 本节从工业工程的核心本节从工业工程的核心

47、“降低本钱、提高质降低本钱、提高质量和生产率出发，介绍生产率的定义、测量和生产率出发，介绍生产率的定义、测评及影响生产率的要素，重点讨论工业工程评及影响生产率的要素，重点讨论工业工程程序体系中最重要的根底技术程序体系中最重要的根底技术-工作研究。工作研究。包括方法研究和作业测定两大部份。包括方法研究和作业测定两大部份。 一、工业制造与工业工程 工业工程的研究对象 所有生产要素所组成的各种生产及经营管理系统，包括社会经济系统的广义现代生产系统。其中制造工程是工业工程研究、开发与应用的重要内容。 工业工程从制造业向其他产业部门、政府与各类组织拓展 工业工程的开展 成为与机械工程、建筑工程、电气工程

48、和化学工程齐名的美国五大工程之一。 日本、韩国、新加坡、台湾以及香港等国家和地区20世纪中期开始重视了工业工程学科的理论研究和实际应用，在产业化和经济开展领域，取得了巨大的成功。 在我国说，工业工程还是一门新兴的学科，并已引起了广泛的关注和重视。 一工业工程定义一工业工程定义 工业工程工业工程IE是综合运用数学、物理学和是综合运用数学、物理学和社会科学的根底知识及工程分析的方法，将社会科学的根底知识及工程分析的方法，将人力物资装备能量和信息组成一个集人力物资装备能量和信息组成一个集成系统成系统, 并对这样的系统进行规划设计并对这样的系统进行规划设计评价和改进的活动。评价和改进的活动。 二工业工

49、程目标、功能和特征二工业工程目标、功能和特征 目标：目标： 追求企业的效率和社会系统的效益。追求企业的效率和社会系统的效益。 功能：功能： 规划、设计、评价、创新。规划、设计、评价、创新。 特征：特征： IE是一门工程类科学技术，主要解决工程技术中是一门工程类科学技术，主要解决工程技术中的管理问题；的管理问题； IE的对象为生产及经营管理系统，且不局限于工的对象为生产及经营管理系统，且不局限于工业生产领域；业生产领域； IE所使用的工具为自然科学的所使用的工具为自然科学的“描述性、工程描述性、工程技术的技术的“标准性以及社会科学的标准性以及社会科学的“交互性、系交互性、系统工程方法以及计算机技

50、术；统工程方法以及计算机技术； IE的任务和目标为通过各种资源的有效配置，实的任务和目标为通过各种资源的有效配置，实现系统的有效运行，到达制造系统的生产率提高和现系统的有效运行，到达制造系统的生产率提高和社会经济效益的提高。社会经济效益的提高。 三工业工程的内容体系三工业工程的内容体系 1、人因与效率工程、人因与效率工程 1工作研究工作研究Work Study 2工效学或人工效学或人机工程学、管理工效学、人因工程学机工程学、管理工效学、人因工程学等等 3组织设计组织设计Organization Design 4人力资源开发与管理人力资源开发与管理 2、生产及其制造系统工程、生产及其制造系统工程 1设施规划与物流分析设施规划与物流分析 2现代制造工程现代制造工程Modern Manufacturing Engineering 3生产方案与控制生产方案与控制Production Planning and Control 4质量管理与可靠性质量管理与可靠性Quality Control and Reliability 3、现代经营工程、现代经营工程 1工程经济工程经济Engineering Economics 2工业设计工业设计Industrial Design 3企业经营战略管理企业经营战略管理Business Strat