制造企业数字化智能设计制造与管理技术与应用(课件)

1、参考资料参考资料l数字制造数字制造 周祖德编著周祖德编著 科学出版社科学出版社l数字制造基础数字制造基础杨文玉、尹周平、孙容磊等杨文玉、尹周平、孙容磊等编著编著 北京理工大学出版社北京理工大学出版社l现代制造企业信息化现代制造企业信息化 刘树森等编著刘树森等编著 科学科学出版社出版社制造企业数字化智能设计制造与管理技术与应用l绪论绪论l数字化智能设计数字化智能设计l数字化智能制造数字化智能制造l数字化智能管理数字化智能管理第一章第一章 绪论绪论l现代制造企业概况现代制造企业概况l我国制造业面临的新环境和新使命我国制造业面临的新环境和新使命l“制造强国制造强国”的指导方针和发展目标的指导方针和发

2、展目标l我国制造业发展路径我国制造业发展路径l智能化概述智能化概述l数字化制造概述数字化制造概述1.1 现代制造企业概况现代制造企业概况1 1、现代制造企业制造环境的变化、现代制造企业制造环境的变化l产品生命周期缩短l大市场和大竞争l交货期成为主要竞争因素l用户需求个性化明显l多品种、小批量生产比例增大1.1 现代制造企业概况现代制造企业概况2 2、现代制造企业制造模式的变化、现代制造企业制造模式的变化定制生产2000s产品种类产量手工生产 1800s规模生产1900s精益生产1960s生产模式演变图物料需求计划制造资源计划准时制生产精益生产并行工程企业资源计划计算机集成制造网络化制造智能制造

3、大规模定制敏捷制造云制造现代企业先进生产制造模式物料需求计划（物料需求计划（MRP） 物料需求计划（Material Requirement Planning，MRP）是指根据产品结构各层次物品的从属和数量关系，以每个物品为计划对象，以完工时期为时间基准倒排计划，按提前期长短区别各个物品下达计划时间的先后顺序，是一种工业制造企业内物资计划管理模式。概 念特 点u 需求的相关性u 需求的确定性u 计划的复杂性目标u 物料及产品按需供应u 库存水平尽可能降低u 生产活动精确衔接MRP根据市场需求预测和顾客订单制定产品的生产计划，然后基于产品生成进度计划，组成产品的材料结构表和库存状况，通过计算机系

4、统计算所需物资的需求量和需求时间，从而确定材料的加工进度和订货日程。原 理制造资源计划（制造资源计划（MRP）制造资源计划（Manufacturing Resource Planning，MRP II），是在物料需求计划上发展出的一种规划方法。它是以物料需求计划MRP为核心，覆盖企业生产活动所有领域、有效利用资源的生产管理思想和方法的人机应用系统。概 念MPR与MRP区别它围绕企业的基本经营目标，以生产计划为主线，对企业制造的各种资源进行统一的计划和控制，使企业的物流、信息流、资金流流动畅通地动态反馈。原 理MPR主要对制造环节中的物流进行管理，使企业达到“既要保证生产又要控制库存”的目的；而

5、MRP则集成了物流和资金流，将人、财、物，时间等各种资源进行周密计划，合理利用，以提高企业的竞争力。准时生产方式（Just In Time简称JIT），又称作无库存生产方式，零库存，一个流或者超级市场生产方式，是日本丰田汽车公司在20世纪60年代实行的一种生产方式。现在这一方式与源自日本的其它生产、流通方式一起被西方企业称为“日本化模式”。概 念准时生产方式是通过生产的计划和控制及库存的管理，追求一种无库存，或库存达到最小的生产系统。它的核心是追求一种无库存的生产系统，或使库存达到最小的生产系统。原 理品质 柔性投放市场时间产品多元化效率 适应性学习特点u 生产流程化u 资源配置合理化u 生产

6、均衡化对生产制造的影响准时制生产（准时制生产（JIT）精益生产（精益生产（LP）精益生产又称精良生产，其中“精”表示精良、精确、精美；“益”表示利益、效益等等。精益生产就是及时制造，消灭故障，消除一切浪费，向零缺陷、零库存进军。概 念追求零库存追求快速反应，即快速应对市场的变化。企业内外环境的和谐统一人本位主义、库存是“祸根” 核心降低在制品数量及其占用资金； 降低产品质量损失；缩短订单交货期； 减少设备故障停机率；降低生产耗用工时； 减少人员。工具6S与目视控制准时化生产(JIT)全面生产维护（ TPM ）价值流图目标并行工程（并行工程（CE）并行工程(Concurrent Engineer

7、ing，简称CE) 是一种先进的企业全局管理和生产集成模式。它将企业中复杂的工程设计、制造和经营管理过程中的各种作业，按最终目标，在时间和空间上并行交互进行，从而缩短了传统串行作业方式所需的时间和反复修改的次数，大幅度提高了作业质量，加快进程，降低了成本。概 念在先进制造技术中的地位与作用u 并并行工程强调系统集成与整体优化;u 并行工程强调面向过程和面向对象;本质u 承上启下的作用;u 并行工程与面向制造和装配的产品设计;企业资源计划（企业资源计划（ERP）企业资源计划（Enterprise Resource Planning，简称ERP， 它是针对物资资源管理（物流）、人力资源管理（人流）

8、、财务资源管理（财流）、信息资源管理（信息流）集成一体化的企业管理系统，包含客户/服务架构，使用图形用户接口，应用开放系统制作。概 念将企业的各个方面的资源（包括人、财、物、产、供、销等因素）合理配置，以使之充分发挥效能，使企业在激烈的市场竞争中全方位地发挥能量，从而取得最佳经济效益。原 理体现了对整个供应链资源进行有效管理的思想；体现了精益生产，并行工程和敏捷制造的思想，体现事先计划与事中控制的思想； 管理理念 工 具ERP信息系统计算机集成制造（计算机集成制造（CIMS） 计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System，简称CIMS），

9、它是在信息技术自动化技术与制造的基础上，通过计算机技术把分散在产品设计制造过程中各种孤立的自动化子系统有机地集成起来，形成适用于多品种、小批量生产，实现整体效益的集成化和智能化的制造系统。概 念从生产工艺方面分：离散型制造业、连续性制造业、混合型制造业从体系结构来分：集中性、分散性、混合型分 类应 用 CIMS的技术先进制造技术敏捷制造虚拟制造并行工程保障和提高了新产品开发的质量缩短了新产品的上市周期经营管理科学化同时降低了产品的成本网络化制造网络化制造(NM)网络化制造(Networked-manufacturing. NM)是指通过采用先进的网络技术、制造技术及其它相关技术, 构建面向企业

10、特定需求的基于网络的制造系统, 并在系统的支持下, 突破空间对企业生产经营范围和方式的约束, 开展覆盖产品整个生命周期全部或部分环节的企业业务活动 (如产品设计、制造、销售、采购、管理等) 。概 念背 景 及 发 展国外：德国Produktion2000 框架方案；第五框架计划(1998- 2002 年) ；第六框架计划(2002- 2006 年)。 国内：杨叔子院士基于Agent 的网络化制造模式及基于利益驱动的动态重组机制；刘飞教授支撑网络化制造的技术体系; 祁国宁和顾新建教授网络化制造的几种发展途径。智能制造（智能制造（IM） 智能制造（Intelligent Manufacturing

11、，IM）是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能制造系统。它在制造过程中能进行智能活动，诸如分析、推理、判断、构思和决策等。通过人与智能机器的合作共事，去扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动。概 念从智能制造系统的本质特征出发，在分布式制造网络环境中，根据分布式集成的基本思想，应用分布式人工智能中多Agent系统的理论与方法，实现制造单元的柔性智能化与基于网络的制造系统柔性智能化集成。原 理前景智能化是制造自动化的发展方向。在制造过程的各个环节几乎都广泛应用人工智能技术。专家系统技术可以用于工程设计，工艺过程设计，生产调度，故障诊断等。也可以将神经网络和模糊控制技术等

12、先进的计算机智能方法应用于产品配方，生产调度等，实现制造过程智能化。大规模定制（大规模定制（MC） 大规模定制（Mass Customization，MC）是一种集企业、客户、供应商、员工和环境于一体，在系统思想指导下，用整体优化的观点，充分利用企业已有的各种资源，在标准技术、现代设计方法、信息技术和先进制造技术的支持下，根据客户的个性化需求，以大批量生产的低成本、高质量和效率提供定制产品和服务的生产方式。概 念MC的基本思想是通过产品结构和制造流程的重构，运用现代化的信息技术等一系列高新技术，把产品的定制生产全部或部分转化为批量生产，以大规模生产的成本和速度，为单个客户或小批量多品种市场定制

13、任意数量的产品。基 本 思 想分 类按订单销售（Sale-To-Order） 按订单装配（Assemble-to- Order）按订单制造（Make-to-Order） 按订单设计（Engineer-to-Order）大规模定制（大规模定制（MC）产品设计模块化 产品制造专业化生产组织和管理网络化 企业间的合作关系伙伴化特点生产制造系统模块化 动态组合的布局方式动态组合的调度方式 动态响应的控制结构关键技术大规模定制的企业核心能力表现准确获取顾客需求的能力面向MC的敏捷产品开发设计能力柔性的生产制造能力敏捷制造（敏捷制造（AM）敏捷制造（Agile Manufacturing，AM）是指制造企

14、业采用现代通信手段，通过快速配置各种资源（包括技术、管理和人），以有效的方式响应用户的需求，实现制造的敏捷性。其核心是企业在不断变化、不可预测的经营环境中的快速重构能力，具体表现为多个企业的核心制造能力的动态组织。概念要提高企业对市场变化的快速反应能力，满足顾客的要求。除了充分利用企业内部资源外，还可以充分利用其他企业乃至社会的资源来组织生产。核心思想从产品开发开始的整个产品生命周期都是为满足用户需求的;采用多变的动态组织结构、着眼于长期获取经济效益;建立新型的标准体系，实现技术、管理和人的集成; 最大限度地调动、发挥人的作用。特点云制造（云制造（CM） 云制造（Cloud Manufactu

15、ring: CM）是为避免制造资源的浪费，借用云计算的思想，利用信息技术实现制造资源的高度共享。建立共享制造资源的公共服务平台，提供各种制造服务，实现制造资源与服务的开放协作、社会资源高度共享。概念面向服务和需求的制造、不确定性制造、透明和集成的制造、支持多用户的制造、支持按需使用和付费的制造、低门槛众包式制造、绿色低碳制造等。针对大型集团企业的研发设计能力服务平台；区域性加工资源共享服务平台; 制造服务化支持平台也是将来云制造重点发展的方向之一;制造更可以服务于量大面广的中小企业; 建立物流拉动的现代制造服务平台。五大应用方向特征1.2我国制造业面临的新环境我国制造业面临的新环境l新的发展阶

16、段新的发展阶段 l新的挑战新的挑战l新的发展机遇新的发展机遇1.2.1 新的发展阶段新的发展阶段形成比较独形成比较独立完整体系立完整体系 告别工业产告别工业产品短缺时代品短缺时代 产业规模产业规模持续扩大持续扩大 新中国成立后我国制造业经历了三个发展阶段：新中国成立后我国制造业经历了三个发展阶段：20102010年，我国制造业产出占世界比重的年，我国制造业产出占世界比重的19.8%19.8%，超越美国，超越美国的的19.6%19.6%，成为，成为全球制造业第一大国全球制造业第一大国 ，这一这一成就世界瞩目成就世界瞩目。（19491978年）（19781990年）（19902010年）1.2.1

17、 新的发展阶段新的发展阶段* *自主创新能力不强：自主创新能力不强：核心技术对外依存度高，高端装备的关键零部核心技术对外依存度高，高端装备的关键零部件依赖进口。件依赖进口。 * *处于价值链低端：处于价值链低端：产品多数处于附加值较低的产品多数处于附加值较低的“制造制造- -加工加工- -组装组装”环节，产品附加值较低。环节，产品附加值较低。 * *生产经营效率不高：生产经营效率不高：20112011年我国制造业增加值率为年我国制造业增加值率为21.5%21.5%，发达国，发达国家在家在35%35%以上。劳动生产率约以上。劳动生产率约为发为发达国家的达国家的36%-40%36%-40%。* *

18、产业结构不合理：产业结构不合理：一般加工工业和资源密集型产业比重过大，技术一般加工工业和资源密集型产业比重过大，技术密集型产业所占比重偏低，为用户提供服务的现代制造服务业占比偏密集型产业所占比重偏低，为用户提供服务的现代制造服务业占比偏低。低。 * *产品质量问题突出：产品质量问题突出：质量直接损失每年质量直接损失每年17001700亿元以上，间接损失超亿元以上，间接损失超万亿，食品安全事故时有发生，危及人民生命健康和损害国家形象。万亿，食品安全事故时有发生，危及人民生命健康和损害国家形象。 但，但， 我国制造业大而不强，不可持续发展问题凸显。我国制造业大而不强，不可持续发展问题凸显。1.2.

19、2 新的挑战新的挑战发达国家高端制造业回归本土：发达国家高端制造业回归本土：美国为首的发达国家鼓励制美国为首的发达国家鼓励制造业回迁，期望巩固制造强国地位与固有优势，抢占新工业造业回迁，期望巩固制造强国地位与固有优势，抢占新工业革命先机。革命先机。 发展中国家低端制造业低成本竞争优势：发展中国家低端制造业低成本竞争优势：印度、越南、印尼印度、越南、印尼等发展中国家以更低的劳动力成本吸引着越来越多的跨国企等发展中国家以更低的劳动力成本吸引着越来越多的跨国企业布局，成为低端制造新的转移方向。业布局，成为低端制造新的转移方向。 我国资源和环境双重约束：我国资源和环境双重约束：一方面，石油、铁矿石、水

20、等能一方面，石油、铁矿石、水等能源资源约束趋紧。另一方面，源资源约束趋紧。另一方面，牺牲环境牺牲环境的代价越来越大。的代价越来越大。 1.2.3 新的发展机遇新的发展机遇第三次工业革命给我国制造业带来难得的第三次工业革命给我国制造业带来难得的“机会窗口期机会窗口期”：以数字化制以数字化制造为标志的第三次工业革命已显端倪，这为我国制造业的超越发展带来造为标志的第三次工业革命已显端倪，这为我国制造业的超越发展带来机遇。我国将成为第三次工业革命的主要参与者，而不再是前两次工业机遇。我国将成为第三次工业革命的主要参与者，而不再是前两次工业革命的革命的“看客看客”。城镇化及消费结构升级提供了巨大的市场需

21、求空间：城镇化及消费结构升级提供了巨大的市场需求空间：一个快速增长的一个快速增长的1010多亿人口的消费市场，是任何一个国家在工业化、现代化过程中都未曾多亿人口的消费市场，是任何一个国家在工业化、现代化过程中都未曾拥有的，这是我国制造业拥有的最大优势也是最大机遇之一拥有的，这是我国制造业拥有的最大优势也是最大机遇之一 。经济体制机制改革将加速制造业转型升级：经济体制机制改革将加速制造业转型升级：打造中国经济升级版，依靠打造中国经济升级版，依靠改革释放制度红利，将有助于破除制造业发展的体制机制障碍，激发市改革释放制度红利，将有助于破除制造业发展的体制机制障碍，激发市场活力。场活力。 1.3我国制

22、造业面临的新使命我国制造业面临的新使命世界历史上三次世界历史上三次“世界制造中心世界制造中心”的转移印证了：的转移印证了：制制造业强则国家强，造业强则国家强，制造业对促进国家经济繁荣的巨大制造业对促进国家经济繁荣的巨大作用无可替代，因此，我国制造业肩负新的使命：作用无可替代，因此，我国制造业肩负新的使命：制造业又大又强制造业又大又强以制造业的繁荣和强大托起中国伟大复兴梦。以制造业的繁荣和强大托起中国伟大复兴梦。1.4“制造强国制造强国”的指导方针的指导方针 结构优化结构优化 创新驱动创新驱动 质量为先质量为先 绿色发展绿色发展 1.4.1 结构优化结构优化结构优化是制造业科学发展的主线，是提升

23、国民经结构优化是制造业科学发展的主线，是提升国民经济整体素质的主要途径。济整体素质的主要途径。推动战略性新兴产业和先推动战略性新兴产业和先进制造业健康发展；坚持利用信息技术和先进适用进制造业健康发展；坚持利用信息技术和先进适用技术改造传统产业；着力发展现代制造服务业；加技术改造传统产业；着力发展现代制造服务业；加强基础产业建设，解决关键材料、元器件和零部件强基础产业建设，解决关键材料、元器件和零部件及制造工艺严重滞后的局面。及制造工艺严重滞后的局面。 1.4.2 创新驱动创新驱动创新驱动是制造业生存和发展的灵魂，是实现制造创新驱动是制造业生存和发展的灵魂，是实现制造强国的不竭动力。强国的不竭动

24、力。提高原始创新、集成创新和引进提高原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新能力，更加注重协同创新，在制造消化吸收再创新能力，更加注重协同创新，在制造业的优势领域取得突破业的优势领域取得突破, ,成为技术的引领者；以数字成为技术的引领者；以数字化智能化制造为核心，推动制造技术、设计技术和化智能化制造为核心，推动制造技术、设计技术和生产模式的创新；加快建设以企业为主体、市场为生产模式的创新；加快建设以企业为主体、市场为导向、产学研用相结合的国家技术创新体系。导向、产学研用相结合的国家技术创新体系。 1.4.3 质量为先质量为先质量为先是制造业生存发展的生命，是国家强盛质量为先是制造业生存发展的生命

25、，是国家强盛的关键内核。的关键内核。要制定质量发展政策，强化质量安要制定质量发展政策，强化质量安全监管，夯实质量技术基础，大力实施品牌发展全监管，夯实质量技术基础，大力实施品牌发展战略，创新质量管理理念，优化质量发展环境。战略，创新质量管理理念，优化质量发展环境。1.4.4 绿色发展绿色发展绿色发展是破解资源环境瓶颈制约，实现制造业绿色发展是破解资源环境瓶颈制约，实现制造业可持续发展的必由之路。可持续发展的必由之路。开发高效率、低消耗、开发高效率、低消耗、低排放的绿色制造流程；加大节能降耗力度，加低排放的绿色制造流程；加大节能降耗力度，加快淘汰落后生产能力；大力发展环保装备产业，快淘汰落后生产

26、能力；大力发展环保装备产业，推行清洁生产和污染治理；倡导绿色产业文化，推行清洁生产和污染治理；倡导绿色产业文化，健全激励和约束机制。健全激励和约束机制。 1.5 “制造强国制造强国”的发展目标的发展目标一批优势产业率先实现突破，跻身强国之列。一批优势产业率先实现突破，跻身强国之列。如通信设备、发电与输变电设备、工程机械、如通信设备、发电与输变电设备、工程机械、轨道交通设备、石油炼制、钢铁、仪器仪表轨道交通设备、石油炼制、钢铁、仪器仪表7 7大产业。大产业。20202020年年20302030年年我国制造业整体上处于世界前列，成为制造强我国制造业整体上处于世界前列，成为制造强国，其中国，其中通信

27、设备、发电与输变电设备、工程通信设备、发电与输变电设备、工程机械、轨道交通设备、石油炼制、钢铁、仪器机械、轨道交通设备、石油炼制、钢铁、仪器仪表仪表7 7大产业处于世界领先地位。大产业处于世界领先地位。1.6 “制造强国制造强国”的发展路径的发展路径l 由技术创新战略由技术创新战略替代替代技术引进、跟随战略技术引进、跟随战略l 由数值化智能化制造由数值化智能化制造替代替代人工制造人工制造l 由质量效益型制造由质量效益型制造替代替代粗放型制造粗放型制造l 由绿色制造由绿色制造替代替代资源消耗型和环境污染型制造资源消耗型和环境污染型制造l 由服务由服务/ /生产型制造生产型制造替代替代生产型制造生

28、产型制造l 由产业的空间集聚由产业的空间集聚替代替代产业的分散布局产业的分散布局l 由电子商务逐步由电子商务逐步替代替代店、铺式的商业模式店、铺式的商业模式l 由输出资本、技术、产品由输出资本、技术、产品替代替代单一的产品出口单一的产品出口举例：举例： 大力推行数字化和智能化大力推行数字化和智能化 制造业数字化智能化是信息化和工业化深度融制造业数字化智能化是信息化和工业化深度融合的重要内容，是实现制造强国的核心技术合的重要内容，是实现制造强国的核心技术。实施分两步走的策略实施分两步走的策略 20202020年前应全力推行年前应全力推行“数控一代工程数控一代工程”，在面，在面上实现产品的数字化和

29、制造过程的数字化。选择信上实现产品的数字化和制造过程的数字化。选择信息化和数字化基础好的汽车、机床、工程机械、航息化和数字化基础好的汽车、机床、工程机械、航空、通信设备制造、仪器仪表等产业的骨干企业，空、通信设备制造、仪器仪表等产业的骨干企业，进行智能制造试点示范。进行智能制造试点示范。20202020年后可在全行业分批年后可在全行业分批分期推广智能制造。分期推广智能制造。制定科学可行的技术路线制定科学可行的技术路线 以传感器、控制系统和人工智能技术为神经中以传感器、控制系统和人工智能技术为神经中枢，强化智能制造的智能功能；以工业机器人和传枢，强化智能制造的智能功能；以工业机器人和传动装置为手

30、臂，增强智能制造的执行功能；以智能动装置为手臂，增强智能制造的执行功能；以智能制造单元和成套设备、数字化车间和数字化工厂为制造单元和成套设备、数字化车间和数字化工厂为载体，构建智能制造主体；以工业互联网为智慧通载体，构建智能制造主体；以工业互联网为智慧通道，加快智能制造信息的传递；以共性关键技术和道，加快智能制造信息的传递；以共性关键技术和创新平台为支撑，增强智能制造技术基础；以示范、创新平台为支撑，增强智能制造技术基础；以示范、应用及产业化为手段，推进产业规模化发展。应用及产业化为手段，推进产业规模化发展。 举例：举例： 大力推行数字化和智能化大力推行数字化和智能化 举例：举例： 大力推行数

31、字化和智能化大力推行数字化和智能化 大力发展智能制造装备：大力发展智能制造装备：“智能制造装备智能制造装备”是国家战略性是国家战略性新兴产业重点发展方向之一，大力发展智能制造装备，为实新兴产业重点发展方向之一，大力发展智能制造装备，为实施智能制造提供基本条件和物质基础。施智能制造提供基本条件和物质基础。 开展工艺优化和流程的创新：开展工艺优化和流程的创新：智能制造不仅是智能制造不仅是“硬件硬件”的的智能化，更重要的是工艺优化和工艺流程的再造。智能化，更重要的是工艺优化和工艺流程的再造。 对经营管理体系和机制进行改革：对经营管理体系和机制进行改革：使之能适应数字化、智使之能适应数字化、智能化改造

32、的需要。能化改造的需要。 对生产模式和商业模式进行创新：对生产模式和商业模式进行创新：在互联网、物联网、云在互联网、物联网、云计算、大数据等泛在信息的强力支持下，实现远程定制、异计算、大数据等泛在信息的强力支持下，实现远程定制、异地设计、协同生产的新型生产模式；推行电子商务，逐步代地设计、协同生产的新型生产模式；推行电子商务，逐步代替店铺式的商业模式。替店铺式的商业模式。 1.7 智能化概述智能化概述l“智能化智能化”：是指由现代通信与信息技术、计算机是指由现代通信与信息技术、计算机网络技术、行业技术、智能控制技术汇集而成的针对网络技术、行业技术、智能控制技术汇集而成的针对某一个方面的应用。某

33、一个方面的应用。l“智能化技术智能化技术”：集成化集成化、模块化模块化、网络化网络化。l“智能化系统智能化系统”：由现代通信与由现代通信与信息技术信息技术、计算机计算机网络技术网络技术、行业技术、行业技术、智能控制技术智能控制技术汇集而成的针对汇集而成的针对某一个方面的应用的智能集合。某一个方面的应用的智能集合。1.8 数字化的概念数字化的概念l概念一：概念一：数字化就是将许多复杂多变的信息转变为可以数字化就是将许多复杂多变的信息转变为可以度量的度量的数字数字、数据，再以这些数字、数据建立起适当的、数据，再以这些数字、数据建立起适当的数字化模型，把它们转变为一系列数字化模型，把它们转变为一系列

34、二进制代码二进制代码，引入，引入计计算机算机内部，进行统一处理，这就是数字化的基本过程。内部，进行统一处理，这就是数字化的基本过程。l概念二：概念二：数字化将任何连续变化的输入如图画的线条或声音信号转化为一串分离的单元，在计算机中用0和1表示。通常用模数转换器执行这个转换。l数字化是利用数字技术对传统的技术内容和体系进行改造的进程。数字化的核心是离散化，其本质是如何将连续物理现象、模糊的不确定现象、设计制造过程的物理量和伴随制造过程而出现和产生的几何量、设计制造环境、个人的知识、经验和能力离散化，进而实现数字化。1.9 数字化制造数字化制造数字化制造以设计为中心以设计为中心以管理为中心以管理为

35、中心以控制为中心以控制为中心数字化制造就是指制造领域的数字化，它是制造技术、计算机技术、数字化制造就是指制造领域的数字化，它是制造技术、计算机技术、网络技术与管理科学的交叉、融和、发展与应用的结果，也是制造企网络技术与管理科学的交叉、融和、发展与应用的结果，也是制造企业、制造系统与生产过程、生产系统不断实现数字化的必然趋势。业、制造系统与生产过程、生产系统不断实现数字化的必然趋势。第二章第二章 数字化智能设计数字化智能设计l概述概述l绘图绘图三维三维CADl计算机辅助工程计算机辅助工程(CAE)l计算机辅助制造计算机辅助制造(CAM)l计算机辅助工艺设计计算机辅助工艺设计(CAPP)l计算机辅

36、助工业设计计算机辅助工业设计(CAID)l数字原型数字原型虚拟现实虚拟现实2.1 概述概述数字化设计数字化设计数字化设计数字化设计就是通过数字化的手段来改造传统的产品设计就是通过数字化的手段来改造传统的产品设计方法，旨在建立一套基于计算机技术、网络信息技术，支方法，旨在建立一套基于计算机技术、网络信息技术，支持产品开发与生产全过程的设计方法。数字化设计的内涵持产品开发与生产全过程的设计方法。数字化设计的内涵是支持产品开发全过程、支持产品创新设计、支持产品相是支持产品开发全过程、支持产品创新设计、支持产品相关数据管理、支持产品开发流程的控制与优化等。归纳起关数据管理、支持产品开发流程的控制与优化

37、等。归纳起来就是产品建模是基础，优化设计是主体，数据管理是核来就是产品建模是基础，优化设计是主体，数据管理是核心。心。2.1 概述概述数字化设计制造数字化设计制造数字化设计制造的本质数字化设计制造的本质是产品设计制造信息的数字化，是是产品设计制造信息的数字化，是将产品的结构特征、材料特征、制造特征和功能特征统一将产品的结构特征、材料特征、制造特征和功能特征统一起来，应用数字技术对设计制造所涉及的所有对象和活动起来，应用数字技术对设计制造所涉及的所有对象和活动进行表达、处理和控制，从而在数字空间中完成产品设计进行表达、处理和控制，从而在数字空间中完成产品设计制造过程，即制造对象、状态与过程的数字

38、化表征、制造制造过程，即制造对象、状态与过程的数字化表征、制造信息的可靠获取及其传递，以及不同层面的数字化模型与信息的可靠获取及其传递，以及不同层面的数字化模型与仿真。仿真。2.1 概述概述数字化设计制造特点数字化设计制造特点与传统的制造系统相比，数字化设计制造具有以下特点：与传统的制造系统相比，数字化设计制造具有以下特点：过程的延伸：过程的延伸：不仅是产品零件、部件的设计和加工制造过不仅是产品零件、部件的设计和加工制造过程，而且包括工装设计制造、检测和服务等。程，而且包括工装设计制造、检测和服务等。智能水平的提高：智能水平的提高：人工智能技术在数字化制造系统诸多方人工智能技术在数字化制造系统

39、诸多方面的应用，包括零件设计、工艺设计、工装设计、过程控面的应用，包括零件设计、工艺设计、工装设计、过程控制等，使系统的智能水平提高并更为有效。制等，使系统的智能水平提高并更为有效。集成水平的提高：集成水平的提高：覆盖零件全生命周期，实现生命周期各覆盖零件全生命周期，实现生命周期各个阶段的横向集成和企业各个层次的纵向集成，在信息集个阶段的横向集成和企业各个层次的纵向集成，在信息集成的基础上实现功能和过程集成（实现在正确的时间将正成的基础上实现功能和过程集成（实现在正确的时间将正确的信息传递给正确的人）。确的信息传递给正确的人）。2.1 概述概述产品形成过程产品形成过程l 产品规划概念设计生产准

40、备详细设计昨天昨天过程序列产品规划 概念设计 详细设计 生产准备PDM数字模型过程管理明天明天过程流产品规划概念设计详细设计生产准备PDM今天今天过程链2.1 概述概述产品设计过程产品设计过程 重点放在开发和制造零件重点放在产品的形成过程原型重点放在产品全生命周期产品从从CAD到虚拟到虚拟现实现实虚拟现实虚拟现实 3D CAD 2D CAD绘图绘图Digital Mock-upDigital Prototyping2.2 绘图绘图 三维三维CAD任务1 任务的明确和细化2 确定功能原理及其结构3 寻求原理方案及其结构4 划分成可实施的模块5 标准模块设计6 产品总体设计7 详细设计和编制使用说

41、明进一步实施产品文档 预方案模块结构原理方案 总方案功能结构需求清单前进或返回到一个或多个工作步骤2.2.1 计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD-Computer Aided Design)l先导性：先导性：提前进行产品的样品设计或虚拟设计，可以让用户实时从提前进行产品的样品设计或虚拟设计，可以让用户实时从屏幕上看到尚未问世的新产品的外观与性能，对其进行多方面的观屏幕上看到尚未问世的新产品的外观与性能，对其进行多方面的观察和评审，为产品的方案设计及标书的编写和绘制做出快速反应。察和评审，为产品的方案设计及标书的编写和绘制做出快速反应。l可仿真性：可仿真性：在产品进入详细设计阶段时，在产品进入

42、详细设计阶段时，CAD技术可以进行模拟装技术可以进行模拟装配和运动仿真，以便及早发现运动机构的碰撞或空间布局中的干涉，配和运动仿真，以便及早发现运动机构的碰撞或空间布局中的干涉，避免不必要的损失和浪费。避免不必要的损失和浪费。l并行性：并行性：便于组织实施并行工程，在计算机中确立产品模型和总体便于组织实施并行工程，在计算机中确立产品模型和总体布局，与之配套的各个独立系统、部件组、试验组、生产准备等都布局，与之配套的各个独立系统、部件组、试验组、生产准备等都可以在总体设计下同时分头协调地进行工作，大大加快产品开发速可以在总体设计下同时分头协调地进行工作，大大加快产品开发速度。度。CAD技术特点2

43、.2.1 计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD-Computer Aided Design)l动态扩展性：动态扩展性：能方便、快捷地输入已有的图样，并对图样上的信息能方便、快捷地输入已有的图样，并对图样上的信息缺陷实现修复，能根据客户提出的各种设计及时修改；在此基础上缺陷实现修复，能根据客户提出的各种设计及时修改；在此基础上建立的各种数据库越来越丰富，可以方便地检查和迅速组织各套图建立的各种数据库越来越丰富，可以方便地检查和迅速组织各套图的发放，为生产准备工作的各个方向赢得时间。的发放，为生产准备工作的各个方向赢得时间。l效益性：效益性：CAD技术作为信息技术的一个重要组成部分，是促进科研技术

44、作为信息技术的一个重要组成部分，是促进科研成果的开发和转化、实现智能劳动自动化、加快国民经济发展、有成果的开发和转化、实现智能劳动自动化、加快国民经济发展、有利于国防现代化的一项关键性高技术；是提高产品设计质量、缩短利于国防现代化的一项关键性高技术；是提高产品设计质量、缩短开发周期、大幅度提高劳动生产率的重要手段；是企业提高创新能开发周期、大幅度提高劳动生产率的重要手段；是企业提高创新能力和管理水平、增强市场竞争力和参与国际竞争的必要条件。力和管理水平、增强市场竞争力和参与国际竞争的必要条件。CAD技术的开发与应用水平已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代技术的开发与应用水平已成为衡量一个国家

45、科技现代化和工业现代化的重要标志之一。化的重要标志之一。2.2.2 CAD 的发展历程的发展历程平板式绘图机平板式绘图机“七七 五五” “八八 五五” “九九 五五” 计算机辅助绘图 计算机辅助设计 计算机辅助产品开发 国产CAD软件的国内市场占有率我国CAD应用的普及与深化历程甩图板甩图板概念形状设计概念形状设计2.2.3 概念设计与形状设计概念设计与形状设计概念设计的步骤概念设计的步骤要求清单问题抽象化，确定问题本质问题抽象化，确定问题本质概念构建功能结构构建功能结构探索实现子功能的设计方案原理探索实现子功能的设计方案原理组合方案原理以实现总体功能组合方案原理以实现总体功能选择合适的方案原

46、理组合选择合适的方案原理组合确定侯选方案确定侯选方案侯选方案评价侯选方案评价2.2.2 概念设计与形状设计概念设计与形状设计概念设计阶段产品信息特性概念设计阶段产品信息特性概念设计阶段产品信息特性概念设计阶段产品信息特性 产品信息是定性的产品信息是定性的(Qualitative)(Qualitative) 产品信息是不精确的产品信息是不精确的(Imprecise)(Imprecise) 产品信息是不确定的产品信息是不确定的(Uncertain)(Uncertain) 产品信息是不完全的产品信息是不完全的(Incomplete)(Incomplete)2.2.2 概念设计与形状设计概念设计与形状

47、设计形状设计形状设计=工程设计人员常常以草图等工程设计人员常常以草图等概略形状来描述设计方案概略形状来描述设计方案=传统的传统的CADCAD技术基于定量的技术基于定量的形状数学模型形状数学模型=自然直观地表达和传输人类概念，自然直观地表达和传输人类概念，具有充分的表现力具有充分的表现力=不依赖定量信息的定性形状表现不依赖定量信息的定性形状表现=计算机建模和操作有利于形状的计算机建模和操作有利于形状的表达和演变表达和演变2.2.3 概念形状设计概念形状设计2.2.4 当前当前CAD面临的主要问题面临的主要问题 曲面与实体集成核心技术问题大型组件设计技术问题模型资料的交换技术以及CAD设计方法技术

48、二维三维CAD的集成与应用问题2.3 计算机辅助工程计算机辅助工程(CAE-Computer Aided Engineering)1 1、有限元分析技术：、有限元分析技术：基本思想是将问题的求基本思想是将问题的求解区域划分为一系列单元，单元之间仅靠节点解区域划分为一系列单元，单元之间仅靠节点连接。连接。有限元分析的三个阶段有限元分析的三个阶段 前处理：产生模型结构的有限元网格划分，定义边界条件，前处理：产生模型结构的有限元网格划分，定义边界条件，零件本身的特性（如材料、密度等）和工况条件的施加等，为零件本身的特性（如材料、密度等）和工况条件的施加等，为后续的数值分析做数据准备。后续的数值分析做

49、数据准备。 解算：根据前处理生成的网格模型和附加条件，构造数值解算：根据前处理生成的网格模型和附加条件，构造数值方程后解算出数值解。方程后解算出数值解。 后处理：将数值解与零件的几何模型联系在一起，以彩色后处理：将数值解与零件的几何模型联系在一起，以彩色等值线、零件变形图或动画形等式把数值解形象地体现出来。等值线、零件变形图或动画形等式把数值解形象地体现出来。2.3 计算机辅助工程计算机辅助工程(CAE-Computer Aided Engineering)2 2、优化技术：优化技术：优化设计是上世纪优化设计是上世纪60年代初期年代初期发展起来的一门新学科，它是最优化技术和计发展起来的一门新学

50、科，它是最优化技术和计算机技术在设计领域应用的结果。优化设计为算机技术在设计领域应用的结果。优化设计为工程设计提供了一种重要的科学设计方法，在工程设计提供了一种重要的科学设计方法，在解决复杂设计问题时，它能够从众多的设计方解决复杂设计问题时，它能够从众多的设计方案中找到尽可能完善或最适宜的设计方案。案中找到尽可能完善或最适宜的设计方案。主要包含两部分内容：优化设计问题的建模技术和主要包含两部分内容：优化设计问题的建模技术和优化设计问题的求解技术。优化设计问题的求解技术。优化设计数学模型的三要素：设计变量、目标函数优化设计数学模型的三要素：设计变量、目标函数和约束条件和约束条件2.3 计算机辅助

51、工程计算机辅助工程(CAE-Computer Aided Engineering)3 3、仿真技术：仿真技术：借助计算机，用系统的模型对真借助计算机，用系统的模型对真实系统或设计中的系统进行试验，以达到分析、实系统或设计中的系统进行试验，以达到分析、研究与设计该系统的目的。利用仿真技术不但研究与设计该系统的目的。利用仿真技术不但可以预示或再现系统的运动规律和运动过程，可以预示或再现系统的运动规律和运动过程，而且可以对无法直接进行试验的系统进行仿真而且可以对无法直接进行试验的系统进行仿真试验研究。通过仿真可以将产品在制造和使用试验研究。通过仿真可以将产品在制造和使用过程中可能发生的问题提前到设计

52、阶段处理，过程中可能发生的问题提前到设计阶段处理，在减少损失、节约经费、缩短开发周期、提高在减少损失、节约经费、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥着巨大作用。产品质量等方面发挥着巨大作用。2.3 计算机辅助工程计算机辅助工程(CAE-Computer Aided Engineering)4 4、虚拟样机技术：、虚拟样机技术：利用计算机建立产品的三维几利用计算机建立产品的三维几何模型，经过建立约束关系的装配模型、功能和何模型，经过建立约束关系的装配模型、功能和性能仿真，部分或全部代替物理样机的试验，使性能仿真，部分或全部代替物理样机的试验，使得物理样机在真正生产之前，产品性能的大部分得物理样机

53、在真正生产之前，产品性能的大部分已通过了计算机模拟或验证，从而减少产品设计已通过了计算机模拟或验证，从而减少产品设计的返工和出错率，提高设计效率，同时又可及早的返工和出错率，提高设计效率，同时又可及早发现物理样机在制造和装配中可能出现的问题。发现物理样机在制造和装配中可能出现的问题。关键技术：三维几何建模技术、产品的数字化定义方法、关键技术：三维几何建模技术、产品的数字化定义方法、数字化预装配以及仿真技术。数字化预装配以及仿真技术。2.4 计算机辅助制造计算机辅助制造(CAM-Computer Aided Manufacturing)计算机辅助制造计算机辅助制造CAM：指利用计算机辅助完指利用

54、计算机辅助完成从生产准备到产品制造整个过程的活动，成从生产准备到产品制造整个过程的活动， 完成复杂零件的数控加工包括工艺过程设计、完成复杂零件的数控加工包括工艺过程设计、工装设计、工装设计、NC 自动编程、生产作业计划、生自动编程、生产作业计划、生产控制、质量控制等。产控制、质量控制等。CAM 的支撑技术是数的支撑技术是数控编程、刀具轨迹生成、数控加工仿真技术。控编程、刀具轨迹生成、数控加工仿真技术。2.5 计算机辅助工艺规划计算机辅助工艺规划(CAPP-Computer Aided Process Planning)计算机辅助工艺规划计算机辅助工艺规划(CAPP)：是实现是实现CAD/CAM

55、一体一体化，建立集成制造系统的桥梁，是一种通过计算机技化，建立集成制造系统的桥梁，是一种通过计算机技术，以系统化、标准化的方法，辅助确定零件或产品术，以系统化、标准化的方法，辅助确定零件或产品从毛胚到成品的制造工艺流程规划方法与技术。它通从毛胚到成品的制造工艺流程规划方法与技术。它通过加工工艺信息（材料、热处理、批量等）的输入，过加工工艺信息（材料、热处理、批量等）的输入，利用人机交互方式或由计算机自动生成零件的工艺路利用人机交互方式或由计算机自动生成零件的工艺路线和工序内容等工艺文件。与传统的手工工艺过程设线和工序内容等工艺文件。与传统的手工工艺过程设计相比，计相比，CAPP能够显著提高工艺

56、文件的质量和工作能够显著提高工艺文件的质量和工作效率，减少工艺编制工作对工艺人员技能的依赖，缩效率，减少工艺编制工作对工艺人员技能的依赖，缩短生产准备周期，便于保留企业生产经验，建立工艺短生产准备周期，便于保留企业生产经验，建立工艺知识库，改进工艺方法，引入新工艺。知识库，改进工艺方法，引入新工艺。2.6 计算机辅助工业设计计算机辅助工业设计(CAID-Computer-aided Industrial Design)计算机辅助工业设计计算机辅助工业设计(CAID)：传统的产品设计主要是传统的产品设计主要是面向功能的设计，往往忽略产品的造型、肌理、色彩、面向功能的设计，往往忽略产品的造型、肌理

57、、色彩、装饰、人机因素等，随着市场竞争的日益激烈，可供装饰、人机因素等，随着市场竞争的日益激烈，可供顾客选择的产品空间越来越大，顾客除了选择产品的顾客选择的产品空间越来越大，顾客除了选择产品的使用功能外，更加注重产品的外观、色彩、宜人性等使用功能外，更加注重产品的外观、色彩、宜人性等个性化特征。这些往往成为产品的主要卖点，同时也个性化特征。这些往往成为产品的主要卖点，同时也使得产品具有更高的附加值。使得产品具有更高的附加值。CAID是工业设计理论与是工业设计理论与CAD技术的有机结合，它是与工业设计的特点技术的有机结合，它是与工业设计的特点及工业设计师的设计思维和习惯相适应的一种计算机辅助设计

58、技术。及工业设计师的设计思维和习惯相适应的一种计算机辅助设计技术。CAID技术以工业设计知识为核心，以计算机为辅助工具，运用工业设技术以工业设计知识为核心，以计算机为辅助工具，运用工业设计的理念和方法，实现形态、色彩、宜人性设计和美学原则的定量化描计的理念和方法，实现形态、色彩、宜人性设计和美学原则的定量化描述，充分发挥计算机快速、高效的优点，以及设计人员的创造性思维、述，充分发挥计算机快速、高效的优点，以及设计人员的创造性思维、审美能力和综合分析能力。审美能力和综合分析能力。2.7 数字原型数字原型虚拟现实虚拟现实图形库标准及通用件库设计文档资料库工艺文件与数据库 实例库NC程序库工具库PD

59、M平台及网络数据库支撑环境设计目录概形方案设计布置方案设计原理方案设计功能设计需求分析产品概念设计产品概念设计基于主模型的协同设计基于反求工程的快速产品建模基于加工过程和信息的产品建模参数化特征造型产品详细设计产品详细设计产品可装配性分析产品可制造性分析产品运动学/动力学分析产品结构分析产品分析产品分析装配轨迹自动/半自动实现装配序列自动/半自动实现加工轨迹规划检测过程仿真装配过程仿真加工过程仿真运动/动力学仿真产品实现产品实现过程虚拟仿真过程虚拟仿真加工工艺规划产品工艺产品工艺规划规划虚拟产品开发系统的虚拟产品开发系统的一般性体系结构一般性体系结构 2.7.1 虚拟制造虚拟制造产产品品2.7

60、.2 虚拟制造与虚拟制造与CAD/CAE/CAM建建模模仿真仿真2.8 实例一：邦迪管路基于实例一：邦迪管路基于UG的管路设的管路设计计CAD系统系统基于三维软件系统基于三维软件系统UG 平台开发，平台开发，具有具有胎具设计系胎具设计系统统和和检具设计系统检具设计系统两大子系统。两大子系统。通过通过参数化标准件、参数化标准件、Excel数据数据文件，文件，一键式生成一键式生成复杂管路复杂管路；一键式生成胎具和检具一键式生成胎具和检具。可由可由UG的工程图转换为二维的工程图转换为二维dwg格式文件，可用格式文件，可用AutoCAD打开并编辑打开并编辑；可入库（可入库（PDM管理）保存管理）保存和