先进制造新概念20课件

1、第六章 先进制造新概念智能制造敏捷制造并行工程虚拟制造快速原型技术绿色制造先进制造技术发展趋势一、智能制造 智能制造的定义 智能制造是研究制造活动中的信息感知与分析、知识表达与学习、智能决策与执行的一门综合交叉技术，是实现知识属性和功能的必然手段。 智能制造是人类的智慧向制造装备转移的过程。？智能制造的技术体系智能制造：感知与测控网络机器学习与制造知识发现面向制造的综合推理图形化建模与仿真智能全息人机交互智能制造设备：工况感知与智能识别性能预测与智能维护智能规划与智能编程智能数控与伺服驱动智能制造系统：系统建模与自组织智能制造执行系统智能企业管控智能供应链管理流程智能控制智能制造服务：服务感知

2、与控制的互联工业产品智能服务服务过程的智能运控物联网与物流智能服务制造与服务的集成共享一、智能制造新型光机电传感系统、嵌入式控制系统等；数字制造技术：CNC/CAD、CAM、CAE、CIMS；传感与控制技术；人工智能技术：知识表示、机器学习、自动推理、智能计算；互联网、物联网及射频识别技术（RFID，电子标签）数学：数理逻辑、数学机械化、随机过程与统计分析、运筹与决策分析、计算几何、非线性系统动力学等。 智能制造的支持技术一、智能制造 无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。一、智能制造 知识经济时代的必然选择

3、与设备、资本投入作为经济增长模式不同，知识含量起着越来越重要的因素。市场的必然选择 可以提高能源和原材料的利用率，降低污染排放水平，提高产品质量。是先进生产力的重要体现 科学技术是第一生产力，而智能制造技术是先进科学技术在制造领域的集中体现。智能制造是制造技术发展的必然趋势一、智能制造智能制造与制造智能制造智能的涵义 制造智能指制造过程中的知识、知识的发现和推理能力、智能系统结构与结构演化能力。是智能制造的基础和共性技术，包括以下关键技术： 感知与测控网络技术； 机器学习与制造知识发现技术； 面向制造的综合推理技术； 图形化建模与仿真技术； 智能全息人机交互技术。一、智能制造 1）感知与测控网

4、络技术 感 知：各种智能传感器，智能仪表 测控网络：通过计算机实时网络技术实现感知到的信息的收集、传输、管理、使用的技术。 研究目标：研究微型多功能集成智能传感器与传输技术，RFID和物联网智能终端技术；开发基于工业总线的即插即用技术和实时网络操作系统，开发基于M2M和制造物联网的产品设计 、生产、管理和服务技术。制造智能的关键技术一、智能制造 机器学习：把人类的知识教给计算机 知识发现：计算机通过机器学习、知识发掘从数据和信息中自动提炼知识并升华为制造策略。 研究目标：解决异构数据库/知识库间的冲突和一致性维护问题，实现异构数据库/知识库间的透明访问，针对特定的制造活动，开发工艺知识库系统，

5、研究高效、分布、异构数据挖掘技术与知识发现技术。2）机器学习与制造知识发现技术制造智能的关键技术一、智能制造 3）面向制造的综合推理技术 制造过程中的推理：制造过程中的推理是不确定、不 精确、不完整的推理问题。 研究目标：建立不确定、不精确、非完整信息的分布/混合推理技术；研究抽象代数、计算几何、微分几何在数控加工、自动装配、逆向工程、机器视觉、形位测量与误差评定中的应用。制造智能的关键技术一、智能制造 4）图形化建模与仿真技术 图形化建模与仿真：图形操作代替符号、数字操作实现制造过程中的建模和仿真。 研究目标：建立制造资源不同属性以及资源间互相作用/约束的抽象的统一描述方法，建立面向制造资源

6、库的图形化建模、规划、编程与仿真集成开发平台。制造智能的关键技术一、智能制造 5）智能全息人机交互技术 目前交互方法：键盘、鼠标、图形、视频、语音、触摸屏、数据手套等。 研究目标：研究实时鲁棒处理技术和基于机器视觉的刚/柔体空间状态感知和运动识别技术；研究视网膜扫描、脑机接口、生机接口和生理信号识别技术；最终实现全浸入式的“人在场景中”智能人机交互系统。制造智能的关键技术一、智能制造智能制造装备 智能制造装备的涵义 智能制造装备具有感知、决策、执行功能，其技术特征是：自行感知分析和处理运行环境；自行规划、控制、决策，故障自行诊断和修复，主动分析自身性能力劣化和维护，能够参与网络集成和网络协调。

7、 未来市场需求及产品 （1） 智能机床 （2） 智能成形制造设备 （3）特种智能制造设备 （4）智能机器人 （5）智能工程机械一、智能制造 智能制造装备的关键技术 1）装备运行状态和环境的感知与识别技术 对于金属切削机床指：加工精度、温度、切削力、热变形、应力应变、图像信息等。 研究目标：新型传感器技术：高灵敏、高可靠、高精度的检测环境信息； 感知系统的组网：高速、高精度数据传输、安全处理和容错能力，异构信息的无缝交换能力；基于机器视觉的多元环境建模和图像理解能力。 一、智能制造 2）性能预测和智能维护技术 内 容：刀具磨损情况、机床故障状态、振动状态、精度退化状态等。 研究目标：建立状态表征

8、体系（振动、负载、热变形、温度、压力等）与装备性能表征指标间的映射关系； 研究损伤智能识别，自愈合和智能维护技术，完善损伤特征提取方法和实时处理技术，最终实现对故障自诊断和自修复；实现重大技术装备的寿命测试和寿命预测，对可靠性和寿命精确评估。 一、智能制造 3）智能工艺规划和智能编程技术 问 题：现有的工艺规划基本是依靠经验的派生式，现有的编程系统主要是面向零件几何的编程，没有综合考虑机床工装和零件材料特性，智能工艺规划和编程主要是由计算机模拟专家处理上述情况。 研究目标：研究工艺系统和子系统间的复杂界面行为和耦合关系，建立工艺系统和作业环境的集成数学模型和标定方法； 建立面向典型行业的工艺数

9、据库和工艺知识库，完善机床、机器人、工程机械模型库，实现多目标工艺优化；完善专家经验与计算智能的融合，建立规划与编程的智能推理和决策方法。 一、智能制造 4）智能数控系统与智能数控驱动技术 内 容：数控功能的提高，如视觉伺服功能、力反馈与力/位反馈混合控制功能、振动控制功能、负荷控制功能、质量调控功能、伺服参数和插补参数自调整功能、各种误差补偿功能等。 研究目标：完善伺服控制技术，实现系统参数自动识别、控制参数自动配置、多轴参数的自动优化、振动主动控制； 完善基于视觉感知的伺服控制，实现防碰撞技术，实现自律运动、无人驾驶和灵巧操作；运用虚拟现实和人工智能技术，实现语音控制和基于虚拟现实环境的操

10、作，发展智能化人机交互技术。 一、智能制造 制 造 智 能 技 术目标：智能感知、学习、推理、决策、执行智能终端技术、机器学习/数据挖掘/知识发现技术、综合推理/决策支持技术智能人机交互技术、图形化建模与仿真技术目标：即插即用即插即用技术、嵌入式操作系统技术、实时网络操作系统技术、M2M(Machine-to-Machine/Man)制造物联网技术2010年 2020年 2030年制造智能技术一、智能制造智能制造装备技术 智 能 制 造 装 备 技 术目标：智能感知、智能决策、智能执行工况感知技术、智能维护技术、智能工艺规划技术智能伺服驱动技术目标：学习、推理、自律智能编程技术、智能数控技术2

11、010年 2020年 2030年一、智能制造智能制造系统技术 智 能 制 造 系 统 技 术目标：智能决策、智能调度、智能管控智能制造执行技术、企业智能管控技术、智能仪表/执行器技术FCS与智能控制技术目标：可重构、自组织、协调优化建模与自组织技术、智能供应链管理、全生产线的在线协调 优化控制技术2010年 2020年 2030年一、智能制造智能制造服务技术 智 能 制 造 服 务 技 术目标：智能感知与智能服务服务状态感知技术、产品智能服务技术、生产智能服务技术目标：制造物联网制造物联网技术、智能物流技术、制造与服务智能集成与共享2010年 2020年 2030年一、智能制造智能制造实例磨削

12、力适应控制智能制造实例凸轮自动定位智能制造实例基于计算机视觉的数控加工 先进制造新概念智能制造敏捷制造并行工程虚拟制造快速原型技术绿色制造先进制造技术发展趋势二、敏 捷 制 造 敏捷制造（Agile Manufacturing）这一概念是1991年美国国防部为解决国防制造能力问题而委托美国里海（Lehigh）大学亚柯卡（Iacocca）研究所，拟定的一个同时体现工业界和国防部共同利益的中长期制造技术规划框架。 它包括如下特征： （1）敏捷制造是信息时代最有竞争力的生产模式。 （2）敏捷制造具有灵活的动态组织机构。 （3）敏捷制造采用了先进制造技术。 （4）敏捷制造必须建立开放的基础结构。敏捷制

13、造的内涵 敏捷制造模式的创立人认为，随着生活水平的日趋提高，对产品的需求和评价标准从质量、价格、功能转变为最短交货期、最大客户满意、资源保护和污染控制等方面，是一种继大量生产时代后的制造产品、分配产品和提供服务的新的制造模式。 它强调将许多柔性的、先进的、实用的制造技术，高素质的劳动者以及企业之间和企业内部灵活的管理三者有机地结合起来，对顾客需求的产品和服务驱动的市场，迅速做出快速响应。二、敏 捷 制 造敏捷制造企业的主要特征 1高度柔性 2先进的技术系统3高素质人员4用户的参与 二、敏 捷 制 造 敏捷制造基本思想： 通过将高素质的员工、动态灵活的组织结构、企业内及企业间的灵活管理以及柔性的

14、先进生产技术进行全面集成，使企业能对连续变化、不可预测的市场需求作出快速反应，由此而获得长期的经济效应。 敏捷制造的出发点是多样化、个性化的市场需求和瞬息万变的经营机遇，是一种“定单式”的制造方式。敏捷性反映的是制造业驾御变化、把握机遇和发动创新的能力。 敏捷制造是推行面向产品过程的小组工作式，企业间由机遇驱动而形成动态联盟。虚拟制造是敏捷制造的一种实现手段.二、敏 捷 制 造100多年前，福特汽车公司为了确保汽车各零件之间的互换性和严格的交货周期，建立了纵向一体化的大而全的企业，利用严格管理，实现大批量、低成本、高效率的生产目标。 随着社会的进步，福特等公司也随之变成了只掌握设计及总装的企业

15、，汽车的大多数配件都是协作厂生产的。经验证明，大而全的企业王国，纵向一层一层的结构，容易产生官僚主义，对市场的响应也慢。企业集成的发展道路就是充分针对某种产品开发的企业动态联盟，并以最快最省的方式开发产品，推向市场。 美国把敏捷制造看成21世纪的制造战略，是重振美国制造业雄风的关键。 我国一直提倡的“专业化协作生产”就是朴素的敏捷制造的思想，但技术手段则是十分原始的。二、敏 捷 制 造 先进制造新概念智能制造敏捷制造并行工程虚拟制造快速原型技术绿色制造先进制造技术发展趋势三、并行工程 需求 结构设计 工艺设计 制造a）串行工程b）串行工程T 1988年，美国防御分析研究所以武器生产为背景，对传

16、统的生产模式进行了分析，首次提出了并行工程的概念。1992年引入我国。串行的产品设计方法 存在的问题各下游开发部门所具有的知识难以加入到早期设计。各部门目标和评价标准的差异和矛盾降低了整体效率部门之间难沟通；设计改动量大；产品开发周期长；产品成本高。 概而言之：以部门为基础的组织机构严重地妨碍了产品开发的速度和质量三、并行工程 并行工程(CE) 概述 市场竞争日趋激烈,而唯有提高产品质量、缩短产品开发周期、降低成本才能使企业在竞争中取胜。因此，并行工程(CE)应运而生。并行工程自提出以来，引起各国的政府部门、学术界和工业界的高度重视，并迅速由研究走向应用开发。我国对此也非常重视，国家科委从战略

17、的高度出发，将并行工程设立为(CIMS)关键技术攻关项目，作为CIMS 进一步发展的方向。三、并 行 工 程并行的产品设计方法 1）并行工程主要思想 并行工程是一种强调各阶段领域专家共同参加的系统化产品设计方法；设计时同时考虑产品生命周期的所有因素。 设计过程中各活动并行交叉进行。不同领域技术人员的全面参与和协同工作。三、并行工程 设计时同时考虑产品生命周期的所有因素（研制）研究市场制定产品规格设计开发适用性供应单位 采购制定工艺研究销售生产检验工序控制测试仪器仪表以及设备装置服务市场并行工程-过程重构三、并 行 工 程并行工程设计时同时考虑产品生命周期的所有因素三、并 行 工 程并行工程可制

18、造性可装配性质量保证顾客满意可靠性环境保护功能并行工程设计时同时考虑产品生命周期的所有因素三、并 行 工 程概念设计结构概念设计工艺概念设计初步设计产品初步方案工艺初步方案详细设计产品详细方案工艺详细方案企业各职能部门设计过程中各种活动并行交叉进行三、并 行 工 程环保人员开发小组顾客供应商质量人员制造人员装配人员营销人员设计人员跨职能小组生产财务供应采购用户设计工艺其他 不同领域技术人员的全面参与三、并 行 工 程总经理设计生产制造销售财务、人力等供应商服装经销商其他相关人员时装开发并行工程项目组时装开发的并行工程工作模式的组织结构平台时装设计公司并行工程案例三、并 行 工 程三、并 行 工

19、 程并行式设计模块绿色度评估指标概念设计结构设计工艺设计加工装配储运销售使用维护废弃后处理考虑环保条件下的并行式绿色设计的产品开发过程资源性指标能耗性指标环境性指标经济性指标三、并 行 工 程并行工程中的主要问题包括：并行工程系统化、集成化产品开发方法与技术。产品开发过程-并行工程实施的引擎。产品数据管理系统功能与应用分析和PDM的功能。产品数据集成-并行工程的核心思想是在CIMS信息集成的基 础上实现产品开发过程的集成，其基本支条件之一是各种计算机辅助工具之间必须实现产品信息的数字化定义及信息集成。并行工程集成框架-并行工程重要的支撑系统之一是集成框架。三、并 行 工 程 制造业第一要旨：使

20、满足用户需求的新产品尽快上市而赢得市场竞争。 传统的开发模式不能在设计的早期就对产品生命周期中的各种因素考虑周全，致使设计频繁更改，因而延长了开发周期，增加了产品成本，并且用户需求还得不到满足。 并行工程(CE)的出现解决了这一难题, 是一种集成、并行地设计产品及相关过程的系统化方法，通过组织多学科产品开发队伍，改进产品开发流程，利用各种计算机辅助工具等手段，使产品开发在初期阶段就能及早考虑下游的各种因素，以达到缩短产品开发周期、提高产品质量、降低产品成本，从而增强企业竞争能力的目标。三、并 行 工 程 运用领域：航空、航天、电子、汽车等领域，对我国的制造业既是挑战，也是机遇。 组织结构形式：

21、矩阵制（攻关小组，开发小组） 开发小组：将不同的专业人员（包括设计、工艺、制造、销售、市场、维修等）组成的开发小组，在同一计算机辅的环境支持下协同工作（甚至可以做到异地设计）；将原来的串行过程尽可能并行进行，以保证在产品设计阶段尽量消除各种不必要的返工，使产品开发一次成功，从而进一步缩短产品开发时间，降低开发成本，以优良的性能价格比参与竞争。 虚拟制造支持三、并 行 工 程并行工程的核心内容：（1）产品开发队伍重构 将传统的部门制或专业组变成以产品（型号）为主线的多功能集成产品开发团队（IPT）（2）过程重构 下流过程在产品开发的早期即参与过程，过程精简，以使信息流动与共享的效率更高（3）数字

22、化产品定义数字化产品模式和产品生命周期数据管理（PDM）；数字化工具定义和信息集成，如DFM、CAD/CAE/CAM等。（4）协同工作环境 用于支持产品开发团队（IPT）协同工作的网络与计算机平台。三、并 行 工 程 并行工程的重要性：提高新产品开发能力 “并行工程作为企业的基本战略，对提高企业的竞争能力已变得绝对重要，企业高层领导的重视程度对并行工程是否能够应用成功起着重要的作用”。 早在20世纪50年代我国曾经提出过的“两参一改三结合”的管理模式，可以说是并行工程最初的朴素哲理。可惜后来未能从理论上加以充实、完善，以致逐步失去了昔日的光彩。三、并 行 工 程并行工程应用实例：（1）洛克希德

23、公司新型导弹的开发 1992.10.洛克希德LMSC接受了美国国防部用于“战区高空防御”的新型号导弹开发计划，开发经费为6.88亿美圆，要求在24个月内完成任务，而过去一般需要5年，采用并行工程的方法，最终得以将产品开发周期缩短了60%，完成了预定的目标。洛克希德公司实施并行工程的主要方法和技术有：改进产品开发流程实现信息集成与共享组织综合的产品开发队伍为群组工作提供网络通信环境，支持异地的电子评审三、并 行 工 程（2）波音公司的应用 波音企业于1991年开始开发新型的777双发动机大型客机。传统的串行开发流程大型客机从设计到原型制造一般需要多则十年，少则七八年，采用了全新的并行产品定义的概

24、念，实现了五年从设计到一次试飞成功的目标。波音实施并行工程的主要方法和技术有：按飞机的部件组成了200多个集成产品开发团队通过并行产品定义（CPD）技术，实施改进的产品开发流程大量应用CAD/CAM技术，做到无图纸生产应用仿真技术与虚拟现实技术三、并 行 工 程 先进制造新概念智能制造敏捷制造并行工程虚拟制造快速原型技术绿色制造先进制造技术发展趋势虚拟加工技术虚拟装配技术 虚拟车间技术 四、虚 拟 制 造虚拟加工技术 早在20世纪60年代，数控机床就已经获得了应用。70年代就有了自动编程技术APT。70年代后期CAD也获得了广泛的的错误率应用。但是实现CAD和CAM的集成是一种始终复杂的工作。

25、所以在实际的制造系统中，经过CAD/CAM的零件，在正式加工之前，一般要进行试切这一步骤。试切的过程也就是 CAD/CAM/ NC系统生成的NC程序的检验过程。随着NC编程的复杂化，NC代码也越来越高。如果NC程序生成不正确，就会造成过切、少切，或加工出废品，也可能发生零件与刀具，刀具与夹具，刀具与工作台的干涉和碰撞，这显然是十分危险的。传统的试切时采用塑模、腊模或木模在专用设备上进行的。这不但浪费人力物力，而且延缓了生产周期，增加了产品开发成本，降低了生产效率，极大影响系统性能。四、虚 拟 制 造虚拟加工是实际加工在计算机上的本质实现，一般采用三维实体仿真技术。在三维实体仿真软件(亦称为加工

26、过程仿真器)的支持下，以NC代码为驱动，数控指令翻译器对输入的Nc代码进行语法检查、翻译。根据指令生成相应的刀具扫描体，并在指令的驱动下，对刀具扫描体与被加工零件的几何体进行求交运算、碰撞干涉检查、材料切除等，并生成指令执行后的中间结果，所有这些虚拟加工过程均可以在计算机屏幕上通过三维动回显示出来。指令不断执行，每一条指令的执行结果均可保存，以便查验，直到所有指令执行完毕，虚拟加工任务结束。 四、虚 拟 制 造虚拟加工过程仿真器应包括以下几个主要的功能模块 (1)几何建模。可进行加工中心设备的几何建模，包括简单体宏定义和装配以形成构成加工中心设备的主轴(箱)、工作台、换刀机械手、导轨及其他部分

27、几何模型，可对简单零件和毛坯进行几何建棋或从其他cADcAPPcAM系统转换零件的几何模型，可实现工件毛坯及夹具在拖盘上的装夹定义。 (2)机床定义。对机床几何模型赋予加工铀、刀库、主轴、工作台等逻辑定义。 (3)刀库定义。可对铿、铣、钻、车削等用的各类刀具参数进行定义和管理。 四、虚 拟 制 造 (4)加工任务设置。包括刀库定义、工件装夹、零偏设置、NC代码加载等。 (5)Nc代码翻译转换。可支持多种控制器的Nc代码解释，不仅可提取出驱动加工中心设备模型运动的数据，而且可提取各种加工状态信息和工步信息，以支持工件材料切除的计算。 (6)加工过程仿真。用动画展现加工过程中材料切除的过程和设备的

28、工作状态，并支持Nc代码窗口调试能力，检查刀具与夹具和工作台的碰撞及过切、少切现象检查无效的NC代码动作、进给和切削用量的合理性。 (7)成品检验。对加工后的工件几何模型进行各种测量。四、虚 拟 制 造虚拟加工数控机床的几何建摸 机械设备的几何建模包括零件的几何建模和设备的几何建摸。在单个零件的几何建模方面，一般以csG和Brep表示或两者的混合表示为基础。建模方法中有简洁易行的平扫法、回转法，还有特征造型和参数化造型方法。在机械设备建模方面，一般采用两种方法来表示装配体中组成元件之间的相互关系。一类是宜接存储元件之间的相互位置信息，如齐次变换矩阵35一种方法是只存储组件之间的配合、连接等装配

29、信息。对数控机床的几何表示目前还没有一个较为治确酌模型，数控机床有它自己的结构特点，它的几何模型既要适应加工过程中的快速显示，又要便于描述它的运动，建立它的运动模型。四、虚 拟 制 造虚拟加工数控机床的运动学模型和刀具管理 目前，机械系统的运动学建模方法很多，但对于数控机床的仿真运动模型的描述研究还比较少。对于刀具的管理，目前已有一些研究主要集中在刀库存储管理、刀具标准化、刀具的加工设置、对刀具员优化加工条件、刀具在刀架上的排列和刀具的磨损监控等何题，人们也作了研究。虽然刀具涉及的问题报复杂，但针对具体情况提出的理论和方法往往是有效的。 四、虚 拟 制 造虚拟加工数控程序约分析处理 Nc代码翻

30、译器用于指挥虚拟机床的动作和状态，机床的一切动作和状态都要受NC代码翻译器的控制。20世纪70年代以来，随着数控图形编程和实体显示技术的迅速发展，对Nc代码翻译器的需求也日益强烈。目前的Nc代码翻译器为专用翻译器，即只适用于其一类数控系统。四、虚 拟 制 造虚拟加工运动物体的碰撞检测和加工件的逐步成形 运动物体的几何碰撞十涉检验算法的研究在图形学、起动物体仿真和规划，以及制造系统的编程与控制中占据着极其重要的地位。碰撞检测算法一般可根据其采用的表示模型来划分。成形的算法大都是以B，eP几何表示模型为基础的，碰撞检测是由连续的表面和形体的相交测试来实现的。显然，这种算法计算时间取决于物体表而的数

31、量，运算效率比较低。为了提高效率人们在八叉树的基础上提出一种快速算法和以层次球状为基础的碰撞检验算法。四、虚 拟 制 造四、虚 拟 制 造虚拟装配技术 装配是产品开发活动中最具影响力的一个环节。现代产品的竞争是性能、质量、价格、上市时间、外观形状、售后服务等多种因素的综合竞争，所有这些因素无不与装配存在密切联系。产品的质量是由设计师设计拟定的，由制造阶段提供保证，并由装配阶段具体落实的。装配质量的好坏直接反映在产品的性能、质量上。 四、虚 拟 制 造 20世纪90年代，并行工程(CE)和虚拟制造(VM)技术的兴起导致了产品设计的广义化，许多处于下游阶段的活动如制造、装配、测试、质量控制等都可望

32、在产品设计的同时并行考虑。在此背景下，装配设计范围自然扩展为产品生命周期中与装配有关的各种活动。从这个意义上讲，产品装配结构设计、装配公差分析与综合、装配工艺规划(APP)、装配系统规划(ASP)等，均应是广义的装配设计范围，实际上，它是一种基于三维数字模型的集成化装配设计，亦称为虚拟装配。 四、虚 拟 制 造虚拟装配技术的内涵 虚拟装配是虚拟产品开发过程中至关重要的一环，是一项涉及到零部件构型与布局、材料选择、装配工艺规划、公差分析与综合等众多内容的复杂、综合性工作，其作用和地位可归结为如下几个方面， (1)拟定结构方案，优化装配结构。这是装配设计的外在表现，装配设计的基本任务是从原理方案出

33、发在各种因隶制约下寻求装配结构的员优解，由此拟定装配草图。 (2)改进装配性能，降低装配成本。基本要求是确保产品的军部件能够装配到位；进一步的要求是确保产品装配能够比较容易实现，即装配成本尽可能低廉。四、虚 拟 制 造 (3)产品可制造性的基础和依据。制造的最终目的是能够形成满足用户要求的产品，考虑可装配性必须先于可制造性一旦离开了产品可装配这一前提，谈论可制造性便是毫无意义的，因而虚拟装配是产品可制造性的出发点。 (4)产品并行设计的技术支持和保障。产品并行设计是让下游有关活动尽早融汇到上游的过程中来，使下游的有关因素能在设计早期加以考虑。这种融汇是通过诸如DFx等技术来具体实现和保证的，装

34、配在生产过程中的支配地位确定了虚拟装配的龙头作用。 四、虚 拟 制 造 虚拟装配的定义为：虚拟装配是装配过程在计算机上的本质实现，是基于产品的数字化实体模型，在计算机上分析与验证产品的装配性能及工艺过程，从而提高产品的可装配性。装配在此有双重合义，一是由零部件组成的好态的装配体，二是该装配体的形成过程。 虚拟装配以装配对象(产品及其零部件)的三维实体模型为基础，通过虚拟的实体模型在计算机上仿真装配操作的全过程，进行装配操作及其相关特性的系统分析，实现产品的装配工艺规划，并得到能指导实际装配操作的工艺文件。它是实际装配过程在虚拟环境下的映射，因此，从本质上讲，虚拟装配就是要在产品设计阶段，利用计

35、算机装配出“虚拟产品”，以可视化方式验证、展示和完善产品及其零部件的可装配性。 四、虚 拟 制 造 作为一个新兴研究领域，虚拟装配实际上是多种技术的结合，其发展与产品设计方法学、可视化技术、仿真技术、决策技术、装配和制造技术，以及装配和制造设备的发展等等紧密相关。 四、虚 拟 制 造装配信息建模 从虚拟制造(VM)和虚拟产品开发(VPD)的观点来看，装配模型应该是一种集成化的信息模型，原则上支持面向全生命周期产品设计过程中与装配有关的所有活动和过程，包括产品定义、生产规划和过程仿真中与装配相关的各个子过程。四、虚 拟 制 造装配模型的信息组成 建立产品装配模型的目的是为面向装配的产品设计提供信

36、息来源和存取机制。装配模型不仅要处理设计系统的输入信息，还应能处理设计过程的中可信息和结果信息，因此装配模型信息应随设计过程的推进而逐渐丰富和完善。 装配模型信息主要由6个方面的内容组成: 1、管理信息； 2、几何信息；3、拓扑信息； 4、工程语义信息；5、装配工艺信息； 6、装配资源信息 四、虚 拟 制 造 装配资源是用以实施装配拆卸操作的各种工具、夹具和辅具等，它们在装配拆卸操作中对装配元件起到夹取、运输、操纵和测试的作用，在产品生命周期的制造、维护和回收等环节中有着非常重要的意义。 某些情况下，由于产品设计阶段没能充分考虑装配资源这一因素的制约，后续阶段为了实施产品或部件的装配拆卸操作，

37、往往不得不设计出专用的工具、夹具或辅具，用以解决遇到的各种问题，这无疑在很大程度上增加了产品实现的成本。因此，产品的设计者和装配工艺规划人员必须充分考虑装配资源的合理配置，才能实现装配工艺规程的员优化，保证装配质量和装配效率，从而降低产品装配成本和产品的总成本。 四、虚 拟 制 造装配资源建模的目的 装配资源建模的主要目的，是为了确定一种机制，使装配资源能够快捷有效地介入、操作和退出，从而为考虑装配资源约束的装配工艺规划和仿真提供虚拟装配工作环境。四、虚 拟 制 造四、虚 拟 制 造虚拟车间技术 虚拟车间定为各种类型的软件、建模工具及支持在制造领域内解决各种问题的方法学集成的一种隐喻。它保证产

38、品设计在制造阶段的成功实施，是一个计划 仿真 优化生产系统的过程，具有设计、测试、分析、优化生产布局、生产线的可靠度的能力，实现快速、低成本、高质量地完成所设计的产品的制造生产。他研究如何在企业已有资源的约束下，进行生产环境的布局及设备集成、企业生产计划及调度的优化、基于虚拟样机的工艺规划及生产过程仿真等研究。 四、虚 拟 制 造 虚拟车间研究的内容包括虚拟车间的设计、分析及其支撑平台技术。 虚拟车间设计的主要任务是把生产设备、刀具、夹具、工件、生产计划、调度单等生产要素有机地组织起来。它与车间中设备的利用率、产品的生产效率等密切相关，如果设计不当，就会造成设备利用率低、产量低、操作人员空闲多

39、。在车间设计的初步阶段，设计者根据用户需求，确定车间的功能需求、车间的模式、主要加工设备、刀具和夹具的类型和数量，提出一组候选方案。在详细设计阶段，设计者完成对各个组成单元的完整描述，运用虚拟车间技术生成各个组成单元的虚拟表示，并进而用这些虚拟单元布置整个车间，其中还可加上自动引导小车、机器人仓库等车间常用设备，虚拟车间技术帮助设计者评价、修改设计方案，得到最佳结果，提高设计的成功率。四、虚 拟 制 造 虚拟车间分析的主要任务是研究虚拟车间的调度模型、投料策略与排序策略的协同机制、多目标的调度算法，包括投料策略、排序策略等，以直观的形式显示调度方案的执行过程，并对制造单元内部各设备之间的协调控

40、制进行设计和优化，实现信息、设计与控制的集成。 虚拟车间支撑平台的主要任务在于研究和开发支持虚拟车间设计和分析的开放式的仿真平台，建立支持生产过程快速重组的生产线模型库、决策知识库和产品与设备资源数据库，为开展虚拟车间的设计与分析提供集成的仿真环境和针对仿真结果的分析评价机制。 四、虚 拟 制 造四、虚 拟 制 造 先进制造新概念智能制造敏捷制造并行工程虚拟制造快速原型技术绿色制造先进制造技术发展趋势快速原型制造技术产生的背景市场变化 客户要求计算机技术材料科学CAD/CAM 能源科学RP五、快 速 原 型 技 术 快速成型(Rapid Prototyping)技术是近年来发展起来的直接根据C

41、AD模型快速生产样件或零件的成组技术总称，它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。 与传统制造方法不同，快速成型从零件的CAD几何模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。五、快 速 原 型 技 术 一个更为人们关注的问题是一个产品从概念到可销售的成品的流程速度。同时，还有一个更为令人关心的问题是产品的高质量生产。由于这些原因，努力使高质量的产品快速的进入市场

42、就显得极为重要。 快速成型技术问世这些年，已实现了相当大的市场，发展非常迅速。 五、快 速 原 型 技 术快速原型技术的优点： 1.快速原型作为一种使设计概念可视化的重要手段，计算机辅助设计的零件的实物模型可以在很短时间内被加工出来，从而可以很快对加工能力和设计结果进行评估。 2.由于它是将复杂的三维型体转化为两维截面来解决，因此，它能制造任意复杂型体的高精度零件，而无须任何工装模具。五、快 速 原 型 技 术3. 快速原型作为一种重要的制造技术，采用适当的材料，这种原型可以被用在后续生产操作中以获得最终产品。4. 快速原型操作可以应用于模具制造，可以快速、经济地获得模具。5. 产品制造过程几

43、乎与零件的复杂性无关，可实现自由制造(Free Form Fabrication)，这是传统制造方法无法比拟的。五、快 速 原 型 技 术 快速成型的基本原理 基于材料累加原理的快速成型的操作过程实际上是一层一层地离散制造零件。快速成型有很多种工艺方法，但所有的快速成型工艺方法都是一层一层地制造零件，区别是制造每一层的方法和材料不同而已。五、快 速 原 型 技 术快速成型的一般工艺过程原理如下：1. 三维模型的构造 在三维CAD设计软件（如Pro/E、UG、SolidWorks、SolidEdge等）中获得描述该零件的CAD文件。 目前一般快速成型支持的文件输出格式为STL模型，即对实体曲面近

44、似处理,即所谓面型化(Tessallation)处理,是用平面三角面片近似模型表面。这样处理的优点是大大地简化了CAD模型的数据格式,从而便于后续的分层处理。五、快 速 原 型 技 术 在三维CAD设计软件对CAD模型进行面型化处理时,一般软件系统中有输出精度控制参数，通过控制该参数，可减小曲面近似处理误差。如Pro/E软件是通过选定弦高值(ch-chord height)作为逼近的精度参数，如图为一球体,给定的两种ch值所转化的情况。 五、快 速 原 型 技 术2.三维模型的离散处理 通过专用的分层程序将三维实体模型分层，通过一簇平行平面沿制作方向与CAD模型相截,所得到的截面交线就是薄层的

45、轮廓信息,而实体信息是通过一些判别准则来获取的。快速成型原理图(a) 零件的三维模型(b) 零件被分层离散(c) 支撑材料(d) 采用熔积法对图(e) A-A截面加工的挤压路径五、快 速 原 型 技 术 分层切片是在选定了制作(堆积)方向后,需对CAD模型进行一维离散,获取每一薄层片截面轮廓及实体信息。 平行平面之间的距离就是分层的厚度,也就是成型时堆积的单层厚度。 轮廓是由求交后的一系列交点顺序连成的折线段构成。 由于分层，破坏了切片方向CAD模型表面的连续性,不可避免地丢失了模型的一些信息,导致零件尺寸及形状误差的产生。切片层的厚度直接影响零件的表面粗糙度和整个零件的型面精度。五、快 速

46、原 型 技 术 分层后所得到的模型轮廓是近似的,而层层之间的轮廓信息已经丢失,层厚大,丢失的信息多,导致在成型过程中产生了型面误差。为提高零件精度,应该考虑更小的切片层厚度。 3.层截面的制造与累加 在计算机控制下，快速成型系统中的成型头在X-Y平面内自动按截面轮廓进行层制造，得到一层层截面。每层截面成型后，下一层材料被送至已成型的层面上，进行后一层的成型，并与前一层相粘接，从而一层层的截面累加叠合在一起，形成三维零件。五、快 速 原 型 技 术RP技术的基本原理图五、快 速 原 型 技 术快速原型制造技术发展历史1892年 美国 层合方法制作三维地图模型1979年 日本 东京大学中川威雄发明

47、叠层模型造型法1980年 日本 名古屋工业大学小玉秀男提出光造型法(立体印刷成型) 1984年 美国 UVP公司完成了Stereo Lithography Apparatus系统SLA-1（3D System ） 1984年 美国 M Feygin提出层合实体制造（ Helisys ）1986年 美国 得克萨斯大学C.Deckard提出选区激光烧结（ DTM ）1988年 美国 S.Crump提出熔融沉积造型五、快 速 原 型 技 术 液体材料SLALTPBISHISRP 工艺方法及其分类粉状材料BMP3DWFDMSDMSLSGPD3DPTSFSF片状材料LOMSFPSGCES目前快速成型主要

48、工艺方法及其分类液体树脂固化熔融材料固化激光熔合材料粘结剂粘结材料粘性片材的粘结UV粘结片状材料快速成型的工艺方法五、快 速 原 型 技 术1.熔积成型法（Fused Deposition Modeling） 在熔积成型法（FDM）的过程中龙门架式的机械控制喷头可以在工作台的两个主要方向移动，工作台可以根据需要向上或向下移动。热塑性塑料或蜡制的熔丝从加热小口处挤出。最初的一层是按照预定的轨迹以固定的速率将熔丝挤出在泡沫塑料基体上形成的。当第一层完成后，工作台下降一个层厚并开始迭加制造一层。五、快 速 原 型 技 术(b) 熔积成型5000，熔积成型设备。(a) 熔积法成型的示意图熔积成型法原理

49、图五、快 速 原 型 技 术 FDM 制作复杂的零件时，必须添加工艺支撑。如图所示(b) 在快速原型机器中 常用的支撑结构有一个突出截面需要 支撑材料的零件快速原型支撑结构图五、快 速 原 型 技 术 FDM的优点是材料的利用率高；材料的成本低；可选用的材料种类多；工艺干净、简单、易于操作且对环境的影响小。缺点是精度低；结构复杂的零件不易制造；表面质量差；成型效率低，不适合制造大型零件。 该工艺适合于产品的概念建模以及它的形状和功能测试，中等复杂程度的中小原型。特别适合薄壁零件。五、快 速 原 型 技 术2.光敏液相固化法 光敏液相固化法是目前应用最为广泛的一种快速原型制造工艺。原理如图所示光

50、固化成型原理图五、快 速 原 型 技 术 光固化采用的是将液态光敏树脂固化到特定形状的原理。以光敏树脂为原料，在计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹对液态树脂逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应，从而形成零件的一个薄层截面。 光固化成形所能达到的最小公差取决于激光的聚焦程度；通常是0.0125mm。 五、快 速 原 型 技 术 SLA工艺优点是精度较高，一般尺寸精度控制在0.1mm；表面质量好；原材料的利用率接近100；能制造形状特别复杂、特别精细的零件；设备的市场占有率很高。 缺点是需要设计支撑；可以选择的材料种类有限；容易发生翘曲变形；材料价格较贵。该工艺适合比较

51、复杂的中小件。五、快 速 原 型 技 术 3.激光选区烧结（Selective Laser Sinering） 激光选区烧结（SLS）是一种将非金属（或普通金属）粉末有选择地烧结成单独物体的工艺。该法采用CO2激光器作为能源，目前使用的造型材料多为各种粉末材料。五、快 速 原 型 技 术 SLS工艺特别适合制作功能测试零件。可用于直接制造金属模具。由于该工艺能够直接烧结蜡粉，与熔模铸造工艺相接特别适合进行小批量比较复杂的中小零件的生产。五、快 速 原 型 技 术b) 由选区片层粘结法制造的机轴零件图选区片层粘结法原理图a)选区片层粘结法工艺原理图五、快 速 原 型 技 术 LOM工艺优点是无须

52、设计和构建支撑；激光束只是沿着物体的轮廓扫描，无需填充扫描，成型效率高；成型件的内应力和翘曲变形小；制造成本低。 缺点是材料利用率低；表面质量差；后处理难度大，尤其是中空零件的内部残余废料不易去除；可以选择的材料类有限，目前常用的主要是纸；对环境有一定的污染。 LOM工艺适合制作大中型原型件，翘曲变形小和形状简单的实体类零件。通常用于产品设计的概念建模和功能测试零件，且由于制成的零件具有木质属性，特别适用于直接制作砂型铸造模。 五、快 速 原 型 技 术 快速模具及快速复制技术是近几年在国内外发展起来的一种快速制造技术。该项技术融合了高分子复合材料应用、快速成型技术、快速翻制工艺以及CNC加工

53、等新技术、新工艺，可快速、低成本地制造非金属模具，用于10-1000件批量产品的快速制造，受到了市场的欢迎。基于快速成型的快速模具技术 适用于产品开发过程中的小批量试制，以及小批量生产的、结构较简单的覆盖件生产。 按模具制造方式来分，可分为直接制模法和间接制模法。五、快 速 原 型 技 术1.直接制模法(Direct ToolingDT) 直接制模法是指将模具CAD的结果由RP系统直接制造成型。即在RP系统上直接制造出模具供生产使用。 这种方法不需要RP原型作样件，也不依赖传统的模具制造工艺，对金属模具的制造尤其快捷，是一种有开发前景的快速模具制造方法。 制造出的模具具有一定的耐高温和较好的机

54、械强度和稳定性，故用RP技术直接制造的模具经表面处理后可直接用于生产中。但由于RP成型工艺和成型材料等原因，直接制造金属模具的技术和方法正在研究之中。五、快 速 原 型 技 术2.间接制模法 间接RT法是以RP原型作样件间接制造模具的方法。 RPM技术克服了传统样件(模样)制作的缺点，能够更快、更好、更方便地设计并制造出各种复杂的原型(样件)。一般可使模具制造周期和制造成本降低1/2，大大提高了生产效率和产品质量。五、快 速 原 型 技 术 间接RT法已日臻成熟。其方法则根据零件的生产批量的大小而不同。常用的有： 用RP原型制作简易模具 1)用快速成型件作母模，制作硅橡胶模 当制造的零件件数较

55、少（批量在2050件）时，一般采用这种硅橡胶模。 工艺过程为：以RP原型作样件，采用室温硫化的有机硅橡胶浇注制作硅橡胶模。 独特之处：由于硅橡胶良好的柔性和弹性，对于结构复杂、花纹精细、无拔模斜度以及具有深凹槽的零件来说，制件浇注完成后均可直接取出。 制作周期为1周左右。五、快 速 原 型 技 术2)以快速成型件作母模，进行树脂型复合制模 以液态的环氧树脂与有机或无机材料复合为基体材料，以RP原型为基准浇铸模具的一种制模方法。 制造的模具寿命为1001000件。为延长模具寿命，通常在环氧树脂中添加各种添加剂。 具有工艺简单、模具传导率高、强度高及型面不加工的特点，适于塑料注射模、薄板拉伸模及吸

56、塑模和聚氨酯发泡成型模。 制作周期为12周。五、快 速 原 型 技 术3)金属喷涂（Metal Spraying）制模法 以RP原型作样件，将低熔点的熔化金属充分雾化后以一定的速度喷射到样件的表面，形成模具型腔表面，充填背衬复合材料的制模技术。 这种模具用于3000件以下的注塑件生产。 特点：工艺简单，周期短；型腔表面及其精细花纹一次同时形成；不需机加工；模具尺寸精度高。 制作周期为34周。五、快 速 原 型 技 术 通常将硅橡胶模、环氧树脂模、金属喷涂模等称为软模具（Soft Tooling ）或叫经济模具（Economical Tooling）。一般用于批量小的零件生产或者用于产品试制阶段

57、，并非一定用钢铁材料制作的成本较低的模具。 五、快 速 原 型 技 术用RP原型快速制作钢模1)陶瓷型精密铸造法制造钢/铁型腔 过程：制作钢/铁型腔，将RP原型置于陶瓷沙浆中，形成模壳在炉中固化模壳，烧去RP原型在炉中预热模壳在模壳浇铸钢/铁型腔型腔表面抛光加入浇注系统和冷却系统等批量生产用注塑模。五、快 速 原 型 技 术2)消失模铸生产模具 利用RP原型或由原型翻制的硅橡胶模/金属树脂复合模/聚氨酯材料制成的蜡模的成形模，然后用成形模生产蜡模，用于失蜡铸造工艺制造钢/铁型腔模具。另外在单件生产复杂模具时，也可直接用RP原型代替蜡模。 消失模铸造具有工艺简单和尺寸精度高的特点，广泛应用于生产

58、汽车覆盖件模具。 这种制模方法可用于大型、复杂的模具。五、快 速 原 型 技 术模型实例 轿车车灯五、快 速 原 型 技 术 模型实例 电话机外壳五、快 速 原 型 技 术模型实例 皮鞋底五、快 速 原 型 技 术模具实例 手机外壳橡胶模 五、快 速 原 型 技 术模具实例 拐头树脂型复合模五、快 速 原 型 技 术模具实例 电子产品注射模五、快 速 原 型 技 术快速原型在产品开发上的重要性CAID应用: 工业设计师在短时间内得到精准的原型与业者作造形检讨；机构设计应用: 进行干涉检讨，及提早发现设计错误以减少后面模具修改工作； CAE功效: 快速模具技术以功能性材料制作功能性模具，以进行产

59、品功能性测试与检讨；RP展望五、快 速 原 型 技 术Rapid Tooling (快速模具)应用: 快速翻制暂用模具或永久模具，做少量生产或量产；视觉效果(visualization) 设计人员能在短时间之内便能看到设计的雏型，可作为进一步研发的基石；设计确认(verification): 可在短时间内即可完成原型的制作，使设计人员有充分的时间对于设计的产品做详细的检讨；五、快 速 原 型 技 术复制与最佳化设计(iteration & optimization) 可一次制作多个元件，可使每个元件针对不同的设计要求同时进行测试的工作，以在最短时间内完成设计的最佳化；直接生产(fabricat

60、ion): 直接生产小型工具，或作为翻模工具。五、快 速 原 型 技 术快速原型的经济效益缩短产品加工时间增加使构想具体化能力降低原型生产周期降低设计错误的发生及所花費成本增加在设计过程中了解产品机械特性的能力五、快 速 原 型 技 术快速原型制造技术发展趋势概念创新和技术改进 精度、时间、成本、最终用途零件、复杂结构、材料组织；寻求适合集成制造的新材料 快速、精确加工成型、强度、方便后处理、最终零部件、生物材料； 开发功能强大的数据采集、处理和监控软件 快速原型数据与CAD/CAM、三维制造系统数据交换、接口新技术及控制技术；曲面切片、不等厚分层；五、快 速 原 型 技 术拓展新的应用领域