数字工厂及其应用技术

2023/1/121数字工厂及其应用技术

22023/1/12课程简介

数字化制造技术作为先进制造技术的重要发展方向，已经成为国内外先进制造技术研究的热点，数字化工厂是数字化制造中关键环节之一，数字化工厂技术最主要解决产品设计和产品制造之间的鸿沟，降低设计到生产制造之间的不确定性，在数字空间中将生产制造过程压缩和提前，使生产制造过程在数字空间中得以检验，从而提高系统的成功率和可靠性，缩短从设计到生产的转化时间。32023/1/12课程简介

本课程是一门理论与工程实践相结合的选修课，适合于具有工科背景的学生。其主要目的是让学生了解数字制造技术的发展、数字化工厂技术的概念与理论；数字制造建模理论；支持数字工厂的虚拟现实与优化仿真技术、工厂布局与规划技术、生产规划与物流仿真技术、制造过程仿真模拟技术等，拓宽知识面，为今后更高层次的学习和研究奠定基础。42023/1/12考核形式平时作业综述性的研究报告52023/1/12仿真与优化2134虚拟制造技术数字制造的建模理论绪论56数字化工厂支撑技术数字化工厂理论7数字化工厂应用技术课程体系62023/1/12第一章绪论1引言2现代制造的特征3数字化制造内涵与体系72023/1/12制造技术是当代科学技术发展最为活跃的领域，是产品更新、生产发展、国际间技术竞争的重要手段；制造业是国民经济最重要的支柱产业，在工业化国家约有25%的人口从事制造业，70%~80%的物质财富来自制造业；制造业是我国国民经济的核心和工业化的原动力，我国制造业总产值约占全国GDP的42.5%；世界各发达国家都把先进制造技术列为国家中、长期发展的重大关键技术。第一章绪论82023/1/12

制造业生产规模的发展方向:

小批量→少品种大批量→多品种变批量

制造业资源配置的发展方向:

劳动密集→设备密集→信息密集→知识密集制造技术生产方式的发展方向

手工→机械化→单机自动化→刚性流水自动化→柔性自动化→智能自动化

第一章绪论92023/1/12

1.知识经济条件下以社会、市场、环境和资源为背景的制造业产品生命周期缩短用户需求多样化大市场和大竞争交货期成为竞争的第一要素信息化和智能化人的知识、素质和需求的变化环境保护意识的增强与可持续发展知识经济时代制造业呈现新特点第一章绪论102023/1/12

特点如下：2.知识经济条件下以社会、市场、环境和资源为背景的制造技术常规制造工艺的优化新型（非正规）加工方法的发展专业、学科间的界限逐渐淡化、消失工艺设计由经验走向定量分析信息技术、管理技术与工艺技术紧密结合第一章绪论112023/1/123.二十一世纪制造业面临的六大挑战（1）快速响应市场能力的挑战——

全部制造环节并行实现

（2）打破传统经营的组织、地域及时间壁垒的挑战—

技术资源的集成

（3）信息时代的挑战——

信息向知识的转变

（4）日益增长的环保压力的挑战——

可持续发展

（5）制造全球化和贸易自由化的挑战——

可重组工程

（6）技术创新的挑战——

全新制造工艺及产品的开发第一章绪论122023/1/12多轴联动，高进给速度，工件重100吨，行程6米。加工精度微米级例：高速、高精度数控机床例：3万吨水压机活动横梁自重

2100吨行程

1830毫米锻件尺寸

3米响应时间

0.3秒全行程位移误差0.13毫米制造装备高精度、高可靠性大行程、大变载、高速、高加速度132023/1/12第一章绪论航空发动机是一种高附加值产品：航空发动机、客机、计算机、轿车和轮船的价值比为1400：800：300：9：11998年-2007年世界航空发动机销售和维修市场总额为3500亿美元142023/1/12GE90发动机2800多个组件10000多个零件航空发动机研究和发展特点：技术难度大：涉及气动、热工、结构与强度、控制、测试、计算机、制造技术和材料等多个学科，一台发动机内有几十个部件和系统及数以万计的零件第一章绪论152023/1/12航空发动机研究和发展特点：周期长：发动机从方案论证到定型投入使用的周期长达30年。例如美国空军第四代战斗机发动机从1986年开始验证机研制；1991年原型机工程和制造研制，2004-2005投入使用第一章绪论162023/1/12172023/1/12航空发动机研究和发展特点：费用高：80年代研制一台推力为11000kgf，推重比5.5的涡轮风扇发动机的费用大约为10-15亿美元；90年代F119发动机研制费用超过20亿美元；联合攻击战动机F35的动力装置F135研制费用高达50亿美元发动机研制费用约占航空研究费用的25%第一章绪论182023/1/12产业革命（标志技术）经济模式前期工业经济时代发达工业经济时代知识工业经济时代主要生产模式主要生产要素生产过程生产特征关键技术对产品要求企业注重企业管理强调与资源的关系与环境的关系第一次产业革命（蒸汽机）第二次产业革命（电力）规模经济规模生产劳动力流水线、可互换式制造机械化单元技术批量大数量集中利用资源破坏环境第三次产业革命（原子能）速度经济集成生产资本自动线、刚性或柔性集成制造自动化综合技术品种多质量自主节约资源关心环境高新技术产业革命（信息技术）知识经济集约生产知识并行工程、分布式网络智能制造数字化、网络化智能技术个性化、参与化、快速响应服务（质量、价格、售后服务）协同、人的创新作用更新资源保护环境、美化环境192023/1/1220-60年代：生产规模刚性生产线：大量生产70年代：生产成本精良生产、准时生产制80年代：产品质量CIMS、全面质量管理TOC90年代：市场响应速度敏捷制造、快速响应制造21世纪、知识和创新新经济、全球化网络化制造202023/1/12现代制造的特征（1）先进制造技术是多学科的融合集成鸿沟“Gap”设计功能描述制造设计物化面向制造的设计、虚拟设计虚拟制造、数字工厂212023/1/12现代制造的特征先进制造技术是多学科的融合传统制造业网络信息技术智能理论控制论企业管理信息论现代制造理论体系计算机集成制造、智能制造、敏捷制造、网络化制造222023/1/12现代制造的特征先进制造是覆盖产品全生命周期的制造设计制造销售使用设计制造销售使用232023/1/12

网络协同化

大型集团企业信息化向网络协同化方向发展，为其在全球范围内优化配置资源提供支撑。系统集成化骨干企业信息化向系统集成化方向发展，促进企业核心竞争力的提升。服务平台化

中小企业信息化向服务平台化方向发展，降低其企业信息化成本，提高其敏捷、灵活与快速响应性。现代制造的特征信息化与数字化制造数字化制造是先进制造技术与信息技术相结合的产物，体现了制造技术的发展趋势和学科前沿；242023/1/12德国法国英国西班牙机舱内装饰前后机身驾驶舱和中段机翼发动机机架垂直尾翼水平尾翼发动机工装美国其它供应商空客A380采用跨国异地设计/制造/管理的信息平台ACE系统。通过29100个环球的网络终端，使分布在世界各地的设计人员、供应商均可根据级别进入相应的设计系统，修改数据可即时传送效率和准确率大大提高。

（1）网络协同化：制造业信息化技术支撑产业链、企业间的国际化协作和全球资源优化配置，实现集团企业与供应商、经销商和服务商的信息流、业务流的集成。252023/1/12福特公司C3P计划强调使用单一的核心系统和产品数据模型，实现设计制造集成。集成环境C3P，使得产品数据能够在各个部门间高效传递，大幅度减少了纸制介质的使用，缩短了研发周期。在Teamcenter基础上进行二次开发和系统定制，将PDM向PLM延伸并实现与ERP系统的有机融合，提供汽车全生命周期的集成平台。（2）系统集成化：制造业信息化技术促进企业内部的数据、资源的集成，实现企业内部数字化设计、制造与管理的互连互通，支撑企业核心竞争力的提升。262023/1/12

（3）服务平台化：以公共服务平台为基础，采用一对多的服务方式，为中小企业提供制造业信息化的应用服务，支持企业的业务过程、实现产业链协作的信息集成。汽车行业公共数据网络平台（ANX）为汽车制造厂、多级配件供应商、多级销售商和多级服务企业建立了统一的信息交流环境。ANX平台大大降低了运营成本，为众多中小企业提供了介入原本只有大型企业才能拥有的采购、销售和服务体系。ANX：美国ENX：欧洲JNX：日本KNX：韩国AANX：澳大利亚TANX：中国台湾272023/1/12现代制造的特征新的制造理念与发展传统制造技术向高精度、高速高效、自动化和智能化方向发展生物制造与仿生机械：结构、功能、能源与运动机械仿生和仿生制造、生物自生长成形制造；机械超前反馈仿生与制造的科学与技术；生物制造原理和技术；新一代生物芯片制造原理与技术纳米制造科学与技术：纳米材料制备及其性能测量；纳米尺度加工、制造、测量与装配；纳电子制造与分子原子制造的原理与技术绿色制造282023/1/12数字制造的概念和发展制造就是在人的主导下，通过物质、能源和信息三大要素之间的相互作用，将原材料转化为产品的过程原材料能量设备产品废物回收处理信息人与环境292023/1/12数字制造的概念和发展随着信息技术和计算机网络技术的发展，世界正经历一场网络化革命网络化、数字化、全球化、知识化和服务化是制造业面临的挑战数字化已成为制造业中产品全生命周期不可缺少的驱动因素。制造业由传统的能量驱动型逐步转为数字信息驱动型未来的制造业将成为一种信息产业，信息将成为制造业的决定因素，用信息化技术促进制造业的改造已成为时代的潮流302023/1/12数字制造的概念和发展信息在制造过程中的作用人类大脑四肢工具对象感官器官环境人类体力与智力为主导的制造312023/1/12数字制造的概念和发展信息在制造过程中的作用人类大脑手机器对象感官器官环境工业革命-机器时代322023/1/12数字制造的概念和发展信息在制造过程中的作用人类大脑数字指令控制器对象感官器官环境计算机时代-数字控制时代执行器传感器332023/1/12数字制造的概念和发展信息在制造过程中的作用智能体控制器执行器对象传感器环境信息时代342023/1/12数字制造的概念和发展装配有限元分析机构分析工艺规划数控编程CAD、CAM、CAPP、PDM制造执行柔性制造企业资源计划供应链管理客户关系管理STEP/TCP/IPXML352023/1/12362023/1/12数字制造的概念和发展波音777是世界上第一个采用全数字化定义和无纸化生产的大型飞机依据飞机部件功能划分为238个综合设计制造小组，共有人员8000余人配置2200个使用CATIA软件的IBMRISC6000工作站和9000多台PC，建立了由8台主机联网的并行工程环境，支持238小组进行产品设计与信息交换减少设计更改和返工率50%以上，降低成本30%-60%，缩短开发时间50%372023/1/12数字制造的概念数据是未经过组织的数字、词语、声音、图像等；信息是以有意义的形式加以排列和处理的数据；知识是用于生产的信息，信息是知识的基石，信息经过加工处理、应用与生产，才能转变成知识；数字是用于表示事物以及事物之间的联系符号，信息的载体，而信息是数字的内涵；企业信息化就是将数据、信息和知识高效地存储管理起来，并完成从数据到信息再到知识的的转换，进而从知识中再创造出新的知识，将企业的效益最大化；382023/1/12数字制造的定义数字制造是用数字化定量、表述、存储、处理和控制方法，支持产品全生命周期和企业的全局优化运营，以制造过程的知识融合为基础，以数字化建模仿真与优化为特征；它是在虚拟现实、计算机网络、快速原型、数据库等技术支撑下，根据用户的需求，对产品信息、工艺信息和资源信息进行分析、规划和重组，实现对产品设计和功能的仿真以及原型制造，进而快速生产出达到用户要求性能的产品的整个制造过程。微观过程数字化：制造工艺过程知识的获取以及进行制造工艺自主设计和优化控制宏观过程数字化：生产系统的布局设计与实际优化运作的数字化392023/1/12数字制造的概念轮图402023/1/12三种数字制造观以制造为中心的数字制造观来源于数字控制技术与数控机床是数字制造的基础；多台数控机床和工业机器人协同工作，形成柔性制造单元，若干柔性制造单元形成柔性制造系统，以数字量实现加工过程的物料流、加工流和控制流的表征、存储和控制通过网络技术将每台设备作为一个节点实现一个车间或多个车间的生产过程自动化412023/1/12三种数字制造观以设计为中心的数字制造观由于计算机的发展以及计算机图形学与机械设计的结合，产生了以数据库为核心，以交互式图形系统为手段，以工程分析计算为主体的计算机辅助设计系统（CAD）；将CAD的产品设计信息转换为产品制造、工艺规则信息，进一步形成面向产品设计、制造、工艺、管理、成本核算等所有信息数字化；计算机网络技术的高速发展形成了支持异地协同跨平台、区域的群体智能协作422023/1/12三种数字制造观以管理为中心的数字制造观根据不断变化的市场信息、用户订货和预测，从企业全局和长远利益出发，通过决策模型，评价企业的生产和经营状况，预测企业的未来和现阶段的运行状况；出现了能够覆盖整个企业从产品的市场需求、研发、设计、制造、销售、服务、维护等生命周期中信息的产品数据管理系统，从而实现以产品和供应链为核心的过程集成；形成了以ERP为中心的MRP/PDM/MIS/ERP等技术集成432023/1/12数字制造技术内涵数字制造宏观数字制造微观数字制造制造资源、环境、服务等数字化生产系统布局设计与实际优化运作产品营销、维修、使用等数字化决策支持系统QFD、CAD、DFX、VM、RP、CAE、CAM、CAPPNC、MC、CNC、FMC、FMS、基于Web制造、无纸化制造、远程协同最终产品数字制造信息支持技术：IGES、STEP、MRP、MIS、PDM。。。。。442023/1/12决策支持数字设计计算机辅助工程管理调度市场与客户维修与报废数字制造数字制造的概念体系标准化数据库建模仿真知识管理监控调度通信网络信息网络技术数字装备制造工艺材料资源制造技术与装备信息科学管理科学控制科学制造科学基础理论和科学问题452023/1/12数字制造关键技术1.数字制造技术标准及实施规范2.制造信息学3.数字制造建模与仿真工具4.网络化制造5.数字装备6.数字制造中的知识管理与应用7.以可视化为代表的人机交互技术462023/1/12产品数字化过程数字化资源数字化实际数字化制造过程体系制造活动数字样机建模体系数字样机虚拟试验和制造体系数字化工厂与数字化制造系统扩展企业单独企业数字车间数字制造单元设计方法学产品数字模型试验建模VR方法管理数字化装备数字化服务数字化472023/1/12HeadquartersCustomerEquipmentProviderWarehouse/DistributionFactorySupplierCustomerCustomerWarehouse/DistributionWarehouse/DistributionMachineProviderSupplierSupplierSupplierSupplierFactoryFactoryFactoryDesignCentreDesignCentreDesignCentredistributedtransactionandinformationmanagementmaterialflowmainspipelineeffectivesupplynetwork482023/1/1240年代50年代60年代70年代80年代90年代00年代STEP产品数据交换标准敏捷制造CIMS虚拟制造设计方法学并行工程网络化制造虚拟现实与高性能计算Internet/WWW/XML专家系统FMS网络化CAD/CAMCAD/CAMCAPPCAMIGESCAD自由曲面计算机图形学有限元分析数控技术APT计算机绿色制造服务型制造492023/1/12以数字制造为基础的先进制造技术数字制造的全球实现网络化制造数字制造的动态联盟敏捷制造数字制造的计算机实现虚拟制造数字制造的快速实现快速原型制造数字制造的集成模型计算机集成制造数字制造的环保实现绿色制造数字制造的服务化服务型制造502023/1/12ManufacturingCell1ManufacturingCellnOEM1OEMmInternet网Customer1CustomerpSystemportalClientexpertTechnologysupportNetworkedmanufacturer在网络化制造系统下，需要有客户、供应商、网络化制造集成者、技术专家等的共同参与。他们借助于网络化制造的门户网站进行异地网络化制造系统的组建、管理、合作协调等。网络化制造512023/1/12设备人员成本质量服务一定的产品开发能力产品的数据管理生产技术准备生产计划与调度成本核算质量管理设备工作情况运行数据采集CADCAPPCAM办公自动化制造资源仿真虚拟现实技术过程仿真合作伙伴选择联盟组建项目流程管理招/投标机制合作与协同任务管理用户管理供应商管理评价机制网络和通信技术网络数据库网络安全电子邮件/白板虚拟遥现客户1客户n供应商1供应商m网络化制造者Internet网522023/1/12外购零件外购零件外协零件外协零件自制零件自制零件外购部件外购部件外协部件外协部件自制部件自制部件产品自装配产品自装配产品外协装配产品外协装配或关系或关系e-配套工厂11e-配套工厂11e-配套工厂1me-配套工厂1me-责任工厂ne-责任工厂ne-配套工厂n1e-配套工厂n1e-配套工厂nwe-配套工厂nw所选制造资源所选制造资源所选制造资源所选制造资源所选制造资源所选制造资源制造服务