虚拟制造绿色制造智能制造

现代制造系统工业工程2008第七讲先进制造模式AdvancedManufacturingPhilosophyandProductionModel

绿色制造

2134智能制造虚拟制造Introduction56可重构制造系统虚拟制造ParallelMachineTool虚拟制造的定义一个在计算机网络及虚拟现实环境中完成的，利用制造系统各层次及不同侧面的数学模型，对包括设计、制造、管理和销售等各个环节的产品全生命周期的各种技术方案和技术策略进行评估和优化的综合过程。是一门以计算机仿真技术、制造系统与加工过程建模理论、VR技术、分布式计算理论、产品数据管理技术等为理论基础，研究如何在计算机网络环境及虚拟现实环境下，利用制造系统各层次及各环节的数字模型，完成制造系统整个过程的计算与仿真的技术虚拟制造技术的定义虚拟制造系统的定义是一个在虚拟制造技术的指导下，在计算机网络和虚拟现实环境中建立起来的，具有集成、开放、分布、并行、人机交互等特点的，能够从产品生产全过程的高度来分析和解决制造系统各个环节的技术问题的软硬件系统。虚拟制造的特点：以模型为核心

产品模型产品信息在计算机上的展示。

过程模型设计过程、工艺规划过程、加工制造过程、装配过程、性能分析过程

活动模型

企业生产组织和经营活动的模型

资源模型对企业各种资源的建模描述虚拟制造的特点VM是实际制造过程在计算机上的映射和本质表现。通过计算机虚拟模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题，提高人的预测和决策水平，使制造技术不再主要依赖于经验。产品设计与制造是在虚拟环境下进行的：可使分布在不同地点、不同部门的不同专业人员在同一个产品模型上协同工作，相互交流，信息共享，减少大量的文档生成及其传递的时间和误差，使产品开发以快捷、优质、低耗响应市场。虚拟制造技术的内涵虚拟制造系统实际制造系统计算机仿真虚拟现实基于网络的VPS虚拟信息系统确认和验证技术人员客户抽象与综合虚拟产品实际信息系统样机需求工人工厂RPS实际产品客户需求工人计算机产品信息资源机会循环到合格工厂拟实制造实际制造创意修改和控制虚拟制造技术的内涵虚拟制造的关键技术虚拟现实技术虚拟设计技术可制造性评价产品数据据管理（（PDM）实际制造过程技术人员员和用户户数字化模模型计算机仿仿真、虚虚拟现实实虚拟开发平台虚拟设计

有限元分析运动学分析动力学分析虚拟加工

工艺过程优化工具设计优化单元工艺优化加工过程分析虚拟装配

装配工艺规划装配路线规划装配分配规划装配质量规划虚拟生产平台虚拟布局虚拟实际生产环境虚拟生产动态过程优化生产环境布局虚拟设备虚拟集成支撑环境优化集成方案虚拟调度虚拟产品生产过程优化生产调度方案虚拟企业平台协同工作环境

支持异地设计、装配、测试的环境。虚拟企业动态组合

系统集成任务调度虚拟制造造的体系系结构产品建模模产品异地地设计零部件分分析优化化快速原型型生产工艺艺优化工具设计计优化刀位控制制参数优化化刀位轨迹迹参数优化化加工方案案评估虚拟实验验虚拟检测测工艺模型型验证产品模型型实验：：虚拟机机床生产计划划仿真优化化虚拟生产产布局虚拟设备备集成虚拟装配配虚拟生产产平台服服务器虚拟企业业平台服服务器企业协同同工作环环境企业虚拟拟运行企业运行行仿真产品优化化设计产品性能能评价可制造性性评价虚拟设计计虚拟制造造虚拟生产产虚拟企业业虚拟制造造的功能能组成类别特点主要目标主要技术支持应用领域以设计为中心在设计阶段为设计人员提供制造信息使用基于制造的仿真以优化产品和工艺的设计通过“在计算机上制造”产生多个“软”样机

评价可制造性·特征造型·面向数学模型设计加工过程仿真技术

造型设计热力学分析运动学分析动力学分析容差分析加工过程仿真

虚拟制造造的功能能组成类别特点主要目标主要技术支持应用领域以生产为中心·

将仿真能力用于制造过程模型，以便低费用、快速地评价不同的工艺方案

用于资源需求规划、生产计划的产生及评价的环境

评价可生产性

·虚拟现实·嵌入式仿真

工厂或产品的物理布局

传统制造：主要考虑空间

虚拟制造：总体协调、优化动态过程,人、环境、效率

生产计划的编排

传统制造：静态、确定型

虚拟制造：动态、随机型

类别特点主要目标主要技术支持应用领域以控制为中心·将仿真加到控制模型和实际处理中可“无缝”地仿真使得实际生产周期期间不间断地优化

·对离散制造--基于仿真的实时动态调度对连续制造--基于仿真的最优控制

设计为核心优化产品设计、工艺设计加工方案评价生产为核心优化资源选择评价工艺验证新工艺控制为核心优化车间控制优化制造过程产品概念念设计CAD/CAMM!M2M3M4供设计者者参考的的制造信信息虚拟产品品原型成成本估估算新产品模模型、工工艺、制制造信息息虚拟生产产计划质量评估新工艺及及对应信信息、如如成本车间机床床及控制系系统工厂资源源（人、、设备））M1：已有的的模型和和工艺M2：日程模模型、逻逻辑模型型M3：过程模模型M4：成品模模型参数数VM使能技术术---产品建模模技术VM使能技术术——性能分析析CAD模型网格划分分施加约束束主轴箱立立柱的热热变形分分析网格划分分主轴箱立立柱的热热变形分分析温度场分分布热变形分分布VM使能技术术——加工过程程仿真VM使能技术术——虚拟测量量VM使能技术术——生产过程程仿真虚拟使能能技术——虚拟现实实技术VR（Virtualreality）是在计算机图图形学、、计算机机仿真技技术、人人机接口口技术、、多媒体体技术以以及传感感器技术术基础上发发展起来来的一门门交叉技术术。由计算机机直接把把视觉、、听觉和和触觉等等多种信信息合成成，并提提示给人人的感觉觉器官，，在人的的周围生生成一个个三维的的虚拟环环境，从从而把人人、现实实世界和和虚拟空空间结合合起来融融为一体体，相互互间进行行信息的的交流和和反馈的的技术术。VR又被称为为幻境或或灵境技技术。浸入性：：用户感感到被虚虚拟世界界包围，，好像完完全融入入其中视觉浸入入：使用用者可以以亲身体体验虚拟拟环境真真实直观观的试图图触觉浸入入：允许许使用者者接触并并感觉虚虚拟物体体听觉浸入入：模拟拟人耳感感受声音音方式，，提供真真实声音音嗅觉浸入入、味觉觉浸入：：刚刚开开始或尚尚未开始始研究交互性：：用户能能通过自自然的动动作与虚虚拟世界界的物体体进行交交互作用用构想性：：在虚拟拟现实系系统中，，帮助人人们获取取知识和和形成新新的概念念虚拟现实实的基本本特征绿色制造造与再制制造GreenManufacturing&Remanufacture前言:为什么要要发展绿绿色制造造20世纪以前前，人类生生产生活活模式：：“大量生产产大量消费费大量废弃弃”造成了全全球规模模的环境境与资源源问题。。环境、资资源、人人口是当当今社会会面临的的三大问问题。21世纪，绿绿色制造造势在必必行！优质、低耗、高效、清洁化产品退役役的问题题－汽车车目前美国国有汽车车1.7亿辆；欧欧洲1.5亿辆，亚亚洲整体体上相当当；1.5亿辆汽车车排队可可绕地球球10圈；1.5亿辆汽车车排队可可以到达达月球。。产品退役役的问题题－电子子产品当第一个个半导体体还在硅硅谷进行行实验时时，谁会会想到数数十年后后个人电电脑（每每年6000万台）在在数量上上达到并并超过汽汽车（每每年5000万台）。。传统的再再循环过过程报废产品品的结束束回收汽车粉碎碎机的进进料与出出料报废产品品的结束束回收汽车粉碎碎机后的的金属碎碎屑手工分拣拣非金属碎碎屑产品性能能的80%是由设计计阶段决决定。产品的环环境性能能体现在在产品的的全生命命周期在产品整整个生命命周期内内，着重重考虑产产品环境境属性（（可拆卸卸性，可可回收性性、可维维护性、、可重复复利用性性等）并并将其作作为设计计目标，，在满足足环境目目标要求求的同时时，保证证产品应应有的功功能、使使用寿命命、质量量等要求求。绿色设计计（GreenDesign）即Reduce,Reuse,Recycle，减少环环境污染染、减小小能源消消耗，产产品和零零部件的的回收再再生循环环或者重重新利用用。绿色设计计3R原则绿色切削削技术干切削、、少切削削液的切切削等绿色长成成技术激光快速速成型等等绿色加工工技术绿色加工工工艺技技术清洁的能能源。清洁的生生产过程程清洁的产产品绿色生产产/清洁生产产(CleanerProduction)清洁能源源。包括括开发节节能技术术，尽可可能开发发利用再再生能源源以及合合理利用用常规能能源。清洁生产产过程。。包括尽尽可能不不用或少少用有毒毒有害原原料和中中间产品品。对原原材料和和中间产产品进行行回收，，改善管管理、提提高效率率。清洁产品品。包括括以不危危害人体体健康和和生态环环境为主主导因素素来考虑虑产品的的制造过过程甚至至使用之之后的回回收利用用，减少少原材料料和能源源使用。。再制造的的定义废旧产品品拆卸部分经过过清洗、、检测、、翻新或或替换重新组装装、测试试得到新新的产品品将废旧产产品制造造成“如如新产品品一样好好”的再再制造产产品的再再循环过过程。再制造产产品的质质量和性性能可以以达到或或超过原原型新品品，但成成本不超超过原型型新品的的50％，可以以节能60％、节材材70％，对环环境的不不良影响响也显著著降低。。因为再再制造以以废旧产产品的零零部件为为毛坯，，主要以以先进的的表面工工程技术术为修复复手段，，使得废废旧产品品不再““一扔了了之”。。再制造造不仅可可使废旧旧产品起起死回生生，还可可很好地地解决资资源节约约和环境境污染问问题再制造的的条件恢复产品品的技术术条件产品由可可以互换换的组件件构成回收毛坯坯（core）价格便便宜产品生产产技术在在产品换换代之前前比较稳稳定庞大的市市场需求求20世纪90年代，美美国提出出3R体系（Reuse再利用、、Recycle再循环、、Remanufacture再制造））。以徐徐滨士院院士为代代表的中中国学者者也提出出4R体系（Reduce减量化、、Reuse再利用、、Recycle再循环、、Remanufacture再制造））。再制造关关键技术术表面工程程技术寿命评估估技术将废旧产产品制造造成“如如新产品品一样好好”的再再制造产产品的再再循环过过程。变单纯的的废物处处置为再再制造再制造实实例墨盒，碳粉盒汽车整体体再制造造车轮再制制造:打磨翻新新机械加工工修配电镀焊接

再制造前的发动机再制造后的发动机

首先对报废发动机的曲轴等关键零部件进行剩余寿命评估，再由热喷涂、纳米电刷镀等技术完成表面修复，而后进行精加工、更换标准件、装配、加注纳米自修复添加剂、试车等，直至出厂。流程工业业绿色化化高炉转炉连铸热连轧冷连轧产品焦化烧结120万吨废钢800~1000万吨钢铁铁厂发电厂煤气120万KW水泥厂废渣300万吨14~28万吨废塑料智能制造造系统A-ManufacturingSystems智能算法为了找出地球球上最高的山山，一群有志志气的兔子们们开始想办法法。1．兔子朝着比比现在高的地地方跳去。他他们找到了不不远处的最高高山峰。但是是这座山不一一定是珠穆朗朗玛峰。这就就是局部搜索，它不能保证证局部最优值值就是全局最最优值。2．兔子喝醉了了。他随机地地跳了很长时时间。这期间间，它可能走走向高处，也也可能踏入平平地。但是，，他渐渐清醒醒了并朝最高高方向跳去。。这就是模拟拟退火。3．兔子们吃了了失忆药片，，并被发射到到太空，然后后随机落到了了地球上的某某些地方。他他们不知道自自己的使命是是什么。但是是，如果你过过几年就杀死死一部分海拔拔低的兔子，，多产的兔子子们自己就会会找到珠穆朗朗玛峰。这就就是遗传算法法。4.兔子们知道一一个兔的力量量是渺小的。。他们互相转转告着，哪里里的山已经找找过，并且找找过的每一座座山他们都留留下一只兔子子做记号。他他们制定了下下一步去哪里里寻找的策略略。这就是禁禁忌搜索。可重构制造系系统Re-configurableManufacturingSystemsRMS形成的市场和和技术环境(续)通用机床组成成的生产线----生产效率较低低工序分散的加加工方式和工工序间物流输输送的等待时时间导致生产产效率较低已有的制造系系统存在的主主要问题:RMS形成的市场和和技术环境(续)专用机床和组组合机床的自自动生产线----平均利用率低低据统计国外汽汽车零件制造造的自动生产产线的平均利利用率仅达53%（Prof.M.Matta),我国汽车行业业的机械加工工自动线的利利用率约为40~60%。RMS形成的市场和和技术环境(续)柔性制造系统统---冗余的功能和和高的投资统计美国、欧欧洲和亚洲的的22个国家370家制造厂，近近乎80%的加工中心只只利用其20%的功能（Prof.H.Schalz)1.2RMS的基本需求快速组成对更更新产品的批批量生产能力力能无缝地缩放放生产规模方便地组织多多品种工件的的混流生产或或并流生产低的重组费用用和高的生产产效率短的试生产期期和稳定的加加工质量目标：快速响应市场场需求降低投资风险险方便进行技术术升级2RMS的基本构架和和主要特征每种零件用一一条专用生产产线加工零件P11Part零件P11PartP11(零件族F1)（PartFamilyF1）加工方案MachiningSolutionC11专用机床SpecialMachineToolsTL11零件PmnPartPmn(零件族Fm)（PartFamilyFm）加工方案MachiningSolutionCmn专用机床SpecialMachineToolsTLmn零件PmnPartCAD数据

工艺设计

机床设计

固定式生产线

成品CADData

ProcessPlanningMachineToolsDesignDedicatedLineProduct专用的制造系系统2.1RMS的构架特点一族（组）零零件用一条柔柔性制造系统统加工

CAD数据

CAM柔性生产线

成品

CADDataFlexibleManufacturingLineroduct

P11…P1n零件族F1PartFamilyF1P11…P1nNC程序NCPrograms11～1nFMS1/FML1DesignandProcessControl设计和运行零件族FmPartFamilyFmPm1…PmnNC程序NCProgramsm1～mnFMSm/FMLmDesignandProcessControl设计和运行

Pm1…Pmn柔性制造系统统RMS的构架特点(续)P11P1nPm1Pmn零件族PartFamilyF1～Fm零件PartsP11…P1nPm1…Pmn零件族加工方案MachiningSolutionforPartFamiliesC1～Cm系统级组态机床为单元的布局调整和运行System-LevelConfiguration机床级组态模块为单元的机床调整和运行Machine-LevelConfigurationNC程序NCPrograms11…mn4R1C过程