先进制造技术654

第6章先进制造模式12336.1计算机集成制造系统(CIMS)6.2虚拟制造技术6.3敏捷制造与并行工程返回第6章先进制造模式566.5绿色制造技术6.6生物制造技术返回46.4智能制造与精益生产6.1计算机集成制造系统(CIMS)6.1.1CIMS的内涵计算机集成制造系统(ComputerIntegratedManufacturingSystem,CIMS)是由一个多级计算机控制硬件结构,配合一套订货、销售、设计、制造和管理综合为一体的软件系统所构成的全盘自动化制造系统。它是在信息技术、自动化技术及制造技术的基础上,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制造系统。计算机集成制造系统(CIMS)是基于计算机集成制造(CIM)哲理而组成的系统,是CIM思想的物理体现。6.1.2CIMS的基本组成下一页返回6.1计算机集成制造系统(CIMS)1.CIMS体系分系统CIMS通常是由管理信息系统、产品设计与制造工程设计自动化系统、制造自动化(柔性自动化)系统、质量保证系统以及计算机网络和数据库系统6个部分有机地集成起来的。所以一般说CIMS是由4个功能分系统和两个支撑分系统组成,图6.1所示为其6个分系统及其与外部信息的联系。企业、工厂实施CIMS时会根据具体需求和条件增加或减少某个分系统。下面对此6个分系统做一简要介绍。(1)管理信息系统管理信息系统是CIMS的上层管理系统,它不仅需要根据厂情、国情和国际市场的需息做出生产决策、确定生产计划和估算产品成本和生产效益,而且需要做出物料、能源、设备、人员的计划安排,保证生产的正常运行。上一页下一页返回6.1计算机集成制造系统(CIMS)(2)产品设计与制造工程设计自动化系统产品设计与制造工程设计自动化系统是计算机辅助产品设计、制造准备及产品性能测试阶段的工作,即常说的CAD/CAPP/CAM系统,目的是使产品开发活动更高效、更优质、更自动地进行。(3)制造自动化或柔性制造系统制造自动化或柔性制造系统是CIMS中信息流和物料流的结合点,是CIMS最终产生经济效益的聚集地,可以由数控机床、加工中心、清洗机、测量机、运输小车、立体仓库、多级分式控制(管理)计算机等设备及相应支持软件组成。根据产品的工程技术信息、车间层的加工指令,完成对零件毛坯加工的作业调度及制造,使产品制造活动优化、周期短、成本低、柔性强。(4)质量保证系统上一页下一页返回6.1计算机集成制造系统(CIMS)质量保证系统包括质量决策、质量检测与数据采集、质量评价、控制与跟踪等功能。系统保证从产品设计、制造、检验到售后服务的整个过程,从而实现产品的高质量、低成本,提高了企业的竞争力。(5)计算机网络分系统计算机网络分系统是支持CIMS各个分系统的开放型网络通信系统,其采用国际标准和工业化标准规定的网络协议,可以实现异种机互联和异构局部网络及多种网络的互联。以分布为手段,满足各应用分系统对网络支持服务的不同需求,支持资源共享、分布处理、分布数据库、分层递阶和实时控制。(6)数据库分系统数据库分系统是支持CIMS各分系统,覆盖企业全部信息的数据库系统,它在逻辑上是统一的,在物理上可以是分布的全局数据管理系统,以实现企业数据共享和信息集成。上一页下一页返回6.1计算机集成制造系统(CIMS)2.笼统分析笼统地分析,CIMS的组成包含三个要素,即人/机构、经营与技术,如图6.2所示。在三要素的相交部分需解决四类集成问题:3.总体功能的角度分析如图6-3所示,从总体功能的角度分析,CIMS的组成主要包括以下4大部分:6.1.3CIMS的技术优势(1)保障和提高了新产品开发的前景CIMS(包括并行工程和虚拟制造技术等)使企业提高了产品创新设计的深度,大大有利于提高企业产品的技术含量。CIMS建立了企业从产品设计、生产制造、经营管理全方位的计算机集成制造环境,做到了企业信息流、物流、资金流的集成。上一页下一页返回6.1计算机集成制造系统(CIMS)(2)缩短了新产品的上市周期CIMS是一个集成化的生产模式,覆盖了市场分析、经营决策、新产品研制、工程设计、加工制造、库存供应、质量保证、售后服务等整个制造业的活动。在这种环境支持下,通过企业信息的快速流动,缩短了产品的设计周期。同时,由于在设计时参考了产品的可制造性等特性,在MIS及制造自动化系统的支持下,也极大地提高了产品的生产及销售效率。这些都保证了企业新产品上市周期的显著改善。(3)经营管理科学化,同时降低了产品的成本在经营管理方面,使企业的经营决策和生产管理趋于科学化,使企业能够在市场竞争中快速、准确地报价,赢得时间;在实际生产中,解决“瓶颈”问题,减少在制品,同时降低了库存资金的占用。调查材料表明,采用计算机集成制造系统后,企业新产品的各项因素发生了明显的变化,数据变化如表61所示。上一页返回6.2虚拟制造技术6.2.1虚拟现实虚拟现实(VirtualReality,VR),又称灵境、拟实,是一门高新技术,它采用计算机技术生成一个逼真的,具有视、听、触等多种感知的人工媒体空间(即人工虚拟环境),使置身于该环境中的人,可以通过各种多媒体传感交互设备与这一虚构的环境进行实时交互作用,产生身临其境的感觉。这种虚拟环境既可以是真实世界的模拟体现,也可以是构想中的世界。6.2.2虚拟制造的概念现在对虚拟制造(VirtualManufacturing,VM)的定义多种多样,美国佛罗里达大学GloriaJ.Wiens等人对虚拟制造的定义侧重于虚拟制造与实际制造过程的相似性,认为虚拟制造与实际制造一样,只不过是在计算机上执行制造的全过程,其中虚拟模型是在实际制造之前,下一页返回6.2虚拟制造技术用于对产品的功能及可制造的潜在问题进行预测,而美国空军Wright实验室和马里兰大学EdwardLin的定义则侧重于虚拟制造的仿真、建模与分析技术和工具的综合应用,以增强各层的制造设计能力及生产决策与控制能力。综合以上定义,不难看到,目前对虚拟制造技术的研究正处于不断的深入、细化之中,因此对其的定义也是在不断地完善。6.2.3虚拟制造系统的体系结构为了能够“在计算机里进行制造”,VM将提供从产品设计到生产计划和制造过程优化的建模和模拟环境。完成这些任务,主要是以下3种类型的VM起着特殊的作用。(1)以产品设计为中心的VM(简称产品设计型VM)上一页下一页返回6.2虚拟制造技术提供设计工程师设计产品的设计工具和环境,如面向制造的设计(DFM)、面向装配的设计(DFA)等并行式设计工具;产品设计型VM产生的结果包括产品模型、成本估价等,因此可以识别与设计有关的潜在问题和判断其优缺点(以成本的形式或以其他的形式)。(2)以工艺设计为中心的VM(简称工艺设计型VM)以工艺技术为中心的VM可以构造生成工艺规程和生产计划、规划资源需求(新设备采购等),并评价这些计划的环境;换言之,它可以为工艺工程师提供虚拟的制造车间现场环境和设备,使之可以分析、改进生产计划和生产工艺,验证NC程序及物流控制,并提供精确的成本信息和产品供货计划表。(3)以控制为中心的VM(简称控制型VM)VM虚拟环境的体系结构如图6.4所示。上一页下一页返回6.2虚拟制造技术6.2.4虚拟制造的关键技术虚拟制造是近几年来国际上提出的,完整的理论体系还没有形成,其研究尚处于探索阶段。虽然某些基础单元技术已有了较深入的研究,但即使是在欧、美、日等工业发达国家,目前也主要是分析虚拟环境下基础单元技术的要求,对其进行理论上的研究。美国自然科学基金(NSF)、美国国家标准和技术研究所(NIST)和美国国防部高级研究计划署(ARPA)资助与支持下的几所大学和企业联合研究中心正在进行虚拟制造各个领域关键技术和系统开发方面的研究。日本东京大学和大阪大学的研究人员1993年起也在CIRP上发表论文,论述虚拟环境下产品建模的需求及其关键技术、虚拟制造系统体系结构等方面的研究成果。1.虚拟制造哲理的研究虚拟制造哲理的研究为制造企业实现从精良制造向敏捷制造的转变提供指导思想。在信息集成的基础上,通过组织管理、技术、资源和人机集成实现产品开发过程的集成。上一页下一页返回6.2虚拟制造技术2.虚拟制造技术层虚拟制造技术的研究为虚拟制造的实施与虚拟制造系统的建立提供理论和技术上的支持。它由3大主体技术群(建模技术群、仿真技术群、控制技术群)和一个支撑技术群(为3大主体技术群的实施提供支持)组成。(1)建模技术群建模技术群是指用来开发虚拟制造系统中各种模型的所有技术与方法,主要包括以下几个方面的内容。(2)仿真技术群仿真技术群是指运行和操作构成虚拟制造系统的各种模型的所有方法和技术。分布式交互仿真技术和虚拟现实技术在仿真中的应用是虚拟制造对仿真提出的新要求。上一页下一页返回6.2虚拟制造技术(4)支撑技术群支撑技术群是指支持虚拟制造系统开发、控制与运行的基础性技术,主要包括以下几个方面的内容。3.虚拟制造原型系统层在虚拟制造哲理和技术研究的基础上,虚拟制造原型系统的研究和开发可以从以下3个方面进行。4.虚拟制造集成开发平台层在理论研究和虚拟制造原型系统的开发的基础上,从集成开发平台的要求出发,对虚拟制造的通用功能、模块以及子系统等方面进行归纳整理,构造虚拟制造集成开发平台,以适应灵活方便地建立针对不同产品和制造环境的虚拟制造系统的需求,研究内容如下。上一页下一页返回6.2虚拟制造技术6.2.5虚拟制造技术在制造业中的应用虚拟制造技术在制造业中的应用:首先在军事、航空航天、汽车领域中获得成功的应用。例如波音飞机公司777飞机的设计,就是采用虚拟制造技术的典型范例,开发周期从通常的8年减少到5年,设计、装机、测试均在计算机中完成模拟,保证一次试制成功。虚拟制造在汽车领域的应用涉及汽车的整个生命周期,它可以在汽车生产设备、工装和模具,甚至校车的设计之前,很容易地对生产系统和工艺过程进行建模、修改、分析及优化。上一页返回6.3敏捷制造与并行工程6.3.1敏捷制造1.敏捷制造AM的内涵及定义随着市场经济的发展和经济全球化的到来,以及人们对产品的追求趋于多样化、个性化,以前表现在流水线生产、规模经济、产品标准化、高效低成本的大规模生产模式,在新的市场环境下,其一些固有的局限性已突现出来。追随具有多样化需求的细分市场,并尽量满足这些细分市场中不断变化的需求,实现产品多样化,需要制造过程的灵活性和多样性。敏捷制造正是适应这一环境而产生的新的生产模式,并表现出强有力的发展势头。AM的基本思想就是通过把灵活的动态联盟、先进和实用的柔性制造技术和高素质的劳动者三者有机地结合起来,从而使企业能够从容的应付快速和不可预测的市场需求,获得企业的长期经济利益。AM的一个关键概念是敏捷性,敏捷性能使企业以更快的速度、更好的质量、更低的成本以及更优质的服务来赢得市场竞争。下一页返回6.3敏捷制造与并行工程2.敏捷制造关键技术(1)虚拟制造(VirtualManufacturing,VM)敏捷制造企业追求的目标是对用户需求做出快速响应,虚拟制造是实现这一目标的有效途径。实现虚拟制造的主要手段是仿真:在产品的设计周期,借助建模和仿真技术及时模拟出产品在整个生命周期的各种活动,可以对产品的配置(包括零件、部件、整机装配)、构造(结构布局、干涉检查)进行仿真。VMS)的集成。(2)快速原型制造快速原型制造(RPM)是将计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机数字控制(CNC)、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集成于一体的技术,其核心是基于数字化的新型成形技术。上一页下一页返回6.3敏捷制造与并行工程虽然快速成形技术问世不长,但由于它给制造业带来的巨大效益,使得这一技术的应用日益广泛,成为现代先进制造技术中的一项支柱技术。3.敏捷制造产品实现过程敏捷制造技术