现代制造系统9

第9章先进制造新概念9.1智能制造•9.1.1智能制造研究的背景市场的因素技术进步因素•9.1.2智能制造的含义智能制造技术是指在制造工业的各个环节，以一种高度柔性与高度集成的方式，通过计算机模拟人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，旨在取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动，并对人类专家的制造智能进行收集、存储、完善、共享、继承与发展的技术。9.1智能制造•智能制造系统基于IMT的制造系统(IMS)则是一种借助计算机，综合应用人工智能技术、智能制造设备、agent技术、材料技术、现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术和系统工程技术。在国际标准化和互换性的基础上，使得制造系统中的经营决策、生产规划、作业调度、制造加工和质量保证等各个子系统分别智能化，成为网络集成的高度自动化制造系统。9.1智能制造•智能制造系统的特点制造系统的自组织能力制造系统的自律能力自学习和自维护能力整个制造环境的智能集成9.1智能制造•9.1.3智能制造研究的支撑技术•1.人工智能技术•2.并行工程•3.虚拟制造技术9.1智能制造•9.1.4智能制造研究的内容•1.智能制造理论和系统设计技术•2.智能制造单元技术的集成1)智能设计。应用并行工程和虚拟制造技术，实现产品的并行智能设计。2)生产过程的智能规划。在现有的检索式、半创成式CAPP系统的基础上，研究和开发创成式CAPP系统，使之面向IMS。3)生产过程的智能调度。4)智能监测、诊断和补偿。5)生产过程的智能控制。6)智能质量控制。7)生产与经营的智能决策。9.1智能制造•3.智能机器的设计•智能机器是IMS中模拟人类专家智能活动的工具之一，因此，对智能机器的研究在IMS研究中占有重要的地位。IMS常用的智能机器包括智能机器人、智能加工中心、智能数控机床和自动引导小车(AGV)等。9.1智能制造•9.1.5日本智能制造系统国际合作计划从1995年开始，IMS计划进入全面实施阶段，总投资为40亿美元，到目前为止共批准了12个项目：1)面向21世纪的全球制造业的企业集成——全球人21（Globeman21）。2)具有分布、自律、敏捷、仿生、分形等特点的下一代制造系统（NGMS）。3)全能制造系统（HMS）。4)知识系统化（GNOSIS）。5)变结构物料储运系统（MMHS）。6)快速产品开发（RPD）。7)人机共存系统的组织问题（HUMACS）。8)创新型和智能型现场工厂建设研究（IGT）。9)数字化模具设计系统（3DS）。10)智能复合产品。11)人的感觉因素对产品全生命周期的影响（INCOMPRO）。12)适用于全球分布式企业设计、规划、运行的建模与仿真环境（MISSION）。9.1智能制造•9.1.6中国国家自然科学基金重点项目“智能制造技术基础”的研究项目背景研究成果与特色9.2敏捷制造•9.2.1基本概念•定义以柔性生产技术和动态组织结构为特点，以高素质、协同良好的工作人员为核心，实施企业间网络集成，形成快速响应市场的社会化制造体系。9.2敏捷制造•9.2.2敏捷制造的特征•(1)与其他先进制造模式相比较，敏捷制造的主要特征1)以满足用户要求，获得利润为目标。2)以竞争能力和信誉为依据，选择组成动态公司的合作伙伴。3)基于合作间的相互信任、分工协作、共同目标来有力地增强整体实力。4)把知识、技艺、信息投入最底层生产线。9.2敏捷制造•(2)与传统的大量生产方式相比，敏捷制造主要特征1)全新的企业合作关系——虚拟企业(virtualenterprise)或动态联盟。2)大范围的通讯基础结构。在信息交换和通讯联系方面，必须有一个能将正确的信息在正确的时间送给正确的人的“准时信息系统”(just　in　time　informationsystem)，作为灵活的管理系统的基础，通过信息高速公路与国际互联网络将全球范围的企业相联。3)为订单而设计、为订单而制造的生产方式。4)高度柔性的、模块化的、可伸缩的生产制造系统。这种柔性生产系统往往规模有限，但成本与批量无关，在同一系统内可生产出的产品品种是无限的。5)柔性化、模块化的产品设计方法。6)“高质量”的产品。敏捷制造的质量观念已变成使整个产品生命周期内的用户满意，企业将质量跟踪持续到产品报废为止。9.2敏捷制造•7)有知识、有技术的人是企业成功的关键因素。在敏捷企业中，认为解决问题靠的是人，不是单纯的技术，敏捷制造系统的能力将不受限于设备，而只受限于劳动者的想像力、创造力和技能。8)基于信任的雇佣关系。雇员与雇主之间将建立一种新型的“社会合同”的关系，大家能意识到为了长远利益而和睦相处。9)基于任务的组织与管理。敏捷制造企业的基层单位是“多学科群体”(multi　disciplineteam)的项目组，是以任务为中心的一种动态组合，敏捷企业强调权力分散，把职权下放到项目，提倡“基于统观全局的管理”模式，要求各个项目组都能了解全局的远景，胸怀企业全局，明确工作的目标和任务的时间要求，而完成任务的中间过程则完全可以自主。10)对社会的正效应。大量生产方式通常只关心企业本身效益，不关心对社会的影响，所以通常会带来不同程度的环境污染，能源浪费及失业等社会问题。而敏捷制造则要全面消除企业生产给社会造成的不利影响，企业必须完全服务于社会。9.2敏捷制造图9-1一个跨国虚拟企业的结构9.2敏捷制造•虚拟企业的特点•1)功能的虚拟化。•2)组织的虚拟化。•3)地域的虚拟化。9.2敏捷制造•9.2.3敏捷制造研究的内容•分布式数据库子系统；分布式群决策软件子系统；智能控制子系统；智能传感器子系统；基于知识的人工智能研究；快速合作子系统；工厂网络子系统；企业集成子系统；用户交互子系统；人与技术接口子系统；教育培训子系统；模块化可重构的硬件子系统；仿真与建模子系统；废物处理和消除子系统；零故障方法学子系统；节能子系统；动态合作子系统；性能测量与评价子系统。9.2敏捷制造•9.2.4国内外发展现状及应用•(1)国外研究现状及应用•(2)我国敏捷制造的发展策略9.3并行工程•9.3.1基本概念•定义•并行工程(concurrentengineering，CE)是近年来国际制造业中兴起的一种新型企业组织管理理论，旨在提高产品质量，降低产品成本和缩短开发周期。目前，人们普遍采用R.I.Winner在国防分析研究所(IDA)R　338研究报告中的定义：“并行工程是对产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)进行并行，一体化设计的一种系统化的工作模式。这种工作模式力图使开发者们从一开始就考虑到产品全生命周期(从概念形成到产品报废)中的所有因素，包括质量、成本、进度与用户要求。”9.3并行工程•并行工程的特点•与传统设计方法相比，并行工程主要特点为：设计的出发点是产品的整个生命周期的技术要求；并行设计组织是一个包括设计、制造、装配、市场销售、安装及维修等各方面专业人员在内的多功能设计组，其设计手段是一套具有CAD、CAM、仿真、测试功能的计算机系统，它既能实现信息集成，又能实现功能集成，可在计算机系统内建立一个统一的模型来实现以上功能；并行设计能与用户保持密切对话，可以充分满足用户要求；可缩短新产品投放市场的周期，实现最优的产品质量、成本和可靠性。9.3并行工程•并行工程的基础技术研究目前主要集中在以下几方面：1)面向并行工程的组织机构研究。2)面向并行工程的管理决策支持系统。3)面向并行工程的新设计学科。4)面向并行工程机制的CAD/CAPP/CAM/CAE。5)建模与仿真技术。6)基于计算机的知识信息、工具集成技术。9.3并行工程•CE的理论基础与运行机制•CE的理论基础从本质上讲，CE是一种以空间换取时间、处理系统复杂性的系统化方法(systematicapproach)，它以信息论、控制论和系统论为理论基础，在数据共享、人机交互等工具及集成上述工具的智能技术支持下，按多学科、多层次协同(synergy)一致的组织方式工作。与传统串行工作模式相比，它大大地扩大了系统状态空间，大大地缩短了复杂问题交互式求解进程的迭代次数，促使最终目标一次成功(dorightfirst)，以非线性的管理机制和整体性(holism)思想，赢得集成附加的协同效益。9.3并行工程9.3并行工程•9.3.2并行工程的实施•CE环境•实施CE的必要条件与步骤•CE的实施框架•9.3.3并行工程在我国的研究进展9.4虚拟制造系统•9.4.1基本概念•虚拟制造技术•虚拟制造技术(virtualmanufacturingtechnology，VMT)可以通俗而形象地理解为：在计算机上模拟产品的制造和装配全过程。换句话说，借助建模和仿真技术，在产品设计时，就可以把产品的制造过程、工艺设计、作业计划、生产调度、库存管理以及成本核算和零部件采购等生产活动在计算机屏幕上显示出来，以便全面确定产品设计和生产过程的合理性。9.4虚拟制造系统•虚拟制造系统•虚拟制造系统(virtualmanufacturingsystem，VMS)是基于VMT实现的制造系统，是现实制造系统(realmanufacturingsystem，RMS)在虚拟环境下的映射，而现实制造系统是物质流、信息流、能量流在控制机的协调与控制下在各个层次上进行相应的决策，实现从投入到输出的有效的转变，而其中物质流及信息流协调工作是其主体。9.4虚拟制造系统•VMS的要求•功能一致性•结构相似性•组织的柔性•集成化•智能化9.4虚拟制造系统•9.4.2VMS研究内容及其关键技术•VMS研究内容•虚拟制造系统的理论体系•基于分布式并行处理环境下的虚拟制造系统的开放式体系结构(VMS-OSA)的研究•虚拟环境下的产品主模型技术•虚拟环境下并行处理的分布式智能协同求解技术与系统•虚拟环境下系统全局最优决策理论与技术•RMS和VMS之间的映射，虚拟设备、虚拟传感器、虚拟单元、虚拟生产线、虚拟车间及虚拟工厂(公司)的建立，以及各种虚拟设备的重用性和重组性技术•基于真实动画感的虚拟产品的装配仿真、生产制造过程及生产调度仿真、数控加工过程仿真等技术与系统•应用虚拟现实技术实现虚拟环境及虚拟制造过程中的人机协同求解•VMS集成开发平台的体系结构、构件库及用户开发界面管理系统•虚拟公司的组织、调度及控制策略与技术9.4虚拟制造系统•VMS的关键技术•软件方面的关键技术•硬件方面的有关技术9.4虚拟制造系统•9.4.3VM的软硬件研究情况及其应用•与VM相关的软硬件•研究情况•VM的应用实例9.5快速原型技术•基本概念•快速原型（rapidprototyping，RP）是使用一种特殊的设备来产生实体模型的技术。该技术摆脱了传统的“去除”加工方法，采用全新的“增长”加工方法，通过层层堆积的方式，制造零件的实体模型。快速原型设备使用计算机三维模型中水平薄切片的数据来构造塑料、陶瓷或金属等零件。快速原型采用光敏感光聚脂、纸质薄片材料、工程塑料丝、塑料粉末和金属粉末等原料来建造实体模型。9.5快速原型技术•快速原型的作用•快速原型的几种加工方法和技术•快速原型技术流程•快速模具制造•快速原型应用的障碍•快速原型的发展趋势9.6绿色制造•9.6.1概念•基于生命周期的概念，绿色制造可定义为：在不牺牲产品功能、质量和成本的前提下，系统考虑产品开发制造及其活动对环境的影响，使产品在整个生命周期中对环境的负面影响最小，资源利用率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。9.6绿色制造9.6绿色制造•研究内容•绿色设计技术•制造企业的物能资源优化技术•绿色ERP管理模式和绿色供应链•绿色制造的数据库和知识库•绿色制造的实施工具和产品•绿色集成制造系统的运行模式•制造系统环境影响评估系统•绿色制造的社会化问题9.7先进制造技术发展趋势•9.7.121世纪对先进制造技术的挑战•信息时代的挑战•有限的资源与日益增长环保压力的挑战•制造全球化和贸易自由化的挑战•消费观念变革的挑战9.7先进制造技术发展趋势•9.7.2先进制造技术发展趋势•设计技术不断现代化•成形制造技术向精密成