1、2020/8/24,1,數字工廠及其應用技術,2,2020/8/24,課程簡介,數字化制造技術作為先進制造技術的重要發(fā)展方向，已經成為國內外先進制造技術研究的熱點，數字化工廠是數字化制造中關鍵環(huán)節(jié)之一，數字化工廠技術最主要解決產品設計和產品制造之間的鴻溝，降低設計到生產制造之間的不確定性，在數字空間中將生產制造過程壓縮和提前，使生產制造過程在數字空間中得以檢驗，從而提高系統(tǒng)的成功率和可靠性，縮短從設計到生產的轉化時間。,3,2020/8/24,課程簡介,本課程是一門理論與工程實踐相結合的選修課，適合于具有工科背景的學生。其主要目的是讓學生了解數字制造技術的發(fā)展、數字化工廠技術的概念與理論；數字

2、制造建模理論；支持數字工廠的虛擬現實與優(yōu)化仿真技術、工廠布局與規(guī)劃技術、生產規(guī)劃與物流仿真技術、制造過程仿真模擬技術等，拓寬知識面，為今后更高層次的學習和研究奠定基礎。,4,2020/8/24,考核形式,平時作業(yè) 綜述性的研究報告,5,2020/8/24,仿真與優(yōu)化,2,1,3,4,虛擬制造技術,數字制造的建模理論,緒論,5,6,數字化工廠支撐技術,數字化工廠理論,7,數字化工廠應用技術,課程體系,6,2020/8/24,第一章 緒論,7,2020/8/24,制造技術是當代科學技術發(fā)展最為活躍的領域，是產品更新、生產發(fā)展、國際間技術競爭的重要手段； 制造業(yè)是國民經濟最重要的支柱產業(yè)，在工業(yè)化國

3、家約有25%的人口從事制造業(yè)，70%80%的物質財富來自制造業(yè)； 制造業(yè)是我國國民經濟的核心和工業(yè)化的原動力，我國制造業(yè)總產值約占全國GDP的42.5%； 世界各發(fā)達國家都把先進制造技術列為國家中、長期發(fā)展的重大關鍵技術。,第一章 緒論,8,2020/8/24,制造業(yè)生產規(guī)模的發(fā)展方向: 小批量少品種大批量多品種變批量 制造業(yè)資源配置的發(fā)展方向: 勞動密集設備密集信息密集知識密集 制造技術生產方式的發(fā)展方向 手工機械化單機自動化剛性流水自動化 柔性自動化智能自動化,第一章 緒論,9,2020/8/24,1.知識經濟條件下以社會、市場、環(huán)境和資源為背景的制造業(yè),產品生命周期縮短 用戶需求多樣化

4、大市場和大競爭 交貨期成為競爭的第一要素 信息化和智能化 人的知識、素質和需求的變化 環(huán)境保護意識的增強與可持續(xù)發(fā)展,知 識 經 濟 時 代 制 造 業(yè) 呈 現 新 特 點,第一章 緒論,10,2020/8/24,特點如下：,2.知識經濟條件下以社會、市場、環(huán)境和資源為背景的制造技術,常規(guī)制造工藝的優(yōu)化 新型（非正規(guī)）加工方法的發(fā)展 專業(yè)、學科間的界限逐漸淡化、消失 工藝設計由經驗走向定量分析 信息技術、管理技術與工藝技術緊密結合,第一章 緒論,11,2020/8/24,3. 二十一世紀制造業(yè)面臨的六大挑戰(zhàn),（1）快速響應市場能力的挑戰(zhàn) 全部制造環(huán)節(jié)并行實現 （2）打破傳統(tǒng)經營的組織、地域及時

5、間壁壘的挑戰(zhàn) 技術資源的集成 （3）信息時代的挑戰(zhàn) 信息向知識的轉變 （4）日益增長的環(huán)保壓力的挑戰(zhàn) 可持續(xù)發(fā)展 （5）制造全球化和貿易自由化的挑戰(zhàn) 可重組工程 （6）技術創(chuàng)新的挑戰(zhàn) 全新制造工藝及產品的開發(fā),第一章 緒論,12,2020/8/24,制造裝備,13,2020/8/24,第一章 緒論,航空發(fā)動機是一種高附加值產品： 航空發(fā)動機、客機、計算機、轎車和輪船的價值比為1400：800：300：9：1 1998年-2007年世界航空發(fā)動機銷售和維修市場總額為3500億美元,14,2020/8/24,GE90發(fā)動機 2800多個組件 10000多個零件,航空發(fā)動機研究和發(fā)展特點： 技術難度

6、大：涉及氣動、熱工、結構與強度、控制、測試、計算機、制造技術和材料等多個學科，一臺發(fā)動機內有幾十個部件和系統(tǒng)及數以萬計的零件,第一章 緒論,15,2020/8/24,航空發(fā)動機研究和發(fā)展特點： 周期長：發(fā)動機從方案論證到定型投入使用的周期長達30年。 例如美國空軍第四代戰(zhàn)斗機發(fā)動機從1986年開始驗證機研制；1991年原型機工程和制造研制，2004-2005投入使用,第一章 緒論,16,2020/8/24,17,2020/8/24,航空發(fā)動機研究和發(fā)展特點： 費用高： 80年代研制一臺推力為11000kgf，推重比5.5的渦輪風扇發(fā)動機的費用大約為10-15億美元； 90年代F119發(fā)動機研制

7、費用超過20億美元； 聯合攻擊戰(zhàn)動機F35的動力裝置F135研制費用高達50億美元 發(fā)動機研制費用約占航空研究費用的25%,第一章 緒論,18,2020/8/24,產業(yè)革命（標志技術）,經濟模式,前期工業(yè)經濟時代,發(fā)達工業(yè)經濟時代,知識工業(yè)經濟時代,主要生產模式,主要生產要素,生產過程,生產特征,關鍵技術,對產品要求,企業(yè)注重,企業(yè)管理強調,與資源的關系,與環(huán)境的關系,第一次產業(yè)革命（蒸汽機） 第二次產業(yè)革命（電力） 規(guī)模經濟 規(guī)模生產 勞動力 流水線、可互換式制造 機械化 單元技術 批量大 數量 集中 利用資源 破壞環(huán)境,第三次產業(yè)革命（原子能） 速度經濟 集成生產 資本 自動線、剛性或柔性

8、集成制造 自動化 綜合技術 品種多 質量 自主 節(jié)約資源 關心環(huán)境,高新技術產業(yè)革命（信息技術） 知識經濟 集約生產 知識 并行工程、分布式網絡智能制造 數字化、網絡化 智能技術 個性化、參與化、快速響應 服務（質量、價格、售后服務） 協同、人的創(chuàng)新作用 更新資源 保護環(huán)境、美化環(huán)境,19,2020/8/24,20-60年代：生產規(guī)模,剛性生產線：大量生產,70年代：生產成本,精良生產、準時生產制,80年代：產品質量,CIMS、全面質量管理TOC,90年代：市場響應速度,敏捷制造、快速響應制造,21世紀、知識和創(chuàng)新,新經濟、全球化網絡化制造,20,2020/8/24,現代制造的特征,（1）先進

9、制造技術是多學科的融合,集成,鴻溝 “Gap”,設計 功能描述,制造 設計物化,面向制造的設計、虛擬設計,虛擬制造、數字工廠,21,2020/8/24,現代制造的特征,先進制造技術是多學科的融合,傳統(tǒng)制造業(yè),網絡信息技術,智能理論,控制論,企業(yè)管理,信息論,現代制造理論體系 計算機集成制造、智能制造、敏捷制造、網絡化制造,22,2020/8/24,現代制造的特征,先進制造是覆蓋產品全生命周期的制造,23,2020/8/24,網絡協同化 大型集團企業(yè)信息化向網絡協同化方向發(fā)展，為其在全球范圍內優(yōu)化配置資源提供支撐。 系統(tǒng)集成化 骨干企業(yè)信息化向系統(tǒng)集成化方向發(fā)展，促進企業(yè)核心競爭力的提升。 服務

10、平臺化 中小企業(yè)信息化向服務平臺化方向發(fā)展，降低其企業(yè)信息化成本，提高其敏捷、靈活與快速響應性。,現代制造的特征,信息化與數字化制造,數字化制造是先進制造技術與信息技術相結合的產物，體現了制造技術的發(fā)展趨勢和學科前沿；,24,2020/8/24,空客A380采用跨國異地設計/制造/管理的信息平臺ACE系統(tǒng)。 通過29100個環(huán)球的網絡終端，使分布在世界各地的設計人員、供應商均可根據級別進入相應的設計系統(tǒng)，修改數據可即時傳送效率和準確率大大提高。,（1）網絡協同化：制造業(yè)信息化技術支撐產業(yè)鏈、企業(yè)間的國際化協作和全球資源優(yōu)化配置，實現集團企業(yè)與供應商、經銷商和服務商的信息流、業(yè)務流的集成。,25

11、,2020/8/24,福特公司C3P計劃強調使用單一的核心系統(tǒng)和產品數據模型，實現設計制造集成。 集成環(huán)境C3P，使得產品數據能夠在各個部門間高效傳遞，大幅度減少了紙制介質的使用，縮短了研發(fā)周期。 在Teamcenter基礎上進行二次開發(fā)和系統(tǒng)定制，將PDM向PLM延伸并實現與ERP系統(tǒng)的有機融合，提供汽車全生命周期的集成平臺。,（2）系統(tǒng)集成化：制造業(yè)信息化技術促進企業(yè)內部的數據、資源的集成，實現企業(yè)內部數字化設計、制造與管理的互連互通，支撐企業(yè)核心競爭力的提升。,26,2020/8/24,（3） 服務平臺化：以公共服務平臺為基礎，采用一對多的服務方式，為中小企業(yè)提供制造業(yè)信息化的應用服務，

12、支持企業(yè)的業(yè)務過程、實現產業(yè)鏈協作的信息集成。 汽車行業(yè)公共數據網絡平臺（ANX）為汽車制造廠、多級配件供應商、多級銷售商和多級服務企業(yè)建立了統(tǒng)一的信息交流環(huán)境。 ANX平臺大大降低了運營成本，為眾多中小企業(yè)提供了介入原本只有大型企業(yè)才能擁有的采購、銷售和服務體系。,ANX：美國 ENX：歐洲 JNX：日本 KNX：韓國 AANX：澳大利亞 TANX：中國臺灣,27,2020/8/24,現代制造的特征,新的制造理念與發(fā)展,傳統(tǒng)制造技術向高精度、高速高效、自動化和智能化方向發(fā)展,生物制造與仿生機械：結構、功能、能源與運動機械仿生和仿生制造、生物自生長成形制造；機械超前反饋仿生與制造的科學與技術；

13、生物制造原理和技術；新一代生物芯片制造原理與技術,納米制造科學與技術：納米材料制備及其性能測量；納米尺度加工、制造、測量與裝配；納電子制造與分子原子制造的原理與技術,綠色制造,28,2020/8/24,數字制造的概念和發(fā)展,制造就是在人的主導下，通過物質、能源和信息三大要素之間的相互作用，將原材料轉化為產品的過程,原材料,能量,設備,產品,廢物,回收處理,信息,人與 環(huán)境,29,2020/8/24,數字制造的概念和發(fā)展,隨著信息技術和計算機網絡技術的發(fā)展，世界正經歷一場網絡化革命,網絡化、數字化、全球化、知識化和服務化是制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn),數字化已成為制造業(yè)中產品全生命周期不可缺少的驅動因素。制

14、造業(yè)由傳統(tǒng)的能量驅動型逐步轉為數字信息驅動型,未來的制造業(yè)將成為一種信息產業(yè)，信息將成為制造業(yè)的決定因素，用信息化技術促進制造業(yè)的改造已成為時代的潮流,30,2020/8/24,數字制造的概念和發(fā)展,信息在制造過程中的作用,人類大腦,四肢,工具,對象,感官器官,環(huán)境,人類體力與智力為主導的制造,31,2020/8/24,數字制造的概念和發(fā)展,信息在制造過程中的作用,人類大腦,手,機器,對象,感官器官,環(huán)境,工業(yè)革命-機器時代,32,2020/8/24,數字制造的概念和發(fā)展,信息在制造過程中的作用,人類大腦,數字指令,控制器,對象,感官器官,環(huán)境,計算機時代-數字控制時代,執(zhí)行器,傳感器,33,

15、2020/8/24,數字制造的概念和發(fā)展,信息在制造過程中的作用,智能體,控制器,執(zhí)行器,對象,傳感器,環(huán)境,信息時代,34,2020/8/24,數字制造的概念和發(fā)展,裝配,有限元分析,機構分析,工藝規(guī)劃,數控編程,CAD、CAM、CAPP、PDM,制造執(zhí)行,柔性制造,企業(yè)資源計劃,供應鏈管理,客戶關系管理,STEP/TCP/IPXML,35,2020/8/24,36,2020/8/24,數字制造的概念和發(fā)展,波音777是世界上第一個采用全數字化定義和無紙化生產的大型飛機,依據飛機部件功能劃分為238個綜合設計制造小組，共有人員8000余人,配置2200個使用CATIA軟件的IBM RISC6

16、000工作站和9000多臺PC，建立了由8臺主機聯網的并行工程環(huán)境，支持238小組進行產品設計與信息交換,減少設計更改和返工率50%以上，降低成本30%-60%，縮短開發(fā)時間50%,37,2020/8/24,數字制造的概念,數據是未經過組織的數字、詞語、聲音、圖像等； 信息是以有意義的形式加以排列和處理的數據； 知識是用于生產的信息，信息是知識的基石，信息經過加工處理、應用與生產，才能轉變成知識； 數字是用于表示事物以及事物之間的聯系符號，信息的載體，而信息是數字的內涵； 企業(yè)信息化就是將數據、信息和知識高效地存儲管理起來，并完成從數據到信息再到知識的的轉換，進而從知識中再創(chuàng)造出新的知識，將企

17、業(yè)的效益最大化；,38,2020/8/24,數字制造的定義,數字制造是用數字化定量、表述、存儲、處理和控制方法， 支持產品全生命周期和企業(yè)的全局優(yōu)化運營，以制造過程的 知識融合為基礎，以數字化建模仿真與優(yōu)化為特征；它是在 虛擬現實、計算機網絡、快速原型、數據庫等技術支撐下， 根據用戶的需求，對產品信息、工藝信息和資源信息進行分 析、規(guī)劃和重組，實現對產品設計和功能的仿真以及原型制 造，進而快速生產出達到用戶要求性能的產品的整個制造過 程。,微觀過程數字化：制造工藝過程知識的獲取以及進行制造工藝自主設計和優(yōu)化控制,宏觀過程數字化：生產系統(tǒng)的布局設計與實際優(yōu)化運作的數字化,39,2020/8/24

18、,數字制造的概念輪圖,40,2020/8/24,三種數字制造觀,以制造為中心的數字制造觀 來源于數字控制技術與數控機床是數字制造的基礎； 多臺數控機床和工業(yè)機器人協同工作，形成柔性制造單元，若干柔性制造單元形成柔性制造系統(tǒng)，以數字量 實現加工過程的物料流、加工流和控制流的表征、存儲和控制 通過網絡技術將每臺設備作為一個節(jié)點實現一個車間或多個車間的生產過程自動化,41,2020/8/24,三種數字制造觀,以設計為中心的數字制造觀 由于計算機的發(fā)展以及計算機圖形學與機械設計的結合，產生了以數據庫為核心，以交互式圖形系統(tǒng)為手段，以工程分析計算為主體的計算機輔助設計系統(tǒng)（CAD）； 將CAD的產品設計

19、信息轉換為產品制造、工藝規(guī)則信息，進一步形成面向產品設計、制造、工藝、管理、成本核算等所有信息數字化； 計算機網絡技術的高速發(fā)展形成了支持異地協同跨平臺、區(qū)域的群體智能協作,42,2020/8/24,三種數字制造觀,以管理為中心的數字制造觀 根據不斷變化的市場信息、用戶訂貨和預測，從企業(yè)全局和長遠利益出發(fā)，通過決策模型，評價企業(yè)的生產和經營狀況，預測企業(yè)的未來和現階段的運行狀況； 出現了能夠覆蓋整個企業(yè)從產品的市場需求、研發(fā)、設計、制造、銷售、服務、維護等生命周期中信息的產品數據管理系統(tǒng)，從而實現以產品和供應鏈為核心的過程集成； 形成了以ERP為中心的MRP/PDM/MIS/ERP等技術集成,

20、43,2020/8/24,數字制造技術內涵,數字制造,宏觀數字制造,微觀數字制造,制造資源、環(huán)境、服務等數字化 生產系統(tǒng)布局設計與實際優(yōu)化運作 產品營銷、維修、使用等數字化 決策支持系統(tǒng),QFD、CAD、DFX、VM、RP、CAE、CAM、CAPP,NC、MC、CNC、FMC、FMS、基于Web制造、無紙化制造、遠程協同,最終產品,數字制造信息支持技術：IGES、STEP、MRP、MIS、PDM。,44,2020/8/24,決策支持,數字設計,計算機輔助工程,管理調度,市場與客戶,維修與報廢,數字制造,數字制造的概念體系,信息科學,管理科學,控制科學,制造科學,基礎理論和科學問題,45,202

21、0/8/24,數字制造關鍵技術,1.數字制造技術標準及實施規(guī)范 2.制造信息學 3.數字制造建模與仿真工具 4.網絡化制造 5.數字裝備 6.數字制造中的知識管理與應用 7.以可視化為代表的人機交互技術,46,2020/8/24,產品 數字化,過程 數字化,資源 數字化,實際 數字化制造 過程體系,制造活動,數字樣機 建模體系,數字樣機 虛擬試驗和 制造體系,數字化工廠與數字化制造系統(tǒng),擴展企業(yè) 單獨企業(yè) 數字車間 數字制造單元,設計方法學 產品數字模型,試驗建模 VR方法,管理數字化,裝備數字化,服務 數字化,47,2020/8/24,material flow mains pipeline,effective supply network,48,2020/8/24,40年代 50年代 60年代 70年代 80年代 90年代 00年代,STEP產品數據交換標準,敏捷制造,CIMS,虛擬制造,設計方法學,并行工程,網絡化制造,虛擬現實與高性能計算,Internet/WWW/XML,專家系統(tǒng),FMS,網絡化CAD/CAM