现代制造系统之先进制造模式.pptx
当代制造系统当代制造系统工业工程第七讲第七讲 先进制造模式先进制造模式Advanced Manufacturing Philosophy and Production Model 现代制造系统之先进制造模式第1页绿色制造绿色制造 2 2 1 3 34 4智能制造智能制造虚拟制造虚拟制造Introduction5 56 6可重构制造系统可重构制造系统现代制造系统之先进制造模式第2页虚拟制造虚拟制造Parallel Machine Tool现代制造系统之先进制造模式第3页虚拟制造虚拟制造虚拟制造虚拟制造定义定义一个在计算机网络及虚拟现实环境中完成，利用制造系统各层次及不一样侧面数学模型，对包含设计、制造、管理和销售等各个步骤产品全生命周期各种技术方案和技术策略进行评定和优化综合过程。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，研究怎样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步骤数字模型，完成制造系统整个过程计算与仿真技术虚拟制造技术虚拟制造技术虚拟制造技术虚拟制造技术定义定义现代制造系统之先进制造模式第4页虚拟制造系统虚拟制造系统虚拟制造系统虚拟制造系统定义定义是一个在虚拟制造技术指导下，在计算机网络和虚拟现实环境中建立起来，含有集成、开放、分布、并行、人机交互等特点，能够从产品生产全过程高度来分析和处理制造系统各个步骤技术问题软硬件系统。现代制造系统之先进制造模式第5页 虚拟制造特点：以模型为关键虚拟制造特点：以模型为关键 产品模型产品模型 产品信息在计算机上展示。过程模型过程模型 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 活动模型活动模型 企业生产组织和经营活动模型 资源模型资源模型 对企业各种资源建模描述现代制造系统之先进制造模式第6页虚拟制造特点pVM是实际制造过程在计算机上映射和本质表现。p经过计算机虚拟模型来模拟和预估产品功效、性能及可加工性等各方面可能存在问题，提升人预测和决议水平，使制造技术不再主要依赖于经验。p产品设计与制造是在虚拟环境下进行：p可使分布在不一样地点、不一样部门不一样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，降低大量文档生成及其传递时间和误差，使产品开发以快捷、优质、低耗响应市场。现代制造系统之先进制造模式第7页虚拟制造技术内涵虚拟制造系统虚拟制造系统实际制造系统实际制造系统计算机仿真计算机仿真虚拟现实虚拟现实基于网络基于网络VPS虚拟信息系统虚拟信息系统确认和验证确认和验证技术人员技术人员客户客户抽象与综合抽象与综合虚拟产品虚拟产品实际信息系统实际信息系统样机样机需求需求工人工人工厂工厂RPS实际产品实际产品现代制造系统之先进制造模式第8页客户客户需求需求工人工人计算机产品信息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内涵现代制造系统之先进制造模式第9页虚拟制造关键技术n虚拟现实技术n虚拟设计技术n可制造性评价现代制造系统之先进制造模式第10页产品数据管理（产品数据管理（PDM）实实际际制制造造过过程程技技术术人人员员和和用用户户数字化模型数字化模型计算机仿真、虚拟现实计算机仿真、虚拟现实虚虚拟拟开开发发平平台台虚拟设计虚拟设计 有限元分析有限元分析 运动学分析运动学分析 动力学分析动力学分析虚拟加工虚拟加工 工艺过程优化工艺过程优化 工具设计优化工具设计优化 单元工艺优化单元工艺优化 加工过程分析加工过程分析虚拟装配虚拟装配 装配工艺规划装配工艺规划 装配路线规划装配路线规划 装配分配规划装配分配规划 装配质量规划装配质量规划虚虚拟拟生生产产平平台台虚拟布局虚拟布局虚拟实际生产环境虚拟实际生产环境虚拟生产动态过程虚拟生产动态过程优化生产环境布局优化生产环境布局虚拟设备虚拟设备虚拟集成支撑环境虚拟集成支撑环境优化集成方案优化集成方案虚拟调度虚拟调度虚拟产品生产过程虚拟产品生产过程优化生产调度方案优化生产调度方案虚虚拟拟企企业业平平台台协同工作环境协同工作环境 支持异地设支持异地设计、装配、测试计、装配、测试环境。环境。虚拟企业动态虚拟企业动态组合组合 系统集成系统集成 任务调度任务调度虚拟制造体系结构现代制造系统之先进制造模式第11页产品建模产品建模产品异地设计产品异地设计零部件分析优零部件分析优化化快速原型快速原型生产工艺优化生产工艺优化工具设计优化工具设计优化刀位控制刀位控制参数优化参数优化刀位轨迹刀位轨迹参数优化参数优化加工方案加工方案评评 估估虚拟试验虚拟试验虚拟检测虚拟检测工艺模型验证工艺模型验证产品模型试验：虚拟机产品模型试验：虚拟机床床生产计划生产计划仿真优化仿真优化虚拟生产布局虚拟生产布局虚拟设备集成虚拟设备集成虚拟装配虚拟装配虚拟生产平台服务器虚拟生产平台服务器虚拟企业平台服务器虚拟企业平台服务器企业协同工作环境企业协同工作环境企业虚拟运行企业虚拟运行企业运行仿真企业运行仿真产品优化设计产品优化设计产品性能评价产品性能评价可制造性评价可制造性评价虚拟设计虚拟设计虚拟制造虚拟制造虚拟生产虚拟生产虚拟企业虚拟企业虚拟制造功效组成现代制造系统之先进制造模式第12页类类别别特点特点主要主要目标目标主要技术主要技术支持支持应用领域应用领域以以设设计计为为中中心心在设计阶段为设计人员提供制造信息使用基于制造仿真以优化产品和工艺设计经过“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 虚拟制造功效组成现代制造系统之先进制造模式第13页类类别别特点特点主要主要目标目标主要技术主要技术支持支持应用领域应用领域以以生生产产为为中中心心将仿真能力用于制造过程模型，方便低费用、快速地评价不一样工艺方案用于资源需求规划、生产计划产生及评价环境评价可生产性 虚拟现实 嵌入式仿真 工厂或产品物理布局传统制造：主要考虑空间虚拟制造：总体协调、优化动态过程,人、环境、效率生产计划编排传统制造：静态、确定型虚拟制造：动态、随机型现代制造系统之先进制造模式第14页类类别别特点特点主要主要目标目标主要技术主要技术支持支持应用领域应用领域以以控控制制为为中中心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-基于仿真实时动态调度对连续制造-基于仿真最优控制 现代制造系统之先进制造模式第15页设计为关键设计为关键优化产品设计、优化产品设计、工艺设计工艺设计加工方案评价加工方案评价生产为关键生产为关键优化资源优化资源选择评价工艺选择评价工艺验证新工艺验证新工艺控制为关键控制为关键优化车间控制优化车间控制优化制造过程优化制造过程产品概念设计产品概念设计CAD/CAMM!M2 M3 M4供设计者参考制造信息供设计者参考制造信息虚拟产品原型虚拟产品原型 成本估算成本估算新产品模型、工艺、制造信息新产品模型、工艺、制造信息虚拟生产计划虚拟生产计划质量质量评定评定新工艺及对应信息、如成本新工艺及对应信息、如成本车间机床车间机床及控制系统及控制系统工厂资源（人、设备）工厂资源（人、设备）M1：已经有模型和工艺：已经有模型和工艺M2：日程模型、逻辑模型：日程模型、逻辑模型M3：过程模型：过程模型M4：成品模型参数：成品模型参数现代制造系统之先进制造模式第16页VM使能技术-产品建模技术现代制造系统之先进制造模式第17页VM使能技术性能分析CAD模型网格划分施加约束主轴箱立柱热变形分析现代制造系统之先进制造模式第18页网格划分主轴箱立柱热变形分析温度场分布热变形分布现代制造系统之先进制造模式第19页VM使能技术加工过程仿真现代制造系统之先进制造模式第20页VM使能技术虚拟测量现代制造系统之先进制造模式第21页VM使能技术生产过程仿真现代制造系统之先进制造模式第22页现代制造系统之先进制造模式第23页虚拟使能技术虚拟现实技术VR（Virtual reality）是在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术以及传感器技术口技术、多媒体技术以及传感器技术基础上发展起来一门交叉技术交叉技术。由计算机直接把视觉、听觉和触觉等各种信息合成，并提醒给人感觉器官，在人周围生成一个三维虚拟环境，从而把人、现实世界和虚拟空间结合起来融为一体，相互间进行信息交流和反馈技 术。VR又被称为幻境或灵境技术。现代制造系统之先进制造模式第24页n浸入性：用户感到被虚拟世界包围，好像完全融入其中视觉浸入：使用者能够亲身体验虚拟环境真实直观试图触觉浸入：允许使用者接触并感觉虚拟物体听觉浸入：模拟人耳感受声音方式，提供真实声音嗅觉浸入、味觉浸入：刚才开始或还未开始研究n交互性：用户能经过自然动作与虚拟世界物体进行交互作用n构想性：在虚拟现实系统中，帮助人们获取知识和形成新概念虚拟现实基本特征现代制造系统之先进制造模式第25页绿色制造与再制造绿色制造与再制造Green Manufacturing&Remanufacture现代制造系统之先进制造模式第26页序言:为何要发展绿色制造n 20世纪以前，人类生产生活模式：n “大量生产 大量消费 大量废弃”n 造成了全球规模环境与资源问题。n 环境、资源、人口是当今社会面临三大问题。n 二十一世纪，绿色制造势在必行！n 优质、低耗、高效、清洁化n n 现代制造系统之先进制造模式第27页产品退伍问题汽车当前美国有汽车1.7亿辆；欧洲1.5亿辆，亚洲整体上相当；1.5亿辆汽车排队可绕地球10圈；1.5亿辆汽车排队能够抵达月球。现代制造系统之先进制造模式第28页产品退伍问题电子产品当第一个半导体还在硅谷进行试验时，谁会想到数十年后个人电脑（每年6000万台）在数量上到达并超出汽车（每年5000万台）。现代制造系统之先进制造模式第29页传统再循环过程报废产品结束回收汽车粉碎机进料与出料报废产品结束回收汽车粉碎机后金属碎屑手工分拣非金属碎屑现代制造系统之先进制造模式第30页现代制造系统之先进制造模式第31页p产品性能80%是由设计阶段决定。p产品环境性能表达在产品全生命周期 p在产品整个生命周期内，着重考虑产品环境属性（可拆卸性，可回收性、可维护性、可重复利用性等）并将其作为设计目标，在满足环境目标要求同时，确保产品应有功效、使用寿命、质量等要求。绿色设计（Green Design）现代制造系统之先进制造模式第32页 即Reduce,Reuse,Recycle，降低环境污染、减小能源消耗，产品和零部件回收再生循环或者重新利用。绿色设计3R标准现代制造系统之先进制造模式第33页p 绿色切削技术干切削、少切削液切削等 p 绿色长成技术激光快速成型等 绿色加工技术现代制造系统之先进制造模式第34页绿色加工工艺技术现代制造系统之先进制造模式第35页p 清洁能源。p 清洁生产过程 p 清洁产品 绿色生产/清洁生产(Cleaner Production)现代制造系统之先进制造模式第36页p清洁能源。包含开发节能技术，尽可能开发利用再生能源以及合理利用常规能源。p清洁生产过程。包含尽可能不用或少用有毒有害原料和中间产品。对原材料和中间产品进行回收，改进管理、提升效率。p清洁产品。包含以不危害人体健康和生态环境为主导原因来考虑产品制造过程甚至使用之后回收利用，降低原材料和能源使用。现代制造系统之先进制造模式第37页再制造定义n废旧产品拆卸n部分经过清洗、检测、翻新或替换n重新组装、测试得到新产品将废旧产品制造成“如新产品一样好”再制造产品再循环过程。再制造产品质量和性能能够到达或超出原型新品，但成本不超出原型新品50，能够节能60、节材70，对环境不良影响也显著降低。因为再制造以废旧产品零部件为毛坯，主要以先进表面工程技术为修复伎俩，使得废旧产品不再“一扔了之”。再制造不但可使废旧产品起死回生，还可很好地处理资源节约和环境污染问题 现代制造系统之先进制造模式第38页再制造条件n恢复产品技术条件n产品由能够交换组件组成n回收毛坯（core）价格廉价n产品生产技术在产品换代之前比较稳定n庞大市场需求20世纪90年代，美国提出3R体系（Reuse再利用、Recycle再循环、Remanufacture再制造）。以徐滨士院士为代表中国学者也提出4R体系（Reduce减量化、Reuse再利用、Recycle再循环、Remanufacture再制造）。现代制造系统之先进制造模式第39页再制造关键技术n表面工程技术n寿命评定技术将废旧产品制造成“如新产品一样好”再制造产品再循环过程。现代制造系统之先进制造模式第40页现代制造系统之先进制造模式第41页变单纯废物处置为再制造变单纯废物处置为再制造再制造实例墨盒，碳粉盒墨盒，碳粉盒汽车整体再制造汽车整体再制造现代制造系统之先进制造模式第42页车轮再制造:n打磨翻新n机械加工 n修配n电镀 n焊接现代制造系统之先进制造模式第43页 现代制造系统之先进制造模式第44页 再制造再制造前发动机前发动机 再制造后发动机再制造后发动机 首先对报废发动机曲轴等关键零部件进行剩下寿命评定，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。现代制造系统之先进制造模式第45页流程工业绿色化流程工业绿色化高炉转炉连铸热连轧冷连轧产品焦化烧结120万吨废钢8001000万吨钢铁厂万吨钢铁厂发电厂发电厂煤气煤气120120万万万万KWKW水泥厂水泥厂废渣废渣300300万吨万吨万吨万吨1428万吨废塑料现代制造系统之先进制造模式第46页智能制造系统智能制造系统A-Manufacturing Systems 现代制造系统之先进制造模式第47页智能算法智能算法为了找出地球上最高山，一群有志气兔子们开始想方法。1兔子朝着比现在高地方跳去。他们找到了不远处最高山峰。不过这座山不一定是珠穆朗玛峰。这就是局部搜索是局部搜索，它不能确保局部最优值就是全局最优值。2兔子喝醉了。他随机地跳了很长时间。这期间，它可能走向高处，也可能踏入平地。不过，他渐渐清醒了并朝最高方向跳去。这就是模拟退火。3兔子们吃了失忆药片，并被发射到太空，然后随机落到了地球上一些地方。他们不知道自己使命是什么。不过，假如你过几年就杀死一部分海拔低兔子，多产兔子们自己就会找到珠穆朗玛峰。这就是遗传算法。4.兔子们知道一个兔力量是渺小。他们相互转告着，哪里山已经找过，而且找过每一座山他们都留下一只兔子做记号。他们制订了下一步去哪里寻找策略。这就是禁忌搜索。现代制造系统之先进制造模式第48页可重构制造系统可重构制造系统Re-configurable Manufacturing Systems 现代制造系统之先进制造模式第49页RMS形成市场和技术环境形成市场和技术环境(续)n通用机床组成生产线 -生产效率较低工序分散加工方式和工序间物流输送等候时间造成生产效率较低已经有制造系统存在主要问题:现代制造系统之先进制造模式第50页RMS形成市场和技术环境形成市场和技术环境(续)n专用机床和组合机床自动生产线 -平均利用率低据统计国外汽车零件制造自动生产线平均利用率仅达53%（Prof.M.Matta),我国汽车行业机械加工自动线利用率约为4060%。现代制造系统之先进制造模式第51页RMS形成市场和技术环境形成市场和技术环境(续)n柔性制造系统 -冗余功效和高投资统计美国、欧洲和亚洲22个国家370家制造厂，近乎80%加工中心只利用其20%功效（Prof.H.Schalz)现代制造系统之先进制造模式第52页1.2 RMS基本需求基本需求n快速组成对更新产品批量生产能力n能无缝地缩放生产规模n方便地组织多品种工件混流生产或并流生产n低重组费用和高生产效率n短试生产期和稳定加工质量目标：快速响应市场需求降低投资风险方便进行技术升级现代制造系统之先进制造模式第53页2 RMS基本构架和主要特征基本构架和主要特征每种零件用一条专用生产线加工零件P11Part 零件 P11Part P11(零件族 F1)（Part Family F1）加工方案Machining SolutionC11专用机床Special Machine ToolsTL11零件 PmnPart Pmn(零件族 Fm)（Part Family Fm）加工方案Machining SolutionCmn专用机床Special Machine ToolsTLmn零件PmnPart CAD数据 工艺设计 机床设计 固定式生产线 成品CAD Data Process Planning Machine Tools Design Dedicated Line Productn专用制造系统现代制造系统之先进制造模式第54页2.1 RMS构架特点构架特点一族（组）零件用一条柔性制造系统加工 CAD数据 CAM 柔性生产线 成品 CAD Data Flexible Manufacturing Line roduct P11P1n零件族F1Part Family F1P11P1nNC程序NC Programs111nFMS1/FML1Design and Process Control设计和运行零件族FmPart Family FmPm1PmnNC程序NC Programsm1mnFMSm/FMLmDesign and Process Control设计和运行 Pm1Pmnn 柔性制造系统现代制造系统之先进制造模式第55页RMS构架特点构架特点(续)P11P1nPm1Pmn零件族Part Family F1Fm零件PartsP11P1nPm1Pmn零件族加工方案Machining Solution for Part FamiliesC1Cm系统级组态机床为单元布局调整和运行System-Level Configuration机床级组态模块为单元机床调整和运行Machine-Level ConfigurationNC程序NC Programs11mn4R1C过程效应建模及控制Modeling and Controling for Process Effect 4R1Cn可重构制造系统（RMS）跨族零件加工可经过系统重组来实现现代制造系统之先进制造模式第56页柔性加工生产线（FML）总体布局（A方案）现代制造系统之先进制造模式第57页可重构制造系统（RMS）总体布局（B方案）现代制造系统之先进制造模式第58页A、B两方案技术经济性能综合对比 对比项目A方案（FML）B方案（RMS）主要设备 立式加工中心 13台卧式加工中心 6台清洗机 1 台检泄漏机 1 台综合精度检测机 1 台立式加工中心 10台卧式加工中心 5 台清洗机 1 台检泄漏机 1 台综合精度检测机 1 台 物流系统组成 远程双手高架机器人 4套（最大行程41米）盘式料仓 9套带翻转台缓冲站 7套 短程单手高架机器人 6套（最大行程15米）有轨搬运小车 2套固定式缓冲托盘站 12套 占地面积1044m2 (58m18m)756m2 (42m18m)加工柔性度多品种分批加工，各加工周期主要进行单一品种加工多品种并行加工，可同时进行多至5个品种混流加工均衡生产和调度灵活性中等优良年产量（两班制）15.5万套15万套工程费用对比 100%75%工程实施灵敏性需一次到位建成，建设周期较长 可分步实施，按市场需求无缝扩展，降低产品进入市场前期投资，有利于投资回收现代制造系统之先进制造模式第59页
