产品数字化智能制造技术

1 虚拟制造的分类
CAD/CAM
产品 设计概念
以设计为中心的VM 目标： 1优化设计及优选工艺 2加工方案评价
已有 的模 型和
过程 模型
工艺日程模型 逻辑模型
成 品 模
型
参
数
供设计者参考的制造信息 虚拟产品原型、成本估算
新产品模型
新产品工艺 产品制造信息
工厂资源
以生产为中心的VM 虚拟生产计
目标：
员工
织（动态联盟）
生产技术
实现人、组织、技术集成的方法论
2.1敏捷制造—动态联盟
• 动态联盟是敏捷制造的基本组织形态。
• 其含义是指企业群体为了赢得某一机遇性市场竞 争, 围绕某种新产品开发, 通过选用不同组织/企 业的优势资源, 综合成单一的靠网络通讯联系的 阶段性经营实体。
• 动态联盟具有集成性和时效性两大特点。它实质 上是不同组织/企业间的动态集成, 随市场机遇的 存亡而聚散。
1.3 网络制造技术组成
网络化制造技术群包括：
◆基于网络的制造系统管理和营销技术群 ◆基于网络的产品设计与开发技术群 ◆基于网络的制造过程技术群
网络化制造功能组成模块：
◆基于网络的分布式CAD系统； ◆基于网络的工艺设计系统； ◆开放结构控制的加工中心。
2 数字制造的动态联盟—敏捷制造
敏捷制造的含义：
虚拟装配
企业协同工作环境
虚拟企业平台服务器 企业虚拟运行
企业运行仿真
虚拟设计 虚拟制造 虚拟生产 虚拟企业
5 虚拟制造的关键技术
关键技术
虚 拟 设 计 与 装 配 技 术
虚 拟 产 品 实 现 技 术
虚 拟 检 测 与 评 价 技 术
虚
拟
虚
虚
纹
拟
拟
理
实
生
分
验
产
析
技
技
技
术
术
术
4 数字制造的快速实现—快速原型制造
（6）数字化：借助信息技术，网络化制造能够实现真正完全无图纸的虚 拟设计、数字化和虚拟化制造，帮助企业形成信息化的组织构架，实现 企业内部、企业与外界的信息流、物流和资金流的顺畅传递，从而保证 了产品设计与制造周期的缩短，降低成本，提高工作效率。
（7）网络化：现代通讯技术的发展促进了网络联盟的形成。由于制造资 源和市场的分散，实现快速重组必须建立在网络化的基础之上。因此， 组建高效的网络联盟需要将电子网络作为支撑环境，并充分应用现代化 通讯技术与信息技术
● 网络制造 ● 敏捷制造 ● 虚拟制造 ● 快速原型制造 ● 计算机集成制造 ● 绿色设计与制造
1 数字制造的全球实现—网络制造
网络制造(Networked manufacturing):指通过采用 先进的网络技术、制造技术及其其它相关技术, 构建面向企业特定需求的基于网络的制造系统, 并在系统的支持下, 突破空间对企业生产经营范 围和方式的约束, 开展覆盖产品整个生命周期全 部或部分环节的企业业务活动(如产品设计、制 造、销售、采购、管理等) , 实现企业间的协同和 各种社会资源的共享与集成, 高速度、高质量、 低成本地为市场提供所需的产品和服务。
1、快速原型技术（RP — Rapid Prototyping ）是一种基于 离散堆积成形思想的新型成形技术，它产生于20世纪80年 代，是在现代CAD/CAM 技术、激光技术、计算机数控技术、 精密伺服驱动技术以及新材料等的基础上集成发展起来的 先进的产品研究与开发技术，实现从零件设计到三维实体 原型制造一体化的系统技术。
1.2 网络化制造模式
1.2 网络化制造模式
模式二：动态网络联盟
1991年，美国政府为了在世界经济中重振雄风，并在未来全球市场竞争 中取得优势地位，由国防部、企业界和学术界联合研究未来制造技术， 并完成了《21世纪制造企业发展战略报告》。该报告明确提出了敏态灵 活的虚拟组织机构(Virtual Organization)或动态联盟、先进的柔性生产 技术和高素质的人员进行全面的集成，从而使企业能够从容应付快速变 化和不可预测的市场需求，获得企业的长期经济效益。其中的动态联盟 与虚拟组织结构或虚拟公司(Virtual Company)是相同的概念，其含义 是指企业群体为了赢得某一机遇性市场竞争，把一复杂产品迅速开发出 来，并推向市场，他们从各自公司中选出开发新产品的优势部分，然后 综合成一个单一的经营实体。该动态联盟或虚拟企业的生命周期取决于 产品市场机遇，机遇一旦消失，它即行解体。动态联盟的基础是企业联 盟网络，联盟网络可以直接建立在Internet上，也可以建立在专用网上。
--敏捷制造是一种生产组织模式 --它利用人的智能和信息技术，通过多方面的协 作改变企业沿用的复杂的多层递阶结构，改变 传统的大批量生产模式 --在整个产品生命周期中最大限度的满足客户需 求，提高企业的竞争力
2 数字制造的动态联盟—敏捷制造
敏捷制造
员
管
技
工
理
术
敏
敏
敏
捷
捷
捷
性
性
性
高素质的 动态灵活的虚拟组 先进的柔性
Decision Support） • 八项敏捷智能化设计与制造系统（Agile
Intelligent Design and Manufacturing System） • 十项敏捷供应链管理（Agile Supply Chain Management）研究。
3 数字制造的计算机实现—虚拟制造
虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本 质实现，即采用计算机仿真与虚拟现实技 术，在计算机上群组协同工作，实现产品 的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、 质量检验，以及企业各级过程的管理与控 制等产品制造的本质过程，以增强制造过 程各级的决策与控制能力。
产品数字化智能制造技术
在数字化技术和制造技术融合的背景下，并在虚拟现实、计算机网络、 快速原型、数据库和多媒体等支撑技术的支持下，根据用户的需求，迅 速收集资源信息，对产品信息、工艺信息和资源信息进行分析、规划和 重组，实现对产品设计和功能的仿真以及原型制造，进而快速生产出达 到用户要求性能的产品整个制造全过程
4.2 快速原型制造技术的基本过程
（1）CAD模型设计：应用三维CAD软件，根据产品要求设计三维模 型，或采用逆向工程技术获取产品的三维模型。 （2）三维模型的近似处理：用一系列小三角形平面来逼近模型上的不 规则曲面，从而得到产品的近似模型。 （3）三维模型的Z向离散化（即分层处理）：将近似模型沿高度方向 分成一系列具有一定厚度的薄片，提取层片的轮廓信息 （4）处理层片信息，生成数控代码：根据层片几何信息，生成层片加 工数控代码，用以控制成形机的加工运动。 （5）逐层堆积制造：在计算机控制下，根据生成的数控指令，RP系 统中的成形头在X－Y平面内按截面轮廓进行扫描，固化液态树脂，从 而堆积出当前的一个层片，并将当前层与已加工好的零件部分粘合。 然后，成形机工作台面下降一个层厚的距离，再堆积新的一层。如此 反复进行直到整个零件加工完毕。 （6）后置处理：对完成的原型进行处理，使之达到要求。（清理零件 表面，去除辅助支撑结构）
2.2 敏捷制造研究情况
• 敏捷化协会（Agility Forum） • 1994年，美国成立了三个敏捷制造研究
所 －－得克萨斯大学的航天敏捷制造研究所 －－罗斯林工艺研究所的电子敏捷制造研
究所 －－伊立诺斯大学的车床敏捷制造研究所
2.2 敏捷制造研究情况
• 七项敏捷商务实践（Agile Business Practice） • 四项敏捷企业决策支持（Agile Enterprise
1.2 网络化制造模式
模式一：基于Agent分布式网络化制造模式
Agent概念最初源于分布式人工智能领域，用以表示具有推理决策与问 题求解能力的智能逻辑单元。Agent之间通过计算机网络连接，Agent 作为网络上的智能结点，构成分布式多Agent系统，其特点是具有开放 性、分布式合作和适应环境变化的自组织能力。而任何规模、任一层 次的制造系统都是由若干个完成不同任务的环节组成。各环节在独立 完成自身任务的同时，又相互协作，共同完成制造任务，因此，制造 系统实现制造资源向产品转化的整个过程是一个典型的多Agent协同求 解过程。在基于Agent的制造环境中，同样可以引入市场竞争机制，以 经济利益为纽带，通过市场竞争中的招标-投标-中标方式，驱动各 Agent之间的动态组合，达到制造系统的动态重组。一般而言，每个 Agent都是自律的和彼此独立的组件，但也可以拥有若干Agent作为自 己的“友元”，建立一种相对紧密的关系。
连续系统仿真
的 仿真理论 离散系统仿真
事件调度法 活动扫描法 进程交互法
理
实时仿真
论
基
础
并行计算
点对点通信 全局通信 并行控制与任务组
处理机拓扑
并行I/O
3 可视化交互建模体系结构
交互式用户
模型 生成 器
模型 说明
模型 分析
模型 转换
模型Байду номын сангаас明语言
VIM 环 境 体 系 结 构
运行参数
可视化参数
分析 可视化 VIS环境体系结构
（4）协作化：资源地充分利用体现在形成产品的价值链中的每一环 节。产品从设计、零部件制造、总装，直到产品销售、售后服务，都 需要网络联盟合作伙伴之间的紧密配合。这种协作化是一个快速响应 市场，完成共同战略目标的优化过程。
1.1网络化制造特点
（5）集成化：由于资源和决策的分散性特征，要充分发挥资源的效率， 就必须将制造系统中各种分散的资源能够实现实时集成，分散资源的高 效集成是网络化制造的目标之一。
3 数字制造的计算机实现—虚拟制造
虚拟制造技术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，利用制造系统个层析及 各环节的数学模型，完成制造系统整个过 程的计算与仿真的技术。
3 数字制造的计算机实现—虚拟制造
1.1网络化制造特点
（1）敏捷化：敏捷化是网络化制造的核心思想之一。生产制造系统 在现今发展阶段，面临的最大挑战是：市场环境的快速变化带来的不 确定性；技术的迅速发展带来的设备和知识的更新速度加快；市场由 卖方转为买方，市场正逐步走向全球化；产品特征由单一、标准化转 变为顾客化个性化，产品的寿命周期明显缩短；制造企业之间尽管不 再是单纯的你死我活的竞争，但竞争的激烈程度有增无减。所有这一 切都要求制造业具有快速反应外部环境变化的能力，即敏捷化的能力。
虚拟制造系统(Virtual Manufacturing System，VMS)是基 于虚拟制造技术实现的制造系统，是现实制造系统(Real Manufacturing System)在虚拟环境下的映射。它由虚拟信 息系统(Virtual Information System，VIS)和虚拟物理系统 (Virtual Physical System，VPS)构成。虚拟信息系统利用计 算机信息系统模拟现实信息系统(Real Information System， RIS)的设计、规划、调度、控制、评估等活动。虚拟物 理 系 统 利 用 计 算 机 信 息 系 统 模 拟 现 实 物 理 系 统 (Real Physical System，RPS)的制造过程和制造活动。
（2）分散化：其一是资源分散性，包括制造硬件资源（如设备、物 料、人力和知识等）分散在不同的组织内、不同的地域内、不同的文 化条件下等；另一是指制造系统中生产经营管理决策的分散化。
1.1网络化制造特点
（3）动态化：网络化制造联盟是针对市场需求和机遇，面向特定产 品而组建的。市场和产品是网络化制造联盟存在的先决条件，根据市 场和产品的动态变化，网络化制造联盟随之发生动态变化，市场和产 品机遇不存在时，网络化制造联盟解散，根据新的市场和产品机遇重 新组建新的联盟。
2、快速原型制造(RPM — Rapid Prototyping Manufacturing） 是使用RP技术，由CAD模型直接驱动的快速完成任意复杂 形状三维实体零件的技术的总称。
4.1 快速原型制造产生的背景
市场变化
客户要求
计算机技术
RP
能源科学
材料科学
CAD/CAM
4.2 快速原型制造技术的基本过程
划
1资源优化
新工艺及对应的信
2选择评价工艺
息
3验证新工艺
以控制为中心的VM
目标：
质 量
1优化车间控制
估
2优化制造过程
计
车间机床 控制系统
2 虚拟制造的理论基础
连续系统建模
机理建模
辩识建模
模糊建模
虚 建模理论
拟
离散系统建模
神经网络建模 模糊神经网络建模 实体流图法 活动周期图法 Petri网法
制 造
可执行 模型
实验 结果
4 虚拟制造功能框图
产品建模 产品异地设计
产品优化设计
产品性能评价
零部件分析优化
可制造性评价 快速原型
生产工艺优化 虚拟实验
工具设计优化 虚拟检测
刀位控制 参数优化
刀位轨迹 参数优化
加工方案 评估
工艺模型验证 产品模型实验：虚拟机床
生产计划 仿真优化
虚拟生产布局
虚拟设备集成
虚拟生产平台服务器