智能制造数字工厂的规划设计

智能制造数字工厂的规划设计网络课堂主讲老师：胡建林课程目录第一章概述•第01讲概述00:14:4100:00:00第二章数字化产品设计系统•第01讲数字化产品设计系统00:18:2600:00:00第三章数字化工厂设计系统•第01讲数字化工厂设计系统00:18:2300:00:00第四章ERP系统•第01讲ERP系统00:12:0900:00:00第五章智能工厂制造运行管理系统•第01讲智能工厂制造运行管理系统00:39:4000:00:00第六章智能运维第01讲智能运维00:09:0800:00:001.1 信息物理系统CPS信息物理系统CPS定义：通过集成先进的感知、计算、通信、控制等信息技术和自动控制技术，构建了物理空间与信息空间中人、机、物、环境、信息等要素相互映射、适时交互、高效协同的复杂系统，实现系统内资源配置和运行的按需响应、快速迭代、动态优化。

信息物理系统CPS的本质：就是构建一套信息空间与物理空间之间基于数据自动流动的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的闭环赋能体系，解决生产制造、应用服务过程中的复杂性和不确定性问题，提高资源配置效率，实现资源优化。

CPS的四大核心技术要素：“一硬、一软、一网、一平台”感知和自动控制（硬）：智能感知技术、虚实融合控制技术；工业软件（软）：嵌入式软件技术、MBD技术、CAX/MES/ERP软件技术；工业网络（网）：现场总线技术、工业以太网技术、无线技术、SDN；工业云和智能服务平台（平台）：边缘计算、雾计算、大数据分析。

CPS的层次：单元级、系统级、SoS级（System of Systems，系统之系统级）单元级CPS：单元级CPS能够通过物理硬件、自身嵌入式软件系统及通信模块，构成含有“感知-分析-决策-执行”数据自动流动基本的闭环，实现在设备工作能力范围内的资源优化配置，如智能轴承、关节机器人等。

系统级CPS：由多个最小单元CPS（单元级）通过工业网络实现更大范围、更宽领域的数据自动流动，实现了多个单元级CPS的互联、互通和互操作。

如智能生产线、智能车间、智能工厂。

SoS级CPS：通过大数据平台，实现了跨系统、跨平台的互联、互通和互操作，促成了多源异构数据的集成、交换和共享的闭环自动流动，在全局范围内实现信息全面感知、深度分析、科学决策和精准执行。

1.2 智能工厂1.3 数字工厂数字工厂：是以产品全生命周期的相关数据为基础，在计算机虚拟环境中，对整个生产过程进行仿真、评估和优化，并进一步扩展到整个产品生产周期的新型生产组织方式。

数字工厂主要解决产品设计和产品制造之间的“鸿沟”，实现产品生命周期中的设计、制造、装配、物流等各方面的功能，降低设计到生产制造之间的不确定性，在虚拟环境下将生产制造过程压缩和提前，并得以评估和检验，从而缩短产品设计到生产转化的时间，并且提高产品的可靠性与成功率，是智能工厂的基础。

数字工厂是现代制造技术与计算仿真技术相结合的产物，其本质是实现信息的集成。

智能工厂：智能工厂是在工厂数字化的基础上，利用物联网的技术和设备监控技术，加强信息管理和服务；清楚掌握产销流程，提高生产过程的可控性，减少生产线上的人工干预，及时正确地采集生产线数据，以及合理的生产计划编排与生产进度；集绿色智能的手段和智能系统等新兴技术于一体，构建一个高效节能的、绿色环保的、环境舒适的人性化工厂，是工业4.0的具体体现。

数字孪生（Digital Twin）：是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。

在产品的设计阶段，利用数字孪生可以提高设计的准确性，并验证产品在真实环境中的性能；在产品的制造阶段，利用数字孪生可以加快产品导入的时间，提高产品设计的质量、降低产品的生产成本和提高产品的交付速度。

在产品服务阶段，对产品的状态进行实时跟踪和监控，并根据产品实际状态、实时数据、使用和维护记录数据对产品的健康状况、寿命、功能和性能进行预测与分析，并对产品质量问题进行提前预警、定位、零部件更换、产品维护、产品升级甚至是报废、退役等。

1.4 数字工厂集成架构数字工厂智能构件集成架构2.1 数字化产品设计平台数字化产品设计系统是通过三维CAD设计、PDM/PLM系统进行产品数据管理、CAE技术进行产品创新设计以及仿真验证等，将CAD、CAE、CAPP、CAM、PLM系统集成应用，构建产品数字化设计平台，保证产品开发周期过程中产品数据的统一性、一致性。

建立数字化产品设计平台可消除数字化产品设计信息孤岛，打通数字化产品设计的数字化信息流，实现企业提高研发创新能力，缩短产品开发周期，降低产品开发成本，提升了产品研发核心竞争力的目的。

数字化产品设计系统架构数字化产品设计平台的建设思路（1）实现基于模型定义（MBD）的产品设计，基于MBD的工艺设计、工艺仿真。

MBD（Model Based Definition）是指将产品的所有相关设计定义、工艺描述、属性和管理等信息都附着在产品三维模型中的数字化定义方法。

（2）建立产品设计知识库、模型库、专家系统，包括产品设计标准、规范、模型、标准零部件库、外购件配套件库、研究报告、设计计算书等。

（3）实现基于模型的工艺设计，建立工艺衍生模型，形成用于制造的工艺设计文件、零部件加工和装配等生产活动的模型。

（4）建立工艺知识库和专家系统，建立典型零件工艺路线库、工艺参数库、切削数据库、各设备资源库等工艺知识库，应用知识推理技术、实现工艺路线、工艺卡片、工艺文件、数控程序的自动或半自动生成。

（5）根据业务需求，适时开展协同设计，在协同平台和一系列设计标准的支持下，实现跨地域、跨组织的协同设计。

允许供应商、客户参与设计，更好地满足客户对产品的需求和供应商对客户需求的快速响应。

（6）开展产品设计创新活动，企业建立双创平台调动企业全体员工和社会资源积极参与新产品、新工艺、新技术研发和创新。

（7）推行产品设计管理流程，将产品开发作为一项投资进行管理，产品开发一定要基于市场需求的创新，实施并行设计，实现跨部门的协同，结构化的开发流程，充分注重零件的可重用性。

2.2 PLM/PDMPDM（Product Date Management）产品数据管理：是一门用来管理所有与产品相关的信息和所有与产品相关过程的技术。

PLM（Product Life-Cycle Management）产品全生命周期管理：是PDM的升级版本，功能范围更广。

PLM指从人们对产品的需求开始，到产品淘汰报废的全部生命周期的管理，包括从产品战略、产品市场、产品需求、产品规划、产品研发、产品生产、产品上市、产品服务到报废整个生命周期的管理。

SysLM系统生命周期管理：它是在产品生命周期管理的基础上进行拓展，负责产品与系统模式、工程流程，尤其是沿着供应链方向的数据交换，授权、更改管理以及配置管理。

PLM的主要内容：（1）产品发展战略：在对客户需求，市场、竞争对手、技术发展进行调研的基础上制定产品发展战略和产品发展规划。

（2）文档管理：提供产品设计、模拟仿真、实验验证、工艺设计、数控编程所产生的图档、文档、实体模型安全存取、版本发布、自动迁移、归档、签审、浏览、圈阅和标注，以及全文检索、打印、网络发布等一套完整的文档管理方案，共提供多媒介的外部支持。

（3）PLM有完整的集成性：它构建了一个灵活性比较高的集成平台，PLM将CAD、CAE、CAPP、CAM、产品设计是知识库和专家系统、工艺设计知识库和专家系统、工艺设计知识库和专家系统全面集成，实现数据共享。

同时PLM系统也是设计系统与ERP、MES的集成平台。

（4）知识库和专家系统：如产品设计、分析计划、工艺设计都需要相应的知识库和专家系统。

这些系统受PLM的管理，并实现与对应的设计系统集成。

（5）产品结构管理：PLM系统一般采用视图控制法来对某个产品结构的各种不同划分方法进行管理和描述，如工程应用BOM（EBOM）、制造BOM（MBOM）、质量BOM（QBOM）、成本BOM（CBOM）等。

BOM（Bill of Material）是指构成一个物料项的所有子物料项的列表。

（6）变更管理；任何设计变更都将被记录，数据的修订过程可以被跟踪和管理，它建立在PLM核心功能之上，提供一个打包的方案来管理变更请求、变更通知、变更策略，以及变更的执行和跟踪等一整套方案。

（7）配置管理：建立在产品结构管理功能之上，根据客户需求，在一系列配置规则、配置参数的引导下，进行产品配置。

它使产品配置信息可以被创建、记录和修改，允许产品按照特殊要求被建造。

（8）工作流和过程管理：PLM系统的工作流与过程管理提供一个控制并行工作流程的计算机环境。

利用PLM图示化的工作流编辑器，可以在PLM系统中，建立符合各企业习惯的并行的工作流程。

（9）项目管理：管理项目计划、执行情况和控制等活动，以及这些活动的相关资源管理，并将它们与产品数据和流程关联在一起，最终达到项目的进度、成本和质量的管理。

（10）协同设计：实现了基于互联网的软件和服务，能让产品价值链上的每个环节的每个相关人员不论在任何时候，认可地点都能够协同第对产品进行开发、制造和管理。

PLM系统：极大地提高了产品全生命周期数据管理的标准化、及时性、准确性、数据的共享性、系统间的集成性，PLM为企业创造了巨大的价值，实现了知识共享、提高了零部件的可重用性、高度集成性。

2.3 CAD/CAE/CAM计算机辅助设计CAD（Computer Aided Design）：使用信息处理系统完成诸如设计或改进零、部件或产品的功能，包括绘图和标注的所有活动。

CAD是工程技术人员以计算机为工具，对产品和工程进行总体设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。

CAD的功能可归纳为四大类：数字建模、工程分析、动态模拟和自动绘图。

一个完整的CAD系统，应由人机交互接口、科学计算、图形系统和工程数据库等组成，重点侧重产品设计。

计算机辅助工程CAE（Computer Aided Engineering）：是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。

CAE现已成为工程和产品结构分析中（如航空、航天、机械、土木结构等领域）必不可少的数值计算工具，同时也是分析连续力学各类问题的一种重要手段。

CAE的功能：（1）应用数据模型，借助计算机分析计算，确保产品设计的合理性和设计指标的准确性。

（2）采用各种优化技术，在可行域中找出产品设计最佳方案。

（3）CAE所创建的虚拟样机，能预测产品在整个使用周期内的可靠性，甚至产品与产品、产品与环境等之间的相容性。