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现代制造系统工业工程2008第七讲先进制造模式AdvancedManufacturingPhilosophyandProductionModel绿色制造2134智能制造虚拟制造Introduction56可重构制造系统虚拟制造ParallelMachineTool虚拟制造的定义一个在计算机网络及虚拟现实环境中完成的，利用制造系统各层次及不同侧面的数学模型，对包括设计、制造、管理和销售等各个环节的产品全生命周期的各种技术方案和技术策略进行评估和优化的综合过程。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，研究如何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环节的数字模型，完成制造系统整个过程的计算与仿真的技术虚拟制造技术的定义虚拟制造系统的定义是一个在虚拟制造技术的指导下，在计算机网络和虚拟现实环境中建立起来的，具有集成、开放、分布、并行、人机交互等特点的，能够从产品生产全过程的高度来分析和解决制造系统各个环节的技术问题的软硬件系统。虚拟制造的特点：以模型为核心产品模型产品信息在计算机上的展示。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企业生产组织和经营活动的模型资源模型对企业各种资源的建模描述虚拟制造的特点VM是实际制造过程在计算机上的映射和本质表现。通过计算机虚拟模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题，提高人的预测和决策水平，使制造技术不再主要依赖于经验。产品设计与制造是在虚拟环境下进行的：可使分布在不同地点、不同部门的不同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，减少大量的文档生成及其传递的时间和误差，使产品开发以快捷、优质、低耗响应市场。虚拟制造技术的内涵虚拟制造系统实际制造系统计算机仿真虚拟现实基于网络的VPS虚拟信息系统确认和验证技术人员客户抽象与综合虚拟产品实际信息系统样机需求工人工厂RPS实际产品客户需求工人计算机产品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的内涵虚拟制造的关键技术虚拟现实技术虚拟设计技术可制造性评价产品数据管理（PDM）实际制造过程技术人员和用户数字化模型计算机仿真、虚拟现实虚拟开发平台虚拟设计有限元分析运动学分析动力学分析虚拟加工工艺过程优化工具设计优化单元工艺优化加工过程分析虚拟装配装配工艺规划装配路线规划装配分配规划装配质量规划虚拟生产平台虚拟布局虚拟实际生产环境虚拟生产动态过程优化生产环境布局虚拟设备虚拟集成支撑环境优化集成方案虚拟调度虚拟产品生产过程优化生产调度方案虚拟企业平台协同工作环境支持异地设计、装配、测试的环境。虚拟企业动态组合系统集成任务调度虚拟制造的体系结构产品建模产品异地设计零部件分析优化快速原型生产工艺优化工具设计优化刀位控制参数优化刀位轨迹参数优化加工方案评估虚拟实验虚拟检测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装配虚拟生产平台服务器虚拟企业平台服务器企业协同工作环境企业虚拟运行企业运行仿真产品优化设计产品性能评价可制造性评价虚拟设计虚拟制造虚拟生产虚拟企业虚拟制造的功能组成类别特点主要目标主要技术支持应用领域以设计为中心在设计阶段为设计人员提供制造信息使用基于制造的仿真以优化产品和工艺的设计通过“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的功能组成类别特点主要目标主要技术支持应用领域以生产为中心·将仿真能力用于制造过程模型，以便低费用、快速地评价不同的工艺方案用于资源需求规划、生产计划的产生及评价的环境评价可生产性·虚拟现实·嵌入式仿真工厂或产品的物理布局传统制造：主要考虑空间虚拟制造：总体协调、优化动态过程,人、环境、效率生产计划的编排传统制造：静态、确定型虚拟制造：动态、随机型类别特点主要目标主要技术支持应用领域以控制为中心·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--基于仿真的实时动态调度对连续制造--基于仿真的最优控制设计为核心优化产品设计、工艺设计加工方案评价生产为核心优化资源选择评价工艺验证新工艺控制为核心优化车间控制优化制造过程产品概念设计CAD/CAMM!M2M3M4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、工艺、制造信息虚拟生产计划质量评估新工艺及对应信息、如成本车间机床及控制系统工厂资源（人、设备）M1：已有的模型和工艺M2：日程模型、逻辑模型M3：过程模型M4：成品模型参数VM使能技术---产品建模技术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的热变形分析网格划分主轴箱立柱的热变形分析温度场分布热变形分布VM使能技术——加工过程仿真VM使能技术——虚拟测量VM使能技术——生产过程仿真虚拟使能技术——虚拟现实技术VR（Virtualreality）是在计算机图形学、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基础上发展起来的一门交叉技术。由计算机直接把视觉、听觉和触觉等多种信息合成，并提示给人的感觉器官，在人的周围生成一个三维的虚拟环境，从而把人、现实世界和虚拟空间结合起来融为一体，相互间进行信息的交流和反馈的技术。VR又被称为幻境或灵境技术。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：使用者可以亲身体验虚拟环境真实直观的试图触觉浸入：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：刚刚开始或尚未开始研究交互性：用户能通过自然的动作与虚拟世界的物体进行交互作用构想性：在虚拟现实系统中，帮助人们获取知识和形成新的概念虚拟现实的基本特征绿色制造与再制造GreenManufacturing&Remanufacture前言:为什么要发展绿色制造20世纪以前，人类生产生活模式：“大量生产大量消费大量废弃”造成了全球规模的环境与资源问题。环境、资源、人口是当今社会面临的三大问题。21世纪，绿色制造势在必行！优质、低耗、高效、清洁化产品退役的问题－汽车目前美国有汽车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；1.5亿辆汽车排队可以到达月球。产品退役的问题－电子产品当第一个半导体还在硅谷进行实验时，谁会想到数十年后个人电脑（每年6000万台）在数量上达到并超过汽车（每年5000万台）。传统的再循环过程报废产品的结束回收汽车粉碎机的进料与出料报废产品的结束回收汽车粉碎机后的金属碎屑手工分拣非金属碎屑产品性能的80%是由设计阶段决定。产品的环境性能体现在产品的全生命周期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的同时，保证产品应有的功能、使用寿命、质量等要求。绿色设计（GreenDesign）即Reduce,Reuse,Recycle，减少环境污染、减小能源消耗，产品和零部件的回收再生循环或者重新利用。绿色设计3R原则绿色切削技术干切削、少切削液的切削等绿色长成技术激光快速成型等绿色加工技术绿色加工工艺技术清洁的能源。清洁的生产过程清洁的产品绿色生产/清洁生产(CleanerProduction)清洁能源。包括开发节能技术，尽可能开发利用再生能源以及合理利用常规能源。清洁生产过程。包括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，改善管理、提高效率。清洁产品。包括以不危害人体健康和生态环境为主导因素来考虑产品的制造过程甚至使用之后的回收利用，减少原材料和能源使用。再制造的定义废旧产品拆卸部分经过清洗、检测、翻新或替换重新组装、测试得到新的产品₪将废旧产品制造成“如新产品一样好”的再制造产品的再循环过程。再制造产品的质量和性能可以达到或超过原型新品，但成本不超过原型新品的50％，可以节能60％、节材70％，对环境的不良影响也显著降低。因为再制造以废旧产品的零部件为毛坯，主要以先进的表面工程技术为修复手段，使得废旧产品不再“一扔了之”。再制造不仅可使废旧产品起死回生，还可很好地解决资源节约和环境污染问题再制造的条件恢复产品的技术条件产品由可以互换的组件构成回收毛坯（core）价格便宜产品生产技术在产品换代之前比较稳定庞大的市场需求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的中国学者也提出4R体系（Reduce减量化、Reuse再利用、Recycle再循环、Remanufacture再制造）。再制造关键技术表面工程技术寿命评估技术₪将废旧产品制造成“如新产品一样好”的再制造产品的再循环过程。变单纯的废物处置为再制造再制造实例墨盒，碳粉盒汽车整体再制造车轮再制造:打磨翻新机械加工修配电镀焊接再制造前的发动机再制造后的发动机首先对报废发动机的曲轴等关键零部件进行剩余寿命评估，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。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800~1000万吨钢铁厂发电厂煤气120万KW水泥厂废渣300万吨14~28万吨废塑料智能制造系统A-ManufacturingSystems智能算法为了找出地球上最高的山，一群有志气的兔子们开始想办法。1．兔子朝着比现在高的地方跳去。他们找到了不远处的最高山峰。但是这座山不一定是珠穆朗玛峰。这就是局部搜索，它不能保证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。但是，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的某些地方。他们不知道自己的使命是什么。但是，如果你过几年就杀死一部分海拔低的兔子，多产的兔子们自己就会找到珠穆朗玛峰。这就是遗传算法。4.兔子们知道一个兔的力量是渺小的。他们互相转告着，哪里的山已经找过，并且找过的每一座山他们都留下一只兔子做记号。他们制定了下一步去哪里寻找的策略。这就是禁忌搜索。可重构制造系统Re-configurableManufacturingSystemsRMS形成的市场和技术环境(续)通用机床组成的生产线----生产效率较低工序分散的加工方式和工序间物流输送的等待时间导致生产效率较低已有的制造系统存在的主要问题:RMS形成的市场和技术环境(续)专用机床和组合机床的自动生产线----平均利用率低据统计国外汽车零件制造的自动生产线的平均利用率仅达53%（Prof.M.Matta),我国汽车行业的机械加工自动线的利用率约为40~60%。RMS形成的市场和技术环境(续)柔性制造系统---冗余的功能和高的投资统计美国、欧洲和亚洲的22个国家370家制造厂，近乎80%的加工中心只利用其20%的功能（Prof.H.Schalz)1.2RMS的基本需求快速组成对更新产品的批量生产能力能无缝地缩放生产规模方便地组织多品种工件的混流生产或并流生产低的重组费用和高的生产效率短的试生产期和稳定的加工质量目标：快速响应市场需求降低投资风险方便进行技术升级2RMS的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P11PartP11(零件族F1)（PartFamilyF1）加工方案MachiningSolutionC11专用机床SpecialMachineToolsTL11零件PmnPartPmn(零件族Fm)（PartFamilyFm）加工方案MachiningSolutionCmn专用机床SpecialMachineToolsTLmn零件PmnP
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扶冢烁
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