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1、计算机辅助设计与制造,制造业相关新技术,制作：彭浩舸,计算机辅助设计与制造,本章 学习目标,了解当前CAD/CAM热点研究的技术问题 理解敏捷制造、并行工程、精良生产、虚拟制造、快速成形技术等新技术方法 了解CIMS的内涵及组成，掌握CIMS的体系结构和主要内容 了解先进制造技术，扩大视野，提高专业兴趣,重点：各先进技术相关概念,计算机辅助设计与制造,学习内容,敏捷制造AM 并行工程CE 精良生产LP 虚拟制造VM 快速成形技术RP CIMS的体系结构与关键技术,计算机辅助设计与制造,1.敏捷制造（agile manufacturing，AM）,概述 敏捷制造的概念及特征 敏捷制造的基本原理

2、敏捷制造的体系结构 敏捷制造的实施,为了重新夺回制造业的优势，美国政府制造业发展战略目标瞄向21世纪。在美国国会和国防部的支持下，由Lehigh University和美国GM 公司牵头，组织百余家公司进行大规模的调查研究，于 1991年发表了具有划时代意义的21世纪制造企业战略报告，首次提出敏捷制造和虚拟企业的新概念，描绘了已经开始出现的全球制造的未来全景，经国会听证后成为美国政府公开倡导和投资支持的先进制造计划的核心,计算机辅助设计与制造,概述,敏捷制造的新思想：,目标：制造系统在满足低成本和高质量的同时，对变幻莫测的市场需求做出快速反应,敏捷制造的主要特色：柔性和成员间的合作,全新企业概

3、念：将制造系统空间扩展到全国乃至全世界。通过企业网络建立信息交流高速公路，以竞争能力和信誉为依据选择合作伙伴，组成动态公司，建立“虚拟企业”,全新的组织管理概念：以任务为中心的一种动态组合，强调技术和管理的结合，强调权力分散，职权下放到项目组,全新的产品概念：敏捷制造的产品进入市场以后，可以根据用户的需要进行改变，得到新的功能和性能，即使用柔性的、模块化的产品设计方法,全新的生产概念：产品成本与批量无关，从产品看是单件生产，而从具体的实际和制造部门看，却是大批量生产,计算机辅助设计与制造,敏捷制造的概念及特征,利用人工智能和信息技术，通过多方面的协作，在先进的柔性制造技术的基础上，通过企业内部

4、的多功能项目组和企业外部的多功能项目组，组建虚拟公司，把全球范围内的各种资源集成在一起，实现技术、管理和人的集成，从而在整个产品生命周期内最大限度满足用户需求，提高企业的竞争能力,敏捷制造的基本特征：AM是自主制造系统：每个工件和加工过程、设备的利用以及人员的投入都由本单元自己掌握和决定，这种系统简单、易行、有效 AM是虚拟制造系统：功能、组织、地域的虚拟化 AM是可重构的制造系统：通过对制造系统的硬件重构和扩充，适应新的生产过程,定义：快速响应市场的变化，在尽可能短的时间内向市场提供适销对路的环保型产品的制造系统,计算机辅助设计与制造,敏捷制造的基本原理,采用标准化和专业化的计算机网络和信息

5、集成基础结构，以分布式结构连接各类企业，构成虚拟制造环境；以竞争合作为原则，在虚拟制造环境内动态选择成员，组成面向任务的虚拟公司进行快速生产；系统的运行目标是最大限度满足用户需求,敏捷性体现：持续变化性（产品、技术、管理模式）、快速反应性（以适应市场的变化）、质量高标准、低费用 实现敏捷制造的条件：设备高度柔性、可编程性和模式化，信息系统标准化和可维护性，人的因素和管理机构 实施方式：虚拟公司、竞争&合作，用户参与设计与制造，兼顾经济效益和社会效益，增加信息服务和系统管理功能,计算机辅助设计与制造,敏捷制造的体系结构,敏捷制造和实施主要包括：敏捷制造的基础结构 敏捷制造虚拟企业,1.敏捷制造的

6、基础结构：为虚拟企业提供环境和条件 物理基础结构：虚拟企业运行所必须的厂房、设备、设施、运输、资源等物理条件 法律基础结构：规则基础结构，主要指国家有关虚拟企业的法律、合同和政策 社会基础结构：虚拟企业生存和发展，还需要相应的社会环境，由社会提供为虚拟企业服务的公共设施 信息基础结构：指敏捷制造的信息支持环境，包括提供各种服务的网点、中介机构等一切为虚拟企业服务的信息手段,计算机辅助设计与制造,2.虚拟企业的组织,敏捷制造连接各种生产资源，根据用户的需求和虚拟制造环境中各公司现有能力，在合作竞争的基础上组成面向任务的公司。市场机会存在，虚拟公司就存在，市场机会消失，虚拟公司也将解体 虚拟公司依

7、靠电子信息手段将分布在不同地区的不同公司的人力资源和物质资源组织一个动态的合作竞争组织结构，参加虚拟制造企业的公司通过网络提供标准的、模块化的和柔性的设计和制造服务，快速响应某一市场需求 各类服务经过资格认证入网，当有若干公司可以提供相同或类似服务时，在竞争合作的基础上择优录用 敏捷制造主要采用合作竞争的策略，分布在网络上的每个公司都缺乏足够的资源和能力来单独满足用户需求，各公司之间必须进行合作，各自解决一定的子问题，每个公司所得出的相应子问题解的集合构成原问题的解,敏捷制造的关键是在计算机网络和信息集成的基础结构上构成虚拟制造环境，根据市场需求和社会经济效益组成虚拟制造企业,计算机辅助设计与

8、制造,敏捷制造的实施,敏捷制造的实施包括敏捷制造战略选择、敏捷化建设、敏捷制造系统建立和敏捷制造系统的运行与规律等步骤，是一个不断发展和完善的过程,1.市场分析与评估 在需求预测和订单的基础上，采用质量功能配置、价值工程等技术，按照需求、重要性、成本和技术难度等评价指标进行评估，将需求转化为相应的工程目标。2.组建虚拟企业通过向下游的设计预发布，采用成熟的设计与工艺并结合物料情况，形成详细设计方案，分析确定需要外购或外协加工的零部件，制定生产计划，并对生产系统与后勤保障作相应调整，动态调配生产资源，建立逻辑上的实际的临时性功能组织 3.选择合作伙伴 企业间合作以竞标方式选择合作伙伴，采用群组协

9、同工作方式，通过网络基于同一产品模型合作完成设计,4.组织制造活动协调相应的组织关系和业务关系等，并采用基于网络的PDM技术对整个业务、生产过程、产品信息等进行集成管理，实现敏捷制造,计算机辅助设计与制造,2.并行工程（Concurrent Engineering，CE）,并行工程概述 并行工程的概念及特征 并行工程的体系结构及关键技术 并行工程的主要方法 并行工程的应用和发展,并行工程是随着CAD/CAM、CIMS技术发展提出的一种新哲理、新的系统工程方法,并行工程的关键是用并行设计方法代替串行设计方法,计算机辅助设计与制造,并行工程概述,思路：并行地、集成地开展设计产品设计、开发及加工制造

10、 产品开发人员与其他人员一起共同工作，在设计的阶段就考虑产品整个生命周期的所有要求，包括质量、成本、进度、用户要求，最大限度地提高产品开发效率及一次成功率,面向产品全生命周期的设计是一种具备高度预见性和预防性的设计,计算机辅助设计与制造,并行工程的概念及特征,并行工程实质：集成地、并行地设计产品及其零部件和各种相关过程的一种系统方法,1.强调团队工作，团队精神和工作方式 2.强调设计过程的并行性 3.强调设计过程的系统性 4.强调设计过程的快速反馈,将产品整个生命周期中各个方面的专家，甚至包括潜在的用户都集中起来，形成专门的工作小组，共同工作，随时对设计出的产品和零件从各个方面进行审查，力求设

11、计出的产品便于加工，便于装配，便于维修，便于运送，外观美、成本低、便于使用,计算机辅助设计与制造,并行工程的概念及特征,并行工程实质就是集成地、并行地设计产品及其零部件和各种相关过程的一种系统方法,1.强调团队工作，团队精神和工作方式 2.强调设计过程的并行性 3.强调设计过程的系统性 4.强调设计过程的快速反馈,两方面的含义：1.设计过程中通过专家把关，同时考虑产品寿命循环的各个方面；2.设计阶段同时进行工艺（包括加工工艺、装配工艺和检验工艺）过程设计，并对工艺设计的结果进行计算机仿真，甚至用快速原型法产生出产品的样件,计算机辅助设计与制造,并行工程的概念及特征,并行工程实质就是集成地、并行

12、地设计产品及其零部件和各种相关过程的一种系统方法,1.强调团队工作，团队精神和工作方式 2.强调设计过程的并行性 3.强调设计过程的系统性 4.强调设计过程的快速反馈,设计、制造、管理等过程不再是一个个相互独立的单元，而是纳入一个整体系统考虑，设计过程不仅出图纸和其他设计资料，还要进行质量控制、成本核算，也要产生进度计划,强调对设计结果及时审查，并及时反馈给设计人员。这样可以大大缩短设计时间，保证将错误消灭在“萌芽”状态,计算机辅助设计与制造,并行工程的体系结构,各分系统中主要工作逐层分解，分工明确，使不同地区、工厂、车间生产通过人，用计算机手段有机地连结起来形成“闭环”工程,计算机辅助设计与

13、制造,并行工程的关键技术,一个完整的公共数据库：集成并行设计所需要的诸方面的知识、信息和数据，并且以统一的形式加以表达 支持各方面人员并行工作的计算机网络系统：该系统可以实时、在线地在各个设计人员之间沟通信息、发现并调解冲突 一套切合实际的计算机仿真模型和软件：可以由一个设计方案预测、推断产品的制造及使用过程，发现所隐藏的问题，此问题是实施并行工程的“瓶颈”,计算机辅助设计与制造,并行工程的主要实现方法,信息系统方法：将及时、相关和准确的信息流作为并行工程的构造单元，创建数据库、软件和专家系统促进整个设计过程的各种数据的可利用性和可访问性,CAD/CAM集成方法：将并行工程考虑为制造系统中CA

14、D和CAM工具的集成，同时设计产品及其工艺 面向制造和装配设计的方法：使产品有更好的结构，零件有更好的可加工性,计算机辅助设计与制造,并行工程的应用和发展,美国波音飞机制造公司投资40多亿美元研制波音777型喷气式客机，借助计算机网络支持并行设计和网络制造。从1990 年10 月开始设计到94 年6月仅花了3年零8个月就试制成功，试飞一次成功，真正实现了无纸化制造。实物总装后，用激光测量偏差，飞机全长63.7米，从机舱前端到后端50米，最大偏差仅为0.9mm AT&T 公司生产计算机配套印刷组件产品时，原设计未考虑生产工艺性问题，致使产品质量低下，合格率仅5/。采用并行设计以后，利用计算机虚拟

15、检测，找出设计中的缺陷，使产品合格率达到90 HP公司采用并行工程改进产品质量，其实施要点包括管理部门的支持、对用户的关注、统计过程控制、系统的问题解决过程以及全体人员参与五个方面。结果公司全部产品的综合故障降低83，制造成本减少42，产品开发周期缩短35%,计算机辅助设计与制造,3.精良生产(Lean Production，LP),精良生产概述 精良生产的内涵及特征 精良生产的体系结构 精良生产的应用前景,二次大战后，丰田汽车公司考察ford轿车厂后进行了一系列的探索和实验，根据日本国情（社会和文化背景、严格的上下级关系、团队工作精神），建立了一整套新的生产管理体制，采用精益生产方式组织生产

16、和管理，使丰田汽车的质量、产量和效益都跃上一个新台阶，成为世界汽车之王,计算机辅助设计与制造,精良生产概述,精良生产是以最少投入获得成本低、质量高、投放市场快的产品，大大降低成本和废品率，是未来制造业的发展方向之一 目前，欧美许多采用LP技术的公司获得了较大的经济效益，是绿色制造的有力支持技术之一,核心思想：从生产操作、组织管理、经营方式各方面，找出所有不能为产品带来增值的活动或人员并加以革除 精良生产是相对于大量生产(Mass Production)而言的一种新型生产方式,精良生产方式综合了单件生产和大量生产的优点，既避免了单件生产的高成本，又避免了大量生产的僵化不灵活 精良生产目标是要求产

17、品“尽善尽美”，因此要在生产中“精益求精”，不断降低成本，力求做到无废品、零库存、无设备故障,计算机辅助设计与制造,精良生产的内涵及特征,核心：准时制生产方式（JIT）,精良生产方式是追求一种无库存的生产系统，或使库存达到最小的生产系统,“只在需要的时候，按需要的量生产所需的产品”,计算机辅助设计与制造,精良生产的体系结构,精良生产采用由多能工人组成的工作小组和柔性很高的自动化设备，避免了手工作坊式的技艺性生产的高费用和大批量生产的高刚性,计算机辅助设计与制造,精良生产方式,为了提高效率，往往采取以下几种方法：减少以至撤消非增值的人员和岗位，彻底消除各种浪费；实行总装线上工人集体负责制，努力在

18、本工序内把问题解决好；,1.对操作工人的要求大大提高,注重整体效益，通过精心策划安排各种产品混合生产，尽可能最大限度地满足各工序间的负荷平衡，取得总体上的最高效率；创造和谐稳定的劳资关系，充分调动员工的工作积极性、主动性和创造性，尽可能发挥每个人的最大能力,计算机辅助设计与制造,从组织安排上为工人提供全面了解工厂信息的手段，从而使每个工人都有机会为工厂需要解决的问题出力。这种灵活的动态工作小组是精良工厂的核心所在；改变单调枯燥的重复工作。由于精良生产中工人都必须是多面手，它通过动态的工作小组集体负责生产的某段环节，因此工作不再是简单地重复某一操作，而是经常充满创造性的挑战。去掉了为了保证生产的

19、正常进行而配备的冗余的缓冲环节、超额的库存、超额的面积和超额的工人等，使得其生产是“精良”的；从推动方式变为拉取方式，即由传统的按照企业的生产计划，在现场按日程进度的需求决定，而不是反过来由前一道工序的生产结果决定后一道工序的生产。这就形成了“准时生产”(Just in time，JIT)的概念。这要求从原材料供应商，到协作厂配套件，到各个车间、班组之间互相提供半成品，都应当在准确的时间、地点，按照准确的数量、质量提供给准确需要的人；“看板”(Kanban)系统是实现JIT思想的有效手段和工具。它的功能是在前后工序间传递物料需求和供应信息，按功能可将其分为基本看板、供应看板、采购看板、转包看板

20、和辅助看板五类。,2.生产管理上全面贯彻“精益求精”的管理思想,计算机辅助设计与制造,领导方式。推行“主查”系统，大大增强设计组项目负责人的权威感和荣誉感，调动了其积极性；集体协作。由“主查”负责组织一个紧密结合的小组对一个项目全权负责，项目组成员来自公司的各职能部门，但“主查”对他们在项目开发过程中具有很大的控制权，保证了各成员对项目的充分参与，使项目的集体协作顺畅进行；信息交流。事先由集体讨论制定出项目组成员的责任条约，项目开发过程中，严格按条约执行，避免可能发生的冲突，降低内耗，提高工作效率；同步开发。精良生产的基本精神就是消除一切无用的和浪费的东西，包括时间的浪费，提倡尽可能并行地做事

21、，以缩短总的时间进度,3.产品设计上四个显著特点,计算机辅助设计与制造,精良生产的应用前景,精益生产是一个永无止境的精益求精的过程，它致力于改进生产流程和流程中的每一道工序，尽最大可能消除价值链中一切不能增加价值的活动，提高劳动利用率，消灭浪费，按照顾客订单生产的同时也最大限度的降低库存,精益是一种全新的企业文化，而不是最新的管理时尚,精益生产依据较为独特的生产组织方式，并取得了良好的效果。这不仅是因为它的某项管理手段比大批量生产方式或其他生产方式优越，而且在于它依托所处的经济、技术和人文环境，采用了适应环境的管理体系，从而体现了巨大的优越性,计算机辅助设计与制造,4.虚拟制造（Virtual

22、 Manufacturing Technology，VM）,虚拟制造概述 虚拟制造的概念及特征 虚拟制造与实际制造的关系 虚拟制造的体系结构 虚拟制造的关键技术 虚拟制造技术在制造业中的应用,虚拟制造技术是80年代后期提出并得到迅速发展的一个新思想。它以虚拟现实和仿真技术为基础，对产品的设计、生产过程统一建模，在计算机上实现产品设计、加工和装配、检验、使用整个生命周期的模拟和仿真,计算机辅助设计与制造,虚拟制造概述,虚拟制造技术是在计算机上模拟产品的制造和装配全过程的技术,虚拟制造既涉及到与产品开发制造有关的工程活动的虚拟，又包含与企业组织、经营有关的管理活动的虚拟。可以将拟实制造分为虚拟加工

23、、虚拟生产和虚拟企业等三个层次 拟实制造技术包括产品全信息模型、支持各层次拟实制造的技术体系、支持各层次集成的产品数据管理技术,计算机辅助设计与制造,虚拟制造的概念及特征,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,虚拟制造系统基本上不消耗资源和能量，也不生产实际产品，而是产品的设计、开发与实现过程在计算机上的本质实现，与实际制造相比较，具有如下主要特征:高度集成 敏捷灵活 分布合作,计算机辅助设计

24、与制造,虚拟制造与实际制造的关系,(1)虚拟加工层支持产品的并行设计、工艺规划、加工、装配及维修等过程，进行可加工性分析。该层次的主要技术内容包括基于产品技术复合化的产品设计与分析、基于仿真的零部件制造设计与分析、基于仿真的制造过程碰撞干涉检验及运动轨迹检验、材料加工成型仿真、产品虚拟装配等(2)虚拟生产层支持生产环境的布局设计及设备集成、产品远程虚拟测试、企业生产计划及调度的优化、进行可行性分析。该层次的主要技术内容涉及虚拟生产环境布局、虚拟设备集成和虚拟计划与调度(3)虚拟企业层实现劳动力、资源、资本、技术、管理和信息等的最优配置，支持可合作性分析。其主要技术内容包括虚拟企业协同工作环境、

25、虚拟企业动态组合及运行支持环境等,虚拟制造是实际制造的抽象，实际制造是虚拟制造的实例,计算机辅助设计与制造,虚拟制造的体系结构,虚拟制造主要包括：虚拟制造技术VMT 虚拟企业VE 系统集成,计算机辅助设计与制造,虚拟制造技术（VMT，Virtual Manufacturing Technology）,虚拟制造技术是一种软件技术，填补了CADCAM技术与生产过程和企业管理之间的技术鸿沟，把企业的生产和管理活动在产品投入生产之前就在计算机屏幕上加以显示和评价，使设计人员和工程师能够预见可能发生的问题和后果,基于计算机模拟的产品开发环境使人们能够在“真实地生产产品”之前“虚拟地生产产品”。零件生存周

26、期的模拟将提供精确的数据，这些数据排除开发难制造的或不能制造的产品设计,AM被称为21世纪美国制造业的发展战略，而其关键技术之一就是虚拟制造技术,计算机辅助设计与制造,虚拟企业（VE，Virtual Enterprise）,虚拟企业也称虚拟公司，是虚拟制造环境下的一种企业生产模式和组织模式，是一种企业的合作伙伴关系，这些企业以快速响应市场机遇的快速配套，多重关系的网络形式所组成。合作伙伴在地域上可能是分布在不同地方，具有不同的规模和技术组合，对虚拟企业贡献其核心的能力，提高以准时方式提供价廉质优的产品的能力。它把不同地区的合作伙伴的现有资源，利用网络通信技术，迅速组合成为一种跨企业、跨地区的统

27、一指挥、协调工作的经营实体 虚拟企业是AM的核心 AM的主要思想是充分意识到小规模、模块化的生产方式 一个公司不追求全能，而追求很有特色的、很先进的局部优势。当市场上新的机遇出现时，组织几个有关公司合作，各自贡献特长，以最快的速度、最优的组合赢得这一机遇，完成之后又独自经营,计算机辅助设计与制造,系统集成,系统集成是综合建模和仿真、虚拟企业中产生的信息，并以数据、知识和模型的形式，通过建立交互通信的网络体系，支持分布式的、不同计算机平台的和开放式的虚拟制造环境。其目标是为合作伙伴制造企业的活动提供一个紧密集成的健壮结构和工具，并使虚拟企业共享合作伙伴企业的技术、资源和利益，以达到最大的敏捷性，

28、即“在连续变化的、不可预见的环境里茁壮成长的能力”通过国际互联网络交换合作伙伴之间的信息，是虚拟企业成功的关键问题。在这样一个虚拟企业里的合作伙伴通过建立基于INTERNET的Web服务器，共享产品、工艺过程、生产管理、零部件供应和产品销售、服务等信息,计算机辅助设计与制造,虚拟制造的关键技术,虚拟制造系统是虚拟制造环境下的一种基于计算机仿真技术的多集成的、多学科技术综合应用的制造系统 虚拟制造技术：,环境构成技术 过程特征抽取 元模型、集成基础结构的体系结构 制造特征数据集成 多学科交织功能 决策支持工具 接口技术 虚拟现实技术 建模技术 仿真技术 信息技术,计算机辅助设计与制造,虚拟现实技

29、术,虚拟现实技术是人的想象力和电子学等相结合而产生的一项综合技术，是为改善人与计算机的交互方式，提高计算机可操作性产生的 虚拟现实技术综合利用计算机图形系统、各种显示和控制等接口设备及多媒体计算机仿真技术，在计算机上生成一种特殊的、可交互的三维环境（称为虚拟环境）虚拟现实系统VRS（Virtual Reality System）包括操作者、机器和人机接口三个基本要素，用户通过各种传感系统与这种环境进行自然交互，使人产生身临其境的沉浸感觉。它不仅提高了人与计算机之间的和谐程度，也成为一种有力的仿真工具,虚拟现实系统特征：,自主性 交互性 沉浸感,计算机辅助设计与制造,建模技术,模型化处理是计算机

30、通过抽象来表达客观事物的主要方法 要使系统协调地工作，首先就要为系统建模，在产品设计阶段或产品制造之前，实时地并行地模拟出产品的未来制造全过程及其对产品设计的影响，并在计算机上“虚拟”地运行整个企业，在求得系统的最佳运行参数后，再据此实现企业的物理运行 虚拟制造系统VMS（Virtual Manufacturing System）是现实制造系统RMS（Real Manufacturing System）在虚拟环境下的映射,是RMS的模型化、形式化和计算机化的抽象描述和表示,VMS建模的信息体系结构包括:生产模型 产品模型 工艺模型,计算机辅助设计与制造,仿真技术,仿真是应用计算机对复杂的现实系

31、统经过抽象和简化形成系统模型，然后在分析的基础上运行此模型，从而得到系统一系列的统计性能 仿真是以系统模型为对象的研究方法，不干扰实际生产系统；仿真可以利用计算机的快速运算能力，用很短时间模拟实际生产中需要很长时间的生产周期，因此可以缩短决策时间，避免资金、人力和时间的浪费；计算机还可以重复仿真，优化实施方案,仿真是的基础，而另一方面，是仿真的扩展,仿真基本步骤：研究系统收集数据建立系统模型确定仿真算法建立仿真模型运行仿真模型输出结果并分析,依靠仿真技术来模拟制造、生产和装配过程，使设计者可以在计算机中“制造”产品,计算机辅助设计与制造,信息技术,虚拟制造是基于计算机和信息技术的一种新的先进制

32、造技术，被认为是加速新产品开发的有效手段 虚拟制造与现代设计、集成制造、柔性制造以及联合经营等相关联，产品信息量、过程控制信息量、生产管理信息量均剧增，信息复杂性也增加 虚拟制造系统（VMS）是一个集成信息仓库，信息流的控制和管理靠虚拟制造的信息管理系统，处理的对象是有关产品和制造系统的信息与数据，它来自现实制造系统，目的是指导现实制造系统，并且可以创造、建立、组织新的现实制造系统 在虚拟制造中，通过运用信息技术管理、协调维护整个产品生命周期内的信息，达到虚拟制造目的,信息技术与传统制造技术相结合形成了现代制造技术,计算机辅助设计与制造,虚拟制造技术在制造业中应用,目前虚拟制造技术应用效果比较

33、明显的10个方面：,产品的外形设计 产品的布局设计 产品的运动和动力学仿真 热加工工艺模拟 加工过程仿真 产品装配仿真 虚拟样机与产品工作性能评测 产品的广告与漫游 企业生产过程仿真与优化 虚拟研究开发中心,计算机辅助设计与制造,5.快速成形技术RP,快速成形技术的原理 典型的快速成形技术 快速成形技术的应用,快速原型技术是一种涉及多学科的新型综合制造技术 80年代后，随着计算机辅助设计的应用，产品造型和设计能力得到极大提高，然而在产品设计完成后，批量生产前，必须制出样品以表达设计构想，快速获取产品设计的反馈信息，并对产品设计的可行性作出评估、论证 快速原型技术的出现，为这一问题的解决提供了有

34、效途径，倍受国内外重视,计算机辅助设计与制造,快速成形技术的原理,基本过程：首先将零件的三维实体沿某一坐标轴进行分层处理，得到一系列二维截面数据 按特定的成形方法每次只加工一个截面，然后自动叠加一层成形材料。这一过程反复进行直到所有的截面加工完毕，生成三维实体原型 快速成型加工方式无切削力产生，无须设计复杂的夹具，亦无撞刀及刀具磨耗等问题，任何复杂的形状，只要能在CAD软件绘出，即可由快速原型机自动地成长出原型,快速成型制造是一种离散/堆积的加工技术,计算机辅助设计与制造,几种典型的快速成形技术,激光立体光刻法（SLA）分层实体制造法（LOM）选择性激光烧结法（SLS）熔融沉积法（FDM）三维

35、印刷法（3DP）,快速成形技术是快速制造的核心，能在几小时或几十小时内直接从CAD三维实体模型制作出原型，比图纸和计算机屏幕提供了一个信息更丰富、更直观的实体 采用该技术能够在产品开发的阶段，全面考虑产品生命周期中的各种因素，力争使开发能够一次获得成功。从而缩短开发周期，提高产品质量，降低成本，避免开发的投资风险，被誉为是并行工程环境的战略工具,计算机辅助设计与制造,激光立体光刻法（SLA）,原理：以液态聚合物（光敏树脂）为基本材料，以激光或紫外光照射达到固化,激光造型装置一直以美国3D Systems公司的SLA型产品独占鳌头，并形成垄断市场,激光立体造型制造精度可达0.1mm，主要用作为产

36、品提供样品和实验模型,计算机辅助设计与制造,分层实体制造法（LOM）,原理：以激光或切割刀切割工件外轮廓于被覆有热熔性黏结剂的薄片材料上，外轮廓切割好之后经热压黏结于上一层已切割完成之薄片材料上，如此循环直到工件完成,LOM可制作一些光造型法难以制作的大型零件和厚壁样件，且制作成本低廉（约为光造型法的1/2）、速度高（约为木模制作时间的1/5以下），并可简便地分析设计构思和功能,计算机辅助设计与制造,选择性激光烧结法（SLS）,原理：以激光照射粉末，被激光照射之处粉末与粉末黏结成型，一层完成之后再照射下一层直到工件完成,SLS技术造型速度快（一般制品仅需1天2天即可完成）、造型精度高（每层粉末

37、最小厚度约0.07mm，激光动态精度可达0.09mm，并具有自动激光补偿功能）、原型强度高（聚碳酸脂其弯曲强度可达34.5MPa，尼龙可达55MPa），因此，可用原型进行功能试验和装配模拟，以获取最佳曲面和观察配合状况,计算机辅助设计与制造,熔融沉积法（FDM或MEM）,原理：类似挤牙膏的方式，加工方式是以加热头熔化线状之热塑性材料，再将热塑性的固体细丝材料由加热头熔化挤出而一层一层堆积成型直到整个工件完成,FDM技术的速度快（一般模型仅需几小时即可成型）、无污染，在原型开发和精铸蜡模等方面得到广泛应用,计算机辅助设计与制造,三维印刷法（3D PrintingPrinted，3DP）,原理：使

38、用喷嘴喷射粉末黏着剂使得粉末颗粒产生键结，并藉由添加黏着剂以增如粉末间的键结力量。然后高温下渗入金属，密实零件，提高强度,计算机辅助设计与制造,快速成形技术在机械制造业的应用,产品实体造型快速将CAD模型制成产品概念原型（实体模型），供设计评定和功能验证，取得用户的反馈信息 产品检验与实验将功能原型用于产品结构设计检验、装配干涉检验、静力或动力实验 快速模具制造传统的模具制造方法周期长、成本高，一套简单的塑料注塑模具其价值也在10万元以上。设计上的任何失误反映到模具上都会造成不可挽回的损失。快速原型技术可精确制作模具的型心和型腔，也可直接用于注射过程制作塑料样件，以便发现和纠正出现的错误,计算

39、机辅助设计与制造,6.CIMS的体系结构与关键技术,CIMS概述 CIMS的概念 CIMS的特征 CIMS的体系结构 CIMS的主要功能模块 CIMS的关键技术 CIMS的发展,70年代，随着市场全球化，工业市场竞争不断加剧，给企业带来了巨大的压力，迫使企业纷纷寻求有效方法，加速推出高性能、高可靠性、成本低的产品，以期更有力地参与竞争。另一方面，计算机技术飞速发展，并不断应用于工业领域中，为CIMS的产生作了技术上的准备,计算机辅助设计与制造,CIMS概述,80年代至90年代，CIM进入了一个迅速发展的阶段，在其内涵与概念上都有了许多新的丰富，并与许多新概念相结合，形成互补。例如人工智能、准时

40、制造、精良生产、敏捷制造、并行工程，研究这些方法及技术对应用CIM技术求得企业经营活动的总体优化有着不可低估的意义,1974年美国约瑟夫.哈林顿博士提出组织企业生产的新思想：1.制造业中各个部分，即从市场分析、经营决策、工程设计、制造过程、质量控制、生产指挥到售后服务的各个生产环节是不可分割的,互相紧密联系在一起 2.整个制造过程本质上可抽象成一个数据的采集、传递、加工和利用的过程 这两个紧密联系的基本观点构成了CIM的概念,CIMS引起了各国的重视，纷纷列入国家重点计划，并取得显著成效。如美国国家关键技术委员会把CIM列入影响美国长期安全和经济繁荣的22项关键技术之一。目前，世界CIM产业已

41、达数十亿美元/年，与CIM有关的系统集成、企业管理、工程设计及制造等相关技术都取得长足的进展,计算机辅助设计与制造,CIMS的概念,863/CIMS主题专家组根据中国国情定义：CIM是一种组织、管理与运行企业生产的哲理，它借助计算机硬件及软件，综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，将企业生产全过程（市场分析、经营管理、工程设计、加工制造、装配、物料管理、售前售后服务、产品报废处理）中有关的人/组织、技术、经营管理三要素与其信息流、物流有机地集成并优化运行，实现企业整体优化，以达到产品高质、低耗、上市快、服务好，使企业赢得市场竞争,CIMS是一种基于CIM哲理构成的

42、计算机化、信息化、智能化、集成化的制造系统,CIM，Computer Integrated Manufacturing,计算机辅助设计与制造,CIMS的特征,（1）在功能上，CIMS包含了整个工厂的全部生产经营活动，即从市场需求分析、生产经营决策、产品设计、加工制造、质量管理、经营销售等一直到售后服务全部活动，各部分的活动，通过计算机以信息流的形式进行交互、集成控制,（2）CIMS涉及的自动化不是工厂各个环节的自动化或计算机及其网络（即“自动化孤岛”）的简单相加，而是有机的集成,计算机辅助设计与制造,CIMS的体系结构,CIMS是一个集产品设计、制造、经营、管理为一体的多层次、多结构的复杂系统

43、，需要从系统设计到实施具有较高规范程度和参考价值的体系结构。,国际上CIMS体系结构基本上分为3类：面向CIM系统生命周期的体系结构 面向CIM系统功能构成和控制结构的体系结构 面向CIMS集成平台的体系结构,计算机辅助设计与制造,面向CIM系统生命周期的体系结构,制造系统的生命周期包括：需求分析与定义、系统设计、系统实施和系统运行四个阶段 不同的企业对CIMS有不同的要求和设计思想，从而可以形成不同的CIM结构。同时企业在不同的阶段对CIMS结构的描述有不同的要求和任务，因此在上一代制造系统生命周期尚没有结束时，就要开始一个新的系统周期。这就要有一套结构化方法和平台帮助和支持需求分析与定义、

44、系统设计、系统实施和系统运行的生命周期，它具有时空开放性，尽可能多地利用原有系统中的组成部分，而系统组成部分应充分而无冗余 欧共体ESPRIT计划中所提出的CIMOSA体系结构是这类结构的典型代表,计算机辅助设计与制造,面向CIM系统功能构成和控制结构的体系结构,CIMS是一个复杂的大型系统，为简化实施，可将其分解为不同的分系统，分系统再分解为子系统。采用横向或纵向的分解与集成，把复杂的系统分解为分层控制，减少全局控制和开发难度,计算机辅助设计与制造,面向CIMS集成平台的体系结构,国外一些计算机公司为了解决CIM系统中众多软件的支持和联接问题，进行了标准化平台的研究，个自开发了面向CIM系统

45、集成平台的体系结构。在863/CIMS主题专家组的支持下，我国正在开展这方面的研究工作,计算机辅助设计与制造,CIMS的主要功能模块,以MRPII为核心，包括预测、经营决策、各级生产计划、生产技术准备、销售、供应、财务、成本、设备、人力资源的管理信息功能,通过计算机及其软件，把制造工厂全部生产活动所需的各种分散的自动化系统有机地结合起来，是适合于多品种、小批量生产和实现总体高效益、高柔性的制造系统,通过计算机辅助产品设计、制造准备以及产品测试，即CAD/CAPP/CAM阶段,计算机辅助设计与制造,CIMS的主要功能模块,CIMS信息流和物料流的结合点，是CIMS最终产生经济效益的聚集地，由数控

46、机床、加工中心、清洗机、测量机、运输小车、立体仓库、多级分布式控制计算机等设备及相应的支持软件组成。根据产品工程技术信息、车间层加工指令，完成对零件毛坯的作业调度及制造,通过计算机及其软件，把制造工厂全部生产活动所需的各种分散的自动化系统有机地结合起来，是适合于多品种、小批量生产和实现总体高效益、高柔性的制造系统,系统保证从产品设计、产品制造、产品检测到售后服务全过程的质量,计算机辅助设计与制造,CIMS的主要功能模块,企业内部的局域网，支持CIMS各子系统的开放型网络通信系统 采用标准协议实现异机互联、异构局域网和多种网络的互联。系统满足不同子系统对网络服务提出的不同需求，支持资源共享、分布

47、处理、分布数据库和适时控制,通过计算机及其软件，把制造工厂全部生产活动所需的各种分散的自动化系统有机地结合起来，是适合于多品种、小批量生产和实现总体高效益、高柔性的制造系统,支持CIMS各子系统的数据共享和信息集成，覆盖了企业全部数据信息，在逻辑上是统一的，在物理上是分布式的数据管理系统,计算机辅助设计与制造,CIMS的关键技术,信息集成 针对设计、管理和加工制造中大量存在的自动化孤岛，实现信息正确、高效的共享和交换，改善企业技术和管理水平,过程集成 对过程进行重构（process reengineering），产品开发设计中的各个串行过程尽可能多地转变为并行过程，在设计时考虑到下游工作中的可

48、制造性、可装配性，设计时考虑质量(质量功能分配)，减少反复，缩短开发时间,企业集成 解决资源共享、信息服务、虚拟制造、并行工程、资源优化、网络平台等关键技术，以更快、更好、更省地响应市场,计算机辅助设计与制造,CIMS的发展,CIMS的发展没有固定的模式 各个企业对CIMS的理解不同，各个企业的自动化基础不同，每个企业都有着自己独特的经营方式和技术优势，因而在开发应用CIMS时只有结合自身的特点，从实际情况和原有的基础出发，因地制宜，才能增大成功的机会。,CIMS的发展两种主要形式：,从局部到整体：在单元技术过关的基础上发展CIMS。以能集成的单项技术的广泛应用向CIMS的发展,从示范到整体发展：以系统集成技术的需要和发展来促进和带动单项技术的发展。首先建立整体集成CIMS实现试验示范点，使企业一开始就可以根据本企业特点结合较成熟的集成自动化技术发展整体CIMS。一次性投资大，发展周期较长,