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先进制造技术（第3版）北京理工大学出版社第5章现代制造系统5.1虚拟制造技术（VM）5.2计算机集成制造系统（CIMS）5.3并行工程（CE）5.4精益生产（LP）5.5敏捷制造（AM）5.6绿色制造5.1虚拟制造技术（VM）虚拟制造（VirtualManufacturing，VM）技术是在20世纪90年代以后，虚拟现实（VirtualReality，VR）技术发展成熟以后出现的一种全新的先进制造技术。5.1.1虚拟现实的概念虚拟现实指物质世界的数字化，即对真实世界的动态模拟和再现，即虚拟现实。它是通过综合利用计算机图形系统和各种显示及控制接口设备，在计算机上生成可交互的三维环境。操作者、计算机及人机接口是虚拟现实系统的三个基本要素。操作者在系统中处于主导地位；计算机是虚拟环境的核心；人机接口将虚拟环境与操作者连接起来。下一页返回5.1虚拟制造技术（VM）5.1.2虚拟制造的概念和分类虚拟制造指实际制造过程在计算机上的一种虚拟，即虚拟现实技术在制造中的应用或者实现。虚拟制造技术采用计算机仿真与虚拟现实技术，在计算机上创造一个虚拟的制造环境，操作者身处其中，可以虚拟实现产品的设计、工艺规则、加工制造、性能分析、质量检验，包括企业各级过程的管理与控制等产品制造。虚拟制造可分为三类：1）以设计为中心的虚拟制造（面向设计的虚拟制造）2）以生产为中心的虚拟制造（面向生产的虚拟制造）3）以控制为中心的虚拟制造（面向控制的虚拟制造）上一页下一页返回5.1虚拟制造技术（VM）5.1.3虚拟制造体系结构图5-1所示为清华大学国家CIMS工程技术中心提出的虚拟制造体系结构，它是一个基于PDM集成的虚拟加工、虚拟生产和虚拟企业的系统框架结构，归纳出虚拟制造的目标是对产品的“可制造性”、“可生产性”和“可合作性”的决策支持。虚拟制造事实上研究的是产品的可制造性。可制造性是指所设计的产品的可加工性和可装配性。可生产性是指企业在已有资源的约束下，如何优化生产计划和调度，以满足市场或顾客的要求。虚拟制造还为企业动态联盟的“可合作性”提供支持。上一页下一页返回5.1虚拟制造技术（VM）虚拟加工平台的内容包括：①基于产品技术复合化的产品设计与分析；②基于仿真的零部件制造设计与分析，包括工艺生成优化、工具设计优化、刀位轨迹优化、控制代码优化等；③基于仿真的制造过程碰撞干涉检验及运动轨迹检验——虚拟加工、虚拟机器人等；④材料加工成形仿真，包括产品设计、加工成形温度场、应力场、流动场的分析，加上加工工艺优化等；⑤产品虚拟装配，根据产品设计的形状特征、精度特征、三维真实地模拟产品的装配过程，并允许用户以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程，以检验产品的可装配性。上一页下一页返回5.1虚拟制造技术（VM）5.1.4虚拟制造的关键技术虚拟制造的实现主要依赖于CAD/CAM/CAE和虚拟现实等技术。一般可以归结为两个方面，一是侧重于计算机以及虚拟现实的技术，另一方面是侧重于制造应用的技术。1．虚拟现实技术虚拟现实系统是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，包括操作者、机器和人机接口三个基本要素。虚拟现实系统的特征有：（1）自主性（2）交互性（3）沉浸感上一页下一页返回5.1虚拟制造技术（VM）2．制造系统建模制造系统是制造工程及所涉及的硬件和相关软件组成的具有特定功能的一个有机整体。制造系统模型主要包括设备模型、产品模型、工艺模型等。设备模型主要针对制造系统中各种加工和检测设备，建立其几何模型、运动学模型和功能模型等。产品模型需建立一个针对产品相关信息进行组织和描述的集成产品模型，主要强调制造过程中产品和周围环境之间，以及产品各个加工阶段之间的内在联系。工艺模型是在分析产品加工和装配的复杂过程以及众多影响因素的基础上，建立产品加工和装配过程规划信息模型，是联系设备模型和产品模型的桥梁，并反映两者之间的相互作用。上一页下一页返回5.1虚拟制造技术（VM）3．虚拟产品开发虚拟产品开发又称产品的虚拟设计和数字化设计，主要包括实体建模和仿真两个方面。4．制造过程仿真制造过程仿真可分为制造系统仿真和具体的生产过程仿真。具体的生产过程仿真又包括加工过程仿真、装配过程仿真、检测过程仿真等。5．可制造性评价可制造性评价主要包括对技术可行性、加工成本、产品质量和生产效率等方面的评估。虚拟制造的根本目的就是要精确地进行产品的可制造性评价，以便对产品开发和制造过程进行改进和优化。上一页下一页返回5.1虚拟制造技术（VM）5.1.5虚拟制造技术在制造业中的应用采用虚拟制造技术可以给企业带来下列效益：（1）提供关键的设计信息和管理策略对生产成本、周期以及生产能力的影响信息，以便正确处理产品性能与制造成本、生产进度和风险之间的平衡，做出正确的设计和管理决策。（2）提高生产过程开发的效率，可以按照产品的特点优化生产系统的设计。（3）通过生产计划的仿真，优化资源的利用，缩短生产周期，实现柔性制造和敏捷制造，降低生产成本。（4）可以根据用户的要求修改产品设计，及时作出报价和保证交货期。上一页下一页返回5.2计算机集成制造系统（CIMS）5.2.1CIMS产生的背景作为国家国民经济的主要支柱的制造业已进入到一个巨大的变革时期，主要有以下几个特点：①生产能力在世界范围内的提高和扩散形成了全球性的竞争格局；②先进生产技术的出现正急剧地改变着现代制造业的产品结构和生产过程；③传统的管理、劳动方式、组织结构和决策方法受到社会和市场的挑战。CIM理念产生于20世纪70年代，但基于CIM理念的CIMS在80年代中期才开始受到重视并大规模实施，其原因是70年代的美国产业政策中过分夸大了第三产业的作用。下一页返回5.2计算机集成制造系统（CIMS）5.2.2CIM与CIMS的基本概念计算机集成制造CIM（ComputerIntegratedManufacturing）的内涵是借助计算机，将企业中各种与制造有关的技术系统集成起来，进而提高企业适应市场竞争的能力。哈林顿提出的CIM概念中有两个基本理念：（1）企业生产的各个环节，即从市场分析、产品设计、加工制造、经营管理到售后服务的全部生产活动是一个不可分割的整体，要紧密连接，统一考虑。（2）整个生产过程实质上是一个数据采集、传递和加工处理的过程。最终形成的产品可以看作是数据的物质表现。这两个基本理念至今仍是CIMS的核心内容。上一页下一页返回5.2计算机集成制造系统（CIMS）CIMS特别强调两个观点。（1）系统的观点企业各个生产环节是不可分割的，需要统一安排与组织。从功能上，CIMS包含了企业的全部生产经营活动，即从市场预测、产品设计、加工制造、质量管理到售后服务的全部活动。（2）信息化的观点产品制造过程实质上是信息采集、传递、加工处理的过程，CIMS涉及的自动化不是企业各个环节的自动化（即“自动化孤岛”）的简单相加，而是有机的集成，主要是以信息集成为本质的技术集成，当然也包括人的集成。上一页下一页返回5.2计算机集成制造系统（CIMS）5.2.3ClMS的构成美国制造工程师协会（SME）1993年提出的CIMS轮图来说明CIMS的基本结构，如图5-2所示。第一层是驱动轮子的轴心——顾客。第二层是企业组织中的人员和群体工作方法。第三层是信息（知识）共享系统。信息是企业的主要资源，现代企业的生产活动是依靠信息和知识来组织的。第四层是企业的活动层，可划分为三大部门和15个功能区。这15种功能都是企业在市场竞争中必不可少的。第五层是企业管理层，它的功能是合理配置资源，承担企业经营的责任。第六层是企业的外部环境，企业是社会中的经济实体，受到用户、竞争者、合作者和其他市场因素的影响。上一页下一页返回5.2计算机集成制造系统（CIMS）CIMS由4个分系统组成：经营管理信息系统、工程设计自动化系统、制造自动化系统和质量保证信息系统，如图5-3所示。1）经营管理信息分系统：是将企业生产经营过程中产、供、销、人、财、物等进行统一管理计算机系统。2）设计自动化分系统：利用计算机辅助进行产品设计、工艺设计、制造准备及产品性能测试等工作。3）制造自动化分系统：使直接完成制造活动的基本环节，是CIMS中信息流和物流的结合点。4）质量保证信息分系统：包括质量决策、质量检测和数据采集、质量评价、控制与跟踪等功能。5）计算机网络分系统：采用国际标准和工业规定的网络协议，实现异种机互联、异构局域网及多种网络互上一页下一页返回5.2计算机集成制造系统（CIMS）5.2.4我国CIMS发展情况“十五”国家863/CIMS主题目标为：从国民经济和国家安全的需求出发，有重点地选择能够促进我国制造业发展和升级的战略性、前沿性和前瞻性关键技术进行突破、开发。我国已建立了开展CIMS研究与技术推广的体系结构，如图5-4所示。“十五”国家863/CIMS主题已用现代集成制造系统替代了原来的计算机集成制造系统，其研究对象和作用范围均有较大的变化。上一页下一页返回5.3并行工程（CE）5.3.1并行工程的产生和概念1.并行工程的产生并行工程：ConcurrentEngineering——CE市场竞争的焦点——以最短的时间开发出高质量、低成本的产品投放市场，并提供用户好的服务，其中时间（time）是核心。2.并行工程的定义串行工程，如图5-5所示，在前一工作环节完成之后才开始后一工作环节的工作，各个工作环节的作业在时序上没有重叠和反馈，即使有也是事后反馈。并行工程CE，如图5-6所示：是一种工作模式，即在产品开发和生产的全过程中涉及的各种各样的工程行为被集成在一起并且尽可能并行地统筹考虑和实施。上一页下一页返回5.3并行工程（CE）（1）技术方面并行工程不仅包含、继承了许多传统的CIMS技术，而且还提出了一些新的技术，如各种并行工程使能技术和各种集成技术。（2）组织方面按部门划分的组织模式，组成以产品开发为对象的跨部门集成产品开发团队IDT（IntegratingDevelopmentTeam），这不仅要克服习惯及狭隘的局部利益等方面的阻力，而且还要使IPT之间便于合作，并在此组织结构下获得优化的过程模型，使产品开发过程具有合理的信息传递关系及最短的产品开发周期。（3）管理方面管理的对象、内容及方法发生了变化，如影响开发人员工作的因素和设计阶段的冲突的数量明显增加，决策及冲突消解的复杂程度和方式发生变化等。上一页下一页返回5.3并行工程（CE）5.3.2并行工程的体系结构和运行特性1.并行工程的体系结构并行工程包括4个分系统：①管理与质量分系统。②工程设计分系统。③支持环境分系统。④制造分系统。下面是并行工程体系结构中的各分系统的详细描述。（1）工程设计分系统。上一页下一页返回5.3并行工程（CE）工程分系统采用产品数据管理系统作为并行设计框架，将工程设计领域中的CAX／DFX工具集成起来，并由网络和数据库提供有力的支持，如图5-7所示。工程分系统的主要特点如下。1）采用统一的数据标准，建立完整统一的产品数据模型。2）在零部件详细设计阶段，利用DFX、CAE等工具充分考虑产品的可装配性、可制造性及结构设计的优化。3）后续设计过程可充分利用已有的产品信息进行设计，并将设计结果反馈给上游进行设计评价和修改。（2）制造分系统。制造分系统的各类活动在管理调度系统的协调控制下进行，同时接受并行开发过程管理的控制，如图5-8所示。上一页下一页返回5.3并行工程（CE）（3）支撑环境分系统。其特点如下：1）Client／Server结构的计算机环境支持并行产品开发。2）异构的广域网络支持群组协同工作。3）并行工程的研发基于开放的计算机软件系统和开发工具。（4）产品数据管理系统。PDM系统可以作为支持并行工程的集成框架，在PDM环境中建立多功能开发团队的组织模式及协作环境，实现过程的管理与监控，如图5-9所示。上一页下一页返