制造专业数字化工厂

12011-5-14数字工厂的概念数字工厂的概念//内涵内涵//实践实践范秀敏教授上海交通大学机械与动力工程学院计算机集成制造(CIM)研究所Email:[e-mail]2011-5-14SJTU-CIM-FXM-2-背景——CIM研究所CAPP计算机辅助工艺设计CAPP计算机辅助工艺设计CAPP计算机辅助工艺设计CAPP计算机辅助工艺设计CIMS计算机集成制造系统CIMS计算机集成制造系统CAPP计算机辅助工艺设计CAPP计算机辅助工艺设计CAPP计算机辅助工艺设计CAPP计算机辅助工艺设计国家863计划CAPP网点实验室国家863/CIMS工程211工程985工程MIE工程8080’’ss9090’’ss20002000CIMS计算机集成制造系统CIMS计算机集成制造系统RE/RP/RT快速产品开发技术RE/RP/RT快速产品开发技术CIMS计算机集成制造系统CIMS计算机集成制造系统RE/RP/RT快速产品开发技术RE/RP/RT快速产品开发技术虚拟设计与虚拟制造虚拟设计与虚拟制造CAPP计算机辅助工艺设计CAPP计算机辅助工艺设计CIMS计算机集成制造系统CIMS计算机集成制造系统RE/RP/RT快速产品开发技术RE/RP/RT快速产品开发技术虚拟设计与虚拟制造虚拟设计与虚拟制造面向中小企业信息化的公共服务面向中小企业信息化的公共服务数字化设计支撑技术数字化设计支撑技术数字化制造支撑技术数字化制造支撑技术数字化管理支撑技术数字化管理支撑技术上海市网络化制造与企业信息化重点实验室22011-5-14SJTU-CIM-FXM-3-背景——研究工作简介源于：1999.1-2002.12国家自然科学基金重点项目——虚拟制造虚拟制造的理论与技术基础的理论与技术基础虚拟现实系统仿真开展了各类项目20余项包括：国家、国际、上海市、企业合作三通道大型虚拟现实硬件系统双通道背投虚拟现实硬件系统概念设计详细设计样机试验工艺设计生产设计产品开发过程商品化应用软件自主开发应用软件集成(商品化+自主开发)20052005年成立中德年成立中德““SJTUSJTU--HNIHNI虚虚拟现实与增强现实联合技术中心拟现实与增强现实联合技术中心””驾驶模拟环境2011-5-14SJTU-CIM-FXM-4-目录制造业信息技术的发展全数字化数字工厂内涵及内容三个层次：产品工程、工厂设计与优化、生产运作控制虚拟工厂的实践案例工艺层；物流层32011-5-14SJTU-CIM-FXM-5-制造业信息化进程70年代电子技术和计算机技术的发展为生产领域的自动控制提供了可能，使得以计算机为辅助工具的制造自动化技术成为可行出现了计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助工艺规划（CAPP）、物料管理计划（MRP）等自动化系统制造业信息化进程的几个阶段功能自动化阶段：单项功能自动化信息集成阶段：解决自动化孤岛问题过程优化阶段：如用并行工程方法，重组设计过程；出现了产品数据管理、工作流管理等支持技术敏捷化阶段：出现了敏捷制造、虚拟制造等新的制造模式2011-5-14SJTU-CIM-FXM-6-制造业中的系统集成技术CIMS：计算机集成制造系统，面向整个工厂，关键在集成CIMS的基本构成工程设计分系统计算机支撑环境分系统生产经营管理分系统工程设计分系统制造自动化分系统技术信息产品原材料售后服务市场信息客户需求开始市场需求分析确定产品性能总体设计参考原型产品修改原型结构设计初步设计评估决策工程描述生产准备试制与试验评估决策制造结束NNNNYY(三维几何造型CAD)(计算机辅助编码)(有限元分析CAE)(优化设计CAD)(工程绘图CAD)(工艺计划CAPP、数控编程CAM)(测试CAT)产品开发流程及计算机辅助工具42011-5-14SJTU-CIM-FXM-7-制造业中的系统集成技术计算机辅助生产工程融合并行工程思想连接设计与制造的桥梁涉及内容：工厂布局生产线规划加工单元优化产品装配过程规划……计算机水平CAD/CAMCAPE-工具加工自动化产品设计生产工程产品制造工业过程2011-5-14SJTU-CIM-FXM-8-工业状况(a)数字化辅助工程的发展仿真/专家分析/工程师设计/技术员CADCAD/CAM/CAMCAECAE设计办公室1–数字化引入仿真传统上:离散式循环优化反应式开发反复循环实验室/工厂加工制造产品样机计算机辅助生产工程2–实物CAPECAPE测试52011-5-14SJTU-CIM-FXM-9-目标:综合式循环优化前瞻性开发企业范围2–实物昀终的确认测试确认测试设计师/制造商子承包人第一供应商供应商DESIGN设计工艺(技术员)数字实验室(工程师)设计(技术员)1–数字化集成虚拟制造数字化辅助工程的发展工业状况(b)变迁2011-5-14SJTU-CIM-FXM-10-数字化原型和虚拟试验VIRTUALLAB虚拟实验室(（研究与开发）)制造基于物理的仿真产品设计与制造过程实验性确认加工工业和调整生产计算机化水平设计室实验室/工厂(装配线)解决方案…向着全局数字化（1）设计制造过程62011-5-14SJTU-CIM-FXM-11-数字化辅助工程的发展2D/3D绘图(VP)虚拟样机3DCADDMU(VM)虚拟制造DF(DF)数字工厂数字化模型进入数字管理世界几何模型2011-5-14SJTU-CIM-FXM-12-数字化原型和虚拟技术DigitalMock-Up(DMU)特指在三维CAD环境下，对复杂产品的大装配模型进行浏览、可视化和装配模拟的相关技术。称为：数字化装配模拟技术或数字化产品模型技术。总体来说，DMU属于CAD的范畴。属几何层面。虚拟样机技术——Virtualprototyping(VP)是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法。针对产品，综合应用多学科虚拟仿真技术，尽可能地模拟与应用领域相关的物理样机特征，进行分析仿真优化产品性能，尽可能替代实物样机。属功能层面虚拟制造技术——VirtualManufacturing(VM)利用计算机模型和仿真来实现产品的设计和制造的技术，它以信息技术、仿真技术、虚拟现实技术为支持，在产品或生产系统的物理实现之前，通过各种数字化模型的仿真实验，能使人预测或感知未来产品的性能或者生产系统的状态，从而可以作出前瞻性的决策与优化实施方案。属功能/性能层面72011-5-14SJTU-CIM-FXM-13-目录制造业信息技术的发展全数字化数字工厂内涵及内容三个层次：产品工程、工厂设计与优化、生产运作控制虚拟工厂的实践案例工艺层；物流层2011-5-14SJTU-CIM-FXM-14-（一）数字化工厂的基础——制造装备数字化宁夏小巨人机床有限公司总工程师什么是数字化的工厂？数字化工厂要有以下五个方面组成：设计数字化、管理数字化、生产过程数字化、产品数字化和制造装备数字化。在这五个方面中，昀基础昀重要的是产品数字化和制造装备的数字化。而很多管理软件需要的基础数据都是从生产制造的执行系统中获得的,比如成本核算需要的工时、损耗、计划的安排和调整、加工进度、机床的开动率、儀具的寿命和成本管理、加工程序的编制、管理和加工时间分析等基础数据都需要实时取得，因此，生产制造装备的数字化至关重要。及时准确的生产数据是数字化工厂的基础。82011-5-14SJTU-CIM-FXM-15-（二）数字化工厂中的生产系统布局设计和仿真数字化工厂是企业活动信息化、数字化、网络化的总称，也是企业信息化发展的新阶段，包括产品开发数字化、生产准备数字化、制造数字化、管理数字化、营销数字化。数字化工厂除了要对产品开发过程进行建模与仿真外，还要根据产品的变化，对生产系统的重组和运行进行仿真，使生产系统在投入运行前就了解系统的使用性能，分析其可靠性、经济性、质量、工期等，为生产过程优化和网络制造提供支持。2011-5-14SJTU-CIM-FXM-16-（三）数字化工厂与虚拟制造数字化工厂的定义为:以产品全生命周期的相关数据为基础,根据虚拟制造原理,在虚拟环境中,对整个生产过程进行仿真、优化和重组的新的生产组织方式。广义角度。狭义角度：以现有的CAD产品数据和加工设备的加工性能参数为基础,以虚拟制造原理为依据,在产品设计和产品生产二者之间构建的桥梁。简言之,狭义的数字化工厂主要解决“如何组织生产”即工艺规划的问题。92011-5-14SJTU-CIM-FXM-17-（四）数字工厂的定义德国工程师协会定义：数字化工厂是由数字化模型、方法和工具构成的综合网络，包含仿真和3D/虚拟现实可视化，通过连续的没有中断的数据管理集成在一起。目标是实现与产品关联的工厂中所有重要的过程和资源的整体规划、评估和持续改善。生产中所有元素在规划过程中通过计算机辅助方法建模，通过这样的方式，使产品的物理(实际)制造符合所有的质量、时间和成本目标。集成了下述过程：产品开发、测试和优化生产工艺过程开发与优化工厂设计与改善执行生产计划和控制2011-5-14SJTU-CIM-FXM-18-数字工厂的内涵数字工厂是一个综合的解决方案，即包含虚拟工厂，也包含与实际工厂的集成规划/planning模型仿真/modelssimulation数据/data真实工厂/realfactory虚拟工厂/virtualfactory数字工厂/digitalfactory102011-5-14SJTU-CIM-FXM-19-数字工厂的内涵可以看作包含信息战略到管理并集成多种工厂过程的全局网络的一个企业为产品和型谱规划、数字产品开发、数字制造等提供方法和软件解决方案战略阶段技术阶段产品阶段试制阶段技术阶段工艺规划机械工程试生产生产阶段规划工具建模工具生产方案可视化仿真文档产品数据过程数据规划数据工艺过程/工厂建模产品建模2011-5-14SJTU-CIM-FXM-20-数字工厂的内涵数字工厂的收益产品开发生产规划试生产投产时间（DF）投产时间（传统方法）传统方法产品开发生产规划试生产仿真数字工厂并行工程传统工程处理错误改善生产规划生产时间收益112011-5-14SJTU-CIM-FXM-21-数字工厂的内涵数字工厂概念集成了产品、过程和工厂模型数据库，通过先进的可视化、仿真和文档管理，来提高产品的质量和生产过程所涉及的质量和动态性能。以实现下列目标：提高盈利能力提高规划质量缩短产品投产时间交流透明化规划过程标准化胜任的知识管理2011-5-14SJTU-CIM-FXM-22-1.数字工厂——产品工程1.产品工程CADCAECAM产品设计信息集成协同设计PLM已经有成熟的商品化工具122011-5-14SJTU-CIM-FXM-23-2.数字工厂——工厂设计与优化2.工厂设计与优化聚焦于工厂规划所有层次上的物料流和资源利用率的优化，具体目标:缩短新产品引入、上市时间和达到产量要求时间.改善生产布局和减少投资确保机床和其他设施处在正确的位置确保足够的物料搬运设施可用优化缓冲区大小确保产品的搬运量昀小2011-5-14SJTU-CIM-FXM-24-2.数字工厂——工厂设计与优化对数字工厂中复杂的仿真任务，可取的方法是定义出容易管理的子任务，并分别建模，而不是建立一个完整的仿真模型来服务于所有的意图对数字工厂仿真可以建立层次化的模型来执行零件多体-/有限元仿真生产单元运动学-/物流仿真生产车间物流仿真企业商业过程仿真132011-5-14SJTU-CIM-FXM-25-2.数字工厂——工厂设计与优化数字工厂中的典型仿真应用布局规划与仿真——布局确认与优化零件流的静态分析与动态仿真装配过程平衡复杂的物料操作仿真机器人及复杂运动仿真零件加工仿真人力资源仿真人机工效仿真生产物流系统仿真控制软件测试仿真生产运作控制仿真数字工厂的集成，需要强大的界面和数据库系统，将不同复杂层次之间和不同运作功能领域之间的实际数据和模块进行联合使用2011-5-14SJTU-CIM-FXM-26-2.数字工厂——工厂设计与优化包括内容：资源数据库——基础数据各类制造资源数据，包括