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1、第第5章章 现代制造系统现代制造系统5.1 虚拟制造技术（虚拟制造技术（VM）5.2 计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（CIMS）5.3 并行工程（并行工程（CE）5.4 精益生产（精益生产（LP）5.5 敏捷制造（敏捷制造（AM）5.6 绿色制造绿色制造5.1 虚拟制造技术（虚拟制造技术（VM）随着全球知识经济的兴起和快速变化，竞争日益激烈的市场随着全球知识经济的兴起和快速变化，竞争日益激烈的市场对制造业提出了更为苛刻的要求。虚拟制造（对制造业提出了更为苛刻的要求。虚拟制造（Virtual Manufacturing，VM）技术是在）技术是在20世纪世纪90年代以后，虚年代以后，虚拟现
2、实（拟现实（Virtual Reality，VR）技术发展成熟以后出现的）技术发展成熟以后出现的一种全新的先进制造技术。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的概念 这这里里的的“虚虚拟拟”不不是是虚虚幻幻或或者者虚虚无无，而而是是指指物物质质世世界界的的数数字字化化，也也就就是是对对真真实实世世界界的的动动态态模模拟拟和和再再现现，即即虚虚拟拟现现实实。它它是是通通过过综综合合利利用用计计算算机机图图形形系系统统和和各各种种显显示示和和控控制制等等接接口口设设备备，在在计计算算机机上上生生成成可可交交互互的的三三维维环环境境，同同时时，向向操操作作者者提提供供“沉沉浸浸”
3、感感觉觉。操操作作者者感感觉觉他他自自己己的的视视点点或或身身体体的的某某一一部部分分下一页返回5.1 虚拟制造技术（虚拟制造技术（VM）处处于于计计算算机机生生成成的的虚虚拟拟空空间间之之中中。这这种种由由计计算算机机生生成成的的、可可跟跟使使用用者者交交互互的的三三维维环环境境称称为为虚虚拟拟环环境境；而而由由图图形形系系统统及及各各种种接接口口设设备备组组成成的的，用用来来产产生生虚虚拟拟环环境境并并提提供供沉沉浸浸感感觉觉以以及及交交互互性性操操作作的的计计算算机机系系统统称称为为虚虚拟拟现现实实系系统统。虚虚拟拟现现实实系系统统大大大大提提高高了了人人与与计计算算机机间间的的和和谐谐
4、程程度度，利利用用虚虚拟拟现现实实系系统统，可可以以对对真真实实世世界界进进行行动动态态模模拟拟，计计算算机机能能够够跟跟踪踪用用户户的的输输入入，及及时时按按修修改改模模拟拟指指令令获获得得虚虚拟拟环环境境，使使用用户户和和模模拟拟环环境境之之间间建建立立起起一一种种实实时时交交互互性性关关系系，从从而而使使用用户户产产生生身身临临其其境境的的沉沉浸感觉，成为一种有力的仿真工具。浸感觉，成为一种有力的仿真工具。上一页 下一页返回5.1 虚拟制造技术（虚拟制造技术（VM）一一个个完完整整的的虚虚拟拟现现实实系系统统包包含含操操作作者者、计计算算机机及及人人机机接接口口三三个个基基本本要要素素。
5、操操作作者者在在系系统统中中处处于于主主导导地地位位，在在虚虚拟拟环环境境中中漫漫游游，同同时时，根根据据需需要要发发出出观观察察和和操操作作需需要要的的指指令令，操操纵纵计计算算机机实实现现环环境境的的虚虚拟拟；计计算算机机是是虚虚拟拟环环境境的的核核心心，接接收收操操作作者者指指令令，通通过过运运算算，生生成成用用户户能能与与之之交交互互的的虚虚拟拟环环境境；人人机机接接口口则则是是大大量量传感与控制装置，将虚拟环境与操作者连接起来。传感与控制装置，将虚拟环境与操作者连接起来。5.1.2 虚拟制造的概念和分类虚拟制造的概念和分类虚虚拟拟制制造造是是实实际际制制造造过过程程在在计计算算机机上
6、上的的一一种种虚虚拟拟，即即虚虚拟拟现现实实技技术术在在制制造造中中的的应应用用或或者者实实现现。这这一一全全新新的的制制造造模模式式最最早早由由美美国国于于1993年年首首先先提提出出，目目前前还还没没有有统统一一的的定定义义，通通俗俗地地说说，虚虚拟拟制制造造技技术术是是采采用用计计算算机机仿仿真真与与虚虚拟拟现现实实技技术术，在在高高性性能能计计算机及高速网络的支持下，在计算机上创造一个虚拟的制造算机及高速网络的支持下，在计算机上创造一个虚拟的制造上一页 下一页返回5.1 虚拟制造技术（虚拟制造技术（VM）环环境境，操操作作者者身身处处其其中中，可可以以虚虚拟拟实实现现产产品品的的设设计
7、计、工工艺艺规规则则、加加工工制制造造、性性能能分分析析、质质量量检检验验，包包括括企企业业各各级级过过程程的的管管理理与与控控制制等等产产品品制制造造。通通过过这这个个过过程程，可可以以增增强强人人们们对对制制造过程各级的决策与控制能力。造过程各级的决策与控制能力。虚拟制造包括与虚拟制造包括与产品开发制造有关的工程活动的虚拟，同时产品开发制造有关的工程活动的虚拟，同时也涉及与企业组织经营有关的管理活动的虚拟也涉及与企业组织经营有关的管理活动的虚拟。因此，。因此，虚拟虚拟设计、生产和控制机制设计、生产和控制机制是虚拟制造的有机组成部分，按照这是虚拟制造的有机组成部分，按照这种思想可以将虚拟制造
8、分成三类，即以设计为中心的虚拟制种思想可以将虚拟制造分成三类，即以设计为中心的虚拟制造、以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造。造、以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造。由于虚拟制造基本不消耗资源和能量，也不生产实际产品，由于虚拟制造基本不消耗资源和能量，也不生产实际产品，而是产品的设计、开发与制造过程在计算机上的本质实现，而是产品的设计、开发与制造过程在计算机上的本质实现，因此，虚拟制造引起了人们的广泛关注，成为现代制造技术因此，虚拟制造引起了人们的广泛关注，成为现代制造技术上一页 下一页返回5.1 虚拟制造技术（虚拟制造技术（VM）发展中最重要的模式之一，而且，已经出现了
9、许多成功的应发展中最重要的模式之一，而且，已经出现了许多成功的应用实例。用实例。以设计为中心的虚拟制以设计为中心的虚拟制造又称为造又称为“面向设计的虚拟制造面向设计的虚拟制造”，它把制造信息引入到设计的全过程，利用仿真技术来优化产它把制造信息引入到设计的全过程，利用仿真技术来优化产品设计，从而在设计阶段就可以对所设计的零件甚至整机进品设计，从而在设计阶段就可以对所设计的零件甚至整机进行可制造性分析，包括加工过程的工艺分析、铸造过程的热行可制造性分析，包括加工过程的工艺分析、铸造过程的热力学分析、运动部件的运动学分析和动力学分析等，甚至包力学分析、运动部件的运动学分析和动力学分析等，甚至包括加工
10、时间、加工费用、加工精度分析等。它主要解决的问括加工时间、加工费用、加工精度分析等。它主要解决的问题是题是“设计出来的产品是怎样的设计出来的产品是怎样的”，能在三维环境下进行设，能在三维环境下进行设计产品、模拟装配及产品虚拟开发等。计产品、模拟装配及产品虚拟开发等。以生产为中心的虚拟制造以生产为中心的虚拟制造又称又称“面向生产的虚拟制造面向生产的虚拟制造”，是，是在在上一页 下一页返回5.1 虚拟制造技术（虚拟制造技术（VM）生产过程模型中融入仿真技术，以此来评价和优化生产过程，生产过程模型中融入仿真技术，以此来评价和优化生产过程，以便低费用、快速地评价不同的工艺方案、资源需求规划、以便低费用
11、、快速地评价不同的工艺方案、资源需求规划、生产计划等。其主要目标是对产品的生产计划等。其主要目标是对产品的“可生产性可生产性”进行评价，进行评价，解决解决“这样组织生产是否合理这样组织生产是否合理”的问题，能对制造资源和环的问题，能对制造资源和环境进行优化组合，提供精确的生产成本信息，便于进行合理境进行优化组合，提供精确的生产成本信息，便于进行合理化决策，。化决策，。以控制为中心的虚拟制造以控制为中心的虚拟制造又称又称“面向控制的虚拟制造面向控制的虚拟制造”，是，是将仿真加到控制模型和实际处理中，达到优化制造过程的目将仿真加到控制模型和实际处理中，达到优化制造过程的目的。其支持技术主要基于仿真
12、的最优控制，其具体的实现工的。其支持技术主要基于仿真的最优控制，其具体的实现工具是虚拟仪器，它利用计算机软硬件的强大功能，将传统的具是虚拟仪器，它利用计算机软硬件的强大功能，将传统的各种控制仪表和检测仪表的功能数字化，并可灵活地进行各各种控制仪表和检测仪表的功能数字化，并可灵活地进行各种功能的组合。它主要是解决种功能的组合。它主要是解决“应如何去控制应如何去控制”、“这样控这样控制是否合理和最优制是否合理和最优”的问题。的问题。上一页 下一页返回5.1 虚拟制造技术（虚拟制造技术（VM）5.1.3 虚拟制造体系结构虚拟制造体系结构为为了了实实现现“在在计计算算机机里里进进行行制制造造”的的目目
13、的的，虚虚拟拟制制造造技技术术必必须须提提供供从从产产品品设设计计到到生生产产计计划划和和制制造造过过程程优优化化的的建建模模和和模模拟拟环环境境。由由于于虚虚拟拟制制造造系系统统的的复复杂杂性性，人人们们从从不不同同角角度度构构建建了了许许多多不不同同的的虚虚拟拟制制造造系系统统体体系系结结构构。图图5-1所所示示为为清清华华大大学学国国家家CIMS工工程程技技术术中中心心提提出出的的虚虚拟拟制制造造体体系系结结构构，它它是是一一个个基基于于PDM集集成成的的虚虚拟拟加加工工、虚虚拟拟生生产产和和虚虚拟拟企企业业的的系系统统框框架架结结构构，归归纳纳出出虚虚拟拟制制造造的的目目标标是是对对产
14、产品品的的“可可制制造造性性”、“可生产性可生产性”和和“可合作性可合作性”的决策支持。的决策支持。虚虚拟拟制制造造事事实实上上研研究究的的是是产产品品的的可可制制造造性性，所所谓谓“可可制制造造性性”是指所设计的产品（包括零件、部件和整机）的可加工性是指所设计的产品（包括零件、部件和整机）的可加工性上一页 下一页返回5.1 虚拟制造技术（虚拟制造技术（VM）（铸造、冲压、焊接、切削等）和可装配性；而（铸造、冲压、焊接、切削等）和可装配性；而“可生产性可生产性”是指企业在已有资源（如设备、人力、原材料等）的约束条是指企业在已有资源（如设备、人力、原材料等）的约束条件下，如何优化生产计划和调度，
15、以满足市场或顾客的要求；件下，如何优化生产计划和调度，以满足市场或顾客的要求；考虑到制造技术的发展，虚拟制造还应对被喻为考虑到制造技术的发展，虚拟制造还应对被喻为21世纪的制世纪的制造模式造模式“敏捷制造敏捷制造”提供支持，即为企业动态联盟的提供支持，即为企业动态联盟的“可合可合作性作性”提供支持。而且上述三个方面对一个企业来说是相互提供支持。而且上述三个方面对一个企业来说是相互关联的，应该形成一个集成的环境。因此，应从三个层次关联的，应该形成一个集成的环境。因此，应从三个层次(即即虚拟开发、虚拟生产和虚拟企业虚拟开发、虚拟生产和虚拟企业)开展产品全过程的虚拟制造开展产品全过程的虚拟制造技术及
16、其集成的虚拟制造环境的研究，包括产品全信息模型、技术及其集成的虚拟制造环境的研究，包括产品全信息模型、支持各层次虚拟制造的技术并开发相应的支撑平台，以及支支持各层次虚拟制造的技术并开发相应的支撑平台，以及支持三个平台及其集成的产品数据管理技术持三个平台及其集成的产品数据管理技术.虚拟加工平台支持产品的并行设计、工艺规划、加工、装配虚拟加工平台支持产品的并行设计、工艺规划、加工、装配及维修过程，进行可加工性分析（包括性能分析、费用估计及维修过程，进行可加工性分析（包括性能分析、费用估计上一页 下一页返回5.1 虚拟制造技术（虚拟制造技术（VM）、工时估计等）。它是以全信息模型为基础的众多仿真分析
17、、工时估计等）。它是以全信息模型为基础的众多仿真分析软件的集成，包括力学、热力学、运动学、动力学等可制造软件的集成，包括力学、热力学、运动学、动力学等可制造性分析。虚拟加工平台的内容包括：性分析。虚拟加工平台的内容包括：基于产品技术复合化基于产品技术复合化的产品设计与分析，除了几何造型与特征造型等环境外，还的产品设计与分析，除了几何造型与特征造型等环境外，还有运动学、动力学、热力学模型分析环境等；有运动学、动力学、热力学模型分析环境等；基于仿真的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、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；刀
18、位轨迹优化、控制代码优化等；基于仿真的制造过程碰基于仿真的制造过程碰撞干涉检验及运动轨迹检验撞干涉检验及运动轨迹检验虚拟加工、虚拟机器人等；虚拟加工、虚拟机器人等；材料加工成形仿真，包括产品设计、加工成形温度场、应材料加工成形仿真，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；力场、流动场的分析，加上加工工艺优化等；产品虚拟装产品虚拟装配，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
19、可装配性。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（虚拟制造技术（VM）5.1.4 虚拟制造的关键技术虚拟制造的关键技术虚虚拟拟制制造造的的实实现现主主要要依依赖赖于于CAD/CAE/CAM和和虚虚拟拟现现实实等等技技术术，可可以以看看作作是是CAD/CAE/CAM发发展展的的更更高高阶阶段段。虚虚拟拟制制造造不不仅仅要要考考虑虑产产品品，还还要要考考虑虑生生产产过过程程；不不仅仅要要建建立立产产品品模模型型，还还要要建建立立产产品品生生产产环环境境模模型型；不不仅仅要要对对产产品品性性能能进进行行仿仿真真，还还要要对对产产品品加加工工、装装配配和和生生产产
20、过过程程进进行行仿仿真真。因因此此，虚虚拟拟制制造造涉涉及及的的技技术术领领域域极极其其广广泛泛，但但一一般般可可以以归归结结为为两两个个方方面面，一一方方面面是是侧侧重重于于计计算算机机以以及及虚虚拟拟现现实实的的技技术术，另另一一方方面则是侧重于制造应用的技术。面则是侧重于制造应用的技术。上一页 下一页返回5.1 虚拟制造技术（虚拟制造技术（VM）1虚拟现实技术虚拟现实技术 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。和一般的统，包括操作者、机器和人机接口三个基本要素。和一般的计算机绘图系统
21、或模拟仿真系统不同的是，虚拟现实系统不计算机绘图系统或模拟仿真系统不同的是，虚拟现实系统不仅能让用户真实地看到一个环境，而且能让用户真正感到这仅能让用户真实地看到一个环境，而且能让用户真正感到这个环境的存在，并能和这个环境进行自然交互，使人产生一个环境的存在，并能和这个环境进行自然交互，使人产生一种身临其境的感觉。虚拟现实系统的特征有：种身临其境的感觉。虚拟现实系统的特征有：（1）自主性：在虚拟环境中，对象的行为是自主的，是）自主性：在虚拟环境中，对象的行为是自主的，是由程序自动完成的，要让操作者感到虚拟环境中的各种生物由程序自动完成的，要让操作者感到虚拟环境中的各种生物是是“有生命的有生命的
22、”和和“自主的自主的”，而各种非生物是，而各种非生物是“可操作的可操作的”，其行为符合各种物理规律。，其行为符合各种物理规律。上一页 下一页返回5.1 虚拟制造技术（虚拟制造技术（VM）（2）交互性：在虚拟环境中，操作者能够对虚拟环境中的）交互性：在虚拟环境中，操作者能够对虚拟环境中的生物及非生物进行操作，并且操作的结果能够反过来被操作生物及非生物进行操作，并且操作的结果能够反过来被操作者准确地、真实地感觉到。者准确地、真实地感觉到。（3）沉浸感：在虚拟环境中，操作者应该能很好地感觉各种）沉浸感：在虚拟环境中，操作者应该能很好地感觉各种不同的刺激，存在感的强弱与虚拟表达的详细度、精确度和不同的
23、刺激，存在感的强弱与虚拟表达的详细度、精确度和真实度有密不可分的关系。强的存在感能使人们深深地真实度有密不可分的关系。强的存在感能使人们深深地“沉沉浸浸”于虚拟环境之中。于虚拟环境之中。2制造系统建模制造系统建模 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，其中硬件包括人员、生产有特定功能的一个有机整体，其中硬件包括人员、生产上一页 下一页返回5.1 虚拟制造技术（虚拟制造技术（VM）设备、材料、能源和各种辅助装置，软件包括制造理论、制设备、材料、能源和各种辅助装置，软件包括制造理论、制造技术（制造工艺和制造方法
24、等）和制造信息等。造技术（制造工艺和制造方法等）和制造信息等。虚拟制造要求建立制造系统的全信息模型，也就是运用适当虚拟制造要求建立制造系统的全信息模型，也就是运用适当的方法将制造系统的组织结构和运行过程进行抽象表达，并的方法将制造系统的组织结构和运行过程进行抽象表达，并在计算机中以虚拟环境的形式真实地反映出来，同时构成虚在计算机中以虚拟环境的形式真实地反映出来，同时构成虚拟制造系统的各抽象模型应与真实实体一一对应，并且具有拟制造系统的各抽象模型应与真实实体一一对应，并且具有与真实实体相同的性能、行为和功能。与真实实体相同的性能、行为和功能。制造系统模型主要包括设备模型、产品模型、工艺模型等。制
25、造系统模型主要包括设备模型、产品模型、工艺模型等。虚拟设备模型主要针对制造系统中各种加工和检测设备，建虚拟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。制造系统中的产立其几何模型、运动学模型和功能模型等。制造系统中的产品模型需要建立一个针对产品相关信息进行组织和描述的集品模型需要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，它主要强调制造过程中产品和周围环境之间，成产品模型，它主要强调制造过程中产品和周围环境之间，上一页 下一页返回5.1 虚拟制造技术（虚拟制造技术（VM）以及产品的各个加工阶段之间的内在联系。工艺模型是在分以及产品的各个加工阶段
26、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，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，并反映两者之间的交互作用。工艺模型主产品模型的桥梁，并反映两者之间的交互作用。工艺模型主要包括加工工艺模型和装配工艺模型。要包括加工工艺模型和装配工艺模型。3虚拟产品开发虚拟产品开发虚拟产品开发又称为产品的虚拟设计或数字化设计，主要包虚拟产品开发又称为产品的虚拟设计或数字化设计，主要包括实体建模和仿真两个方面，它是利用计算机来完成整个产括实体建
27、模和仿真两个方面，它是利用计算机来完成整个产品的开发过程，以数字化形式虚拟地、可视地、并行地开发品的开发过程，以数字化形式虚拟地、可视地、并行地开发产品，并在制造实物之前对产品结构和性能进行分析和仿真，产品，并在制造实物之前对产品结构和性能进行分析和仿真，实现制造过程的早期反馈，及早地发现和解决问题，减少产实现制造过程的早期反馈，及早地发现和解决问题，减少产品开发的时间和费用。品开发的时间和费用。上一页 下一页返回5.1 虚拟制造技术（虚拟制造技术（VM）产品的虚拟开发要求将产品的虚拟开发要求将CAD设计、运动学、动力学分析、有设计、运动学、动力学分析、有限元分析、仿真控制等系统模块封装在限元
28、分析、仿真控制等系统模块封装在PDM中，实现各个系中，实现各个系统的信息共享，并完成产品的动态优化和性能分析，完成虚统的信息共享，并完成产品的动态优化和性能分析，完成虚拟环境下产品全生命周期仿真、磨损分析和故障诊断等，实拟环境下产品全生命周期仿真、磨损分析和故障诊断等，实现产品的并行设计和分析。现产品的并行设计和分析。虚拟产品开发的主要支持技术是虚拟产品开发的主要支持技术是CAD/CAE/CAM/PDM技技术，其核心是如何实现术，其核心是如何实现PDM的集成管理。的集成管理。4制造过程仿真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。制造过程仿真可分为制造系统仿真和具体的生产
29、过程仿真。具体的生产过程仿真又包括加工过程仿真、装配过程仿真和具体的生产过程仿真又包括加工过程仿真、装配过程仿真和检测过程仿真等。检测过程仿真等。上一页 下一页返回5.1 虚拟制造技术（虚拟制造技术（VM）加工过程仿真（虚拟加工）主要包括产品设计的合理性和可加工过程仿真（虚拟加工）主要包括产品设计的合理性和可加工性、加工方法、机床和切削工艺参数的选择以及刀具和加工性、加工方法、机床和切削工艺参数的选择以及刀具和工件之间的相对运动仿真和分析。工件之间的相对运动仿真和分析。装配过程仿真（虚拟装配）是根据产品的形状特征和精度特装配过程仿真（虚拟装配）是根据产品的形状特征和精度特征，在虚拟环境下对零件
30、装配情况进行干涉检查，发现设计征，在虚拟环境下对零件装配情况进行干涉检查，发现设计上的错误，并对装配过程的可行性和装配设备的选择进行评上的错误，并对装配过程的可行性和装配设备的选择进行评价。价。5可制造性评价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地进行产品的可制造性评价，以便对产品开发和制造过程上一页 下一页返回5.1 虚拟制造技术（虚拟制造技术（VM）进行改进和优
31、化。由于产品开发涉及的影响因素非常多，影进行改进和优化。由于产品开发涉及的影响因素非常多，影响过程又复杂，所以建立适用于全制造过程的、精确可靠的响过程又复杂，所以建立适用于全制造过程的、精确可靠的产品评价体系是虚拟制造一个较为困难的问题。产品评价体系是虚拟制造一个较为困难的问题。5.1.5 虚拟制造技术在制造业中的应用虚拟制造技术在制造业中的应用虚拟制造技术在工业发达国家开展得较早，并首先在飞机、虚拟制造技术在工业发达国家开展得较早，并首先在飞机、汽车、军事等领域获得了成功的应用。虚拟制造在计算机上汽车、军事等领域获得了成功的应用。虚拟制造在计算机上全面仿真产品从设计到制造和装配的全过程，采用
32、虚拟制造全面仿真产品从设计到制造和装配的全过程，采用虚拟制造技术可以给企业带来下列效益：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）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。生产进度和风险之间的平衡，做出正确的设计和管理决策。上一页 下一页返回5.1 虚拟制造技术（虚拟制造技术（VM）（2）提高生产过程开发的效率，可以按照产品的特点优化生）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
33、设计。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，）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。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）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。证交货期。波音公司在研制波音波音公司在研制波音777客机时，全面实现了虚拟制造技术。客机时，全面实现了虚拟制造技术。它采用它采用CATIA软件进行产品的数字化建模，并利用软件进行产品的数字化建模，并利用CAE软件软件对飞机的零部件进行结构性能分析，其产品设计制造工程师对飞机的零部件
34、进行结构性能分析，其产品设计制造工程师在虚拟现实环境中操纵模拟样机，检验产品的各项性能指标。在虚拟现实环境中操纵模拟样机，检验产品的各项性能指标。其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均是在计算机上完成的，其整机实现是在计算机上完成的，其整机实现100数字化设计，数字化设计，上一页 下一页返回5.1 虚拟制造技术（虚拟制造技术（VM）成为世界上首架以三维无纸化方式设计出来的一次研制试飞成为世界上首架以三维无纸化方式设计出来的一次研制试飞成功的飞机，而且其开发周期也从过去的成功的飞机，而且其开发周期也从过去的8年缩短到了年缩短到了5
35、年，年，成本降低了成本降低了25。克莱斯勒汽车公司已经实施了产品的虚拟开发，通过使用克莱斯勒汽车公司已经实施了产品的虚拟开发，通过使用Pro/E、PGDS和和DMAPS等软件，其汽车发动机的设计已等软件，其汽车发动机的设计已经全部实现了数字化，产品开发周期缩短了经全部实现了数字化，产品开发周期缩短了12个月。个月。日本、德国、比利时、新加坡等国家也都有相应的科研机构日本、德国、比利时、新加坡等国家也都有相应的科研机构和企业从事虚拟制造技术的研究与应用。和企业从事虚拟制造技术的研究与应用。我国成都飞机工业公司研制的超七飞机，全面采用数字化设我国成都飞机工业公司研制的超七飞机，全面采用数字化设计，
36、建立了全机结构数字化样机，并实现了并行设计制造和计，建立了全机结构数字化样机，并实现了并行设计制造和研制流程的数字化管理。研制流程的数字化管理。上一页 下一页返回5.1 虚拟制造技术（虚拟制造技术（VM）利用利用CATIA、UG等软件对超七飞机等软件对超七飞机230余项零部件进行结余项零部件进行结构设计、工艺模型设计、数控程序设计、虚拟加工仿真和数构设计、工艺模型设计、数控程序设计、虚拟加工仿真和数控加工。超七飞机从冻结设计状态进入详细设计发图，一直控加工。超七飞机从冻结设计状态进入详细设计发图，一直到部件开铆总共约到部件开铆总共约1年时间，这一阶段的研制周期比我国以往年时间，这一阶段的研制周
37、期比我国以往研制周期缩短了研制周期缩短了1/31/2。目前，虚拟制造技术应用效果比较明显的领域有：产品外形目前，虚拟制造技术应用效果比较明显的领域有：产品外形设计、产品布局设计、产品运动学和动力学仿真、热加工工设计、产品布局设计、产品运动学和动力学仿真、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、产品广告与漫游、企业生产过程仿真与优化、作性能评测、产品广告与漫游、企业生产过程仿真与优化、虚拟企业的可合作性仿真与优化等。虚拟企业的可合作性仿真与优化等。上一页返回5.2 计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（CIMS
38、）5.2.1 CIMS产生的背景产生的背景 20世世纪纪50年年代代，随随着着控控制制论论、电电子子技技术术、计计算算机机技技术术的的发发展展，工工厂厂中中开开始始出出现现各各种种自自动动化化设设备备和和计计算算机机辅辅助助系系统统。在在50年年代代初初期期出出现现了了数数控控机机床床（NC），从从6070年年代代开开始始，随随着着计计算算机机技技术术快快速速发发展展，工工作作站站、小小型型计计算算机机等等被被大大量量应应用用到到工工程程设设计计中中，计计算算机机辅辅助助设设计计（CAD）和和计计算算机机辅辅助助制制造造（CAM）逐逐步步得得到到推推广广。计计算算机机涉涉及及文文字字信信息息处
39、处理理领领域域，并并进进入入到到了了上上层层管管理理领领域域，于于是是开开始始出出现现了了管管理理信信息息系系统统（MIS）、物物 料料 需需 求求 计计 划划（MRP）、制制 造造 资资 源源 计计 划划（MRP）等概念和管理系统，计算机的处理能力不断）等概念和管理系统，计算机的处理能力不断下一页返回5.2 计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（CIMS）提提高高，处处理理的的信信息息量量也也大大大大增增加加，各各种种应应用用系系统统变变得得越越来来越越复复杂杂，规规模模也也越越来来越越大大。但但是是，各各个个自自动动化化分分系系统统各各自自为为政政，难以互通信息，限制了系统的进一步发展和
40、推广。难以互通信息，限制了系统的进一步发展和推广。近近年年来来，制制造造业业间间的的竞竞争争日日趋趋激激烈烈，制制造造业业市市场场已已从从传传统统的的“相相对对稳稳定定”逐逐步步演演变变成成“动动态态多多变变”的的局局面面，“经经济济竞竞争争”已已成成为为当当今今世世界界各各国国竞竞争争的的主主要要内内容容，其其中中，占占各各国国生生产产总总值值50以以上上的的制制造造业业的的竞竞争争尤尤为为激激烈烈，其其竞竞争争核核心心是是以以知知识识为为基基础础的的新新产产品品的的上上市市时时间间（T）、质质量量（Q）、成成本本（C）、服服务务（S）及及环环境境（E），以以满满足足各各类类顾顾客客对对产产
41、品品日日益益增增长长的的需需求求和和社社会会可可持持续续发发展展的的新新要要求求。作作为为国国家家国国民民经经济济的的主主要要支支柱柱的的制制造造业业已已进进入入到到一一个个巨巨大大的的变变革革时时期期，主主要要有以下几个有以下几个上一页 下一页返回5.2 计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（CIMS）特特点点：生生产产能能力力在在世世界界范范围围内内的的提提高高和和扩扩散散形形成成了了全全球球性性的的竞竞争争格格局局；先先进进生生产产技技术术的的出出现现正正急急剧剧地地改改变变着着现现代代制制造造业业的的产产品品结结构构和和生生产产过过程程；传传统统的的管管理理、劳劳动动方方式式、组组织
42、结构和决策方法受到社会和市场的挑战。织结构和决策方法受到社会和市场的挑战。CIM理理念念产产生生于于20世世纪纪70年年代代，但但基基于于CIM理理念念的的CIMS在在80年年代代中中期期才才开开始始受受到到重重视视并并大大规规模模实实施施，其其原原因因是是70年年代代的的美美国国产产业业政政策策中中过过分分夸夸大大了了第第三三产产业业的的作作用用，而而将将制制造造业业，特特别别是是传传统统制制造造业业，贬贬低低为为“夕夕阳阳工工业业”，这这导导致致美美国国制制造造业业优优势势的的急急剧剧衰衰退退，并并在在80年年代代初初开开始始的的世世界界性性的的石石油油危危机机中中暴暴露露无无遗遗，此此时
43、时，美美国国才才开开始始重重视视并并决决心心用用其其信信息息技技术术的的优优势势夺夺回回制制造造业业的的霸霸主主地地位位，于于是是美美国国及及其其他他各各国国纷纷纷制订并执行发展计划。自此，纷制订并执行发展计划。自此，CIMS的理念、技术也随之的理念、技术也随之上一页 下一页返回5.2 计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（CIMS）有有了了很很大大的的发发展展。CIM理理念念产产生生于于20世世纪纪70年年代代，但但基基于于CIM理理念念的的CIMS在在80年年代代中中期期才才开开始始受受到到重重视视并并大大规规模模实实施施，其其原原因因是是70年年代代的的美美国国产产业业政政策策中中过过
44、分分夸夸大大了了第第三三产产业业的的作作用用，而而将将制制造造业业，特特别别是是传传统统制制造造业业，贬贬低低为为“夕夕阳阳工工业业”，这这导导致致美美国国制制造造业业优优势势的的急急剧剧衰衰退退，并并在在80年年代代初初开开始始的的世世界界性性的的石石油油危危机机中中暴暴露露无无遗遗，此此时时，美美国国才才开开始始重重视视并并决决心心用用其其信信息息技技术术的的优优势势夺夺回回制制造造业业的的霸霸主主地地位位，于于是是美美国国及及其其他他各各国国纷纷纷纷制制订订并并执执行行发发展展计计划划。自自此此，CIMS的理念、技术也随之有了很大的发展。的理念、技术也随之有了很大的发展。上一页 下一页返
45、回5.2 计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（CIMS）5.2.2 CIM与与CIMS的基本概念的基本概念 计算机集成制造计算机集成制造CIM（Computer Integrated Manufacturing）的概念，是）的概念，是1973年首先由美国年首先由美国Joseph Harrington博士提出的。博士提出的。CIM是一种组织、管理是一种组织、管理与运行企业的理念，它的内涵是借助计算机，将企业中各种与运行企业的理念，它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。争的能力。根据企
46、业具体情况的不同，根据企业具体情况的不同，CIM的哲理有各种实现方法，的哲理有各种实现方法，这些实现方法就是这些实现方法就是CIMS（计算机集成制造系统，（计算机集成制造系统，Computer Integrated Manufacturing System）。）。CIMS是生产自动化领域的前沿学科，是一种基于是生产自动化领域的前沿学科，是一种基于CIM理念理念构成的计算机化、信息化、智能化、集成优化构成的计算机化、信息化、智能化、集成优化上一页 下一页返回5.2 计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（CIMS）的制造系统。的制造系统。CIMS综合并发展了企业生产各环节有关的技综合并发展了企业
47、生产各环节有关的技术，包括总体技术、支撑技术、设计自动化技术、制造自动术，包括总体技术、支撑技术、设计自动化技术、制造自动化技术、集成化管理与决策信息系统技术及流程工业中的化技术、集成化管理与决策信息系统技术及流程工业中的CIMS技术。技术。CIMS特别强调两个观点。特别强调两个观点。（1）系统的观点系统的观点 企业各个生产环节是不可分割的，需要统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，一安排与组织。从功能上，CIMS包含了企业的全部生产经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
48、全部活动。售后服务的全部活动。（2）信息化的观点信息化的观点 产品制造过程实质上是信息采集、产品制造过程实质上是信息采集、传递、加工处理的过程，传递、加工处理的过程，CIMS涉及的自动化不是企业各个涉及的自动化不是企业各个环节的自动化（即环节的自动化（即“自动化孤岛自动化孤岛”）的简单相加，而是有机）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。人的集成。上一页 下一页返回5.2 计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（CIMS）5.2.3 ClMS的构成的构成 虽然各种企业类型不同，规模大小不一，生产经营
49、方式不同，虽然各种企业类型不同，规模大小不一，生产经营方式不同，CIMS的具体实现不同，但的具体实现不同，但CIMS的基本构造是相同的。这的基本构造是相同的。这里引用美国制造工程师协会（里引用美国制造工程师协会（SME）1993年提出的年提出的CIMS轮图来说明轮图来说明CIMS的基本结构，如的基本结构，如图图5-2所示。所示。第一层是驱动轮子的轴心第一层是驱动轮子的轴心顾客顾客。潜在的顾客就是市场。潜在的顾客就是市场。企业任何活动的最终目的应该是为顾客服务，迅速而圆满地企业任何活动的最终目的应该是为顾客服务，迅速而圆满地满足顾客的愿望和要求。市场是企业获得利润和求得发展的满足顾客的愿望和要求
50、。市场是企业获得利润和求得发展的基点，也是从计划经济体制转向市场经济体制的核心。基点，也是从计划经济体制转向市场经济体制的核心。第二层是企业组织中的人员和群体工作方法第二层是企业组织中的人员和群体工作方法。传统的管理概。传统的管理概念认为仅有供销人员是面向用户和市场的，但是，在多变而念认为仅有供销人员是面向用户和市场的，但是，在多变而上一页 下一页返回5.2 计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（CIMS）激烈的市场竞争中，企业中的每个人都必须具有市场意识，激烈的市场竞争中，企业中的每个人都必须具有市场意识，每个职工都要了解市场的变化以及企业在市场中的地位、本每个职工都要了解市场的变化以及企