1、 6 6 先进制造技术与制造模式先进制造技术与制造模式Advanced Manufacturing Advanced Manufacturing Technology and Technology and Manufacturing ModeManufacturing Mode本章目的及授课方式 了解制造领域，全面系统的认识先进制造技术；了解制造领域，全面系统的认识先进制造技术；了解了解AMT最新最新/最前沿技术，提高学习者综合能力。最前沿技术，提高学习者综合能力。授课方式授课方式目的目的 课堂教学为主；课堂教学为主；结合主要教材，综合其它参考教材，辅以网络资源，使结合主要教材，综合其它参考教
2、材，辅以网络资源，使用最新资料；用最新资料；辅以学生查阅资料，了解最新动态。辅以学生查阅资料，了解最新动态。参考资料参考教材：参考教材：(1)先进制造技术先进制造技术，王隆太，机械工业出，王隆太，机械工业出版社，版社，2004(2)先进制造技术先进制造技术，孙燕华，西安电子科，孙燕华，西安电子科技大学出版社，技大学出版社，2006(3)先进制造技术先进制造技术，何涛，何涛/杨竞杨竞/范云，北范云，北京大学出版社，京大学出版社，2006版版(4)网络资源，图书馆网络资源，图书馆6.1.1 6.1.1 背景背景1 1 社会发展的需求的牵引社会发展的需求的牵引 一方面表现为消费者需求日趋主体化、个性
3、化一方面表现为消费者需求日趋主体化、个性化和多样化和多样化 另一方面则是制造厂商之间着眼于全球市场的另一方面则是制造厂商之间着眼于全球市场的激烈竞争。激烈竞争。第一节第一节 概述概述 （1 1）传统市场变成动态的多变市场）传统市场变成动态的多变市场 （2 2）全球性贸易的发展）全球性贸易的发展 第一节第一节 概述概述 78 80 828486 88 90 924 962时间时间46810平均产品寿命平均产品寿命 TL平均开发时间平均开发时间 TDTD TL年数年数1）知识技术产品更新的周期更短）知识技术产品更新的周期更短第一节第一节 概述概述2020世纪世纪9090年代制造业的标志性进展年代制
4、造业的标志性进展波音波音777777的设计和制造的设计和制造 全数字化定义全数字化定义无纸生产无纸生产 数字化预装配数字化预装配无金属样机的生产无金属样机的生产（虚拟制造的一部分）（虚拟制造的一部分）广域网上的异地设计、异地制造广域网上的异地设计、异地制造 基于基于STEPSTEP的数据交换的数据交换协同工作小组协同工作小组Team work 238Team work 238个个设计制造周期大大缩短：设计制造周期大大缩短：4 4年年（而波音（而波音757757、767767约约9-109-10年）年）更大的利润，每架更大的利润，每架777777，$1.4$1.4亿亿基于分布式基于分布式CAD/
5、CAMCAD/CAM系统在系统在8 8台台IBMIBM大型计算机大型计算机ES/9000ES/9000和和IBM5080IBM508050865086图形终端，图形终端，发现零件干涉发现零件干涉25002500处，减少处，减少工程更改工程更改5050以上以上设计、工艺、制造、供应商、设计、工艺、制造、供应商、潜在用户的工作小组，潜在用户的工作小组，70007000人人参加，采用并行工程的模式。参加，采用并行工程的模式。InternetInternet将发动机供应商将发动机供应商GEGE、HPHP和诺依斯罗斯联在一起。和诺依斯罗斯联在一起。63M63M长的波音长的波音777777，装配总误差，装
6、配总误差仅仅0.58mm.0.58mm.第一节第一节 概述概述第一节第一节 概述概述2 2、制造业市场竞争的新特点、制造业市场竞争的新特点第一节第一节 概述概述 消费观念的变化消费观念的变化消费者的行为更具选择性消费者的行为更具选择性顾客化产品：批量生产的产品逐步被个性化、多样化产顾客化产品：批量生产的产品逐步被个性化、多样化产品所代替品所代替制造业制造业“服务服务”：产品生产与产品服务的界限越来越模：产品生产与产品服务的界限越来越模糊、不满足感增加：糊、不满足感增加：“新三年、旧三年、缝缝补补又三年新三年、旧三年、缝缝补补又三年”的观念逐步消失的观念逐步消失第一节第一节 概述概述 对生产及产
7、品的影响对生产及产品的影响 产品订货批量下降，单件、小批产品订货批量下降，单件、小批 产品寿命周期减短：产品寿命周期减短：5-105-10年年-3-5-3-5年甚至更短年甚至更短 产品生产周期缩短产品生产周期缩短3 3 制造全球化和贸易自由化制造全球化和贸易自由化 世界自由贸易体制进一步完善世界自由贸易体制进一步完善(WTO)全球交通运输进一步完善全球交通运输进一步完善(船舶船舶)全球通讯网络建立全球通讯网络建立 国际经济合作与交往日益紧密国际经济合作与交往日益紧密 全球产业界结构大调整全球产业界结构大调整 世界逐步形成一个统一的大市场世界逐步形成一个统一的大市场 供应与需求国家化、国际化，不
8、同时间、地区、国家，市场供应与需求国家化、国际化，不同时间、地区、国家，市场需求有波动需求有波动 对于同一用户、同一产品，可供选择的市场国际化、竞争国对于同一用户、同一产品，可供选择的市场国际化、竞争国际化际化 任何国家、地区，不论任何国家、地区，不论实行怎样的社会制度，不可实行怎样的社会制度，不可能离开世界市场而独立谋求能离开世界市场而独立谋求发展发展;制造业发展应该进入制造业发展应该进入国家目标层次，才能促进经国家目标层次，才能促进经济增长济增长第一节第一节 概述概述 跨国公司的生产总值占工业化国家生产总值的跨国公司的生产总值占工业化国家生产总值的 跨国公司的贸易占世界贸易总值的跨国公司的
9、贸易占世界贸易总值的 跨国公司的工业研制费占世界总值的跨国公司的工业研制费占世界总值的 跨国公司操纵了世界技术转让的跨国公司操纵了世界技术转让的 跨国公司操纵了对发展中国家技术贸易的跨国公司操纵了对发展中国家技术贸易的40%40%50%50%80%80%75%75%90%90%第一节第一节 概述概述4 4 科技进步与信息社会科技进步与信息社会从微电子、信息（计算机与通信、控制理论、人工智能等）、新材从微电子、信息（计算机与通信、控制理论、人工智能等）、新材料、系统科学所代表的新一代工程科学与技术的迅猛发展在制造领域中料、系统科学所代表的新一代工程科学与技术的迅猛发展在制造领域中的广泛渗透、应用
10、、衍生，极大的拓展了制造活动的深度和广度，急剧的广泛渗透、应用、衍生，极大的拓展了制造活动的深度和广度，急剧的改变了现代设计方法、产品结构、生产方式、生产工艺、设备以及生的改变了现代设计方法、产品结构、生产方式、生产工艺、设备以及生产组织结构，产生了一大批新的制造技术和制造模式。产组织结构，产生了一大批新的制造技术和制造模式。高新技术的综合作用促进了制造技术在高新技术的综合作用促进了制造技术在(制造系统集成）和制造系统集成）和（精密、超精密、微纳米加工检测）两个方向上的蓬勃发展，成为一门（精密、超精密、微纳米加工检测）两个方向上的蓬勃发展，成为一门涵盖整个生产过程的各个环节（市场分析、产品设计
11、、工艺规划、加工涵盖整个生产过程的各个环节（市场分析、产品设计、工艺规划、加工准备、制造装配、监控检测、质量保证、生产管理、售后服务、回收再准备、制造装配、监控检测、质量保证、生产管理、售后服务、回收再利用等）、包括人、机器、能量、信息等多种资源的组织、控制与管理利用等）、包括人、机器、能量、信息等多种资源的组织、控制与管理，横跨多个，横跨多个 学科的集成技术。学科的集成技术。第一节第一节 概述概述5 5 大量消耗资源和破坏环境的传统工业发展模式与工艺大量消耗资源和破坏环境的传统工业发展模式与工艺技术系统引起了严重的环境问题技术系统引起了严重的环境问题 重视环境方面对制造业及其产品的制约，社会
12、压力，重视环境方面对制造业及其产品的制约，社会压力，国家政策与立法经济手段国家政策与立法经济手段 面向可持续发展的生态安全型和资源节约型的制造技面向可持续发展的生态安全型和资源节约型的制造技术将是制造领域中亟待解决的一个重要问题术将是制造领域中亟待解决的一个重要问题.第一节第一节 概述概述6.1.2 6.1.2 先进制造技术的定义与特点先进制造技术的定义与特点Advanced Manufacturing Technology1 1、定义、定义:先进制造技术是制造业不断吸收信息技先进制造技术是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果，并将其综合应用术和现代管理技术的成果，并将其综合应用于产品设
13、计、加工、检测、管理、销售、使于产品设计、加工、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程，以实现优用、服务乃至回收的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力的制造动态多变市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称技术的总称.6.1.2 6.1.2 先进制造技术的定义与特点先进制造技术的定义与特点2 2、特点、特点6.1.2 6.1.2 先进制造技术的定义与特点先进制造技术的定义与特点精密化精密化柔性化柔性化网络化网络化虚拟化虚拟化智能化智能化清洁化清洁化集成化集成化全球化全球化6.1.3 6.1.3
14、先进制造技术的发展趋势先进制造技术的发展趋势1、集合多学科成果形成一个完整的制造体系 传统制造技术、信息技术、计算机技术、自动化技术、先进的管理科学2、先进制造技术的动态发展过程 不断地吸收各种高新技术逐渐形成，不同时期、不同区域有各自的重点和内容。3、信息技术对先进制造技术的发展作用 越来越重要。CIMS、CE、AM、虚拟企业、虚拟制造；4、向超精微细领域扩展 微型机械，纳米测量、微米/纳米加工制造；精密化精密化柔性化柔性化网络化网络化虚拟化虚拟化智能化智能化清洁化清洁化集成化集成化全球化全球化6.1.3 6.1.3 先进制造技术的发展趋势先进制造技术的发展趋势5、制造过程集成化 产品的设计
15、、加工、检测、物流、装配过程一体化。CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM/ERP集成 精密成形工艺 6、制造科学与制造技术、生产管理的融合 制造科学是制造系统和制造过程知识的系统描述。数字描述、仿真、优化、设计理论和方法、运动学、动力学、结构强度、摩擦学 制造技术包含在制造科学之中，制造科学体现在制造技术里，技术和管理由生产模式结合在一起。精密化精密化柔性化柔性化网络化网络化虚拟化虚拟化智能化智能化清洁化清洁化集成化集成化全球化全球化6.1.3 6.1.3 先进制造技术的发展趋势先进制造技术的发展趋势7、绿色制造 绿色产品设计技术。绿色制造技术 产品的回收和循环再制造 8、虚拟现实技术 虚
16、拟制造技术；虚拟企业。9、制造全球化 制造企业在世界范围内的重组与集成 制造技术信息和知识的协调、合作和共享 全球制造的体系结构、制造产品及市场的分布及协调。未来发展 1）机电产品的创新设计和系统优化设计理论与方法 2）网络协同制造策略理论和关键技术 3）新型成形制造原理和技术 4）数字制造理论和数字制造装备技术 5）制造中的量值溯源和测量的理论和技术 6）纳米制造科学与技术 7）生物制造与仿生机械的科学与技术 8）微系统与新一代电子制造科学与关键技术 9）绿色制造的科学与技术 10）面向国家安全和国家重大工程的制造科学与技术6.2 机械制造自动化技术 6.2.1 机械制造自动化的概念 机械制
17、造自动化机械制造自动化：自动化一词的含义十分广泛，它自动化一词的含义十分广泛，它是指设计一种控制设备来取代人力操作机械的动作，是指设计一种控制设备来取代人力操作机械的动作，以达到各种机械自动，半自动运行的目的。机械制以达到各种机械自动，半自动运行的目的。机械制造自动化是制造自动化的主要组成部分，它主要控造自动化是制造自动化的主要组成部分，它主要控制机械运动（如刀具、工件、毛坯等的运动）及可制机械运动（如刀具、工件、毛坯等的运动）及可能变化的制造工艺，使整个生产处于优化状态。能变化的制造工艺，使整个生产处于优化状态。6.2.2 6.2.2 计算机集成制造系统计算机集成制造系统CIMSCIMS功能
18、集成功能集成CIMSCIMS体系结构体系结构 1 CIMSCIMS发展阶段发展阶段CIM/CIMSCIM/CIMS基本概念基本概念典型案例典型案例CIMSCIMS发展趋势发展趋势本节英语词汇本节英语词汇 CIM：Computer Integrated Manufacturing,计算机集成制造；Contemporary Integrated Manufacturing，现代集成制造。CIMS：Computer Integrated Manufacturing System，计算机集成制造系统。CIM1.CIM/CIMS基本概念基本概念 J.Harrington 博士博士（1973）Comput
19、er Integrated Manufacturing 计算机集成制造计算机集成制造 CIM 基本思想基本思想 企业的各个生产环节是不可分割的，应该加以统一处理；企业的各个生产环节是不可分割的，应该加以统一处理；整个生产过程实质上也是对信息的采集、传递和加工处理整个生产过程实质上也是对信息的采集、传递和加工处理的过程，在企业中主要存在信息流和物流这两种运动过程的过程，在企业中主要存在信息流和物流这两种运动过程，而物流又是受信息流控制的。，而物流又是受信息流控制的。涵义 哈林顿提出的CIM概念，反映了人们开始从一个更深刻的层次来分析和认识“制造”的内涵。即：制造应包括产品全生命周期的各类活动即：
20、制造应包括产品全生命周期的各类活动市场需求分析、产品概念模型设计、详细设计、市场需求分析、产品概念模型设计、详细设计、生产、支持（包括质量、销售、采购、发送、生产、支持（包括质量、销售、采购、发送、服务）以及产品最后的报废、环境处理等服务）以及产品最后的报废、环境处理等 全全过程的一切活动。过程的一切活动。另一方面，制造过程不仅是一个从原料加工、另一方面，制造过程不仅是一个从原料加工、装配到产品的物料转换过程，还是一个复杂的装配到产品的物料转换过程，还是一个复杂的信息转换过程，在制造中发生的相关活动都是信息转换过程，在制造中发生的相关活动都是信息处理整体中的一部分。信息处理整体中的一部分。我国
21、863/CIMS主题提出的涵义 提出提出“现代集成制造现代集成制造”（Contemporary Integrated Manufacturing）的理念，在）的理念，在广度和深度上拓宽了传统的广度和深度上拓宽了传统的CIM内涵。内涵。指出：指出：CIM是一种组织、管理和运行现代制是一种组织、管理和运行现代制造类企业的理念。造类企业的理念。2.CIMS的发展阶段 系统集成优化是CIMS技术与应用的核心技术，从系统集成角度把CIMS划分为三个阶段信息集成信息集成过程集成过程集成企业间集成企业间集成三个阶段 信息集成优化：信息集成优化：解决自动化孤岛问题，是改善企解决自动化孤岛问题，是改善企业业TQ
22、CSE核心竞争力所必需的。包括：核心竞争力所必需的。包括：企业建模、系统设计方法、软件工具和规范；企业建模、系统设计方法、软件工具和规范；异构环境中的信息集成。异构环境中的信息集成。过程集成优化：过程集成优化：指高效、实时地实现指高效、实时地实现CIMS应用间应用间的数据、资源的共享和应用间的协同工作。的数据、资源的共享和应用间的协同工作。企业间集成优化企业间集成优化：建立动态企业联盟（虚拟企：建立动态企业联盟（虚拟企业）。业）。4.CIMS的体系结构（1）CIMS的递阶控制系统的递阶控制系统 所谓所谓递阶控制递阶控制（Hierarchical Control），是一种），是一种把所需完成的任
23、务按层次分级的层状或树状的命把所需完成的任务按层次分级的层状或树状的命令令/反馈控制方式。反馈控制方式。高一级装置控制次一级装置，次一级的功能更具高一级装置控制次一级装置，次一级的功能更具体，而最后一级就是完成要求的最具体的最后一体，而最后一级就是完成要求的最具体的最后一道任务。道任务。美国国家标准局5级递阶控制模型 清华大学国家CIMS工程技术中心CIMS ERC采用4层递阶控制体系结构。如图3-28。5.CIMS发展趋势 可概括为集成化、智能化、全球化、虚拟化、柔性化和绿色化。集成化：集成化：ERP系统，集成了企业中的生产管理、财务、人事、系统，集成了企业中的生产管理、财务、人事、采购、销
24、售等子系统；采购、销售等子系统；CAD/CAPP/CAM一体化；一体化；PDM系统，用于管理和控制系统，用于管理和控制CAx系统所形成的大量数系统所形成的大量数据，是设计自动化技术系统的核心，管理整个产品生据，是设计自动化技术系统的核心，管理整个产品生命周期内的全部产品知识和信息；命周期内的全部产品知识和信息；工作流管理系统。主要是工作流管理系统。主要是OA。智能化：智能化：目前已开展对具有自律、分布、智能、仿生和分形等目前已开展对具有自律、分布、智能、仿生和分形等特点的下一代制造系统的研究。特点的下一代制造系统的研究。网络化和全球化网络化和全球化 虚拟化：虚拟化：虚拟现实虚拟现实VR、虚拟产
25、品开发、虚拟产品开发VPD、VM、虚拟、虚拟企业企业VE 柔性化：柔性化：研究企业间动态联盟技术、敏捷设计生产技术、研究企业间动态联盟技术、敏捷设计生产技术、柔性可重组机器技术等。柔性可重组机器技术等。绿色化：绿色化：生态生态 敏捷化敏捷化6.3 快速成形制造技术 要点：了解RP技术基本原理，工艺方法 英文词汇 RP：快速成型(Rapid Prototyping)快速成型(Rapid Prototyping)技术是近年来发展起来的直接根据CAD模型快速生产样件或零件的成组技术总称，它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。与传统制造方法不同，
26、快速成型从零件的CAD几何模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。二、快速成型的基本原理 基于材料累加原理的快速成型的操作过程实际上是一层一层地离散制造零件。快速成型有很多种工艺方法，但所有的快速成型工艺方法都是一层一层地制造零件，区别是制造每一层的方法和材料不同而已。快速成型的一般工艺过程原理如下：1.三维模型的构造。在三维CAD设计软件（如Pro/E、UG、SolidWorks、SolidEdge等）中获得
27、描述该零件的CAD文件。目前一般快速成型支持的文件输出格式为STL模型，即对实体曲面近似处理,即所谓面型化(Tessallation)处理,是用平面三角面片近似模拟表面。这样处理的优点是大大地简化了CAD模型的数据格式,从而便于后续的分层处理。图图 1 1 不同不同chch值时的效果值时的效果(a)ch=0.05(a)ch=0.05 (b)ch=0.2(b)ch=0.22.三维模型的离散处理。通过专用的分层程序将三维实体模型分层（图2b），通过一簇平行平面沿制作方向与CAD模型相截,所得到的截面交线就是薄层的轮廓信息,而实体信息是通过一些判别准则来获取的。图图2 2 快速成型原理图快速成型原理
28、图(a)(a)零件的三零件的三维模型维模型(b)(b)零件被分零件被分层离散层离散(c)(c)支撑材料支撑材料(d)(d)采用熔积法对图采用熔积法对图(c)A-A(c)A-A截面加工的挤压路径截面加工的挤压路径 分层切片是在选定了制作(堆积)方向后,需对CAD模型进行一维离散,获取每一薄层片截面轮廓及实体信息。平行平面之间的距离就是分层的厚度,也就是成型时堆积的单层厚度。轮廓是由求交后的一系列交点顺序连成的折线段构成。由于分层，破坏了切片方向CAD模型表面的连续性,不可避免地丢失了模型的一些信息,导致零件尺寸及形状误差的产生。切片层的厚度直接影响零件的表面粗糙度和整个零件的型面精度。3.层截面
29、的制造与累加 在计算机控制下，快速成型系统中的成型头在X-Y平面内自动按截面轮廓进行层制造，得到一层层截面。每层截面成型后，下一层材料被送至已成型的层面上，进行后一层的成型，并与前一层相粘接，从而一层层的截面累加叠合在一起，形成三维零件。三、快速成型的工艺方法 目前快速成型主要工艺方法及其分类见图3所示。液体材料液体材料SLLTPBISHISRP RP 工艺方法及其分类工艺方法及其分类粉状材料粉状材料BMP3DWFDMSDMSLSGPD3DPTSFSF片状材料片状材料LOMSFPSGCES图图3 3 目前快速成型主要工目前快速成型主要工艺方法及其分类艺方法及其分类液体树液体树脂固化脂固化熔融材
30、熔融材料固化料固化激光熔激光熔合材料合材料粘结剂粘结剂粘结材料粘结材料粘性片材粘性片材的粘结的粘结UVUV粘结粘结片状材料片状材料1.熔积成型法（Fused Deposition Modeling）在熔积成型法（FDM）的过程（图4）:龙门架式的机械控制喷头可以在工作台的两个主要方向移动，工作台可以根据需要向上或向下移动。热塑性塑料或蜡制的熔丝从加热小口处挤出。最初的一层是按照预定的轨迹以固定的速率将熔丝挤出在泡沫塑料基体上形成的。当第一层完成后，工作台下降一个层厚并开始迭加制造一层。(b)(b)熔积成型熔积成型50005000，熔积成，熔积成型设备。型设备。(a)(a)熔积法成型的示意图熔积
31、法成型的示意图图4 熔积成型法原理图 FDM 制作复杂的零件时，必须添加工艺支撑。如图5（a）所示(b)(b)在快速原型机器中在快速原型机器中 常用的支撑结构常用的支撑结构(a)(a)有一个突出截面需要有一个突出截面需要 支撑材料的零件支撑材料的零件图图5 5 快速原型支撑结构图快速原型支撑结构图2.光固化法（Stereolithography）光固化法是目前应用最为广泛的一种快速原型制造工艺。原理如图所示 图图6 6 光固化成型原理图光固化成型原理图 光固化采用的是将液态光敏树脂固化到特定形状的原理。以光敏树脂为原料。所能达到的最小公差取决于激光的聚焦程度；通常是0.0125mm。优点优点需
32、要设计支撑需要设计支撑可以选择的材料种类有限可以选择的材料种类有限精度较高精度较高一般尺寸精度控制在一般尺寸精度控制在0.1mm0.1mm光固化光固化缺点缺点容易发生翘曲变形容易发生翘曲变形表面质量好表面质量好原材料的利用率接近原材料的利用率接近100100能制造形状特别复杂能制造形状特别复杂特别精细的零件特别精细的零件设备的市场占有率很高设备的市场占有率很高材料价格较贵材料价格较贵3.激光选区烧结（Selective Laser Sinering）激光选区烧结（简称SLS）是一种将非金属（或普通金属）粉末有选择地烧结成单独物体的工艺。该法采用CO2激光器作为能源，目前使用的造型材料多为各种粉
33、末材料。图图7 7 激光选区烧结工艺路线图激光选区烧结工艺路线图 SLS工艺特别适合制作功能测试零件。可用于直接制造金属模具。由于该工艺能够直接烧结蜡粉，与熔模铸造工艺相接特别适合进行小批量比较复杂的中小零件的生产。b)b)由叠层制造法制造由叠层制造法制造的机轴零件图的机轴零件图图图8 8 叠层制造法原理图叠层制造法原理图a)叠层制造工艺原理图粘性片材的粘结（粘性片材的粘结（LOM）优点优点材料利用率低材料利用率低表面质量差表面质量差无须设计和构建支撑无须设计和构建支撑LOM缺点缺点后处理难度大后处理难度大无需填充扫描，成型效率高无需填充扫描，成型效率高内应力和翘曲变形小内应力和翘曲变形小制造
34、成本低制造成本低可以选择的材料种类有限可以选择的材料种类有限对环境有一定的污染对环境有一定的污染6.4.1 6.4.1 并行工程技术并行工程技术第六章 先进制造生产模式 6.4 先进制造生产模式一、并行工程的产生一、并行工程的产生传统的产品开发模式是串行的：产品设计工艺设计计划调度生产制造。设计工程师与制造工程师之间互相不了解，互相不交往，中间有如隔了一堵墙。概念设计设计和绘图原型论证制造准备和加工传统的串行产品开发模式传统的串行产品开发模式 传统产品开发模式存在的缺点传统产品开发模式存在的缺点 部门之间信息共享存在障碍信息共享存在障碍；操作流程的串行实行，使得设计早期不能全面考虑产品生命周期
35、中的各种因素，不能综合考虑产品的可制造性、可装配性和质量可靠性等因素，导致产品质量不能达到最优。并行工程产生的背景要求：并行工程产生的背景要求：并行工程是一种企业组织、管理和运行的先进设并行工程是一种企业组织、管理和运行的先进设计、制造模式；采用多学科团队和并行过程集成计、制造模式；采用多学科团队和并行过程集成化开发模式。化开发模式。CE与串行工程产品开发成本比与串行工程产品开发成本比较较串、并行产品开发过程对比串、并行产品开发过程对比并行工程的产品开发模式并行工程的产品开发模式 二、并行工程的定义二、并行工程的定义 并行工程并行工程CE是是对产品及其相关过程（包括制造对产品及其相关过程（包括
36、制造过程和支持过程）进行并行、一体化设计的一种过程和支持过程）进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。系统化的工作模式。这种工作模式力图使开发人这种工作模式力图使开发人员从一开始就考虑到产品全生命周期中的各种员从一开始就考虑到产品全生命周期中的各种因素，包括质量、成本、进度及用户需求。因素，包括质量、成本、进度及用户需求。二、并行工程的运行特性二、并行工程的运行特性 （1 1）并行特性）并行特性CECE的最大特点是把时间上有先有后的作业过程转变的最大特点是把时间上有先有后的作业过程转变为同时考虑和尽可能同时（或并行）处理的过程；为同时考虑和尽可能同时（或并行）处理的过程；在产品的设计阶段就
37、并行地考虑了产品整个产品生在产品的设计阶段就并行地考虑了产品整个产品生命周期中的所有因素，研制周期将明显地缩短。命周期中的所有因素，研制周期将明显地缩短。CE认为，制造系统（包括制造过程）是一个有机认为，制造系统（包括制造过程）是一个有机的整体，在空间中似乎相互独立的各个制造过程的整体，在空间中似乎相互独立的各个制造过程和知识处理单元之间，实质上都存在着不可分割和知识处理单元之间，实质上都存在着不可分割的内在联系。的内在联系。CE强调全局性的考虑问题，即产品研制者从一开强调全局性的考虑问题，即产品研制者从一开始就考虑到产品整个生命周期中的所有因素。始就考虑到产品整个生命周期中的所有因素。并行工
38、程追求的是整体最优。并行工程追求的是整体最优。二、并行工程的运行特性二、并行工程的运行特性 （2 2）整体特性）整体特性二、并行工程的运行特性二、并行工程的运行特性制造系统各个环节的内在联系制造系统各个环节的内在联系二、并行工程的运行特性二、并行工程的运行特性 （3 3）协同特性）协同特性 并行工程特别强调设计群体的协同工作并行工程特别强调设计群体的协同工作（Team work）：）：1）多功能的协同组织机构：多功能的协同组织机构：CE根据任务和项目需要，根据任务和项目需要，组织多功能工作小组，小组成员由设计、工艺、制造组织多功能工作小组，小组成员由设计、工艺、制造和支持（质量、销售、采购、服
39、务等）的不同部门、和支持（质量、销售、采购、服务等）的不同部门、不同学科代表组成。工作小组有自己的责、权、利，不同学科代表组成。工作小组有自己的责、权、利，工作计划和目标，成员之间使用相同术语和共同信息工作计划和目标，成员之间使用相同术语和共同信息资源工具，协同完成共同任务。资源工具，协同完成共同任务。二、并行工程的运行特性二、并行工程的运行特性 （3 3）协同特性）协同特性2）协同的设计思想：协同的设计思想：CE强调一体化、并行地进行产品及其强调一体化、并行地进行产品及其相关过程的协同设计，尤其注意早期概念设计阶段的并行相关过程的协同设计，尤其注意早期概念设计阶段的并行和协调。和协调。3）协
40、同的效率：协同的效率：CE特别强调特别强调“112”的思想，力求排除的思想，力求排除传统串行模式中各个部门间的壁垒，使各个相关部门协调传统串行模式中各个部门间的壁垒，使各个相关部门协调一致的工作，利用群体的力量提高整体效益，强调一致的工作，利用群体的力量提高整体效益，强调“工工”字钢带来的三块钢板的协调强度。字钢带来的三块钢板的协调强度。二、并行工程的运行特性二、并行工程的运行特性 （4 4）集成特性）集成特性CECE是一种系统集成方法，具有人员、信息、功能、是一种系统集成方法，具有人员、信息、功能、技术的集成特性。技术的集成特性。人员集成：人员集成：管理者、设计者、制造者、支持者以管理者、设
41、计者、制造者、支持者以至用户集成为一个协调的整体。至用户集成为一个协调的整体。信息集成：信息集成：产品全生命周期中各类信息的获取、产品全生命周期中各类信息的获取、表示、表现和操作工具的集成和统一管理。表示、表现和操作工具的集成和统一管理。二、并行工程的运行特性二、并行工程的运行特性 （4 4）集成特性）集成特性 功能集成：功能集成：产品全生命周期中企业内各部门功产品全生命周期中企业内各部门功能集成，以及产品开发企业与外部协作企业间能集成，以及产品开发企业与外部协作企业间功能的集成。功能的集成。技术集成：技术集成：产品开发全过程中涉及的多学科知产品开发全过程中涉及的多学科知识以及各种技术、方法的
42、集成，形成集成的知识以及各种技术、方法的集成，形成集成的知识库、方法库。识库、方法库。三、并行工程的关键技术三、并行工程的关键技术（1）过程管理与集成技术：包括过程建模、过程管理、）过程管理与集成技术：包括过程建模、过程管理、过程评估、过程分析和过程集成。过程评估、过程分析和过程集成。（2）团队：由传统部门制或专业组变成项目为主的多）团队：由传统部门制或专业组变成项目为主的多功能功能集成产品开发团队（集成产品开发团队（Integrated Product Team，IPT）。（3）协同工作环境：产品开发由分布在异地的采用异）协同工作环境：产品开发由分布在异地的采用异种计算机软件工作的多学科小组
43、完成的。具体关键技种计算机软件工作的多学科小组完成的。具体关键技术包括约束管理技术、冲突仲裁技术、多智能体技术、术包括约束管理技术、冲突仲裁技术、多智能体技术、CSCW（ComputerSupported Cooperative Work）技术等。）技术等。三、并行工程的关键技术三、并行工程的关键技术（4）DFX：DFX是是CE的关键使能技术。的关键使能技术。X代表产品代表产品生命周期中的各项活动。应用较多的是生命周期中的各项活动。应用较多的是DFA（面向（面向装配设计）和装配设计）和DFM（面向制造设计）。（面向制造设计）。（5）PDM：产品数据管理（：产品数据管理（Product Data
44、 Management）集成和管理产品所有相关数据及其）集成和管理产品所有相关数据及其相关过程。相关过程。6.4.2敏敏 捷捷 制制 造造一、敏捷制造产生的背景一、敏捷制造产生的背景 197080年代，美国制造业一度成为美国经济严重年代，美国制造业一度成为美国经济严重衰退的重要因素之一。衰退的重要因素之一。20世纪世纪80年代，西德和日本高质量产品大量推向美年代，西德和日本高质量产品大量推向美国市场，迫使美国制造策略由注重成本转向产品质量。国市场，迫使美国制造策略由注重成本转向产品质量。90年代，产品更新换代加快，年代，产品更新换代加快，市场竞争加剧，靠降市场竞争加剧，靠降低成本、提高质量还难
45、以以赢得市场竞争，还必须缩低成本、提高质量还难以以赢得市场竞争，还必须缩短产品开发周期。当时美国汽车更新换代的速度已经短产品开发周期。当时美国汽车更新换代的速度已经比日本慢了一倍以上，速度比日本慢了一倍以上，速度 成为美国制造商关注的成为美国制造商关注的重心。重心。“一个国家要生活得好，必须生产得好一个国家要生活得好，必须生产得好”。一、敏捷制造产生的背景一、敏捷制造产生的背景 美国政府为重新夺回美国制造业的世界领先地位，把美国政府为重新夺回美国制造业的世界领先地位，把制造业发展战略目标瞄向制造业发展战略目标瞄向21世纪。世纪。美国通用汽车和美国通用汽车和Leigh大学的大学的Iacocca研
46、究所在国防研究所在国防部的资助下，组织了百余家公司，耗资部的资助下，组织了百余家公司，耗资50万美元，万美元，花费花费1000人日，分析研究人日，分析研究400多篇优秀报告后，提出多篇优秀报告后，提出21世纪制造企世纪制造企 业战略业战略的报告。的报告。88年在这份报告中首次提出敏捷制造的新概念。年在这份报告中首次提出敏捷制造的新概念。90年向社会半公开后，立即受到世界各国的重视。年向社会半公开后，立即受到世界各国的重视。92年美国政府将敏捷制年美国政府将敏捷制 造作为造作为21世纪制造战略。世纪制造战略。3、基本思想、基本思想 通过把灵活的动态联盟、先进的柔性制造技通过把灵活的动态联盟、先进
47、的柔性制造技术和高素质的人员进行全面集成，从而使得术和高素质的人员进行全面集成，从而使得企业能够从容应付快速的和不可预测的市场企业能够从容应付快速的和不可预测的市场需求，获得企业的长期经济效益。需求，获得企业的长期经济效益。4、基本含义：、基本含义：在先进柔性生产技术的基础下，通过企业的在先进柔性生产技术的基础下，通过企业的多功能项目组（团队）与企业外部多功能项多功能项目组（团队）与企业外部多功能项目组（团队）组成虚拟企业这个动态多变的目组（团队）组成虚拟企业这个动态多变的动态组织机构，把全球范围内的各种资源，动态组织机构，把全球范围内的各种资源，包括人的资源集成在一起，实现技术、管理包括人的
48、资源集成在一起，实现技术、管理和人的集成，从而能够在整个产品生命周期和人的集成，从而能够在整个产品生命周期内最大限度地满足用户的需求，提高企业的内最大限度地满足用户的需求，提高企业的竞争能力，获得企业的长期效益。竞争能力，获得企业的长期效益。二、敏捷制造的内涵二、敏捷制造的内涵“美国机械工程师学会美国机械工程师学会”（ASME）主办的）主办的“机械工机械工程程”杂志杂志94年刊中，对敏捷制造做了如下定义：年刊中，对敏捷制造做了如下定义：“敏敏捷制造就是指制造系统在满足低成本和高质量的同时，捷制造就是指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的快速反应对变幻莫测的市场需求的快速反
49、应”。敏捷制造企业的敏捷能力敏捷制造企业的敏捷能力 市场快速反应能力：判断和预见市场变化并快速反应的能力。竞争力：企业获得生产力、效率和有效参与竞争所需的技能。柔性：以同样设备与人员生产不同产品或实现不同目标的能力。快速：以最短时间执行任务（如产品开发、制造、供货等）的能力。敏捷制造企业的敏捷能力敏捷制造企业的敏捷能力 企业策略上的敏捷性：企业针对竞争规则及手段变化、新竞争对手出现、国家政策法规变化、社会形态变化等快速反应的能力。企业日常运行的敏捷性：企业对影响其日常运行的各种变化，如用户对产品规格、配置及售后服务要求的变化、用户定货量和供货时间的变化、原料供货出现问题及设备出现故障等做出快速
50、反应的能力。三三 关键要素及基本原理关键要素及基本原理动态组织结构动态组织结构、先进的柔性制造技术先进的柔性制造技术和和高高素质的人员素质的人员是敏捷制造实现制造敏捷性的是敏捷制造实现制造敏捷性的三个关键要素三个关键要素（1）动态组织结构）动态组织结构 虚拟公司，又称动态联盟，是面向产虚拟公司，又称动态联盟，是面向产品经营过程的一种动态组织结构品经营过程的一种动态组织结构 （2）先进的柔性制造技术 首先，具有高度柔性的先进生产设备 其次，能够实现“虚拟制造”（3）高素质的人员）高素质的人员 能够充分发挥主动性和创造性；能够充分发挥主动性和创造性；反应迅速灵活，能快速地从一个项目转快到另反应迅速
