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，年代以后，虚拟现实
2、（虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术发展成熟以后出现）技术发展成熟以后出现的一种全新的先进制造技术。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的概念 这里的这里的“虚拟虚拟”不是虚幻或者虚无，而是指物质世界的数字不是虚幻或者虚无，而是指物质世界的数字化，也就是对真实世界的动态模拟和再现，即化，也就是对真实世界的动态模拟和再现，即虚拟现实虚拟现实。它。它是通过综合利用计算机图形系统和各种显示和控制等接口设是通过综合利用计算机图形系统和各种显示和控制等接口设备，在计算机上生成可交互的三维环境，同时，向操作者提备，在计算机上生成可交互的三维环境，同时，向操作者提供
3、供“沉浸沉浸”感觉。操作者感觉他自己的视点或身体的某一部感觉。操作者感觉他自己的视点或身体的某一部分分下一页返回5.1 虚拟制造技术（虚拟制造技术（VM）处于计算机生成的虚拟空间之中。这种由计算机生成的、可处于计算机生成的虚拟空间之中。这种由计算机生成的、可跟使用者交互的三维环境称为虚拟环境；而由图形系统及各跟使用者交互的三维环境称为虚拟环境；而由图形系统及各种接口设备组成的，用来产生虚拟环境并提供沉浸感觉以及种接口设备组成的，用来产生虚拟环境并提供沉浸感觉以及交互性操作的计算机系统称为虚拟现实系统。虚拟现实系统交互性操作的计算机系统称为虚拟现实系统。虚拟现实系统大大提高了人与计算机间的和谐程
4、度，利用虚拟现实系统，大大提高了人与计算机间的和谐程度，利用虚拟现实系统，可以对真实世界进行动态模拟，计算机能够跟踪用户的输入，可以对真实世界进行动态模拟，计算机能够跟踪用户的输入，及时按修改模拟指令获得虚拟环境，使用户和模拟环境之间及时按修改模拟指令获得虚拟环境，使用户和模拟环境之间建立起一种实时交互性关系，从而使用户产生身临其境的沉建立起一种实时交互性关系，从而使用户产生身临其境的沉浸感觉，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）一个完整的虚拟现实系统包含操作者、计算机及人机接口三个一个完整的虚拟现实系统包含操作者
5、、计算机及人机接口三个基本要素。操作者在系统中处于主导地位，在虚拟环境中漫游，基本要素。操作者在系统中处于主导地位，在虚拟环境中漫游，同时，根据需要发出观察和操作需要的指令，操纵计算机实现同时，根据需要发出观察和操作需要的指令，操纵计算机实现环境的虚拟；计算机是虚拟环境的核心，接收操作者指令，通环境的虚拟；计算机是虚拟环境的核心，接收操作者指令，通过运算，生成用户能与之交互的虚拟环境；人机接口则是大量过运算，生成用户能与之交互的虚拟环境；人机接口则是大量传感与控制装置，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
6、拟制造是实际制造过程在计算机上的一种虚拟，即虚拟现实虚拟制造是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。这一全新的制造模式最早由美技术在制造中的应用或者实现。这一全新的制造模式最早由美国于国于1993年首先提出，目前还没有统一的定义，通俗地说，年首先提出，目前还没有统一的定义，通俗地说，虚拟制造技术是采用计算机仿真与虚拟现实技术，在高性能计虚拟制造技术是采用计算机仿真与虚拟现实技术，在高性能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）环境，操作
7、者身处其中，可以虚拟实现产品的设计、工艺规环境，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。管理与控制等产品制造。通过这个过程，可以增强人们对制通过这个过程，可以增强人们对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
8、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
9、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
10、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
11、，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、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
12、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
13、造体系结构虚拟制造体系结构为了实现为了实现“在计算机里进行制造在计算机里进行制造”的目的，虚拟制造技术必的目的，虚拟制造技术必须提供从产品设计到生产计划和制造过程优化的建模和模拟须提供从产品设计到生产计划和制造过程优化的建模和模拟环境。由于虚拟制造系统的复杂性，人们从不同角度构建了环境。由于虚拟制造系统的复杂性，人们从不同角度构建了许多不同的虚拟制造系统体系结构。许多不同的虚拟制造系统体系结构。图图5-1所示为清华大学所示为清华大学国家国家CIMS工程技术中心提出的虚拟制造体系结构，它是一工程技术中心提出的虚拟制造体系结构，它是一个基于个基于PDM集成的虚拟加工、虚拟生产和虚拟企业的系统框集成
14、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架结构，归纳出虚拟制造的目标是对产品的“可制造性可制造性”、“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。虚拟制造事实上研究的是产品的可制造性，所谓虚拟制造事实上研究的是产品的可制造性，所谓“可制造性可制造性”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、
15、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，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
16、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
17、 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、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
18、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
19、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拟制造的实现主要依赖于虚拟制造的实现主要依赖于CAD/CAE/CAM和虚拟现实等和虚拟现实等技术，可以看作是技术，可以看作是CAD/CAE/CAM发展的更高阶段。虚拟发展的更高阶段。虚拟制造不仅要考虑产品，还要考虑生产过程；不仅要建立产品制造不仅要考虑产品，还要考虑生产过程；不仅要建立产品模型，还要建立产品生产环境模型；不仅要对产品性
20、能进行模型，还要建立产品生产环境模型；不仅要对产品性能进行仿真，还要对产品加工、装配和生产过程进行仿真。因此，仿真，还要对产品加工、装配和生产过程进行仿真。因此，虚拟制造涉及的技术领域极其广泛，但一般可以归结为两个虚拟制造涉及的技术领域极其广泛，但一般可以归结为两个方面，一方面是侧重于计算机以及虚拟现实的技术，另一方方面，一方面是侧重于计算机以及虚拟现实的技术，另一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
21、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
22、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”和和“自主的自主的”，而各种非生物是，而各种非生物是“可操作可操作的的”，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
23、作者应该能很好地感觉各）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、精确度和真实度有密不可分的关系。强的存在感能使人们深深地和真实度有密不可分的关系。强的存在感能使人们深深地“沉浸沉浸”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
24、）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
25、，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
26、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
27、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
28、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。
29、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
30、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
31、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
32、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）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、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。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（
33、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）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。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）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。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）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。保证交货期。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
34、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在虚拟现实环境中操纵模拟样机，检验产品的各项性能指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。其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试标。其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均是在计算机上完成的，其整机实现飞均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
35、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
36、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，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
37、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年时间，这一阶段的研制周期比我国以往研制周期缩短了往研制周期缩短了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
38、、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）5.2.1 CIMS产生的背景产生的背景 20世纪世纪50年代，随着控制论、电子技术、计算机技术的发年代，随着控制论、电子技术、计算机技术的发展，工厂中开始出现各种自动化设备和计算机辅助系统。在展，工厂中开始出现各种自动化设备和计算机辅助系统。在50年代初期出现了数控机床（年代初期出现了数控机床（NC），从），从6070年代开始，年代开始，随着计算机技术快速发展，工作站、小型计算机等被大量应随着计算机技术快速发展，工作站、小型计算机等被大量应用到工程设计中，计算
39、机辅助设计（用到工程设计中，计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制）和计算机辅助制造（造（CAM）逐步得到推广。计算机涉及文字信息处理领域，）逐步得到推广。计算机涉及文字信息处理领域，并进入到了上层管理领域，于是开始出现了管理信息系统并进入到了上层管理领域，于是开始出现了管理信息系统（MIS）、物料需求计划（）、物料需求计划（MRP）、制造资源计划）、制造资源计划（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）提高，处理的信息量也大大增加，各种应用系统变得越来越提高，处理的信息量也大大增
40、加，各种应用系统变得越来越复杂，规模也越来越大。但是，各个自动化分系统各自为政，复杂，规模也越来越大。但是，各个自动化分系统各自为政，难以互通信息，限制了系统的进一步发展和推广。难以互通信息，限制了系统的进一步发展和推广。近年来，制造业间的竞争日趋激烈，制造业市场已从传统的近年来，制造业间的竞争日趋激烈，制造业市场已从传统的“相对稳定相对稳定”逐步演变成逐步演变成“动态多变动态多变”的局面，的局面，“经济竞争经济竞争”已成为当今世界各国竞争的主要内容，其中，占各国生产总已成为当今世界各国竞争的主要内容，其中，占各国生产总值值50以上的制造业的竞争尤为激烈，其竞争核心是以上的制造业的竞争尤为激烈
41、，其竞争核心是以知识以知识为基础的新产品的上市时间（为基础的新产品的上市时间（T）、质量（）、质量（Q）、成本（）、成本（C）、）、服务（服务（S）及环境（）及环境（E），以满足各类顾客对产品日益增长的），以满足各类顾客对产品日益增长的需求和社会可持续发展的新要求。需求和社会可持续发展的新要求。作为国家国民经济的主要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）特点：特点：生产能力在世界范围内的提高和扩散形成了全球性生产能力在世界范围内
42、的提高和扩散形成了全球性的竞争格局；的竞争格局；先进生产技术的出现正急剧地改变着现代制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；造业的产品结构和生产过程；传统的管理、劳动方式、组传统的管理、劳动方式、组织结构和决策方法受到社会和市场的挑战。织结构和决策方法受到社会和市场的挑战。CIM理念产生于理念产生于20世纪世纪70年代，但基于年代，但基于CIM理念的理念的CIMS在在80年代中期才开始受到重视并大规模实施，其原因是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，而将制年代的美国产业政策中过分夸大了第三产业的作用，而将制造业
43、，特别是传统制造业，贬低为造业，特别是传统制造业，贬低为“夕阳工业夕阳工业”，这导致美，这导致美国制造业优势的急剧衰退，并在国制造业优势的急剧衰退，并在80年代初开始的世界性的石年代初开始的世界性的石油危机中暴露无遗，此时，美国才开始重视并决心用其信息油危机中暴露无遗，此时，美国才开始重视并决心用其信息技术的优势夺回制造业的霸主地位，于是美国及其他各国纷技术的优势夺回制造业的霸主地位，于是美国及其他各国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）有了很大的发展。
44、有了很大的发展。CIM理念产生于理念产生于20世纪世纪70年代，但年代，但基于基于CIM理念的理念的CIMS在在80年代中期才开始受到重视并大规年代中期才开始受到重视并大规模实施，其原因是模实施，其原因是70年代的美国产业政策中过分夸大了第三年代的美国产业政策中过分夸大了第三产业的作用，而将制造业，特别是传统制造业，贬低为产业的作用，而将制造业，特别是传统制造业，贬低为“夕夕阳工业阳工业”，这导致美国制造业优势的急剧衰退，并在，这导致美国制造业优势的急剧衰退，并在80年代年代初开始的世界性的石油危机中暴露无遗，此时，美国才开始初开始的世界性的石油危机中暴露无遗，此时，美国才开始重视并决心用其信
45、息技术的优势夺回制造业的霸主地位，于重视并决心用其信息技术的优势夺回制造业的霸主地位，于是美国及其他各国纷纷制订并执行发展计划。自此，是美国及其他各国纷纷制订并执行发展计划。自此，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。
46、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
47、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
48、节是不可分割的，需要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，统一安排与组织。从功能上，CIMS包含了企业的全部生产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。到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
49、，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
50、。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。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，
