【冶金精品文档】并行工程技术.ppt

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1、第一节第一节 并行工程技术并行工程技术第六章 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；各部门对产品开发的独立修改导致产品开发出现各种反复，总体开发时间延长；基于图样以手工

2、设计为主，设计表达存在二 义性，缺少先进的计算机平台，不足以支持协同化产品开发。并行工程产生的背景要求：并行工程产生的背景要求：全球化市场要求企业必须改变经营策略：提高产品开发能全球化市场要求企业必须改变经营策略：提高产品开发能力、增强市场开拓能力，但传统产品开发模式已不能满足力、增强市场开拓能力，但传统产品开发模式已不能满足市场竞争要求。市场竞争要求。并行工程是一种企业组织、管理和运行的先进设计、制造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化开发模式。模式；采用多学科团队和并行过程集成化开发模式。并行工程把传统的制造技术与计算机并行工程把传统的制造

3、技术与计算机 技术、系统工程技技术、系统工程技术和自动化技术相结合，在产品开发的早期阶段全面考虑术和自动化技术相结合，在产品开发的早期阶段全面考虑产品生命周期中的各种因素，力争使产品开发能够一次获产品生命周期中的各种因素，力争使产品开发能够一次获得成功。从而缩短产品开发周得成功。从而缩短产品开发周 期、提高产品质量、降低期、提高产品质量、降低产品成本。产品成本。并行工程并行工程(Concurrent Engineering,CE)产生和发展历史产生和发展历史美国国防先进研究计划局（DARPA）1987 年12月举行了并行工程专题研讨会，提出了发展并行工程的 DICE计划（DARPAs Init

4、iative in CE）。同时，美国防御分析研究所IDA（Institute of Defense Analyses）对CE及其用于武器系统的可行性进行调查研究，88年公布了著名的R-388研究报 告，明确提出了并行工程的思想。1988年DARPA发出了并行工程倡议，西弗吉尼亚大学设立了并行工程研究中心，许多大 软件公司、计算机公司开始对支持并行工程的工具软件及集成框架进行开发。CE在国际上引起各国的高度重视，其思想被更多的企业及产品开发 人员接受和采纳，各国政府也加大支持并行工程技术开发的力度。并行工程已在一批国际著名 企业中获得成功应用，如波音、洛克希德、雷诺、通用电气等均采用并行工程技

5、术来开发自己的产品，取得显著效益。CECE与串行工程产品开发成本比较与串行工程产品开发成本比较串、并行产品开发过程对比串、并行产品开发过程对比二、并行工程的定义二、并行工程的定义 并行工程CE是对产品及其相关过程（包括制对产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行、一体化设计造过程和支持过程）进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。的一种系统化的工作模式。这种工作模式力图使开发人员从一开始就考虑一开始就考虑到产品全生命周期中的各种因素各种因素，包括质量、成本、进度质量、成本、进度及用户需求及用户需求。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

6、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。这命周期中的所有因素，研制周期将明显地缩短。这样设计出来的产品不仅具有良好的性能，而且易于样设计出来的产品不仅具有良好的性能，而且易于制造、检验和维护。制造、检验和维护。CE认为，制造系统（包括制造过程）是一个有机的整认为，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

7、程和知识处体，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的内在联系。理单元之间，实质上都存在着不可分割的内在联系。CE强调全局性的考虑问题，即产品研制者从一开始就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。考虑到产品整个生命周期中的所有因素。并行工程追求的是整体最优。有时为保证整体最优，并行工程追求的是整体最优。有时为保证整体最优，甚至可能不得不牺牲局部的利益。甚至可能不得不牺牲局部的利益。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

8、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（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，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，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。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。3）协同的效率：协同的

9、效率：CE特别强调“112”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一致的工作，利用群体的力量提高整体效益，强调“工”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、技术的集成特性。是一种系统集成方法，具有人员、信息、功能、技术的集成特性。人员集成：人员集成：管理者、设计者、制造者、支持者以至用户管理者、设计者、制造者、支持者以至用户集成为一个协调的整体。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、表示、产品全生命周期中各类信息的获取

10、、表示、表现和操作工具的集成和统一管理。表现和操作工具的集成和统一管理。功能集成：功能集成：产品全生命周期中企业内各部门功能集成，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功能的集成。以及产品开发企业与外部协作企业间功能的集成。技术集成：技术集成：产品开发全过程中涉及的多学科知识以及各产品开发全过程中涉及的多学科知识以及各种技术、方法的集成，形成集成的知识库、方法库。种技术、方法的集成，形成集成的知识库、方法库。三、并行工程的体系结构三、并行工程的体系结构（l）产品概念设计：对产品设计要求进行分组描述和表述，并对方）产品概念设计：对产品设计要求进行分组描述和表述，并

11、对方案优选、批量、类型、可制造性和可装配性评价，选出最佳方案，案优选、批量、类型、可制造性和可装配性评价，选出最佳方案，指导概念设计。指导概念设计。（2）结构设计及其评价：将产品概念设计获得的最佳方案结构化，）结构设计及其评价：将产品概念设计获得的最佳方案结构化，对各种方案进行评价和决策。选择最佳结构设计方案或提供反馈信对各种方案进行评价和决策。选择最佳结构设计方案或提供反馈信息，指导产品的概念设计和结构设计。息，指导产品的概念设计和结构设计。（3）详细设计及其评价：根据结构设计方案对零部件进行详细设计，）详细设计及其评价：根据结构设计方案对零部件进行详细设计，并对其可制造性进行评价，即时反馈

12、修改信息，指导特征设计，实并对其可制造性进行评价，即时反馈修改信息，指导特征设计，实现了特征工艺并行设计。现了特征工艺并行设计。（4）产品总体性能评价：该阶段产品信息较完善，对产品的功能、）产品总体性能评价：该阶段产品信息较完善，对产品的功能、性能、可制造性和成本等采用价值工程方法进行总体评价、提出反性能、可制造性和成本等采用价值工程方法进行总体评价、提出反馈信息。馈信息。最后必须进行工艺过程优化，对零件的实际加工过程进行仿真。最后必须进行工艺过程优化，对零件的实际加工过程进行仿真。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、过程评估、过程分析

13、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、CSCW（ComputerSupported Cooperative Work）技术等。（4）DFX：DFX是CE的关键使能技术。X代表产品生命周期中的各项活动。应用较多的是DFA（面向装配设计）和DFM（面向制造设计）。（5）PDM：产品数据管理（Product Data Management）集成

14、和管理产品所有相关数据及其相关过程。PDM能在数据的创建、更改及审核的同时跟踪监视数据的存取，确保产品数据的完整性、一致性及正确性，保证每个参与设计的人员都能即时地得到正确数据，使产品设计返回率达到最低。四、并行工程的应用实例四、并行工程的应用实例波音公司波音公司自自 19911991年起，在波音年起，在波音767767X X系列产品上采用了：系列产品上采用了：按飞机部件组成两百多个IPT；改进产品开发流程；采用DFADFM等工具；利用巨型机支持 的PDM系统辅助并行设计；大量应用CAD/CAM技术，做到无图样生产；仿真技术与虚拟现实技术等CE的方法和技术。获得了以下显著效益：获得了以下显著效

15、益：提高设计质量，极大地减少了早期生产中的设计更改；缩短产品研制周期，优化设计过程；减少报废和返工率，降低制造成本。四、并行工程的应用实例四、并行工程的应用实例波音公司波音公司 波音公司在767X飞机的开发中，全面应用CAD/CAM系统作为基本设计工具，在计算机上设计出所有零件的三维图形，并进行数字 化预装配，获得早期的设计反馈，便于及时了解设计的完整性、可靠性、可维修性、可生产性和可操作性。同时，数字化设计文件可以被后续设计部门共享，从而在 制造前获得反馈，减少设计更改。总结为：（1）100数字化产品设计（2）3D实体数字化整机预装配（3）并行产品设计（CPD）四、并行工程的应用实例四、并行

16、工程的应用实例瑞士瑞士ABBABB自自19921992年起，在火车运输系统上采用：年起，在火车运输系统上采用：建立支持建立支持CECE的计算机系统；的计算机系统；可互操作的网络系统；可互操作的网络系统；组织设计和制造过程的团队；组织设计和制造过程的团队；统一的产品数据定义模型；统一的产品数据定义模型；应用仿真技术等应用仿真技术等CECE的方法和技术。的方法和技术。获得效益如下：获得效益如下：过去从签订合同到交货需过去从签订合同到交货需3434年，现在仅用年，现在仅用318318个月；个月；对东南亚的用户，能在对东南亚的用户，能在1212个月以内交货；个月以内交货；整个产品开发周期缩短整个产品开

17、发周期缩短25%33%25%33%。四、并行工程的应用实例四、并行工程的应用实例日本横河日本横河HPHP自自19841984至至19901990年，在高精度测量设备上，采用了：年，在高精度测量设备上，采用了：开发制造生产网络（开发制造生产网络（MPNMPN）；）；网络化计算环境；网络化计算环境；实时的全局工程数据库等实时的全局工程数据库等CECE的方法和技术。的方法和技术。获得效益为：获得效益为：新产品上市周期缩短新产品上市周期缩短30%30%；技术部门生产率上升技术部门生产率上升30%30%；总体生产能力增加总体生产能力增加30%30%。四、并行工程的应用实例四、并行工程的应用实例中国长峰科

18、技集团中国长峰科技集团19951995年起，在复杂系统产品（机械与电子）开发中，采用：年起，在复杂系统产品（机械与电子）开发中，采用：建立并行设计、制造与管理的集成环境；建立并行设计、制造与管理的集成环境；组建多层次的集成产品开发团队；组建多层次的集成产品开发团队；改进现有产品开发流程；改进现有产品开发流程；应用各类应用各类CAXCAXDFXDFX工具；工具；动态管理和跟踪项目的进展，实施动态管理和跟踪项目的进展，实施PDMPDM；应用并行工程集成框架技术等应用并行工程集成框架技术等CECE的方法和技术。的方法和技术。获得效益为：获得效益为：总体方案设计周期压缩总体方案设计周期压缩60%60%

19、，工程绘图周期从，工程绘图周期从1212个月下降到个月下降到2323周。工艺周。工艺检查周期减少检查周期减少50%50%，更改反馈次数降低，更改反馈次数降低50%50%，工艺规划时间减少，工艺规划时间减少30%30%，工装，工装准备周期减少准备周期减少30%30%，数控加工编码与调试周期减少，数控加工编码与调试周期减少50%50%；毛坯成品率由原来的毛坯成品率由原来的30%50%30%50%提高到提高到70%80%70%80%；降低产品成本降低产品成本20%20%；培养了一支人才队伍，为并行工程在我国全面实施应用奠定了基础。培养了一支人才队伍，为并行工程在我国全面实施应用奠定了基础。四、并行工

20、程的应用实例四、并行工程的应用实例齐齐哈尔车辆厂齐齐哈尔车辆厂自自19981998年起，在铁路货车的生产中，采用了：年起，在铁路货车的生产中，采用了：组建产品开发中心，组织设计、工艺、制造团队；组建产品开发中心，组织设计、工艺、制造团队；实现产品开发过程管理及项目协凋管理；实现产品开发过程管理及项目协凋管理；基于基于PDM实现产品数据的集成化管理；实现产品数据的集成化管理；基于基于STEP标准实现标准实现CAD/CAPP集成；集成；采用结构强度分析、刚度分析及动力学分析工具；采用结构强度分析、刚度分析及动力学分析工具；建立产品报价系统等建立产品报价系统等CE的方法和技术的方法和技术获得效益为：

21、获得效益为：缩短产品开发周期缩短产品开发周期30%40%30%40%；减少产品试制次数和试制费用，每年可节约试制费减少产品试制次数和试制费用，每年可节约试制费500500万元；万元；提高产品质量水平，增加出口量，每年可多获利润提高产品质量水平，增加出口量，每年可多获利润12501250万元。万元。第二节第二节敏敏 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衰退的重要因素之一。20世纪80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。90年代，产品更新换代加快，市场竞争加剧，靠降低成本、提高质

22、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比日本慢了一倍以上，速度 成为美国制造商关注的重心。“一个国家要生活得好，必须生产得好”。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21世纪。美国通用汽车和Leigh大学的Iacocca研究所在国防部的资助下，组织了百余家公司，耗资50万美元，花费1000人日，分析研究400多篇优秀报告后，提出21世纪制造企 业战略的报告。88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。92年美国政府将敏捷制 造作为21世纪制造战略。二、敏捷制造的定义二、敏捷制造的

23、定义在在21世纪制造企业发展战略世纪制造企业发展战略报告中，并没有给敏捷制报告中，并没有给敏捷制造一个确切的定义，但专家们都强调，针对造一个确切的定义，但专家们都强调，针对21世纪市场竞世纪市场竞争的特点，制造业不仅要灵活多变地满足用户对产品多样争的特点，制造业不仅要灵活多变地满足用户对产品多样性的要求，而且新产品必须能快速上市。性的要求，而且新产品必须能快速上市。“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“机械工程机械工程”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：“敏捷制造就敏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

24、测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的市场需求的快速反应”。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。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

25、、原料供货出现问题及设备出现故障等做出快速反应的能力。三、敏捷制造的组成三、敏捷制造的组成敏捷制造是在全球范围内企业和市场的集成，敏捷制造是在全球范围内企业和市场的集成，目标是将企业、商业、学校、行政部门、金融等行业都用网络进行连通，形成一个与生活、制造、服务等密切相关的 网络，实现面向网络的设计，面向网络的制造，面向网络的销售，面向网络的服务。在这种意义下敏捷制造应有两个方面的重要组成，即：敏捷在这种意义下敏捷制造应有两个方面的重要组成，即：敏捷制造的基础结构和敏捷的虚拟企业。制造的基础结构和敏捷的虚拟企业。敏捷制造的基础结构为形成虚拟企业提供环境和条件。敏捷制造的基础结构为形成虚拟企业提供

26、环境和条件。敏捷的虚拟企业是实现对市场不可预期变化的响应。敏捷的虚拟企业是实现对市场不可预期变化的响应。1 1、敏捷制造的基础结构、敏捷制造的基础结构I.物理基础结构：是指虚拟企业运行所必须的厂房、设备、实施、运输、资源等必要的物理条件，是指一个国家乃至全球的范围内的物理设施。II.法律基础结构：是指有关国家关于虚拟企业的法律和政策条文。它应规定出如何组织一个法律上承认的虚拟企业，如何交易，利益如何分享，如何纳税，虚拟企业破产后如何还债，解散后如何善后，人员如何流动等III.社会基础结构：虚拟企业要能够生存和发展，还必须有社会环境的支持。虚拟企业的解散和重组、人员的流动是非常自然的事，这些都需

27、要社会来提供职业培训、职业介绍的服务环境。IV.信息基础结构：这是指敏捷制造的信息支持环境，包括能提供各种服务网点、中介机构等一切为虚拟企业服务的信息手段。2 2、敏捷的虚拟企业、敏捷的虚拟企业敏捷制造的核心是虚拟企业敏捷制造的核心是虚拟企业VEVE（Virtual EnterpriseVirtual Enterprise），即为把不，即为把不同企业不同地点的工厂或车间重新组织、协调工作的一个临同企业不同地点的工厂或车间重新组织、协调工作的一个临时的团体。时的团体。虚拟企业的组织结构如下：（1 1）核心层：）核心层：由新产品设计与开发企业构成。核心层企业之间的关系是共同分担成本与风险，分享利润

28、。（2 2）紧密层）紧密层：由专用零部件生产及总装企业构成，这一层企业按照合同要求相互配合，合同与核心层代表签订，负责按合同要求生产与装配。（3 3）松散层：）松散层：由通用标准零部件生产企业组成，以市场形式提供标准化、通用化零部件或按合同进行生产。四、敏捷制造实施模式四、敏捷制造实施模式一般包括四部分：一般包括四部分：1、企业敏捷制造战略选择、企业敏捷制造战略选择2、企业的敏捷化建设、企业的敏捷化建设3、敏捷制造系统的建构、敏捷制造系统的建构4、敏捷制造系统的运行与、敏捷制造系统的运行与管理管理企业的敏捷化建设企业的敏捷化建设主要包括：主要包括：企业经营策略的相应转变企业经营策略的相应转变和

29、相关的和相关的技术准备技术准备。前。前者是功能、过程、组织、人员、信息、资源等的相应转变与者是功能、过程、组织、人员、信息、资源等的相应转变与调整；后者包括一个技术体系，企业可以根据需要发展该技调整；后者包括一个技术体系，企业可以根据需要发展该技术体系中的某些关键技术。企业经营策略包括以下内容。术体系中的某些关键技术。企业经营策略包括以下内容。（1 1）员工的敏捷化综合培训）员工的敏捷化综合培训（2 2）企业的过程、功能分析与重组）企业的过程、功能分析与重组（3 3）相应的组织、人员、信息、资源、功能等的调整）相应的组织、人员、信息、资源、功能等的调整（4 4）敏捷制造综合基础的建设）敏捷制造

30、综合基础的建设敏捷制造系统的建构敏捷制造系统的建构 可分为可分为方案设计方案设计和和方案实施方案实施。I.I.方案设计：方案设计：首先完整描述企业敏捷制造目标体系与系统，再首先完整描述企业敏捷制造目标体系与系统，再确定实现方法与技术手段，建立完整的方案。设计方案分为确定实现方法与技术手段，建立完整的方案。设计方案分为基本框架系统设计和实例化两个阶段，前者解决基本技术经基本框架系统设计和实例化两个阶段，前者解决基本技术经济分析，建立核心的、可扩展的系统参考模型和框架系统方济分析，建立核心的、可扩展的系统参考模型和框架系统方案，后者则根据项目和竞标结果，形成在企业战略合作关系案，后者则根据项目和竞

31、标结果，形成在企业战略合作关系上具有较长生命周期，在项目合作上具有较灵活和快速变化上具有较长生命周期，在项目合作上具有较灵活和快速变化的生命周期的具体系统。的生命周期的具体系统。II.II.方案实施：方案实施：对敏捷制造系统实施方案进行空间上、时间上、对敏捷制造系统实施方案进行空间上、时间上、逻辑上的细化，要经过方案设计、方案实施、运行与评价、逻辑上的细化，要经过方案设计、方案实施、运行与评价、方案改进、再实施的循环提高过程，逐步实施，不断改进。方案改进、再实施的循环提高过程，逐步实施，不断改进。敏捷制造系统的运行与管理敏捷制造系统的运行与管理 鉴于敏捷制造系统运行的复杂性，应当在敏捷制造方法

32、论的指导下，对系统的功能、过程、组织、人员、信息、资源、利润框架等进行综合管理。系统运行管理的主要内容有系统的描述与系统的描述与分析方法、决策、管理方法、评价体系、保证体分析方法、决策、管理方法、评价体系、保证体系、安全体系、技术支持系、安全体系、技术支持等。捷制造系统运行的一种模式捷制造系统运行的一种模式第三节第三节智智 能能 制制 造造一、智能制造的提出一、智能制造的提出20世纪世纪70年代开始，发达国家为了追求廉价劳动力，将制造业逐渐移向发年代开始，发达国家为了追求廉价劳动力，将制造业逐渐移向发展中国家，引起本国技术力量向其他行业的转移，同时发展中国家专业人展中国家，引起本国技术力量向其

33、他行业的转移，同时发展中国家专业人才又严重短缺，其结果制约了制造业的发展。因此，制造业希望减少对人才又严重短缺，其结果制约了制造业的发展。因此，制造业希望减少对人类智慧的依赖，以解决人才供应的矛盾。智能制造正是适应这种情况而得类智慧的依赖，以解决人才供应的矛盾。智能制造正是适应这种情况而得以发展的。以发展的。世界各国的制造业趋向于全球化，制造、经营活动、开发研究等都在向多国化发展。为了有效地进行国际间信息交换及世界先进制造技术共享，各国企业都希望以统一方式来交换信息和数据。必须开发出一个快速有效的信息交换工具，创建并促进一个全球化的公共标准来实现这一目标。先进的计算机技术和制造技术向产品、工艺

34、及系统的设计和管理人员提出先进的计算机技术和制造技术向产品、工艺及系统的设计和管理人员提出了新的挑战，传统的设计和管理方法不能有效地解决现代制造系统中所出了新的挑战，传统的设计和管理方法不能有效地解决现代制造系统中所出现的问题，这就促使我们通过集成传统制造技术、计算机技术与人工智能现的问题，这就促使我们通过集成传统制造技术、计算机技术与人工智能等技术，发展一种新型的制造模式等技术，发展一种新型的制造模式智能制造。智能制造。二、智能制造的定义二、智能制造的定义 智能制造（智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）是一种）是一种由由智能机器智能机器和和人类专家人类专家共同

35、组成的共同组成的人机一体化智能系人机一体化智能系统统，它在制造过程中能进行智能活动，诸如分析、推，它在制造过程中能进行智能活动，诸如分析、推理、判断、构思和决策等。通过人与智能机器的合作理、判断、构思和决策等。通过人与智能机器的合作共事，去共事，去扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动程中的脑力劳动。它把制造自动化的概念更新，扩展。它把制造自动化的概念更新，扩展到到柔性化、智能化和高度集成化柔性化、智能化和高度集成化。三、智能制造系统的特征三、智能制造系统的特征1、自组织能力：、自组织能力：IMS的一个重要标志。的一个重要标志。是指IMS中的

36、各种智能设备，能够按照工作任务的要求，自行集结成一种最合适的结构，并按照最优的方式运行。完成任务以后，该结构随即自行解散。2、自律能力：、自律能力：使整个制造系统有抗干扰、自适应和容错能力。使整个制造系统有抗干扰、自适应和容错能力。即搜集与理解环境信息和自身的信息，并进行分析判断和规划自身行为的能力。IMS能根据周围环境和自身作业状况的信息进行监测和处理，并根据处理结果自行调整控制策略，以采用最佳行动方案。三、智能制造系统的特征三、智能制造系统的特征3、学习能力和自我维护能力：、学习能力和自我维护能力：使系统能自我优化并适应各种复杂环境。使系统能自我优化并适应各种复杂环境。IMS能以原有专家知

37、识为基础，在实践中不断学习，完善系统知识库，删能以原有专家知识为基础，在实践中不断学习，完善系统知识库，删除库中有误的知识，使知识库趋向最优。同时还能对系统故障进行自我诊除库中有误的知识，使知识库趋向最优。同时还能对系统故障进行自我诊断、排除和修复。断、排除和修复。4、人机一体化：、人机一体化：是一种混合智能。是一种混合智能。一方面突出人在制造系统一方面突出人在制造系统 中的核心地位，同时，在智能机器的配合下，更中的核心地位，同时，在智能机器的配合下，更好地发挥人的潜能，使人机之间表现出一种平等共事、相互好地发挥人的潜能，使人机之间表现出一种平等共事、相互“理解理解”、相、相互协作的关系，使二

38、者在不同的层次上各显其互协作的关系，使二者在不同的层次上各显其 能，相辅相成。能，相辅相成。四、智能制造系统的构成及典型结构四、智能制造系统的构成及典型结构 IMS是一个复杂的智能系统，是由各种智能子系统按层次递是一个复杂的智能系统，是由各种智能子系统按层次递阶组成，构成智能递阶层次模型。该模型最基本的结构称为阶组成，构成智能递阶层次模型。该模型最基本的结构称为元智能系统（元智能系统（Meta-Intelligent System，M-IS）。五、智能制造系统的主要支撑技术五、智能制造系统的主要支撑技术1 1、人工智能技术、人工智能技术2 2、并行工程、并行工程 并行工程应用于IMS中，将最大

39、限度地减少产品设计的盲目性和设计的重复性。3 3、虚拟制造技术、虚拟制造技术 虚拟制造技术应用于IMS，为并行工程提供必要的保证。4 4、信息网络技术、信息网络技术 是制造过程的系统和各个环节“智能集成”化的支撑。信息网络是制造信息及知识流动的通道。第四节第四节绿绿 色色 制制 造造一、绿色制造的提出一、绿色制造的提出环境、资源、人口是当今社会面临的三大主要问题。最有效环境、资源、人口是当今社会面临的三大主要问题。最有效地利用资源和最低限度地产生废弃物，是当前世界环境问题地利用资源和最低限度地产生废弃物，是当前世界环境问题的治本之道。的治本之道。制造业是将可用资源（包括能源）通过制造过程，转化

40、为可制造业是将可用资源（包括能源）通过制造过程，转化为可供人们使用和利用的工业品或生活消费品的产业，它在将制供人们使用和利用的工业品或生活消费品的产业，它在将制造资源转变为产品的制造过程中和产品的使造资源转变为产品的制造过程中和产品的使 用和处理过程中，用和处理过程中，同时产生的废弃物是制造业对环境污染的主要根源。同时产生的废弃物是制造业对环境污染的主要根源。20世纪飞速发展的工业技术使人类现在已面临环境污染、生世纪飞速发展的工业技术使人类现在已面临环境污染、生态破坏和资源短缺的危机。态破坏和资源短缺的危机。美国能源部报告预测：全球能源消耗未来美国能源部报告预测：全球能源消耗未来 20年将增加

41、年将增加 60%，造成全球环境污染排放物的，造成全球环境污染排放物的70%以上来自制造业，它们每年产生约以上来自制造业，它们每年产生约55亿吨无害废物和亿吨无害废物和7亿吨有害废物，报废产品的数量则更是惊亿吨有害废物，报废产品的数量则更是惊 人。人。绿色制造绿色制造（Green ManufacturingGreen Manufacturing）的定义的定义 GM又称环境意识制造环境意识制造ECM（Environmentally Conscious Manufacturing）和面向环境的制造面向环境的制造MFE(Manufacturing For Environment)；是指在保证产品功能、

42、质量、成本的前提下，综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制 造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的负面影响最小，资源效率最高环境的负面影响最小，资源效率最高，并使企业企业经经济效益济效益和和社会效益社会效益协调优化协调优化。这里的环境包含了自然 生态环境、社会系统和人类健康等因素。绿色制造的特点绿色制造的特点系统性：系统性：除保证一般制造系统功能外，还要保证环境污染为最小。突出预防性：突出预防性：对产品生产过程进行综合预防污染的战略，强调以预防为主，使废弃物最小化或消失于生产过程中。保持适合性：保持适合性：必须结合企业产品的特点和工艺要求，使

43、绿色制造目标符合区域生产经营发展的需要，又不损害生态环境和保持自然资源潜力。符合经济性：符合经济性：通过绿色制造，可节省原材料和能源的消耗，降低废弃物处理处置费用，降低生产成本，增强市场竞争力。注意有效性和动态性：注意有效性和动态性：绿色制造从“末端治理”转向对产品及生产过程的连续控制，使污染物产生最少化或消失于生产过程之中，综合利用再生资源和能源、物料的循环利用技术。传统制造与绿色制造的物流传统制造与绿色制造的物流绿色制造的主要研究内容绿色制造的主要研究内容I.绿色设计技术II.绿色制造工艺III.绿色包装技术IV.绿色制造系统绿色设计技术GDGD也称面向环境的设计：是系统地考虑环境影响并集

44、成到产品最初也称面向环境的设计：是系统地考虑环境影响并集成到产品最初设计过程中的技术和方法。要求在满足产品的功能、质量和成本的设计过程中的技术和方法。要求在满足产品的功能、质量和成本的同时，优化各有关设计因素，使同时，优化各有关设计因素，使 产品在整个生命周期过程中对环境产品在整个生命周期过程中对环境的影响减少到最小。的影响减少到最小。所关心的目标除传统设计的基本目标外，还有两个：一是防止影响所关心的目标除传统设计的基本目标外，还有两个：一是防止影响环境的废弃物产生；二是良好的材料管理。也就是说，避免废弃物环境的废弃物产生；二是良好的材料管理。也就是说，避免废弃物产生，用再造加工技术或废弃物管

45、理方法协调产品设计，使零件或产生，用再造加工技术或废弃物管理方法协调产品设计，使零件或材料在产品达到寿命周期时，以最高的附加值回收并重复利用。材料在产品达到寿命周期时，以最高的附加值回收并重复利用。与传统设计的区别：要求设计人员在设计构思阶段就要把降低能耗、与传统设计的区别：要求设计人员在设计构思阶段就要把降低能耗、易于拆卸、再生利用和保护生态环境与保证产品的性能、质量、寿易于拆卸、再生利用和保护生态环境与保证产品的性能、质量、寿命、成本的要求列为同等设计目标，并保证在生产过程中能够顺利命、成本的要求列为同等设计目标，并保证在生产过程中能够顺利实施。实施。绿色设计的设计原则产品绿色设计的主要内

46、容产品绿色设计的主要内容绿色材料的选择面向拆卸设计回收性设计面向制造和装配设计绿色产品的长寿命设计产品的绿色材料(Green Material)选择又称环境协调材料又称环境协调材料（Environmental Conscious Material），），是指具有是指具有良好使用性能，并对资源和能源消耗少，对生态与环境污染小，良好使用性能，并对资源和能源消耗少，对生态与环境污染小，有利于人类健康，再生利用率高或可降解循环利用，在制备、有利于人类健康，再生利用率高或可降解循环利用，在制备、使用、废弃直至使用、废弃直至 再生循环利用的整个过程中，都与环境协调再生循环利用的整个过程中，都与环境协调共存

47、的一大类材料。共存的一大类材料。选材时不仅要考虑产品的使用、性能要求，更要考虑材选材时不仅要考虑产品的使用、性能要求，更要考虑材料对环境的影响，应尽可能选用无毒、无污染、易回收、可再用或易降解的材料。料对环境的影响，应尽可能选用无毒、无污染、易回收、可再用或易降解的材料。如用可降解的快餐纸盒代替不易降解的塑料餐具。如用可降解的快餐纸盒代替不易降解的塑料餐具。GM选择是一个系统性和综合性很强的复杂问题。选择是一个系统性和综合性很强的复杂问题。美国卡耐基梅龙美国卡耐基梅龙大学大学RosyRosy提出了一种将环境因素融入材料选择的方法，该方法在满足功能、几何形提出了一种将环境因素融入材料选择的方法，

48、该方法在满足功能、几何形状、材料等特性和环境等需求的基础上，使零件的成本最低。状、材料等特性和环境等需求的基础上，使零件的成本最低。面向拆卸设计DFD（Design For Disassembly）是指在设计时将可拆卸性作为结构设计的一个评价准则，使设计的产品易于拆卸，不同材料可以很方便地分 离开，以利于循环再用、再生或降解。对于应用多种不同材料的复杂产品，只有通过产品拆卸和分类才能较彻底地进行材对于应用多种不同材料的复杂产品，只有通过产品拆卸和分类才能较彻底地进行材料回收和零部件的再循环利用。料回收和零部件的再循环利用。拆卸设计的设计准则有：拆卸设计的设计准则有：拆卸量最少准则拆卸量最少准则

49、:包括零件合并原则、减少零件所用材料种类原则、材料相容包括零件合并原则、减少零件所用材料种类原则、材料相容性原则、有害材料集成原则等。性原则、有害材料集成原则等。结构可拆卸准则结构可拆卸准则:包括包括 采用易于拆卸或未破坏的连接方法、紧固件最少原则、采用易于拆卸或未破坏的连接方法、紧固件最少原则、简化拆卸运动原则等。简化拆卸运动原则等。拆卸易于操作准则拆卸易于操作准则:包括单纯材料零件原则、废液排泄原则、便于抓取原则、包括单纯材料零件原则、废液排泄原则、便于抓取原则、非刚性非刚性 零件原则等。零件原则等。易于分离准则易于分离准则:包括一次表面原则、便于识别原则、零部件标准化原则、模块包括一次表

50、面原则、便于识别原则、零部件标准化原则、模块化设计原则等。化设计原则等。产品结构的可预估性准则产品结构的可预估性准则:包括避免将易老化或易腐包括避免将易老化或易腐 蚀的材料与需要拆卸、蚀的材料与需要拆卸、回收的材料零件组合并防止要拆卸的零件被污染和腐蚀等。回收的材料零件组合并防止要拆卸的零件被污染和腐蚀等。回收性设计也称面向回收设计DFR（Design For Recovering&Recycling），是指在产品绿色设计的初期就充分考虑产品的各种材料组分的回收再利用可能性、回收处理方法及工艺（再生、降解等）、回收费 用等与产品回收有关的一系列问题，从而达到精简回收处理过程、减少资源浪费、对环