5现代集成制造系统的关键技术

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1、第5章 现代集成制造系统的关键技术,现代集成制造系统中的信息技术,产品数据管理PDM 现代集成制造网络技术 产品数据模型交换标准STEP 产品全生命周期管理技术PLM,山东大学计算机学院,3,产品全生命周期管理 PLM,方案设计,产品开发、设计,生产经营管理,服务,开始生产,产品出厂,产品全生命周期管理 PLM,SCM,CRM,SAP AG 2002,山东大学计算机学院,4,产品全生命周期管理 PLM,开始生产,产品/零部件 退出市场,新产品构思,停止生产,置换,发运,开始运行,设备投资计划,结束运行,产品制造过程,服务,产品全生命周期 = 产品制造过程 + 产品使用过程,山东大学计算机学院,

2、5,PDM:支持产品生命周期管理,来源：Josef Schoettner,山东大学计算机学院,6,产品全生命周期管理 PLM,山东大学计算机学院,7,需求与计划,概念设计,产品设计,制造工程,产品测试和 质量保证,批量生产,销售和分销,维护维修,循环再利用,PLM :开放式产品生命周期管理系统,山东大学计算机学院,8,管理数据的扩展 应用范围的扩展 应用对象的扩展 应用功能的扩展,PLM系统是PDM系统的扩展,山东大学计算机学院,9,工艺数据 质量数据 项目数据 供应商数据 维修数据 企业知识,管理数据的扩展,山东大学计算机学院,10,PLM系统的应用范围,PDM,山东大学计算机学院,11,技

3、术提供,部件提供,标准件供应,OEM,分销,物流提供,最终客户,PLM系统的应用对象,PLM,维修服务,山东大学计算机学院,12,PLM系统的应用功能,PDM系统功能 产品定义数据和文件的存储、管理与共享 产品数据和文件的生成和变更过程的工作流控制 产品结构和配置及其历史管理 PLM系统扩展功能 -需求管理 -项目管理 -协同设计/数字样机 -制造系统规划 -制造过程定义 -知识管理 -企业信息系统集成,山东大学计算机学院,13,PLM系统解决的问题,使企业能共享合作伙伴的知识财富 将产品信息转变为知识财富 广义的企业(商业伙伴、供应商、分销商、客户、潜在购买者、全体员工) 大大加快产品创新的

4、速度并降低成本 跨企业协作直至全球化的敏捷制造 产品生命周期中供应商和合作伙伴的工作量占的比例 越来越大 全球化的协作使企业能够满足任何客户需求 在PLM支持下对整个供应链资源进行有效的组织和管理 迅速与新的供应商/合作伙伴的异构系统建立连接 对整个产品生命周期进行管理 从概念设计到报废回收 集成生命周期各阶段使用的应用系统与工具,3.计算机辅助技术,CAD CAPP CAM CAQ,山东大学计算机学院,15,CAD是工程技术人员与计算机相结合、各尽所长、应用多学科的方法综合有效地进行问题求解的先进信息处理技术。它把人类的决策判断、创造能力与计算机的高速运算、信息存储等功能有机结合起来，从而达

5、到缩短工程产品设计周期、提高设计质量的目的。 简单地讲，CAD是工程技术人员利用计算机达到最佳的设计目的。,计算机辅助设计(CAD)的概念,山东大学计算机学院,16,CAD概念的实质在于： （1）人机各尽所长； （2）人机交互结合； （3）最佳设计效率。 CAD技术的主要作用如下: （1）提高设计质量和设计效率。 （2）能够充分发挥设计人员创造性。 （3）缩短产品的设计周期。,计算机辅助设计(CAD)的概念,山东大学计算机学院,17,CAD技术随着计算机及其外围设备、图形输入输出设备、软件技术的发展而发展。 （1）准备和诞生时期（20世纪5060年代） 电子管计算机 1950 MIT 能够显示

6、简单图形的图形显示器 1958 Calcomp 滚筒式绘图机 20世纪50年代末 SAGE战术防空系统,CAD技术发展历程,山东大学计算机学院,18,（2） 蓬勃发展和进入应用的时期（ 20世纪60年代） 1962，Ivan Sutherland 研究出了Sketchpad交互式图形系统。 计算机及图形设备价格昂贵，技术复杂。 计算机图形学的发展，如Coons曲面 。 （3）广泛应用时期（ 20世纪70年代） 集成电路用于计算机，使计算机平台的性能大为提高。 出现了以小型计算机为平台的CAD系统。 图形设备相继推出并完善。 图形软件和CAD应用支撑软件不断得到充实与提高。,CAD技术发展历程,

7、山东大学计算机学院,19,（4）飞速发展时期（ 20世纪80年代） 出现了大规模与超大规模集成电路，使微机进入市场。 推出了以UNIX系统支撑的SUN工作站。 图形软件更加成熟 。 （5）日趋成熟的时期（ 20世纪90年代） 出现基于PC平台的价廉物美的CAD系统。 CAD系统的标准化：CGI、GKS、GKS-3D、PHIGS、OpenGL、IGES、STEP。 智能化CAD系统。 集成化 。 科学计算可视化、虚拟设计、虚拟制造。,CAD技术发展历程,山东大学计算机学院,20,以机械行业为例，说明CAD软件技术的发展历程。 20世纪60年代，CAD的主要技术特点是交互式二维绘图和三维线框模型。

8、 20世纪70年代，CAD的主要技术特征是自由曲线曲面生成算法和表面造型理论，代表软件CATIA。 20世纪80年代，CAD的主要技术特征是实体造型理论和几何建模方法， 代表软件I-DEAS。 20世纪90年代，CAD技术基础理论主要是以PTC的Pro/Engineer为代表的参数化造型理论和以SDRC的I-DEAS为代表的变量化造型理论，形成了基于特征的实体建模技术。,CAD软件技术的发展,山东大学计算机学院,21,CAD建模技术,1 线框造型 线框造型是CAD/CAM技术发展过程中早应用的三维模型，这种模型表示的是物体的棱边。线框模型由物体上的点、直线和曲线组成，这种模型系统的开发始于60

9、年代初期，当时，主要是为自动化设计绘图。 线框模型在算机内部是以边表和点表表达和存储的，实际物体是边表和点表相应的三维映象，计算机可以自动实现视图变换和空间尺寸协调。 线框模型具数据结要简单，对硬件要求不高易于掌握等特点。这种模型曾广泛应用一工厂或车间布局，管道敷设、运动机构的模拟干涉检查。,山东大学计算机学院,22,CAD建模技术,2曲面造型 曲面造型又叫表面造型。表面模型是通过在线框模型的基础上添加了面的信息，利用表面模型，就可以对物体作剖面、消隐、获得NC加工所需的表面信息等。 对一些复杂的物体表面，如汽车车身、飞机机身、模具型面告示呈流线型瞬息万变由曲面。与自由曲线的定义相似，所谓自由

10、曲面是指不能用基本立体要素（棱柱、棱锥、球、一般回转体、有界平面等）描述的呈自然形状的曲面，必须根据空间自由曲线和自由曲面的理论进行计算。,山东大学计算机学院,23,CAD建模技术,3 实体造型 早在60年代初，就提出了实体造型的概念，70年代初出现了简单的具有一定实用性的基于实体造型CAD/CAM系统，实体造型在理论研究方面也相应取得了进展，到70年代后期，实体造型技术在理论、算法和应用方面逐渐成熟。进入80年代后，国内外不断推出实用的实体造型，得到广泛的应用。 实体造型是以立方体、圆柱体、球体、锥体、环状体等多种基本体素为单元元素，通过集合运算（拼合或布尔运算），生成所需要的几何形体。这些

11、形体具有完整的几何信息，是真实而唯一的三维物体。所以，实体造型包括两部分内容：即体素定义和描述，以及体素之间的布尔运算（并、交、差）。布尔运算是构造复杂实体的有效工具。目前常用的实体造型方法主要有：边界表示法、构造实体几何法和扫描法。,山东大学计算机学院,24,CSG模型是用简单实体(称为体素)通过集合运算交、并、差构造复杂实体的方法。,几何实体构造法(CSG法),山东大学计算机学院,25,集合的交、并、差运算,山东大学计算机学院,26,简单实体的构造,山东大学计算机学院,27,CAD建模技术,4 特征造型 为实现CAD/CAM技术的集成化，满足逢动化生产要求的实体造型技术必须考虑诸如倒角、圆

12、弧、圆角、孔，以及加工用到各种过渡面形状信息和工程信息，特征造型正是为满足这一要求而提出来的。 特征是指产品描述的信息的集合，并可按一定的规则分类。纯几何的实体与曲面是十分抽象的，将特征的概念引入几何造型系统的目的是为了增加实体几何的工程意义。常用的特征信息主要包括： 1）形状特征 2）精度特征 3）技术特征 4）材料特征 5）装配特征,山东大学计算机学院,28,CAD建模技术,5参数化造型 参数化造型的主体思想是用几何约束、工程方程与关系来说明产品模型的形状特征，从而达到设计一簇在形状或功能上具有相似性的设计方案。目前能处理的几何约束类型基本上是组成产品形体的几何实体公称尺寸关系和尺寸之间的

13、工程关系，因此参数化造型技术又称尺寸驱动几何技术。 参数化实体造型中的关键是几何约束关系的提取和表达、几何约束的求解以及参数3化几何模型的构造。目前，二维参数化技术已发展得较为成熟，在参数化绘图方面已得到了广泛应用。而三维参灵敏化模型能处理的问题都比较简单，能处的面类型主要是轴线、平面和轴对称面，能处理的约束类型还很有限。,山东大学计算机学院,29,三维实体造型举例-轴承座建模,轴承座的零件图,对轴承座进行形体分析，分解为一些简单的形体,山东大学计算机学院,33,山东大学计算机学院,34,山东大学计算机学院,35,山东大学计算机学院,36,山东大学计算机学院,37,山东大学计算机学院,38,山

14、东大学计算机学院,39,山东大学计算机学院,40,山东大学计算机学院,41,山东大学计算机学院,42,山东大学计算机学院,43,山东大学计算机学院,44,山东大学计算机学院,45,山东大学计算机学院,46,山东大学计算机学院,47,山东大学计算机学院,48,山东大学计算机学院,49,山东大学计算机学院,50,山东大学计算机学院,51,山东大学计算机学院,52,CAD是计算机科学与工程设计学科相结合形成的新兴技术，是计算机在工程中最有影响的应用技术之一。 CAD技术曾被美国国家工程科学院评为当代十项最杰出的工程技术成就之一。 无论是军事工业还是民用工业，无论是建筑行业还是制造加工行业，无论是机械

15、、电子、轻纺行业还是文体、影视广告行业等都离不开CAD技术。CAD技术是企业界争夺市场份额和生存发展不可缺少的手段。,CAD技术的应用,山东大学计算机学院,53,在制造业中的应用：如波音777飞机是世界上第一架实现无纸设计与制造的飞机。 在工程领域中的应用：如建筑设计CAD、电子沙盘；机械设计CAD等。 仿真模拟和动画制作：在电影制作中的成功应用，如“未来世界”、“玩具总动员”、“侏罗记公园”等 在轻工行业的应用：如模具CAD和服装CAD等。 在医学中的应用： 计算机辅助手术规划和手术模拟。 在电子电路中的应用：超大规模集成电路的设计制造。,CAD技术的应用,山东大学计算机学院,54,（1）

16、沈阳变压器厂用CAD技术输出三峡工程项目三维彩色产品设计图和计算机分析的数据，从而赢得了三峡工程的招标项目。 （2）泸东造船厂应用CAD技术后，生产技术准备周期缩短1/3以上，造船的设计开发能力提高一倍。 （3）西北电力设计院用CAD系统建渭河电厂主厂房三维模型，对该厂原设计方案自动校验，共查出6处隐藏在图纸中的错误，当即进行了修改。 （4）寰球化工工程公司应用CAD技术，在盘绵乙烯装置工程中，进行碰撞检测后，使95%以上的错误得以纠正，在总长20多万米的管道设计中，施工结束后剩余钢管不到10米。,CAD技术在我国工程和产品设计的一些应用实例,山东大学计算机学院,55,CAD 软件,CAD 专用软件,CAD 支撑软件,优化方法库,图形支撑软件,数据库软件,有限元分析软件,CAD系统软件层次结构,山东大学计算机学院,56,Autodesk公司的 AutoCAD及MDT, Solidworks公司的 So