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1、先进制造技术,机电及自动化学院,第六章 先进制造新概念,智能制造 敏捷制造 并行工程 虚拟制造 快速原型技术 绿色制造 先进制造技术发展趋势,一、智能制造,智能制造的定义 智能制造是研究制造活动中的信息感知与分析、知识表达与学习、智能决策与执行的一门综合交叉技术，是实现知识属性和功能的必然手段。 智能制造是人类的智慧向制造装备转移的过程。,？,智能制造的技术体系,一、智能制造,新型光机电传感系统、嵌入式控制系统等； 数字制造技术：CNC/CAD、CAM、CAE、CIMS； 传感与控制技术； 人工智能技术：知识表示、机器学习、自动推理、智能计算； 互联网、物联网及射频识别技术（RFID，电子标签
2、） 数学：数理逻辑、数学机械化、随机过程与统计分析、运筹与决策分析、计算几何、非线性系统动力学等。,智能制造的支持技术,一、智能制造,无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。,一、智能制造,知识经济时代的必然选择 与设备、资本投入作为经济增长模式不同，知识含量起着越来越重要的因素。 市场的必然选择 可以提高能源和原材料的利用率，降低污染排放水平，提高产品质量。 是先进生产力的重要体现 科学技术是第一生产力，而智能制造技术是先进科学技术在制造领域的集中体现。,智能制造是制造技术发展的必然趋势,一、智能制造,智能制造
3、与制造智能,制造智能的涵义 制造智能指制造过程中的知识、知识的发现和推理能力、智能系统结构与结构演化能力。是智能制造的基础和共性技术，包括以下关键技术： 感知与测控网络技术； 机器学习与制造知识发现技术； 面向制造的综合推理技术； 图形化建模与仿真技术； 智能全息人机交互技术。,一、智能制造,1）感知与测控网络技术 感 知：各种智能传感器，智能仪表 测控网络：通过计算机实时网络技术实现感知到的信息的收集、传输、管理、使用的技术。 研究目标：研究微型多功能集成智能传感器与传输技术，RFID和物联网智能终端技术；开发基于工业总线的即插即用技术和实时网络操作系统，开发基于M2M和制造物联网的产品设计
4、 、生产、管理和服务技术。,制造智能的关键技术,一、智能制造,机器学习：把人类的知识教给计算机 知识发现：计算机通过机器学习、知识发掘从数据和信息中自动提炼知识并升华为制造策略。 研究目标：解决异构数据库/知识库间的冲突和一致性维护问题，实现异构数据库/知识库间的透明访问，针对特定的制造活动，开发工艺知识库系统，研究高效、分布、异构数据挖掘技术与知识发现技术。,2）机器学习与制造知识发现技术,制造智能的关键技术,一、智能制造,3）面向制造的综合推理技术 制造过程中的推理：制造过程中的推理是不确定、不 精确、不完整的推理问题。 研究目标：建立不确定、不精确、非完整信息的分布/混合推理技术；研究抽
5、象代数、计算几何、微分几何在数控加工、自动装配、逆向工程、机器视觉、形位测量与误差评定中的应用。,制造智能的关键技术,一、智能制造,4）图形化建模与仿真技术 图形化建模与仿真：图形操作代替符号、数字操作实现制造过程中的建模和仿真。 研究目标：建立制造资源不同属性以及资源间互相作用/约束的抽象的统一描述方法，建立面向制造资源库的图形化建模、规划、编程与仿真集成开发平台。,制造智能的关键技术,一、智能制造,5）智能全息人机交互技术 目前交互方法：键盘、鼠标、图形、视频、语音、触摸屏、数据手套等。 研究目标：研究实时鲁棒处理技术和基于机器视觉的刚/柔体空间状态感知和运动识别技术；研究视网膜扫描、脑机
6、接口、生机接口和生理信号识别技术；最终实现全浸入式的“人在场景中”智能人机交互系统。,制造智能的关键技术,一、智能制造,智能制造装备,智能制造装备的涵义 智能制造装备具有感知、决策、执行功能，其技术特征是：自行感知分析和处理运行环境；自行规划、控制、决策，故障自行诊断和修复，主动分析自身性能力劣化和维护，能够参与网络集成和网络协调。,未来市场需求及产品 （1） 智能机床 （2） 智能成形制造设备 （3）特种智能制造设备 （4）智能机器人 （5）智能工程机械,一、智能制造,智能制造装备的关键技术 1）装备运行状态和环境的感知与识别技术 对于金属切削机床指：加工精度、温度、切削力、热变形、应力应变
7、、图像信息等。 研究目标： 新型传感器技术：高灵敏、高可靠、高精度的检测环境信息； 感知系统的组网：高速、高精度数据传输、安全处理和容错能力，异构信息的无缝交换能力； 基于机器视觉的多元环境建模和图像理解能力。,一、智能制造,2）性能预测和智能维护技术 内 容：刀具磨损情况、机床故障状态、振动状态、精度退化状态等。 研究目标： 建立状态表征体系（振动、负载、热变形、温度、压力等）与装备性能表征指标间的映射关系； 研究损伤智能识别，自愈合和智能维护技术，完善损伤特征提取方法和实时处理技术，最终实现对故障自诊断和自修复； 实现重大技术装备的寿命测试和寿命预测，对可靠性和寿命精确评估。,一、智能制造
8、,3）智能工艺规划和智能编程技术 问 题：现有的工艺规划基本是依靠经验的派生式，现有的编程系统主要是面向零件几何的编程，没有综合考虑机床工装和零件材料特性，智能工艺规划和编程主要是由计算机模拟专家处理上述情况。 研究目标： 研究工艺系统和子系统间的复杂界面行为和耦合关系，建立工艺系统和作业环境的集成数学模型和标定方法； 建立面向典型行业的工艺数据库和工艺知识库，完善机床、机器人、工程机械模型库，实现多目标工艺优化； 完善专家经验与计算智能的融合，建立规划与编程的智能推理和决策方法。,一、智能制造,4）智能数控系统与智能数控驱动技术 内 容：数控功能的提高，如视觉伺服功能、力反馈与力/位反馈混合
9、控制功能、振动控制功能、负荷控制功能、质量调控功能、伺服参数和插补参数自调整功能、各种误差补偿功能等。 研究目标： 完善伺服控制技术，实现系统参数自动识别、控制参数自动配置、多轴参数的自动优化、振动主动控制； 完善基于视觉感知的伺服控制，实现防碰撞技术，实现自律运动、无人驾驶和灵巧操作； 运用虚拟现实和人工智能技术，实现语音控制和基于虚拟现实环境的操作，发展智能化人机交互技术。,一、智能制造,制 造 智 能 技 术,目标：智能感知、学习、 推理、决策、执行,智能终端技术、 机器学习/数据挖掘 /知识发现技术、 综合推理/决策支持技术 智能人机交互技术、 图形化建模与仿真技术,目标：即插即用,即
10、插即用技术、 嵌入式操作系统技术、 实时网络操作系统技术、 M2M(Machine-to-Machine/Man) 制造物联网技术,2010年 2020年 2030年,制造智能技术,一、智能制造,智能制造装备技术,智 能 制 造 装 备 技 术,目标：智能感知、智能决策、 智能执行,工况感知技术、 智能维护技术、 智能工艺规划技术 智能伺服驱动技术,目标：学习、推理、自律,智能编程技术、 智能数控技术,2010年 2020年 2030年,一、智能制造,智能制造系统技术,智 能 制 造 系 统 技 术,目标：智能决策、智能调度、 智能管控,智能制造执行技术、 企业智能管控技术、 智能仪表/执行器
11、技术 FCS与智能控制技术,目标：可重构、自组织、 协调优化,建模与自组织技术、 智能供应链管理、 全生产线的在线协调 优化控制技术,2010年 2020年 2030年,一、智能制造,智能制造服务技术,智 能 制 造 服 务 技 术,目标：智能感知与智能服务,服务状态感知技术、 产品智能服务技术、 生产智能服务技术,目标：制造物联网,制造物联网技术、 智能物流技术、 制造与服务智能集成与共享,2010年 2020年 2030年,一、智能制造,智能制造实例磨削力适应控制,智能制造实例凸轮自动定位,智能制造实例基于计算机视觉的数控加工,先进制造新概念,智能制造 敏捷制造 并行工程 虚拟制造 快速原
12、型技术 绿色制造 先进制造技术发展趋势,二、敏 捷 制 造,敏捷制造（Agile Manufacturing）这一概念是1991年美国国防部为解决国防制造能力问题而委托美国里海（Lehigh）大学亚柯卡（Iacocca）研究所，拟定的一个同时体现工业界和国防部共同利益的中长期制造技术规划框架。 它包括如下特征： （1）敏捷制造是信息时代最有竞争力的生产模式。 （2）敏捷制造具有灵活的动态组织机构。 （3）敏捷制造采用了先进制造技术。 （4）敏捷制造必须建立开放的基础结构。,敏捷制造的内涵,敏捷制造模式的创立人认为，随着生活水平的日趋提高，对产品的需求和评价标准从质量、价格、功能转变为最短交货期
13、、最大客户满意、资源保护和污染控制等方面，是一种继大量生产时代后的制造产品、分配产品和提供服务的新的制造模式。 它强调将许多柔性的、先进的、实用的制造技术，高素质的劳动者以及企业之间和企业内部灵活的管理三者有机地结合起来，对顾客需求的产品和服务驱动的市场，迅速做出快速响应。,二、敏 捷 制 造,敏捷制造企业的主要特征,1高度柔性 2先进的技术系统 3高素质人员 4用户的参与,二、敏 捷 制 造,敏捷制造基本思想： 通过将高素质的员工、动态灵活的组织结构、企业内及企业间的灵活管理以及柔性的先进生产技术进行全面集成，使企业能对连续变化、不可预测的市场需求作出快速反应，由此而获得长期的经济效应。 敏
14、捷制造的出发点是多样化、个性化的市场需求和瞬息万变的经营机遇，是一种“定单式”的制造方式。敏捷性反映的是制造业驾御变化、把握机遇和发动创新的能力。 敏捷制造是推行面向产品过程的小组工作式，企业间由机遇驱动而形成动态联盟。虚拟制造是敏捷制造的一种实现手段.,二、敏 捷 制 造,100多年前，福特汽车公司为了确保汽车各零件之间的互换性和严格的交货周期，建立了纵向一体化的大而全的企业，利用严格管理，实现大批量、低成本、高效率的生产目标。 随着社会的进步，福特等公司也随之变成了只掌握设计及总装的企业，汽车的大多数配件都是协作厂生产的。经验证明，大而全的企业王国，纵向一层一层的结构，容易产生官僚主义，对
15、市场的响应也慢。企业集成的发展道路就是充分针对某种产品开发的企业动态联盟，并以最快最省的方式开发产品，推向市场。 美国把敏捷制造看成21世纪的制造战略，是重振美国制造业雄风的关键。 我国一直提倡的“专业化协作生产”就是朴素的敏捷制造的思想，但技术手段则是十分原始的。,二、敏 捷 制 造,先进制造新概念,智能制造 敏捷制造 并行工程 虚拟制造 快速原型技术 绿色制造 先进制造技术发展趋势,三、并行工程,1988年，美国防御分析研究所以武器生产为背景，对传统的生产模式进行了分析，首次提出了并行工程的概念。1992年引入我国。,串行的产品设计方法 存在的问题 各下游开发部门所具有的知识难以加入到早期设计。 各部门目标和评价标准的差异和矛盾降低了整体效率 部门之间难沟通；设计改动量大； 产品开发周期长；产品成本高。 概而言之：以部门为基础的组织机构严重地妨碍了产品开发的速度和质量,三、并行工程,并行工程(CE) 概述 市场竞争日趋激烈,而唯有提高产品质量、缩短产品开发周期、降低成本才能使企业在竞争中取胜。因此，并行工程(CE)应运而生。并行工程自提出以来，引起各国的政府部门、学术界和工业界的高度重视，并迅速由研究走向应用开发。我国对此也非常
