现代制造系统(v4.1)5B 可重构制造系统
可重构制造
图1：磁流变夹具
图2：实心球夹具
图3：镙针矩阵夹具
可重构制造装备在实际中的应用
2可重构模具
在可重构模具装备领域，研究时间最长和成果最为丰硕的研究团队有 三个，他们分别是： 美国麻省理工大学的David Hardt 教授与团队；中国吉林大学李明哲教 授与团队以及英国诺丁汉大学Nabil Gindy 教授与团队。其中，麻省理 工大学和吉林大学致力于可重构板金模的研究，诺丁汉大学致力于可 重构真空成型模的研究。
可重构制造装备的必要性与优势
自18 世纪中叶工业革命以来，实作为现夹具、模 具等制造装备的单套多用一直是研究人员和企业共同 孜孜以求的目标。随着资源的日益枯竭，实施绿色制 造日益重要。可重构制造装备企业实施绿色制造的关 键技术和方法之一，越来越得到科研人员和企业的重 视。夹具和模具在用来在加工过程中夹紧和成型工件 ，对于工件的加工质量至关重要；目前工厂对于复杂 的零件的加工，基本上使用“１对１”专用夹具或模 具，这对于传统的大批量生产还不是大问题；而现代 的制造业正在向小批量、个性化和多品种发展，“１ 对１”专用夹具和模具已极其低效，也导致工具的费 用极其昂贵；由于由于可重构制造装备的柔性，可以 大量减少工具的费用，因而深受欢迎，尤其受具有高 附加值行业的欢迎．
可重构制造
主讲:吴斌 队员：余远文、朱耀祥、谢志斌 虞春杰、姚震
什么是可重构制造？
可重构制造系统是指能够通过对制造系统 结构及其组成单元进行快速重组或更新，及时 调整制造系统的功能和生产能力，以迅速响应 市场变化及其他需求的一种制造系统。其核心 技术是系统的可重构性，即利用对制造设备及 其模块或组件的重排、更替、剪裁、嵌套和革 新等手段对系统进行重新组态、更新过程、变 换功能或改变系统的输出(产品与产量)。
7现代制造系统解析
工业工程导论
引导案例 大型飞机的设计制造是一个复杂的制造系统工程，波音787飞机的研制过程中大量地 采用了并行工程、虚拟制造、计算机集成制造、精益生产等现代制造模式和技术。波 音公司用了10亿美元和10年时间，构建了基于构型控制的数字化制造信息管理系统， 来支持整个波音公司分布在全球72个不同场所的45000名员工在40000多台各种工作站 上同时进行并行的工作，并通过网络支持全球供应商的有关产品数据管理；在研制787 客机的过程中，采用了全新的基于模型定义的计算机集成制造技术，采用数字化的三 维模型彻底代替二维图纸，将三维制造信息和三维设计信息共同定义到产品的三维数 字化模型中来实现CAD和CAM的高度集成；在整个飞机的装配工作过程中，进行全机 装配过程的数字化模拟仿真，通过建立“波音虚拟实验室”，设计人员可以在实验室带上 三维眼镜，来操作和控制实际飞机的装配过程，评估在装配中是否有影响可达性的情 况，以及将来飞机进入航线后的可维护性问题；采用电子看板管理的模式，应用精益 生产的原则，使零部件、工艺装备、材料和人员在精确的时间到达生产线所需要的精 确地点。 先进制造模式和技术对于改善企业的生产、经营和管理，进而提升企业的管理效率 和综合竞争能力具有重要的作用。本章在介绍制造系统的概念与发展的基础上，阐述 了现代制造系统的理论和特点，并着重介绍了几种典型现代制造模式的产生背景、原 理及应用，包括精益生产、并行工程、大规模定制、敏捷制造、计算机集成制造以及 1 虚拟制造。
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7.1.1制造系统的基本概念
工业工程导论
7.1.1.2 制造系统的基本类型
离散型制造系统
产品有许多零部件构成，各零件的加工过程相互彼此独立，制成零 件通过部件装配和总装配最后成为产品。例如，机械制造、家具制造 、电子设备制造等。
现代制造系统分析-第一章 制造系统工程基础-罗振壁
第一章 制造系统工程基础
第一节 制造 第二节 制造系统及其发展 第三节 制造系统的柔性自动化及自动化制造系统的技术分析 第四节 计算机集成制造CIM系统 第五节 集成制造系统分析和功能模型IDEFO
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第一节 制 造
一、制造及其发展 二、我国制造业面对的挑战 三、应对未来挑战的战略与关键技术
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一、制造及其发展
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(二)制造企业面对的形势
1.传统制造面对的困境 2.新兴工业化国家必须走可持续发展的道路 3.传统制造业的投资效益下滑 4.产品的寿命周期迅速缩短
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1.传统制造面对的困境
(1)现有产品饱和，现存的制造生产能力大量闲置。 (2)产业与研究开发R＆D的转移迫使发达国家的低中技术产品、基础产业与 部分研究开发向发展中国家与地区转移。 (3)制造企业的职业吸引力迅速下滑，一流的工程技术、管理人才和技术工 人后继乏人。 (4)由于过去工业化过程中资源的滥用，已经引发了人类的生存危机。
(1)国家工业化的程度决定了社会发展的特征、国力、防务能力与人民物质 文化生活的水平。 (2)制造是国家经济发动机运转的强大支柱。 (3)制造是增强国家综合实力、防务能力和提高人民物质文化生活水平的保 证。 (4)在实现国家工业化和现代化的过程中，制造业具有独特而不可替代的作 用，必须重视与振兴它。 (5)制造业市场是世界最大的产品与服务市场，也是世界各国许多实业公司 和跨国公司的最大竞争角斗场。 (6)制造业的改造、革新与创造都不应该也不可能“靠买进来”或“照搬照 抄”。
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3.制造是国家经济发动机的强大支柱
建立一个强大、先进、有竞争力的现代制造业是我国不容轻视的长期 战略任务。
历史经验和现实告诫我们，中国的防务能力、经济发展、国家防务与 经济的安全、人民的幸福只能依赖不断发展的经济和国家防务能力， 中国必须为此而发展中国制造，把中国建成世界制造大国与强国。
现代制造系统实验报告
现代制造系统规划设计实验报告现代制造系统规划设计实验报告一，实验目的（1）加强理论联系实际的能力，提高对现代制造系统及其分析方法的认识程度；（2）促进对课堂教学环节中所获知识的理解和巩固；（3）培养和发挥创造能力和想象能力；（4）加强处理和解决问题的能力。
二，实验软件FLEXSIM5.0三，实验要求（1）根据课堂讲授的制造系统功能视图描述方法，绘制给定的柔性制造系统工作原理图；（2）利用仿真软件系统，建立系统仿真模型，并逐一设定各个组成设备的工作性能参数；（3）实验设计：综合理解课堂内容，提出实验方案，包括初始状态的变化、时间阶段的差异等实验条件变更，至少做出9种以上的实验记录；（4）分别分析系统各个关键组成设备的运行情况，记录运行曲线，统计计算相关系统参数；四，实验内容1、制造系统平面布置图如上面平面图所示，该系统由发生器，暂存区，处理器，合成器，分配器，操作员，传送带，运输机，货架组成，由于平面图形的缘故，传送带在上面显示的是线，由如下三维图形可以清楚看清该系统的结构2、选用的设备类型及数量发生器*1 暂存区*2 处理器*3 传送带*3 吸收器*1 分配器*1 操作员*2 运输机*13、实验模型的建立三种产品离开一个生产线进行检验的过程。
有三种不同类型的临时实体将按照正态分布间隔到达。
临时实体的类型在类型1、2、3三个类型之间均匀分布。
当临时实体到达时，它们将进入暂存区并等待检验。
有三个检验台用来检验。
一个用于检验类型1，另一个检验类型2，第三个检验类型3。
检验后的临时实体放到输送机上。
在输送机终端经运输机送到吸收器中，从而退出模型。
其中有两个检验员参与到产品的检测中，检验员的任务是从暂存区取出临时实体，安装到相应的监测系统中，安装时间为十秒。
模型描述：（1）临时实体到达检测车间的时间服从均值为20方差为4的正态分布（2）达到检测车间的临时实体类别为1，2，3，分别用不同的机器加工（3）暂存区最大容量为50件临时实体（4）机器加工时间服从（0，30）指数分布（5）传送带传输速度为2 m ／s（6）运输机最大容量为10件临时实体4、实现方法及参数设置（1）发生器参数设置如下：如上图所示，在发生器处双击鼠标左键出现发生器对话框，在到达时间间隔一栏选择统计分布，正态分布，然后再修改平均值为20，标准差为2，这样发生器将按照这样的分布生产临时实体，物品类型选择3，表示生产三种临时实体。
APS审核课程准备——现代制造系统
现代制造系统Modern Manufacture Systems这门课主要讲述了现在制造业的技术，以及追求绿色生产的发展方向。
This course mainly talks about the modern technology of manufacturing industry and the development direction of pursuing green production.1制造系统概念：制造系统是工艺、机器系统、人、组织结构、信息、控制系统和计算机的集成组合，其目的在于取得产品制造的经济性和产品性能的国际竞争性。
发展历史：由传统的机床、自动化生产线进行大批量加工到数控设备进行多品种、中小批量、单单件产品的生产，再到由计算机将生产形成联系，通过计算机系统对生产进行管理和控制，最后展望未来，实现智能制造，由智能机器与人类专家共同组成的人机一体化系统。
1 manufacturing systemConcept:Manufacturing system is a combination of technology, machine system, human, organization, information, control system and computer. Its purpose is to achieve the economy of product manufacturing and the international competitiveness of product performance. Development history:From traditional machine tools and automatic production lines to CNC equipment for multi variety, medium and small batch, single product production, and then to the computer to form a link between production, through the computer system for production management and control, finally looking forward to the future, the realization of intelligent manufacturing, man-machine integration system composed of intelligent machines and human experts.3 先进制造工艺技术发展方向：优质、高效、低耗、洁净、灵活学习了：超高速加工技术、微细加工、超高速加工技术含义：利用超硬材料刀具，磨具，利用能可靠实现高速运动的高精度、高自动化、高柔性的制造设备，以提高切削速度来达到提高材料切除率、加工精度及加工质量的技术。
7现代制造系统
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7.1.1制造系统的基本概念
工业工程导论
7.1.1.3 制造系统的发展历史
制造系统的发展经历为五个阶段
第一阶段 刚性制造系统 第二阶段 数控加工系统
第三阶段 柔性加工系统
第四阶段 计算机集成制造系统（CIMS） 第五阶段 智能制造系统（CIMS）
第五阶段
时期 主要内容
将人工智能融合到制造系统的每 一个环节而形成的人机一体化制造。 21世纪制造的发展方向 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。 智能制造系统
（IMS）
可实现固定产 品的高生产率生产
人工智能（AI）、并 行工程（CE）、虚拟制 造（VM）、特征分析、加工过程的智 能监视、诊断和控制、信息网络技术、 敏捷技术、生产过程的智能调度等。
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7.1.2制造系统面临的挑战及其发展趋势
工业工程导论
7.1.2.2现代制造系统的发展趋势
近年来，制造自动化技术的研究发展迅速，发
展趋势可用“六化”简要描述。
制造全球化
制造虚拟化
制造敏捷化
发展趋势
制造智能化
制造网络化
制造绿色化
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7.1.1制造系统的基本概念
工业工程导论
第二阶段
时期
数控加工包括数控（NC）和 计算机数控（CNC）。NC技术在 20世纪50～70年代发展成熟，70 年代后，由于计算机 技术的飞速发展。
数控加工设备
数控车床、数控铣床、加工中心 等，辅助设备包括自动上下料装臵、 机械手等。
加快资金周转，必须通过企业的财务成本控制系统来控制每一
现代制造系统(v4.1)3B 看板系统
用不用看板系统？
z 尽管在丰田等多家企业获得成功应用， {但不是所有企业都适用看板系统。 {应用看板系统，需要 z（1）考虑行业特点； z（2）对比其它方法； z（3）相应的管理水平。
z 用不用看板？ z （1）考虑行业特点； {看板系统的特点：短期控制自动实现， {但相对地只能进行简单的控制， {例如先到先服务（first come first serve，FCFS）。 {问题：适合哪种车间？ z适合流水车间， z不适合作业车间。 z 回顾： {两种车间的特点。
z 约束理论（Theory of Constraint，TOC）认为瓶颈 工序没能力响应非瓶颈工序的拉动，一味配合非 瓶颈的拉动反而会影响瓶颈工序的生产速度。 z 约束理论的措施：瓶颈工序拉动非瓶颈工序。
1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 车 铣 刨 磨 钳
z 考虑行业特点； {看板系统的实现手段： z通过库存调节生产。 {问题：适合哪种企业？ z适合按库存生产、按订单装配模式， z不适合按订单生产、按订单设计、按订单研 制模式。 z 回顾：上述生产模式的代表性行业。
z 用不用看板？ z （2）对比其它方法； {尽管看板系统在丰田汽车公司取得成功， {拉动式生产系统一定比推动式生产系统好吗？ z 推动式和拉动式生产的代表性方法有 {推动式：MRP、MRPII； {拉动式：看板系统； {推拉混合式：TOC、COMWIP。
z 看板的形式： z （1）卡片式看板（板式看板），案例：
z 卡片式看 板（板式 看板）， 案例：
z （2）场地式看板（箱式看板），案例：
z 场地式看板（箱式看板），案例：
z 场地场地式看板系统中使用货架上的空闲货位数 量代表悬挂的看板数量，即 {最大看板数量 = 装满产品的货位数量 + 空闲的 格子货位（悬挂的看板数量）=货架的总货位 数量。 z 例题：若某场地式看板系统使用一个最大10个货 位的货架作为指示物，某时刻货架上的7个位置放 有成品货箱，此时相当于悬挂了几个看板？ z 答案：10-7=3个。
现代制造系统自学指导书
现代制造系统自学指导书选用教材：周凯等主编．现代制造系统．北京：清华大学出版社，2005 主要参考书：罗阳主编，现代制造系统概论．北京邮电大学出版社，2004（自学指导）制造系统是现代工业工程学进行企业系统设计和运作优化的重要内容。
熟悉和掌握现代制造系统是工业工程师必不可少的重要知识。
本课程系统地介绍了制造系统工程基础，成组技术基础，机床数字控制与编程基础，柔性制造及系统的基本原理，工业机器人及其应用，装配及自动化装配，质量工程、质量改进与自动检测／监控基础，新一代制造系统快速可重构制造系统等内容。
《现代制造系统》课程教学大纲课程概述：《现代制造系统》是工业工程专业的一门专业选修课。
本课程主要介绍现代制造系统的基本知识、应用技术和研究方法，主要内容有：制造系统的基本原理、成组技术、先进制造工艺技术（超高速加工技术、超精密加工技术、微细加工技术和快速原型制造技术）、制造自动化系统（数控加工系统和柔性制造系统）、工业机器人及装配自动化、先进制造模式（并行工程、准时制生产、精益生产、敏捷制造、虚拟制造和智能制造）和绿色制造等。
教学目的：《现代制造系统》是一门工程性很强的课程。
开设这门课程的目的是使工业工程专业的学生全面了解现代制造系统的基本知识、应用技术和研究方法，把所学知识应用到本行业、本部门生产设计中去。
通过本课程的学习，使学生掌握制造系统的基本原理，了解成组技术、先进制造工艺技术（超高速加工技术、超精密加工技术、微细加工技术和快速原型制造技术），熟悉制造自动化系统（数控加工系统和柔性制造系统）、工业机器人及装配自动化，了解先进制造模式（并行工程、准时制生产、精益生产、敏捷制造、虚拟制造和智能制造）和绿色制造等内容。
教学方法：《现代制造系统》是工业工程专业的一门专业选修课。
为了提高教学质量，理论教学采用多媒体课件进行，用多媒体手段把相关的优秀教材中的文字内容，相关的声像和图片资料收录在内，使学生在课堂上能看到内容丰富、图表俱全的专业知识。
智能制造中的可重构加工系统设计与控制
智能制造中的可重构加工系统设计与控制智能制造是指基于人工智能、大数据、物联网等技术手段的制造方式，是当前制造业的发展趋势。
在智能制造过程中，可重构加工系统设计与控制是关键环节。
一、可重构加工系统的概念与分类可重构加工系统是指一种能够根据不同产品要求和加工任务自适应地改变生产过程和生产设备的系统。
根据不同的分类标准，可重构加工系统可分为以下几类：1.机器人系统：主要用于柔性焊接、打孔、铆接和涂覆等工作。
2.自适应装备：能够自主调整工作条件来适应不同的制造任务。
3.柔性加工系统：由可重构控制系统和多功能结构组成，能够自动转化和适应不同的加工任务。
二、可重构加工系统的设计原则1.开放性原则：系统应当具有开放的架构和接口，以便改变和扩展。
2.分散性原则：系统应当采用分布式的设计，从而增强系统的容错性和稳健性。
3.灵活性原则：系统应当具有优秀的适应性和调整能力，能够适应不同的生产流程和需求。
三、可重构加工系统的控制方法1.基于计算机数值控制的技术：使用数字化技术对生产设备进行控制，适用于高效率和高精度的加工任务。
2.基于人工智能的技术：利用神经网络和模糊逻辑技术对生产过程进行预测和控制，适用于复杂的加工任务。
3.基于模型预测控制的技术：利用系统建模和状态估计技术对设备进行控制，适用于具有时变特性的加工任务。
四、可重构加工系统的应用前景可重构加工系统是未来智能制造的重要组成部分。
在制造业的各领域，可重构加工系统将广泛应用于以下几个方面：1.大型工业设备的制造和维护。
2.汽车、航空航天等制造业的生产流程优化。
3.生产线上生产设备和物料的自动化控制。
4.智能家居和智能办公领域的产品开发和生产。
总之，可重构加工系统设计与控制是智能制造中非常重要的环节。
随着人工智能、大数据、物联网等技术的不断发展，可重构加工系统将逐渐成为制造业的主流技术。
先进制造技术 现代制造系统
5.1.1 虚拟现实的概念
这里的“虚拟”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，即虚拟现实。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 备，在计算机上生成可交互的三维环境，同时，向操作者提 供“沉浸”感觉。操作者感觉他自己的视点或身体的某一部 分
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5.1 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 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：①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 有运动学、动力学、热力学模型分析环境等；②基于仿真的 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；③基于仿真的制造过程碰 撞干涉检验及运动轨迹检验——虚拟加工、虚拟机器人等； ④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；⑤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 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。
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5.1 虚拟制造技术（VM）
5.1.4 虚拟制造的关键技术
虚拟制造的实现主要依赖于CAD/CAE/CAM和虚拟现实等 技术，可以看作是CAD/CAE/CAM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 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， 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 面则是侧重于制造应用的技术。