(一)制造业信息化的内容
1.产品设计数字化
实现产品设计和过程设计信息化。
2.管理数字化
对企业内外部资源与过程进行全面管理与控制。
3.生产过程控制智能化
包括生产自动化、信息网络化、过程模拟化、装置数字化、控制智能化。
4.制造装备数字化
包括加工过程的自适应控制、工艺参数自动生成、前馈控制、智能化自动编程、智能诊断、智能监控、开放式数控系统、网络化数控装备以及STEP-NC等。
5.企业数字化
企业数字化技术实现了在全球化环境下,企业内外部资源的集成和最佳利用,促进了制造业企业的业务过程、组织结构与产品结构的调整,提高了企业、区域和行业的竞争能力。企业数字化技术的发展大致上经历了信息集成、过程集成和企业间集成等阶段,目前正在进入知识型企业和网络化制造阶段。
(二)制造业信息化中的关键技术
企业信息化建设中的关键技术主要包括:
1.企业信息化建设的基础设施技术:计算机网络技术、数据库技术和网络安全技术。
2.CAD/CAM/CAE集成技术,实现企业的数字化设计。
3.基于网络的CAD/CAPP/CAM/PDM集成技术,实现真正的数字化设计和数字化制造集成。
4.CAD/CAPP/CAM/PDM技术和MIS/ERP的结合,实现企业设计、管理、经营的数字化实现,实现企业内部的信息化建设——数字化企业。
5.SCM、CRM及EC平台的搭建,并实现同MIS/ERP的集成,形成企业间的信息化整体构——企业动态联盟。
制造业企业的先进技术的引用主要有两条主线:其中一条是技术主线,另一条是信息主线。技术主线主要是关注于企业设计的深度,如二维CAD技术、三维CAD技术、CAE技术、CAM技术、数控技术等均是其考虑的空间;而信息主线,主要是实现企业内、外部信息在企业中的准确、快捷的流动,为决策提供依据,其关键就是实现设计信息、生产信息、管理信息的有效整合。
(三)企业信息化中的单元技术
1.企业信息化建设的支撑硬件环境技术
企业在信息化基础设施——计算机网络建设时,一定要用发展的眼光来看待问题。确实考虑计算机网络的:
实用性和先进性的结合;
系统的开放性和可扩充性;
较高可靠性;
兼容性和经济性和结合;
系统的安全性;
整个系统的可管理性。
2.安全技术
企业在信息化建设的时候要切实注意信息的安全问题,企业将面临的信息安全问题主要表现在:
病毒;
内部威胁,无意破坏;
系统的漏洞和后门;
网上的蓄意破坏;
侵犯机密资料。
3.数字化设计技术(CAD/CAM/CAE技术)
(1)CAD技术
CAD(Computer Aided Design)计算机辅助设计,由于使用CAD的人多半是设计师,而应用软件的发展方向也都是着重在某专业的辅助设计上,所以自然被称之为“计算机辅助设计”。可是我们现在所说的CAD一般却是指“计算机辅助画图”(Computer Aided Drafting)。这是因为现在的CAD使用者层面已扩大,不局限于设计师使用。因此,自1985年以后,普遍就将CAD的名词统称为“计算机辅助画图”,而另用“计算机辅助设计绘图”(Computer Aided Design &;Drafting,CADD)名词来强调计算机辅助设计画图的功能。换句话说,由于时代科技和应用方式的演进,有些名词的意义也会因在各自领域的范畴下愈分愈细而产生变化。所以,CAD和CADD的名词也和相关CAD软件的类别划分有所关联。
①二维CAD技术
二维CAD技术是企业信息化建设中的基点,企业的二维技术和三维技术是相辅相成互为补充的,并不是谁取代谁的问题,发达国家二维CAD同三维CAD软件的运用比例往往保持在3∶1,最多是4∶1的状态。我国的二维CAD技术通过“九五”期间的推广工作,取得了显着的成绩,并且造就了一批如华工科技开目公司,北航海尔等一批具有国际先进、国内领先水平的完全自主版权的二维CAD软件企业,从技术上、功能上、技术服务升级上均足以同国外的二维CAD软件抗衡,并且不会轻易受制于其他的二维开发平台,可以结合国内企业设计要求的特定,进行深层的技术开发。
企业在选择二维CAD软件时应该考虑的关键技术主要有:
功能实现的方便性、易学性;
软件使用的高效性;
能提供健全的标准图库和开放的图库系统;
是否支持参数化设计;
软件的开放性和兼容性;
软件的同后续软件的集成性,即软件提供的接口。
②三维CAD技术
一般来讲,三维技术的应用主要分CAD、CAE、CAM三个方面。其中三维CAD技术主要是完成三维建模,也就是通常说的三维造型,包括零件设计、装配设计、出图等功能。
国际上三维CAD技术经过线框和曲面造型阶段、实体造型阶段、特征造型阶段、参数化造型阶段、变量参数化阶段等技术的发展过程,已经形成了较为成熟的商品化产品,并且国内的很多企业(尤其是军工企业)得到了相应的普及和应用。
目前国内的三维CAD软件处于以研发为主向应用逐渐过渡的阶段,但是相关的关键技术的研究已经具有相当的深度,大规模的普及和推广工作仅仅是一个时间的问题。
值得注意的是,三维CAD技术正逐渐成为企业设计运用的热点,也是企业深化运用所必要的,但企业在进行软件选型时要结合企业和三维软件的特点,并不是企业所有的设计问题三维软件都能很方便解决。
三维软件在实现过程中应考虑的关键技术有:
实体造型能力(含复杂曲面造型);
大型装配(大于1000个零部件)的处理能力;
二维工程图处理的能力;
与上下游的CAE/CAM软件的接口;
与其他CAD文件的交换。
(2)CAE技术
CAE(Computer Aided Engineering)计算机辅助工程,是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。其基本思想是将一个形状复杂的连续体的求解区域分解为有限的形式简单的子区域,即将一个连续体简化为由有限个单元组合的等效组合体;通过将连续体离散化,把求解连续体的场变量(应力、位移、压力和温度等)问题简化为求解有限的单元节点上的场变量值。此时求解的基本方程将是一个代数方程组,而不是原来描述真实连续体场变量的微分方程组,得到的是近似的数值解,求解的近似程度取决于所采用的单元类型、数量以及对单元的插值函数。
CAE从20世纪60年代初开始在工程上应用,到今天已经历了40多年的发展历史,其理论和算法都经历了从蓬勃发展到日趋成熟的过程,现已成为工程和产品结构分析中(如航空、航天、机械、土木结构等领域)必不可少的数值计算工具,同时也是分析连续力学各类问题的一种重要手段。随着计算机技术的普及和不断提高,CAE系统的功能和计算精度都有很大提高,各种基于产品数字建模的CAE系统应运而生,并已成为结构分析和结构优化的重要工具,同时也是计算机辅助4C系统(CAD/CAPP/CAM/ CAE)的重要环节。
CAE系统的核心思想是结构的离散化,就是将实际结构离散为有限数目的规则单元组合体,实际结构的物理性能可以用通过对离散体进行分析,得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析,这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。采用CAD技术来建立CAE的几何模型和物理模型,完成分析数据的输入,通常称此过程为CAE的前处理。同样,CAE的结果也需要用CAD技术生成形象的图形输出,如生成位移图、应力、温度、压力分布的等值线图,表示应用、温度、压力分布的彩色明暗图,以及随机械载荷和温度载荷变化生成位移、应力、温度、压力等分布的动态显示图,通常称此过程为CAE的后处理。针对不同的应用,也可用CAE仿真模拟零件、部件、装置(整机)乃至生产线、工厂的运动或运行状态,在CAE的应用过程中,前、后置处理是最重要的工作。
CAE技术是CAD技术的延伸,是企业优化设计的有利工具,CAE技术的应用主要在分析和优化两个方面。
分析可分为有限元分析和机构运动分析。有限元分析又可分为通用有限元分析和专用有限元分析。优化是根据分析的结果,对设计进行修改,以使结构和形状都达到最优化状态。其中的关键技术有:
同三维CAD软件的交换能力;
是否能有效地继承三维产品的实体特征或装配约束关系;
是否能提供强大的前、后置处理功能(有限元应提供诸如应力、变形、安全系数、热应力、固有频率、形状优化等功能。动态仿真分析应支持多种运动副和力关系如弹簧、阻尼、碰撞等);
是否能提供相应的动态仿真分析结果和数据报表;
支持软件运行的硬件环境要求是否过高。
4.数字化制造技术(CAPP/CAM技术)
(1)CAPP技术
CAPP(Computer aided process planning)计算机辅助工艺规程设计,利用计算机来进行零件加工工艺过程的制订,把毛坯加工成工程图纸上所要求的零件,这一过程称为计算机辅助工艺规划。它是通过向计算机输入被加工零件的几何信息(形状、尺寸等)和工艺信息(材料、热处理、批量等),由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件的过程。
计算机辅助工艺规划通常多被译为计算机辅助工艺过程设计。国际生产工程研究会(CIRP)提出了计算机辅助规划(CAP-computer aided planning)、计算机自动工艺过程设计(CAPP-computer automated process planning)等名称,CAPP一词强调了工艺过程自动设计。实际上国外常用的如制造规划(manufacturing planning)、材料处理(material processing)、工艺工程(process engineering)以及加工路线安排(machine routing)等在很大程度上都是指工艺过程设计。计算机辅助工艺规划属于工程分析与设计范畴,是重要的生产准备工作之一。
由于计算机集成制造系统(CIMS-computer integrated manufacturing system)的出现,计算机辅助工艺规划上与计算机辅助设计(CAD-computer aided design)相接,下与计算机辅助制造(CAM-computer aided manufacturing)相连,是连接设计与制造之间的桥梁,设计信息只能通过工艺设计才能生成制造信息,设计只能通过工艺设计才能与制造实现功能和信息的集成。
计算机辅助工艺规划的内容主要有:
①产品零件信息输入;②毛坯选择及毛坯图生成;③定位夹紧方案选择;④加工方法选择;⑤加工顺序安排;⑥加工设备和工艺装备确定;⑦工艺参数计算;⑧工艺信息(文件)输出。
进行计算机辅助工艺计划的方法有:①检索式;②派生式(variant),亦称变异式、修订式、样件式等;③生成式(generative),亦称创成式;④综合式等。
1976年美国的国际计算机辅助制造公司CAM-I(Computer-Alded Manufacturing-International,Inc)所推出的CAPP系统最着名、应用最广泛,在发展历史上具有里程碑意义。此后,世界上有众多CAPP系统问世,上海同济大学在1982年开发出我国第一个CAPP系统,即TOJICAP系统。计算机辅助工艺规划可以大大减轻工艺工程师的繁重劳动、提高工艺设计质量、缩短生产准备周期、提高生产率、减少制造成本等,无论是对单件、小批、多品种生产还是对大批量生产都有重要意义。
当前,计算机辅助工艺规划正在向集成化、智能化、柔性化方向发展,对柔性CAPP(非线性CAPP、可选CAPP)、动态CAPP(闭环CAPP、实时CAPP)、分布式CAPP、可重构CAPP、集成环境下CAPP、并行工程环境下 CAPP以及智能CAPP等系统进行了研究和开发。