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              智能研發

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              2022-05-07 來源:?智造苑
              企業要想進行智能制造轉型,首先必須要從產品創新根源上做起,將串行研發流程轉變為根據用戶需求持續改進的閉環智能研發流程,感知用戶需求并靈活做出調整,同時融入智能制造相關新興使能技術,形成從用戶到用戶的產品研發循環。即在產品設計需求分析階段就開始進行市場與用戶相關數據分析,這其中包含用戶直接參與基于自身喜好的產品定制過程,以及產品在使用過程中反饋相關運行數據來指導改善原設計方案的過程,形成一個往復循環持續優化的智能研發過程。
               
               
              「 1. 智能研發的8個要素 」

               
              智能研發流程體現了設計歷史上從為用戶設計,到幫助用戶設計,到用戶為自己設計的轉變。所以,智能研發必須建立在從設計信息、生產信息、用戶使用及反饋信息的高度智能化集成基礎上,從智能化的需求產生到基礎設計數據獲得的過程,從智能化的用戶參與式設計到能夠直接轉變為生產信息并被執行。要想實現這些轉變,智能研發必須要有8個要素的支撐才能實現。
               
              1)建立統一的多學科協同研發平臺
               
              首先針對智能產品的開發一般都是跨越多個專業技術領域和具有多種關鍵技術特征的,涉及多學科跨專業領域高度交叉與融合。同時,用戶的多樣化需求也使產品結構和功能變得非常復雜,IT嵌入式軟件技術也逐漸成為產品的核心部分,需要機、電、軟等多個學科的協同配合。
               
              這就需要企業建立一個可以融合企業內部所有不同專業學科領域研發系統和工具的頂層架構,形成一個可以全面管理產品生命周期中所有專業研發要素的統一的多學科協同研發平臺。
               
              平臺除了可以管理各專業圖紙、工藝和材料信息以外,還可以管理產品的功能、性能、質量、指標這些特性類數據及其生成過程,并能集成程序設計與管理、仿真、優化、創新、質量等工具,使研發體系可以快速高效地應用這些工具,從而進行差異性、高性能、高品質的產品智能研發。在這個基礎上,再采用知識工程將企業研發過程中的知識積累下來,形成系列化產品開發的能力。
               
              2)建立數字化樣機,實現仿真驅動創新
               
              智能研發的核心是建立產品的數字樣機,用來支持總體設計、結構設計,與工藝設計過程協同,支持項目團隊進行并行產品開發。
               
              建立數字樣機的主要作用包括公差尺寸分析、干涉檢查等,同時還有重量特性分析、運動分析和人機功效分析。此外,數字樣機還能夠提供產品裝配分析的數據信息,這包括裝配單元信息、裝配層次信息等,以保證對產品的裝配順序、裝配路徑、裝配時的人機性、裝配工序和工時等進行仿真。利用數字樣機還可以進行工藝性評估,包括加工方法、加工精度、刀路軌跡等,實現對樣機的CAM仿真和基于三維數字樣機的工藝規劃。
              數字樣機在產品的銷售階段同樣發揮重要的作用,它能夠為產品宣傳提供逼真的動態演示效果、靜態產品數據。通過三維模型的輕量化技術,企業可以便捷、靈活地利用原始數字樣機模型為產品培訓提供分解圖、原理圖,還可以提供近似產品的快速變型與派生設計,以滿足市場報價和快速組織投標和生產的需要。
               
              另外,在基于數字化樣機的基礎上,企業還可以建立虛擬樣機進行系統集成和仿真驗證,可以通過仿真減少實物試驗,降低研發成本,縮短研發周期,實現仿真驅動設計。同時還可以將仿真技術與試驗管理結合起來,提高仿真結果的置信度。
               
              除此以外,為了保障產品的可靠性,還必須在產品設計的前期就充分考慮工藝規劃、制造、裝配、檢驗、銷售、使用、維修到產品的報廢等產品全生命周期過程中的各項工程要素。利用并行工程和DFX技術,在設計階段盡可能早地針對不同階段中產品的性能、質量、可制造性、可裝配性、可測試性、產品服務和價格等因素進行綜合評估,從而優化產品設計,保障產品質量。
               
              3)采用標準化、模塊化設計手段提高產品個性化定制能力
               
              以用戶為中心的智能研發必然會面臨用戶需求的多樣性,這就要求企業必須有靈活多變的產品變型設計能力,形成標準化、模塊化、系列化產品的開發能力。模塊作為產品設計的基礎單元,是產品知識的載體,產品模塊化以及知識重用,能夠適度降低設計風險,提高產品的可靠性和設計質量,并大幅降低設計成本、縮短設計周期,此外,還能縮短產品采購周期、物流周期以及生產制造周期,降低產品的采購成本、物流成本、制造成本和產品售后服務成本。因此,具備產品的標準化、模塊化設計能力尤為重要。
               
              模塊化設計是將一定范圍內具有不同功能或相同功能不同性能、不同規格的產品進行功能分析,劃分類別并設計出一系列功能模塊,通過模塊的選擇和組合可以構成不同的產品組合,滿足不同功能、不同規格變型產品需求。
               
              模塊化設計方式可以提高設計重用、降低成本,研發管理平臺與模塊化設計手段的結合,使得這種設計模式如虎添翼。實施模塊化和系列化,將產生大量的產品模塊和配置規則,數據量巨大,需要研發管理平臺進行管理,實現設計模塊的有序性和結構化,從而保證數據的準確性和知識的重用性。
               
              4)MBD/MBE設計信息與生產信息高度集成
               
              MBD(基于模型的定義)可以將制造信息和設計信息共同定義到產品的三維數字化模型中, MBD不僅描述設計幾何信息而且定義了三維產品制造信息和非幾何的管理信息(產品結構、尺寸與公差標注、BOM等),使設計與制造之間的信息交換可不完全依賴信息系統的集成而保持有效的連接。MBD打破了設計制造的壁壘,使設計、制造特征能夠方便地被計算機和工程人員解讀,有效地解決了設計制造一體化的問題。
               
              在將MBD模型作為統一的“工程語言”后,就可以進一步推進MBE(基于模型的企業)的應用。設計模型中包含的數據能在工藝、供應、制造直至維護服務環節有效傳遞,通過高度一致的數據模型,在PLM和ERP、MES之間形成一條雙向流動的數據流,使生產制造及后續過程實現高度的自動化,形成整個價值鏈的數字化“閉環”。
               
              5)融合增材制造與拓撲優化技術的創新設計
               
              區別于傳統的經驗式設計模式,經過拓撲優化的產品模型是在給定載荷、工況等約束條件下,滿足性能要求的最優拓撲模型。通過拓撲優化確定和去除那些不影響零件剛性部位的材料,并在滿足功能和性能要求的基礎上實現零件的輕量化,是一種新型的設計方法。然而,拓撲優化技術只有在不考慮制造工藝約束時才具有更好的效果。因此,盡管工程師們通過拓撲優化方法設計出了結構獨特、高性能的產品模型,但往往因為可制造性問題而舍棄掉產品在輕量化、高性能上的優勢。
               
              隨著增材制造技術的出現并逐步走向成熟應用,能夠很好地解決這一大難題。增材制造技術可以幫助企業擺脫傳統減材、等材制造工藝的限制,按照最理想的結構形式來設計產品,使得產品 “功能性優先”變為可能。因此,增材制造讓拓撲優化技術的價值得以完全的發揮,兩者的融合創新了設計制造過程,對傳統制造業而言是顛覆性的轉變。
               
              6)應用虛擬現實及增強現實技術的設計評審
               
              虛擬現實和增強現實技術是銜接虛擬產品和真實產品實物之間的橋梁,通過應用虛擬現實和增強現實技術,在產品的初創階段以及物理樣機測試之前,就能夠對產品的設計方案和產品的相關屬性信息進行直觀的展示和體驗,并且,在虛擬空間,也便于設計者之間的協同交流,使整個設計評審過程更便捷和有效,同時能夠更直觀的發現設計過程中存在的問題。
               
              7)建立基于云端的廣域協同研發
               
              在智能研發中,基于互聯網,企業的產品和服務將會由單向的技術創新、生產產品和服務體系投放市場、等待客戶體驗,逐步轉變為企業主動與用戶服務的終端接觸,進行良性互動,協同開發產品,技術創新的主體將會轉變為用戶。其創新、意識、需求貫穿生產鏈,影響著設計以及生產的決策。
              設計師將會成為在消費端、使用端、生產端之間的匯集各方資源的組織者,在設計生產鏈的巨大網絡下起到推動作用,不再獨立包攬所有的產品創新工作。智能研發將會是基于云端與供應商、合作伙伴、客戶進行協同研發,讓所有人都能夠參與到開放式的創新中來?;诨ヂ摼W的協同設計云平臺,可在線匯聚全球各具專業技能的工業設計師、研發工程師進入智力庫,快速組織開展大規模協同作業,能夠幫助制造企業客戶高效便捷完成工業產品研發設計。而一旦有亟待解決的需求,可在平臺上隨時提交和發布,平臺通過及時匹配,推送給有相關經驗的智力庫幫助需求方物色優質解決方,且全程協作進度管控。
               
              8)基于數字孿生的閉環產品研發,驅動產品創新
               
              產品研發已從過去關注產品生命周期初期的設計階段,演變為關注產品的全生命周期,通過設計階段仿真、測試、試驗以及產品的運行和服務階段相關數據的采集和利用,對于產品的優化創新起到了重要作用,使得原型設計的速度、質量得以提升。
               
              有賴于傳感、物聯網、大數據、AI、仿真、VR/AR/MR/XR等技術的大力發展,有效促進數字孿生技術進一步落地,進而為產品研發創新插上了健壯的翅膀。在產品的設計制造生命周期,可以通過在實物樣機上安裝傳感器,在樣機測試的過程中,將傳感器采集的數據傳遞到產品的數字孿生模型,通過對數字孿生模型進行仿真和優化,從而改進和提升最終定型產品的性能;還可以通過半實物仿真的方式,部分零部件采用數字孿生模型,部分零件采用物理模型來進行實時仿真和試驗,驗證和優化產品性能。在產品的運營和服務階段,建立數字孿生數據和仿真的基礎上,分析發現需要進一步優化和提升的地方,從而提升新產品研發效率和質量。
               
               
              「 2. 智能研發探索與實踐 」

               
              企業要縮短產品研發周期,需要深入應用仿真技術,建立虛擬數字化樣機,實現多學科仿真,通過仿真減少實物試驗;需要貫徹標準化、系列化、模塊化的思想,以支持大批量客戶定制或產品個性化定制;需要將仿真技術與試驗管理結合起來,以提高仿真結果的置信度。在智能制造時代,業界涌現出一批積極探索智能研發的軟件公司,并在制造企業落地與實踐。
               
              1)研發工具智能化
               
              目前,在產品研發工具方面,已經出現了一些智能化的軟件系統,成為智能研發的具體體現。例如Geometric的DFM PRO軟件可以自動判斷三維模型的工藝特征是否可制造、可裝配、可拆卸;CAD Doctor軟件可以自動分析三維模型中存在的問題;Altair的拓撲優化技術可在滿足產品功能的前提下,減輕結構的重量;系統仿真技術可以在概念設計階段,分析與優化產品性能;PLM已向前延伸到需求管理,向后拓展到工藝管理;西門子的Teamcenter Manufacturing系統將工藝結構化,可以更好地實現典型工藝的重用;開目軟件基于三維的裝配CAPP、機加工CAPP以及參數化CAPP亦具備一定智能程度。
               
               
              圖1 開目DFM對于零件的可制造性檢查(來源:武漢開目信息技術股份有限公司)
               
              2)個性化需求推動產品模塊化設計
               
              模塊化設計方式不僅能提高設計重用、降低成本,而且可以利用重用大幅壓縮產品的設計制造周期。海爾在沈陽的智能互聯工廠實現了高度的柔性(支持多達500多種型號冰箱的生產)和高度自動化(節拍可達10s/臺)。該工廠支撐了家電個性化定制的商業模式,并通過單件產品上的溢價實現了不錯的投資回報率。這主要得益于研發團隊成功地將冰箱產品進行了模塊化設計,將大約300多個零部件組合成為23個模塊(其中包含10個標準模塊和13個可變模塊),進而大幅度降低了零部件、半成品和成品數字化管理的復雜度,同時也簡化了制造工藝和供應鏈。
               
              3)數字孿生概念深入產品設計與運營
               
              產品研發從傳統的產品設計和分析認證,發展成為以虛擬原型(數字樣機)替代物理原型,從而實現設計和加工過程的全數字化,并通過采集傳感器數據,將三維模型的變化和物理模型的變化進行對比,以改善產品設計。PTC與臺灣自行車廠美利達合作打造數字孿生(digital twin)物聯網概念示范產品,通過感應器將自行車數據進行收集,并開展對騎行路線、騎行習慣等分析,給予危險警示,此外,根據掃描自行車序號,開展虛擬實境監控。西門子引用數字孿生來形容貫穿于產品生命周期各環節間一致的數據模型。美國通用公司GE借助這一概念,將發動機的耐高溫合金渦輪葉片上安裝傳感器,根據要求的頻率傳輸實時數據,由軟件平臺接收、數據化存儲,再建立數字模型。GE還采用數字孿生技術,實時管理并更新真實電站的數據,捕捉真實電站的運營情況,并發出警告。
               
              4)虛擬現實技術融入研發
               
              虛擬現實技術基于其構想性、沉浸感、實時交互性3個特點,使人與模型可以進行交互,產生與真實世界中相同的反饋信息,很大程度上提升了設計的效率和協同性。
               
              佳能推出的MRERL系統實現了3D電腦渲染模型在現實環境中與現實世界物體無縫融合的設計過程,并支持多用戶協同工作,同步進行完整的產品設計。其實現方式是,渲染現有部件和新設計概念的3D模型,并將兩者組合起來。例如,將現有的汽車座椅整合到新車虛擬設計的投影中,用戶可以在座椅上,看到汽車外面的真實環境以及汽車內部的數字虛擬模型,包括全新設計的儀表盤和方向盤。
               
              汽車整車企業和設計公司廣泛應用Cave技術,利用虛擬現實技術輔助產品研發。全球PLM領導廠商之一達索公司提出三維體驗(3D Experience)的理念,在虛擬現實(VR)和增強現實(AR)方面提供了解決方案。
               
              5)仿真驅動創新設計
               
              在概念設計階段就引入仿真技術優化設計,變革了傳統的設計過程。Altair根據產品的性能要求、運動過程中載荷的變化情況,利用拓撲優化技術計算出力的傳遞路徑,由此構造出產品骨架,在骨架的基礎上進行外觀的美化設計,后續的設計過程在虛擬環境中不斷進行優化。這種仿真前置的設計方法,不僅在保證產品性能和可靠性的情況下充分發揮想象力,實現創新設計,還能實現對產品的輕量化,使產品研發周期和成本大幅下降??罩锌蛙嘇380前沿翼的設計上采用Altair的設計理念,利用拓撲優化技術,將前沿翼重量減少500kg。
               
               
              圖2 A380前沿翼的拓撲優化設計
               
              6)拓撲優化與3D打印結合
               
              拓撲優化技術幫助設計人員獲得最優的結構形狀,在滿足給定載荷和工況要求的前提下,設計出輕量化產品。然而,經過拓撲優化后的產品結構形狀往往不對稱、不規則,其制造難度非常大,很難通過傳統的方法制造出來。以3D打印為典型的增材制造技術打破了這一約束,任何復雜的產品都能通過3D打印制造出來。拓撲優化技術與3D打印的完美結合,形成了共生技術架構,極大地釋放了設計的潛能,讓拓撲優化技術得以充分發揮其創新價值。
               
               
              圖3 共生技術架構
               
              7)協同設計模式興起
               
              基于互聯網與客戶、供應商、合作伙伴開展協同設計,實現云端的協作,也是智能研發的創新形式。例如波音公司,為充分利用全球開發資源、制造資源,已構建多國家、多組織的異地協同設計制造模式。國內企業也逐漸開始嘗試以并購或合作的方式與國外研發機構構建創新產品協同開發團隊,快速提升公司產品創新實力。    
               
              總體來說,實現智能研發是一個復雜而漫長的過程。企業除了要建立完善的研發體系以外,還應通過信息化技術實現產品全生命周期中數據流的自動化,以用戶為中心,通過智能研發構造出智能互聯的產品,并形成系列化的產品生態圈,將用戶的需求、使用等信息與產品研發緊密地聯系起來,形成一個閉環持續優化的產品研發及服務體系。
               
               引自:《智能制造實踐》(作者:黃培,許之穎,張荷芳)
               
               

                

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