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編輯推薦: |
本书遵循教指委相关指导文件和高等院校学生学习规律编写而成。践行四新理念,融入思政元素,注重理论与实践相结合。
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內容簡介: |
本书以智能制造系统为对象,围绕“设备-单元-产线/车间-工厂”等制造系统的核心构成要素,具体阐述智能制造系统设计相关的基本概念、方法与技术,从智能制造系统集成化开发过程视角,由点及面深入阐述智能制造典型装备及实例、智能生产单元设计与开发、智能生产线与车间布局设计、智能工厂设计与仿真、智能制造运行管理与控制、制造系统智能运维等专业知识,同时提供以复合作业机器人为对象的项目制学习案例等数字资源。全书体系完整、重点突出、主线清晰,紧扣新工科专业的学科交叉特色,以项目制学习模式为牵引,建构起智能制造工程新工科专业核心课程知识体系,着重培养学生的工程实践能力与创新思维。 本书可作为普通高等院校智能制造工程、机器人工程等新工科专业本科生教材,也可作为机械工程、自动化、工业工程等相关专业本科生和硕士研究生的参考教材。
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目錄:
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第1章 智能制造系统概述 1 学习目标 1 本章知识点导读 1 案例导入 1 1.1 制造系统及其构成 2 1.1.1 制造系统的相关概念 3 1.1.2 制造系统的构成 4 1.2 智能制造系统及其典型特征 7 1.2.1 智能制造系统的定义 7 1.2.2 智能制造系统的层次结构 10 1.2.3 智能制造系统的典型特征 11 1.3 人工智能与制造系统的融合趋势 12 1.3.1 AI驱动制造装备智能化 13 1.3.2 AI驱动工厂运行控制实时化 13 1.3.3 AI提升制造系统智能化 15 1.4 本书整体结构 17 习题 19 项目制学习要求 19 第2章 智能制造系统集成化开发过程 21 学习目标 21 本章知识点导读 21 案例导入 21 2.1 智能制造系统集成化开发框架 22 2.1.1 面向制造的设计 24 2.1.2 制造工艺开发过程 28 2.2 智能制造系统开发方法 33 2.2.1 制造系统开发的影响因素 33 2.2.2 制造系统开发的策略选择 33 2.2.3 智能制造系统开发过程 36 2.3 制造系统的关键性能分析 39 2.3.1 可靠性的概念 39 2.3.2 可靠性分析 41 2.3.3 生产率分析 47 习题 49 项目制学习要求 50 第3章 智能制造典型装备及实例 53 学习目标 53 本章知识点导读 53 案例导入 53 3.1 智能制造典型装备概述 54 3.1.1 智能制造装备的主要特点 54 3.1.2 智能制造装备的主要分类 55 3.2 工业机器人 57 3.2.1 关节机器人 57 3.2.2 SCARA机器人 58 3.2.3 协作机器人 58 3.3 自动导引车(AGV) 59 3.3.1 AGV系统的基本组成 59 3.3.2 AGV系统的分类 62 3.3.3 AGV的导引原理与路径规划 64 3.4 汽车整车智能制造典型装备 69 3.4.1 冲压生产线典型装备 70 3.4.2 焊装生产线典型装备 73 3.5 国产大飞机智能制造典型装备 75 3.5.1 柔性装配工装 76 3.5.2 激光跟踪测量系统 78 3.5.3 大部件自动对接系统 80 习题 84 项目制学习要求 84 第4章 智能生产单元设计与开发 86 学习目标 86 本章知识点导读 86 案例导入 86 4.1 单元生产系统及其布局设计 87 4.1.1 单元生产的概念 88 4.1.2 单元生产系统的布局设计 88 4.2 智能生产单元的定义及功能设计 91 4.2.1 智能生产单元的定义 91 4.2.2 智能生产单元的功能设计 94 4.3 柔性制造单元的构成及功能设计 98 4.3.1 柔性制造单元的基本构成 98 4.3.2 管理与控制单元设计 100 4.4 人机协作智能生产单元设计 100 4.4.1 协作机器人与人机协同场景 101 4.4.2 人机协作智能装配单元 103 4.4.3 移动式协作机器人 104 4.5 智能生产单元设计与开发实例 105 4.5.1 螺纹丝杠智能生产单元设计实例 105 4.5.2 人机协作智能化单元生产线设计实例 110 4.5.3 智能生产单元监控系统设计实例 112 习题 117 项目制学习要求 117 第5章 智能生产线与车间布局设计 119 学习目标 119 本章知识点导读 119 案例导入 119 5.1 生产线的概念与分类 120 5.1.1 生产线概述 120 5.1.2 生产线分类 123 5.1.3 手工装配线 124 5.1.4 自动化生产线 127 5.1.5 自动柔性生产线 129 5.1.6 智能生产线 130 5.2 装配线分析与平衡设计 131 5.2.1 装配线与产品多样性需求 131 5.2.2 单一品种装配线分析 132 5.2.3 单一品种装配线平衡设计 140 5.2.4 多品种流水装配线平衡设计 150 5.3 智能车间设施布局设计 158 5.3.1 车间设施布局的基本形式 158 5.3.2 车间设施布局问题 161 5.3.3 智能车间布局设计方法 163 习题 165 项目制学习要求 165 第6章 智能工厂设计与仿真 167 学习目标 167 本章知识点导读 167 案例导入 167 6.1 智能工厂的定义及特征 169 6.1.1 智能工厂的概念演变 169 6.1.2 智能工厂的基础要素 171 6.1.3 智能工厂的基本特征 172 6.2 智能工厂设计 175 6.2.1 智能工厂设计面临的挑战 175 6.2.2 智能工厂整体架构 176 6.2.3 实体工厂工艺设计 178 6.2.4 虚拟工厂设计 181 6.3 智能工厂建模与仿真 184 6.3.1 智能工厂建模与仿真的步骤 184 6.3.2 智能工厂建模与仿真的主要内容 185 6.3.3 仿真实验设计的一般流程 188 6.3.4 常用的工厂建模与仿真软件 190 6.4 智能工厂建设实例 194 6.4.1 项目概况 194 6.4.2 工艺流程 194 6.4.3 设计方案 195 6.4.4 建设成效 202 习题 202 项目制学习要求 203 第7章 智能制造运行管理与控制 204 学习目标 204 本章知识点导读 204 案例导入 204 7.1 智能制造运行管控概述 207 7.1.1 工厂数字化管控模型 207 7.1.2 制造系统运行控制架构 211 7.2 生产计划与调度问题 213 7.2.1 生产计划体系框架 213 7.2.2 生产作业调度问题及其影响因素 217 7.2.3 生产作业调度规则 220 7.2.4 单设备调度问题及求解 222 7.2.5 多设备调度问题及求解 226 7.3 企业资源计划(ERP)系统 235 7.3.1 ERP系统的发展历程 235 7.3.2 ERP系统的主要功能 240 7.4 制造运行管理(MOM)系统 243 7.4.1 MOM的标准定义与功能 243 7.4.2 机械加工车间的MOM系统应用 245 7.4.3 车间运行控制系统 246 习题 249 项目制学习要求 250 第8章 制造系统智能运维 252 学习目标 252 本章知识点导读 252 案例导入 252 8.1 制造系统智能运维概述 254 8.1.1 制造系统运维的基本概念 254 8.1.2 维修保障与维修策略 258 8.1.3 智能运维 259 8.2 制造系统的多态性及运维特点 261 8.2.1 制造系统运行的多态性 261 8.2.2 制造系统运维的主要特点 265 8.3 制造系统智能运维参考模型与架构 267 8.3.1 制造系统设备运维参考模型 267 8.3.2 智能运维典型架构(OSA-CBM) 269 8.4 数控机床智能运维案例 270 8.4.1 基于传感器测量系统的数据采集 271 8.4.2 数控机床的数据汇聚系统 273 8.4.3 数控机床智能运维系统 274 8.5 基于数字孪生的制造系统智能运维 278 8.5.1 数字孪生的概念、内涵与特征 278 8.5.2 智能制造系统数字孪生建模与仿真 284 8.5.3 数字孪生驱动的制造系统智能运维实例 292 习题 296 项目制学习要求 297 参考文献 299
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內容試閱:
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党的二十大报告指出,“教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑。”“我们要坚持教育优先发展、科技自立自强、人才引领驱动,加快建设教育强国、科技强国、人才强国,坚持为党育人、为国育才,全面提高人才自主培养质量,着力造就拔尖创新人才,聚天下英才而用之。”具有卓越创新能力与领导力的工程科技人才是推动工程科技创新与产业变革、支撑创新驱动发展战略、实现人类文明进步的重要力量。 当前,世界各国都在抢争智能制造的战略制高点,大力推动人工智能与制造技术的深度融合,全新的智能制造技术体系正在成为制造业高质量发展的关键支撑。先进工业国家纷纷推出研究计划,全力创造保持竞争优势的新路径。我国已将智能制造作为国家制造强国战略的主攻方向,面向智能制造领域培养具有卓越创新领导能力的工程科技人才也是人才强国战略之急需。 2018年,智能制造工程被列入国家首批新工科专业建设序列,目前全国已有300多所高校设立了智能制造工程专业。在新的时代背景下,如何将新工科教育理念、跨学科知识体系融入专业课程与教材建设,成为智能制造工程专业多元化、创新型人才培养需要解决的关键问题,与此相适应的智能制造工程新工科专业的核心教材建设迫在眉睫。 世界知名高校在创新型人才培养方面已经进行了成功实践,通过更新工程教育理念,采取先进的教育模式,建立项目制学习的课程体系,实现科学、技术、工程与管理相融合,突出学生能力培养导向,提升学生创新能力与工程实践能力。例如:斯坦福大学为不同学院的学生提供了一个以项目制学习为主、融合企业资源的交叉学习平台,结合以动手为主的项目课程让学生掌握如何融合多学科知识去解决具有挑战的新问题;麻省理工学院提出新工科人才应具备学会学习的能力和11种思维能力,建立了贯穿本科四年、由多个项目为主构成的课程线,学生在大学二年级开始进入项目制学习为主的跨学科培养路径。 本书主编所在的北京理工大学智能制造工程专业教学团队,在充分借鉴、吸收国内外项目制学习模式基础上,在新工科研究与实践项目、北京市高等教育教学改革项目等支持下,牵头实施了北京理工大学首批项目制课程群建设。“智能制造系统设计与运行控制”是其中的核心课程,历经3轮次的教学实践,成功构建了以复合作业机器人为载体的项目制学习模式。本书就是在上述项目制课程教学创新基础上,立足于智能制造工程新工科专业的核心课程推行研究型教学与项目制学习的实际需求,遵循“学生为中心、能力为导向、项目为载体”的教学理念,紧扣智能制造工程新工科专业人才培养需求与学科交叉的培养特色,融合国内外项目制学习先进模式编写而成。 本书以智能制造系统为对象,按照“设备-单元-产线/车间-工厂”等制造系统核心构成要素的逻辑主线,具体阐述智能制造系统设计与运行控制的基本概念、方法与技术。每章以学习目标、本章知识点导读和案例导入三个部分作为全章内容的导引,案例导入之后设置了讨论题,既有对课程思政点的融入,也有助于启发学习者深入思考;每章配有课后习题,尤其是设置了项目制学习要求模块,方便教师、学生等不同读者,按照教学进程及学习需要组织课堂教学与项目制学习实践。全书各章根据基础知识的拓展需求和项目制学习需要,配套提供了延伸阅读和项目制学习相关案例、项目制课程作品开发源代码等数字资源,读者可以根据各自需求通过二维码链接快速获取相关内容。 全书共8章,由胡耀光构思全书的结构和编写大纲,中国地质大学(武汉)王峰编写了3.1节和3.2节,昌河飞机工业(集团)有限责任公司李启鹏编写了3.5节,机械工业第六设计研究院有限公司刘俊、刘波牵头编写了第6章,刘进编写了6.2.3小节、吴国曾编写了6.2.4小节、沈小威编写了6.3.2小节,北京理工大学王儒编写了8.5.1小节和8.5.2小节,其他章节均由胡耀光编写。在本书编写过程中,北京理工大学智能制造工程专业刘雨乐、张云斐、吴东昱、王威威等同学参与了各章配套的项目制案例资料与相关源代码的整理工作。 本书在编写过程中得到了国内众多专家学者与兄弟单位的支持,衷心感谢西安交通大学梅雪松教授主审本书,并提出宝贵的意见建议,对本书的内容完善与高质量定稿给了很大帮助。感谢中国一汽张晓胜、李峰、李文彬、阮守新对本书汽车领域相关内容和案例素材的支持;感谢中国地质大学(武汉)吴敏教授、曹卫华教授为本书在项目制学习模式呈现与案例组织方面给出的建议;感谢本书编写过程中引用的各类参考文献和资料的原作者及其单位。对项目制课程教学实践过程中,北京理工大学教务部和参与智能制造工程专业项目制课程教学的各位老师,以及智能制造工程专业2019—2021级同学们的共同付出,一并致谢! 鉴于编者对智能制造系统及其对制造强国战略深刻影响的理解所限,书中不足之处在所难免,敬请读者批评指正。 编 者
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