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nullnull虚拟制造技术Virtual Manufacturing The Next Revolution in Global Manufacturing参考文献参考文献Wiens G J. An overview of virtual manufacturing [A]. Proceedings of the 2nd Agile Manufacturing Conference (AMC’95), Albuquerque, New Mexico, USA: ERI Press, 1995. 233-243. Jean V Owen. Making virtual manufacturing real [J]. Manufacturing Engineering, November 1994: 33-37. 内 容内 容虚拟制造概述1虚拟建模技术2虚拟样机技术3虚拟加工技术4虚拟装配技术56虚拟制造应用虚拟制造概述虚拟制造概述DELMIA —— 数字化工厂虚拟制造概述虚拟现实（Virtual Reality） 虚拟现实技术是使用感官组织仿真设备和真实或虚幻环境的动态模型生成或创造出人能够感知的环境或现实，使人能够凭借直觉作用于计算机产生的三维仿真模型的虚拟环境。 相关概念虚拟制造概述丰田公司利用VR技术改进上车下车的舒适度虚拟制造的概念 虚拟制造是20世纪80年代提出的概念，在20世纪90年代得到了重视和发展。 虚拟制造技术的研究与应用是以CIMS为基础的。 早期虚拟制造的定义（VM is a key concept that summarizes computerized manufacturing activities dealing with models and simulations instead of objects and their operations in the real world) 虚拟制造的概念虚拟制造的定义虚拟制造的定义佛罗里达大学 Gloria J. Wiens： 与实际制造一样，只是在计算机上执行制造全过程，其中虚拟模型是在实际制造之前用于对产品的功能及可制造性的潜在问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 进行预测。 美国空军Wright实验室： 虚拟制造是仿真、建模与 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 技术及工具的综合应用，以增强各层制造 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 和生产决策与控制。 马里兰大学Edward Lin： 虚拟制造是一个用于增强各级决策与控制的一体化的、综合性的制造环境。虚拟制造的定义虚拟制造的定义肖田园 虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本质实现，即采 用计算机仿真与虚拟现实技术在计算机上实现产品开发、制 造以及管理与控制等制造的本质过程，以增强制造过程各级 的决策与控制能力。 虚拟制造概述虚拟制造（Virtual Manufacturing） 最早由美国于1993年提出，基于虚拟现实基础之上，采用计算机仿真与虚拟现实技术，在高性能计算机及高速网络的支持下，在计算机上群组协同工作，通过三维模型及动画，实现制造相关的各种过程与技术的过程。即实际制造过程在计算机上的本质实现。 虚拟制造概述虚拟制造概述虚拟制造 控制中心虚拟制造 设计中心虚拟制造 加工中心三元耦合的系统模式分类及其关系虚拟制造概述虚拟制造（VM）的分类虚拟制造（VM）的分类以设计为中心的VM 目的通过不同逼真程度的“制造仿真”来优化产品的设计及其工艺。尽早发现设计中潜在的问题。 以生产为中心的VM 目的方便快捷的评价多种生产计划，检验新工艺流程的可信度 ﹑产品的生产效率﹑资源的需求情况从而优化制造环境的配置和生产供给计划。 以控制为中心的VM 目的在考虑车间控制行为的基础上，评价新的或改进产品计划，以及相关的生产活动，从而优化制造过程，改进制造系统。虚拟制造（VM）的分类 面向设计的虚拟制造 其核心为“可制造”、“可装配性” 面向生产的虚拟制造 其核心为“可生产性” 面向控制的虚拟制造 其核心为“可控制性” 虚拟制造（VM）的分类虚拟制造的分类及相互关系虚拟制造的分类及相互关系虚拟制造的体系结构虚拟制造的体系结构null蚂蚁的群体行为特征特征：蚂蚁能在没有任何可见提示下找出从蚁穴到食物源的最短路径，并且能随环境的变化而变化地搜索新的路径，产生新的选择。null蚂蚁的群体行为——自组织特性BDnull蚂蚁的群体行为——正反馈机制蚁群的集体行为表现出一种信息的正反馈现象： 某一路径上走过的蚂蚁越多，该路径对后来的蚂蚁就越有吸引力，即一只蚂蚁选择一条路径的概率随着以前选择该路径的蚂蚁数量的增加而增大。蚂蚁个体之间正是通过这种物质信息的交流而达到搜索食物的目的。蚂蚁这种选择路径的过程被称之为蚂蚁的自催化行为，其原理是一种正反馈机制。虚拟制造与实际制造的关系虚拟制造与实际制造的关系制造系统的分类null虚拟制造的目标 反作用于实际制造过程 指导生产实践 虚拟制造是实际制造的抽象 实际制造是虚拟制造的实例虚拟制造与实际制造的关系null虚拟制造与实际制造的关系（1）映射的定义域是实际制造过程，值域是虚拟制造过程，其直接结果是全数字化产品，映射的介质是网络计算环境；（2）这种映射是非线性的迭代过程，单次映射可能达不到要求，需要多次复合直至满足要求；虚拟制造与实际制造的关系（3）由于市场需求、生产过程和产品种类的复杂多变，导致其结果千差万别，难以预测，因而可能是一个混沌的过程，具有“蝴蝶效应”； （4）由于“知识化”的人是整个系统的主体，将人的智能复合进去（表现为控制参数），该映射在一定程度上也是可控的； （5）由于不同的人经验技术水平不同，因而控制参数具有模糊特性。虚拟制造与实际制造的关系虚拟制造与实际制造的关系虚拟制造与实际制造的关系虚拟制造与其他先进制造技术之间的关系虚拟制造与其他先进制造技术之间的关系精益生产与虚拟制造 精益生产要求简化生产过程, 减少信息量, 消除过分臃 肿的生产组织, 使产品及其生产过程尽可能地简化和 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化。这样做的结果对虚拟制造的建模仿真是十分有利的, 即现实生产过程越简化则虚拟制造实现起来就越容易。精益 生产的核心是准时化生产,实行精益生产为虚拟制造的实现 创造了有利条件。虚拟制造与其他先进制造技术之间的关系并行 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 与虚拟制造 并行工程要求产品开发人员在一开始就考虑产品整个 生命周期中从概念形成到产品报废的所有因素。为了达到并 行的目的, 必须建立高度集成的主模型, 通过它来实现不同 部门人员的协同工作；为了达到产品的一次设计成功,减少 反复, 它在许多部分应用了仿真技术；主模型的建立、局部 仿真的应用等都包含在虚拟制造技术中, 可以说并行工程的 发展为虚拟制造技术的诞生创造了条件, 虚拟制造技术将是 以并行工程为基础的, 并行工程的进一步发展就是虚拟制造 技术。 虚拟制造与其他先进制造技术之间的关系并行工程的特点并行工程的特点Concurrence 并行性：产品设计与其后续相关过程在同一时间框架内并行处理； Constrains 约束性：在充分考虑产品设计约束的同时引入其后续相关过程约束； Coordination 协调性：对产品设计及其后续相关过程进行统一协调和管理； Consensus 一致性：产品设计过程中的所有重大决策都要建立在工作组成员意见一致的基础上； Computerization 计算机性：产品设计需要在计算机及其网络系统支持下实现集成和并行。虚拟制造与其他先进制造技术之间的关系绿色制造与虚拟制造 绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制 造模式, 其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使 用到报废的整个产品生命周期中, 对环境的影响(负作用) 最小,资源的使用效率最高。国际制造业的实践表明, 通过 改进整个制造工艺来减少废弃物, 要比处理工厂处理已经排 放的废弃物大大节省开支。因此, 当绿色制造发展到一定阶 段时, 在虚拟制造技术中必定要集成绿色制造这一部分, 即 绿色制造可以通过虚拟制造中的仿真功能来实现。 虚拟制造与其他先进制造技术之间的关系虚拟制造与其他先进制造技术之间的关系敏捷制造与虚拟制造 敏捷制造选择合作者组成虚拟公司, 分工合作, 为同一 目标共同努力来增强整体竞争能力,对用户需求做出快速反 应, 以满足用户的需要。为了达到快速应变能力, 虚拟企业 的建立是关键技术, 其核心是虚拟制造技术, 即敏捷制造是 以虚拟制造技术为基础的。虚拟制造是敏捷制造的关键技 术，是实现敏捷制造的重要手段。 虚拟制造与其他先进制造技术之间的关系虚拟制造与其他先进制造技术之间的关系虚拟制造与其他先进制造技术之间的关系虚拟制造及研究内容虚拟制造及研究内容虚拟制造概述关键技术制造系统建模虚拟现实技术虚拟产品开发制造过程仿真可制造性评价关键技术虚拟制造概述虚拟制造的关键技术虚拟制造的关键技术软件方面 可视化技术 环境构造技术 信息描述技术 集成结构技术 仿真技术 方法论 制造的特征化技术 VMS的检测、测试技术 VM环境下的人机工程学方面的评价和优化技术 虚拟制造的关键技术 硬件方面 输入/输出设备 与输入/输出有关的存储信息设备 能支持各种设备、数据存储和高速运算的计算机系统 网络结构设备和不同站点的硬件设备和连接硬件 虚拟制造的关键技术虚拟制造应用虚拟制造应用核心是非线性有限元分析（Nonlinear Finite Element Analysis）技术。虚拟制造在国外的发展虚拟制造在国外的发展美国国家标准局(National Institute of Standards and Technology, NIST)建立了国家先进实验基地(National Advanced Manufacturing) 波音与麦道联手建立了机械设计自动化所 德国Darmstart技术大学Fraunhofer计算机图形研究所 新加坡制造技术研究院(GINTIC Institute of Manufacturing Technology) 加拿大Waterloo大学 比利时虚拟现实协会 日本大阪大学虚拟制造及研究内容虚拟制造技术应用实例虚拟制造及研究内容虚拟制造典型应用领域虚拟制造典型应用领域 产品的外形设计 布局设计 产品的运动和动力学仿真 加工工艺仿真 加工过程仿真 产品装配仿真 虚拟样机与产品工作性能评测 产品虚拟展示 企业生产过程仿真与优化 虚拟企业的协同仿真与优化虚拟制造应用虚拟制造应用波音公司利用虚拟制造节约燃料成本虚拟制造应用虚拟制造应用航空航天NASABombardierTeagueEMBRAER虚拟制造应用虚拟制造应用汽车FordBMW/Land RoverPACCARToyota福特公司汽车车门模拟装配虚拟制造应用虚拟制造应用利用MSC软件对车门撞击实验进行有限元分析虚拟制造应用虚拟制造应用路政建设CaterpillarDeere (manufacturing)Deere (design)虚拟制造应用虚拟制造应用国防United States ArmyGE Aircraft EnginesLockheed Martin“You can’t wait until a physical prototype is built to discover a design won’t work for the Army population. By then, it’s too late. And human performance is too important in the military to compromise on the ergonomics of a design.” - John Lockett, U.S. Army虚拟建模技术虚拟建模技术虚拟建 模技术几何建模线框建模表面建模实体建模特征定义特征分类特征表示特征建模参数化设计、 变量化设计虚拟建模技术虚拟建模技术线框建模利用边界线和轮廓线来描述几何体模型的方法。物体的线框模型虚拟建模技术虚拟建模技术表面建模通过对实体的各个表面或曲面进行描述而构造实体模型的一种三维建模方法。几类典型的参数曲面a) 孔斯曲面 b) 样条曲面 c) Bezier曲面虚拟建模技术虚拟建模技术实体建模利用一些基本体素或扫描体等通过集合运算（布尔运算）生成复杂实体模型的一种建模技术。常用的基本体素null边界表示法（B-Rep） 构造实体几何法（CSG） 混合表示法虚拟建模技术三维实体建模的计算机表示虚拟建模技术虚拟建模技术特征定义 特征是对诸如零件形状、工艺和功能等与零件描述相关的信息集的综合描述。 理解特征概念时，需注意: 1）特征不是体素，不是某个或某几个加工面； 2）特征不是一个完整的零件； 3）特征的分类与该表面加工工艺规程密切相关。 4）描述特征信息中，除了表达形状的几何信息和约束关系外，还要包含材料、精度等信息； 5）通过定义简单的特征，还可生成组合特征。虚拟建模技术虚拟建模技术特征分类形状特征精度特征材料特征装配特征管理特征特征的分类技术特征按制造方法不同按零件类型不同按零件作用不同铸、锻、焊等轴盘类、板块 类、箱体类、 自由曲面类等主特征和辅特征描述产品的最主要和最基本的特征。虚拟样机技术虚拟样机技术概述虚拟样机（Virtual Prototyping）是指在产品设计开发过程中，把虚拟产品建模技术(CAD)与分析技术(CAE)相结合，对各种工况进行动态仿真分析。也是实际产品在计算机上的表示，又称数字化样机。虚拟样机的概念虚拟样机的概念虚拟样机技术就是在建筑第一台物理样机之前,设计师利用计算机技术建立机械系统的数字化模型,进行仿真分析并以图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性,从而修改并得到最优设计方案的技术。 虚拟样机是一种计算机模型,它能够反映实际产品的特性,包括外观、空间关系以及运动学和动力学的特性。借助于这项技术,设计师可以在计算机上建立机械系统的模型,伴之以三维可视化处理,模拟在真实环境下系统的运动和动力特性并根据仿真结构精简和优化系统。 虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式探索虚拟物体的功能,对产品进行几何、功能、制造等许多方面交互的建模与分析。它在CAD 模型的基础上,把虚拟技术与仿真方法相结合,为产品的研发提供了一个全新的设计方法。 虚拟样机技术虚拟样机技术全新的研发模式； 更低的研发成本、更短的研发周期、更高的产品质量； 实现动态联盟的重要手段。 同传统的基于物理样机的设计研发方法相比,虚拟样机设计方法具有以下特点： 虚拟样机技术虚拟样机技术虚拟样机及其相关技术虚拟样机技术是一门综合多学科的技术。该技术以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心,加上成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术,将分散的零部件设计和分析技术(如零部件的CAD 和FEA 有限元分析) 集成在一起,提供一个全新研发机械产品的设计方法。它通过设计中的反馈信息不断地指导设计,保证产品寻优开发过程顺利进行。虚拟样机及其相关技术虚拟样机技术虚拟样机技术虚拟样机及其相关技术涉及到部分软件设计流程设计流程物理样机设计流程虚拟样机设计流程null从CAE到VP（虚拟样机）以虚拟样机（Virtual Prototype）为基础，实现虚拟验证、虚拟测试、虚拟试验与仿真，减少物理试验次数，缩短试验周期，提高产品质量虚拟样机技术虚拟样机技术有限元分析初步 有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。 虚拟样机技术虚拟样机技术ANSYS软件简介 ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I-DEAS, AutoCAD等， 是现代产品设计中的高级CAD工具之一。 虚拟加工技术虚拟加工技术韩国TURBO TEK公司虚拟数控铣床加工虚拟加工技术虚拟加工技术概念 虚拟加工技术是指利用计算机技术，以可视化的、逼真的形式来直观表示零件的数控加工过程。虚拟加工是实际加工在计算机上的本质体现，是虚拟制造的重要组成部分，主要包括虚拟环境的建立和加工过程的仿真。CNC Machining CenterCNC Lathe MachinePC (Personal computer)虚拟加工技术虚拟加工技术虚拟加工环境1、虚拟加工基本流程虚拟加工技术虚拟加工技术硬件环境车间层 机床层 毛坯层软件环境虚拟加 工环境NC代码解析 加工过程仿真 2、虚拟加工环境虚拟加工技术虚拟加工技术硬件环境车间层 机床层 毛坯层虚拟机床（虚拟加工过程的核心和载体）主要由虚拟加工设备模型、毛坯模型、刀具模型、夹具模型等组成3、虚拟机床虚拟加工技术虚拟加工技术韩国TURBO TEK公司的CANVAS软件对车床的虚拟加工参数设置虚拟加工技术虚拟加工技术1）虚拟机床的几何建模立柱主轴刀具夹具工作台床身虚拟加工技术虚拟加工技术2）虚拟机床的运动建模◀ Lathe machine simulationMilling machine simulation ▶虚拟加工技术虚拟加工技术加工过程的仿真 借助虚拟现实技术和计算机仿真技术，对零件的加工过程进行全方位的模拟，又称虚拟加工过程。包括几何仿真和物理仿真。 仿真的内容：三维动画仿真、碰撞干涉检测、加工精度分析和加工工时分析等。 仿真的目的：检验产品设计的合理性、可加工性、加工方法、加工工艺参数的选择以及刀具和工件之间的相对运动情况。 几何仿真：先建立刀具的扫描体模型，后实现工件和刀具扫描体的布尔运算。 物理仿真：将切削过程中的各种物理因素的变化映射到虚拟制造系统中。虚拟加工技术虚拟加工技术韩国TURBO TEK公司虚拟数控车床加工虚拟装配技术虚拟装配技术基本概念装配是指把几个零部件套装在一起形成一台机器或一个部件的过程。 虚拟装配一般定义为:无需产品或支撑过程的物理实现，只需通过分析先验模型、可视化和数据表达等手段,利用计算机工具来安排或辅助与装配有关的工程决策。虚拟装配是一种将CAD 技术、可视化技术、仿真技术、决策理论及装配和制造过程研究、虚拟现实技术等多种技术加以综合运用的技术。 广义概念：指在虚拟环境中，如何使设计人员方便地进行结构设计、修改，让设计人员更专注于产品功能的实现，是一种自顶向下的工作过程，即所谓面向装配的设计。 狭义概念：指在虚拟环境中，快速地把单个的零件或部件组装形成产品的方法，是一种自底向上的设计过程。虚拟装配技术虚拟装配的目标 对设计结果进行可装配/拆卸性验证，并再为设计提供参考； 进行装配规划，获得可行且较优的装配工艺信息，用于指导生产。虚拟装配技术虚拟装配技术虚拟装配技术装配关系装配关系是指零部件之间的相对位置和配合关系，反映零件之间的相互约束和相对运动。配合关系运动关系位置关系联接关系（贴合、对齐、定向和插入关系）（间隙、过渡、过盈配合）（轴联接、螺钉联接、铆接和焊接等）（绕直线运动、轴旋转等）null无纸化设计 电子图和文档CAD 设计提高生产效率 降低生产成本CAE数字模拟与仿真加速产品合成 &流程优化 定义，管理和共享产品过程 & 资源 DMU 虚拟产品/工艺 虚拟产品开发方法的演变历史虚拟装配技术虚拟装配技术虚拟装配信息的表达信息的分类零件和子装配体 之间的实体信息装配关系信息装配体中零件之 间的层次关系信息主要是指产品的属性信息。如几何属性、物理属性、工程设计属性以及零件间的约束属性。包括装配体中零件相对位置和方向的定位关系。体现实际形成装配体的装配顺序。同时表达了装配体、子装配体和零件之间的父子从属关系。虚拟装配技术虚拟装配技术装配信息表达模型装配关 系模型零件间的装配关系表达了零件间的相互关系约束，包括配合关系和传动关系。装配层 次模型层次关 系模型把复杂产品的构型一级一级细分，并伴随功能的逐级分解，直至最终不可再分的零件，再进行详细的零件设计。是将一个含有许多零件的装配体 的装配规划问题分解为总装配规划和子装配规划问题来求解。虚拟装配技术虚拟装配技术虚拟装配规划技术装配规划包括装配序列和路径规划。装配序列规划研究装配序列的生成， 找出能把零件装配成产品且满足约束条件（ 如几何、工艺、工具等） 的顺序。装配路径规划是在装配建模和装配序列规划的基础上， 利用装配信息进行路经分析和求解， 判断并生成合理的装配运动路径， 为装配仿真提供显示数据， 为设计人员提供可视化的辅助设计工具。装配顺序规划流程图虚拟装配技术虚拟装配技术虚拟装配的装配设计流程虚拟装配技术虚拟装配技术虚拟装配系统应用实例涡轮泵是航天发动机中的关键部件， 产品装配工艺复杂难度大， 利用数字化装配技术进行交互式工艺规划和仿真， 自动生成装配工艺规程,系统在Solid Works 二次开发的环境下，采用Microsoft VC++ 语言结合OpenGL 编程实现，后台应用关系数据库系统Microsoft SQL Server 进行数据的统一管理。交互式工艺规划及仿真虚拟装配技术虚拟装配技术自动生成的装配工艺规程虚拟装配技术虚拟装配技术基于虚拟现实的虚拟装配系统碰撞检测碰撞检测 静态碰撞检测 静态碰撞检测是判断一活动对象在某一特定的位置和 方向是否与环境对象相交 伪动态碰撞检测 根据活动对象的运动路径检测它是否在某一离散的采样 位置方向上与环境对象相交 动态碰撞检测 检测活动对象扫过的空间区域是否与环境对象相交。 碰撞检测层次包围盒方法 用体积略大而几何特性简单的包围盒来近似地描述复杂 的几何对象，进而通过构造树状层次结构可以越来越逼近对 象的几何模型，直到几乎完全获得对象的几何特性，从而只 需对包围盒重叠的部分进行进一步的相交测试。 碰撞检测常见的包围盒类型常见的包围盒类型设备：CAVE 系统设备：CAVE 系统CAVE Automatic Virtual Environment 洞穴式自动虚拟环境 CAVE 系统的组成结构 设备：CAVE系统示例设备：CAVE系统示例设备：一亿像素的虚拟现实小屋 设备：一亿像素的虚拟现实小屋 美国爱荷华州立大学的一亿像素虚拟现实小屋，这个小屋在10英尺x10英尺的范围内，云集了价值400万美元的设备，其中包括一台拥有96颗GPU的HP电脑，24个Sony的数字投影仪，一个8声道的音频系统，以及超声波动作跟踪技术。设备：VirtuSphere虚拟球 设备：VirtuSphere虚拟球 VirtuSphere虚拟球将游戏提升到了一个全新的水平，使用这个设备用户能够在一个虚拟的空间内行走。带着一个环视的头盔虚拟现实设备，玩家在球的内部朝任何一个方向走时，球体都能自由地转动。人佩带头盔显示器, 就能感受到虚拟的空间，同时还可以在虚拟空间使用一台特别操作器与物体进行交互。 设备：Powered Shoes虚拟鞋 设备：Powered Shoes虚拟鞋 Powered Shoes这双虚拟鞋，可以让玩家利用脚下的滚轮，在迈步向前的时候，仍然能够停留在原地。同时将玩家的动作信号通过背部的装置传送到虚拟机器或是游戏中。而相较于一般虚拟实境的步行模拟能力，Powered Shoes最大的特色，就是真的可以让玩家感受到步行的乐趣。 虚拟制造——计算机中开工厂虚拟制造——计算机中开工厂