机械虚拟制造技术论文

1、 本 科 生 课 题 设 计（论文）（ 2012届） 题目：现代虚拟制造技术的技术简介以及应用 学生姓名 学号 2008 专业班级 机械082 学院名称 工程学院 指导老师 2011年11月11日现代虚拟制造技术的技术简介以及应用摘 要：随着计算机技术的迅猛发展，虚拟现实环境的完善，虚拟制造已能对加工制造过程进行物理仿真，虚拟制造技术主要给人提供视觉、听觉信息，达到“所见即所得”的效果。也就是说在计算机上看到的3D图形、制造过程将分别是现实制造出的实物、现实的制造过程。 关键词：虚拟制造技术 虚拟化现实应用 先进性制造 Abstract: Along with the rapid develo

2、pment of computer technology and the virtual reality environmental improvement, virtual manufacturing can already for the processing manufacture process simulation. The virtual manufacturing technology mainly provide visual, auditory information, to achieve "wysiwyg" the effect. That is to

3、 say, in computer saw on 3D graphics, manufacturing process will respectively is reality creating physical, reality of manufacturing process.Keywords: virtual manufacturing，virutal reality，advanced manufacturing technology引言制造业为了在竞争激烈的全球市场求得生存和发展，必须能够更好地满足市场所提到的T、Q、C、S要求，既要以最短的产品开发周期，最优质的产品质量，最低廉的制造

4、成本和最好的技术支持和售后服务来赢得市场和用户。面对不可预测、持续发展、快速多变的市场需求，企业的生产活动必须具有高度的柔性。为了提高竞争能力，企业应当能够对市场需求的变化作出快速灵敏的反应，并及时地对自身的生产做出合理的调整与重新规划。计算机软硬件技术以及网络技术的迅速发展为实现这一目标提供了强有力的支持。基于这些因素，20实际90年代中期有许多新概念、新观点应运而生，虚拟制造就是其中之一，它代表了一种全新的制造体系和模式。在虚拟制造中，铲平开发是基于数字化的虚拟产品开发方式，以用户的需求为第一驱动，并将用户需求转化为最终产品的各种功能特征。VPD保证了产品开发的效率和质量，提高了企业的快速

5、响应和市场开拓能力。目录现代虚拟制造技术的技术简介以及应用2摘 要：2关键词：2引言21.虚拟制造技术简介42.虚拟制造技术的特点43.虚拟制造的应用领域44.虚拟制造技术的分类55.虚拟制造技术的种类5（1）以设计为中心的虚拟制造5（2）以生产为中心的虚拟制造6（3）以控制为中心的虚拟制造66.虚拟制造关键技术66.1.虚拟制造关键技术66.2.虚拟制造技术的建模技术76.3.虚拟制造使能技术87.虚拟制造的应用88.虚拟制造与其他先进制造技术的关系99.虚拟制造技术的发展现状1010.小结101. 虚拟制造技术简介虚拟制造技术（Virtual Manufacturing Technolog

6、y,or VMT）是以虚拟现实和仿真技术为基础，对产品的设计、生产过程统一建模，在计算机上实现产品从设计、加工和装配、检验、使用整个生命周期的模拟和仿真。这样，可以在产品的设计阶段就模拟出产品及其性能和制造过程，以此来优化产品的设计质量和制造过程，优化生产管理和资源规划，以达到产品开发周期和成本的最小化，产品设计质量的最优化和生产效率最高化1，从而形成企业的市场竞争优势。2. 虚拟制造技术的特点虚拟制造是集计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)和计算机辅助工艺设计(CAPP)于一体的技术，它是在计算机中完成制造过程的。正因为如此，虚拟制造具有下述主要特点。虚拟制造的制造模型是一个计

7、算机模型，完成这一制造过程的主要工作集中在模型的建立过程上，一旦这个模型建立完成，就可以不断与之进行交互，模拟各种情况的生产和制造过程。模型的可反复修改性是虚拟制造过程有别于实际制造过程的一个最主要的特点，也正是这一特点使得虚拟制造可以根据不同情况快速的更改设计、工艺和生产过程，从而大幅度压缩新产品的开发时间，提高制造质量，降低成本。虚拟制造的另一个特点是它可以是分布式的，完成虚拟制造的人员和设备在空间上可以是相互分离的，不同地点的技术人员可以通过网络来协同完成同一个虚拟制造过程。此外，虚拟制造还可以是一个并行的过程，产品设计、加工过程和装配过程的仿真可以同时进行，大大加快了产品设计过程，减少

8、新产品的试制时间。3. 虚拟制造的应用领域虚拟现实技术在制造领域中的应用主要有以下几方面：(1) 虚拟原型和产品设计，即在计算机中设计虚拟的产品或零部件。(2) 生产过程仿真(优化、调度)，即对车间或工段的生产过程进行仿真优化。(3) 设备仿真，即对机器人等生产设备进行离线仿真，动态特性分析和模拟。(4) 物流仿真，即物流规划，对AGV(自动搬运设备)进行仿真。(5) 装配过程仿真。(6) 复杂数据的可视化，数值模拟计算结果的可视化输出。(7) 设备的远程操作，用计算机网络将空间上分散的设备结合起来，进行集成管理运行，遥控制造。(8) 增强通讯效果。(9) 操作培训。4. 虚拟制造技术的分类产

9、品的虚拟设计技术。面向产品的原理、结构和性能的设计、分析、模拟和评测，以优化产品本身的性能、成本为目标。产品的虚拟制造技术。面向产品制造过程模拟、检验和优化，检验产品的可制造性、加工方法和工艺的合理性，以优化产品的制造工艺过程、保证产品的制造质量、制造周期和最低的制造成本为目标。虚拟制造系统。着重于生产过程的规划、组织管理、资源调度、物流、信息流等的建模、仿真与优化。如虚拟企业、虚拟研发中心等。虚拟制造技术是CADCAECAMCAPP和仿真技术的更高阶段。利用虚拟现实技术、仿真技术等在计算机上建立起的虚拟制造环境是接近人们自然活动的一种“自然”环境，人们的视觉、触觉和听觉都与实际环境接近。人们

10、在这样环境中进行产品的开发，可以充分发挥技术人员的想象力和创造能力，相互协作发挥集体智慧，大大提高产品开发的质量和缩短开发周期。5. 虚拟制造技术的种类广义的制造过程不仅包括了产品的设计加工、装配。还包含了对企业生产活动的组织与控制。从这个观点出发，可以把虚拟制造分为三类：以设计为中心的虚拟制造、以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造。（1） 以设计为中心的虚拟制造以设计为中心的虚拟制造强调以统一制造信息模型为基础，对数字化铲平模型进行仿真与分析、优化，进行产品的结构性能、运动学、热力学方面的分析和装配性分析，以获得对产品的设计评估与性能预测结果。特点：在设计阶段为设计人员提供制造信息

11、；使用基于制造的仿真以优化产品和工艺的设计；通过“在计算机上制造”产生多个“软”样机 。主要目标：评价可制造性主要技术支持：特征造型；面向数学模型设计；加工过程仿真技术。应用领域：造型设计 热力学分析 运动学分析 动力学分析 容差分析 加工过程仿真 （2） 以生产为中心的虚拟制造以生产为中心的虚拟制造是在企业资源的约束条件下，对企业的生产过程进行仿真，对不同的加工过程以及组合进行优化。它对产品的“可生产性”进行分析评价，对制造资源和环境进行优化组合，通过提供精确的生产成本信息对生产计划和调度进行合理化决策。主要目标：将仿真能力用于制造过程模型，以便低费用、快速地评价不同的工艺方案；用于资源需求

12、规划、生产计划的产生及评价的环境 。主要目标：评价可生产性 主要技术支持：特征造型；面向数学模型设计；加工过程仿真技术。应用领域：工厂或产品的物理布局 生产计划的编排（3） 以控制为中心的虚拟制造以控制为中心的虚拟制造是将仿真技术引入控制模型，提供模拟实际生产过程的虚拟环境，使企业在考虑车间控制行为的基础上对制造过程进行优化控制。以上三种虚拟制造分别侧重于制造过程的不同方面。但它们都以计算机建模、仿真技术为一个重要的实现手段，通过对制造过程进行统一建模，对仿真支持设计过程、模拟制造过程，进行成本估算和生产调度。特点：将仿真加到控制模型和实际处理中；可“无缝”地仿真使得实际生产周期期间不间断地优

13、化。主要技术支持：对离散制造-基于仿真的实时动态调度；对连续制造基于仿真的最优控制 6. 虚拟制造技术简介1.2.3.4.5.1.2.3.4.5.6.6.1. 虚拟制造关键技术1. 特征建模的建立:建立包含工艺信息的特征模型,为以后的工艺分析、加工等过程创造条件。 2. 企业间产品数据交换:在由动态联盟共同完成新产品开发的条件下,必须以产品数据交换标准(STEP、IGES等)来保证企业间信息的集成。3. 快速原型制造软硬件系统:快速原型制造系统使工程人员在制造前就能看到产品,从而改进设计。也可直接用于快速制造少量的零件或模具。改进材料、工艺及软件来提高产品的精度。4. 加工能力模型/生产能力模

14、型建立:根据企业的加工设备信息建立加工能力模型,进一步还可以根据企业的其他资源信息建立生产能力模型。生产能力模型是产品零件可制造性分析、加工单元布局以及制造成本估算、生产能力平衡、优化生产布局、优化调度方案的依据。5. 产品零件的可制造性分析及计算机辅助工艺规划:根据零件的特征信息以及制造资源模型进行可制造性分析,确定加工路线、步骤和参数。6. 制造过程的动态描述:根据工艺规划所确定的加工路线以及制造资源用动画形式描述制造过程,用以检查过程及物流、对环境影响的合理性。7. NC代码自动生成:根据包含特征信息的零件模型及工艺规划信息来实现零件的NC代码自动生成并提供加工时间等参数,为加工仿真,成

15、本分析等后续过程提供依据。8. 制造成本估算:根据制造过程所占用的资源、加工时间等信息进行制造成本估算。9. 验证与测试系统:借助于虚拟现实及人-机工程对产品的可靠性、可操作性、可维护性等进行评估2。 1.2.3.4.5.6.6.1.6.2. 虚拟制造技术的建模技术虚拟加工是现实加工过程在计算机上的映射,与真实制造过程相比,具有虚拟性、数字化集成性、依赖性。虚拟加工系统的建立必须基于现实的制造设备及其相关活动,并且可以随着制造设备的改变对虚拟加工系统进行变更。虚拟加工环境建模是真实加工环境在数字化世界中的映射。产品的实际加工环境包括加工设备、工装夹具及其加工刀具等,因此在虚拟加工环境中需要建立

16、相应的加工设备模型、夹具模型、刀具模型及工件模型,使得虚拟加工环境能够依据用户输入的NC代码、工艺模塑和刀具模型给出有关工件变化、刀具状况、加工效率等信息。虚拟加工设备主要是指虚拟机床,用于仿真实际加工设备加工虚拟产品,机床模型包括机床的几何实体信息、运动特征信息、伺服特性信息、刚度特性信息以及热变形特性信息的影响等3。虚拟刀具包括镜刀、车刀、钻头等常用的加工刀具,用于仿真实际的切削过程,刀具模型包括刀具几何实体信息、切削特征信息和运动特征信息等:虚拟夹具用于仿真实际的工装夹具,夹具模型包括夹具几何实体信息、装夹特征信息等。虚拟加工设备、夹具、刀具和工件建模原理一致4。1. 虚拟加工设备建模虚

17、拟机床是虚拟加工过程的具体实施者。根据机床信息的不同,机床模型分为几何模型和仿真模型,其中几何模型将虚拟机床看成是一个层次式的装配体,包含多个部件和零件,且部件之间存在着相互装配关系和约束条件,组成零部件的三维数字模型根据其实际形状和大小分别建模;机床仿真模型是在NC代码的驱动下,采用一种类似于NC加工插补算法实现各运动部件的平动与转动,以此驱动虚拟机床的运动。将仿真模型作为机床的物理属性依附在机床的几何模型上,建立虚拟加工设备模型的类结5。类结构建立床身、工作台和导轨等基本类,在此基础上建立零部件几何模型类继承基本类;零部件几何模型类与零部件仿真模型类一起形成零件模型类,通过零件、部件之间的

18、包含、聚合关系形成虚拟加工设备。 2. 系统实现例如应用UG三维造型软件对一套加工设备进行了几何建模,通过文件输出得到零部件的VRML文件,以VisualC+60。为开发工具,选用OpenGL作为图形引擎开发了可重构三维虚拟加工环境建模系统,利用该系统实现了LeadWellLTC系列加工中心的快速建模。LeadWell LTC20 AP是卧式加工中心,将其简化为床身、加工舱舱门、导轨、刀座、刀盘、主轴头、尾架、顶尖、支架、控制台等。针对各模块的通用程度我们采取相应的建模策略,如床身、舱门等是该加工中心特有的异型部件,为其单独建模;导轨、刀座、刀盘等对同类机床而言,其外形结构具有很大相似性,因此

19、通过对数据库中类似部件进行修改后重用(若数据库中已有类似);主袖头、尾架、顶尖等则属于通用部件或标准部件,可以直接重用(若数据库中已有相同)。为构建的虚拟加工环境,利用该环境可以对零件进行虚拟加工仿真6。虚拟加工系统是虚拟制造研究的主要内容之一,而环境建模是虚拟加工系统仿真、分析的基础。通过三维实体建模构造出一套虚拟设备,使设计人员可以借助于一定的软、硬件设备,在虚拟制造环境下对零件加工过程进行仿真,并对设备布局、加工过程等作出分析,以便对整个生产进程进行优化,从而提高生产效率和加工质量。6.3. 虚拟制造使能技术1. 多通道交互：多通道交互技术主要是通过虚拟现实设备的软硬接口的驱动技术，能够

20、提供非常真实的三维渲染图形加速，并且可用于三维定位跟踪、大面积纹理的可见性现实以及人像分离与多传感信息的融合技术。2. 虚拟环境建模：虚拟环境建模属于图形图像混合建模的技术，能够多细节多层次建模，实现模型的智能剪裁，对场景进行预处理，是现代虚拟制造技术中广泛的应用。3. 数据转换与处理：数据转换主要是将数据文件格式进行转换保存的技术，方便公司企业对产品数据进行管理。4. 网络环境下知识获取与建库：网络环境下的知识获取以及建库技术是依赖于现代互联的虚拟制造技术，能够达到网络化异构知识与数据信息的统一表达，同时也是虚拟网络的分布式节点的方针与协同；并且可以针对虚拟场景的漫游绘制以及网络传输等进行研

21、究。5. 基于VR的计算可视化：VR的计算可视化主要是通过计算机的计算，将数据能够量化成人们可以观看的图表以及多通道协同的可视化技术。1.2.3.4.5.6.7. 虚拟制造的应用虚拟制造在工业发达国家,如美国、德国、日本等已得到了不同程度的研究和应用。在这一领域,美国处于国际研究的前沿。福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司在新型汽车的开发中已经应用了虚拟制造技术,大大缩短了产品的发布时间。波音公司设计的777型大型客机是世界上首架以三维无纸化方式设计出的飞机。它的设计成功已经成为虚拟制造从理论研究转向实用化的一个里程碑7。在我国,清华大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等科研教学单位也已经开展了这

22、一领域的研究工作。当前我国虚拟制造应用的重点研究方向是基于我国国情,进行产品的三维虚拟设计、加工过程仿真和产品装配仿真,主要是研究如何生成可信度高的产品虚拟样机,在产品设计阶段能够以较高的置信度预测所设计产品的最终性能和可制造性。在对产品性能具有高科技含量要求的行业中,如航空航天、军事、精密机床、微电子等领域,随着研究的不断深入和相关技术的发展,虚拟制造必将得到日益广泛的应用。企业要实现虚拟制造，应分阶段逐步进行，而不能随意超越8。首先，要建立企业网和工程数据库，初步实现CAD、CAPP、CAM功能；第二，进行信息集成，推行PDM技术、特征建模技术，形成CAD、CAPP、CAM的集成系统；第三

23、，在设计、工艺、制造部门建立统一的产品模型，初步实现并行工程，进一步将MIS、MRPII与CAD/CAM系统进行集成，实现整个企业内部的信息集成，全面实现并行工程；第四，在上述工作的基础上，对企业内的生产、经营等多方面的活动进行建模、仿真，实现虚拟制造9。8. 虚拟制造与其他先进制造技术的关系80年代初，先进制造技术以信息集成为核心的计算机集成制造系统（CIMS，Computer Integrated Manufacturing System）开始得到实施；8 0年代末，以过程集成为核心的并行工程（CE，Concurrent Engineering）技术进一步提高了制造水平；进入90年代，先进

24、制造技术进一步向更高水平发展，出现了虚拟制造（VM，Virtual Manufacturing）、精益生产（LP，Lean Production）、敏捷制造（AM，Agile Manufacturing）、虚拟企业（VE，Virtual Enterprise）等新概念10。1. 虚拟制造技术与精益生产（Lean Production）：此处我们引用北京航空航天大学杨光京教授给精益生产下的定义：“精益生产是通过系统结构、人员组织、运行方式和市场供求等方面的变革，使生产系统能很快适应用户需求不断变化，并能使生产过程中一切无用、多余的东西被精简，最终达到包括市场供销在内的生产的各方面最好的结果”。这

25、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。2. 虚拟制造技术与并行工程（Concurrent Engineering）：并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）的系统方法。它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，包括质量、成本、进度计划和用户要求。并行工程的目标为提高质量、降低成本、缩短产品开发周期和产品上市时间。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。 3. 虚拟制造技术与敏捷制造（Ag

26、ile Manufacturing）：敏捷制造是以竞争力和信誉度为基础，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，对用户需求作出快速反应，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。4. 虚拟制造技术与绿色制造：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，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。21世

27、纪先进制造技术将向精密化、网络化、虚拟化、数字化、智能化、清洁化、集成化及管理创新等方向发展.它们都离不开计算机网络、工程数据库技术的支持，从以技术为中心向以人为中心转变，使技术的发展更加符合人类社会的需要是它们的共同特点。可见各种先进制造技术是相互关联、彼此交叉的，它们之间的关系可以简单地如图1所示。 图19. 虚拟制造技术的发展现状虚拟制造在工业发达国家，如美国、德国、日本等已得到了不同程度的研究和应用，美国处于国际研究的前沿。1983年美国国家标准局提出了“虚拟制造单元”的报告；1993年爱荷华大学的报告“制造技术的虚拟环境”中提出了建立支持虚拟制造的环境；1995年美国标准与技术研究所

28、的报告“国家先进制造实验台的概念设计计划”，强调了分散的、多节点的分散虚拟制造（DVM），即虚拟企业的概念。美国已经从虚拟制造的环境和虚拟现实技术、信息系统、仿真和控制、虚拟企业等方面进行了系统的研究和开发，多数单元技术已经进入实验和完善的阶段。我国在虚拟制造技术方面的研究只是刚刚起步，其研究也多数是在原先的CADCAECAM和仿真技术等基础上进行的，目前主要集中在虚拟制造技术的理论研究和实施技术准备阶段，系统的研究尚处于国外虚拟制造技术的消化和与国内环境的结合上11。当前我国虚拟制造应用的重点研究方向是基于我国国情的产品三维虚拟设计、加工过程仿真和产品装配仿真，主要是研究生成可信度高的虚拟样

29、机，在产品设计阶段能够以较高的置信度预测所设计产品的最终性能和可制造性。我国在虚拟现实技术、建模技术、仿真技术、信息技术、应用网络技术等单元技术等方面的研究都很活跃，但研究的进展和研究的深度还属于初期阶段与国际的研究水平尚有很大的差距，多集中于高等院校和少量的研究院所，没有形成产业化12。 10. 小结发展我国虚拟制造技术应以企业的需求为动力，通过政府协调，积极开展成组技术、准时化生产技术及并行工程的研究与应用，利用工业工程思想和分布式网络化研究，组织各地区的科研力量集中突破与虚拟制造技术密切相关技术，为虚拟制造功能的实现提供有力支撑。基于产品的数字化模型,应用先进的系统建模和仿真优化技术,虚拟制造实现了从产品的设计、加工、制造到检验全过程的动态模拟,并对企业的运作进行了合理的决策与最优控制。虚拟制造以产品的软模型(Soft Prototype)取代了实物样机