虚拟制造技术-267206713110

虚拟制造技术清华大学精密仪器与机械学系郁鼎文1213虚拟制造造技术的的体系虚拟制造造技术的的内涵虚拟制造造技术4虚拟制造造的关键键技术虚拟制造造技术的应用2虚拟制造造技术的的内涵1、定义虚拟制造造作为一一个全新新的概念念，是信信息时代代制造技技术的重重要标志志。佛罗里达达大学GloriaJWiens:虚拟制造造是这样样一个概概念，即即与实际际一样在在计算机机上执行行制造过过程，其其中虚拟拟模型是是在实际际制造之之前，用用于对产产品的功功能和可可制造性性的潜在在问题进进行预测测。着眼于““结果””美国空军军Wright实验室：：虚拟制造造是仿真真、建模模和分析析技术及及工具的的综合应应用，以以增强各各层制造造设计和和生产决决策与控控制。着眼与““手段””3虚拟制造造技术的的内涵马里兰大大学EdwardLin&etc虚拟制造造是一个个用于增增强各级级决策与与控制一一体化的的、综合合的制造造环境着眼于““环境””虚拟制造造技术的的定义：：是一门以以计算机机仿真技技术、制制造系统统与加工工过程建建模理论论、虚拟拟现实技技术、分分布式计计算理论论、产品品数据管管理技术术等为理理论基础础，研究究如何在在计算机机网络环环境及虚虚拟现实实环境下下，利用用制造系系统各层层次及各各环节的的数字模型型，完成制制造系统统整个过过程的计算与仿仿真的技术。。42、特点以模型为为核心：：模型产品模型：产品信息在计算机上的表示。过程模型：设计过程、工艺规划过程、加工制造过程装配过程、性能分析过程。活动模型：对企业生产组织和经营活动建立的模型资源模型：对企业人力、物力建立的模型虚拟制造造技术的的内涵52、特点以模型信信息集成成为根本本：产品模型型、过程程模型、、活动模模型、资资源模型型之间的的信息集集成以高逼真真度仿真真为特色色：仿真结果果的高可可信度，，以及人人与这个个虚拟制制造环境境的交互互的自然然化。虚拟制造造技术的的内涵6并行工程使能技术与工具产品数字化建模、信息集成CAx、DFx、PDM开发过程重组过程建模、分析、改进、监控等集成产品开发团队组织环境

计算机网络数据库

CSCW协调与冲突仲裁协同工作环境3、支撑环环境与工工具虚拟制造造技术的的内涵CSCW：computersuportedcooperativework7虚拟制造造技术的的内涵4、虚拟制制造与实实际制造造实际制造造系统是是物质流流在信息息流的协协调和控控制下，，在各个个层次上上进行相相应的决决策，实实现从投投入到产产出的有有效转变变，其中中物质流流和信息息流的协协调工作作是主体体。虚拟制造造系统是是在分布布式协同同工作等等多学科科技术支支持的虚虚拟环境境下的现现实制造造系统的的映射。。虚拟制造造系统是是实际制制造系统统的抽象象，实际际制造系系统是虚虚拟制造造系统的的实例。。8虚拟制造造技术的的内涵9产品数据据管理（（PDM）实际制造过程技术人员员和用户户数字化模模型计算机仿仿真、虚虚拟现实实虚拟开发平台虚拟设计

有限元分析运动学分析动力学分析虚拟加工

工艺过程优化工具设计优化单元工艺优化加工过程分析虚拟装配装配工艺规划装配路线规划装配分配规划装配质量规划虚拟生产平台虚拟布局虚拟实际生产环境虚拟生产动态过程优化生产环境布局虚拟设备虚拟集成支撑环境优化集成方案虚拟调度虚拟产品生产过程优化生产调度方案虚拟企业平台协同工作环境支持异地设计、装配、测试的环境。虚拟企业动态组合系统集成任务调度虚拟制造造系统的的体系结结构10虚拟制造造系统体体系结构构11虚拟制造造系统体体的系结结构12虚拟产品品生产规规划的体体系结构构13案例：虚虚拟开发发平台体体系结构构虚拟企业业平台14案例：虚虚拟开发发平台体体系结构构虚拟生产产平台15案例：虚虚拟开发发平台体体系结构构虚拟加工工平台16案例：虚虚拟开发发平台体体系结构构虚拟加工工平台17虚拟制造造的关键键技术关键技术术虚拟设计计与装配配技术虚拟实验验技术虚拟生产产技术虚拟产品品实现技技术虚拟检测测与评价价技术虚拟纹理理分析技技术18虚拟制造造的关键键技术关键技术术之一虚拟设计与装配技术虚拟产品形状设计虚拟装配/拆卸设计与优化虚拟样机具有力觉的虚拟装配19虚拟制造造的关键键技术关键技术术之二虚拟产品实现技术基于表面质量分析的切削参数选择

远程机器人操作与监控虚拟测量技术虚拟加工20虚拟制造造的关键键技术关键技术术之三虚拟检测与评价技术虚拟表面接触刚度分析基于应力的加工质量评价装配信息建模刀位轨迹检查及碰撞干涉检验工艺过程规划与仿真

21虚拟制造造的关键键技术关键技术术之四虚拟实验技术虚拟测试

虚拟样机的性能评价虚拟试验的运行平台

虚拟试验的物理建模22虚拟制造造的关键键技术关键技术术之五虚拟生产产技术虚拟生产产线/车间实时时三维布布局基于VR的网络化化分散制制造仿真真与评价价生产线/车间生产产过程虚虚拟仿真真23虚拟制造造技术的的应用虚拟现实实技术虚拟产品品设计虚拟加工工虚拟装配配虚拟测试试虚拟生产产调度与与仿真24虚拟现实实技术20世纪80年代兴起起的一种种人机交交互技术术，是基基于感观观、手势势、话语语等“自自然”方方式的交交互技术术。1965年，Sutherland在《终极的显显示》中首次提提出了包包括具有有交互图图形显示示、力反反馈设备备以及声声音提示示的虚拟拟现实系系统。1966年MIT的林肯实实验室开开始研究究头盔式式显示器器。1984年美国宇宇航局开开发了用用于火星星探测的的虚拟环环境视觉觉显示器器，为研研究人员员构造了了火星表表面的三三维虚拟拟环境。。20世纪90年代开始始，在航航天、航航空、汽汽车、医医疗、教教育、生生产、设设计等广广泛应用用。25虚拟现实实技术1、虚拟现现实系统统组成26虚拟现实实技术2、虚拟现现实系统统的硬件件设备立体眼镜镜立体投影影头盔式显显示器数据手套套空间位置置跟踪器器三维鼠标标六自由度度跟踪球球触觉和力力反馈器器27虚拟现实实技术立体眼镜镜：主动和和被动式式立式眼眼镜主动式：：发射器器与计算算机显卡卡连接，，得到两两路信号号节拍并并将交替替信号发发送给立立体眼镜镜被动式：：计算机机显示两两路偏振振光信号号，立体体眼镜的的左右镜镜片的透透光有方方向性，，形成立立体效果果。28虚拟现实实技术立体投影影29虚拟现实实技术30虚拟现实实技术头盔显示示器：由由显示器器、光学学系统、、跟踪系系统和立立体声系系统组成成。半封闭式式：用户户可以看看到现实实世界和和计算机机产生的的图像封闭式：：用户只只能看到到头盔内内显示的的图像头盔显示示器31虚拟现实实技术数据手套套是一种种多模式式的虚拟拟设备，，通过软软件编程程，可进进行虚拟拟场景中中物体的的抓取、、移动、、旋转等等动作，，也可以以利用它它的多模模式性，，用作一一种控制制场景漫漫游的工工具。在在虚拟装装配和医医疗手术术模拟中中，数据据手套是是不可缺缺少的一一个组成成部分。。数据手套套32虚拟现实实技术能实时检检测物体体空间位位置（6自由度））的设备备。空间位置置跟踪器器33虚拟现实实技术能够向计计算机传传回鼠标标的位置置和姿态态信息三维鼠标标34虚拟现实实技术用来检测测绝对位位置和方方向。跟跟踪球的的中心固固定，并并装有6个发光二二极管，，球有一一个活动动的外层层，装有有6个相应的的光传感感器。当当使用者者用手对对球的外外层施加加力或力力矩时，，根据弹弹簧形变变的法制制，就可可通过6个光传感感器测出出3个力和3个力矩信信息，将将信息传传送到计计算机后后求出虚虚拟空间间中物体体的位置置和方向向。六自由度度跟踪球球35虚拟现实实技术直接进行行三维扫扫描成像像三维扫描描36虚拟现实实技术三维扫描描37虚拟现实实技术触觉和力力反馈器器38虚拟现实实技术Vega软件。美美国MultiGen-Paradigm公司产品品3、虚拟现现实的软软件系统统39虚拟现实实技术40虚拟现实实技术41虚拟现实实技术训练、演演习42虚拟现实实技术43虚拟现实实技术44虚拟现实实技术45虚拟现实实技术46虚拟产品品设计仿真设计+-对产品的的需求：：目标、功功能、性性能产品的外外形、组组成、结构、参参数产品的功功能、性性能、行为CAD、CAPP、CAM外观设计计CAE、DFM、DFA动力学、、控制系系统47虚拟产品品设计产品设计计虽然只只占产品品整个成成本的5％，但它它却影响响产品整整个成本本的70％。48虚拟产品品设计虚拟产品品模型是是由分布布的、不不同工具具开发的的、甚至至异构的的子模型型组成的的模型联联合体：：产品的CAD模型产品的外外观表示示模型产品的功功能和性性能仿真真模型产品的各各种分析析模型产品的使使用和维维护模型型环境模型型；49虚拟产品品设计在产品全全生命周周期中的的虚拟产产品模型型需求样机机概念样机机工程样机机最终样机机需求论证概念设计详细设计生产/装配维护50虚拟产品品设计需求样机机是根据用用户需求求建立的的未来产产品的可可视化和和数字化化描述，，描述产产品功能能和外部部行为的的结构模模型进行未来来产品的的功能仿仿真，给给设计部部门演示示和说明明产品功功能的具具体要求求和使用用环境给出未来来产品的的性能要要求及其其粗略框框架，框框架由有有待填充充、细化化和完善善的功能能模块组组成51虚拟产品品设计概念样机机是根据需需求样机机的要求求，对所所提出未未来产品品的方案案设想的的可视化化和数字字化描述述细化了功功能模块块和模块块间的信信息流动动关系为产品的的性能和和外部行行为提供供物理细细节和更更详细的的可视化化描述对产品的的可制造造性、可可装配性性及其可可维护性性进行概概略评估估52虚拟产品品设计53虚拟产品品设计工程样机机是概念样样机的进进一步细细化，主主要由产产品的各各种物理理性能模模型、CAD模型以及及其他模模型（成成本、维维护等））组成开展产品品的各种种仿真试试验工作作，评估估详细设设计方案案的优缺缺点，以以及可制制造性、、可装配配性、可可维护性性等根据评估估结果，，对产品品的开发发和生产产进度、、成本、、质量提提出更为为全面的的要求54虚拟产品品设计最终样机机：在产品生生产、装装配和使使用前，，虚拟样样机在工工程上基基本定型型。原型型样机是是将原有有样机与与实际使使用环境境相结合合，检验验产品的的实际使使用效果果，评估估进一步步改进设设计方案案的可能能性加入可靠靠性模型型、维护护模型和和可用性性模型，，支持产产品的虚虚拟维护护加入虚拟拟仿真模模型和操操作模型型，支持持产品的的使用训训练模拟拟55虚拟产品品设计功能展示示56热分析主轴箱热热场分布布（6000rpm)57热分析主轴箱热热变形仿仿真（6000rpm)58静刚度分分析59静刚度分分析60X方向静刚刚度Z方向静刚刚度静刚度分分析61Y方向静刚刚度模态分析析62阶数12345实验210.18265.60477.85627.69711.22仿真211.86282.01492.03666.94724.5误差0.0080.0620.0920.0620.066第1阶模态第2阶模态工作台模模态模态分析析63阶数12345实验205.763210.468388.300429.552441.902仿真197.56203.68384.16427.85435.6误差0.0400.0320.0100.0040.014第1阶模态第2阶模态床鞍模态态模态分析析阶数123456实验198.774289.192367.835399.902431.567499.437仿真166.42292.69334.18399.1415.9487.42误差0.1630.0120.0910.0020.0360.024第1阶模态第2阶模态床身模态态模态分析析65阶数12345实验360.852411.689414.451496.205514.923仿真355.33406.9413.93484.98506.07误差0.0150.0110.0010.0220.017第1阶模态第2阶模态第3阶模态立柱模态态模态分析析66阶数123实验517.947828.471879.311仿真611.08724.71792.33误差0.1800.1250.099第1阶模态第2阶模态第3阶模态主轴箱模模态模态分析析67整机测试试点数：：541；床身：：143，立柱：：152，床鞍：：60，工作台台：92，铣头箱箱：94；采用8个三向加加速度传传感器、、9个单向加加速度传传感器对对整机进进行了测测试，并并将9个单向传传感器每每三个拼拼成一个个三向传传感器；；立柱上布布置有3个传感器器，其余余每个零零件上布布置2个传感器器。模态分析析68第1阶模态振型描述述：铣头头箱带动动立柱上上下摆动动(绕X轴)实验44HZ，仿真50HZ第2阶模态振型描述述：立柱柱和铣头头箱左右右摆动(绕Y轴)实验52HZ，仿真92HZ模态分析析69第3阶模态振型描述述：工作台和和床鞍的的摆动，，铣头箱箱小幅摆摆动实验92HZ，仿真134HZ第4阶模态振型描述述：铣头箱绕绕立柱旋旋转（绕绕Z轴旋转））实验127HZ，仿真141HZ模态分析析70第1阶第2阶第3阶第4阶实验43.69362.17392.299127.224仿真50.34392.17134.18141.38误差15％48％45％11％产生误差差的主要要原因在在结合面面的特性性参数模态分析析71多体系统统动力学学分析多体系统统动力学学：包括多刚体系系统动力力学和多柔体系系统动力力学。多体系统统动力学学是研究究多体系系统（一一般由若若干个柔柔性和刚刚性物体体相互连连接所组组成）运运动规律律的科学学。汽车可操操作性和和乘坐舒舒适性仿仿真：汽车可操操作性仿仿真是指指利用整整车动力力学模型型，当操操作人员员在采用用各种不不同驾驶驶方法的的情况下下，对车车辆的侧侧倾稳定定性进行行仿真研研究。72多体动力力学分析析以汽车前前、后悬悬架及转转向机构构为主的的多体动动力学模模型73多体动力力学分析析增加发动动机、车车身后的的整车多多体动力力学模型型74结构分析析传统的有有限元分分析方法法（FEA))利用有限限元分析析方法对对关键机机械结构构件进行行应力、、应变的的分析，，其负载载往往是是静态的的。(2)耐疲劳性性分析将多体动动力学仿仿真分析析得到的的动态负负载，用用于随后后的机械械结构有有限元分分析。75流体动力力学分析析汽车外部部空气动动力学仿仿真:汽车外部部空气动动力学对对汽车安安全性、、稳定性性和汽车车油耗都都有重要要的影响响。丰田、宝宝马、福福特等公公司现在在都已经经采用仿仿真技术术对新设设计的汽汽车进行行外部空空气动力力学和空空气声学学的研究究，以取取代或者者部分取取代利用用实物样样车进行行风洞测测试的方方法，达达到缩短短设计时时间，降降低成本本的目的的。76流体动力力学分析析车厢内部部制冷、、加热仿仿真；采暖、通通风和空空调（HVAC）单元仿仿真;功率系（（power-train）相关零零部件的的优化。。如发动机机进气、、排气歧歧管，尾尾气排放放系统中中消声器器和催化化变换器器，发动动机头部部冷却罩罩等的优优化。77运动学分分析78控制系统统分析控制系统执行机构受控系统控制目标控制信号反馈信号首先基于于简化的的被控系系统模型型，设计计控制算算法，构构建控制制系统；；利用仿真真分析被被控系统统的性能能（如导导弹的反反应时间间、跟踪踪精度等等）。79控制系统统分析80虚拟加工工加工过程程仿真：：包括切削削过程仿仿真、焊焊接过程程仿真、、冲压过过程仿真真、浇注注过程仿仿真等。。几何仿真真：从纯几何何角度出出发，将将刀具和和工件看看作刚体体，不考考虑力、、变形等等。力学仿真真：从力学角角度出发发，对动动态力（（切削力力）、变变形、切切削热等等仿真。。虚拟加工工：虚拟制造造环境下下对产品品对象实实现几何何形状及及物理性性能变化化的过程程。是真真实加工工过程在在虚拟环环境下的的映射。。81虚拟加工工虚拟加工工过程构构成82虚拟加工工虚拟加工工仿真系系统83虚拟加工工84虚拟加工工85虚拟加工工86切削加工工有限元元分析软软件MarcA