虚拟制造讲稿

【P3】问题提出传统的制造系统，制造周期长、投资大、制造成本高、柔性差，对于市场需求动态调整慢。信息技术的发展加快了知识的传递，提高了各领域信息的更新频率，使得产品的生命周期变短，加之用户对于产品个性化的追求，一切因素使得市场变幻莫测。信息和知识的高速发展，要求制造企业以最短的产品开发时间（Time）,最优的产品质量（Quality）,最低的成本和价位（Cost）,最优的服务（Service）,最清洁的环境（Environment）和快速的市场适应性（Flexibility）一—QTCSEF来赢得用户和市场，实现可持续快速发展。实现这一目标要求人们将制造技术与飞速发展着的系统科学、计算机科学、虚拟现实、人工智能等先进技术有机融合，形成全新概念的具有信息化、自动化、智能化、敏捷化等特点的现代虚拟制造（VirtualManufacturing,VM）技术。【P4】概念“虚拟制造”中的“制造”是广义的制造，即一切与产品相关的活动和过程（“大制造”，BigManufacturing）,这是相对于传统的狭义制造（“小制造”,SmallManufacturing）而言的。“虚拟制造”中的“虚拟"（Virtual）含义则是：这种制造技术虽然不是真实的，但却是“本质上的”，也就是说，“虚拟制造”就是在计算机上实现制造的本质内容”。实际上，虚拟制造最终提供的是一个强有力的建模与仿真环境，使得产品的规划、设计、制造、装配等均可以在计算机上实现，且对涉及生产过程的方方面面（从车间加工到企业经营过程）提供支持。【优势】L在飞机实际生产前,在不消耗资源和能量的情况下,验证生产方案。在虚拟制造环境中,工程技术人员可以直接进行试装配,进行各项实验,检查船舶各方面的技术性能等一系列的验证工作，.涉及组织、设备、材料、资金等，一般很难用完整的数学的参数化模型来描述船舶生产过程中各种因素之间的关系。.工程技术人员在原型库中查询出类似的船舶或分段,将它调出进行修改,生成新的船舶。这样工程技术人员可以充分重用己有设计,提高设计的柔性,减少设计时间，降低设计成本。4,可以缩短生产周期，提高可负担性、可生产性、提高柔性和快速响应能力,加强与用户的联系。生产方案的实施往往涉及到大量的资金投入,风险很大,稍有不慎就会给企业带来巨大的经济损失。当前市场竞争日益激烈，如何能够降低风险就成为企业关注的热点。【P5】特点【特点】L产品模型是产品信息在计算机上的表示，是产品信息的载体；过程模型是产品开发过程的计算机表示，包括设计过程、工艺规划过程、加工制造过程、装配过程、性能分析过程等；活动模型主要是针对企业生产组织与经营活动建立的模型；资源模型是对企业的人力物力等信息的描述。.建立众多的适应各单项仿真技术的异构模型，如何合理地集成这些模型就成为虚拟制造成功的基础。.建立虚拟制造环境，目前普遍采用虚拟现实技术和可视化技术改善人机交互的手段。【P6】关键技术定义沉浸：指用户感觉其视点或身体的某一部分处于计算机生成的空间之中。虚拟现实系统包括操作者、机器和人机接口3个基本要素，其中“机器”是指安装了适当的软件程序，用来生成用户与之交互的虚拟环境的计算机，“人机接口”则是指将虚拟环境与操作者连接起来的传感与控制装置。采用数据手套进行手势输入和识别，采用头盔显示器进行立体图像的抽出和视点改变，采用麦克风进行语音输入并通过语义的识别和转化完成人机交互等。【P7】传统装配问题一是产品的设计有误无法进行装配,这往往会导致产品的重新设计，二是装配的过程不合理,需要重新调整装配过程。在零部件装配过程中，其运动机构的空间干涉问题历来都是令机械设计工程师深感头疼的事。由于二维作图很难进行干涉检查，过去，为在这方面做出较好的权衡，需要建立小比例（或者是全比例）的产品物理模型，用原型来支持设计人员进行讨论。技术人员希望能有直观的原型，到现场进行实际装配检查，发现问题后回到实验室进行修改，再到现场进行装配检查，直到消除于涉为止。这样做得结果是花费了大量的时间和费用，在很大程度上降低了设计效率，增加产品开发的成本。【P8】概念使装配人员通过虚拟现实的交互手段进人VAE,利用人的智慧直觉地进行产品的装配、拆卸操作，用计算机来记录人的操作过程，以确定产品的装、拆顺序和路径。【P9】步骤1）设计者根据用户需求、市场分析和方案论证等设计信息在CAD系统（如Pro/E、SolidWork、MDT、UG、SolidEdge、3DMAx）下进行产品的零部件建模设计。2）预处理CAD系统生成的零部件模型。虚拟装配环境系统中的预处理程序自动创建对象结构，提取零部件的有关属性，包括可视属性、几何属性、公差、位里、装配约束等，并将其转换为虚拟装配设计环境下的基于约束与求解的装配模型。3）在虚拟装配设计环境下对零部件进行静态干涉检查，以确定零部件的有效性。对未能通过静态干涉检查的零部件将返回实体造型模式进行几何修改。零部件通过静态干涉检查后，设计者借助虚拟外设，实现与虚拟装配设计环境（VADE）中装配设计信息的传递与交流，引导装配操作。零部件的动态干涉检查在装配操作的同时进行，若产生动态干涉则修改装配路径或零部件装配顺序，如果经过多次修改装配路径和顺序仍产生动态干涉的零部件要返回实体造型模式进行几何修改。同时对操作过程中装配信息进行提取、分析，并反馈给CAI）系统，为产品的再设计提供支持。如此循环，直至虚拟产品按照最优装配规划装配成型。）对操作中的装配信息进行记录，并输出优化后的装配顺序、装配路径、装配时间表等装配信息。【P11】关键技术产品装配建模是虚拟装配设计的重要环节。模型的优劣直接影响到设计系统后续工作的效率，故而建立一个集成度高、信息完善的装配模型具有重要的意义。典型模型是二叉树模型。二叉树模型主要是将一个装配体表示成一棵二叉树，其中树的根节点表示用户最终需要的装配体，非叶节点表示子装配体，子装配体是由零件或者子装配体构成，零件在这个树状结构中是用最低层的叶结点表示。允许一个零件节点即叶节点有多个父亲，表示同一个零件可在同一个装配体中引用多次。同时规定非叶节点的左子女作为基体，它位置不发生变换，变换矩阵只作用它的右子女。此模型具有描述简单、操作方便、容易维护、存贮量小的优点，这对于常见零件装配具有很重要的意义。【P12】关键技术2装配序列在机械产品装配中，一组零件或子装配体的装配顺序起着关键的作用。装配同一产品可以用不同的装配顺序，这些不同的装配顺序形成了不同的装配序列。按照某些装配序列，可以较顺利地组织装配，最终达到设计要求；而有些装配序列的采用，由于各种原因，却不能达到指定的装配目标。首先装配序列的推导过程是一正向推理过程，而拆装过程是一逆向推理过程，处于装配状态的机械零件具有更多的约束，零件拆装方向比装配方向具有较小的选择余地；其次，拆装是从装配体中拆除零件，并移出装配体的过程。这一几何推理过程可运用各种几何推理技术进行求解。【P13】关键技术3装配仿真采用虚拟装配技术是为了在设计阶段就验证零件之间的配合性和可装配性，保证设计的正确性。【P14】飞机制造的应用传统的飞机研制模式按飞机研制开发的过程顺序完成，每一过程的开始都以上一个过程的结束为前提，即“串行式”工作方式，各个过程之间基本上是独立的，彼此缺乏信息的交流。这种方式有以下弊端：产品研制周期长，设计产品的可生产性差、可装配性也不理想。为消除这些弊端，工程设计人员采用了并行工程工作方式。对于产品的研制，它特别强调在设计阶段应全面考虑产品生命周期内各个阶段对产品的设计需求，把一切可能产生的错误和矛盾尽可能及早发现，以缩短产品开发周期，使产品在设计阶段便具有良好的可制造性和可装配性，降低产品成本，提高产品质量。【P15】飞机制造的应用在飞机研制过程中，根据飞机研制的特点,可以将虚拟装配技术应用于飞机设计的过程划分为3个阶段(总体设计阶段、装配设计阶段、详细设计阶段)实现虚拟装配的核心环节：(1)建立主模型。在飞机总体气动外形确定后，分层次、分阶段建立产品主模型。整个产品设计的全过程中，主模型可以保证数据结构完整一致，实现CAD/CAE/CAM系统的高度集成。(2)装配空间区域分解。飞机设计过程中涉及的零部件往往数以百万计，需建立的零部件模型数量庞大,要将全机零部件模型在一个模型空间中体现几乎是不可能的。为此,在飞机三维实体模型设计时,采用按设计区域划分装配单元的方法来解决。(3)装配层次划分。飞机结构是由具有层次关系的零部件组成的复杂系统。体现在飞机结构中，一个部件可以分解为若干个零件和子部件,一个子部件又可以分解为若干个更下一层的零件和子部件。采用二叉树模型，按照逻辑依附关系确定之间的父子关系，从而实现装配设计层次的划分(4)建立装配约束。对飞机设计中几何模型间的关系进行控制和管理。通过约束管理,可使飞机设计或飞机改进、改型设计等重复过程中零部件模型特定的装配关系或约束得以保存,而与对模型所进行的修改无关。(5)干涉分析。装配设计完成后，需要进行初步的干涉分析。实现的方法是:对装配设计中的零部件模型进行布尔求交运算,若有交集存在,则说明零部件模型间存在干涉,所设计零部件不能保证可靠装配,必须根据零部件干涉的部位和程度修改原设计。1基于CATIA/CAA的虚拟装配在CATIA中，产品文件的数据量比零件的小得多，这是因为产品实际上只告诉主程序呼叫哪些零件的文件，以及这些文件之间的相对位置。因此，若在装配时有修改零件实体的情况，例如隐藏某些参考平面、修改某些零件的尺寸等，这些变动会经由动态链接存储到零件各自的文件中。这种动态链接是可逆的，当打开某一个零件的文件做出修改操作时，产品也会实时产生相应的变化，故可以一边进行装配一边进行修改。2基于UG的虚拟装配UG中的虚拟装配是由其中的ASSEMBLY(装配)模块完成的。UG虚拟装配设计有自底向上(Bottom-up)设计和自顶向下(Top-down)设计2种。其中前者是指在设计过程中，先设计单个零部件，在此基础上进行装配生成总体设计。这种装配建模需要设计人员交互给定配合构件之间的配合约束关系，然后由UG系统自动计算构件的转移矩阵，并实现虚拟装配。然而，交互给定构件之间的配合约束关系不仅费事，并且当构件之间的配合较多时，容易出现约束不当或约束出错等情况。也只有在进行装配时才能发现零件设计是否合理，一旦发现问题，就要对零件重新设计，重新装配，发现问题再进行修改，而Top-down的设计方式正避免了以上缺点，可以方便、直接地进行设计。3PRO/E环境下的虚拟装配PRO/E的装配模式提供了并行的、自下而上的、自上而下的产品开发方法。PRO/E具有单一数据库的特性，不管如何编辑零部件和在何处编辑零部件，整个装配部件保持关联性，如果修改整个零部件，则引用它的装配件自动更新，反映零部件的最新变化。在PRO/E中建立装配关系是用贴合、平面和基准面对齐，坐标系各个轴相互对齐等约束命令将所有的零部件按要求装配在一起。1)自顶向下的装配自顶向下的设计过程,是从产品功能要求出发,先设计出初步方案及其结构草图，建立约束驱动的产品模型;通过设计计算，确定每个设计参数,然后进行零件的详细设计，通过几何约束求解将零件装配成产品;对设计进行不断的修改,直到得到满足功能要求的产品。这种设计过程能充分利用计算机的优良性能,最大限度地发挥设计人员的设计潜力。自顶而下的装配设计更适合新产品的开发设计过程,它从概念设计开始，使产品在设计过程中不断完善。2)自底向上的装配这种设计方法是传统的方