虚拟制造技术-(2)教学内容

虚拟制造技术-(2)2023/1/13usst吴恩启2虚拟制造：VirtualManufacturing(VM)虚拟制造是实际制作过程在计算机上的本质实现。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，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，以及企业各级过程的管理与控制等制造的本质过程;目的：增强制造过程各级决策与控制能力虚拟制造技术可以对想像中的制造过程进行仿真，不消耗现实物质资源，所进行的过程是虚拟的，产品也是虚拟的。什么是虚拟制造

2023/1/13usst吴恩启3什么是虚拟制造？

实际制造过程虚拟制造过程虚拟制造和实际制造的区别？2023/1/13usst吴恩启4主要内容1.1虚拟制造技术产生的背景1.2

虚拟制造技术的分类1.3

虚拟制造的相关技术1.4

虚拟制造技术的应用1.5

虚拟制造技术的研究现状1.6

虚拟制造技术对企业的作用2023/1/13usst吴恩启51.1虚拟制造技术产生的背景1.制造业经营策略的变迁2023/1/13usst吴恩启61.1虚拟制造技术产生的背景2.虚拟制造技术的由来随着经济的全球化和社会的信息化，市场竞争日益激烈，顾客需求日趋多样化。制造业为了在竞争激烈的全球市场求得生存与发展，必须能够更好地满足市场所提出的T、Q、C、S要求，来赢得市场与用户．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．最短的产品开发周期(Time)，最优质的产品质量（Quality），最低廉的制造成本（Cost）最好的技术支持与售后服务（Service）

．2023/1/13usst吴恩启71.1虚拟制造技术产生的背景为了提高竞争能力，企业应当能够对市场需求的变化作出快速敏捷的反应，并及时地对自身的生产作出合理的调整与重新规划．计算机软硬件技术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，90年代中有许多新概念、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，产品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，提高了企业的快速响应和市场开拓能力2023/1/13usst吴恩启81.2虚拟制造技术分类以设计为中心的VM以生产为中心的VM以控制为中心的VM2023/1/13usst吴恩启9以设计为中心的VMDesign-CenteredVM强调以统一制造信息模型为基础，对数字化产品模型进行仿真与分析、优化，进行产品的结构性能、运动学、动力学、热力学方面的分析和可装配性分析，获得对产品的设计评估与性能预测结果，以便作出正确决策。主要技术包括特征造型、面向数学的模型设计以及加工过程仿真技术。主要应用领域包括造型设计、热力学分析、运动学分析、动力学分析和加工过程仿真等。2023/1/13usst吴恩启10以生产为中心的VMProduction-CenteredVM

在企业资源的约束条件下，对企业的生产过程进行仿真，对不同的加工过程及其组合进行优化。它对产品的“可生产性”进行分析与评价，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与调度进行合理化决策。主要技术包括虚拟现实技术和嵌入式仿真技术主要应用领域包括工厂或产品的物理布局及生产计划的编排2023/1/13usst吴恩启11以控制为中心的VMControl-CenteredVM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。其目标是实际生产中的过程优化，改进制造系统主要支持技术有：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。1.2虚拟制造技术分类三种虚拟制造的区别：以设计为中心的VM为设计者提供了一个设计产品和评估可制造性的环境，在设计中的潜在问题能够被发现;以生产为中心的VM为工艺计划和生产计划的生成、工艺资源的要求以及对这些计划的评价提供了一个环境，它能够更精确地提供成本信息和产品的供给计划，仿真实际生产的能力;以控制为中心的VM为设计者提供了一个用以评估新产品或改进的设计以及与车间生产相关的活动的环境，它为优化制造过程和提高制造系统提供了信息。2023/1/13usst吴恩启122023/1/13usst吴恩启131.3虚拟制造的相关技术2023/1/13usst吴恩启14虚拟制造的核心技术：建模技术仿真技术虚拟现实技术可制造性评价1.3虚拟制造的相关技术2023/1/13usst吴恩启15建模技术模型化处理是计算机通过抽象来表达客观事物的主要方法。因此要使系统协调的工作，首先就要为系统建模，在产品设计阶段或产品制造之前，实时地并行地模拟出产品的未来制造全过程极其对产品设计的影响，并在计算机上虚拟地运行。建模包括：生产模型、产品模型和工艺模型的信息体系结构。2023/1/13usst吴恩启16建模技术生产模型：归纳为静态描述和动态描述两个方面。静态描述是指系统生产能力和生产特性的描述。动态描述是指在已知系统状态和需求特性的基础上预测产品生产的全过程。产品模型：是制造过程中，各类实体对象模型的集合。目前产品模型描述的信息有产品结构明细表、产品形状特征等静态信息。虚拟制造下的产品模型不再是单一的静态特征模型，它能通过映射、抽象等方法提取产品实施中各活动所需的模型工艺模型：将工艺参数与影响制造功能的产品设计属性联系起来。以反应生产模型与产品模型之间的交互作用。工艺模型必须具备以下功能：计算机工艺仿真、制造数据表、制造规划、统计模型以及物理和数学模型。2023/1/13usst吴恩启17仿真技术仿真技术应用计算机对复杂的现实系统经过抽象和简化形成系统模型，然后在分析的基础上运行此模型，从而得到系统一系列的统计性能。仿真以系统模型为对象的研究方法，不干扰实际生产系统；可利用计算机的快速运算能力，用很短时间模拟实际生产中需要很长时间的生产周期计算机还可以重复仿真，优化实施方案。因此可以缩短决策时间，避免资金、人力和时间的浪费2023/1/13usst吴恩启18仿真技术仿真的基本步骤为：研究系统→收集数据→建立系统模型→确定仿真算法→建立仿真模型→运行仿真模型→输出结果并分析产品制造过程仿真，可归纳为制造系统仿真和加工过程仿真。虚拟制造系统中的产品开发涉及到产品建模仿真、设计过程规划仿真、设计思维过程和设计交互行为仿真等，以便对设计结果进行评价，实现设计过程早期反馈，减少或避免产品设计错误。加工过程仿真，包括切削过程仿真、装配过程仿真，检验过程仿真以及焊接、压力加工、铸造仿真等2023/1/13usst吴恩启19虚拟现实技术

虚拟现实技术是在为改善人与计算机的交互方式，提高计算机可操作性中产生的，它是综合利用计算机图形系统、各种显示和控制等接口设备，在计算机上生成可交互的三维环境中提供沉浸感觉的技术。虚拟现实系统包括操作者、机器和人机接口三个基本要素。它不仅提高了人与计算机之间的和谐程度，也成为一种有力的仿真工具。利用VRS可以对真实世界进行动态模拟，通过用户的交互输入，并及时按输出修改虚拟环境，使人产生身临其境的沉浸感觉。2023/1/13usst吴恩启20可制造性评价在给定的设计信息和制造资源等环境信息和制造资源等环境信息的计算机描述下，确定设计特性(如形状、尺寸、公差、表面精度等)是否是可制造的。如果设计方案是可制造的，确定可制造性等级，即确定为达到设计要求所需加工的难易程度；如果设计方案是不可制造的，判断引起制造问题的设计原因，如果可能，则给出修改方案。2023/1/13usst吴恩启21可制造性评价可制造性的评价方法可分为两类：①基于规则的方法，即直接根据评判规则，通过对设计属性的的评测来给可制造性定级；②基于方案的方法，即对一个或多个制造方案，借助于成本和时间等标准来检验是否可行或寻求最佳。通过引用工艺模型和生产系统动态模型，成熟的虚拟制造系统应能精确的预测技术可行性、加工成本、工艺质量和生产周期等。2023/1/13usst吴恩启221.4虚拟制造技术的应用虚拟产品设计虚拟产品制造虚拟生产过程虚拟企业产品展示2023/1/13usst吴恩启231.4虚拟制造技术的应用虚拟产品设计飞机、汽车的外形设计，其形状是否符合空气动力学原理，运动过程中的阻力，其内部结构布局的合理性。在复杂管道系统设计中，采用虚拟技术，设计者可以“进入其中”进行管道布置，并可检查能否发生干涉。在计算机上的虚拟产品设计，不但能提高设计效率，而且能尽早发现设计中的问题，从而优化产品的设计。例如美国波音公司投资40亿美元研制波音777喷气式客机，从1990年10月开始到1994年6月仅用了3年零8个月时间就完成了研制，一次试飞成功，投入运营。波音公司分散在世界各地的技术人员可以从777客机数以万计的零部件中调出任何一种在计算机上观察、研究、讨论，所有零部件均是三维实体模型。可见虚拟产品设计给企业带来的效益2023/1/13usst吴恩启241.4虚拟制造技术的应用虚拟产品设计虚拟产品制造应用计算机仿真技术，对零件的加工方法、工序顺序、工装的选用、工艺参数的选用，加工工艺性、装配工艺性、配合件之间的配合性、连接件之间的连接性、运动构件的运动性等均可建模仿真，可以提前发现加工缺陷，提前发现装配时出现的问题，从而能够优化制造过程，提高加工效率。2023/1/13usst吴恩启251.4虚拟制造技术的应用虚拟产品设计虚拟产品制造虚拟生产过程产品生产过程的合理制定、人力资源、制造资源、物料库存、生产调度、生产系统的规划设计等，均可通过计算机仿真进行优化，同时还可对生产系统进行可靠性分析，对生产过程的资金进行分析预测，对产品市场进行分析预测等，从而对人力资源、制造资源的合理配置，对缩短产品生产周期，降低成本意义重大。

2023/1/13usst吴恩启261.4虚拟制造技术的应用虚拟产品设计虚拟产品制造虚拟生产过程虚拟企业

虚拟企业建立，最重要的原因是因为各企业本身无法单独满足市场需求，迎接市场挑战。因此，为了快速响应市场的需求，围绕新产品开发，利用不同地域的现有资源、不同的企业或不同地点的工厂，重新组织一个新公司。该公司在运行之前，必须分析组合是否最优，能否协调运行，并对投产后的风险、利益分配等进行评估。这种联作公司称为虚拟公司，或者叫作动态联盟，是一种虚拟企业，它具有集成性和实效性两大特点的经济实体。虚拟企业的主要基础是：建立在先进制造技术基础上的企业柔性化；在计算机上制造数字化产品，从概念设计到最终实现产品整个过程的虚拟制造；计算机网络技术

2023/1/13usst吴恩启271.4虚拟制造技术的应用虚拟产品设计虚拟产品制造虚拟生产过程虚拟企业产品展示2023/1/13usst吴恩启281.5虚拟制造技术的研究现状1.国外：以美国为首的西方工业国家成立了相应的虚拟制造研究机构，在95年前已基本完成应用基础技术的研究，建立了虚拟制造技术体系，正向实际应用全面过渡。美国处于国际研究的前沿：美国Maryland大学系统研究学院CIM实验室：主要以CIM领域的最新技术为研究主题，范围覆盖工厂层和车间层问题。研究重点则是在复杂制造系统的建模工具开发和应用及用于产品开发全过程的并行工程工具的开发和应用。该室自1994年起开始虚拟制造的研究，提出了三个中心的虚拟制造分类方法，获得国际学术界认同，其虚拟制造web站点在虚拟制造领域具有较高知名度。

2023/1/13usst吴恩启291.5虚拟制造技术的研究现状1.国外：以美国为首的西方工业国家成立了相应的虚拟制造研究机构，在95年前已基本完成应用基础技术的研究，建立了虚拟制造技术体系，正向实际应用全面过渡。美国处于国际研究的前沿：美国Michigan大学虚拟现实实验室：主要集中于虚拟环境的工业应用方面。他们关注的是工程设计的虚拟原型构筑（virtualprototyping），这方面的工作特别针对汽车和海洋工业应用；其次是制造过程的仿真以及相关的工程应用。另外，也包括虚拟现实在事故仿真、医学、建筑、考古、教育和其它领域的应用。2023/1/13usst吴恩启301.5虚拟制造技术的研究现状1.国外：以美国为首的西方工业国家成立了相应的虚拟制造研究机构，在95年前已基本完成应用基础技术的研究，建立了虚拟制造技术体系，正向实际应用全面过渡。美国处于国际研究的前沿：美国东北大学虚拟环境实验室：主要开展的是车辆驾驶员虚拟环境的研究。从事的项目有：基于虚拟环境的驾驶仿真器，用户角度出发的道路和交通状况的动态可视化研究，恶劣环境（强光、雨天和大雾）适用的驾驶仿真器，高速公路驾驶仿真等一系列与驾驶有关的虚拟环境研究项目。2023/1/13usst吴恩启311.5虚拟制造技术的研究现状1.国外：以美国为首的西方工业国家成立了相应的虚拟制造研究机构，在95年前已基本完成应用基础技术的研究，建立了虚拟制造技术体系，正向实际应用全面过渡。美国处于国际研究的前沿：美国伊利诺斯大学芝加哥分校机械系工业虚拟现实研究所：主要从事工业与制造应用相关的，尤其是与制造设计、工艺处理、后勤学、运输与发售、决策支持等相关的虚拟现实技术研究。主要项目有：工厂及工艺过程模型、远程工程和产品仿真。2023/1/13usst吴恩启321.5虚拟制造技术的研究现状1.国外：以美国为首的西方工业国家成立了相应的虚拟制造研究机构，在95年前已基本完成应用基础技术的研究，建立了虚拟制造技术体系，正向实际应用全面过渡。美国处于国际研究的前沿：美国波音-麦道飞机制造公司：是世界航空航天制造领域的领头羊，因而也是不断提出新的制造理念和尝试新的制造技术的先驱。在继成功应用并行工程技术后，又采用虚拟制造技术成功地将整机产品的设计周期大大缩短。在与麦道公司合并后，公司实力进一步加强，成为世界头号飞机制造公司，其新技术的应用推广力度也必将更上一个台阶2023/1/13usst吴恩启331.5虚拟制造技术的研究现状1.国外：以美国为首的西方工业国家成立了相应的虚拟制造研究机构，在95年前已基本完成应用基础技术的研究，建立了虚拟制造技术体系，正向实际应用全面过渡。英国Bath大学机械工程系：其虚拟制造研究的主要侧重点在支持虚拟制造的CAD/CAM仿真软件的开发应用方面。主要的成就在于用OpenInventor2.0软件工具开发出了基于自己的Svlis几何造型工具的虚拟制造系统

英国Leeds大学计算机研究学院：研究主要集中在虚拟原型的构造和仿真以及可视化技术方面。日本大坂大学机械工程系制造工程及系统研究室：从事虚拟制造系统，三维建模，并行处理及虚拟现实等方面的研究。2023/1/13usst吴恩启341.5虚拟制造技术的研究现状1.国外：主要实例：美国福特和克莱斯勒公司运用虚拟产品开发技术，使汽车开发周期由原来的36个月缩短为24个月；波音公司设计的777型大型客机，从8年缩短到5年，成本降低了25%左右。在设计制造RAH-66直升机时，节省了11590ｈ的试飞时间，节约经费6.73亿美元。2004年“勇气号”和“机遇号”火星探测器成功登录火星，虚拟制造技术在该项目研制中起了重要的作用，许多设计、试验和仿真都是在虚拟样机上完成的。德国奔驰公司利用虚拟制造技术，使车体喷漆的设计时间缩短了30%～40％。2023/1/13usst吴恩启351.5虚拟制造技术的研究现状国内：由于虚拟制造技术出现较晚，研究机构还很少清华大学CIMS工程研究中心虚拟制造研究室，是国内最早开展虚拟制造研究的机构之一，主要研究方向是虚拟产品开发西安交通大学CAD/CAM研究所主要研究以网络为中心的创新设计与全球制造(包括创新技法、信息共享、知识发掘、远程设计与制造模式)上海交通大学CIMS研究所、北京航空航天大学和浙汀大学等也进行了部分虚拟制造技术的研究2005年3月，上海理工大学宣布成立了虚拟制造技术研究院。据不完全统计，目前全国已有30多家科研机构、高等院校和企业正在开展VM技术方面的研究2023/1/13usst吴恩启361.5虚拟制造技术的研究现状国内主要研究方向：虚拟制造基础研究：虚拟制造涉及的技术领域极其广泛，不是各单项技术的简单组合，而是在相关理论和已积累知识的基础上对制造知识的系