第6章-虚拟制造技术-先进制造技术课件

第1章绪论第2章制造自动化技术第3章微细加工技术第4章快速原型技术第5章工业机器人第6章虚拟制造技术第7章纳米技术第8章压电驱动与控制技术第9章绿色制造技术第六章虚拟制造技术VirtualManufacturingTechnology第六章

6.1概述Introduction内容一、虚拟制造的定义二、虚拟制造的分类三、虚拟制造系统的体系结构四、虚拟制造的关键技术五、虚拟制造技术在制造业中的应用虚拟制造技术就是利用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，采用群组协同工作，通过模型来模拟和预测产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题，实现产品制造的本质过程，包括产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检测等，并进行过程管理和控制。一、虚拟制造的定义虚拟制造最终提供的是一个强有力的建模与仿真环境，使得产品产品规划、设计、制造、装配等均可在计算机上实现，且对涉及生产过程的各个方面（从车间加工到企业经营）提供支持。

虚拟制造一、虚拟制造的定义广义的制造（大制造）

一切与产品相关的活动和过程，包括直接制造过程和间接制造过程

即“虚拟”的含义是指：这种制造技术虽然不是真实的，但却是本质上的，即虚拟制造是产品实际制造过程在计算机上的模拟实现，它通过计算机来实现制造的本质内容。

一、虚拟制造的定义虚拟制造最终提供的是一个强有力的建模与仿真环境，使得产品产品规划、设计、制造、装配等均可在计算机上实现，且对涉及生产过程的各个方面（从车间加工到企业经营）提供支持。虚拟制造要求对整个制造过程进行统一建模，一个广义的制造过程不仅包括设计和制造，还包含了对企业生产活动的组织与控制。二、虚拟制造的分类1．以设计为中心的虚拟制造又称为“面向设计的虚拟制造”，它把制造信息引入到产品设计全过程，利用仿真技术优化产品设计，从而在设计阶段就可以对所设计的零件甚至整机进行可制造性分析。包括加工过程的工艺分析、铸造过程的热力学分析、运动部件的运动学分析和动力学分析，甚至包括加工时间、加工费用、加工精度等的分析等。

以设计为中心的虚拟制造一般是在真三维环境下设计产品，模拟装配过程，实现产品的虚拟开发

二、虚拟制造的分类2．以生产为中心的虚拟制造又称为“面向生产的虚拟制造”，它是在生产过程模型中融入仿真技术，以此来评估和优化生产过程，以便低费用、快速地评价不同的工艺方案、资源需求规划和生产计划等。

其主要目标是对产品的“可生产性”进行评价，对制造资源和环境进行优化组合，从而提供更为精确的生产成本信息，对组织生产进行合理化决策。二、虚拟制造的分类3．以控制为中心的虚拟制造又称为“面向控制的虚拟制造”，它将仿真技术加到控制模型和实际生产过程中，实现虚拟制造系统的组织、调度和控制策略的优化，以及人工现实环境下虚拟制造过程中的人机智能交互与协同，达到优化制造过程的目的。

其支持技术主要包括基于仿真的实时动态调度（对于离散系统）、基于仿真的最优控制（对于连续制造）等。其具体的实现工具是虚拟仪器，它利用计算机软硬件的强大功能，将传统的各种控制仪表、检测仪表的功能数字化，并可灵活地进行各种功能的组合。

面向控制的虚拟制造偏重于现实制造系统的状态、行为、控制模式和人机界面，二、虚拟制造的分类以设计为中心的虚拟制造以生产为中心的虚拟制造以控制为中心的虚拟制造“设计出来的产品是怎样”的问题

“这样组织生产是否合理”的问题

“应如何去控制”、“这样控制是否合理和最优”的问题

主要解决主要解决主要解决二、虚拟制造的分类三、虚拟制造系统的体系结构由于虚拟制造系统的复杂性，所构造的虚拟制造系统体系结构也不同。三、虚拟制造系统的体系结构虚拟制造的目标是对产品的“可制造性”、“可生产性”和“可合作性”进行决策支持。可制造性是指所设计的产品（包括零件、部件和整机）的可加工性（铸造、冲压、焊接、切削等）和可装配性

可生产性是指企业在已有资源（广义资源，如：设备、人力、原材料等）的约束条件下，如何优化生产计划和调度，以满足市场或顾客的要求

可合作性是指企业之间构建各种不同的动态联盟，从而对“敏捷制造”等制造模式提供支持。1．虚拟现实技术四、虚拟制造的关键技术虚拟现实技术（VirtualReality，VR）是指由计算机直接把视觉、听觉和触觉等多种信息合成，并提示给人的感觉器官，在人的周围生成一个三维的虚拟环境，从而把人、现实世界和虚拟空间结合起来融为一体，相互间进行信息的交流和反馈的技术。2．制造系统建模四、虚拟制造的关键技术制造系统是制造工程及其所涉及的硬件及其相关软件组成的具有特定功能的一个有机整体，其中硬件包括人员、生产设备、材料、能源和各种辅助装置，软件包括制造理论、制造技术（制造工艺和制造方法等）和制造信息等。3．虚拟产品开发四、虚拟制造的关键技术又称为产品的虚拟设计或数字化设计，主要包括实体建模和仿真两个方面，它是利用计算机来完成整个产品的开发过程，以数字化形式虚拟地、可视地、并行地开发产品，并在制造实物之前对产品结构和性能进行分析和仿真，实现制造过程的早期反馈，及早地发现和解决问题，减少产品开发的时间和费用。

4．制造过程仿真四、虚拟制造的关键技术具体的生产过程仿真又包括：加工过程仿真、装配过程仿真和检测过程仿真等。制造过程仿真可分为：制造系统仿真和具体的生产过程仿真。四、虚拟制造的关键技术加工过程仿真（虚拟加工）主要包括产品设计的合理性和可加工性、加工方法、机床和切屑工艺参数的选择以及刀具和工件之间的相对运动仿真和分析。装配过程仿真（虚拟装配）是根据产品的形状特征和精度特征，在虚拟环境下对零件装配情况进行干涉检查，发现设计上的错误，并对装配过程的可行性和装配设备的选择进行评价。检测过程仿真（虚拟检测）是模拟真实产品的检测过程，如零件几何尺寸和公差的检测。虚拟仪器是目前虚拟检测技术的研究热点。美国Boeing公司的波音777客机全面实现了数字化设计和制造五、虚拟制造技术在制造业中的应用我国研制的超七战机超七飞机全面采用数字化设计，利用CATIA、UG等软件对超七飞机230余项零部件进行结构设计、工艺模型设计、数控程序设计、虚拟加工仿真和数控加工。五、虚拟制造技术在制造业中的应用热加工工艺模拟虚拟样机与产品工作性能评测产品广告与漫游企业生产过程仿真与优化虚拟企业的可合作性仿真与优化五、虚拟制造技术在制造业中的应用虚拟制造技术应用效果比较明显的领域有：产品外形设计产品布局设计产品运动学和动力学仿真产品装配仿真加工过程仿真第六章

6.2虚拟产品建模技术VirtualModeling内容一、计算机几何建模技术二、计算机特征建模技术三、参数化建模和变量化建模技术1、几何建模的基本知识2、线框建模3、曲面建模4、实体建模一、计算机几何建模技术1、几何建模的基本知识1）几何建模的基本概念就是用计算机及其图形系统来表示和构造形体的几何形状，建立计算机内部模型的过程。

2）几何元素的定义几何信息的基本元素包括点、线、面、体等。

①点三种类型控制点：用来确定曲线和曲面的位置与形状，而相应曲线和曲面不一定经过的点。

型值点：用来确定曲线和曲面的位置与形状，而相应曲线和曲面一定经过的点。

插值点：为提高曲线和曲面的输出精度，在型值点之间插入的一系列点。

1、几何建模的基本知识②边

边是1维几何元素，是两个邻面(正则形体)或多个邻面(非正则形体)的交界。直线边由其端点(起点和终点)定界；曲线边由一系列型值点或控制点表示，也可用显式、隐式方程表示。1、几何建模的基本知识③面

面是二维几何元素，是形体上一个有限、非零的区域，由一个外环和若干个内环界定其范围。一个面可以无内环，但必须有一个且只有一个外环。面有方向性，一般用其外法矢方向作为该面的正向。若一个面的外法矢向外，此面为正向面；反之，为反向面。

④

体

体是三维几何元素，是由封闭表面围成的维数一致的有效空间。

体可分为1）正则形体：

2）非正则形体：把具有维数一致的边界定义的形体，称为正则形体。边界面的维数不一致的形体，称为非正则形体。其特征和正则形体正相反。1、几何建模的基本知识1、几何建模的基本知识正则形体具有良好的边界，如没有悬边、悬面、或一条边有两个以上的邻面等。

非正则形体实际上是不存在的且无法加工，因此建模中，应避免非正则形体的出现。

2、线框建模1）线框建模的原理利用基本线素来定义物体棱线部分的立体框架图。线框模型在计算机内部都是以边表、点表形式来描述和表达物体。顶点表边表边类型E1（V1，V2）直线V1（V1，V2）E2（V1，V2）直线V2（V1，V2）E3（V1，V2）半圆V3（V1，V2）E4（V1，V2）半圆物体的线框模型2、线框建模2）线框建模的特点①所需信息量最少，数据运算简单，运行速度快。②边与边之间没有联系（没有构成面的信息）③信息不完整，存在多义性。3、曲面建模1）表面建模的原理

表面建模(SurfaceModeling)，是通过对物体的各种表面或曲面进行描述的一种三维建模方法。

表面建模曲面建模平面建模：将形体表面划分成一系列多边形网格，每个网格构成一个小的平面，用这一系列小平面逼近形体的实际表面。主要介绍曲面建模3、曲面建模2）曲面建模的原理

表面建模(SurfaceModeling)，是通过对物体的各种表面或曲面进行描述的一种三维建模方法。

主要适用于不能用简单的数学模型进行描述的复杂物体型面。其重点是：由给出的离散点数据构成光滑过渡的曲面，使这些曲面通过或逼近这些离散点。3、曲面建模几种常用参数曲线(面)贝赛尔(Bezier)B样条孔斯(Coonns)非均匀有理B样条(NURBS)以贝赛尔(Bezier)曲面为例作简单介绍。3）贝赛尔(Bezier)曲线、曲面

Bezier曲线曲面是法国雷诺汽车公司的Bezier在1962年提出的一种以逼近为基础的构造曲线、曲面的方法。3、曲面建模

①Bezier曲线的定义下图所示为三次Bezier曲线的形成原理。

这是由四个位置矢量Q0、Q1、Q2、Q3定义的曲线。

通常将Q0、Q1、…、Qn组成的多边形折线称为Bezier控制多边形。多边形的第一条折线和最后一条折线代表曲线起点、终点的切线方向，其它顶点用于定义曲线的阶次和形状。3、曲面建模

Bezier曲线的数学表达式为：3、曲面建模Bi，n（t）－Bernstein（伯恩斯坦）基函数Qi―各顶点的位置矢量

Bernstein（伯恩斯坦）基函数：

Qi

构成该曲线的特征多边形。

Bernstein基函数即为曲线上各点位置矢量的调和函数。3、曲面建模

三次Bezier曲线(当n＝3时，即得三次Bezier曲线表达式)②Bezier曲线的表达式3、曲面建模

式中：3、曲面建模

矩阵表示为：工程设计中，三次Bezier曲线是应用最为广泛的曲线。3、曲面建模三次Bezier曲线的变换矩阵：3、曲面建模

③Bezier曲面a)双三次Bezier曲面的构建基本思想：用一个参数t描述的向量函数可以表示一条空间曲线，用两个参数u、v描述的向量函数就能表示一个曲面，因此，可以直接由三次Bezier曲线的定义推广到双三次Bezier曲面的定义。3、曲面建模如左图，四条Bezier曲线Pi(u)（i＝0,1,2,3)，分别以Qji（j＝0,1,2,3）为控制顶点。当四条曲线的参数u=u*时，形成四点P0(u*)、P1(u*)、P2(u*)、P3(u*)。

则由这四点构成Bezier曲线方程为：3、曲面建模

当u*从0～1发生变化时，P（u*,v）为一条运动曲线，构成的曲面方程为：此即为双三次Bezier曲面方程。

3、曲面建模

b)推广的Bezier曲面设有Pij（i=0,1,2,…,m;j=0,1,2,…n）为（m+1），（n+1）个空间点列，则可以定义一张m×n次Bezier曲面：

3、曲面建模

为伯恩斯坦基函数。依次用线段连接点列Qij中相邻两点所形成的空间网格，称为Bezier曲面的特征多边形网格。3、曲面建模式中，

4）几种简化曲面生成方法①

线性拉伸面这是将一条剖面线C(u)沿方向D滑动所扫成的曲面。

3、曲面建模

②直纹面给定两条相似的曲线，它们具有相同的次数和相同的节点矢量，将两条曲线上对应点用直线相连，就构成了直纹面。

3、曲面建模

③旋转面

将定义的曲线绕某轴(如z轴)旋转360º，就得到旋转面。

旋转面的特征是：与Z轴垂直平面上的曲线是一个整圆。3、曲面建模

④扫描面沿导向曲线(亦称控制曲线)扫描而形成的曲面。它适于具有相同构形规律的曲面。3、曲面建模1）实体建模的定义实体建模是利用一些基本体素，如长方体、圆柱体、球体、锥体、圆环体以及扫描体等通过集合运算(布尔运算)生成复杂形体的一种建模技术。实体建模主要包括两部分内容，即：体素的定义和描述体素之间的布尔运算(并、交、差)4、实体建模①基本体素体素是现实生活中真实的三维实体。可通过少量参数进行描述的体素（如长、宽、高等），称为基本体素。组成体素的基本要素1）少量参数2）基准点基准点用来定义基本体素在空间中的位置和方向。基准点可以位于一个顶点，也可位于一个面的中心。4、实体建模a）b）c）f）g）h）i）e）W=RH=Rd）W=RH=R②平面轮廓扫描体由平面轮廓扫描法生成的体素，称为平面轮廓扫描体。基本思路：由一个二维轮廓在空间平移或旋转扫描出一个实体。前提条件：要有一个封闭的平面轮廓。该封闭轮廓可以沿着某一坐标方向移动或绕某一给定的轴旋转。4、实体建模③整体轮廓扫描体使一个刚体在空间运动以产生新的物体形状。4、实体建模2)三维实体模型的计算机内部表示法典型的描述方式有：边界表示法空间单元表示法构造立体几何法半空间法等混合表示法√√√4、实体建模①边界表示法（BR/Brep）BoundaryRepresentation（BR/Brep）基本思想：就把物体定义为封闭的边界表面围成的有限空间，这样一个形体可通过它的边界，即面的子集来表示。而每一个面又通过边、边通过点、点通过三个坐标值来定义。

边界表示法强调的是形体的外表细节，详细记录了构成几何形体的所有几何、拓扑信息。4、实体建模边界表示法的数据结构：4、实体建模边界表示法的核心是平面，而边构成了平面之间的关联。因此，边一般是两次存储。

边界表示法的特点：有关面、边、点的信息量多。连接关系不清，信息冗余。

4、实体建模2)构造立体几何法（CSG）

ConstructiveSolidGeometry（CSG）是指通过基本体素及它们的集合运算(如并、交、差)，即通过布尔模型生成二叉树结构进行表示的建模方法。基本思想：将一个复杂物体视为由若干个简单基本体素的相加、相减、相交所构成；各个基本体素不需再分解，而是直接存储在数据结构中。4、实体建模构造立体几何法的特点：①

计算机内部表示与物体的描述和拼合运算过程密切相关，即存储的主要是物体的生成过程，所以也称为过程模型。同一物体可通过两种完全不同的CSG结构描述，两者不仅应用的布尔运算不同，而且采用的基本体素也不同。4、实体建模②几何模型简单③采用树状结构表示，最上面的结点对应着被建模的物体。4、实体建模⑤推演耗时、困难。④

CSG数据结构可以方便地转换成其它的数据结构，反之则很难。CSG法与BRep法的主要区别：

CSG法强调的是记录各体素进入拼合时的原始状态，而BRep法则强调记录拼合后的结果。4、实体建模3）混合模式(HybridModel)混合模式由两种不同的数据结构组成，可以相互补充。常用CSG法与边界法混合使用。在原来CSG树的结点上再扩充一级边界数据结构，以便达到实现快速图形显示的目的。4、实体建模1、特征（Feature）的定义特征就是一组具有确定约束关系的几何实体，它同时包含某种特定的语义信息。产品特征＝形状特征＋工程语义信息几何拓扑信息包含设计制造过程的非几何信息综合概念二、计算机特征建模技术

因此，这种定义强调了特征的工程语义信息，既能表达设计人员设计意图，又具有相应的制造加工信息，因此特征建模技术成为CAD／CAM集成的核心技术。

特征模型是建立在实体模型基础上，在已有几何信息上附加了诸如形位公差、尺寸公差、表面粗糙度、材料性能等制造信息。二、计算机特征建模技术“特征”概念的理解:特征不是完整的零件，也不是体素，只是某个或某几个加工表面。特征的分类与该表面加工工艺规程密切相关。如：小直径孔和大直径孔的加工方式不一样，因此应定义为两个不同的特征。二、计算机特征建模技术根据复杂程度，持征可分为：基本特征组合特征复合特征二、计算机特征建模技术2、特征的分类基本特征形状特征精度特征装配特征分析特征材料特征形位公差、尺寸公差、表面光洁度等非几何信息。规定了材料类型、强度、延展性、热导性等特性。包括装配体各零件的位置关系、公差配合、功能关系、动力学关系等。有关工程分析方面的持征，如有限元分析中的梁特征和板类特征。后面叙述二、计算机特征建模技术形状特征的分类1）形状特征的定义指具有特定形状并且对应特定功能意义的零件局部形状在整体上的布局。形状特征是描述产品或零件的最基本特征。目前特征的分类也多以形状特征为主进行研究。

二、计算机特征建模技术从设计与制造集成的角度可依据下面的标准对特征进行分类：每一类特征都是零件设计的基本功能单元，同时，其加工方法和制造手段基本上一致。二、计算机特征建模技术按零件类型轴盘类板块类箱体类自由曲面类等待征。

槽孔凹腔突起台阶过渡边等二、计算机特征建模技术3、特征的表示特征的表示及数据结构二、计算机特征建模技术基于特征的零件信息模型的总体结构可描述为：

1、参数化建模三、参数化建模和变量化建模技术参数化建模是指在参数化造型过程中，记录建模过程和其中的变量以及用户执行的各种操作功能的建模方法。

参数化设计就是以规则或代数方程的形式定义尺寸间的约束关系，建立相应的推理和求解驱动机制的方法。

2、参数化建模的基本方法三、参数化建模和变量化建模技术基于特征的参数化建模

基于约束的尺寸驱动法变动几何法几何推理法参数驱动法3、变量化建模三、参数化建模和变量化建模技术变量化设计的本质就是动态地建立和识别约束，并在此约束下求解各个特征点。

变量化建模技术是指图形的几何关系、拓扑关系，甚至工程设计计算条件均可变的技术，其设计结果受到一组约束方程的控制和驱动。

4、变量化建模的基本方法三、参数化建模和变量化建模技术整体求解法局部求解法几何推理法辅助线法第六章

6.2虚拟样机技术VirtualPrototyping内容一、虚拟样机技术的定义二、虚拟样机及其相关技术三、虚拟样机技术的工程应用四、虚拟样机的理论基础五、虚拟样机仿真分析流程1）虚拟设计

即利用当今信息技术、计算机技术实现工业产品的数字化设计，又称为数字化设计。2）虚拟样机

采用虚拟设计技术获得的数学、物理模型，又称为数字化样机、数字化产品。

1.基本概念一、虚拟样机技术的定义虚拟样机技术也可以定义为：

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，针对产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品整体性能，进而改进产品设计和提高产品性能的一种技术。一、虚拟样机技术的定义2.传统设计与虚拟样机设计比较（设计流程）YN概念设计产品设计实验验证最终产品物理样机制造OROR传统设计流程:一、虚拟样机技术的定义虚拟样机设计流程:概念设计计算机建模最终产品模拟真实环境的仿真分析YN虚拟样机一、虚拟样机技术的定义3.虚拟样机技术的研究意义

利用虚拟样机，在产品实际加工之前对产品的性能进行评价，同时对产品的设计制造全过程进行物理仿真，将制造过程或产品实际工作过程中可能发生的问题提前到设计阶段处理，如进行产品的运动学、动力学分析；检查零件的运动干涉；评价系统振动、噪声水平；预测零件变形等；仿真试验不同的设计方案。从而减少昂贵的物理样机数量、提高产品设计质量、缩短产品开发周期，达到产品生产最优的目标。一、虚拟样机技术的定义二、虚拟样机及其相关技术1.完整的虚拟样机设计将涉及到的知识模块机械系统运动、动力几何建模编程模块优化分析控制系统变形分析

ANSYS

LS－dyna

控制软件：MATLAB

编程语言或平台：Fortran、C/C++、MPI等DADSRecurDyn运动学、动力学分析软件ADAMS造型软件

PRO/E、UGII、CATIA、OSD、

I－DEAS、

SolidWorks、SolidEdge、

AutoCAD、

MDT北航海尔CAXA系列

有限元分析软件MSC

公司系列

NastranMarc

DytranGS-Mesher

Patran

十余个软件集群运算软件：Enfuzion操作系统：Unix、NT4.0WIN2000WINXPLinux2.软硬件环境二、虚拟样机及其相关技术3.常用的运动学、动力学分析软件1）ADAMS软件（美国）

AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem

2）DADS软件（美国）

DynamicAnalysisandDesignSystem3）RcurDyn

软件（韩国）

RecursionDynamics二、虚拟样机及其相关技术4.其它的动力学和运动学分析软件

1）美国通用汽车公司：DYANA(DynamicAnalyzer)2）美国IBM公司：KAM（KinamaticAnalysisMethod）3）美国Michigan大学：DAMN

（DynamicAnalysisofMechanicalNetworks）4）美国Wisconsin大学的IMP

（IntegratedMechanismsProgram）5）德国MEDYNA

（MEhrkorper

DYNAmik

＝MultibodyDynamics）二、虚拟样机及其相关技术

1.1997年7月美国航天局的火星探测器顺利实现软着陆三、虚拟样机技术的工程应用三、虚拟样机技术的工程应用2.工程机械

工程机械蛇行现象3.汽车虚拟碰撞实验三、虚拟样机技术的工程应用4.其它行业

社会、生活、娱乐等保龄球形状虚拟实验三、虚拟样机技术的工程应用多体系统动力学模型的基本概念和约定1）部件（零件、物体）（Part）Part刚体（rigid）：有质量、惯量；可移动、不变形（最常用）弹性体（flexible）：有质量、惯量；可移动、可变形点质量（pointmass）：有质量、无惯量；可移动哑物体（dummy）：无质量、无惯量；可移动大地（ground）：无质量、无惯量；不可移动；起全局坐标系作用四、虚拟样机技术的理论基础以下叙述以ADAMS软件为例2）约束（Constrain)理想约束（ideal）：大部分实际约束虚约束（peimitive）：理想约束无法描述高副（curve-point、curve－curve）：点－线、线－线运动激励（generation）：运动驱动Constrain四、虚拟样机技术的理论基础3）力(Force)

外加力（applied）：如Gforce、Sforce柔性连接（flexibleconnection）：如spring特殊力（specialforce）：如重力、空气动力、液压力、分布载荷接触力（contactforce）：如碰撞力Force四、虚拟样机技术的理论基础4）自由度（DOF－degreeoffreedom）

DOF=6×(构件总数－1）－约束总数DOF＝0：运动学问题DOF>0：动力学问题DOF<0：过约束，超静定问题DOF四、虚拟样机技术的理论基础5）自定义的各种微分－代数方程（AlgebraicandDifferentialEquation）

2.动力学分析四、虚拟样机技术的理论基础1）广义坐标的选取ADAMS用刚体的质心坐标和反映刚体方位的欧拉角作为广义坐标：

四、虚拟样机技术的理论基础

2）动力学方程的建立对于每个刚体，ADAMS列出的是6个广义坐标带乘子的拉格朗日方程及相应的约束方程：

完整约束方程：

非完整约束方程：

四、虚拟样机技术的理论基础

把前面三式写成更一般的形式为：如果定义系统的状态矢量则可写成单一的矩阵方程：

四、虚拟样机技术的理论基础

3）动力学方程的数值求解ADAMS采用的数值积分算法主要有：

GSTIFF－Gear算法，变阶、变步长、刚性

WSTIFF－变阶、变步长、刚性

BDF－BackwardDifferentiationFormulation，变阶、变步长

DSTIFF－DASSL算法、非刚性

ABAM－Adams-Bashforth-Adams-Moulton算法，非刚性

RKF45－Runge-Kutta-Fehlberg(4,5)算法、非刚性四、虚拟样机技术的理论基础

①微分-代数方程的求解算法用GEAR预估校正算法可以有效地求解式

首先，根据当前时刻的系统状态矢量，用泰勒级数预估下一时刻系统的状态矢量值：

其中，时间步长

四、虚拟样机技术的理论基础

这种预估算法得到的新时刻的系统状态矢量值通常不准确，上式的右边项不等于0，可以由Geark+1阶积分求解程序（或其它向后差分积分程序）来校正。为在

时的近似值为Gear积分程序的系数值。

和整理上式得：

四、虚拟样机技术的理论基础

将式在

展开得到：四、虚拟样机技术的理论基础

ADAMS使用修正的Newton-Raphson程序求解上面的非线性方程组，其迭代校正公式为：其中，j表示第j次迭代：四、虚拟样机技术的理论基础

由式

知：

由式

知：

四、虚拟样机技术的理论基础

将上面式子代入下式中：

四、虚拟样机技术的理论基础

得到：系统的雅可比矩阵（稀疏矩阵）

为系统刚度矩阵

为系统阻尼矩阵

为系统质量矩阵

四、虚拟样机技术的理论基础

②坐标缩减的微分方程求解算法

ADAMS程序提供ABAM积分程序，采用坐标分离算法，将微分-代数方程缩减成用独立广义坐标表示的纯微分方程，然后采用ABAM程序进行数值积分。四、虚拟样机技术的理论基础

坐标缩减微分方程的确定及其数值积分过程按以下步骤进行：坐标分离

预估

校正

确立相关坐标

积分误差控制

3.静力学分析四、虚拟样机技术的理论基础静力学方程：，

4.运动学分析四、虚拟样机技术的理论基础运动学分析研究零自由度系统的位置、速度、加速度和约束反力，因此只须求解系统的约束方程：

任一时刻tn位置的确定，可由约束方程的Newton-Raphson迭代求得：其中

j表示第j次迭代四、虚拟样机技术的理论基础

tn时刻速度、加速度的确定，可由约束方程求一阶、二阶时间导数得到：tn时刻约束反力的确定，可由带乘子的拉格朗日方程得到五、虚拟样机仿真分析流程模型建立模型检验评价有效性模型参数化优化分析设计自动化模型细化NY虚拟样机软件ADAMS的具体应用1.参考随附的文件：ADAMS入门教材.pdf参考市面上流行的相关培训教材（参见教材“参考文献”，并随时留意出版的相关新书）第六章

6.4虚拟加工技术VirtualMachining内容一、虚拟加工的涵义二、虚拟加工环境三、数控代码的翻译四、加工过程仿真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数控加工过程，对干涉、碰撞、切削力变化、工件变形等进行预测和分析，减少或消除因刀位数据错误而导致的机床损坏、夹具或刀具折断以及因切削力和切削变形造成的零件报废，从而进一步优化切削用量，提高加工质量和加工效率。一、虚拟加工的涵义虚拟加工是实际加工在计算机上的本质实现，主要包括虚拟环境的建立和加工过程仿真等关键技术。1．虚拟加工的基本流程

二、虚拟加工环境虚拟加工的整个过程均可以在计算机上通过三维动画显示出来。2．虚拟加工环境二、虚拟加工环境

虚拟加工环境是实际的加工系统在不消耗能源和资源的计算机虚拟环境中的完全映射，其必须与实际加工系统具有功能和行为上的一致性。虚拟加工环境包括硬件环境和软件环境

二、虚拟加工环境虚拟加工硬件环境车间层机床层毛坯层包括机床（加工中心）、机床刀具和夹具，是虚拟加工环境中的关键部分

只是为了增加环境的真实感，起到烘托和陪衬作用

与加工过程仿真模块密切相关

二、虚拟加工环境虚拟加工软件环境NC代码解析模块加工过程仿真模块等这些模型和模块在NC代码驱动下相互协同工作，完成毛坯的加工

3．虚拟机床二、虚拟加工环境虚拟机床是指数控机床（如加工中心）在虚拟环境下的映射，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，它是虚拟加工过程的载体和核心。虚拟机床几何模型二、虚拟加工环境虚拟机床模型虚拟机床的几何建模虚拟机床的运动建模主要包括床身、立柱、主轴、工作台和刀架等主要部件，刀具和夹具等刀具工装设备等。

零件的加工是机床通过工作台和主轴的运动来实现的，加工过程是一个动态连续的过程，因此，必须研究机床的运动建模技术。二、虚拟加工环境目前的研究主要集中在刀具和零件的仿真描述方面，而对于数控机床仿真运动建模的研究还比较少。虚拟机床运动模型的建立涉及三个坐标系：世界坐标系参考坐标系（运动坐标系）局部坐标系（静坐标系）三、数控代码的翻译数控代码的翻译一般包括：机床初始化预处理词法分析语法分析语义分析翻译执行四、加工过程仿真

加工过程仿真就是借助于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，是数控机床上进行的切削加工过程在虚拟环境下的映射，又称为虚拟加工过程。

加工过程仿真包括三维动画仿真碰撞干涉检测加工精度分析加工工时分析1.加工过程仿真的定义加工过程仿真分类几何仿真物理仿真四、加工过程仿真几何仿真是在计算机上实现加工过程中，显示机床、刀具、工件及夹具等相关几何实体的运动过程，预防可能发生的各种干涉现象的出现。

几何仿真以刀具和工件几何体为主要检测对象。目的是保证刀位数据的正确性，减少或消除由于刀位数据错误而导致的零件加工失效问题。

2.几何仿真四、加工过程仿真几何仿真建模过程一般分为两个步骤：建立刀具扫描体模型工件和刀具扫描体的布尔运算零件加工过程中，刀具运动走过的空间轨迹将形成一个连续或不连续的空间，将这个轨迹空间轮廓构造成模型即为刀具扫描体。将工件毛坯与扫描体进行布尔减运算即可得到加工后的零件（或半成品零件）。

四、加工过程仿真

零件数控加工的刀具轨迹

四、加工过程仿真

零件数控加工过程仿真

四、加工过程仿真物理仿真是将切削过程中的各物理因素的变化映射到虚拟制造系统中，分析与预测各切削参数的变化及干扰因素对加工过程的影响，分析具体工艺参数下的工艺规程质量及工件加工质量，辅助在线检测与在线控制，进行工艺规程的优化。

切削力的仿真与分析是物理仿真的重要内容。另外，不同刀具的振动模型也是当前物理验证研究的热点之一3.物理仿真四、加工过程仿真分析方法常用的加工过程物理仿真建模方法：实验方法机械建模四、加工过程仿真①分析方法应用剪切滑移理论确定以剪切角为主的力学模型，研究重点在于确定切削过程中的切削力及切削振动涉及到的相关问题。

主要应用动态切削力系数，通过确定与切削用量三要素有关的动态切削力系数来确定动态切削力，同时分析切削过程中的颤振现象以便确定既定状态下的切削稳定性条件。

四、加工过程仿真②实验方法针对大量实际进行的切削过程，通过实验来确定各种动态切削力系数。静态切削方法主要分为动态切削方法时序方法应用静态切削实验，通过人为地造波、去波或波波迭加实验来确定动态切削力系数。

人为制造动态切削过程，应用间歇激振器产生动态切削过程，然后由测力仪记录下动态切削力。

将切削过程视为黑箱，由实验测量出切削过程的大量输出数据并对之进行数学分析，总结出系统的传递函数而识别系统的各项动态参数。

四、加工过程仿真③机械建模方法机械建模方法就是综合考虑到切削过程是涉及到多输入与多输出的综合系统，通过建立适用于多种切削条件的综合机械切削模型，建立出各输入输出相关因素的影响关系，达到揭示切削过程、预测各有效输出参数以及表达系统输入与输出间关系的目的。机械建模方法将分析方法和实验方法结合在一起，一方面揭示切削过程中各参数的变化规律，另一方面不需大量的实验来确定所需的实验参数，成为目前研究动态切削的有效手段。第六章

6.5虚拟装配技术V