虚拟制造技术

虚

拟

制

造

技

术

背景

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。为了提高竞争能力，企业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。生活实例

虚拟制造技术定义

虚拟制造技术是一门以计算机仿真技术、制造系统与加工过程建模理论、VR技术、分布式计算理论、产品数据管理技术等为理论基础，研究如何在计算机网络环境及虚拟现实环境下，利用制造系统各层次及各环节的数字模型，完成制造系统整个过程的计算与仿真的技术。虚拟制造技术特点

以模型为核心产品模型：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、物力建立的模型以模型信息集成为根本产品模型、过程模型、活动模型、资源模型之间的信息集成以高逼真度仿真为特色仿真结果的高可信度，以及人与这个虚拟制造环境的交互的自然化虚拟制造与实际制造

实际制造系统是物质流、信息流在控制流的协调和控制下，在各个层次上进行相应的决策，实现从投入到产出的有效转变，其中物质流和信息流的协调工作是主体。

虚拟制造系统是在分布式协同工作等多学科技术支持的虚拟环境下的现实制造系统的映射。

虚拟制造系统是实际制造系统的抽象，实际制造系统是虚拟制造系统的实例。虚拟制造与实际制造

虚拟制造系统VIS+VPS真实制造系统RIS+RPS计算机仿真/虚拟现实VPS虚拟信息系统确认和验证技术人员客户虚拟产品真实信息系统样机需求工人工厂RPS实际产品抽象与综合虚拟制造系统VIS+VPS计算机仿真/虚拟现实虚拟信息系统确认和验证虚拟产品虚拟制造技术分类

1996年，美国马里兰大学提出三种模式：以设计为中心的虚拟制造(DCVM)以生产为中心的虚拟制造(PCVM)以控制为中心的虚拟制造(CCVM)虚拟制造技术分类

Design-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。

成功事例：美国波音公司波音777喷气式客机的研制。仅用了3年零8个月时间，一次试飞成功，投入运营。波音公司777客机数以万计的零部件中任何一种的设计，观察、研究、讨论都是在计算机上完成，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。虚拟制造技术分类

Production-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虚拟制造技术分类

Control-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。虚拟制造技术分类

设计为核心优化产品设计、工艺设计加工方案评价生产为核心优化资源选择评价工艺验证新工艺控制为核心优化车间控制优化制造过程CAD/CAMM!M2M3M4供设计者参考的制造信息虚拟产品原型成本估算新产品模型、工艺、制造信息虚拟生产计划质量评估新工艺及对应信息、如成本车间机床及控制系统工厂资源（人、设备）M1：已有的模型和工艺M2：日程模型、逻辑模型M3：过程模型M4：成品模型参数虚拟制造使能技术

多通道交互技术虚拟环境建模技术产品建模技术数据转换与处理技术网络环境下知识获取与建库技术基于VR的科学计算可视化技术虚拟制造使能技术

多通道交互技术虚拟现实设备的软硬件接口驱动技术

真实感渲染的三维图形加速技术三维定位跟踪设备的定标技术大面积纹理的可见性快速显示技术人像分离与多传感信息的融合技术

信息与时间的同步技术

虚拟制造使能技术

虚拟环境建模技术图像图形混合建模技术多细节层次建模技术智能化视区裁剪技术场景预处理技术基于图像的绘制技术虚拟声的生成与增强技术虚拟制造使能技术

产品建模技术零部件的物理建模方法基于物理的工程行为特征建模方法工程对象的单元化划分方法工程分析的有限元计算方法工程分析结果的多准则图示方法虚拟制造使能技术

数据转换与处理技术数据文件格式转换技术数据文件格式转换技术虚拟制造使能技术

网络环境下知识获取与建库技术网络化异构知识与数据信息的统一表达分布式虚拟仿真节点的协同与自治虚拟场景的快速漫游、绘制与网络传输基于VR的产品设计与制造集成过程链基于多Agent的虚拟企业信息重组与集成网络环境下虚拟产品数据与指令的传输与共享虚拟制造使能技术

基于VR的科学计算可视化技术多通道技术与可视化技术的映射机理与操纵方法分布式的计算与可视化环境的协同特征可视化与拓扑结构分析

基于VR的可视化与驾驭计算

虚拟制造使能技术

虚拟装配设计环境VADE基于虚拟现实的训练系统计算机辅助过程规划系统机器人路径规划系统专用的装配设备设计VADE环境CAD环境DFA分析轨迹信息序列信息部件几何特征属性及装配信息等轨迹及序列信息设计变化的建议虚拟制造关键技术

虚拟设计与装配技术虚拟产品实现技术虚拟检测与评价技术虚拟纹理分析技术虚拟实验技术虚拟生产技术虚拟制造关键技术

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虚拟制造关键技术

虚拟产品实现技术虚拟加工远程机器人操作与监控虚拟测量技术基于表面质量分析的切削参数选择虚拟制造关键技术

虚拟检测与评价技术虚拟表面接触刚度分析刀位轨迹检查及碰撞干涉检验工艺过程规划与仿真基于应力的加工质量评价装配信息建模虚拟制造关键技术

虚拟实验技术虚拟试验的物理建模虚拟试验的运行平台虚拟测试虚拟样机的性能评价虚拟制造关键技术

虚拟生产技术虚拟生产线/车间实时三维布局生产线/车间生产过程虚拟仿真基于VR的网络化分散制造仿真与评价虚拟产品模型特点

T0

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T2

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T4

时间适度保真的模型维护运行成本计划管理需求后勤培训制造布局市场分析系统定义设计与分析制造、测试发射、入轨轨道运行经营的系统模型，供市场详细分析与投资决策考虑到系统各方面性能和潜在风险混合保真虚拟原型用于作成本／性能分析虚拟制造和标准的生产过程，用于改进质量和生产成本仿真发射，应用MDO最小化进入轨道时间早期，逐步地用相应的、保真度也逐步提高的虚拟产品模型进行仿真分析,以减少风险、获得最大利益。虚拟企业用于无缝集成系统管理和运行功能以获得最大利益虚拟制造技术应用

虚拟产品建模虚拟制造技术应用

汽车外形设计分析虚拟制造技术应用

虚拟制造技术应用

美国波音公司在飞机设计中运用VR技术完全改变了这种设计方法波音公司为设计波音777飞机，研制了一个名为“先进计算机图形交互应用系统”的虚拟环境，用VR技术在此环境中建立一驾飞机的三维模型。这样设计师戴上头盔显示器就可以在这驾虚拟飞机中遨游，检查“飞机”的各项性能，同时，还可以检查设备的安装位置是否符合安装要求等等。最终的实际飞机与设计方案相比，偏差小于千分之一寸，机翼和机身的接合一次成功，缩短了数千小时的设计工作量。虚拟制造技术应用

使用电脑进行无纸设计是波音自777以来的技术创新，波音在787的研制中也继续使用计算机无纸化作业

CATIA，ENOVIA和DELMIA等，在波音公司787的开发过程中，得到了全面的应用，从而实现了设计、分析、制造的紧密继承和数据共享虚拟制造技术应用

联合攻击战斗机JSF虚拟制造技术应用

洛克希德·马丁公司JSF—基于全球虚拟企业制造的飞机JSF采用信息技术，建立了全球30个国家50家公司参与研发的数字化协同环境，形成了无缝连接、紧密配合的全球虚拟企业，快速地实现了以数字化技术为研制基础的三种变型、四个军种、客户化程度高的飞机设计。2006亿美元，3002架飞机；每架飞机成本控制在30