虛擬制造技術-(2)教學內(nèi)容

虛擬制造技術-(2)2023/1/13usst吳恩啟2虛擬制造：VirtualManufacturing(VM)虛擬制造是實際制作過程在計算機上的本質(zhì)實現(xiàn)。采用計算機仿真與虛擬現(xiàn)實技術，在高性能計算機及高速網(wǎng)絡的支持下，在計算機上群組協(xié)同工作;通過三維模型及動畫，實現(xiàn)產(chǎn)品的設計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗，以及企業(yè)各級過程的管理與控制等制造的本質(zhì)過程;目的：增強制造過程各級決策與控制能力虛擬制造技術可以對想像中的制造過程進行仿真，不消耗現(xiàn)實物質(zhì)資源，所進行的過程是虛擬的，產(chǎn)品也是虛擬的。什么是虛擬制造

2023/1/13usst吳恩啟3什么是虛擬制造？

實際制造過程虛擬制造過程虛擬制造和實際制造的區(qū)別？2023/1/13usst吳恩啟4主要內(nèi)容1.1虛擬制造技術產(chǎn)生的背景1.2

虛擬制造技術的分類1.3

虛擬制造的相關技術1.4

虛擬制造技術的應用1.5

虛擬制造技術的研究現(xiàn)狀1.6

虛擬制造技術對企業(yè)的作用2023/1/13usst吳恩啟51.1虛擬制造技術產(chǎn)生的背景1.制造業(yè)經(jīng)營策略的變遷2023/1/13usst吳恩啟61.1虛擬制造技術產(chǎn)生的背景2.虛擬制造技術的由來隨著經(jīng)濟的全球化和社會的信息化，市場競爭日益激烈，顧客需求日趨多樣化。制造業(yè)為了在競爭激烈的全球市場求得生存與發(fā)展，必須能夠更好地滿足市場所提出的T、Q、C、S要求，來贏得市場與用戶．面對不可預測、持續(xù)發(fā)展、快速多變的市場需求，企業(yè)的生產(chǎn)活動必須具有高度的柔性．最短的產(chǎn)品開發(fā)周期(Time)，最優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品質(zhì)量（Quality），最低廉的制造成本（Cost）最好的技術支持與售后服務（Service）

．2023/1/13usst吳恩啟71.1虛擬制造技術產(chǎn)生的背景為了提高競爭能力，企業(yè)應當能夠?qū)κ袌鲂枨蟮淖兓鞒隹焖倜艚莸姆磻?，并及時地對自身的生產(chǎn)作出合理的調(diào)整與重新規(guī)劃．計算機軟硬件技術及網(wǎng)絡技術的迅速發(fā)展為實現(xiàn)這一目標提供了強有力的支持?；谶@些因素，90年代中有許多新概念、新觀點應運而生，虛擬制造就是其中之一，它代表了一種全新的制造體系和模式．在虛擬制造中，產(chǎn)品開發(fā)是基于數(shù)字化的虛擬產(chǎn)品開發(fā)方式,以用戶的需求為第一驅(qū)動，并將用戶需求轉化為最終產(chǎn)品的各種功能特征．VPD保證了產(chǎn)品開發(fā)的效率和質(zhì)量，提高了企業(yè)的快速響應和市場開拓能力2023/1/13usst吳恩啟81.2虛擬制造技術分類以設計為中心的VM以生產(chǎn)為中心的VM以控制為中心的VM2023/1/13usst吳恩啟9以設計為中心的VMDesign-CenteredVM強調(diào)以統(tǒng)一制造信息模型為基礎，對數(shù)字化產(chǎn)品模型進行仿真與分析、優(yōu)化，進行產(chǎn)品的結構性能、運動學、動力學、熱力學方面的分析和可裝配性分析，獲得對產(chǎn)品的設計評估與性能預測結果，以便作出正確決策。主要技術包括特征造型、面向數(shù)學的模型設計以及加工過程仿真技術。主要應用領域包括造型設計、熱力學分析、運動學分析、動力學分析和加工過程仿真等。2023/1/13usst吳恩啟10以生產(chǎn)為中心的VMProduction-CenteredVM

在企業(yè)資源的約束條件下，對企業(yè)的生產(chǎn)過程進行仿真，對不同的加工過程及其組合進行優(yōu)化。它對產(chǎn)品的“可生產(chǎn)性”進行分析與評價，對制造資源和環(huán)境進行優(yōu)化組合，通過提供精確的生產(chǎn)成本信息對生產(chǎn)計劃與調(diào)度進行合理化決策。主要技術包括虛擬現(xiàn)實技術和嵌入式仿真技術主要應用領域包括工廠或產(chǎn)品的物理布局及生產(chǎn)計劃的編排2023/1/13usst吳恩啟11以控制為中心的VMControl-CenteredVM將仿真技術引入控制模型，提供模擬實際生產(chǎn)過程的虛擬環(huán)境，使企業(yè)在考慮車間控制行為的基礎上對制造過程進行優(yōu)化控制。其目標是實際生產(chǎn)中的過程優(yōu)化，改進制造系統(tǒng)主要支持技術有：對離散制造－基于仿真的實時動態(tài)調(diào)度；對連續(xù)制造－基于仿真的最優(yōu)控制。1.2虛擬制造技術分類三種虛擬制造的區(qū)別：以設計為中心的VM為設計者提供了一個設計產(chǎn)品和評估可制造性的環(huán)境，在設計中的潛在問題能夠被發(fā)現(xiàn);以生產(chǎn)為中心的VM為工藝計劃和生產(chǎn)計劃的生成、工藝資源的要求以及對這些計劃的評價提供了一個環(huán)境，它能夠更精確地提供成本信息和產(chǎn)品的供給計劃，仿真實際生產(chǎn)的能力;以控制為中心的VM為設計者提供了一個用以評估新產(chǎn)品或改進的設計以及與車間生產(chǎn)相關的活動的環(huán)境，它為優(yōu)化制造過程和提高制造系統(tǒng)提供了信息。2023/1/13usst吳恩啟122023/1/13usst吳恩啟131.3虛擬制造的相關技術2023/1/13usst吳恩啟14虛擬制造的核心技術：建模技術仿真技術虛擬現(xiàn)實技術可制造性評價1.3虛擬制造的相關技術2023/1/13usst吳恩啟15建模技術模型化處理是計算機通過抽象來表達客觀事物的主要方法。因此要使系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，首先就要為系統(tǒng)建模，在產(chǎn)品設計階段或產(chǎn)品制造之前，實時地并行地模擬出產(chǎn)品的未來制造全過程極其對產(chǎn)品設計的影響，并在計算機上虛擬地運行。建模包括：生產(chǎn)模型、產(chǎn)品模型和工藝模型的信息體系結構。2023/1/13usst吳恩啟16建模技術生產(chǎn)模型：歸納為靜態(tài)描述和動態(tài)描述兩個方面。靜態(tài)描述是指系統(tǒng)生產(chǎn)能力和生產(chǎn)特性的描述。動態(tài)描述是指在已知系統(tǒng)狀態(tài)和需求特性的基礎上預測產(chǎn)品生產(chǎn)的全過程。產(chǎn)品模型：是制造過程中，各類實體對象模型的集合。目前產(chǎn)品模型描述的信息有產(chǎn)品結構明細表、產(chǎn)品形狀特征等靜態(tài)信息。虛擬制造下的產(chǎn)品模型不再是單一的靜態(tài)特征模型，它能通過映射、抽象等方法提取產(chǎn)品實施中各活動所需的模型工藝模型：將工藝參數(shù)與影響制造功能的產(chǎn)品設計屬性聯(lián)系起來。以反應生產(chǎn)模型與產(chǎn)品模型之間的交互作用。工藝模型必須具備以下功能：計算機工藝仿真、制造數(shù)據(jù)表、制造規(guī)劃、統(tǒng)計模型以及物理和數(shù)學模型。2023/1/13usst吳恩啟17仿真技術仿真技術應用計算機對復雜的現(xiàn)實系統(tǒng)經(jīng)過抽象和簡化形成系統(tǒng)模型，然后在分析的基礎上運行此模型，從而得到系統(tǒng)一系列的統(tǒng)計性能。仿真以系統(tǒng)模型為對象的研究方法，不干擾實際生產(chǎn)系統(tǒng)；可利用計算機的快速運算能力，用很短時間模擬實際生產(chǎn)中需要很長時間的生產(chǎn)周期計算機還可以重復仿真，優(yōu)化實施方案。因此可以縮短決策時間，避免資金、人力和時間的浪費2023/1/13usst吳恩啟18仿真技術仿真的基本步驟為：研究系統(tǒng)→收集數(shù)據(jù)→建立系統(tǒng)模型→確定仿真算法→建立仿真模型→運行仿真模型→輸出結果并分析產(chǎn)品制造過程仿真，可歸納為制造系統(tǒng)仿真和加工過程仿真。虛擬制造系統(tǒng)中的產(chǎn)品開發(fā)涉及到產(chǎn)品建模仿真、設計過程規(guī)劃仿真、設計思維過程和設計交互行為仿真等，以便對設計結果進行評價，實現(xiàn)設計過程早期反饋，減少或避免產(chǎn)品設計錯誤。加工過程仿真，包括切削過程仿真、裝配過程仿真，檢驗過程仿真以及焊接、壓力加工、鑄造仿真等2023/1/13usst吳恩啟19虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實技術是在為改善人與計算機的交互方式，提高計算機可操作性中產(chǎn)生的，它是綜合利用計算機圖形系統(tǒng)、各種顯示和控制等接口設備，在計算機上生成可交互的三維環(huán)境中提供沉浸感覺的技術。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)包括操作者、機器和人機接口三個基本要素。它不僅提高了人與計算機之間的和諧程度，也成為一種有力的仿真工具。利用VRS可以對真實世界進行動態(tài)模擬，通過用戶的交互輸入，并及時按輸出修改虛擬環(huán)境，使人產(chǎn)生身臨其境的沉浸感覺。2023/1/13usst吳恩啟20可制造性評價在給定的設計信息和制造資源等環(huán)境信息和制造資源等環(huán)境信息的計算機描述下，確定設計特性(如形狀、尺寸、公差、表面精度等)是否是可制造的。如果設計方案是可制造的，確定可制造性等級，即確定為達到設計要求所需加工的難易程度；如果設計方案是不可制造的，判斷引起制造問題的設計原因，如果可能，則給出修改方案。2023/1/13usst吳恩啟21可制造性評價可制造性的評價方法可分為兩類：①基于規(guī)則的方法，即直接根據(jù)評判規(guī)則，通過對設計屬性的的評測來給可制造性定級；②基于方案的方法，即對一個或多個制造方案，借助于成本和時間等標準來檢驗是否可行或?qū)で笞罴?。通過引用工藝模型和生產(chǎn)系統(tǒng)動態(tài)模型，成熟的虛擬制造系統(tǒng)應能精確的預測技術可行性、加工成本、工藝質(zhì)量和生產(chǎn)周期等。2023/1/13usst吳恩啟221.4虛擬制造技術的應用虛擬產(chǎn)品設計虛擬產(chǎn)品制造虛擬生產(chǎn)過程虛擬企業(yè)產(chǎn)品展示2023/1/13usst吳恩啟231.4虛擬制造技術的應用虛擬產(chǎn)品設計飛機、汽車的外形設計，其形狀是否符合空氣動力學原理，運動過程中的阻力，其內(nèi)部結構布局的合理性。在復雜管道系統(tǒng)設計中，采用虛擬技術，設計者可以“進入其中”進行管道布置，并可檢查能否發(fā)生干涉。在計算機上的虛擬產(chǎn)品設計，不但能提高設計效率，而且能盡早發(fā)現(xiàn)設計中的問題，從而優(yōu)化產(chǎn)品的設計。例如美國波音公司投資40億美元研制波音777噴氣式客機，從1990年10月開始到1994年6月僅用了3年零8個月時間就完成了研制，一次試飛成功，投入運營。波音公司分散在世界各地的技術人員可以從777客機數(shù)以萬計的零部件中調(diào)出任何一種在計算機上觀察、研究、討論，所有零部件均是三維實體模型?？梢娞摂M產(chǎn)品設計給企業(yè)帶來的效益2023/1/13usst吳恩啟241.4虛擬制造技術的應用虛擬產(chǎn)品設計虛擬產(chǎn)品制造應用計算機仿真技術，對零件的加工方法、工序順序、工裝的選用、工藝參數(shù)的選用，加工工藝性、裝配工藝性、配合件之間的配合性、連接件之間的連接性、運動構件的運動性等均可建模仿真，可以提前發(fā)現(xiàn)加工缺陷，提前發(fā)現(xiàn)裝配時出現(xiàn)的問題，從而能夠優(yōu)化制造過程，提高加工效率。2023/1/13usst吳恩啟251.4虛擬制造技術的應用虛擬產(chǎn)品設計虛擬產(chǎn)品制造虛擬生產(chǎn)過程產(chǎn)品生產(chǎn)過程的合理制定、人力資源、制造資源、物料庫存、生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)劃設計等，均可通過計算機仿真進行優(yōu)化，同時還可對生產(chǎn)系統(tǒng)進行可靠性分析，對生產(chǎn)過程的資金進行分析預測，對產(chǎn)品市場進行分析預測等，從而對人力資源、制造資源的合理配置，對縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低成本意義重大。

2023/1/13usst吳恩啟261.4虛擬制造技術的應用虛擬產(chǎn)品設計虛擬產(chǎn)品制造虛擬生產(chǎn)過程虛擬企業(yè)

虛擬企業(yè)建立，最重要的原因是因為各企業(yè)本身無法單獨滿足市場需求，迎接市場挑戰(zhàn)。因此，為了快速響應市場的需求，圍繞新產(chǎn)品開發(fā)，利用不同地域的現(xiàn)有資源、不同的企業(yè)或不同地點的工廠，重新組織一個新公司。該公司在運行之前，必須分析組合是否最優(yōu)，能否協(xié)調(diào)運行，并對投產(chǎn)后的風險、利益分配等進行評估。這種聯(lián)作公司稱為虛擬公司，或者叫作動態(tài)聯(lián)盟，是一種虛擬企業(yè)，它具有集成性和實效性兩大特點的經(jīng)濟實體。虛擬企業(yè)的主要基礎是：建立在先進制造技術基礎上的企業(yè)柔性化；在計算機上制造數(shù)字化產(chǎn)品，從概念設計到最終實現(xiàn)產(chǎn)品整個過程的虛擬制造；計算機網(wǎng)絡技術

2023/1/13usst吳恩啟271.4虛擬制造技術的應用虛擬產(chǎn)品設計虛擬產(chǎn)品制造虛擬生產(chǎn)過程虛擬企業(yè)產(chǎn)品展示2023/1/13usst吳恩啟281.5虛擬制造技術的研究現(xiàn)狀1.國外：以美國為首的西方工業(yè)國家成立了相應的虛擬制造研究機構，在95年前已基本完成應用基礎技術的研究，建立了虛擬制造技術體系，正向?qū)嶋H應用全面過渡。美國處于國際研究的前沿：美國Maryland大學系統(tǒng)研究學院CIM實驗室：主要以CIM領域的最新技術為研究主題，范圍覆蓋工廠層和車間層問題。研究重點則是在復雜制造系統(tǒng)的建模工具開發(fā)和應用及用于產(chǎn)品開發(fā)全過程的并行工程工具的開發(fā)和應用。該室自1994年起開始虛擬制造的研究，提出了三個中心的虛擬制造分類方法，獲得國際學術界認同，其虛擬制造web站點在虛擬制造領域具有較高知名度。

2023/1/13usst吳恩啟291.5虛擬制造技術的研究現(xiàn)狀1.國外：以美國為首的西方工業(yè)國家成立了相應的虛擬制造研究機構，在95年前已基本完成應用基礎技術的研究，建立了虛擬制造技術體系，正向?qū)嶋H應用全面過渡。美國處于國際研究的前沿：美國Michigan大學虛擬現(xiàn)實實驗室：主要集中于虛擬環(huán)境的工業(yè)應用方面。他們關注的是工程設計的虛擬原型構筑（virtualprototyping），這方面的工作特別針對汽車和海洋工業(yè)應用；其次是制造過程的仿真以及相關的工程應用。另外，也包括虛擬現(xiàn)實在事故仿真、醫(yī)學、建筑、考古、教育和其它領域的應用。2023/1/13usst吳恩啟301.5虛擬制造技術的研究現(xiàn)狀1.國外：以美國為首的西方工業(yè)國家成立了相應的虛擬制造研究機構，在95年前已基本完成應用基礎技術的研究，建立了虛擬制造技術體系，正向?qū)嶋H應用全面過渡。美國處于國際研究的前沿：美國東北大學虛擬環(huán)境實驗室：主要開展的是車輛駕駛員虛擬環(huán)境的研究。從事的項目有：基于虛擬環(huán)境的駕駛仿真器，用戶角度出發(fā)的道路和交通狀況的動態(tài)可視化研究，惡劣環(huán)境（強光、雨天和大霧）適用的駕駛仿真器，高速公路駕駛仿真等一系列與駕駛有關的虛擬環(huán)境研究項目。2023/1/13usst吳恩啟311.5虛擬制造技術的研究現(xiàn)狀1.國外：以美國為首的西方工業(yè)國家成立了相應的虛擬制造研究機構，在95年前已基本完成應用基礎技術的研究，建立了虛擬制造技術體系，正向?qū)嶋H應用全面過渡。美國處于國際研究的前沿：美國伊利諾斯大學芝加哥分校機械系工業(yè)虛擬現(xiàn)實研究所：主要從事工業(yè)與制造應用相關的，尤其是與制造設計、工藝處理、后勤學、運輸與發(fā)售、決策支持等相關的虛擬現(xiàn)實技術研究。主要項目有：工廠及工藝過程模型、遠程工程和產(chǎn)品仿真。2023/1/13usst吳恩啟321.5虛擬制造技術的研究現(xiàn)狀1.國外：以美國為首的西方工業(yè)國家成立了相應的虛擬制造研究機構，在95年前已基本完成應用基礎技術的研究，建立了虛擬制造技術體系，正向?qū)嶋H應用全面過渡。美國處于國際研究的前沿：美國波音-麥道飛機制造公司：是世界航空航天制造領域的領頭羊，因而也是不斷提出新的制造理念和嘗試新的制造技術的先驅(qū)。在繼成功應用并行工程技術后，又采用虛擬制造技術成功地將整機產(chǎn)品的設計周期大大縮短。在與麥道公司合并后，公司實力進一步加強，成為世界頭號飛機制造公司，其新技術的應用推廣力度也必將更上一個臺階2023/1/13usst吳恩啟331.5虛擬制造技術的研究現(xiàn)狀1.國外：以美國為首的西方工業(yè)國家成立了相應的虛擬制造研究機構，在95年前已基本完成應用基礎技術的研究，建立了虛擬制造技術體系，正向?qū)嶋H應用全面過渡。英國Bath大學機械工程系：其虛擬制造研究的主要側重點在支持虛擬制造的CAD/CAM仿真軟件的開發(fā)應用方面。主要的成就在于用OpenInventor2.0軟件工具開發(fā)出了基于自己的Svlis幾何造型工具的虛擬制造系統(tǒng)

英國Leeds大學計算機研究學院：研究主要集中在虛擬原型的構造和仿真以及可視化技術方面。日本大坂大學機械工程系制造工程及系統(tǒng)研究室：從事虛擬制造系統(tǒng)，三維建模，并行處理及虛擬現(xiàn)實等方面的研究。2023/1/13usst吳恩啟341.5虛擬制造技術的研究現(xiàn)狀1.國外：主要實例：美國福特和克萊斯勒公司運用虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術，使汽車開發(fā)周期由原來的36個月縮短為24個月；波音公司設計的777型大型客機，從8年縮短到5年，成本降低了25%左右。在設計制造RAH-66直升機時，節(jié)省了11590ｈ的試飛時間，節(jié)約經(jīng)費6.73億美元。2004年“勇氣號”和“機遇號”火星探測器成功登錄火星，虛擬制造技術在該項目研制中起了重要的作用，許多設計、試驗和仿真都是在虛擬樣機上完成的。德國奔馳公司利用虛擬制造技術，使車體噴漆的設計時間縮短了30%～40％。2023/1/13usst吳恩啟351.5虛擬制造技術的研究現(xiàn)狀國內(nèi)：由于虛擬制造技術出現(xiàn)較晚，研究機構還很少清華大學CIMS工程研究中心虛擬制造研究室，是國內(nèi)最早開展虛擬制造研究的機構之一，主要研究方向是虛擬產(chǎn)品開發(fā)西安交通大學CAD/CAM研究所主要研究以網(wǎng)絡為中心的創(chuàng)新設計與全球制造(包括創(chuàng)新技法、信息共享、知識發(fā)掘、遠程設計與制造模式)上海交通大學CIMS研究所、北京航空航天大學和浙汀大學等也進行了部分虛擬制造技術的研究2005年3月，上海理工大學宣布成立了虛擬制造技術研究院。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全國已有30多家科研機構、高等院校和企業(yè)正在開展VM技術方面的研究2023/1/13usst吳恩啟361.5虛擬制造技術的研究現(xiàn)狀國內(nèi)主要研究方向：虛擬制造基礎研究：虛擬制造涉及的技術領域極其廣泛，不是各單項技術的簡單組合，而是在相關理論和已積累知識的基礎上對制造知識的系