第6章-虛擬制造技術(shù)-先進制造技術(shù)課件

第1章緒論第2章制造自動化技術(shù)第3章微細(xì)加工技術(shù)第4章快速原型技術(shù)第5章工業(yè)機器人第6章虛擬制造技術(shù)第7章納米技術(shù)第8章壓電驅(qū)動與控制技術(shù)第9章綠色制造技術(shù)第六章虛擬制造技術(shù)VirtualManufacturingTechnology第六章

6.1概述Introduction內(nèi)容一、虛擬制造的定義二、虛擬制造的分類三、虛擬制造系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)四、虛擬制造的關(guān)鍵技術(shù)五、虛擬制造技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用虛擬制造技術(shù)就是利用仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在高性能計算機及高速網(wǎng)絡(luò)的支持下，采用群組協(xié)同工作，通過模型來模擬和預(yù)測產(chǎn)品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的問題，實現(xiàn)產(chǎn)品制造的本質(zhì)過程，包括產(chǎn)品的設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢測等，并進行過程管理和控制。一、虛擬制造的定義虛擬制造最終提供的是一個強有力的建模與仿真環(huán)境，使得產(chǎn)品產(chǎn)品規(guī)劃、設(shè)計、制造、裝配等均可在計算機上實現(xiàn)，且對涉及生產(chǎn)過程的各個方面（從車間加工到企業(yè)經(jīng)營）提供支持。

虛擬制造一、虛擬制造的定義廣義的制造（大制造）

一切與產(chǎn)品相關(guān)的活動和過程，包括直接制造過程和間接制造過程

即“虛擬”的含義是指：這種制造技術(shù)雖然不是真實的，但卻是本質(zhì)上的，即虛擬制造是產(chǎn)品實際制造過程在計算機上的模擬實現(xiàn)，它通過計算機來實現(xiàn)制造的本質(zhì)內(nèi)容。

一、虛擬制造的定義虛擬制造最終提供的是一個強有力的建模與仿真環(huán)境，使得產(chǎn)品產(chǎn)品規(guī)劃、設(shè)計、制造、裝配等均可在計算機上實現(xiàn)，且對涉及生產(chǎn)過程的各個方面（從車間加工到企業(yè)經(jīng)營）提供支持。虛擬制造要求對整個制造過程進行統(tǒng)一建模，一個廣義的制造過程不僅包括設(shè)計和制造，還包含了對企業(yè)生產(chǎn)活動的組織與控制。二、虛擬制造的分類1．以設(shè)計為中心的虛擬制造又稱為“面向設(shè)計的虛擬制造”，它把制造信息引入到產(chǎn)品設(shè)計全過程，利用仿真技術(shù)優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，從而在設(shè)計階段就可以對所設(shè)計的零件甚至整機進行可制造性分析。包括加工過程的工藝分析、鑄造過程的熱力學(xué)分析、運動部件的運動學(xué)分析和動力學(xué)分析，甚至包括加工時間、加工費用、加工精度等的分析等。

以設(shè)計為中心的虛擬制造一般是在真三維環(huán)境下設(shè)計產(chǎn)品，模擬裝配過程，實現(xiàn)產(chǎn)品的虛擬開發(fā)

二、虛擬制造的分類2．以生產(chǎn)為中心的虛擬制造又稱為“面向生產(chǎn)的虛擬制造”，它是在生產(chǎn)過程模型中融入仿真技術(shù)，以此來評估和優(yōu)化生產(chǎn)過程，以便低費用、快速地評價不同的工藝方案、資源需求規(guī)劃和生產(chǎn)計劃等。

其主要目標(biāo)是對產(chǎn)品的“可生產(chǎn)性”進行評價，對制造資源和環(huán)境進行優(yōu)化組合，從而提供更為精確的生產(chǎn)成本信息，對組織生產(chǎn)進行合理化決策。二、虛擬制造的分類3．以控制為中心的虛擬制造又稱為“面向控制的虛擬制造”，它將仿真技術(shù)加到控制模型和實際生產(chǎn)過程中，實現(xiàn)虛擬制造系統(tǒng)的組織、調(diào)度和控制策略的優(yōu)化，以及人工現(xiàn)實環(huán)境下虛擬制造過程中的人機智能交互與協(xié)同，達到優(yōu)化制造過程的目的。

其支持技術(shù)主要包括基于仿真的實時動態(tài)調(diào)度（對于離散系統(tǒng)）、基于仿真的最優(yōu)控制（對于連續(xù)制造）等。其具體的實現(xiàn)工具是虛擬儀器，它利用計算機軟硬件的強大功能，將傳統(tǒng)的各種控制儀表、檢測儀表的功能數(shù)字化，并可靈活地進行各種功能的組合。

面向控制的虛擬制造偏重于現(xiàn)實制造系統(tǒng)的狀態(tài)、行為、控制模式和人機界面，二、虛擬制造的分類以設(shè)計為中心的虛擬制造以生產(chǎn)為中心的虛擬制造以控制為中心的虛擬制造“設(shè)計出來的產(chǎn)品是怎樣”的問題

“這樣組織生產(chǎn)是否合理”的問題

“應(yīng)如何去控制”、“這樣控制是否合理和最優(yōu)”的問題

主要解決主要解決主要解決二、虛擬制造的分類三、虛擬制造系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)由于虛擬制造系統(tǒng)的復(fù)雜性，所構(gòu)造的虛擬制造系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)也不同。三、虛擬制造系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)虛擬制造的目標(biāo)是對產(chǎn)品的“可制造性”、“可生產(chǎn)性”和“可合作性”進行決策支持?？芍圃煨允侵杆O(shè)計的產(chǎn)品（包括零件、部件和整機）的可加工性（鑄造、沖壓、焊接、切削等）和可裝配性

可生產(chǎn)性是指企業(yè)在已有資源（廣義資源，如：設(shè)備、人力、原材料等）的約束條件下，如何優(yōu)化生產(chǎn)計劃和調(diào)度，以滿足市場或顧客的要求

可合作性是指企業(yè)之間構(gòu)建各種不同的動態(tài)聯(lián)盟，從而對“敏捷制造”等制造模式提供支持。1．虛擬現(xiàn)實技術(shù)四、虛擬制造的關(guān)鍵技術(shù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VirtualReality，VR）是指由計算機直接把視覺、聽覺和觸覺等多種信息合成，并提示給人的感覺器官，在人的周圍生成一個三維的虛擬環(huán)境，從而把人、現(xiàn)實世界和虛擬空間結(jié)合起來融為一體，相互間進行信息的交流和反饋的技術(shù)。2．制造系統(tǒng)建模四、虛擬制造的關(guān)鍵技術(shù)制造系統(tǒng)是制造工程及其所涉及的硬件及其相關(guān)軟件組成的具有特定功能的一個有機整體，其中硬件包括人員、生產(chǎn)設(shè)備、材料、能源和各種輔助裝置，軟件包括制造理論、制造技術(shù)（制造工藝和制造方法等）和制造信息等。3．虛擬產(chǎn)品開發(fā)四、虛擬制造的關(guān)鍵技術(shù)又稱為產(chǎn)品的虛擬設(shè)計或數(shù)字化設(shè)計，主要包括實體建模和仿真兩個方面，它是利用計算機來完成整個產(chǎn)品的開發(fā)過程，以數(shù)字化形式虛擬地、可視地、并行地開發(fā)產(chǎn)品，并在制造實物之前對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能進行分析和仿真，實現(xiàn)制造過程的早期反饋，及早地發(fā)現(xiàn)和解決問題，減少產(chǎn)品開發(fā)的時間和費用。

4．制造過程仿真四、虛擬制造的關(guān)鍵技術(shù)具體的生產(chǎn)過程仿真又包括：加工過程仿真、裝配過程仿真和檢測過程仿真等。制造過程仿真可分為：制造系統(tǒng)仿真和具體的生產(chǎn)過程仿真。四、虛擬制造的關(guān)鍵技術(shù)加工過程仿真（虛擬加工）主要包括產(chǎn)品設(shè)計的合理性和可加工性、加工方法、機床和切屑工藝參數(shù)的選擇以及刀具和工件之間的相對運動仿真和分析。裝配過程仿真（虛擬裝配）是根據(jù)產(chǎn)品的形狀特征和精度特征，在虛擬環(huán)境下對零件裝配情況進行干涉檢查，發(fā)現(xiàn)設(shè)計上的錯誤，并對裝配過程的可行性和裝配設(shè)備的選擇進行評價。檢測過程仿真（虛擬檢測）是模擬真實產(chǎn)品的檢測過程，如零件幾何尺寸和公差的檢測。虛擬儀器是目前虛擬檢測技術(shù)的研究熱點。美國Boeing公司的波音777客機全面實現(xiàn)了數(shù)字化設(shè)計和制造五、虛擬制造技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用我國研制的超七戰(zhàn)機超七飛機全面采用數(shù)字化設(shè)計，利用CATIA、UG等軟件對超七飛機230余項零部件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝模型設(shè)計、數(shù)控程序設(shè)計、虛擬加工仿真和數(shù)控加工。五、虛擬制造技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用熱加工工藝模擬虛擬樣機與產(chǎn)品工作性能評測產(chǎn)品廣告與漫游企業(yè)生產(chǎn)過程仿真與優(yōu)化虛擬企業(yè)的可合作性仿真與優(yōu)化五、虛擬制造技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用虛擬制造技術(shù)應(yīng)用效果比較明顯的領(lǐng)域有：產(chǎn)品外形設(shè)計產(chǎn)品布局設(shè)計產(chǎn)品運動學(xué)和動力學(xué)仿真產(chǎn)品裝配仿真加工過程仿真第六章

6.2虛擬產(chǎn)品建模技術(shù)VirtualModeling內(nèi)容一、計算機幾何建模技術(shù)二、計算機特征建模技術(shù)三、參數(shù)化建模和變量化建模技術(shù)1、幾何建模的基本知識2、線框建模3、曲面建模4、實體建模一、計算機幾何建模技術(shù)1、幾何建模的基本知識1）幾何建模的基本概念就是用計算機及其圖形系統(tǒng)來表示和構(gòu)造形體的幾何形狀，建立計算機內(nèi)部模型的過程。

2）幾何元素的定義幾何信息的基本元素包括點、線、面、體等。

①點三種類型控制點：用來確定曲線和曲面的位置與形狀，而相應(yīng)曲線和曲面不一定經(jīng)過的點。

型值點：用來確定曲線和曲面的位置與形狀，而相應(yīng)曲線和曲面一定經(jīng)過的點。

插值點：為提高曲線和曲面的輸出精度，在型值點之間插入的一系列點。

1、幾何建模的基本知識②邊

邊是1維幾何元素，是兩個鄰面(正則形體)或多個鄰面(非正則形體)的交界。直線邊由其端點(起點和終點)定界；曲線邊由一系列型值點或控制點表示，也可用顯式、隱式方程表示。1、幾何建模的基本知識③面

面是二維幾何元素，是形體上一個有限、非零的區(qū)域，由一個外環(huán)和若干個內(nèi)環(huán)界定其范圍。一個面可以無內(nèi)環(huán)，但必須有一個且只有一個外環(huán)。面有方向性，一般用其外法矢方向作為該面的正向。若一個面的外法矢向外，此面為正向面；反之，為反向面。

④

體

體是三維幾何元素，是由封閉表面圍成的維數(shù)一致的有效空間。

體可分為1）正則形體：

2）非正則形體：把具有維數(shù)一致的邊界定義的形體，稱為正則形體。邊界面的維數(shù)不一致的形體，稱為非正則形體。其特征和正則形體正相反。1、幾何建模的基本知識1、幾何建模的基本知識正則形體具有良好的邊界，如沒有懸邊、懸面、或一條邊有兩個以上的鄰面等。

非正則形體實際上是不存在的且無法加工，因此建模中，應(yīng)避免非正則形體的出現(xiàn)。

2、線框建模1）線框建模的原理利用基本線素來定義物體棱線部分的立體框架圖。線框模型在計算機內(nèi)部都是以邊表、點表形式來描述和表達物體。頂點表邊表邊類型E1（V1，V2）直線V1（V1，V2）E2（V1，V2）直線V2（V1，V2）E3（V1，V2）半圓V3（V1，V2）E4（V1，V2）半圓物體的線框模型2、線框建模2）線框建模的特點①所需信息量最少，數(shù)據(jù)運算簡單，運行速度快。②邊與邊之間沒有聯(lián)系（沒有構(gòu)成面的信息）③信息不完整，存在多義性。3、曲面建模1）表面建模的原理

表面建模(SurfaceModeling)，是通過對物體的各種表面或曲面進行描述的一種三維建模方法。

表面建模曲面建模平面建模：將形體表面劃分成一系列多邊形網(wǎng)格，每個網(wǎng)格構(gòu)成一個小的平面，用這一系列小平面逼近形體的實際表面。主要介紹曲面建模3、曲面建模2）曲面建模的原理

表面建模(SurfaceModeling)，是通過對物體的各種表面或曲面進行描述的一種三維建模方法。

主要適用于不能用簡單的數(shù)學(xué)模型進行描述的復(fù)雜物體型面。其重點是：由給出的離散點數(shù)據(jù)構(gòu)成光滑過渡的曲面，使這些曲面通過或逼近這些離散點。3、曲面建模幾種常用參數(shù)曲線(面)貝賽爾(Bezier)B樣條孔斯(Coonns)非均勻有理B樣條(NURBS)以貝賽爾(Bezier)曲面為例作簡單介紹。3）貝賽爾(Bezier)曲線、曲面

Bezier曲線曲面是法國雷諾汽車公司的Bezier在1962年提出的一種以逼近為基礎(chǔ)的構(gòu)造曲線、曲面的方法。3、曲面建模

①Bezier曲線的定義下圖所示為三次Bezier曲線的形成原理。

這是由四個位置矢量Q0、Q1、Q2、Q3定義的曲線。

通常將Q0、Q1、…、Qn組成的多邊形折線稱為Bezier控制多邊形。多邊形的第一條折線和最后一條折線代表曲線起點、終點的切線方向，其它頂點用于定義曲線的階次和形狀。3、曲面建模

Bezier曲線的數(shù)學(xué)表達式為：3、曲面建模Bi，n（t）－Bernstein（伯恩斯坦）基函數(shù)Qi―各頂點的位置矢量

Bernstein（伯恩斯坦）基函數(shù)：

Qi

構(gòu)成該曲線的特征多邊形。

Bernstein基函數(shù)即為曲線上各點位置矢量的調(diào)和函數(shù)。3、曲面建模

三次Bezier曲線(當(dāng)n＝3時，即得三次Bezier曲線表達式)②Bezier曲線的表達式3、曲面建模

式中：3、曲面建模

矩陣表示為：工程設(shè)計中，三次Bezier曲線是應(yīng)用最為廣泛的曲線。3、曲面建模三次Bezier曲線的變換矩陣：3、曲面建模

③Bezier曲面a)雙三次Bezier曲面的構(gòu)建基本思想：用一個參數(shù)t描述的向量函數(shù)可以表示一條空間曲線，用兩個參數(shù)u、v描述的向量函數(shù)就能表示一個曲面，因此，可以直接由三次Bezier曲線的定義推廣到雙三次Bezier曲面的定義。3、曲面建模如左圖，四條Bezier曲線Pi(u)（i＝0,1,2,3)，分別以Qji（j＝0,1,2,3）為控制頂點。當(dāng)四條曲線的參數(shù)u=u*時，形成四點P0(u*)、P1(u*)、P2(u*)、P3(u*)。

則由這四點構(gòu)成Bezier曲線方程為：3、曲面建模

當(dāng)u*從0～1發(fā)生變化時，P（u*,v）為一條運動曲線，構(gòu)成的曲面方程為：此即為雙三次Bezier曲面方程。

3、曲面建模

b)推廣的Bezier曲面設(shè)有Pij（i=0,1,2,…,m;j=0,1,2,…n）為（m+1），（n+1）個空間點列，則可以定義一張m×n次Bezier曲面：

3、曲面建模

為伯恩斯坦基函數(shù)。依次用線段連接點列Qij中相鄰兩點所形成的空間網(wǎng)格，稱為Bezier曲面的特征多邊形網(wǎng)格。3、曲面建模式中，

4）幾種簡化曲面生成方法①

線性拉伸面這是將一條剖面線C(u)沿方向D滑動所掃成的曲面。

3、曲面建模

②直紋面給定兩條相似的曲線，它們具有相同的次數(shù)和相同的節(jié)點矢量，將兩條曲線上對應(yīng)點用直線相連，就構(gòu)成了直紋面。

3、曲面建模

③旋轉(zhuǎn)面

將定義的曲線繞某軸(如z軸)旋轉(zhuǎn)360o，就得到旋轉(zhuǎn)面。

旋轉(zhuǎn)面的特征是：與Z軸垂直平面上的曲線是一個整圓。3、曲面建模

④掃描面沿導(dǎo)向曲線(亦稱控制曲線)掃描而形成的曲面。它適于具有相同構(gòu)形規(guī)律的曲面。3、曲面建模1）實體建模的定義實體建模是利用一些基本體素，如長方體、圓柱體、球體、錐體、圓環(huán)體以及掃描體等通過集合運算(布爾運算)生成復(fù)雜形體的一種建模技術(shù)。實體建模主要包括兩部分內(nèi)容，即：體素的定義和描述體素之間的布爾運算(并、交、差)4、實體建模①基本體素體素是現(xiàn)實生活中真實的三維實體?？赏ㄟ^少量參數(shù)進行描述的體素（如長、寬、高等），稱為基本體素。組成體素的基本要素1）少量參數(shù)2）基準(zhǔn)點基準(zhǔn)點用來定義基本體素在空間中的位置和方向?；鶞?zhǔn)點可以位于一個頂點，也可位于一個面的中心。4、實體建模a）b）c）f）g）h）i）e）W=RH=Rd）W=RH=R②平面輪廓掃描體由平面輪廓掃描法生成的體素，稱為平面輪廓掃描體。基本思路：由一個二維輪廓在空間平移或旋轉(zhuǎn)掃描出一個實體。前提條件：要有一個封閉的平面輪廓。該封閉輪廓可以沿著某一坐標(biāo)方向移動或繞某一給定的軸旋轉(zhuǎn)。4、實體建模③整體輪廓掃描體使一個剛體在空間運動以產(chǎn)生新的物體形狀。4、實體建模2)三維實體模型的計算機內(nèi)部表示法典型的描述方式有：邊界表示法空間單元表示法構(gòu)造立體幾何法半空間法等混合表示法√√√4、實體建模①邊界表示法（BR/Brep）BoundaryRepresentation（BR/Brep）基本思想：就把物體定義為封閉的邊界表面圍成的有限空間，這樣一個形體可通過它的邊界，即面的子集來表示。而每一個面又通過邊、邊通過點、點通過三個坐標(biāo)值來定義。

邊界表示法強調(diào)的是形體的外表細(xì)節(jié)，詳細(xì)記錄了構(gòu)成幾何形體的所有幾何、拓?fù)湫畔ⅰ?、實體建模邊界表示法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：4、實體建模邊界表示法的核心是平面，而邊構(gòu)成了平面之間的關(guān)聯(lián)。因此，邊一般是兩次存儲。

邊界表示法的特點：有關(guān)面、邊、點的信息量多。連接關(guān)系不清，信息冗余。

4、實體建模2)構(gòu)造立體幾何法（CSG）

ConstructiveSolidGeometry（CSG）是指通過基本體素及它們的集合運算(如并、交、差)，即通過布爾模型生成二叉樹結(jié)構(gòu)進行表示的建模方法。基本思想：將一個復(fù)雜物體視為由若干個簡單基本體素的相加、相減、相交所構(gòu)成；各個基本體素不需再分解，而是直接存儲在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。4、實體建模構(gòu)造立體幾何法的特點：①

計算機內(nèi)部表示與物體的描述和拼合運算過程密切相關(guān)，即存儲的主要是物體的生成過程，所以也稱為過程模型。同一物體可通過兩種完全不同的CSG結(jié)構(gòu)描述，兩者不僅應(yīng)用的布爾運算不同，而且采用的基本體素也不同。4、實體建模②幾何模型簡單③采用樹狀結(jié)構(gòu)表示，最上面的結(jié)點對應(yīng)著被建模的物體。4、實體建模⑤推演耗時、困難。④

CSG數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以方便地轉(zhuǎn)換成其它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，反之則很難。CSG法與BRep法的主要區(qū)別：

CSG法強調(diào)的是記錄各體素進入拼合時的原始狀態(tài)，而BRep法則強調(diào)記錄拼合后的結(jié)果。4、實體建模3）混合模式(HybridModel)混合模式由兩種不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成，可以相互補充。常用CSG法與邊界法混合使用。在原來CSG樹的結(jié)點上再擴充一級邊界數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以便達到實現(xiàn)快速圖形顯示的目的。4、實體建模1、特征（Feature）的定義特征就是一組具有確定約束關(guān)系的幾何實體，它同時包含某種特定的語義信息。產(chǎn)品特征＝形狀特征＋工程語義信息幾何拓?fù)湫畔O(shè)計制造過程的非幾何信息綜合概念二、計算機特征建模技術(shù)

因此，這種定義強調(diào)了特征的工程語義信息，既能表達設(shè)計人員設(shè)計意圖，又具有相應(yīng)的制造加工信息，因此特征建模技術(shù)成為CAD／CAM集成的核心技術(shù)。

特征模型是建立在實體模型基礎(chǔ)上，在已有幾何信息上附加了諸如形位公差、尺寸公差、表面粗糙度、材料性能等制造信息。二、計算機特征建模技術(shù)“特征”概念的理解:特征不是完整的零件，也不是體素，只是某個或某幾個加工表面。特征的分類與該表面加工工藝規(guī)程密切相關(guān)。如：小直徑孔和大直徑孔的加工方式不一樣，因此應(yīng)定義為兩個不同的特征。二、計算機特征建模技術(shù)根據(jù)復(fù)雜程度，持征可分為：基本特征組合特征復(fù)合特征二、計算機特征建模技術(shù)2、特征的分類基本特征形狀特征精度特征裝配特征分析特征材料特征形位公差、尺寸公差、表面光潔度等非幾何信息。規(guī)定了材料類型、強度、延展性、熱導(dǎo)性等特性。包括裝配體各零件的位置關(guān)系、公差配合、功能關(guān)系、動力學(xué)關(guān)系等。有關(guān)工程分析方面的持征，如有限元分析中的梁特征和板類特征。后面敘述二、計算機特征建模技術(shù)形狀特征的分類1）形狀特征的定義指具有特定形狀并且對應(yīng)特定功能意義的零件局部形狀在整體上的布局。形狀特征是描述產(chǎn)品或零件的最基本特征。目前特征的分類也多以形狀特征為主進行研究。

二、計算機特征建模技術(shù)從設(shè)計與制造集成的角度可依據(jù)下面的標(biāo)準(zhǔn)對特征進行分類：每一類特征都是零件設(shè)計的基本功能單元，同時，其加工方法和制造手段基本上一致。二、計算機特征建模技術(shù)按零件類型軸盤類板塊類箱體類自由曲面類等待征。

槽孔凹腔突起臺階過渡邊等二、計算機特征建模技術(shù)3、特征的表示特征的表示及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)二、計算機特征建模技術(shù)基于特征的零件信息模型的總體結(jié)構(gòu)可描述為：

1、參數(shù)化建模三、參數(shù)化建模和變量化建模技術(shù)參數(shù)化建模是指在參數(shù)化造型過程中，記錄建模過程和其中的變量以及用戶執(zhí)行的各種操作功能的建模方法。

參數(shù)化設(shè)計就是以規(guī)則或代數(shù)方程的形式定義尺寸間的約束關(guān)系，建立相應(yīng)的推理和求解驅(qū)動機制的方法。

2、參數(shù)化建模的基本方法三、參數(shù)化建模和變量化建模技術(shù)基于特征的參數(shù)化建模

基于約束的尺寸驅(qū)動法變動幾何法幾何推理法參數(shù)驅(qū)動法3、變量化建模三、參數(shù)化建模和變量化建模技術(shù)變量化設(shè)計的本質(zhì)就是動態(tài)地建立和識別約束，并在此約束下求解各個特征點。

變量化建模技術(shù)是指圖形的幾何關(guān)系、拓?fù)潢P(guān)系，甚至工程設(shè)計計算條件均可變的技術(shù)，其設(shè)計結(jié)果受到一組約束方程的控制和驅(qū)動。

4、變量化建模的基本方法三、參數(shù)化建模和變量化建模技術(shù)整體求解法局部求解法幾何推理法輔助線法第六章

6.2虛擬樣機技術(shù)VirtualPrototyping內(nèi)容一、虛擬樣機技術(shù)的定義二、虛擬樣機及其相關(guān)技術(shù)三、虛擬樣機技術(shù)的工程應(yīng)用四、虛擬樣機的理論基礎(chǔ)五、虛擬樣機仿真分析流程1）虛擬設(shè)計

即利用當(dāng)今信息技術(shù)、計算機技術(shù)實現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計，又稱為數(shù)字化設(shè)計。2）虛擬樣機

采用虛擬設(shè)計技術(shù)獲得的數(shù)學(xué)、物理模型，又稱為數(shù)字化樣機、數(shù)字化產(chǎn)品。

1.基本概念一、虛擬樣機技術(shù)的定義虛擬樣機技術(shù)也可以定義為：

是指在產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程中，把虛擬產(chǎn)品建模技術(shù)（CAD）與分析技術(shù)（CAE）相結(jié)合，針對產(chǎn)品在投入使用后的各種工況進行仿真分析，預(yù)測產(chǎn)品整體性能，進而改進產(chǎn)品設(shè)計和提高產(chǎn)品性能的一種技術(shù)。一、虛擬樣機技術(shù)的定義2.傳統(tǒng)設(shè)計與虛擬樣機設(shè)計比較（設(shè)計流程）YN概念設(shè)計產(chǎn)品設(shè)計實驗驗證最終產(chǎn)品物理樣機制造OROR傳統(tǒng)設(shè)計流程:一、虛擬樣機技術(shù)的定義虛擬樣機設(shè)計流程:概念設(shè)計計算機建模最終產(chǎn)品模擬真實環(huán)境的仿真分析YN虛擬樣機一、虛擬樣機技術(shù)的定義3.虛擬樣機技術(shù)的研究意義

利用虛擬樣機，在產(chǎn)品實際加工之前對產(chǎn)品的性能進行評價，同時對產(chǎn)品的設(shè)計制造全過程進行物理仿真，將制造過程或產(chǎn)品實際工作過程中可能發(fā)生的問題提前到設(shè)計階段處理，如進行產(chǎn)品的運動學(xué)、動力學(xué)分析；檢查零件的運動干涉；評價系統(tǒng)振動、噪聲水平；預(yù)測零件變形等；仿真試驗不同的設(shè)計方案。從而減少昂貴的物理樣機數(shù)量、提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，達到產(chǎn)品生產(chǎn)最優(yōu)的目標(biāo)。一、虛擬樣機技術(shù)的定義二、虛擬樣機及其相關(guān)技術(shù)1.完整的虛擬樣機設(shè)計將涉及到的知識模塊機械系統(tǒng)運動、動力幾何建模編程模塊優(yōu)化分析控制系統(tǒng)變形分析

ANSYS

LS－dyna

控制軟件：MATLAB

編程語言或平臺：Fortran、C/C++、MPI等DADSRecurDyn運動學(xué)、動力學(xué)分析軟件ADAMS造型軟件

PRO/E、UGII、CATIA、OSD、

I－DEAS、

SolidWorks、SolidEdge、

AutoCAD、

MDT北航海爾CAXA系列

有限元分析軟件MSC

公司系列

NastranMarc

DytranGS-Mesher

Patran

十余個軟件集群運算軟件：Enfuzion操作系統(tǒng)：Unix、NT4.0WIN2000WINXPLinux2.軟硬件環(huán)境二、虛擬樣機及其相關(guān)技術(shù)3.常用的運動學(xué)、動力學(xué)分析軟件1）ADAMS軟件（美國）

AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem

2）DADS軟件（美國）

DynamicAnalysisandDesignSystem3）RcurDyn

軟件（韓國）

RecursionDynamics二、虛擬樣機及其相關(guān)技術(shù)4.其它的動力學(xué)和運動學(xué)分析軟件

1）美國通用汽車公司：DYANA(DynamicAnalyzer)2）美國IBM公司：KAM（KinamaticAnalysisMethod）3）美國Michigan大學(xué)：DAMN

（DynamicAnalysisofMechanicalNetworks）4）美國Wisconsin大學(xué)的IMP

（IntegratedMechanismsProgram）5）德國MEDYNA

（MEhrkorper

DYNAmik

＝MultibodyDynamics）二、虛擬樣機及其相關(guān)技術(shù)

1.1997年7月美國航天局的火星探測器順利實現(xiàn)軟著陸三、虛擬樣機技術(shù)的工程應(yīng)用三、虛擬樣機技術(shù)的工程應(yīng)用2.工程機械

工程機械蛇行現(xiàn)象3.汽車虛擬碰撞實驗三、虛擬樣機技術(shù)的工程應(yīng)用4.其它行業(yè)

社會、生活、娛樂等保齡球形狀虛擬實驗三、虛擬樣機技術(shù)的工程應(yīng)用多體系統(tǒng)動力學(xué)模型的基本概念和約定1）部件（零件、物體）（Part）Part剛體（rigid）：有質(zhì)量、慣量；可移動、不變形（最常用）彈性體（flexible）：有質(zhì)量、慣量；可移動、可變形點質(zhì)量（pointmass）：有質(zhì)量、無慣量；可移動啞物體（dummy）：無質(zhì)量、無慣量；可移動大地（ground）：無質(zhì)量、無慣量；不可移動；起全局坐標(biāo)系作用四、虛擬樣機技術(shù)的理論基礎(chǔ)以下敘述以ADAMS軟件為例2）約束（Constrain)理想約束（ideal）：大部分實際約束虛約束（peimitive）：理想約束無法描述高副（curve-point、curve－curve）：點－線、線－線運動激勵（generation）：運動驅(qū)動Constrain四、虛擬樣機技術(shù)的理論基礎(chǔ)3）力(Force)

外加力（applied）：如Gforce、Sforce柔性連接（flexibleconnection）：如spring特殊力（specialforce）：如重力、空氣動力、液壓力、分布載荷接觸力（contactforce）：如碰撞力Force四、虛擬樣機技術(shù)的理論基礎(chǔ)4）自由度（DOF－degreeoffreedom）

DOF=6×(構(gòu)件總數(shù)－1）－約束總數(shù)DOF＝0：運動學(xué)問題DOF>0：動力學(xué)問題DOF<0：過約束，超靜定問題DOF四、虛擬樣機技術(shù)的理論基礎(chǔ)5）自定義的各種微分－代數(shù)方程（AlgebraicandDifferentialEquation）

2.動力學(xué)分析四、虛擬樣機技術(shù)的理論基礎(chǔ)1）廣義坐標(biāo)的選取ADAMS用剛體的質(zhì)心坐標(biāo)和反映剛體方位的歐拉角作為廣義坐標(biāo)：

四、虛擬樣機技術(shù)的理論基礎(chǔ)

2）動力學(xué)方程的建立對于每個剛體，ADAMS列出的是6個廣義坐標(biāo)帶乘子的拉格朗日方程及相應(yīng)的約束方程：

完整約束方程：

非完整約束方程：

四、虛擬樣機技術(shù)的理論基礎(chǔ)

把前面三式寫成更一般的形式為：如果定義系統(tǒng)的狀態(tài)矢量則可寫成單一的矩陣方程：

四、虛擬樣機技術(shù)的理論基礎(chǔ)

3）動力學(xué)方程的數(shù)值求解ADAMS采用的數(shù)值積分算法主要有：

GSTIFF－Gear算法，變階、變步長、剛性

WSTIFF－變階、變步長、剛性

BDF－BackwardDifferentiationFormulation，變階、變步長

DSTIFF－DASSL算法、非剛性

ABAM－Adams-Bashforth-Adams-Moulton算法，非剛性

RKF45－Runge-Kutta-Fehlberg(4,5)算法、非剛性四、虛擬樣機技術(shù)的理論基礎(chǔ)

①微分-代數(shù)方程的求解算法用GEAR預(yù)估校正算法可以有效地求解式

首先，根據(jù)當(dāng)前時刻的系統(tǒng)狀態(tài)矢量，用泰勒級數(shù)預(yù)估下一時刻系統(tǒng)的狀態(tài)矢量值：

其中，時間步長

四、虛擬樣機技術(shù)的理論基礎(chǔ)

這種預(yù)估算法得到的新時刻的系統(tǒng)狀態(tài)矢量值通常不準(zhǔn)確，上式的右邊項不等于0，可以由Geark+1階積分求解程序（或其它向后差分積分程序）來校正。為在

時的近似值為Gear積分程序的系數(shù)值。

和整理上式得：

四、虛擬樣機技術(shù)的理論基礎(chǔ)

將式在

展開得到：四、虛擬樣機技術(shù)的理論基礎(chǔ)

ADAMS使用修正的Newton-Raphson程序求解上面的非線性方程組，其迭代校正公式為：其中，j表示第j次迭代：四、虛擬樣機技術(shù)的理論基礎(chǔ)

由式

知：

由式

知：

四、虛擬樣機技術(shù)的理論基礎(chǔ)

將上面式子代入下式中：

四、虛擬樣機技術(shù)的理論基礎(chǔ)

得到：系統(tǒng)的雅可比矩陣（稀疏矩陣）

為系統(tǒng)剛度矩陣

為系統(tǒng)阻尼矩陣

為系統(tǒng)質(zhì)量矩陣

四、虛擬樣機技術(shù)的理論基礎(chǔ)

②坐標(biāo)縮減的微分方程求解算法

ADAMS程序提供ABAM積分程序，采用坐標(biāo)分離算法，將微分-代數(shù)方程縮減成用獨立廣義坐標(biāo)表示的純微分方程，然后采用ABAM程序進行數(shù)值積分。四、虛擬樣機技術(shù)的理論基礎(chǔ)

坐標(biāo)縮減微分方程的確定及其數(shù)值積分過程按以下步驟進行：坐標(biāo)分離

預(yù)估

校正

確立相關(guān)坐標(biāo)

積分誤差控制

3.靜力學(xué)分析四、虛擬樣機技術(shù)的理論基礎(chǔ)靜力學(xué)方程：，

4.運動學(xué)分析四、虛擬樣機技術(shù)的理論基礎(chǔ)運動學(xué)分析研究零自由度系統(tǒng)的位置、速度、加速度和約束反力，因此只須求解系統(tǒng)的約束方程：

任一時刻tn位置的確定，可由約束方程的Newton-Raphson迭代求得：其中

j表示第j次迭代四、虛擬樣機技術(shù)的理論基礎(chǔ)

tn時刻速度、加速度的確定，可由約束方程求一階、二階時間導(dǎo)數(shù)得到：tn時刻約束反力的確定，可由帶乘子的拉格朗日方程得到五、虛擬樣機仿真分析流程模型建立模型檢驗評價有效性模型參數(shù)化優(yōu)化分析設(shè)計自動化模型細(xì)化NY虛擬樣機軟件ADAMS的具體應(yīng)用1.參考隨附的文件：ADAMS入門教材.pdf參考市面上流行的相關(guān)培訓(xùn)教材（參見教材“參考文獻”，并隨時留意出版的相關(guān)新書）第六章

6.4虛擬加工技術(shù)VirtualMachining內(nèi)容一、虛擬加工的涵義二、虛擬加工環(huán)境三、數(shù)控代碼的翻譯四、加工過程仿真虛擬加工技術(shù)是指利用計算機技術(shù)，以可視化的、逼真的形式來直觀表示零件數(shù)控加工過程，對干涉、碰撞、切削力變化、工件變形等進行預(yù)測和分析，減少或消除因刀位數(shù)據(jù)錯誤而導(dǎo)致的機床損壞、夾具或刀具折斷以及因切削力和切削變形造成的零件報廢，從而進一步優(yōu)化切削用量，提高加工質(zhì)量和加工效率。一、虛擬加工的涵義虛擬加工是實際加工在計算機上的本質(zhì)實現(xiàn)，主要包括虛擬環(huán)境的建立和加工過程仿真等關(guān)鍵技術(shù)。1．虛擬加工的基本流程

二、虛擬加工環(huán)境虛擬加工的整個過程均可以在計算機上通過三維動畫顯示出來。2．虛擬加工環(huán)境二、虛擬加工環(huán)境

虛擬加工環(huán)境是實際的加工系統(tǒng)在不消耗能源和資源的計算機虛擬環(huán)境中的完全映射，其必須與實際加工系統(tǒng)具有功能和行為上的一致性。虛擬加工環(huán)境包括硬件環(huán)境和軟件環(huán)境

二、虛擬加工環(huán)境虛擬加工硬件環(huán)境車間層機床層毛坯層包括機床（加工中心）、機床刀具和夾具，是虛擬加工環(huán)境中的關(guān)鍵部分

只是為了增加環(huán)境的真實感，起到烘托和陪襯作用

與加工過程仿真模塊密切相關(guān)

二、虛擬加工環(huán)境虛擬加工軟件環(huán)境NC代碼解析模塊加工過程仿真模塊等這些模型和模塊在NC代碼驅(qū)動下相互協(xié)同工作，完成毛坯的加工

3．虛擬機床二、虛擬加工環(huán)境虛擬機床是指數(shù)控機床（如加工中心）在虛擬環(huán)境下的映射，主要由虛擬加工設(shè)備模型、毛坯模型、刀具模型、夾具模型等組成，它是虛擬加工過程的載體和核心。虛擬機床幾何模型二、虛擬加工環(huán)境虛擬機床模型虛擬機床的幾何建模虛擬機床的運動建模主要包括床身、立柱、主軸、工作臺和刀架等主要部件，刀具和夾具等刀具工裝設(shè)備等。

零件的加工是機床通過工作臺和主軸的運動來實現(xiàn)的，加工過程是一個動態(tài)連續(xù)的過程，因此，必須研究機床的運動建模技術(shù)。二、虛擬加工環(huán)境目前的研究主要集中在刀具和零件的仿真描述方面，而對于數(shù)控機床仿真運動建模的研究還比較少。虛擬機床運動模型的建立涉及三個坐標(biāo)系：世界坐標(biāo)系參考坐標(biāo)系（運動坐標(biāo)系）局部坐標(biāo)系（靜坐標(biāo)系）三、數(shù)控代碼的翻譯數(shù)控代碼的翻譯一般包括：機床初始化預(yù)處理詞法分析語法分析語義分析翻譯執(zhí)行四、加工過程仿真

加工過程仿真就是借助于虛擬現(xiàn)實技術(shù)和計算機仿真技術(shù)，對零件的加工過程進行全方位的模擬，是數(shù)控機床上進行的切削加工過程在虛擬環(huán)境下的映射，又稱為虛擬加工過程。

加工過程仿真包括三維動畫仿真碰撞干涉檢測加工精度分析加工工時分析1.加工過程仿真的定義加工過程仿真分類幾何仿真物理仿真四、加工過程仿真幾何仿真是在計算機上實現(xiàn)加工過程中，顯示機床、刀具、工件及夾具等相關(guān)幾何實體的運動過程，預(yù)防可能發(fā)生的各種干涉現(xiàn)象的出現(xiàn)。

幾何仿真以刀具和工件幾何體為主要檢測對象。目的是保證刀位數(shù)據(jù)的正確性，減少或消除由于刀位數(shù)據(jù)錯誤而導(dǎo)致的零件加工失效問題。

2.幾何仿真四、加工過程仿真幾何仿真建模過程一般分為兩個步驟：建立刀具掃描體模型工件和刀具掃描體的布爾運算零件加工過程中，刀具運動走過的空間軌跡將形成一個連續(xù)或不連續(xù)的空間，將這個軌跡空間輪廓構(gòu)造成模型即為刀具掃描體。將工件毛坯與掃描體進行布爾減運算即可得到加工后的零件（或半成品零件）。

四、加工過程仿真

零件數(shù)控加工的刀具軌跡

四、加工過程仿真

零件數(shù)控加工過程仿真

四、加工過程仿真物理仿真是將切削過程中的各物理因素的變化映射到虛擬制造系統(tǒng)中，分析與預(yù)測各切削參數(shù)的變化及干擾因素對加工過程的影響，分析具體工藝參數(shù)下的工藝規(guī)程質(zhì)量及工件加工質(zhì)量，輔助在線檢測與在線控制，進行工藝規(guī)程的優(yōu)化。

切削力的仿真與分析是物理仿真的重要內(nèi)容。另外，不同刀具的振動模型也是當(dāng)前物理驗證研究的熱點之一3.物理仿真四、加工過程仿真分析方法常用的加工過程物理仿真建模方法：實驗方法機械建模四、加工過程仿真①分析方法應(yīng)用剪切滑移理論確定以剪切角為主的力學(xué)模型，研究重點在于確定切削過程中的切削力及切削振動涉及到的相關(guān)問題。

主要應(yīng)用動態(tài)切削力系數(shù)，通過確定與切削用量三要素有關(guān)的動態(tài)切削力系數(shù)來確定動態(tài)切削力，同時分析切削過程中的顫振現(xiàn)象以便確定既定狀態(tài)下的切削穩(wěn)定性條件。

四、加工過程仿真②實驗方法針對大量實際進行的切削過程，通過實驗來確定各種動態(tài)切削力系數(shù)。靜態(tài)切削方法主要分為動態(tài)切削方法時序方法應(yīng)用靜態(tài)切削實驗，通過人為地造波、去波或波波迭加實驗來確定動態(tài)切削力系數(shù)。

人為制造動態(tài)切削過程，應(yīng)用間歇激振器產(chǎn)生動態(tài)切削過程，然后由測力儀記錄下動態(tài)切削力。

將切削過程視為黑箱，由實驗測量出切削過程的大量輸出數(shù)據(jù)并對之進行數(shù)學(xué)分析，總結(jié)出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)而識別系統(tǒng)的各項動態(tài)參數(shù)。

四、加工過程仿真③機械建模方法機械建模方法就是綜合考慮到切削過程是涉及到多輸入與多輸出的綜合系統(tǒng)，通過建立適用于多種切削條件的綜合機械切削模型，建立出各輸入輸出相關(guān)因素的影響關(guān)系，達到揭示切削過程、預(yù)測各有效輸出參數(shù)以及表達系統(tǒng)輸入與輸出間關(guān)系的目的。機械建模方法將分析方法和實驗方法結(jié)合在一起，一方面揭示切削過程中各參數(shù)的變化規(guī)律，另一方面不需大量的實驗來確定所需的實驗參數(shù)，成為目前研究動態(tài)切削的有效手段。第六章

6.5虛擬裝配技術(shù)V