虚拟制造及其工业应用

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1、学院 2012-2013 学年第一学期期终考试先进制造技术考核试题姓名： 学号： 班级： 机制本 3虚拟制造及其工业应用摘要：虚拟制造技术是现代化制造的重要技术之一，实现虚拟制造需要有强有力的技术支撑，虚拟制 造技术的应用应结合我国制造业自身的特点，在吸收国外成熟经验的基础上大胆创新，形成特色发展。可 以预言，随着我国对虚拟制造技术研究的深入，其广泛的应用已为期不远，终将成为一个现代化化制造企 业的必由之路。关键词： 虚拟制造的概念 虚拟制造的发展虚拟制造的应用1 虚拟制造技术的基本概念为了提高竞争能力，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

2、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(VirtualManufacture)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(Vir tualProduc tDevelopmen t),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。虚拟制造技术(virtual manufacturing technology， VMT)是以虚拟现实和仿真技术

3、为基础，对产 品的设计、生产过程统一建模，在计算机上实现产品从设计、加工和装配、检验、使用整个生命周期的模 拟和仿真。这样，可以在产品的设计阶段就模拟出产品及其性能和制造过程，以此来优化产品的设计质量 和制造过程，优化生产管理和资源规划，以达到产品开发周期和成本的最小化，产品设计质量的最优化和 生产效率最高化，从而形成企业的市场竞争优势。如波音 777，其整机设计、部件测试、整机装配以及各 种环境下的试飞均是在计算机上完成的，其开发周期从过去的8年缩短到5年；Chrycler公司与IBM合作 开发在虚拟制造环境用于其新型车的研制，在样车生产之前，即发现其定位系统及其他许多设计有缺陷， 从而缩短

4、了研制周期。尽管虚拟制造技术的出现只有短短的几年时间，虚拟制造的应用将会对未来制造业 的发展产生深远的影响2 虚拟制造技术的发展 近几年来，虚拟制造技术也引起我国科技工作者的关注，据不完全统计，目前全国已有34 家科研机 构、高等院校和企业正在开展VM技术方面的研究。国家863/CIMS主题组也将“制造系统的可视化、虚拟 建模与仿真”确定为研究重点。国家自然科学基金也有专门的研究课题。我国在虚拟制造技术方面的研究 只是刚刚起步，其研究也多数是在原先的CAD / CAE / CAM和仿真技术等基础上进行的，目前主要集中在虚 拟制造技术的理论研究和实施技术准备阶段，系统的研究尚处于国外虚拟制造技术

5、的消化和与国内环境的 结合上。由于我国受到CAD / CAE / CAM基础软件、仿真软件、建模技术的制约，阻碍了虚拟制造技术的发 展。但这几年，我国虚拟制造技术受到普遍的重视，发展很快，发展势头强劲。2.1虚拟制造技术的发展及其国内外发展趋势虚拟制造技术的发展首先是在其支撑技术的发展上取得进展，例如，虚拟现实技术、仿真技术等。特 别是一些单元技术与制造业的紧密结合不断深入，并为其作出了巨大的贡献，更推动了这些技术的进一步 发展。虚拟制造技术虽然于80年代才刚刚提出来的。但随着计算机技术的迅速发展，在90年代得到人们的 极大重视而获得迅速发展。欧洲以大学为中心也纷纷开展了虚拟制造技术研究，如虚

6、拟车间、建模与仿真工程等的研究。日本在 6070年代的经济崛起受益于先进制造与管理技术的采用。日本对虚拟制造技术的研究也秉承其传统的特 点重视应用，主要进行虚拟制造系统的建模和仿真技术以及虚拟工厂的构造环境研究。我国在虚拟制造技术方面的研究只是刚刚起步，其研究也多数是在原先的cad / cae / cam和仿真技术 等基础上进行的，目前主要集中在虚拟制造技术的理论研究和实施技术准备阶段，系统的研究尚处于国外 虚拟制造技术的消化和与国内环境的结合上。由于我国受到cad / cae / cam基础软件、仿真软件、建模技 术的制约，阻碍了虚拟制造技术的发展。但这几年，我国虚拟制造技术受到普遍的重视，

7、发展很快，发展 势头强劲，例如：机械科学研究院与同济大学、香港理工大学合作进行的分散网络化制造、异地设计与制 造等技术的理论研究和实践活动已经取得了不少进展；清华大学进行了虚拟设计环境软件、虚拟现实、虚 拟机床、虚拟汽车训练系统等方面的研究；浙江大学进行了分布式虚拟现实技术、vr工作台、虚拟产品装 配等研究；西安交大和北航进行了远程智能协同设计研究；天大、北京机床所、大连机床所进行了机床的 虚拟设计和轴机床的研究；西北工业大学进行了虚拟样机的研究；哈工大、北京机电所、上海交大、南京 理工大学等单位也进行了这方面的研究。据不完全的调查统计，国内进行虚拟制造技术研究的单位达到了 100 家，已经取

8、得了一些可喜的进展。在虚拟现实技术、建模技术、仿真技术、信息技术、应用网络技术 等单元技术等方面的研究都很活跃。但研究的进展和研究的深度还属于初期阶段，与国际的研究水平尚有 很大的差距，除了三维建模已经有了4 种商业软件外，其他方面还没有形成产业化。我国的研究多集中于 高等院校和少量的研究院所，企业和公司介入的较少。2.2国内机械装备数字化虚拟制造的发展2.1.1现有CAE/CAD/CAM技术的应用需要更进一步深入目前模具的冲压工艺分析（CAE）在前、后处理方面没有形成一个统一的、标准的规范，对软件的使 用可以说是因人而异、因公司而异，因此对分析结果的评价也必然存在一定的差异。另外，工作职责不

9、够 细化，难以培养出CAE分析的专家人才。DL设计人员进行产品的工艺性评审，工艺方案的预测，工艺方案 的制定，工艺方案的可行性分析等工作，CAE的应用始终是处于一种泛泛的基础应用的状态。而目前的CAE 主要应用于拉延成形类的可行性分析，对于后序的修边线优化、翻边成形的可行性，以及回弹扭曲的预测 及补偿分析工作亦鲜有开展。也即，完善标准化、专业化，向后工序拓展应用，是需要进一步深入的内容。在 CAM 方面国内的发展非常接近国外，在数控设备、编程能力方面并不处于劣势，只是在加工用数据 上的差距就很大。模面的加工数模与产品数模可能有较大的差异，加工用模面的制作需要积累大量的实践 经验并遵循相应准则，

10、这种准则的编制需要对产品的匹配关系及整车的焊装具有相当程度的了解，甚至需 要对白车身设计有足够的把握。这种精细化模面的制作，我们还需要长期的总结和积累。2.1.2. 建立完善的仿真模拟体系 利用现有数字平台基础建立完善的仿真模拟体系，发挥出数字技术的优势，能在设计阶段发现制造中 可能出现的问题，在实际生产前就采取预防措施，提高一次调试成功率。（ 1）模具仿真模拟 实现模具、级进模具、大型模具冲压线、压合模具及复杂模具的运动仿真分析。当前，车身模具的结 构越来越趋向于复杂、紧凑，依靠以往那种在三维环境中采用人眼视觉判断、截面观察等设计验证手段， 难以检验出运动中的问题。在分析机械搬运是否顺畅无干

11、涉、人工搬运是否安全、便捷等方面，则更加有 必要进行仿真模拟。另外，为提高运动仿真效率，应该建立典型机构的运动场景：比如搬运机构、压床运 动机构、斜楔典型运动。（ 2）焊接工装仿真模拟 实现焊装线整体工艺规划模拟。利用预先定义好的焊装工艺规划模板，导入产品树图后，进行实际的 焊装工艺规划，规划过程中要同时将各种焊接资源如焊装厂房结构、工艺节拍、工装夹具布局、工艺物流、 焊接设备等因素统一考虑，在计算机内形成“真实的”焊装工艺流程。并对焊装生产线的生产能力进行平 衡分析，对产品的工艺分配、焊点分配、工位数量、人员分配、工装自动化程度等内容进行不断的优化。实现上述内容具有相当的难度，需要专业型人才

12、。大型冲压线、焊装厂房的数据量非常庞大，现有计 算机硬件水平有时难以满足大量复杂运动的同时模拟，需要研究数据轻量化设计手段、以及分步模拟仿真。 另外，由于这部分功能涉及到车身装备设计、制造的全过程，各业务阶段的软件平台并不统一，如何保证 上下工序的数据、信息完整的传递与继承，往往需要进行详细规划和软件二次开发工作。(3) 探索应用国际尖端的仿真模拟技术，实现对设计的精确控制和优化。VR (虚拟现实)是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，通过大型三维 立体投影设备再现计算机三维数据空间。与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思 想上有了质的飞跃。虚拟现实具

13、有多感知性(Multi-Sensory)、浸没感(Immersion)、交互性(Interactivity)、构想性(Imagination)等特点。使操作者能够真正进入一个由计算机生成的交互式 三维虚拟环境中，与之产生互动，进行交流。利用三维仿真软件和PC工作站可实现桌面虚拟效果。操作者可坐在电脑监视器前观察360度范围的 虚拟境界，并使用鼠标、轨迹球等控制端改变观察视角。然而，操作者和其他参与者不是完全投入在虚拟 场景中。要形成这种“真实”的投入感，就必须采用投入型虚拟设备。3 虚拟制造技术的应用3.1虚拟制造技术应用方面所面对的难题制造业是我国国民经济的支柱产业，它一方面创造价值，生产物

14、质财富和新的知识，另一方面为国民 经济各个部门包括国防和科学技术的进步与发展提供先进的手段和装备。在我国的经济腾飞中，制造业功 不可没。但是，随着计划经济体制向市场经济体制转变，我国制造企业的弊端日益陷入出来。我国制造业目前存在的五大难题：1. 产品质量不稳定，水平地下，主要机械产品中达到当代世界先进水平的不到10%； 2生产集中度低，分散、重复严重，缺乏协作；3科技基础薄弱，自主研发创新能力差； 4企业装备陈旧，生产工艺落后，精密、高效、数控设备不足10%； 5人才培养后继乏力；加之企业基础管理薄弱，缺乏现代生产管理意识，在市场经济新形势下显得 十分被动。虚拟制造在工业发达国家，如美国、德国

15、、日本等已得到了不同程度的研究和应用。在这一领域，美 国处于国际研究的前沿。福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司在新型汽车的开发中已经大量应用虚拟制造技 术，大大缩短了产品的发布时间；波音公司设计的777型大型客机是世界上首架以三维无纸化方式设计出 的飞机，它的设计成功已经成为虚拟制造从理论研究转向实用化的一个里程碑。虚拟制造作为一种哲理、一种制造策略为制造业的发展指明了方向。它可以全面改进企业的组织管理 工作，提高企业整体运作及全面最优决策的效能和市场竞争力。实施虚拟制造可以打破传统的地域、时域 的限制，通过Internet实现资源共享，变分散为集中，可实现异地设计、异地制造，从而使产品开发能 以

16、快速、优质、低耗响应市场变化。通过分析设计的可制造性，利用有效的工具和加工方法来支持生产， 可以大大提高产品的质量和稳定性。企业不再需要投入大量的设备和仪器，从而避免了不必要的设备闲置， 可充分利用其他企业的先进设备和仪器进行生产，能很好地解决一些中小企业资金短缺的难题。3.2 实施虚拟制造应采取的措施1.高度重视和全面规划。虚拟制造技术与其它的先进制造技术是相互关联、彼此交叉的，其涉及面广、 技术难度大，研究及推广应用需要投入大量人力、物力及资金，政府部门应从宏观上加强对虚拟制造技术 的指导，同时要使虚拟制造技术与各种先进制造技术相互衔接、协调发展。2加强人才培养和培训工作。人是先进制造的主

17、体，没有高素质的人的参与，再好的技术也发挥不 了应有的作用。因此，企业领导应有人本思维，采用人机一体的技术路线。企业在培养和引进高层次、高 质量研究型、管理型和开发应用型人才的同时，大力普及CAD/CAM技术，及时推行精益生产、并行工程等 思想和技术，全面提高企业员工的技术素质。企业与高校应探索人才的联合培养新模式，不断增强科技创 新能力。3.3虚拟制造技术在未来装备研制中的应用当前世界上许多发达国家都在研究与开发虚拟现实技术。它之所以能掀起如此大的研究热潮 ，其原 因并不在于它自身的理论发展与完善，而在于它在各个领域的卓有成效的广泛应用以及可以预见的广阔发 展前景。在网络战争离我们越来越近的

18、时候，利用虚拟制造技术进行装备的研制已势在必行。首先，虚拟 制造技术在装备研制过程中，可以为用户提供先期演示，让研制者和用户同时进入虚拟的作战环境中对装 备系统进行操作。研制者和用户能够充分利用分布式交互模拟方法检验装备系统的设计方案和战术、技术 性能及其合理性，避免那种在实际研制过程中经常出现的方案反复多变的不合理现象。其次，由于设计者 可方便自如地介入系统建模和仿真试验全过程，这样可缩短装备系统的研制周期。最后，它能根据未来战 争特点和各种作战设想，设置多种典型战场环境、作战背景和战场态势，并使其具有重演功能。通过在所 设置的各种典型的虚拟环境中，对未来的装备产品进行反复操作演练，从而不断

19、提高装备的作战效能和 适用性。3.4虚拟制造技术在制造业中的应用虚拟制造技术 VMT (Virtual Manufacturing Technology) 首先在飞机、汽车等领域获得成功 的应用。美国波音(Boeing)公司在777新型客机机型设计过程中，利用 VMT和三维模型进行管道 布线等复杂装配过程的模拟获得成功。目前 VMT 应用在以下几个方面。1 虚拟企业 虚拟企业建立，其中有一条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

20、， 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。虚拟企业的特征是：企业地域分散化。虚拟企业从用户订货、产品设计、零部件制造，以及 总成装配、销售、经营管理都可以分别由处在不同地域的企业，按契约互惠互利联作，进行异地设 计、异地制造、异地经营管理。企业组织临时化。虚拟企业是市场多变的产物。为了适应市场环 境的变化，企业组织结构也要及时反映市场动态，虚拟企业注重短期利益。当产品方向更换、联盟 伙伴之间利益改变或企业追求目标变更时，企业要调整组织结构，或者立即解散，重

21、新再组织新的 虚拟企业。企业功能不完整化。一个完整的企业，应具有从企业管理、设计、制造一直到市场销 售、售后服务等完整的全部功能。但在虚拟企业不需要机构功能完整，它以各种方式借用外部力量 来进行组合和集成。因为虚拟企业是动态联盟形式，突破企业的有形界限，利用外部资源加速实现 企业的市场目标。传统的外协加工是一种原始的虚拟企业行为。企业信息共享化。构成虚拟企业 的基本条件之一，就是组成企业伙伴之间的计算机互联网。根据具体情况，可以是国际互联网，局 域网或企业内部网，及时的沟通信息，包括产品设计、制造、销售、管理等信息，这些信息是以数 据形式表示，能够分布到不同的计算机环境中，以实现信息资源共享，

22、保证虚拟企业各部门步调高 度协调，在市场波动条件下，确保企业最大整体利益。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。上述 3 项内容是构成虚拟 企业不可缺少的必要条件。2 虚拟产品设计 例如飞机、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等。在复杂管道系统设计中， 3 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

23、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。3 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。综上所述，虚拟制造技术在企业中的应用可以带来很多效益。 虚拟产品设计可以提高设计质量、 优化产品性能，缩短设计周期。虚拟产品制造可以提高制造质量，优化工艺过程，缩短制造周期。 虚拟生产过程可以优化资

24、源配置、物流管理、缩短生产周期，降低生产成本。虚拟企业可以增强企 业柔性，满足客户的特殊要求，形成企业的市场竞争优势。我国虚拟制造技术的研究刚刚起步，系统的、全面的研究尚未开展，目前仍停留在国外的理论 消化与国内环境的结合上。 只要我们努力创造一个较好的基础， 虚拟制造技术在我国企业的应用已 经为期不远。4 结束语 可以看到，“虚拟制造”虽然不是实际的制造，但却实现实际制造的本质过程，是一种通过计算机虚拟模型来模拟和预估产品功能、 性能及可加工性等各方面可能存在的问题， 提高人们的预测 和决策水平，使得制造技术走出主要依赖于经验的狭小天地，发展到了全方位预报的新阶段。虚拟 制造技术是使用感官组

25、织仿真设备和真实或虚幻环境的动态模型生成或创造出人能够感知的环境 或现实，使人能够凭借直觉作用于计算机产生的三维仿真模型的虚拟环境。 基于虚拟现实技术的虚 拟制造( Virtual Manufacturing )技术是在一个统一模型之下对设计和制造等过程进行集成，它 将与产品制造相关的各种过程与技术集成在三维的、动态的仿真真实过程的实体数字模型之上。其目的是在产品设计阶段，借助建模与仿真技术及时地、并行地、模拟出产品未来制造过程 乃至产品全生命周期的各种活动对产品设计的影响，预测、检测、评价产品性能和产品的可制造性 等等。从而更加有效地、经济地、柔性地组织生产，增强决策与控制水平，有力地降低由于前期设 计给后期制造带来的回溯更改，达到产品的开发周期和成本最小化、产品设计质量的最优化、生产 效率的最大化。参考文献：1. 张树生，杨茂奎，朱名铨.虚拟制造技术M.西安：西北工业大学出版社，20062. 周祖德、陈幼平.虚拟现实与虚拟制造M.武汉：湖北科学技术出版社，20053. 宾鸿赞，王润孝.先进制造技术M.北京：高等教育出版社，20064. 杨继全，朱玉芳.先进制造技术M.北京：化学工业出版社，20045冯晓江译虚拟制造综述J.现代科技译丛，1998，11期，7-8页6.张申生拟实制造与现代仿真技术J.系统仿真学报，1995，03期