虛擬制造技術(shù)

虛

擬

制

造

技

術(shù)

背景

隨著經(jīng)濟(jì)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。為了提高競爭能力，企業(yè)對市場需求的變化作出快速敏捷的反應(yīng)，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(jī)軟硬件技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展為實現(xiàn)這一目標(biāo)提供了強(qiáng)有力的支持。生活實例

虛擬制造技術(shù)定義

虛擬制造技術(shù)是一門以計算機(jī)仿真技術(shù)、制造系統(tǒng)與加工過程建模理論、VR技術(shù)、分布式計算理論、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)等為理論基礎(chǔ)，研究如何在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及虛擬現(xiàn)實環(huán)境下，利用制造系統(tǒng)各層次及各環(huán)節(jié)的數(shù)字模型，完成制造系統(tǒng)整個過程的計算與仿真的技術(shù)。虛擬制造技術(shù)特點

以模型為核心產(chǎn)品模型：產(chǎn)品信息在計算機(jī)上的表示。

過程模型：設(shè)計過程、工藝規(guī)劃過程、加工制造過程

裝配過程、性能分析過程?；顒幽Ｐ停簩ζ髽I(yè)生產(chǎn)組織和經(jīng)營活動建立的模型

資源模型：對企業(yè)人力、物力建立的模型以模型信息集成為根本產(chǎn)品模型、過程模型、活動模型、資源模型之間的信息集成以高逼真度仿真為特色仿真結(jié)果的高可信度，以及人與這個虛擬制造環(huán)境的交互的自然化虛擬制造與實際制造

實際制造系統(tǒng)是物質(zhì)流、信息流在控制流的協(xié)調(diào)和控制下，在各個層次上進(jìn)行相應(yīng)的決策，實現(xiàn)從投入到產(chǎn)出的有效轉(zhuǎn)變，其中物質(zhì)流和信息流的協(xié)調(diào)工作是主體。

虛擬制造系統(tǒng)是在分布式協(xié)同工作等多學(xué)科技術(shù)支持的虛擬環(huán)境下的現(xiàn)實制造系統(tǒng)的映射。

虛擬制造系統(tǒng)是實際制造系統(tǒng)的抽象，實際制造系統(tǒng)是虛擬制造系統(tǒng)的實例。虛擬制造與實際制造

虛擬制造系統(tǒng)VIS+VPS真實制造系統(tǒng)RIS+RPS計算機(jī)仿真/虛擬現(xiàn)實VPS虛擬信息系統(tǒng)確認(rèn)和驗證技術(shù)人員客戶虛擬產(chǎn)品真實信息系統(tǒng)樣機(jī)需求工人工廠RPS實際產(chǎn)品抽象與綜合虛擬制造系統(tǒng)VIS+VPS計算機(jī)仿真/虛擬現(xiàn)實虛擬信息系統(tǒng)確認(rèn)和驗證虛擬產(chǎn)品虛擬制造技術(shù)分類

1996年，美國馬里蘭大學(xué)提出三種模式：以設(shè)計為中心的虛擬制造(DCVM)以生產(chǎn)為中心的虛擬制造(PCVM)以控制為中心的虛擬制造(CCVM)虛擬制造技術(shù)分類

Design-CenteredVM

強(qiáng)調(diào)以統(tǒng)一制造信息模型為基礎(chǔ)，對數(shù)字化產(chǎn)品模型進(jìn)行仿真與分析、優(yōu)化，進(jìn)行產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能、運動學(xué)、動力學(xué)、熱力學(xué)方面的分析和可裝配性分析，獲得對產(chǎn)品的設(shè)計評估與性能預(yù)測結(jié)果，以便作出正確決策。

成功事例：美國波音公司波音777噴氣式客機(jī)的研制。僅用了3年零8個月時間，一次試飛成功，投入運營。波音公司777客機(jī)數(shù)以萬計的零部件中任何一種的設(shè)計，觀察、研究、討論都是在計算機(jī)上完成，所有零部件均是三維實體模型?？梢娞摂M產(chǎn)品設(shè)計給企業(yè)帶來的效益。虛擬制造技術(shù)分類

Production-CenteredVM

在企業(yè)資源的約束條件下，對企業(yè)的生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真，對不同的加工過程及其組合進(jìn)行優(yōu)化。它對產(chǎn)品的“可生產(chǎn)性”進(jìn)行分析與評價，對制造資源和環(huán)境進(jìn)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(jìn)行合理化決策虛擬制造技術(shù)分類

Control-CenteredVM

將仿真技術(shù)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(chǔ)上對制造過程進(jìn)行優(yōu)化控制。其目標(biāo)是實際生產(chǎn)中的過程優(yōu)化，改進(jìn)制造系統(tǒng)。虛擬制造技術(shù)分類

設(shè)計為核心優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計加工方案評價生產(chǎn)為核心優(yōu)化資源選擇評價工藝驗證新工藝控制為核心優(yōu)化車間控制優(yōu)化制造過程CAD/CAMM!M2M3M4供設(shè)計者參考的制造信息虛擬產(chǎn)品原型成本估算新產(chǎn)品模型、工藝、制造信息虛擬生產(chǎn)計劃質(zhì)量評估新工藝及對應(yīng)信息、如成本車間機(jī)床及控制系統(tǒng)工廠資源（人、設(shè)備）M1：已有的模型和工藝M2：日程模型、邏輯模型M3：過程模型M4：成品模型參數(shù)虛擬制造使能技術(shù)

多通道交互技術(shù)虛擬環(huán)境建模技術(shù)產(chǎn)品建模技術(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理技術(shù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下知識獲取與建庫技術(shù)基于VR的科學(xué)計算可視化技術(shù)虛擬制造使能技術(shù)

多通道交互技術(shù)虛擬現(xiàn)實設(shè)備的軟硬件接口驅(qū)動技術(shù)

真實感渲染的三維圖形加速技術(shù)三維定位跟蹤設(shè)備的定標(biāo)技術(shù)大面積紋理的可見性快速顯示技術(shù)人像分離與多傳感信息的融合技術(shù)

信息與時間的同步技術(shù)

虛擬制造使能技術(shù)

虛擬環(huán)境建模技術(shù)圖像圖形混合建模技術(shù)多細(xì)節(jié)層次建模技術(shù)智能化視區(qū)裁剪技術(shù)場景預(yù)處理技術(shù)基于圖像的繪制技術(shù)虛擬聲的生成與增強(qiáng)技術(shù)虛擬制造使能技術(shù)

產(chǎn)品建模技術(shù)零部件的物理建模方法基于物理的工程行為特征建模方法工程對象的單元化劃分方法工程分析的有限元計算方法工程分析結(jié)果的多準(zhǔn)則圖示方法虛擬制造使能技術(shù)

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理技術(shù)數(shù)據(jù)文件格式轉(zhuǎn)換技術(shù)數(shù)據(jù)文件格式轉(zhuǎn)換技術(shù)虛擬制造使能技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下知識獲取與建庫技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化異構(gòu)知識與數(shù)據(jù)信息的統(tǒng)一表達(dá)分布式虛擬仿真節(jié)點的協(xié)同與自治虛擬場景的快速漫游、繪制與網(wǎng)絡(luò)傳輸基于VR的產(chǎn)品設(shè)計與制造集成過程鏈基于多Agent的虛擬企業(yè)信息重組與集成網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下虛擬產(chǎn)品數(shù)據(jù)與指令的傳輸與共享虛擬制造使能技術(shù)

基于VR的科學(xué)計算可視化技術(shù)多通道技術(shù)與可視化技術(shù)的映射機(jī)理與操縱方法分布式的計算與可視化環(huán)境的協(xié)同特征可視化與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

基于VR的可視化與駕馭計算

虛擬制造使能技術(shù)

虛擬裝配設(shè)計環(huán)境VADE基于虛擬現(xiàn)實的訓(xùn)練系統(tǒng)計算機(jī)輔助過程規(guī)劃系統(tǒng)機(jī)器人路徑規(guī)劃系統(tǒng)專用的裝配設(shè)備設(shè)計VADE環(huán)境CAD環(huán)境DFA分析軌跡信息序列信息部件幾何特征屬性及裝配信息等軌跡及序列信息設(shè)計變化的建議虛擬制造關(guān)鍵技術(shù)

虛擬設(shè)計與裝配技術(shù)虛擬產(chǎn)品實現(xiàn)技術(shù)虛擬檢測與評價技術(shù)虛擬紋理分析技術(shù)虛擬實驗技術(shù)虛擬生產(chǎn)技術(shù)虛擬制造關(guān)鍵技術(shù)

虛擬設(shè)計與裝配技術(shù)虛擬產(chǎn)品形狀設(shè)計虛擬裝配/拆卸設(shè)計與優(yōu)化虛擬樣機(jī)具有力覺的虛擬裝配虛擬制造關(guān)鍵技術(shù)

虛擬產(chǎn)品實現(xiàn)技術(shù)虛擬加工遠(yuǎn)程機(jī)器人操作與監(jiān)控虛擬測量技術(shù)基于表面質(zhì)量分析的切削參數(shù)選擇虛擬制造關(guān)鍵技術(shù)

虛擬檢測與評價技術(shù)虛擬表面接觸剛度分析刀位軌跡檢查及碰撞干涉檢驗工藝過程規(guī)劃與仿真基于應(yīng)力的加工質(zhì)量評價裝配信息建模虛擬制造關(guān)鍵技術(shù)

虛擬實驗技術(shù)虛擬試驗的物理建模虛擬試驗的運行平臺虛擬測試虛擬樣機(jī)的性能評價虛擬制造關(guān)鍵技術(shù)

虛擬生產(chǎn)技術(shù)虛擬生產(chǎn)線/車間實時三維布局生產(chǎn)線/車間生產(chǎn)過程虛擬仿真基于VR的網(wǎng)絡(luò)化分散制造仿真與評價虛擬產(chǎn)品模型特點

T0

T1

T2

T3

T4

時間適度保真的模型維護(hù)運行成本計劃管理需求后勤培訓(xùn)制造布局市場分析系統(tǒng)定義設(shè)計與分析制造、測試發(fā)射、入軌軌道運行經(jīng)營的系統(tǒng)模型，供市場詳細(xì)分析與投資決策考慮到系統(tǒng)各方面性能和潛在風(fēng)險混合保真虛擬原型用于作成本／性能分析虛擬制造和標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)過程，用于改進(jìn)質(zhì)量和生產(chǎn)成本仿真發(fā)射，應(yīng)用MDO最小化進(jìn)入軌道時間早期，逐步地用相應(yīng)的、保真度也逐步提高的虛擬產(chǎn)品模型進(jìn)行仿真分析,以減少風(fēng)險、獲得最大利益。虛擬企業(yè)用于無縫集成系統(tǒng)管理和運行功能以獲得最大利益虛擬制造技術(shù)應(yīng)用

虛擬產(chǎn)品建模虛擬制造技術(shù)應(yīng)用

汽車外形設(shè)計分析虛擬制造技術(shù)應(yīng)用

虛擬制造技術(shù)應(yīng)用

美國波音公司在飛機(jī)設(shè)計中運用VR技術(shù)完全改變了這種設(shè)計方法波音公司為設(shè)計波音777飛機(jī)，研制了一個名為“先進(jìn)計算機(jī)圖形交互應(yīng)用系統(tǒng)”的虛擬環(huán)境，用VR技術(shù)在此環(huán)境中建立一駕飛機(jī)的三維模型。這樣設(shè)計師戴上頭盔顯示器就可以在這駕虛擬飛機(jī)中遨游，檢查“飛機(jī)”的各項性能，同時，還可以檢查設(shè)備的安裝位置是否符合安裝要求等等。最終的實際飛機(jī)與設(shè)計方案相比，偏差小于千分之一寸，機(jī)翼和機(jī)身的接合一次成功，縮短了數(shù)千小時的設(shè)計工作量。虛擬制造技術(shù)應(yīng)用

使用電腦進(jìn)行無紙設(shè)計是波音自777以來的技術(shù)創(chuàng)新，波音在787的研制中也繼續(xù)使用計算機(jī)無紙化作業(yè)

CATIA，ENOVIA和DELMIA等，在波音公司787的開發(fā)過程中，得到了全面的應(yīng)用，從而實現(xiàn)了設(shè)計、分析、制造的緊密繼承和數(shù)據(jù)共享虛擬制造技術(shù)應(yīng)用

聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)JSF虛擬制造技術(shù)應(yīng)用

洛克希德·馬丁公司JSF—基于全球虛擬企業(yè)制造的飛機(jī)JSF采用信息技術(shù)，建立了全球30個國家50家公司參與研發(fā)的數(shù)字化協(xié)同環(huán)境，形成了無縫連接、緊密配合的全球虛擬企業(yè)，快速地實現(xiàn)了以數(shù)字化技術(shù)為研制基礎(chǔ)的三種變型、四個軍種、客戶化程度高的飛機(jī)設(shè)計。2006億美元，3002架飛機(jī)；每架飛機(jī)成本控制在30