虛擬制造技術(shù)第1章緒論.ppt

1、虛擬制造技術(shù),北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 宋荊洲 Tel: 62282543,利用液壓動(dòng)力單元增強(qiáng)拖拉機(jī)附件的裝配,第一章 緒 論,虛擬制造技術(shù)產(chǎn)生的時(shí)代背景 虛擬制造技術(shù)的內(nèi)涵 虛擬制造技術(shù)與其它先進(jìn)制造技術(shù)的關(guān)系 虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用,虛擬制造技術(shù)產(chǎn)生的時(shí)代背景,制造的概念 制造技術(shù)的發(fā)展歷程 新世紀(jì)制造業(yè)所面臨的挑戰(zhàn),制造的概念,制造: 是人類所有經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的基石，是人類歷史發(fā)展和文明進(jìn)步的動(dòng)力。 狹義：為機(jī)電產(chǎn)品的機(jī)械加工工藝過程 廣義：國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)1990年： 制造是涉及制造工業(yè)中產(chǎn)品設(shè)計(jì)、物料選擇、生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)過程、質(zhì)量保證、經(jīng)營(yíng)管理、市場(chǎng)銷售和服務(wù)的一系列相關(guān)活動(dòng)和工作的總稱。,制

2、造技術(shù) 按照人們所需的目的，運(yùn)用知識(shí)和技能，利用客觀物資工具，將原材料物化為人類所需產(chǎn)品的工程技術(shù)。即：使原材料成為產(chǎn)品而使用的一系列技術(shù)的總稱。 制造過程 產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用、維修、報(bào)廢、回收等的全過程，也稱為產(chǎn)品生命周期。 制造業(yè) 將制造資源（物料、能源、設(shè)備、工具、資金、信息、人力等）利用制造技術(shù)，通過制造過程，轉(zhuǎn)化為供人們使用或利用的工業(yè)品或生活消費(fèi)品的行業(yè)。,制造的概念,制造系統(tǒng) 制造系統(tǒng)是制造業(yè)的基本組成實(shí)體。 結(jié)構(gòu)：是制造過程所涉及的硬件（物料、設(shè)備、工具、能源等）、軟件（制造理論、工藝、信息等）、人員所組成的具有特定功能的有機(jī)整體。 功能：輸入資源（原材料、能源、信息、人力

3、.）通過制造過程輸出產(chǎn)品。 過程：制造生產(chǎn)的運(yùn)行過程，包括市場(chǎng)分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、制造裝配、檢驗(yàn)出廠、產(chǎn)品銷售、售后服務(wù)、報(bào)廢、回收、再利用等。,制造的概念,制造業(yè)發(fā)展的歷程,用機(jī)器代替手工，從作坊形成工廠 19世紀(jì)機(jī)器在英國(guó)誕生，先后傳人法國(guó)、德國(guó)和美國(guó)。 從單件生產(chǎn)方式發(fā)展成大量生產(chǎn)方式 泰勒：以勞動(dòng)分工和計(jì)件工資制為基礎(chǔ)的科學(xué)管理。 福特：零件互換技術(shù)，1913年建立了具有劃時(shí)代意義的汽車裝配生產(chǎn)線。 柔性化、集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的現(xiàn)代制造技術(shù) 柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化制造、智能制造系統(tǒng)、敏捷制造,新世紀(jì)制造業(yè)所面臨的挑戰(zhàn),制造業(yè)經(jīng)營(yíng)策略的變遷 賣方市場(chǎng)-買方市場(chǎng)

4、，產(chǎn)品高要求 產(chǎn)品消費(fèi)節(jié)奏明顯加快 消費(fèi)個(gè)性化、多樣化，小批量 經(jīng)濟(jì)全球化是當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的趨勢(shì) 資金、人力等生產(chǎn)要素在全球范圍內(nèi)的流動(dòng)和優(yōu)化配置 生產(chǎn)分工的專業(yè)化、國(guó)際化成為主要趨勢(shì)和主要形式 如美國(guó)波音747飛機(jī)有450萬個(gè)零件，由62個(gè)國(guó)家的2萬多家企業(yè)生產(chǎn)；德國(guó)奔馳汽車的海外零件供應(yīng)商有5萬多家；IBM的零部件有70%來自海外 全球化趨勢(shì)為制造業(yè)的優(yōu)化配置提出了新的要求,新世紀(jì)制造業(yè)所面臨的挑戰(zhàn),在經(jīng)濟(jì)全球化、貿(mào)易自由化和社會(huì)信息化的新形勢(shì)下，世界市場(chǎng)由過去傳統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定逐步演變成動(dòng)態(tài)多變的特征，由過去的局部競(jìng)爭(zhēng)演變成全球范圍內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)；同行業(yè)之間、跨行業(yè)之間的相互滲透、相互競(jìng)爭(zhēng)日益激

5、烈。 制造業(yè)的經(jīng)營(yíng)戰(zhàn)略發(fā)生了很大變化，TQCS成為現(xiàn)代制造企業(yè)適應(yīng)市場(chǎng)需求、提高競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素。即以最快的上市速度(TTime to Market)、最好的質(zhì)量 (QQuality)、最低的成本(CCost)、最優(yōu)的服務(wù)(SService)來滿足不同顧客的需求。,信息科學(xué)推動(dòng)了制造業(yè)的變革,利用信息技術(shù)改造傳統(tǒng)制造業(yè)已成為現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的必由之路 信息技術(shù)也已成為現(xiàn)代制造業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ) 20世紀(jì)70年代，CAD、CAPP、CAM等； 20世紀(jì)80年代初，計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS； 20世紀(jì)80年代末，并行工程CE; 20世紀(jì)90年代，虛擬現(xiàn)實(shí) - 虛擬制造,敏捷制造、虛擬企業(yè),制造企業(yè)的突破

6、之路,黨的“十七大”報(bào)告提出了“大力推進(jìn)信息化與工業(yè)化融合，促進(jìn)工業(yè)由大變強(qiáng)”的發(fā)展戰(zhàn)略，把大力推進(jìn)信息化作為本世紀(jì)前20年經(jīng)濟(jì)建設(shè)的一項(xiàng)重要任務(wù)。 我國(guó)正處在從“制造大國(guó)”向“制造強(qiáng)國(guó)”轉(zhuǎn)變的過程中，制造業(yè)企業(yè)如何抓住這一歷史性機(jī)遇，核心之一就在于如何較早具備數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的能力。,虛擬制造是溝通信息系統(tǒng)與真實(shí)制造系統(tǒng)的橋梁,新的制造概念都強(qiáng)調(diào)充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)的成果； 制造系統(tǒng)和信息系統(tǒng)之間的“語(yǔ)義鴻溝” ； 必須解決如何利用信息工具描述真實(shí)的制造系統(tǒng)、處理真實(shí)的制造活動(dòng)；如何在信息世界里完整地再現(xiàn)真實(shí)的制造系統(tǒng)等； 虛擬制造是溝通信息系統(tǒng)與真實(shí)制造系統(tǒng)的橋梁，為溝通信息技術(shù)與真實(shí)制造

7、系統(tǒng)間的“語(yǔ)義鴻溝”提供了有效的工具和環(huán)境； 提供有效的制造系統(tǒng)及制造活動(dòng)信息化方法，使制造系統(tǒng)的產(chǎn)品、制造過程數(shù)字化，以便計(jì)算機(jī)處理。,例：波音777的設(shè)計(jì)和制造是20世紀(jì)90年代制造業(yè)的標(biāo)志性進(jìn)展 開發(fā)了“先進(jìn)計(jì)算機(jī)圖形交互應(yīng)用系統(tǒng)” 全數(shù)字化定義無紙生產(chǎn)； 數(shù)字化預(yù)裝配無金屬樣機(jī)的生產(chǎn)(虛擬) 廣域網(wǎng)上的異地設(shè)計(jì)、異地制造； 基于的數(shù)據(jù)交換； 設(shè)計(jì)制造周期大大縮短： 波音757,767 9-10年 波音77縮短到4.5年，并獲得巨大的獨(dú)占性利潤(rùn)，每架波音777要價(jià)1.4億美元。,虛擬制造技術(shù)的內(nèi)涵,虛擬制造的定義 虛擬制造是實(shí)際制造過程在計(jì)算機(jī)上的本質(zhì)實(shí)現(xiàn)，即采用計(jì)算機(jī)建模與仿真技術(shù)、虛

8、擬現(xiàn)實(shí)及可視化技術(shù)，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下群組協(xié)同工作，模擬產(chǎn)品的整個(gè)制造過程，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、生產(chǎn)調(diào)度與管理、銷售及售后服務(wù)等做出綜合評(píng)價(jià)，以增強(qiáng)制造過程各個(gè)層次或環(huán)節(jié)的正確決策與控制能力。,所謂數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造，是指利用計(jì)算機(jī)軟硬件及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)全過程的技術(shù)，即在網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)輔助下通過產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，全面模擬產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、裝配、制造等全過程。,虛擬制造與數(shù)字化制造概念的區(qū)別,虛擬制造技術(shù)的內(nèi)涵,虛擬制造技術(shù)的定義 是一門以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、制造系統(tǒng)與加工過程建模、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、分布式計(jì)算、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等為理論基礎(chǔ)，研究如何在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下，利

9、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(gè)過程仿真的技術(shù)。,虛擬制造技術(shù)的內(nèi)涵,虛擬制造系統(tǒng)的定義 是一個(gè)在虛擬制造技術(shù)的指導(dǎo)下，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中建立起來的，具有集成、開放、分布、并行、人機(jī)交互等特點(diǎn)的，能夠從產(chǎn)品生產(chǎn)全過程的高度來分析和解決制造系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)問題的軟硬件系統(tǒng)。,虛擬制造技術(shù)的內(nèi)涵,特點(diǎn)： 虛擬性、集成性、分布性、依賴性 優(yōu)勢(shì)： 縮短產(chǎn)品研制周期 降低產(chǎn)品研制成本 提供了一個(gè)先進(jìn)的制造系統(tǒng)仿真平臺(tái),虛擬制造技術(shù)的內(nèi)涵,虛擬制造與實(shí)際制造的關(guān)系 虛擬制造是實(shí)際制造在計(jì)算機(jī)上的映射； 虛擬制造系統(tǒng)是通過對(duì)實(shí)際制造系統(tǒng)進(jìn)行抽象、分析、綜合得到實(shí)際生成的全部數(shù)

10、字化模型。 虛擬制造的最終目標(biāo)是指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。 虛擬制造是實(shí)際制造的抽象，實(shí)際制造是虛擬制造的實(shí)例。 虛擬制造過程研究決不能代替真實(shí)制造過程的試驗(yàn)研究。,虛擬制造和建模與仿真,虛擬制造依靠建模與仿真技術(shù)模擬制造、生產(chǎn)和裝配過程，使設(shè)計(jì)者可以在計(jì)算機(jī)中“制造”產(chǎn)品。建模與仿真是虛擬制造的基礎(chǔ)。虛擬制造是建模與仿真的應(yīng)用，但是它擴(kuò)展了傳統(tǒng)的建模與仿真技術(shù)。 虛擬制造環(huán)境下的仿真是先進(jìn)的全方位仿真，通過虛擬現(xiàn)實(shí)界面，將虛擬產(chǎn)品及其制造、消費(fèi)過程呈現(xiàn)于人的感官，在人的主觀上產(chǎn)生產(chǎn)品的存在感。人可以沉浸在計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的三維仿真環(huán)境中，感覺到一切都是“真實(shí)”存在的。,虛擬制造技術(shù)與其它先進(jìn)制造技術(shù)的關(guān)系,計(jì)

11、算機(jī)集成制造系統(tǒng) 敏捷制造 并行工程 精益制造 綠色制造,虛擬制造與CIMS,計(jì)算機(jī)集成制造CIM：以信息集成為核心 CIMS是CIM的具體實(shí)現(xiàn)，通過物理的邏輯的聯(lián)系將企業(yè)活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)連接在一起，實(shí)現(xiàn)信息共享 CIMS為虛擬制造系統(tǒng)的信息集成提供有效手段和方法 虛擬制造系統(tǒng)可為CIMS的實(shí)現(xiàn)提供完備的仿真，為提高CIMS的運(yùn)行效率、消除設(shè)計(jì)缺陷提供技術(shù)支持。,虛擬制造與并行工程,并行工程是集成地、并行地設(shè)計(jì)產(chǎn)品及其相關(guān)過程的系統(tǒng)方法。在一開始就考慮到產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到消亡的整個(gè)產(chǎn)品生命周期中所有因素，包括質(zhì)量、成本、進(jìn)度計(jì)劃和用戶要求。 通過提高各環(huán)節(jié)之間的并行和協(xié)同程度，來避免傳統(tǒng)方式下各環(huán)

12、節(jié)嚴(yán)格串行所經(jīng)常發(fā)生的大修大改和重新設(shè)計(jì)。 并行工程是虛擬制造的實(shí)施目的；虛擬制造為并行工程的實(shí)現(xiàn)提供了一種有效的技術(shù)手段。虛擬制造使設(shè)計(jì)和制造的并行成為可能。,虛擬制造與精益生產(chǎn),精益生產(chǎn)要求簡(jiǎn)化生產(chǎn)過程，減少信息量，消除過分臃腫的生產(chǎn)組織，使產(chǎn)品及其生產(chǎn)過程盡可能地簡(jiǎn)化和標(biāo)準(zhǔn)化。 這樣做的結(jié)果對(duì)虛擬制造的建模仿真是十分有利的，即現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)過程越簡(jiǎn)化則虛擬制造實(shí)現(xiàn)起來就越容易。,虛擬制造與綠色制造,綠色制造是一個(gè)綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造模式。 綠色制造的提出是人們?nèi)找嬷匾暛h(huán)境保護(hù)的必然選擇，發(fā)展不能以環(huán)境污染為代價(jià)，國(guó)際制造業(yè)的實(shí)踐表明，通過改進(jìn)整個(gè)制造工藝來減少?gòu)U棄物，要比處理工

13、廠已經(jīng)排放的廢棄物大大節(jié)省開支。 因此，當(dāng)虛擬制造技術(shù)發(fā)展到一定階段時(shí)，必定要集成綠色制造并為綠色制造提供技術(shù)支持。,虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用,虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用,虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用,虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用,虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用,汽車設(shè)計(jì),福特汽車,德國(guó)Frauhofer研究所,虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用,機(jī)床的機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)串行，特別是控制軟件的開發(fā)和初期測(cè)試都要基于真實(shí)機(jī)床。裝備復(fù)雜程度增加，意外概率越高，成本爆長(zhǎng) 在計(jì)算機(jī)上真實(shí)再現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和工藝，在產(chǎn)品開發(fā)早期，用虛擬模型可以測(cè)試初期設(shè)計(jì)概念、校驗(yàn)零部件尺寸、發(fā)現(xiàn)潛在的錯(cuò)誤 以測(cè)試一臺(tái)重型機(jī)床為例，將真實(shí)的機(jī)床功能控制系統(tǒng)與虛擬機(jī)械模型相結(jié)合，機(jī)床開發(fā)便可實(shí)現(xiàn)并行化操作，功能模塊的再優(yōu)化可貫