虚拟制造技术_267206713110

虚拟制造技术清华大学精密仪器与机械学系郁鼎文1213虚拟制造技术的体系虚拟制造技术的内涵虚拟制造技术4虚拟制造的关键技术虚拟制造技术的应用2虚拟制造技术的内涵1、定义虚拟制造作为一个全新的概念，是信息时代制造技术的重要标志。佛罗里达大学GloriaJWiens:虚拟制造是这样一个概念，即与实际一样在计算机上执行制造过程，其中虚拟模型是在实际制造之前，用于对产品的功能和可制造性的潜在问题进行预测。着眼于“结果”美国空军Wright实验室：虚拟制造是仿真、建模和分析技术及工具的综合应用，以增强各层制造设计和生产决策与控制。着眼与“手段”3虚拟制造技术的内涵马里兰大学EdwardLin&etc虚拟制造是一个用于增强各级决策与控制一体化的、综合的制造环境着眼于“环境”虚拟制造技术的定义：是一门以计算机仿真技术、制造系统与加工过程建模理论、虚拟现实技术、分布式计算理论、产品数据管理技术等为理论基础，研究如何在计算机网络环境及虚拟现实环境下，利用制造系统各层次及各环节的数字模型，完成制造系统整个过程的计算与仿真的技术。42、特点以模型为核心：模型产品模型：产品信息在计算机上的表示。过程模型：设计过程、工艺规划过程、加工制造过程装配过程、性能分析过程。活动模型：对企业生产组织和经营活动建立的模型资源模型：对企业人力、物力建立的模型虚拟制造技术的内涵52、特点以模型信息集成为根本：产品模型、过程模型、活动模型、资源模型之间的信息集成以高逼真度仿真为特色：仿真结果的高可信度，以及人与这个虚拟制造环境的交互的自然化。虚拟制造技术的内涵6并行工程使能技术与工具产品数字化建模、信息集成CAx、DFx、PDM开发过程重组过程建模、分析、改进、监控等集成产品开发团队组织环境计算机网络数据库CSCW协调与冲突仲裁协同工作环境3、支撑环境与工具虚拟制造技术的内涵CSCW：computersuportedcooperativework7虚拟制造技术的内涵4、虚拟制造与实际制造实际制造系统是物质流在信息流的协调和控制下，在各个层次上进行相应的决策，实现从投入到产出的有效转变，其中物质流和信息流的协调工作是主体。虚拟制造系统是在分布式协同工作等多学科技术支持的虚拟环境下的现实制造系统的映射。虚拟制造系统是实际制造系统的抽象，实际制造系统是虚拟制造系统的实例。8误差映射检验成品零件待加工零件：2D图纸规格要求现有CNC装备机床刀具夹具虚拟零件虚拟试加工虚拟检验与修正虚拟数据：CNC程序工艺参数安装等装备数字模型与仿真：运动工艺规程控制误差分析数字转换数字转换实际环境虚拟环境虚拟制造技术的内涵9产品数据管理（PDM）实际制造过程技术人员和用户数字化模型计算机仿真、虚拟现实虚拟开发平台虚拟设计有限元分析运动学分析动力学分析虚拟加工工艺过程优化工具设计优化单元工艺优化加工过程分析虚拟装配装配工艺规划装配路线规划装配分配规划装配质量规划虚拟生产平台虚拟布局虚拟实际生产环境虚拟生产动态过程优化生产环境布局虚拟设备虚拟集成支撑环境优化集成方案虚拟调度虚拟产品生产过程优化生产调度方案虚拟企业平台协同工作环境支持异地设计、装配、测试的环境。虚拟企业动态组合系统集成任务调度虚拟制造系统的体系结构10虚拟制造系统体系结构虚拟现实硬件设备人机输出接口人机输入接口网络协同控制虚拟产品开发虚拟产品产品生产规划实体造型工程分析工艺设计样机分析性能仿真布局规划物流规划控制规划生产调度性能仿真应用活动并行运作模型、数据流及管理虚拟总线动静态数据库界面层控制层应用层活动层数据层11概念设计详细设计数字样机虚拟样机用户需求系统功能子功能系统综合初模型结构设计功能设计性能设计有限元分析性能分析运动学仿真试验动力学仿真试验可制造性分析人体功效分析可维修性分析可装配性分析虚拟试验与测试集成技术建模技术仿真技术VR技术可视化技术优化技术网络及数据库技术评价方法PLM技术人机工程学虚拟制造系统体的系结构12虚拟产品生产规划的体系结构建模视图设备层工作站层单元层车间层工厂层服务类对象组织类对象物理类对象信息类对象控制类对象面向对象的仿真建模面向对象的联合建模语言面向对象的Petri网布局设计物流参数设计控制参数设计虚拟场景设计虚拟生产运作生产模型产品模型工艺设计生产计划工程数据库知识数据库对象模型库人体数据库规则数据库数学优化模型实体模型库评价模型规划视图优化评价视图优化算法库优化模型评价指标成本运输成本设备成本物流产量在制品数时间总生产时间加工/操作时间环境工人舒适性光照先进性自动化水平可靠性定量定性13案例：虚拟开发平台体系结构虚拟企业平台虚拟企业平台服务器虚拟企业平台企业协同工作环境企业虚拟运行大屏幕演示环境冷加工虚拟制造平台开发环境热加工虚拟制造平台开发环境虚拟生产平台校园网14案例：虚拟开发平台体系结构虚拟生产平台虚拟生产平台服务器虚拟设备集成平台虚拟装配平台生产计划仿真分析优化冷加工虚拟制造平台开发环境虚拟生产平台校园网虚拟生产布局虚拟装配平台服务器热加工虚拟制造平台开发环境虚拟企业平台作业调度仿真质量功能部署FMS控制软件模拟测试15案例：虚拟开发平台体系结构虚拟加工平台校园网虚拟企业平台工艺生成优化虚拟生产平台工具设计优化刀位控制参数优化刀位轨迹参数优化模拟实验平台模拟仪器平台工艺模型验证产品模型检验虚拟机床零部件分析优化产品异地设计热加工虚拟制造平台开发环境冷加工虚拟制造平台开发环境16案例：虚拟开发平台体系结构虚拟加工平台校园网虚拟企业平台虚拟生产平台冷加工虚拟制造平台开发环境成形过程温度场分析热加工模拟分析成形过程应力场分析成形过程流动场分析加工工艺优化热加工CAD热加工建模热加工可视仿真热加工虚拟制造平台开发环境17虚拟制造的关键技术关键技术虚拟设计与装配技术虚拟实验技术虚拟生产技术虚拟产品实现技术虚拟检测与评价技术虚拟纹理分析技术18虚拟制造的关键技术关键技术之一虚拟设计与装配技术虚拟产品形状设计虚拟装配/拆卸设计与优化虚拟样机具有力觉的虚拟装配19虚拟制造的关键技术关键技术之二虚拟产品实现技术基于表面质量分析的切削参数选择远程机器人操作与监控虚拟测量技术虚拟加工20虚拟制造的关键技术关键技术之三虚拟检测与评价技术虚拟表面接触刚度分析基于应力的加工质量评价装配信息建模刀位轨迹检查及碰撞干涉检验工艺过程规划与仿真21虚拟制造的关键技术关键技术之四虚拟实验技术虚拟测试虚拟样机的性能评价虚拟试验的运行平台虚拟试验的物理建模22虚拟制造的关键技术关键技术之五虚拟生产技术虚拟生产线/车间实时三维布局基于VR的网络化分散制造仿真与评价生产线/车间生产过程虚拟仿真23虚拟制造技术的应用虚拟现实技术虚拟产品设计虚拟加工虚拟装配虚拟测试虚拟生产调度与仿真24虚拟现实技术20世纪80年代兴起的一种人机交互技术，是基于感观、手势、话语等“自然”方式的交互技术。1965年，Sutherland在《终极的显示》中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统。1966年MIT的林肯实验室开始研究头盔式显示器。1984年美国宇航局开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器，为研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。20世纪90年代开始，在航天、航空、汽车、医疗、教育、生产、设计等广泛应用。25虚拟现实技术1、虚拟现实系统组成26虚拟现实技术2、虚拟现实系统的硬件设备立体眼镜立体投影头盔式显示器数据手套空间位置跟踪器三维鼠标六自由度跟踪球触觉和力反馈器27虚拟现实技术立体眼镜：主动和被动式立式眼镜主动式：发射器与计算机显卡连接，得到两路信号节拍并将交替信号发送给立体眼镜被动式：计算机显示两路偏振光信号，立体眼镜的左右镜片的透光有方向性，形成立体效果。28虚拟现实技术立体投影29虚拟现实技术30虚拟现实技术头盔显示器：由显示器、光学系统、跟踪系统和立体声系统组成。半封闭式：用户可以看到现实世界和计算机产生的图像封闭式：用户只能看到头盔内显示的图像头盔显示器31虚拟现实技术数据手套是一种多模式的虚拟设备，通过软件编程，可进行虚拟场景中物体的抓取、移动、旋转等动作，也可以利用它的多模式性，用作一种控制场景漫游的工具。在虚拟装配和医疗手术模拟中，数据手套是不可缺少的一个组成部分。数据手套32虚拟现实技术能实时检测物体空间位置（6自由度）的设备。空间位置跟踪器33虚拟现实技术能够向计算机传回鼠标的位置和姿态信息三维鼠标34虚拟现实技术用来检测绝对位置和方向。跟踪球的中心固定，并装有6个发光二极管，球有一个活动的外层，装有6个相应的光传感器。当使用者用手对球的外层施加力或力矩时，根据弹簧形变的法制，就可通过6个光传感器测出3个力和3个力矩信息，将信息传送到计算机后求出虚拟空间中物体的位置和方向。六自由度跟踪球35虚拟现实技术直接进行三维扫描成像三维扫描36虚拟现实技术三维扫描37虚拟现实技术触觉和力反馈器38虚拟现实技术Vega软件。美国MultiGen-Paradigm公司产品3、虚拟现实的软件系统Vega虚拟现实软件环境仿真运动仿真碰撞仿真特效仿真仪表仿真大地形仿真航海仿真红外仿真雷达仿真动态人物仿真立体效果仿真听觉仿真39虚拟现实技术40虚拟现实技术41虚拟现实技术训练、演习42虚拟现实技术43虚拟现实技术44虚拟现实技术45虚拟现实技术46虚拟产品设计仿真设计+-对产品的需求：目标、功能、性能产品的外形、组成、结构、参数产品的功能、性能、行为CAD、CAPP、CAM外观设计CAE、DFM、DFA动力学、控制系统47虚拟产品设计产品设计虽然只占产品整个成本的5％，但它却影响产品整个成本的70％。48虚拟产品设计虚拟产品模型是由分布的、不同工具开发的、甚至异构的子模型组成的模型联合体：产品的CAD模型产品的外观表示模型产品的功能和性能仿真模型产品的各种分析模型产品的使用和维护模型环境模型；49虚拟产品设计在产品全生命周期中的虚拟产品模型需求样机概念样机工程样机最终样机需求论证概念设计详细设计生产/装配维护50虚拟产品设计需求样机是根据用户需求建立的未来产品的可视化和数字化描述，描述产品功能和外部行为的结构模型进行未来产品的功能仿真，给设计部门演示和说明产品功能的具体要求和使用环境给出未来产品的性能要求及其粗略框架，框架由有待填充、细化和完善的功能模块组成51虚拟产品设计概念样机是根据需求样机的要求，对所提出未来产品的方案设想的可视化和数字化描述细化了功能模块和模块间的信息流动关系为产品的性能和外部行为提供物理细节和更详细的可视化描述对产品的可制造性、可装配性及其可维护性进行概略评估52虚拟产品设计设定值侧加速度控制器模型控制信号控制信号前作动器模型液压伺服阀控制信号作动力作动器速度后作动器模型液压伺服阀控制信号作动力作动器速度前作动器作动力后作动器作动力方向盘角度驾驶速度车身侧加速度前作动器速度后作动器速度设定值整车多体动力学模型驾驶模型方向盘角度驾驶速度指标设定模型MATRIXx/Adams接口MATRIXx/Adams接口53虚拟产品设计工程样机是概念样机的进一步细化，主要由产品的各种物理性能模型、CAD模型以及其他模型（成本、维护等）组成开展产品的各种仿真试验工作，评估详细设计方案的优缺点，以及可制造性、可装配性、可维护性等根据评估结果，对产品的开发和生产进度、成本、质量提出更为全面的要求54虚拟产品设计最终样机：在产品生产、装配和使用前，虚拟样机在工程上基本定型。原型样机是将原有样机与实际使用环境相结合，检验产品的实际使用效果，评估进一步改进设计方案的可能性加入可靠性模型、维护模型和可用性模型，支持产品的虚拟维护加入虚拟仿真模型和操作模型，支持产品的使用训练模拟55虚拟产品设计功能展示56热分析主轴箱热场分布（6000rpm)57热分析主轴箱热变形仿真（6000rpm)58静刚度分析59静刚度分析60X方向静刚度Z方向静刚度静刚度分析61Y方向静刚度模态分析62阶数12345实验210.18265.60477.85627.69711.22仿真211.86282.014