虚拟制造技术第1章绪论44

虚拟制造技术北京邮电大学自动化学院宋荆洲[e-mail]:62282543利用液压动力单元增强拖拉机附件的装配第一章绪论虚拟制造技术产生的时代背景虚拟制造技术的内涵虚拟制造技术与其它先进制造技术的关系虚拟制造技术的应用虚拟制造技术产生的时代背景制造的概念制造技术的发展历程新世纪制造业所面临的挑战制造的概念制造:是人类所有经济活动的基石，是人类历史发展和文明进步的动力。狭义：为机电产品的机械加工工艺过程广义：国际生产工程学会1990年：制造是涉及制造工业中产品设计、物料选择、生产计划、生产过程、质量保证、经营管理、市场销售和服务的一系列相关活动和工作的总称。•制造技术按照人们所需的目的，运用知识和技能，利用客观物资工具，将原材料物化为人类所需产品的工程技术。即：使原材料成为产品而使用的一系列技术的总称。•制造过程产品从设计、生产、使用、维修、报废、回收等的全过程，也称为产品生命周期。•制造业将制造资源（物料、能源、设备、工具、资金、信息、人力等）利用制造技术，通过制造过程，转化为供人们使用或利用的工业品或生活消费品的行业。制造的概念制造系统制造系统是制造业的基本组成实体。结构：是制造过程所涉及的硬件（物料、设备、工具、能源等）、软件（制造理论、工艺、信息等）、人员所组成的具有特定功能的有机整体。功能：输入资源（原材料、能源、信息、人力...）通过制造过程输出产品。过程：制造生产的运行过程，包括市场分析、产品设计、工艺规划、制造装配、检验出厂、产品销售、售后服务、报废、回收、再利用等。制造的概念制造业发展的历程用机器代替手工，从作坊形成工厂19世纪机器在英国诞生，先后传人法国、德国和美国。从单件生产方式发展成大量生产方式泰勒：以劳动分工和计件工资制为基础的科学管理。福特：零件互换技术，1913年建立了具有划时代意义的汽车装配生产线。柔性化、集成化、智能化和网络化的现代制造技术柔性制造系统、计算机集成制造系统、网络化制造、智能制造系统、敏捷制造……新世纪制造业所面临的挑战制造业经营策略的变迁卖方市场-买方市场，产品高要求产品消费节奏明显加快消费个性化、多样化，小批量经济全球化是当今世界经济发展的趋势资金、人力等生产要素在全球范围内的流动和优化配置生产分工的专业化、国际化成为主要趋势和主要形式如美国波音747飞机有450万个零件，由62个国家的2万多家企业生产；德国奔驰汽车的海外零件供应商有5万多家；IBM的零部件有70%来自海外全球化趋势为制造业的优化配置提出了新的要求新世纪制造业所面临的挑战在经济全球化、贸易自由化和社会信息化的新形势下，世界市场由过去传统的相对稳定逐步演变成动态多变的特征，由过去的局部竞争演变成全球范围内的竞争；同行业之间、跨行业之间的相互渗透、相互竞争日益激烈。制造业的经营战略发生了很大变化，TQCS成为现代制造企业适应市场需求、提高竞争力的关键因素。即以最快的上市速度(T—TimetoMarket)、最好的质量(Q—Quality)、最低的成本(C—Cost)、最优的服务(S—Service)来满足不同顾客的需求。信息科学推动了制造业的变革利用信息技术改造传统制造业已成为现代制造业发展的必由之路信息技术也已成为现代制造业的技术基础20世纪70年代，CAD、CAPP、CAM等；20世纪80年代初，计算机集成制造系统CIMS；20世纪80年代末，并行工程CE;20世纪90年代，虚拟现实-虚拟制造,敏捷制造、虚拟企业制造企业的突破之路党的“十七大”报告提出了“大力推进信息化与工业化融合，促进工业由大变强”的发展战略，把大力推进信息化作为本世纪前20年经济建设的一项重要任务。我国正处在从“制造大国”向“制造强国”转变的过程中，制造业企业如何抓住这一历史性机遇，核心之一就在于如何较早具备数字化设计与制造的能力。虚拟制造是沟通信息系统与真实制造系统的桥梁新的制造概念都强调充分利用现代信息技术的成果；制造系统和信息系统之间的“语义鸿沟”；必须解决如何利用信息工具描述真实的制造系统、处理真实的制造活动；如何在信息世界里完整地再现真实的制造系统等；虚拟制造是沟通信息系统与真实制造系统的桥梁，为沟通信息技术与真实制造系统间的“语义鸿沟”提供了有效的工具和环境；提供有效的制造系统及制造活动信息化方法，使制造系统的产品、制造过程数字化，以便计算机处理。例：波音777的设计和制造是20世纪90年代制造业的标志性进展开发了“先进计算机图形交互应用系统”全数字化定义——无纸生产；数字化预装配——无金属样机的生产(虚拟)广域网上的异地设计、异地制造；基于ＳＴＥＰ的数据交换；设计制造周期大大缩短：波音757,767——9-10年波音7７7缩短到4.5年，并获得巨大的独占性利润，每架波音777要价1.4亿美元。虚拟制造技术的内涵虚拟制造的定义虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本质实现，即采用计算机建模与仿真技术、虚拟现实及可视化技术，在计算机网络环境下群组协同工作，模拟产品的整个制造过程，对产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、生产调度与管理、销售及售后服务等做出综合评价，以增强制造过程各个层次或环节的正确决策与控制能力。所谓数字化设计与制造，是指利用计算机软硬件及网络环境，实现产品开发全过程的技术，即在网络和计算机辅助下通过产品数据模型，全面模拟产品的设计、分析、装配、制造等全过程。虚拟制造与数字化制造概念的区别虚拟制造技术的内涵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、虚拟现实技术、分布式计算、产品数据管理等为理论基础，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仿真的技术。虚拟制造技术的内涵虚拟制造系统的定义是一个在虚拟制造技术的指导下，在计算机网络和虚拟现实环境中建立起来的，具有集成、开放、分布、并行、人机交互等特点的，能够从产品生产全过程的高度来分析和解决制造系统各个环节的技术问题的软硬件系统。虚拟制造技术的内涵特点：虚拟性、集成性、分布性、依赖性优势：缩短产品研制周期降低产品研制成本提供了一个先进的制造系统仿真平台虚拟制造技术的内涵虚拟制造与实际制造的关系虚拟制造是实际制造在计算机上的映射；虚拟制造系统是通过对实际制造系统进行抽象、分析、综合得到实际生成的全部数字化模型。虚拟制造的最终目标是指导实际生产。虚拟制造是实际制造的抽象，实际制造是虚拟制造的实例。虚拟制造过程研究决不能代替真实制造过程的试验研究。虚拟制造和建模与仿真虚拟制造依靠建模与仿真技术模拟制造、生产和装配过程，使设计者可以在计算机中“制造”产品。建模与仿真是虚拟制造的基础。虚拟制造是建模与仿真的应用，但是它扩展了传统的建模与仿真技术。虚拟制造环境下的仿真是先进的全方位仿真，通过虚拟现实界面，将虚拟产品及其制造、消费过程呈现于人的感官，在人的主观上产生产品的存在感。人可以沉浸在计算机产生的三维仿真环境中，感觉到一切都是“真实”存在的。虚拟制造技术与其它先进制造技术的关系计算机集成制造系统敏捷制造并行工程精益制造绿色制造虚拟制造与CIMS计算机集成制造CIM：以信息集成为核心CIMS是CIM的具体实现，通过物理的逻辑的联系将企业活动的各个环节连接在一起，实现信息共享CIMS为虚拟制造系统的信息集成提供有效手段和方法虚拟制造系统可为CIMS的实现提供完备的仿真，为提高CIMS的运行效率、消除设计缺陷提供技术支持。虚拟制造与并行工程并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关过程的系统方法。在一开始就考虑到产品从概念设计到消亡的整个产品生命周期中所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求。通过提高各环节之间的并行和协同程度，来避免传统方式下各环节严格串行所经常发生的大修大改和重新设计。并行工程是虚拟制造的实施目的；虚拟制造为并行工程的实现提供了一种有效的技术手段。虚拟制造使设计和制造的并行成为可能。虚拟制造与精益生产精益生产要求简化生产过程，减少信息量，消除过分臃肿的生产组织，使产品及其生产过程尽可能地简化和标准化。这样做的结果对虚拟制造的建模仿真是十分有利的，即现实生产过程越简化则虚拟制造实现起来就越容易。虚拟制造与绿色制造绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。绿色制造的提出是人们日益重视环境保护的必然选择，发展不能以环境污染为代价，国际制造业的实践表明，通过改进整个制造工艺来减少废弃物，要比处理工厂已经排放的废弃物大大节省开支。因此，当虚拟制造技术发展到一定阶段时，必定要集成绿色制造并为绿色制造提供技术支持。虚拟制造技术的应用虚拟制造技术的应用虚拟制造技术的应用虚拟制造技术的应用虚拟制造技术的应用汽车设计福特汽车德国Frauhofer研究所虚拟制造技术的应用机床的机械设计、电气设计和控制系统设计串行，特别是控制软件的开发和初期测试都要基于真实机床。装备复杂程度增加，意外概率越高，成本爆长在计算机上真实再现复杂结构和工艺，在产品开发早期，用虚拟模型可以测试初期设计概念、校验零部件尺寸、发现潜在的错误以测试一台重型机床为例，将真实的机床功能控制系统与虚拟机械模型相结合，机床开发便可实现并行化操作，功能模块的再优化可贯穿整个开发过程虚拟制造技术的应用虚拟制造技术的应用虚拟制造技术的应用DenebRobotics公司QUEST\IGRIP设计仿真平台—生产线设计虚拟制造技术的应用其他应用：航空、航天等方面的应用。如哈勃望远镜的虚拟维修训练参考教材1.张树生,杨茂奎,朱名铨.虚拟制造技术，2006.2，第一版，西北工业大学出版社，2.苏春.数字化设计与制造.2009.12，第二版，机械工业出版社，谢谢！