虚拟制造技术

虚拟制造技术清华大学精密仪器与机械学系制造工程研究所郁鼎文虚拟制造技术虚拟制造技术的内涵虚拟制造技术的体系结构虚拟制造技术的分类虚拟制造技术中的使能技术虚拟制造技术中的关键技术虚拟制造技术的应用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”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”清华大学肖田元：虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本质实现，既采用计算机仿真和虚拟现实技术，在计算机上实现产品的开发、制造，以及管理和控制等制造本质过程，以增加制造过程各级的决策和控制能力虚拟制造技术的内涵虚拟制造的综合定义：一个在计算机网络及虚拟现实环境中完成的，利用制造系统各层次及不同侧面的数学模型，对包括设计、制造、管理和销售等各个环节的产品全生命周期的各种技术方案和技术策略进行评估和优化的综合过程。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理论、VR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。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2、特点以模型为核心：产品模型、过程模型、活动模型、资源模型模型产品模型：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3、虚拟制造与实际制造实际制造系统是物质流、信息流在控制流的协调和控制下，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。虚拟制造技术的内涵虚拟制造系统实际制造系统计算机仿真虚拟现实基于网络的VPS虚拟信息系统确认和验证技术人员客户抽象与综合虚拟产品实际信息系统样机需求工人工厂RPS实际产品虚拟制造技术的内涵客户需求工人计算机产品信息资源机会循环到合格工厂拟实制造实际制造创意修改和控制虚拟制造的体系结构产品数据管理（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体系结构人机交互接口个性化用户界面通讯协议和数据交换标准(IGES、STEP等)网络及物理链路、硬件设备产品模型、数据、只是和规则基于COBRDA（DCOM）的分布集成框架虚拟设计平台虚拟加工平台虚拟控制平台界面层框架层应用层数据层协议层网络层虚拟制造系统体系结构模型说明语言运行参数实验VIM环境体系结构可视化参数分析可视化VIS环境体系结构交互式用户模型生成器模型说明模型分析模型转换结果可执行模型可视化交互建模体系结构虚拟制造系统体系结构产品建模产品异地设计零部件分析优化快速原型生产工艺优化工具设计优化刀位控制参数优化刀位轨迹参数优化加工方案评估虚拟实验虚拟检测工艺模型验证产品模型实验：虚拟机床生产计划仿真优化虚拟生产布局虚拟设备集成虚拟装配虚拟生产平台服务器虚拟企业平台服务器企业协同工作环境企业虚拟运行企业运行仿真产品优化设计产品性能评价可制造性评价虚拟设计虚拟制造虚拟生产虚拟企业虚拟制造的功能框图虚拟制造技术的分类类别特点主要目标主要技术支持应用领域以设计为中心·在设计阶段为设计人员提供制造信息·使用基于制造的仿真以优化产品和工艺的设计通过“在计算机上制造”产生多个“软”样机评价可制造性·特征造型·面向数学模型设计加工过程仿真技术造型设计热力学分析运动学分析动力学分析容差分析加工过程仿真虚拟制造技术的分类类别特点主要目标主要技术支持应用领域以生产为中心·将仿真能力用于制造过程模型，以便低费用、快速地评价不同的工艺方案用于资源需求规划、生产计划的产生及评价的环境评价可生产性·虚拟现实·嵌入式仿真工厂或产品的物理布局传统制造：主要考虑空间虚拟制造：总体协调、优化动态过程,人、环境、效率生产计划的编排传统制造：静态、确定型虚拟制造：动态、随机型虚拟制造技术的分类类别特点主要目标主要技术支持应用领域以控制为中心·将仿真加到控制模型和实际处理中可“无缝”地仿真使得实际生产周期期间不间断地优化·对离散制造--基于仿真的实时动态调度对连续制造--基于仿真的最优控制虚拟制造技术的分类设计为核心优化产品设计、工艺设计加工方案评价生产为核心优化资源选择评价工艺验证新工艺控制为核心优化车间控制优化制造过程产品概念设计CAD/CAMM!M2M3M4供设计者参考的制造信息虚拟产品原型成本估算新产品模型、工艺、制造信息虚拟生产计划质量评估新工艺及对应信息、如成本车间机床及控制系统工厂资源（人、设备）M1：已有的模型和工艺M2：日程模型、逻辑模型M3：过程模型M4：成品模型参数虚拟制造的使能技术使能技术多通道交互网络环境下知识获取与建库基于VR的计算可视化虚拟环境建模产品建模数据转换与处理虚拟制造的使能技术多通道交互技术虚拟现实设备的软硬件接口驱动技术大面积纹理的可见性快速显示技术信息与时间的同步技术真实感渲染的三维图形加速技术三维定位跟踪设备的定标技术人像分离与多传感信息的融合技术使能技术之一虚拟制造的使能技术使能技术之二虚拟环境建模技术图像图形混合建模技术场景预处理技术虚拟声的生成与增强技术多细节层次建模技术智能化视区裁剪技术基于图像的绘制技术虚拟制造的使能技术使能技术之三产品建模技术零部件的物理建模方法工程分析的有限元计算方法工程分析结果的多准则图示方法基于物理的工程行为特征建模方法工程对象的单元化划分方法虚拟制造的使能技术使能技术之四数据转换与处理技术数据文件格式转换技术产品数据管理技术虚拟制造的使能技术使能技术之五网络环境下知识获取与建库技术网络化异构知识与数据信息的统一表达基于VR的产品设计与制造集成过程链网络环境下虚拟产品数据与指令的传输与共享分布式虚拟仿真节点的协同与自治虚拟场景的快速漫游、绘制与网络传输基于多Agent的虚拟企业信息重组与集成虚拟制造的使能技术使能技术之六多通道技术与可视化技术的映射机理与操纵方法基于VR的科学计算可视化技术特征可视化与拓扑结构分析基于VR的可视化与驾驭计算分布式的计算与可视化环境的协同虚拟制造的使能技术虚拟机床模型运动学模型传感器输入运动系统其它输入力域温度域切削过程工件属性热力学模型刚度模型伺服模型精确模型机床系统切削系统结构系统NC代码位移虚拟制造的使能技术虚拟CNC系统输入\输出模块（NC系统功能界面）运动控制模块轴号匹配模块虚拟机床控制接口逻辑轴号、位置物理轴号、位置各轴位置数据、刀号、行号NC程序系统参数虚拟操作面板信息虚拟操作面板返回信息虚拟操作面板虚拟机床控制信息虚拟机床其它控制信息虚拟机床反馈信息虚拟数字控制子系统虚拟机床子系统虚拟机床反馈信息虚拟制造的使能技术虚拟装配设计环境VADE基于虚拟现实的训练系统计算机辅助过程规划系统机器人路径规划系统专用的装配设备设计VADE环境CAD环境DFA分析轨迹信息序列信息部件几何特征属性及装配信息等轨迹及序列信息设计变化的建议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虚拟制造技术的应用虚拟环境与工具虚拟制造技术的应用虚拟环境与工具虚拟制造技术的应用虚拟环境与工具虚拟制造技术的应用虚拟环境与工具虚拟制造技术的应用虚拟环境与工具虚拟制造技术的应用虚拟环境与工具虚拟制造技术的应用虚拟环境与工具虚拟制造技术的应用虚拟环境与工具虚拟制造技术的应用虚拟环境与工具虚拟制造技术的应用虚拟产品建模虚拟制造技术的应用虚拟产品建模虚拟制造技术的应用福特汽车公司的数字原型件虚拟制造技术的应用汽车内部的三维实体图虚拟制造技术的应用太原机车厂的工程作业车外形设计虚拟制造技术的应用波音777飞机数字化装配虚拟制造技术的应用VR中反铲装载车模型虚拟制造技术的应用VR中反铲装载车模型虚拟制造技术的应用动态装配仿真加工中心支架动态装配仿真装配环境仿真装配过程仿真装配过程仿真卫星装配仿真虚拟制造技术的应用热变形分析----主轴箱/立柱热变形ＣＡＤ建模虚拟制造技术的应用热变形分析----主轴箱/立柱热变形有限元模型虚拟制造技术的应用热变形分析----主轴箱/立柱热变形有限元模型施加约束虚拟制造技术的应用热变形分析----主轴箱/立柱热变形解算－热变形场解算－热分布场虚拟制造技术的应用模态分析虚拟制造技术的应用模态分析虚拟制造技术的应用模态分析虚拟制造技术的应用模态分析虚拟制造技术的应用模态分析虚拟制造技术的应用模态分析频率Hz结构修改前结构修改后1阶53.169.02阶1431533阶1812104阶1962385阶2653346阶285372最大变形结构修改前结构修改后1阶5.28E+013.77E+012阶5.43E+013.94E+013阶7.56E+014.94E+014阶6.06E+013.69E+015阶4.82E+013.45E+016阶9.01E+015.26E+01虚拟制造技术的应用有限元分析虚拟制造技术的应用有限元分析虚拟制造技术的应用运动分析与仿真卫星太阳能翻板运动仿真加工中心换刀运动仿真发动机曲轴连杆运动仿真虚拟制造技术的应用虚拟加工虚拟制造技术的应用虚拟加工虚拟制造技术的应用加工过程仿真虚拟制造技术的应用加工过程仿真虚拟制造技术的应用加工过程仿真虚拟制造技术的应用加工过程仿真虚拟制造技术的应用加工过程仿真虚拟制造技术的应用加工过程仿真虚拟制造技术的应用虚拟测试虚拟制造技术的应用虚拟测试虚拟制造技术的应用虚拟生产调度控制仿真虚拟制造技术的应用虚拟生产调度控制仿真调度仿真1调度仿真2调度仿真3调度仿真4