虚拟制造技术发展及应用.doc
虚拟制造技术的相关概念及其应用
虚拟制造技术的相关概念及其应用【摘要】虚拟制造技术是一种基于计算机仿真和虚拟现实技术的创新性制造方法。
它通过数字化建模和仿真，实现了全生命周期的产品设计、工艺规划、生产执行、质量控制和维护管理等各个阶段的优化和智能化。
在产品设计阶段，虚拟制造技术可以帮助设计师实现产品的虚拟验证和优化设计；在工艺规划阶段，它可以模拟制造过程，提高生产效率；在生产执行阶段，它可以优化生产计划和资源调配，实现智能化制造；在质量控制阶段，它可以实时监测和调整生产过程，确保产品质量；在维护管理阶段，它可以预测设备故障和优化维护方案。
未来，虚拟制造技术的发展趋势是向更智能、更数字化、更集成化的方向发展，其重要性和应用前景将会逐渐凸显。
【关键词】虚拟制造技术、产品设计、工艺规划、生产执行、质量控制、维护管理、未来发展趋势、重要性、应用前景。
1. 引言1.1 虚拟制造技术的定义虚拟制造技术是一种利用计算机仿真和虚拟现实技术，将产品的设计、工艺规划、生产执行、质量控制和维护管理等各个阶段都进行虚拟模拟和优化的先进制造技术。
通过虚拟制造技术，可以在产品实际制造之前进行全面的数字化仿真，及时发现和解决问题，降低生产成本，缩短产品开发周期，提高产品质量和生产效率。
虚拟制造技术的发展已经经历了多个阶段，从最初只能进行简单模拟的2D平面图到今天可以实现高度真实感的3D虚拟仿真。
随着计算机性能的不断提升和虚拟现实技术的成熟，虚拟制造技术正在逐渐成为制造业中不可或缺的重要技术手段。
通过虚拟制造技术，企业可以在产品整个生命周期中进行全面的数字化管理和优化，提高整体竞争力，实现智能制造的目标。
1.2 虚拟制造技术的发展历程虚拟制造技术的发展历程可以追溯到上个世纪80年代初。
当时，随着计算机技术的不断发展和成熟，虚拟制造技术开始引起人们的关注。
最初，虚拟制造技术主要应用于汽车、航空航天等行业，用来验证产品设计方案和模拟生产过程。
随着计算机性能的不断提升和软件技术的不断完善，虚拟制造技术在逐渐扩展到了更多的领域，如电子产品、机械设备等。
现代虚拟制造技术及应用前景分析
从本 质上讲虚拟制 造技术 是对真实 制造过程 的动态模拟 、 仿 真． 是在计算机上制造数字 化产 品． 经过模拟仿真对产品外形
设 计 、 局 设 计 、 工 及 装 配 过 程 达 到 优 化 产 品 的设 计 及 工 艺 布 加
化 、 速化 ， 快 自动化技术 的柔 性化、 智能化 。 整个制造过程的网
市场与用户。 了提高竞争能力 。 为 企业应当能够对 市场需求的
洪 凯 １ ， ２
（ ． 北轻 工职 业技 术 学院， １ 湖 湖北 武汉 ４ ０７ ；． ３０ ０ ２东南大学机械 工程 学院 ， 江苏 南京 ２ ０９ ） １０ ６
【 摘 要】 市场化 、 信息化是一个现代企业发展 的必然趋势 ， 文章结合虚拟制造等新 的制造技 术‘ 的发展趋 势， 探讨 了 现代 制造
络化 、 全球 化 。
制造 业 要 在 竞 争 激 烈 的 全球 市 场 求 得 生 存 与发 展 ．必 须
过程 、 优化制造环境配 置和生产 供给计划 、 优化制造过程并改 进制造 系统的 目的 。 来改善各个层次 的决策和控制。虚拟制 用
造从 根本上改 变了设计 、 制 、 改设计 、 试 修 规模 生 产 的 传 统 制
什 么才 是 信 息 化 制 造 ？ 信 息 化 制 造 是 以 虚 拟 制 造 和 大 规 模 定 制 生 产 为 标 准 的 ， 有 基 本 上 实 现 了从 产 品 设 计 、 发 、 只 开
生产制造 和流通 以至产品全生命周期的信息化 才算真正完 成信 息化 工作 。在此基 础上 的先进制造模式和信 息化 内容才
业要 实现 市场 化 就 必 须 走 信 息 化遗 路 以覆 目前 存 在 的 困难 和 解 决 方 案 。
虚拟制造技术的应用
虚拟制造技术
6. 计算机辅助工艺设计 CAPP系统能够完成工艺过程设计、工艺文件管理、信息集成等工艺设计,是一个将产品 数据转化成面向制造的指令性数据的重要环节,起到承上(产品设计)启下(加工制造与管理)、连 接CAD与CAM 的作用。CAPP系统的设计方法很多,典型的有基于专家系统的工具型CAPP系 统、基于产品数据管理(Product Data Management,PDM)的集成化CAPP系统及基于AI的智能 化CAPP系统等。这些CAPP系统已经在航天、汽车、电子等行业得到广泛应用。但由于 CAPP针对的是典型的跨学科的复杂问题,而工艺设计是一门经验性与技巧性很强的学科,因此 CAPP很难实用化和通用化。
1. 虚拟建模 虚拟建模是虚拟制造系统的核心,主要内容是根据产品的设计尺寸,建立三维几何模型, 它是虚拟制造的基础工作,并为其他设计、分析提供产品的数据源。虚拟建模可以通过 CAD软件实现,常用的CAD 软件包括UG、SolidEdge动力学分析 运动学分析的目的是通过考察各零部件的相对运动状态,检验机构是否发生干涉并考察 和评价系统的速度和加速度特征。动力学分析的目的是考察发射装置在发射导弹过程中,机构 的运动参数和受力情况等能否满足设计要求。 将运动部件在CAD系统中进行简化后导入动力学分析(MMS)软件中,根据零件材料对实 体模型赋予密度、惯性力矩等参数,并根据发射装置的机构运动原理对模型施加约束、载荷、 接触等作用。最后通过对虚拟样机的仿真得出导弹的分离参数、发射装置主要承力件的受力 值、发射装置机构运动时序等重要参数,可以用来生成柔性体有限元分析的外部载荷。常用的 MMS 软件有MSC.ADAMS、DADS、SIMPACK 等。
先进制造技术
虚拟制造技术
1.1 虚拟制造技术的应用情况
现代虚拟制造技术及应用
现代虚拟制造技术及应用现代虚拟制造技术是指利用虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、计算机仿真技术等，模拟和预测产品设计、生产和运营过程的一种制造技术。
它通过数字化、模拟化和仿真化的手段，将真实制造环境转化为虚拟的数字世界，实现产品的全生命周期管理和优化。
虚拟制造技术在产品设计阶段的应用：1. 产品设计：传统产品设计往往需要制造出多个样品进行试制和测试，而虚拟制造技术可以在计算机中进行三维设计和仿真分析，减少了物理样品制造的成本和时间，同时避免了一些物理试制无法表现出的问题。
2. 产品装配：虚拟装配可以将产品的各个零部件进行虚拟的装配，模拟真实的装配过程，分析和优化装配工艺、方法和工作环境，提高装配质量和效率。
3. 故障分析：利用虚拟制造技术可以将产品的工作状态进行虚拟仿真，模拟和分析产品的故障情况，帮助设计人员找到并修复潜在的故障问题，提高产品的可靠性和使用寿命。
虚拟制造技术在生产制造阶段的应用：1. 数字化工厂：虚拟制造技术可以将整个工厂的设备、物料和人员进行虚拟建模，对生产线进行仿真和优化，降低生产成本、提高生产效率。
2. 生产过程仿真：利用虚拟制造技术可以对生产过程进行虚拟仿真和优化，预测生产能力、排程、物料流动和生产质量等，提高生产计划的准确性和制造执行能力。
3. 操作培训：虚拟制造技术可以打造虚拟现实的生产环境，用于对生产操作人员进行培训，提高其操作技能和遵循生产流程的能力。
虚拟制造技术在产品服务和维护阶段的应用：1. 服务支持：虚拟制造技术可以将产品的维修和保养过程进行虚拟模拟，帮助服务人员更快速地定位问题和解决故障，提高产品的可维护性和服务效率。
2. 远程支持：通过虚拟现实技术，远程支持人员可以在实际操作中提供在线指导，帮助用户解决问题，解决产品使用过程中的疑难问题，节约服务成本和时间。
总之，虚拟制造技术的应用范围非常广泛，从产品设计到生产制造再到售后服务，都可以利用虚拟制造技术进行模拟和优化，提高产品的设计质量、生产效率和服务水平。
虚拟制造技术及其在生产制造上的应用
虚拟制造技术及其在生产制造上的应用3周金玲(潍坊学院,山东 潍坊 261061)摘 要:虚拟制造技术是近几年出现的先进制造技术之一,是企业以信息集成为基础的一种新的制造技术。
本文对虚拟制造技术进行了概述,介绍了虚拟制造技术在生产制造上的应用以及其应用前景。
关键词:信息技术;虚拟制造;仿真技术中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:1671-4288(2008)02-0065-021 前言随着计算机、自动化及网络技术在制造系统中的应用,信息技术对制造技术发展的作用越来越大。
产品制造过程中的信息投入,己成为决定产品成本的主要因素。
信息技术使现代制造的技术含量提高,使传统制造技术发生质的变化。
信息技术也促进着设计技术的现代化,加工制造的精密化、快速化,自动化技术的柔性化、智能化,整个制造过程的网络化、全球化。
80年代初,先进制造技术以信息集成为核心的计算机集成制造系统(C I M S :Computer I ntegr a ted Manufacturing Syste m )开始得到实施;80年代末,以过程集成为核心的并行工程(CE:Cocur 2rent Engineering )技术进一步提高了制造水平;进入90年代,先进制造技术进一步向更高水平发展,出现了虚拟制造(V M:V irtual Manufac turing)、精益生产(LP:Lean Pr oducti on )、敏捷制造(A M:Agile Man 2uf acturing )、虚拟企业(VE:V irtual Ente r prise )等新概念。
在这些诸多新概念中,“虚拟制造”引起了人们的广泛关注,成为研究的热点之一。
2 虚似制造技术虚拟制造实际上是一种计算机科学技术,以信息技术、仿真技术、虚拟现实技术为支柱,在产品设计或制造系统的物理实现之前,就能使人体会到或感觉到未来产品的性能或者制造系统的状态,从而可以做出前瞻性的决策与优化实施方案。
数字化制造环境下的虚拟制造技术研究
数字化制造环境下的虚拟制造技术研究在数字化制造的时代，虚拟制造技术成为一种重要的先进制造技术，其可以在数字模拟环境下进行产品的设计、制造和测试，大大缩短了产品研发周期和开发成本，提高了制造的精度，为抢占制造业发展先机提供了关键支持。
本文将阐述数字化制造环境下虚拟制造技术的研究现状与应用前景。
一、虚拟制造技术的概念虚拟制造技术是一种基于计算机技术和模拟技术的新型制造技术。
它通过计算机模拟装配、加工、测试等工艺过程，利用数字化信息技术、虚拟现实技术、智能化制造技术等理论和方法，建立数字化模型和仿真模型，从而实现了产品的设计、制造、测试和优化等环节的数字化化和自动化。
二、虚拟制造技术的研究现状目前，虚拟制造技术已经成为制造业发展中的研究热点。
国内外许多研究机构和企业都投入了大量的人力物力进行虚拟制造技术的研究与开发。
例如，工业和信息化部、中国科学院等单位开展了“数字化制造重大专项”等项目，从而加速了虚拟制造技术的研究与应用。
虚拟制造技术主要包括虚拟加工、虚拟装配、虚拟测试和虚拟维修等方面。
1、虚拟加工技术虚拟加工技术是利用计算机模拟实际加工过程的过程技术，为产品决策提供数据支持。
虚拟加工技术包含了虚拟数控加工、虚拟机床和多质点碾压等方面，可以有效提高制造效率，缩短工艺研究周期和减少产品制造成本。
2、虚拟装配技术虚拟装配技术可以对产品进行数字化模拟装配，从而提高产品装配的精度和装配速度，优化了产品结构与性能，减少了维护成本。
它可以通过数字化专业软件对工程部件及完整产品进行3D建模，根据装配顺序和模型之间约束条件，实现单机和多机间的装配。
3、虚拟测试技术虚拟测试技术是通过计算机仿真技术，在数字模拟环境下对产品进行开发测试，从而减少实物原型的制作和实物实验的试验成本和试验周期。
它包括了力学与动力学仿真测试、流体仿真测试、光学测试等方面。
4、虚拟维修技术虚拟维修技术是一种基于虚拟现实技术的虚拟维修培训技术，可以对产品进行三维动态仿真，进行动态演示，提高了生产力与产品质量。
虚拟制造技术
虚拟制造与实际制造的关系
虚拟制造是实际制造（真实制造）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
几个概念
• • • • • • • • RPS: Real Physical System，真实物理系统 RIS: Real Information System，真实信息系统 VPS: Virtual Physical System，虚拟物理系统 VIS: Virtual Information System，虚拟信息系统 RPS+RIS：真实制造系统 RPS+VIS：自动化制造系统 VPS+RIS：虚拟制造系统 VPS+VIS：虚拟制造系统
3.虚拟制造系统的体系结构
• 怎样的体系结构才算好？
能把虚拟产品开发过程中的设计、制造及装配、生产调度、质 量管理等环节有机集成起来
实现产品开发全过程的信息、功能、过程的集成
实现并行运作，包括异地并行 发挥人在其中的能动性
实现人、组织、管理、技术的协同工作
支持生产活动、生产资源的分布式特性 开放式的结构：层次化的控制、即插即用等
网络层
网络及物理链路、硬件设备
西北工业大学 冯涛等
4 虚拟制造技术分类
• • • • 1996年，美国马里兰大学提出三种模式： 以设计为中心的虚拟制造(DCVM) 以生产为中心的虚拟制造(PCVM) 以控制为中心的虚拟制造(CCVM)
以设计为中心的VM
Design-Centered VM
强调以统一制造信息模型为基础，对数字化产品 模型进行仿真与分析、优化，进行产品的结构性 能、运动学、动力学、热力学方面的分析和可装 配性分析，获得对产品的设计评估与性能预测结 果，以便作出正确决策。 成功事例：美国波音公司波音777喷气式客机的研 制。仅用了3年零8个月时间，一次试飞成功，投 入运营。波音公司777客机数以万计的零部件中任 何一种的设计，观察、研究、讨论都是在计算机 上完成，所有零部件均是三维实体模型。可见虚 拟产品设计给企业带来的效益。
虚拟制造技术
虚拟制造技术一、技术概述虚拟制造技术（Virtual Manufacturing Technology, or VMT）是80年代后期提出并得到迅速发展的一个新思想。
它是以虚拟现实和仿真技术为基础，对产品的设计、生产过程统一建模，在计算机上实现产品从设计、加工和装配、检验、使用整个生命周期的模拟和仿真。
这样，可以在产品的设计阶段就模拟出产品及其性能和制造过程，以此来优化产品的设计质量和制造过程，优化生产管理和资源规划，以达到产品开发周期和成本的最小化，产品设计质量的最优化和生产效率最高化，从而形成企业的市场竞争优势。
虚拟制造技术按其功能可划分为：1．产品的虚拟设计技术。
面向产品的原理、结构和性能的设计、分析、模拟和评测，以优化产品本身的性能、成本为目标。
2．产品的虚拟制造技术。
面向产品制造过程模拟、检验和优化，检验产品的可制造性、加工方法和工艺的合理性，以优化产品的制造工艺过程、保证产品的制造质量、制造周期和最低的制造成本为目标。
3．虚拟制造系统。
着重于生产过程的规划、组织管理、资源调度、物流、信息流等的建模、仿真与优化。
如虚拟企业、虚拟研发中心等。
虚拟制造技术是CAD／CAE／CAM／CAPP和仿真技术的更高阶段。
利用虚拟现实技术、仿真技术等在计算机上建立起的虚拟制造环境是一种接近人们自然活动的一种“自然”环境，人们的视觉、触觉和听觉都与实际环境接近。
人们在这样环境中进行产品的开发，可以充分发挥技术人员的想象力和创造能力，相互协作发挥集体智慧，大大提高产品开发的质量和缩短开发周期。
二、现状及国内外发展趋势虚拟制造技术的发展首先是在其支撑技术的发展上取得进展，例如，虚拟现实技术、仿真技术等。
特别是一些单元技术与制造业的紧密结合不断深入，并为其作出了巨大的贡献，更推动了这些技术的进一步发展。
同时，支撑技术和单元技术的不断成熟和在制造业中发挥越来越大的作用，也推动了虚拟制造技术的组合和集成。
但由于各技术的相对独立性，其统一的特征模型的建立、数据共享和交换等遇到了巨大的挑战。
虚拟制造技术及其在制造业中的应用
１虚拟制造 的特点
由于计算机硬件 技术和 网络技 术的广 泛应用 ， 虚拟制造具有以下几个特点 ： ①无需制造实物样机就 可以预测产品性能 ，节 约制造 成本 ，缩短 产品开发
收稿 日期 ：０ ６ ０ — ５ ２ ０ — ３ ０
阎洪 波 ，赵 冬 晗
（ １ 南省 南 阳市 第一 技 工 学校 ， 河 南 南 阳 河 ４ ５ ０ ； 河 南省 濮 阳职 业 技 术 学 院 ， 河 南 濮 阳 ７００２ ４ ７ ０） ５００
摘
要： 从虚拟 制造 的形成 背号 ，介绍 了虚拟制造 的特点 、分类； 并对虚拟 制造的核 心技 术及理论体 系等多方
产过 程及生产调度 仿真 、数据 加工过程 的仿真等 ， 从而实现产品制造的局部过程最优 化或全局最优化。
的生产周期 ，可缩短决策时 间，避免 资金 、人力和
时 间的浪费 。 计算机还 以重复仿真 ， 优化实施方案 。
阎 洪 波在 制 造 业 中 的 应 用 虚
师提供 虚拟的制造车间现场环境和设 备，使其可 以 分析 改进街道 计划和生产工艺 ，验证 ＮＣ程序及物
流控 制。主要意图是通过仿真 ，建立 产品制造过程 的虚 拟设备 、 虚拟 传感器 、 虚拟单 元、 虚拟生 产线、
重要组成部份 。
优化 。整 个设 计过程 是在 一种虚拟环 境 中进行 的。 由于采用人工拟实技术 ，通过高性能 、智能化 仿真 环境 ，可 以使用户达到高度真实化 。使 用某 些数 字 化仿 真工具 ， 可使操作者与虚拟仿真环境有着 全面 的感 官接触 与交融 ，使操作者有身临其境之感 ，从
虚拟制造技术及应用
对虚拟制造技术 的研究正处于不 断的深入 、 细化之中， 因此对 ｔ ｕ ａ ｌ Ｗｏ ｒ ｋ ｓ ； 虚拟制造在汽车生产设备 、 工装和模具， 甚至 校 车
当前 一般 的 定义 是 ：虚 拟 制 造 是 实 际 制造 过 程 在 计 算 机 电动 机 车 部 （ Ｇｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｌ Ｍｏ ｔ ｏ ｒ ｓ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ Ｍｏ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｄｉ ｖ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ ，Ｅ ＭＤ ） 上 的映 射 ， Ｊ 采 用 计算： 机仿真与虚拟现实技术， 在 高 性 能 计 机 及 高 速 网络 的支 持 下 ， 在 汁算 机 上 群 组 协 同工 作 ， 实现 产 品 机 模 型 ， 并 围绕 这 个 数 字 模 型 并 行 地进 行 产 品设 计 、 分析、 制 设 计、 工 艺规 划 、 加工制造、 性能分析、 质 量检 验 ， 以及企 业 各 造 、夹模 具 工装 设 计和 可 维 修 性 设 计 。欧 洲 空 中客 车 采 用 虚 级 过程 的管 理 与 控制 等产 品制 造 的本 质 过 程 ，以增 强制 造 过 拟制造及仿真技术 ， 把空中客车试制周期从 ４ 年缩短为 ２ ． ５ 年， 程 各 级 的 决策 与 控 制 能 力 。
汁算机网络和虚拟现实等先进技术 的出现 ， 虚拟制造技术应运 而 生， 它的诞生是现代科学技术和生产技术发展的必然结果，
是各 种 现 代制 造 技 术 与 系统 发 展 的 必 然趋 势 。 １ 虚 拟 制 造技 术 定 义
３ ． ２硬 件 的 有 关技 术 （ １ ） 输 入 输 出设 备 ： 如 头 盔 式 立 体 显 示 器（ Ｈ ＭＤ ） ， 适 用 的 汁算 机 屏 幕 、可视 化 眼 镜 ， 数 据 手套 、 三 维 鼠标 、 数据 衣 、 游 戏 棒 等 。（ ２ ） 与 输 入 和输 出有 关 的存 储 信 息 设 备 。 （ ３ ） 能 支 持 各
虚拟制造技术及其在制造业中的应用
虚拟制造技术及其在制造业中的应用摘要：阐述了虚拟制造的基本概念，虚拟制造的核心技术，以及虚拟制造技术在制造业中的应用。
着重介绍了虚拟企业的特征。
当今制造业正朝着精密化、自动化、柔性化、集成化、信息化和智能化的方向发展，随着这个趋势，诞生了许多先进制造技术和先进制造模式。
虚拟制造就是根据企业市场竞争的需求，在强调柔性和快速的前提下，美国80年代提出的，随着计算机技术和信息网络技术的发展，在90年代得到人们的重视，并获得迅速的发展。
1 虚拟制造VM虚拟制造(VM：Virtual Manufacturing)是对真实产品制造的动态模拟，是一种在计算机上进行而不消耗物理资源的模拟制造软件技术。
它具有建模和仿真环境，使产品从生产过程、工艺计划、调度计划、后勤供应以及财会、采购和管理等一种集成的、综合的制造环境，在真实产品的制造活动之前，就能预测产品的功能以及制造系统状态，从而可以作出前瞻性的决策和优化实施方案。
为了更细致地了解VM的含义，美国在一次专业会议上对3种类型的VM作如下解释：①以设计为中心的VM，这类VM是将制造信息加入到产品设计和工艺设计中，并在计算机上进行数字化制造，仿真多种制造方案，评估各种生产情景，通过仿真制造来优化产品设计和工艺设计，以便作出正确决策。
②以生产为中心的VM，这类VM是将仿真能力加到生产计划模型中，以便快捷化评价生产计划，检验工艺流程、资源需求状况以及生产效率，从而优化制造环境和生产供应计划。
③以控制为中心的VM，这类VM是将仿真能力加到控制模型中，提供对实际生产过程的仿真环境，即将机器控制模型用于仿真，其目标是实际生产中的过程优化，改进制造系统。
虚拟制造是一种新的制造技术，它以信息技术、仿真技术和虚拟现实技术为支持。
虚拟制造技术涉及面很广，诸如环境构成技术、过程特征抽取、元模型、集成基础结构的体系结构、制造特征数据集成、多学科交驻功能、决策支持工具、接口技术、虚拟现实技术、建模与仿真技术等。
虚拟制造技术的发展与应用研究
进 行 评 估 优 化 ． 定 合 理 的 生 产 组 织 方 式 决 ” 以 控 制 为 中 心 的 虚 拟 制 造 ”是 将 仿 真 能 力 加 人 到设 备 控 制 模 型 中 ． 供 实 际 生产 过 程 中 的 虚 拟 环 境 ． 企 业 在 考 虑 车 间 提 使 控 制 行 为 的基 础上 对 制 造 过 程 进 行优 化 控 制
提 出 的 概念 ． 在 世 纪 年 代 得 到重 视 和 发 展 是 以虚 拟 现 实 和 产 品 信 息 反 馈 。 定 是否 要修 改 设 计 而在 虚 拟 制 造 中， 以 随 并 它 决 可 仿 真技 术 为 基 础 。 产 品 的设 计 、 生 产 过 程 统 一 建 模 ． 计 算 机 时 在 设 计 过 程 中检 验 可 制 造 性 和 可装 配性 。 便 的修 改 模 型 ， 对 在 方 信 上 实 现 产 品 从 设 计 、 工 、 配 、 验 直 至 整 个 生 命 周 期 的模 拟 息 反 馈更 为 及 时 加 装 检 和 仿 真 。这里 所 说 的制 造 过 程 ， 括 产 品 级 的 制 造 和 企 业 级 的 生 包 ｆ） 高 产 品 质 量 。虚 拟 制 造 过 程 通 过 对 多 种 制 造 方 案 进 行 ２提 产 管理 ． 际上 称 之 为 ”大 制 造 ”一 目前 国 际 上 对 虚 拟 制 造并 仿 真 。 化 产 品 设 计 和工 艺 设 计 ． 补 了传 统 制 造 业 靠 经 验决 定 国 优 弥
的发 展 ， 其 中 包 括 计 算 机 图形 学 技 术 、 感 器 技 术 、 统 集 成 这 传 系
” 以生 产 为 中心 的 虚 拟 制 造 ”是 将 仿 真 信 息 加 人 到 生 产 计 技 术 等 从 制 造 技 术 的 角 度 讲 可 将 虚 拟 制 造 技 术 的 体 系结 构 分 划模型中． 以便 快速 便 捷 的评 价 多 种 生 产 计 划 。 化生 产 计 划 和 为 以 下 ３大 主 体 技 术 群 ， 建 模 技 术 群 、 真 技 术 群 、 制 技 术 优 即 仿 控 制 造 环 境 的 配 置 主要 是 根 据 企 业 现 有 资 源 对 不 同的 加 工 过 程 群 ． 拟 制造 技术 研 讨 会 上 将 其 进 一 步 细 化 为 １ 虚 ３个 技 术 领域 和
浅析虚拟制造技术及应用
第 ２ 期 １
பைடு நூலகம்
Ｓ ｍＮ Ｅ Ｅ Ｈ ０ Ｏ Ｙ Ｆ Ｒ ＿ ｌ Ｎ Ｃ Ｃ ＆Ｔ Ｃ Ｎ Ｌ Ｇ ０ Ｍ ＴＯ Ａ
浅析虚拟制造技术及应用
米宝 山 李 雪莉 （ 华北 电力 大学 机械 工程 系 河北 保 定
０ １０ ） ７ ０ ０
【 摘 要】 虚拟制造技 术是在 激烈 的市场 竞争环境 下所产 生的应对措施之一 ， 同时也是信 息技术与制造科学相结合的产物。本文主要介 绍 虚 拟 制 造技 术 产 生 的 背 景 ， 拟 制 造 的 定 义 、 类和 关键 技 术 ， 纳 总 结虚 拟 制 造 技 术 的发 展 现 状 和 发 展 趋 势 。 同 时也 列 举 虚 拟 制 造 的应 用 实 虚 分 归
可 制 造性 的 潜 在 问 题进 行 预测 。 Ｇｏｉ ． ｅ ｓＵｎｖｒ ｔ ｏ ｌｒ ａ （ １ ａＪ Ｗｉｎ， ｉ ｓｙ ｆＦｏｉ ） ｒ ｅ ｉ ｄ
定义二 ： 虚拟制造是仿 真、 建模 和分 析技 术以及工具的综合应用 ， 以增 强各 层 制 造设 计 和 生 产决 策 与控 制 。
１３１ 虚 拟 现 实 技 术 ＿．
虚拟现实技术作为一项综合技术 ， 成了计算机图形学 、 媒体 、 集 多 能 力 的主 要 指 标 是 产 品 的 开 发 时 间 、 量 、 本 以 及 相 应 的 服 务 。 适 人 工 智 能 、 传感 器 、 质 成 为 多 网络 、 行 处 理 等 技 术 的 最 新 发 展 成 果 ， 用 计 并 利 应 市 场 瞬 息 多 变 的 要 求 ． 少 成 本 和周 期 。 造 企 业将 许 多 新 出 现 的 减 制 算 机生成一 种模拟环 境 ， 过 多种传感 设备使 用户“ 入” 该环境 通 投 到 技 术 引入 到 设 计 和 制 造 领 域 中 。其 中虚 拟 制 造 就 是 最 为 突 出 的 一 种 ， 中 ， 现 用 户 与 该 环 境 直 接 进 行 自然 交 互 的 技 术 。 实 它 能 够 在 产 品设 计 开 发 的各 个 阶 段 把 握 产 品 制 造 过 程 的实 况 ， 出 各 找 １ ． 主 体 技 术 群 ．２ ３ 个 阶段 可 能 出 现 的 问 题 ． 效 地 协 调 设 计 与 制 造 环 节 的 关 系 ， 寻 求 有 以 （ ） 模 技 术 群 １建 企 业 的最 优 效 益 。 根据 虚拟制造模 型的层次不 同 ， 可将模型分 为产品级 、 间级和 车
虚拟制造技术及应用
计 算 机 上 的 映射 即 采 用计 算 机 仿 真 与 虚拟 现 实技 术 在 高 性 能 计 和工 艺设 计 ，以便作 出正确 决 策。 ２ 以生产 为 中心 的 Ｖ （） Ｍ，这 类 Ｍ 是 将 仿真 能力 加到 生产 计划 模 型 中 ． 以便 快 捷化 评价 生产计 计 算 机 及 高 速 网络 的 支持 下 ，在 计 算 机 上 群 组协 同工 作 ， 实现 产 Ｖ 品设 计 、工 艺 规 划 、 加工 制 造 、性 能 分 析 、 质 量检 验 以及 企 业 划 检 验 工 艺流 程 、资 源 需 求 状 况 以及 生 产 效 率 ．从 而优 化 制 造 （） Ｍ，这类 Ｖ 是将 仿 Ｍ 各级 过 程 的 管理 与控 制产 品制 造 的 本 质过 程 ，以 增强 制造 过 程 中 环 境和 生产 供应 计 划 。 ３ 以控制 为 中心 的 Ｖ 真 能 力 加到 控 制模 型 中 ，提 供 对 实 际生 产 过 程 的 仿真 环 境 ，即 将 各 级 的 决 策 和 控 制 能 力 。 它 为工 程 师 们 提 供 了从 产 品 概 论 的 形 成 、设 计 到 制造 全 过 程 的 三 维 可视 及交 互 的环 境 ，使 得 制 造 技 术 机 器 控 制模 型用 于 仿 真 ．其 目标是 实 际生 产 中的过 程 优 化 ．改 进 发展 到 了全 方 位 预报 的新 阶段 。
得到迅速发展 。
信息 技术 的迅速 发展 和企 业市 场竞 争 的需 求 ．美 国 ２ ０世 纪 ８ ０年代 慧 ，提 高 产 品 开 发 的 质 量 和 缩 短 开 发 周 期 。
二 虚 拟 制 造 技 术 定 义 虚拟 制造 （ ｉｕ ｌＭａｕ ｃｕｉｇ Ｖｒ ａ ｎ ｆ ｔｒ 简称 Ｖ ｔ ａ ｎ Ｍ）是实 际制造 过程 在
虚拟制造技术
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
波 音 飞 机 数 字 化 装 配 777
虚拟制造技术的应用
奥迪Q7虚拟碰撞2000次
虚拟制造和仿真建模大大提高了研发 和制造效率研发团队可以用三维立体 方式，模拟很多内容，包括车身部件 、强度、动力系统性能、碰撞性能等 如Audi Q7车头的一个碰撞试验需要 100万个数据来支持，电脑可以在 0.15秒内计算出结果。这一时间比真 车碰撞的时间大大减少。 实际试验中，虚拟碰撞2000次的时间， 真实试验可以进行40次而且需要毁掉 40辆车，成本大大节约。
虚拟制造技术的国内外发展
• 虚拟制造技术于80年代提出来的。 • 美国已经从虚拟制造的环境和虚拟现实技术、信息系统、 仿真和控制、虚拟企业等方面进行了系统的研究和开发， 多数单元技术已经进入实验和完善的阶段。。但虚拟制 造作为一个完整的体系，尚没有进行全面的集成。 • 欧洲以大学为中心纷纷开展虚拟制造技术的研究；如虚 拟车间、建模与仿真工程等的研究。日本对虚拟制造技 术的研究也秉承其传统的特点－重视应用，主要进行虚 拟制造系统的建模和仿真技术以及虚拟工厂的构造环境 研究。 • 我国在虚拟制造技术方面的研究只是刚刚起步，其研究 也多数是在原先的CAD/CAE/CAM和仿真技术等基础上进行 目前主要集中在虚拟制造技术的理论研究和实施技术准 备阶段，系统的研究尚处于对国外虚拟制造技术的消化 和与国内环境的结合上。
· 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
应用领域
虚拟制造的使能技术
使能技术
虚 拟 环 境 建 模 数 据 转 换 与 处 理
虚拟制造技术及国内外研发现状
虚拟制造技术及国内外研发现状虚拟制造(VM,Virtual Manufacturing)是实际制造在计算机上的本质实现,是计算机仿真技术和虚拟现实技术在制造领域的综合发展及应用,是企业以信息集成为基础的一种新的制造哲理。
虚拟制造技术的广泛应用将从根本上改变现行的制造模式,将带来企业组织、企业管理及生产方式等多方面的变化,对相关行业也将产生巨大影响,是下一代制造技术的重要内容之一。
可以说虚拟制造技术决定着企业的未来,也决定着制造业在竞争中能否立于不败之地。
一、虚拟制造产生的背景在经济全球化、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,因此,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—Time to Market)、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。
与此同时,信息技术取得了迅速发展,特别是计算机技术、计算机网络技术、信息处理技术等取得了人们意想不到的进步。
进入九十年代以来,技术更新的速度明显加快,新兴知识转化成生产力推动力量的时间间隔越来越短。
如何利用新技术所提供的机遇,抓住用户需求,以最短的时间开发出用户能够接受的产品,已成为市场竞争的焦点。
多年来的实践证明,将信息技术应用于制造业,进行传统制造业的改造,是现代制造业发展的必由之路。
自70年代以来,CAD技术是众多计算机应用技术中推广应用最为深入和最为广泛的专业应用领域之一,特别在制造业中的影响力更为突出。
80年代初,以信息集成为核心的计算机集成制造系统(CIMS,Co mputer Integrated Manufacturing System)开始得到实施;80年代末,以过程集成为核心的并行工程(CE,Concurrent Engineering)技术进一步提高了制造水平;进入90年代,先进制造技术进一步向更高水平发展,出现了虚拟制造、精益生产(LP,Lean Production)、敏捷制造(AM,Agile Manufacturing)、虚拟企业(VE,Virtual Enterprise)等新概念。
虚拟制造技术定义及应用
四、虚拟制造技术定义及应用1、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。
2、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。
虚拟制造的关键技术：虚拟设计与装配技术、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、虚拟实验技术、虚拟生产技术。
3、虚拟制造技术的应用：虚拟环境与工具、虚拟产品建模、动态装配仿真、热变形分析、模态分析、有限元分析、运动分析与仿真、虚拟加工、加工过程仿真、虚拟测试、虚拟生产调度控制仿真4、虚拟制造技术的应用研究虽然刚刚起步，却已经有了一些成功的应用，展现了巨大的经济效益和美好的前景。
在美国，采用虚拟制造技术成功地设计了波音777飞机，飞机的整体及其300万个零件，从设计到加工完全实现了无图纸化，利用建立逼真的虚拟三维实体模型对飞机的各种性能进行分析、模拟，因而缩短了数千小时的工作量并节省了大量经费［4］。
福特、通用等汽车公司都成功地运用了部分虚拟制造技术，设计发动机、车体、电气线路等，建立了三维实体模型并进行了碰撞分析和运动特性分析等，还进行了模拟数控加工和质量检查等，大大缩短了设计周期，降低了设计成本［5］。
在国内，北京科学研究院把虚拟制造技术应用于立体车库设计，初步实现直观地布局、参数化设计分析和运动模拟。
5 虚拟制造在我国的研究及应用情况2005年3月份，上海理工大学宣布成立虚拟制造技术研究院。
这是继清华大学CIMS工程研究中心虚拟制造研究室在国内最早开展虚拟制造研究以来又一个成立的进行虚拟制造技术研究的机构。
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虚拟制造技术发展及应用-
摘要：虚拟制造技术是近年来出现的先进技术之一，受到世界各个国家的高度重视。
本文介绍了虚拟制造的定义、种类、关键技术及应用，展望其未来发展前景。
关键词：虚拟制造；仿真模拟；发展；应用
1.前言
随着市场的全球化，各种新兴技术在相关领域的综合使用，企业之间的竞争方式发生了巨变。
制造行业遭遇了巨大的挑战，为了制造业能够更好的生存与发展，必须要满足市场所提出的多项要求：缩短产品开发周期、提高产品质量、降低制造成本以及用更好的技术支撑和售后服务来赢得客户的信赖。
企业为了赢得市场，必须对市场形势做出准确评估和及时的调整，应对多变的市场需求。
计算机软硬件技术及网络技术的迅速发展为实现这一目标提供了强有力的支持[1]。
各种技术的发展及应用使得虚拟制造技术应运而生，作为一种全新的生产模式，必将给制造业指明新的前进方向。
2.虚拟制造技术
2.1 虚拟制造技术定义及特点
虚拟制造技术是对产品实际生产活动中的真实环境进行虚拟模拟，在计算机上得到数字化模型进而对生产活动进行分析、评估。
产品研制过程中，通过仿真模拟建模技术模拟出产品在后续制造过程中的虚拟环境，分析各个环节甚至整个产品生命周期可能出现的活动对产品性能各方面的影响。
通过虚拟环境下的情景展示及分析结果，尽早的发现生产活动中可能存在的隐患与问题，及时的信息反馈改进设计，合理的调整生产活动。
降低研制
成本和产品开发周期，减少实际生产活动中带来的损失，更加合理的控制生产活动，提高企业生产效率，最终提高企业在市场中的综合竞争力。
2.2 虚拟制造的种类
广义的制造过程不仅包括了产品的模型研发、样机制造、性能测试、实体生产。
同时还有企业对自身生产活动的市场调查、经营策划和实际生产活动中的调整控制。
按这个思想考虑，虚拟制造可以被分为三大类：以设计为中心的虚拟制造、以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造[2]。
以设计为中心的虚拟制造强调根据产品的制造信息仿真建模得到统一的数字化模型，分析模型中的各类问题对产品各方面性能和产品的可装配性进行分析。
以生产为中心的虚拟制造强调根据不同企业所拥有的设备资源等约束条件，仿真模拟各个加工过程结合企业的制造资源及环境进行加工过程的合理组合，使得生产计划更加合理优化。
以控制为中心的虚拟制造强调将在企业管理控制中引入仿真模拟技术，对实际生产活动的环境进行虚拟模拟，提供虚拟环境模型使得企业对生产活动的控制更优化。
2.3 虚拟制造的关键技术
3.虚拟制造技术应用
3.1 虚拟制造技术在国外的应用
国外关于虚拟制造技术的应用已经有一定的规模，积极投入到各行各业的应用当中，完成相应的生成计划和目标，将市场需求的产品及时的投入到市场并收到良好的效果。
在美国，波音公司生产的波音777客机是虚拟制造技术应用的经典产品。
该机的设计研制包括众多的零部件，虚拟制造技术使得所有零部件的设计和改进全部是在由计算机组成的虚拟环境中完成，使得设计
时间和难度都大幅度降低，并且提高了设计精度。
在日本，1994年日本的Matsushita公司曾经开发出一套针对厨房个性化设置的虚拟制造系统，顾客利用该系统在虚拟环境下对自己的厨房中的各种设施进行个性化设计，完成个性化设置之后计算机会将所有的信息进行分类统计存储，借由网络将所有信息传输给异地的生产部门，生产部门根据不同的信息生产出顾客所需要的个性化厨房，增加企业的市场竞争力。
3.2虚拟制造技术在国内的应用
目前来看，国内对虚拟制造技术的应用还比较落后，使用该技术的工作单位和企业数量有限。
即使一些使用虚拟制造技术的企业和工作单位也没能做到效益最大化，关于虚拟制造技术的一些理论知识及部分关键技术仍然没能很好地掌握，在实际生产活动中的应用也没能很好地体现出虚拟制造的优势。
4.小结
以产品的数字化模型为基础，以系统建模和仿真技术为辅助，对产品的设计研发、加工制造和性能检验等过程进行动态仿真模拟实现虚拟制造，根据虚拟制造过程的分析评估结果对企业的生产活动、市场策划进行优化处理[4]。
虚拟制造用产品的数字化模型取代实物样机，通过对产品模型进行各种动态模拟测试从而评估产品性能，使得企业的生产活动有良好地机动性，提高企业的市场竞争力。
虚拟制造作为一种世界范围内的先进制造模式，制造业对其的应用必将逐渐重视并推广，在生产活动的方方面面带来革新。
在未来的制造业中，虚拟制造必将占有重要的地位，发挥自身的巨大优势。