虚拟制造与网络制造

加工方案 评估
虚拟制造
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
虚拟生产平台服务器
虚拟企业平台服务器
虚拟企业
企业协同工作环境 企业虚拟运行 企业运行仿真
虚拟机床模型
机床系统 结构系统 热力学模型 刚度模型 NC 代码 运动学模型 伺服模型 精确模型 传感器输入 力域
虚拟制造是对实际制造活动的抽象 实际制造是虚拟制造的实例 虚拟制造是一种更高层次上的计算
机技术在设计、制造、管理等各个 环节中的应用
虚拟制造的分类
CAD/CAM 供设计者参考的制造信息 产品 设计概念
以设计为中心的VM 目标： 1优化设计及优选工艺 2加工方案评价
虚拟产品原型、成本估算 新产品模型 新产品工艺 产品制造信息 工厂资源
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。
虚拟制造的特点
集成性
反复性
并行性
人机交互性
虚拟制造与实际制造的关系
一、绪论
产生背景
社会发展、科技进步、生活节奏加快 市场瞬息万变，反应速度意味着商机

规模 60s
成本 70s
质量 80s
速度 90s
制造业竞争重点的变迁
产生背景
全球经济一体化：全球制造网络、WTO 制造产业信息化：电子商务、EDI电子数据交换 消费个性化：顾客化大生产
相关研究计划
先进制造技术计划（美国） 关键技术(制造)计划（美国）
网络制造的主要特点
快速响应市场变化 资源的充分利用 稳定和提高产品质量 减小企业风险

制造业的发展பைடு நூலகம்然
市 场 竞 争 的 新 要 求
对市场需求的快速反应 设 计 与 制 造 系 统 与 过 程 创新机制
各种资源的合理利用
信息技术
各种资源的集成与共享
虚拟现实
网 络 化 制 造
基于网络的信息获取与融合
使能技术之六
基于VR的科学计算可视化技术
映多 射通 机道 理技 与术 操与 纵可 方视 法化 技 术 的
化分 环布 境式 的的 协计 同算 与 可 视 构特 分征 析可 视 化 与 拓 扑 结 驭基 计于 算 的 可 视 化 与 驾
VR
虚拟制造的关键技术 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
已有的 模型和 工艺
过程 模型 成品 模型 参数
日程模型 逻辑模型
以生产为中心的VM 虚拟生产计划 目标： 1资源优化 新工艺及对应的信息 2选择评价工艺 3验证新工艺 以控制为中心的VM 目标： 1优化车间控制 2优化制造过程
车间机床 控制系统
质量 估计
虚拟制造的理论基础
机理建模 辩识建模 模糊建模
位 移
其它输入 切削过程 工件属性 切削系统
运动系统
温度域
虚拟CNC系统体系结构
虚拟机床子系统 虚拟机床控制信息 虚拟机床反馈信息
虚拟机床控制接口 虚拟数字控制子系统 物理轴号、位置 轴号 匹配模块 虚拟机床其它 控制信息 虚拟机床 反馈信息
逻辑轴号、位置
输入\输出 NC程序系统参数 运动控制模块 模块 （NC系统功 各 轴 位 置 数 据 、刀号、行号 虚拟操作面板返回信息 虚拟操作面板信息 能界面） 虚拟操作面板
虚拟装配设计环境VADE
基于虚拟现实的训练系统
部件几何特 征属性及装 配信息等
计算机辅助过程规划系统
CAD环境
VADE环境
机器人路径规划系统
轨迹信息序列信息
轨迹及序列 信息设计变 化的建议
专用的装配设备设计
DFA分析
确定的有穷自动机
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
虚拟制造的相关定义（2）
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 各层设计制造和生产决策与控制的能力。 ：虚拟制造是一个系统，在这个 系统中，制造对象、过程、活动和准则的抽 象原型被建立在基于计算机的环境中，以增 强制造过程的一个或多个方面的属性。
Marinov
规模和功能可扩展的异构型软件结构 自然的人-机交互技术
网络通信和网络协议
异构性分布式环境
动态可扩展性

安全性设施 DVE系统与工具的开发
三、网络制造
网络制造NM
通过计算机网络组织起来的制造体系 Networked Manufacturing System
网络制造的定义
基于虚拟现实、计算机网络、MultiAgent等支撑技术，构筑网上虚拟企业， 重组各种生产与制造资源，实现对异地 产品设计和功能的仿真，进而快速生产 出满足用户要求的产品的整个制造过程。
虚 拟 实 验 技 术
虚 拟 生 产 技 术
关键技术之一
虚拟设计与装配技术
优虚 化拟 装 配 拆 卸 设 计 与 / 具 有 力 觉 的 虚 拟 装 配
虚 拟 产 品 形 状 设 计
虚 拟 样 机
关键技术之二
虚拟产品实现技术
远 程 机 器 人 操 作 与 监 控 切基 削于 参表 数面 选质 择量 分 析 的
网络技术
网络制造提高快速反应能力
现有制造资源的快速调集与充分利用 制造企业快速重组、动态联盟、虚拟企业 并行工程与虚拟制造的跨时空性 分担基础设施建设费用、减少商务风险 减少产品投放市场所需时间 增加市场占有份额、快速进入市场
网络制造的支撑技术
网络通讯技术 并行工程 虚拟现实技术 数控技术 现代检测与信息融合技术 快速成形技术 激光技术
虚拟控制 平台
数据层 产品模型、数据、只是和规则
协议层
通讯协议和数据交换标准 ( IGES、STEP等)
网络层
网络及物理链路、硬件设备
虚拟制造的功能框图
产品建模 产品异地设计 产品优化设计 产品性能评价 零部件分析优化 可制造性评价
虚拟设计
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
交互式用户 模型 生成 器 模型说明语言 模型 说明 模型 分析 模型 转换 可执行 模型
VIM环境体系结构
运行参数 可视化参数 分析 可视化 VIS环境体系结构
实验 结果
虚拟制造的体系结构
界面层
人机交互接口
个性化用户界面
框架层
基于COBRDA（DCOM）的分布集成框架
应用层
虚拟设计 平台
虚拟加工 平台
虚拟制造的定义
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。

网络制造的理论模型
基 网 上 设 研发机构
础
互 联
研
虚 拟 试 验 的 运 行 平 台 虚 拟 样 机 的 性 能 评 价
虚 拟 测 试
关键技术之五
虚拟生产技术
时虚 三拟 维生 布产 局线 车 间 实 /
虚生 拟产 仿线 真车 间 生 产 过 程
/
制基 造于 仿 真的 与网 评络 价化 分 散
VR
分布式虚拟制造
虚拟制造中的多智能体体系结构
多智能体系统与虚拟现实仿真
敏捷制造使能技术计划(TEAM)
（美国） 智能制造(IMS)技术国际合作计划（日本) 制造2000年计划（德国） 高级先进制造技术计划(G-7) （韩国）
最新研究进展



利用虚拟制造技术，MD公司对MD-11型飞机压式空气门的再设计, 使零件 数减少36%，装配操作减少34%，重量减少107镑。 美国国防先进研究工程机构创建了基于因特网的制造系统的敏捷基础结构。 美国海军开发的集成制造数据环境系统中已采用美国Computervision公司 研制的虚拟制造系统软件EPD.Connect。 福特汽车公司的Ford C3P集成系统，为公司的内给部门或其供应商提供了 各种信息，使每年的成本下降了2亿多美元。 波音公司的777客机，在IBM公司的计算机辅助三维交互式系统Catia的支 持下，在虚拟制造环境中，由2200个工作站和8个大型机分布式处理大量 数据，分别在美国、日本、巴西和澳大利亚等地生产的机身部件一次装配 成功，偏差仅为0.3毫米。 美国斯坦福大学快速制造实验室用SLS方法制成战斗直升飞机螺旋浆产品 样件用于各种性能测试。 美国的机电装备制造技术已进入微组装的新一代。
虚拟制造的相关定义（3）
马里兰大学Edward
Lin ：虚拟制造是一个 用于增强各级决策与控制的一体化的、综合 性的制造环境。
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，即采用计算机仿 真与虚拟现实技术，在计算机上实现产品开 发、制造，以及管理与控制等制造的本质过 程，以增强制造过程各级的决策与控制能力。
分工 方程 法对 象 的 单 元 化 划
算工 方程 法分 析 的 有 限 元 计
则工 图程 示分 方析 法结 果 的 多 准
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
使能技术之五
网络环境下知识获取与建库技术
据网 信络 息化 的异 统构 一知 表识 达与 数 的分 协布 同式 与虚 自拟 治仿 真 节 点 绘虚 制拟 与场 网景 络的 传快 输速 漫 游 、 与基 制于 造 集的 成产 过品 程设 链计 VR 企基 业于 信多 息 重 组 与的 集虚 成拟 Agent 据网 与络 指环 令境 的下 传虚 输拟 与产 共品 享数
连续系统建模
虚 拟 制 造 的 理 论 基 础
建模理论
离散系统建模 连续系统仿真
神经网络建模 实体流图法
模糊神经网络建模 活动周期图法 Petri网法
仿真理论
离散系统仿真 实时仿真
事件调度法
活动扫描法
进程交互法
并行计算
点对点通信 处理机拓扑
全局通信 并行I/O
并行控制与任务组
可视化交互建模体系结构
二、虚拟制造
虚拟制造的相关定义（1）
日本Kimura
：通过对制造知识进行系统 化组织与分析，对整个制造过程建模，在计 算机上进行设计评估和制造活动仿真。
佛罗里达大学Gloria
J. Wiens ：虚拟制造 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 能及可制造性的潜在问题进行预测。
网 络 环 境 下 知 识 获 取 与 建 库
多 通 道 交 互
基 于 的 计 算 可 视 化
VR
产 品 建 模
使能技术之一
多通道交互技术
件虚 接拟 口现 驱实 动设 技备 术的 软 硬 形真 加实 速感 技渲 术染 的 三 维 图 定三 标维 技定 术位 跟 踪 设 备 的 快大 速面 显积 示纹 技理 术的 可 见 性 息人 的像 融分 合离 技与 术多 传 感 信 术信 息 与 时 间 的 同 步 技
分布式虚拟环境
分布式虚拟制造的特点
支持智能体的自主性和相对独立性，使其能够根据内
部状态和外部消息事件控制自身的行为
支持数据、过程以及通信设施的封装，使智能体有明
确的边界、标识和引用的概念
支持消息的通信，直接给出与通信意图有关的信息 支持新的过程加入以及数据与通信信息修改的重组能
力
分布式虚拟制造的关键技术
虚 拟 加 工
虚 拟 测 量 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 干刀 涉位 检轨 验迹 检 查 及 碰 撞 工 艺 过 程 规 划 与 仿 真 评基 价于 应 力 的 加 工 质 量
装 配 信 息 建 模
关键技术之四
虚拟实验技术
虚 拟 试 验 的 物 理 建 模
使能技术之二
虚拟环境建模技术
图 像 图 形 混 合 建 模 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 技虚 术拟 声 的 生 成 与 增 强
场 景 预 处 理 技 术
使能技术之三
产品建模技术
零 部 件 的 物 理 建 模 方 法 特基 征于 建物 模理 方的 法工 程 行 为