虚拟制造技术60
虚拟制造技术
简介
虚拟制造技术是由多学科先进知识形成的综合系统技术，是以计算机仿真技术为前提，对设计、制造等生产 过程进行统一建模，在产品设计阶段，实时地并行地模拟出产品未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测产 品性能、产品制造成本、产品的制造性，从而更有效、更经济地灵活地组织制造生产，使工厂和车间的资源得到 合理配置，以达到产品的开发周期和成本的最小化，产品设计质量的最优化，生产效率的最高化之目的。
优点
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。
举例
如波音777，其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均是在计算机上完成的，其开发周期 从过去的8年缩短到5年；Chrycler公司与IBM合作开发在虚拟制造环境用于其新型车的研制，在样车生产之前， 即发现其定位系统及其他许多设计有缺陷，从而缩短了研制周期。尽管虚拟制造技术的出现只有短短的几年时间， 虚拟制造的应用将会对未来制造业的发展产生深远的影响。
虚拟制造技术
由多学科先进知识形成的综合系统技术
01 简介
03 举例
目录
02 优点 04 效益
05 关键技术
07 应用
目录
06 发展策略
虚拟制造技术是由多学科先进知识形成的综合系统技术，是以计算机仿真技术为前提，对设计、制造等生产 过程进行统一建模，在产品设计阶段，实时地并行地模拟出产品未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测产 品性能、产品制造成本、产品的制造性，从而更有效、更经济地灵活地组织制造生产，使工厂和车间的资源得到 合理配置，以达到产品的开发周期和成本的最小化，产品设计质量的最优化，生产效率的最高化之目的。
虚拟制造技术名词解释
虚拟制造技术名词解释
虚拟制造技术是一种新兴的制造技术，利用计算机系统模拟机械装配线的操作，以快速准确的方式模拟制造过程，使设计者在虚拟环境中就能模拟、比较和实现制造过程。
下面简单介绍一些虚拟制造技术名词：
1. 仿真模拟(Simulation)：是将复杂的系统或机械零件进行数字化建模，并通过计算机模拟机器运动，以获取制造过程中参数，是虚拟制造的基础。
2. 虚拟装配(Virtual Assembly)：也称为虚拟组装，是指利用仿真技术对机械装配线进行模拟，以获得装配步骤以及参数，从而更快、更好的实现装配。
3. 虚拟测量(Virtual Measurement)：是指利用虚拟制造技术对机械零件进行测量，从而获得更准确的测量结果，并对制造过程中的参数进行实时监控，从而提高制造质量。
4. 虚拟质量保证(Virtual Quality Assurance)：也称为质量保证仿真，是在虚拟系统中模拟制造过程，并依据设定的质量指标进行检查，以获得准确的质量控制。
5. 虚拟仿真加工(Virtual Simulation Manufacturing)：是指利用计算机技术对机械零件进行3D建模，结合仿真技术，在虚拟环境中进行机械零件加工模拟，以实现最佳的加工结果。
虚拟制造技术
虚拟制造技术伴随着制造业迅猛发展而形成的生产消费模式，正过度消耗着大量不可再生的资源，破坏着人类的生存坏境。
因此，发展与资源、环境的和谐，以及社会经济的可持续发展，就成为全球性的产业结构调整的战略导向，即向资源利用合理化、废弃物产生少量化、环境影响无害化的方向发展。
至此，运用先进技术和产业化生产，使报废产品高质量地再生，是对产品附加值（包括能量、劳动、材料）的最优化资源回收方式成为必然的发展趋势。
而虚拟制造技术又是再制造设计发展的必要途径，也是其作为先进制造技术的重要特征。
一．虚拟现实技术虚拟现实（Virtual Reality ，VR）技术是近年来出现的一门高新技术，它可以模拟现实、再现真实的过去和显示可见的未来。
从总体上讲，虚拟现实技术就是要把计算机从善于处理数字化的单维信息改变为善于处理人所能感受到的、在思维过程中所能接触到的、除了数字化之外的其它各种表现形式的多维信息，具体地说就是以仿真形式创造出真实反映客观世界变化及其相互作用的三维环境，通过立体液晶眼镜、头盔显示器、数据手套、数据服和跟踪器等装置，使用户沉浸在计算机生成的虚拟环境之中，直接感知事物的变化，并与之发生交互作用，产生一种“身临其境”的感觉，它汇集了计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术、高度并行的实时计算技术和人的行为学等多项关键技术，是多媒体技术发展的更高境界，是高技术成果的系统集成。
虚拟现实系统是一个闭环系统，包括用户、机器和人—机接口三个基本要素。
其中用户是虚拟环境的接受者和作用者；机器是指安装了相应软件程序, 用来生成虚拟环境的计算机；人—机接口是指将虚拟环境和用户连接起来的传感与控制装置。
虚拟现实技术具有沉浸感、交互性和想象力等特征。
沉浸感是指用户作为主体存在于虚拟环境的真实程度；交互性是指用户对虚拟环境的可操作程度和从环境中得到反馈的自然程度(包括实时性)；想象力是指用户沉浸在多维信息空间中，依靠其感知和认知能力全方位地获取知识，发挥主观能动性，寻求解答，形成新的概念。
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
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。
虚拟制造及其关键技术
虚拟制造及其关键技术虚拟制造是指利用计算机技术和虚拟现实技术开展产品设计、生产制造和工艺优化等工作的一种集成虚拟化技术。
它通过模拟和仿真技术，实现了从产品设计到生产制造的全过程数字化，将设计、工艺制造和产品质量等因素纳入统一的虚拟环境进行集成，是实现智能制造的重要手段。
虚拟制造的核心技术是虚拟现实技术，在实现产品设计、工艺规划、生产过程模拟等方面发挥了重要作用。
虚拟现实技术通过利用计算机图形学、机器视觉、模型重建等技术，将现实中的物体、场景以虚拟的方式呈现出来，使用户能够与虚拟环境进行交互，获得更加直观、真实的感觉。
虚拟制造的关键技术还包括工艺规划和模拟、数字化加工和装配等。
工艺规划和模拟技术利用计算机辅助设计、虚拟现实技术等手段，模拟和优化产品的生产工艺过程，减少资源消耗和生产时间，提高生产效率和产品质量。
数字化加工技术是指利用数控机床等设备进行数字化加工，将设计数据直接转换成制造过程中所需的指令，实现高效、精确的加工。
数字化装配技术则是利用虚拟现实技术对产品进行虚拟组装，检测产品在装配过程中的合理性和可行性，提高装配效率和产品质量。
虚拟制造的应用领域非常广泛，包括航空航天、汽车制造、机器制造、电子信息等各个行业。
在航空航天领域，虚拟制造可以帮助设计师和工程师们对飞机进行全面的仿真和模拟，包括外形设计、结构强度分析、机载设备布局等方面。
在汽车制造领域，虚拟制造可以对整个汽车生产过程进行优化和模拟，包括车身焊接、喷涂、总装等方面。
在机器制造领域，虚拟制造可以模拟和优化机械设备的加工过程，提高生产效率和产品质量。
在电子信息领域，虚拟制造可以模拟和测试电子产品的制造工艺和性能，提高研发和生产效率。
虚拟制造的发展离不开计算机技术和软件技术的支持。
计算机技术的不断进步为虚拟制造提供了强大的计算能力和存储能力，使得虚拟制造可以处理更加复杂的问题和大规模的数据。
软件技术的不断创新为虚拟制造提供了各种工具和平台，包括三维建模软件、仿真软件、虚拟装配软件等，使得虚拟制造可以更加快速、准确地进行产品设计和制造过程的模拟和优化。
虚拟制造
虚拟制造1.虚拟制造的定义与特征虚拟现实技术对身临其境的真实感和对超越现实的虚拟性以及建立个人能够沉浸其中，超越其上,自如交互的多维信息系统的追求推动了虚拟现实技术在制造业中的发展和应用。
虚拟制造技术是近年来先进制造技术领域内的一门新兴技术，由于概念出现时间比较短，目前国际上还没有对它作统一的定义，研究人员根据各自不同的研究内容和应用背景，做出各具特色的定义。
同时，由于虚拟制造技术本身的不断发展，工程技术人员对它的认识也是一个动态的过程。
综合起来说，虚拟制造技术是由许多先进学科领域知识的综合集成与应用，它以数字化建模技术，计算机仿真技术，分析优化技术为基础，在产品设计阶段或产品制造之前，实时、并行地模拟出产品的未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品的性能、成本和可制造性，以达到产品的开发周期和成本的最优化，生产效率的最高化之目的。
虚拟制造中的“虚拟”是相对于实物产品的实际制造系统而言的，它强调的是制造系统运行过程的计算机化，虚拟制造是实际制造的抽象，生产出的是全数字化的产品，是在计算机及网络系统和相关软件系统中进行的制造，所处理的对象是有关产品和制造系统的信息和数据，处理结果是全数字化产品，而不是真实的物质产品，但是它是现实物质产品的一个数字化模型，即是一个虚拟产品，是现实产品在虚拟环境下的映射，并具有现实产品所必须具有的特征和性能2.虚拟制造的分类根据虚拟制造应用环境和对象的侧重点不同，虚拟制造分为三类: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。
（1）设计为中心的虚拟制造为设计者提供产品设计阶段所需的制造信息，从而使设计最优。
设计部门和制造部门之间在计算机网络的支持下协同工作，以统一的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，从而在设计阶段就可以对所设计的零件甚至整机进行加工工艺分析、运动学和动力学分析、可装配性分析等可制造性分析，以获得对产品的设计评估与性能预测结果。
虚拟制造
1虚拟制造简介80年代以来，日趋激烈的全球化竞争，迫使制造企业必须通过不断地提高生产效率，改善产品质量，降低成本，提供优良的服务，以期在市场中占有一席之地。
与此同时，计算机技术、计算机网络技术和信息处理技术也得到了迅速的发展。
这些条件就使得信息技术不断地融合到传统的制造业中，并对其进行改造，这也是现代制造业的发展趋势。
进入90年代后，先进的制造技术向着更高的水平发展，在原有的计算机集成制造(CIMS即Computer Integrated Manufacturing System)和并行工程(CE即Concurrent Engineering)的基础上，又出现了虚拟制造(VM即Virtual Manufacturing)、虚拟企业(VE即Virtual Enterprise)等概念。
其中“虚拟制造”近年来不断引起科技界和企业界的关注，成为竞相研究的热点。
虚拟制造的基础是虚拟现实技术。
所谓的虚拟现实技术是指利用计算机和外围设备，生成与真实环境相一致的三维虚拟环境，允许用户从不同的角度和视点来观看这个环境，并且能够通过辅助设备与环境中的物体进行交互关联。
虚拟制造则是利用虚拟现实技术，在计算机上完成制造过程的技术。
采用此技术，在实际的制造之前，可以对产品的功能和制造性、经济性等方面的潜在问题进行分析和预测，实现产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检测及企业各级的管理控制等，增强制造过程中各级的决策和控制能力。
虚拟制造与实际制造系统的关系如图1所示。
图1虚拟制造与实际制造系统的关系Fig.1Relation between virtual manufacturingand actual manufacturing1.1虚拟制造的特点虚拟制造是集计算机辅助设计(CA D)、计算机辅助制造(CAM)和计算机辅助工艺设计(CAPP)于一体的技术，它是在计算机中完成制造过程的。
正因为如此，虚拟制造具有下述主要特点。
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。
机械工程中的虚拟制造技术
机械工程中的虚拟制造技术
虚拟制造技术是一种在计算机上执行制造过程的技术，它采用计算机仿真与虚拟现实技术，在计算机上群组协同工作，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程。
在机械工程中，虚拟制造技术可以应用于以下方面：
1. 设计和工艺规划：通过虚拟制造技术，可以在计算机上模拟产品的设计和工艺规划过程，从而在制造之前发现和解决潜在的问题，提高产品的质量和可制造性。
2. 加工制造：虚拟制造技术可以模拟产品的加工制造过程，从而优化加工参数和流程，提高加工效率和产品质量。
3. 性能分析：通过虚拟制造技术，可以对产品的性能进行模拟和分析，从而预测和优化产品的性能。
4. 质量检验：虚拟制造技术可以模拟产品的质量检验过程，从而在制造之前发现和解决潜在的质量问题。
5. 企业各级过程的管理与控制：虚拟制造技术可以对企业各级过程进行管理和控制，从而提高企业的生产效率和产品质量。
总之，虚拟制造技术在机械工程中具有广泛的应用前景，可以提高企业的生产效率和产品质量，降低生产成本和风险。
虚拟制造技术
虚拟制造技术虚拟制造技术（virtual manufacturing technology，VMT）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。
如波音777，其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均是在计算机上完成的，其开发周期从过去的8年缩短到5年；Chrycler公司与IBM合作开发在虚拟制造环境用于其新型车的研制，在样车生产之前，即发现其定位系统及其他许多设计有缺陷，从而缩短了研制周期。
尽管虚拟制造技术的出现只有短短的几年时间，虚拟制造的应用将会对未来制造业的发展产生深远的影响。
从广义上讲，制造过程不仅包括了产品的设计加工、装配，还包含了对企业生产活动的组织与控制。
从这个观点出发，可以把虚拟制造划分为三类。
(1)以设计为中心的虚拟制造以设计为中心的虚拟制造是将制造信息加人到产品设计与工艺设计过程中，并在计算机中进行"制造"，仿真多种制造方案和产生许多"软"的模型，为设计者提供一个设计产品和评估产品可制造性的环境。
它的主要支持技术包括特征造型、面向数学的模型设计及加工过程的仿真技术。
主要应用领域包括造型设计、热力学分析、运动学分析、动力学分析、容差分析和加工过程仿真。
(2)以生产为中心的虚拟制造以生产为中心的虚拟制造是将仿真能力加人到生产过程模型中，其目的是方便和快捷地评价多种加工过程，检验新工艺流程的可信度、产品的生产效率、资源的需求状况(包括购置新设备、征询盟友等)，从而优化制造环境的配置和生产的供给计划。
它的主要支持技术包括虚拟现实技术和嵌人式仿真技术，其应用领域包括工厂或产品的物理布局及生产计划的编排。
虚拟制造技术
3科技资讯科技资讯S I N &T NOLOGY I NFORM TI ON 2008NO .21SC I ENCE &TECH NO LOG Y I NFOR M A TI O N 信息技术虚拟制造是利用仿真与虚拟现实技术,在高性能计算机及高速网络的支持下,采用群组协同工作,通过模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题,实现产品制造的本质过程,包括产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验,并进行过程管理与控制。
是一种通过计算机虚拟模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题。
由于虚拟制造系统基本上不消耗资源和能量,也不生产实际产品,而是产品的设计、开发与实现过程在计算机上的本质实现,与实际制造相比较,它具有如下主要特征:①高度集成。
产品与制造环境是虚拟模型,在计算机上对虚拟模型进行产品设计、制造、测试,甚至设计人员或用户可“进入”虚拟的制造环境检验其设计、加工、装配和操作,而不依赖于传统的原型样机的反复修改,还可将已开发的产品(部件)存放在计算机里,不但大大节省仓储费用,更能根据用户需求或市场变化快速改变设计,快速投入批量生产,从而能大幅度压缩新产品的开发时间,提高质量、降低成本。
因此,应综合运用系统工程、知识工程、并行工程系统仿真和人-机工程等多学科先进技术,实现信息集成、知识集成、串并行交错工作机制集成和人-机集成。
②敏捷灵活。
开发的产品(部件)可存放在计算机里,不但大大节省仓储费用,更能根据用户需求或市场变化快速改型设计,快速投入批量生产,从而能大幅度压缩新产品的开发时间,提高质量,降低成本。
③分布合作。
可使分布在不同地点、不同部门的不同专业人员在同一个产品模型上同时工作,相互交流,信息共享,减少大量的文档生成及其传递的时间和误差,从而使产品开发以快捷、优质、低耗响应市场变化。
按照与生产各个阶段的关系,有些文献将虚拟制造分成三类:①以设计为中心的虚拟制造是通过增加制造信息到集成产品开发过程中并在计算机中仿真多种制造方案,为设计者提供一个设计产品和评估产品可制造性的环境,例如DFX 技术,通过“在计算机上制造”产生许多“软”样机。
(新)虚拟制造技术_
虚拟制造技术英文名称：Virtual manufacturing technology相关技术：计算机仿真技术；先进制造技术；计算机集成制造技术；仿真技术分类：制造；虚拟制造；先进制造技术；定义与概念：先进制造的本质特征是制造资源的有效快速集成，实现快速个性化生产。
虚拟制造是CIMS领域内提出的一个新概念，其内涵在不断发展和外延，尚未形成完整的理论体系。
虚拟制造是涉及多个学科的综合性系统技术，它以非真实的形式揭示了从原材料到产品这一过程中的本质问题及其影响。
它是以计算机支持的图形虚拟和仿真技术为前提，对产品设计和制造全过程进行统一建模，在产品设计阶段进行实时并行地产品制造过程；它是用虚拟模型描述产品设计和制造全过程，预测和评估产品性能、产品可*性和可制造性、制造过程所占用的资源，并可发现制造过程的关键问题和解决方法。
虚拟制造是在计算机上进行的不消耗现实资源和能量的制造活动，其产出是可视的虚拟产品。
虚拟制造研究范围和所直接涉及的技术有三维实体建模、特征建模、电子装配、工程分析、过程仿真、虚拟现实、并行工程、计算机辅助工艺分析、快速原型制造、验证和测试技术等；作为基础技术和工具还包括工程信息管理、多媒体技术、分布式数据库等。
虚拟制造综合运用仿真、建模、虚拟现实等技术，提供三维可视交互环境，对从产品概念产生、设计到制造全过程进行模拟现实，以期在真实制造之前，预估产品的功能和可制造性，获取产品的实现方法，从而大大缩短产品上市时间，降低产品设计和制造成本。
起组织方式市由从事产品设计、分析、仿真、制造和支持等方面的人员组成的"虚拟"产品设计小组，通过网络合作并行工作。
设计、制造过程完全数字化，即完全在计算机上建立产品数字模型，并在计算机上对产品数学模型产生形式、配合和功能进行评审、修改，可使新产品开发一次获得成功。
竞争环境快速变化，要求企业快速作出响应。
然而，现代的产品越来越复杂，对于高技术含量的产品一个企业已经不可能快速、经济的独立开发和制造产品的全部。
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
虚拟制造系统的关键技术
虚拟加工技术 虚拟装配技术 虚拟车间技术
1.虚拟加工技术 1.虚拟加工技术
虚拟加工是实际加工在计算机上的本质实现，一 般采用三维实体仿真技术。在三维实体仿真软件(亦称 为加工过程仿真器)的支持下，以NC代码为驱动，数 控指令翻译器对输入的Nc代码进行语法检查、翻译。 根据指令生成相应的刀具扫描体，并在指令的驱动下， 对刀具扫描体与被加工零件的几何体进行求交运算、 碰撞干涉检查、材料切除等，并生成指令执行后的中 间结果，所有这些虚拟加工过程均可以在计算机屏幕 上通过三维动回显示出来。指令不断执行，每一条指 令的执行结果均可保存，以便查验，直到所有指令执 行完毕，虚拟加工任务结束。
虚拟装配技术
装配是产品开发活动中最具影响力的一个 环节。现代产品的竞争是性能、质量、价格、 上市时间、外观形状、售后服务等多种因素的 综合竞争，所有这些因素无不与装配存在密切 联系。产品的质量是由设计师设计拟定的，由 制造阶段提供保证，并由装配阶段具体落实的。 装配质量的好坏直接反映在产品的性能、质量 上。
作为一个新兴研究领域，虚拟装配实际上 是多种技术的结合，其发展与产品设计方法学、 可视化技术、仿真技术、决策技术、装配和制 造技术，以及装配和制造设备的发展等等紧密 相关。
装配信息建模 从虚拟制造(VM)和虚拟产品开发(VPD)的 观点来看，装配模型应该是一种集成化的信息 模型，原则上支持面向全生命周期产品设计过 程中与装配有关的所有活动和过程，包括产品 定义、生产规划和过程仿真中与装配相关的各 个子过程。
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。
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还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉 感知、嗅觉感知等。
(2)沉浸性: 又称临场感，让用户感到作为主角存在于
模拟环境中的真实程度，沉浸被通俗地解释为 “身临其境”。
虚拟技术三角形
(3)交互性: 交互性指用户对模拟环境内物体的可操作
前言
人类有许多梦想，一些梦想已经变为现实，而有一些梦想也许 永远都不可能实现。然而，有一种技术却能使一切梦想全部在感知
中实现，这就是虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）。
虚拟现实是在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、 多媒体技术以及传感技术的基础上发展起来的交叉学科，由于它生 成的视觉环境是立体的、音效是立体的，人机交互是和谐友好的， 因此虚拟现实技术将一改人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状， 即计算机创造的环境将人们陶醉在流连忘返的工作环境之中。
虚拟现实（VR）技术是20世纪90年代以来兴起的一种新型信 息技术，它集多媒体、网络技术、传感技术等多种先进技术为一体， 是当今前景最好的计算机技术之一。
几种虚拟现实虚拟环境虚拟房间虚拟汽车
虚拟人
虚拟现实技术的发展
1965年，Sutherland在篇名为《终极的显示》（The Ultimate Display） 的论文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的基本思想，从此，人们正式开始了对虚拟现 实系统的研究探索历程。
利用计算机生成的能给人多种感官刺激的人机交互系统。
两个方面：
第一是计算机生成的虚拟环境必 须是能给人提供多种感觉的感官刺激 的环境，能让人有“沉浸”的感觉，现 在的技术水平，虚拟现实通常由视觉、 听觉和触觉构成。
其二是虚拟现实系统是一种高级 的人机交互系统，因此人机交互是虚 拟现实的核心。
虚拟现实的基本特征
世界进行观察和操作，以达到协同工作的目
的。例如，异地的医科学生，可以通过网络，
对虚拟手术室中的病人进行外科手术。又如
风靡因特网的网络游戏，其实就是共享型虚
拟现实系统的有力表现。众多玩家可以在同
一个虚拟环境中交互式的进行交流、打斗、
虚拟现实的定义
虚拟现实外国有时还称为：“信息空间”，“人工现实”，“合 环境“等，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用 户同时提供诸如视、听、嗅、触等各种直观而又自然的实时感知 交互手段、最大限度地方便用户的操作，从而提高整个系统的工 作效率。关于虚拟现实的定义，我们可以简单地理解为：
1970年，出现了第一个功能较齐全的HMD系统。基于从60年代以 来所取得的一系列成就，美国的Jaron Lanier 在80年代初正式提出了 “Virtual Reality”一词。
80年代，美国宇航局（NASA）及美国国防部组织了一系列有关 虚拟现实技术的研究，并取得了令人瞩目的研究成果，从而引起了 人们对虚拟现实技术的广泛关注。1984年，NASA Ames研究中心虚 拟行星探测实验室组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器， 将火星探测器发回的数据输入计算机，为地面研究人员构造了火星 表面的三维虚拟环境。
虚拟现实分类（3）
（3）共享型虚拟现实系统
洽谈
（网络虚拟现实，又称为分布式虚拟环境）
是一种基于网络连接的虚拟现实系统，
讨论
它是多个用户通过计算机网络连接在一起，
同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历，
把虚拟现实则提升到了一个更高的境界，这
就是分布式虚拟现实系统。在分布式虚拟现
设计
实系统中，多个用户可通过网络对同一虚拟
虚拟现实技术的发展
90年代，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机 软件系统相匹配，使得基于大型数据集合的声音和图象的实时 动画制作成为可能；人机交互系统的设计不断创新，新颖、实 用的输入输出设备不断地进入市场。而这些都为虚拟现实系统 的发展打下了良好的基础。
例如1993年的11月，宇航员利用虚拟现实系统成功地完成 了从航天飞机的运输舱内取出新的望远镜面板的工作，而用虚 拟现实技术设计波音777获得成功，是近年来引起科技界瞩目 的又一件工作。
虚拟现实分类（2）
（2）简易型虚拟现实系统（桌面VR系统）
桌面虚拟现实利用个人计算机和低级 工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用 户观察虚拟境界的一个窗口。通过各种输 入设备实现与虚拟现实世界的充分交互， 这些外部设备包括立体眼镜、3D控制器使 监视器或者鼠标，追踪球，力矩球等。它 要求参与者使用输入设备，通过计算机屏 幕观察360度范围内的虚拟境界，并操纵 其中的物体，但这时参与者缺少完全的沉 浸，因为它仍然会受到周围现实环境的干 扰。桌面虚拟现实最大特点是缺乏真实的 现实体验，但这种系统的特点是结构简单、 价格低廉，组成灵活，易于普及推广，是 一套经济实用的系统。
程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。
(4)构想性: 虚拟现实技术中人与虚拟环境的交互作用，
在本质上意味着它不是预成性的而是生成性的， 不是因循的而是创造的，
虚拟现实分类（1）
按照虚拟现实系统功能和实现方式的不同，可以分为三种类型：
（1）沉浸型虚拟现实系统（“可穿戴的”VR系统）
沉浸型虚拟现实系统提供完全沉浸的体验。 它利用头盔式显示器或其它设备，把参与者的 视觉、听觉和其它感觉封闭起来，并提供一个 新的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟踪器、 数据手套、其它手控输入设备、声音等使得参 与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中 的感觉。例如，在消防仿真演习系统中，消防 员会沉浸于极度真实的火灾场景并做出不同反 应。这种系统的优点是用户可完全沉浸到虚拟 世界中去，缺点是系统设备尤其是硬件价格相 对较高，难以大规则普及推广。
第五章 虚拟制造技术
• 虚拟现实技术 • 产品的虚拟原型 • 虚拟制造技术 • 虚拟企业
虚拟现实
教学目的和要求：
1、了解虚拟现实的概念； 2、了解虚拟现实的组成及国内 和同外虚拟现实研究的现状。
教学重点：
1、虚拟现实定义； 2、虚拟现实的组成； 3、虚拟现实的应用研究现状； 4、虚拟现实的应用前景。