虚拟制造
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。
虚拟制造模式的分类
虚拟制造模式的分类
虚拟制造模式可以根据不同的分类方法进行划分，以下是一些常见的分类方式：
1. 以设计为中心的虚拟制造模式：这种模式主要面向产品的设计和开发阶段，通过虚拟样机技术，在计算机上对产品进行仿真和测试，以优化产品的设计、性能和成本。
2. 以生产为中心的虚拟制造模式：这种模式主要面向产品的生产制造阶段，通过数字化工厂技术，在计算机上对生产过程进行仿真和优化，以提高生产效率、降低生产成本和提高产品质量。
3. 以控制为中心的虚拟制造模式：这种模式主要面向产品的生产过程控制和调度管理阶段，通过虚拟控制器技术，在计算机上对生产过程进行模拟和控制，以提高生产过程的可靠性和稳定性。
4. 基于仿真模型的虚拟制造模式：这种模式主要通过建立仿真模型来模拟实际生产过程，包括产品、工艺、工厂、供应链等多个层面的仿真模型。
通过仿真模型来预测和优化产品的制造过程和性能表现。
5. 基于虚拟现实的虚拟制造模式：这种模式主要利用虚拟现实技术来模拟产品的设计和制造过程，通过三维建模和交互式场景模拟来实现产品设计和制造的协同优化。
6. 基于云平台的虚拟制造模式：这种模式主要利用云计算平台来实现虚拟制造的功能，将制造资源和服务进行云端化，通过远程访问和协同工作来提高制造效率和质量。
这些虚拟制造模式的分类并不是绝对的，不同的模式之间可能存在交叉和重叠的部分。
选择适合企业需求的虚拟制造模式需要考虑多个因素，如企业的产品特点、生产规模、资源投入等。
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
车间机床 控制系统
虚拟设计/制造技术的作用 虚拟设计 制造技术的作用
减少资源浪费 降低产品开发风险 加快产品上市速度 推进远程协同产品开发 促进创新设计 提高技术培训与教育质量 增强企业竞争力
国内外应用概况
波音公司：波音777 777开发 波音公司：波音777开发 Rockwell： Rockwell：虚拟装配 虚拟组装生产线 Nabisco ：虚拟组装生产线
波音777飞机数字化装配 波音777飞机数字化装配 777
VM在波音 在波音777飞机设计中的应用 在波音 飞机设计中的应用
波音777飞机有300万个零件，这些零件的设计以及 整体的设计在一个由数百台工作站组成的虚拟环境中 得以成功进行。这个VM系统是在原有的Boeing CAD 的基础上建立起来的。当设计师戴上头盔显示器后， 就能穿行于这个虚拟的“飞机”中，审视其各项设计。 过去为设计一架新型飞机，必须先建造两个实体模型， 每个造价60万美元。应用VMT后，不只是节省了经费， 也缩短了研究周期，使最终的实际飞机与原方案相比， 偏差小于1‰，且实现了机翼和机身结合的一次成功， 缩短了数千小时设计工作量。
虚拟制造（ 虚拟制造（Virtual manufacturing） ）
主讲：徐超
基本概念
虚拟制造技术（VMT）：可以通俗而形象地理 解为“在计算机上模拟产品的制造和装配全过 在计算机上模拟产品的制造和装配全过 程。”换句话说，借助建模和仿真技术，在产品 设计时，就可以把产品的制造过程、工艺设计、 作业计划、生产调度、库存管理以及成本核算和 零部件采购等生产活动在计算机屏幕上显示出来， 以便全面确定产品设计和生产过程的合理性。
虚拟制造--展望 虚拟制造 展望
在制造业中，从概念设计到生产加工直至装配虚拟现实技术都有 着广泛的应用。虚拟设计、虚拟装配是其具体的应用，加上虚拟 企业等统称为虚拟制造。 虚拟制造是由许多先进学科、先进知识形成的综合系统技术，是 一个极具潜力的前沿研究方向，由于现在多媒体技术和网络技术 的迅速发展，虚拟制造将是下一代生产制造的趋势。由于 CAD/CAE /CAM 系统基本上解决了虚拟产品的概念设计和详细设 计部分，目前虚拟制造主要研究的是生产制造，装配部分以及各 个环节信息的综合。 在宏观上虚拟制造要仿真整个工厂，仿真工厂中的物流、信息流、 能量流，这对实际生产中如何控制物料、掌握生产节拍有指导意 义。在微观上虚拟制造要细化到仿真每个细节，这为宏观虚拟制 造奠定了基础。
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PPT课件
目录
• 虚拟制造概述 • 虚拟制造技术 • 虚拟制造流程 • 虚拟制造的优势与挑战 • 虚拟制造案例分析 • 总结与展望
01
虚拟制造概述
定义与特点
定义
虚拟制造是一种先进制造技术，通过计算机模拟和仿真技术，在计算机上实现 产品制造的全过程，以评估产品的可制造性、优化制造过程、提高生产效率及 降低成本。
总结词：电子制造业是另一个应 用虚拟制造技术的领域，通过模 拟和优化设计和生产过程，提高 产品质量和生产效率。
1. PCB设计优化：电子制造商可 以利用虚拟制造技术对PCB（印 刷电路板）设计进行模拟和优化 ，提高产品的性能和质量。
3. 质量控制：虚拟制造技术还可 以用于质量控制，通过模拟整个 生产过程，找出潜在的质量问题 ，提高产品的质量。
3. 质量控制：虚拟制 造技术还可以用于质 量控制，通过模拟整 个生产过程，找出潜 在的质量问题，提高 模具的质量。
06
总结与展望
总结
虚拟制造技术的 定义
虚拟制造是一种基于 计算机建模和仿真的 制造过程，通过模拟 产品的设计和制造过 程，以优化制造过程 、提高产品质量和降 低生产成本。
虚拟制造技术的 分类
优化生产过程
虚拟制造可以对制造过程进行优化，提高生产效率，降低能源消耗 和环境污染。
虚拟制造的应用范围
产品设计
虚拟制造技术可以用于产品的设计和优化，通过模拟和仿真技术，实现产品的早期检测和优化。
生产计划
虚拟制造可以用于生产计划的制定和优化，通过对生产过程的模拟和仿真，实现生产计划的精细管理和优化。
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详细描述
VR技术可以为用户提供一个逼真的虚拟环境，可用于产品体验、培训和设计等方面。
虚拟制造简介
虚拟制造简介一、概念虚拟制造是实际制造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、实现产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验、以及生产过程的管理与控制等产品制造的本质过程、以增强制造过程的预测与决策能力。
二、虚拟制造与实际制造的区别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三、虚拟制造系统体系结构虚拟设计：①产品建模②产品异地设计③产品优化设计④产品性能评价⑤零部件分析优化⑥可制造性评价⑦快速原型虚拟制造：①生产工艺优化②工具设计优化③刀位控制参数优化④刀位轨迹参数优化⑤加工方案评估⑥虚拟实验⑦虚拟检测⑧工艺模型验证、产品模型实验：虚拟机床虚拟生产：①生产计划仿真优化②虚拟生产布局③虚拟设备集成④虚拟装配⑤虚拟生产平台服务器虚拟企业：①虚拟企业平台服务器②企业协同工作环境③企业虚拟运行④企业运行仿真四、虚拟制造的分类五、成功案例虚拟制造技术应用在以下几个方面：虚拟企业，虚拟产品设计，虚拟产品制造。
在虚拟制造环境中，数控加工过程仿真为产品设计可制造性分析提供关键数据。
在实际数控加工过程中，为了校验数控代码的正确性，需要进行反复试切直至确认数控代码能够完成预定的加工任务。
同时数控加工参数也需要反复调试。
这些操作不仅效率低下，占用了机器资源，而且有可能引起刀具碰撞而造成经济损失。
通过对数控机床建模进而仿真数控加工过程，能节省资源并避免风险。
对机床建模和加工过程仿真的好处还体现在通过真实地模拟机床及加工过程的行为来快速地对机床操作人员进行培训，也可帮助机床制造商向潜在的远程客户逼真演示其产品。
另外数控加工过程仿真可以产生加工过程关键数据如总体加工时间、刀具轨迹长度、刀具空程运行时间等等。
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虚拟制造技术指的是通过计算机模拟技术来创建虚拟制造场景，对产品进行数字化设计、模拟验证、工艺设备优化及数字化制造等一系列生产过程的管理，在实际制造中减少试错成本，加快产品开发及上市时间，提高产品质量和竞争力。
虚拟制造技术通过将数字化方法与传统制造技术相结合，可以大大缩短产品研发周期、提高生产效率和质量，并极大地降低生产成本和环境污染。
虚拟制造技术的应用十分广泛，包括数控机床复杂零部件加工、机器人智能制造、空间航空工程的设计与生产、汽车制造的过程优化等。
在汽车制造方面，虚拟制造技术可以为各种智能制造流程提供重要的支持，比如在产品开发阶段，通过数字化设计、可视化仿真和虚拟验证等手段，把握产品性能及市场需求，从而减少开发成本和提高产品质量。
在之后的生产阶段，通过数字化工厂和虚拟制造技术，实现了自动化生产线智能化、感知化和自适应化，提高生产效率、节约成本、降低质量风险。
虚拟制造技术的核心理念在于数字化和智能化，数字化是指将产品和生产过程转化为数字化数据，以便进行仿真和虚拟验证。
在数字化的基础上，虚拟制造技术可以实现产品的可视化、交互式仿真，以及设计、制造和工程性能优化，并通过对生产过程的模拟和协调最大限度地提高生产效率和质量。
虚拟制造技术的另一个核心理念是智能化，即在生产过程中采用智能化技术实现生产线的感知、控制和优化，以最大限度地提高生产过程的效率和质量。
虚拟制造技术的未来发展趋势是数字化、智能化和可持续化。
数字化将在越来越多的工业领域实现，基于AI、大数据和物联网等技术的智能制造和自适应制造也将成为行业的发展方向，同时，可持续制造原则也被越来越多的企业所认同，把制造过程中的环境影响降到最低。
总之，随着虚拟制造技术的不断发展，数字化、智能化和可持续制造已成为发展趋势，通过虚拟制造技术的应用，可以有效降低制造成本、提高产品质量、加快产品研发周期，为产业的现代化和高效化作出贡献。
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。
制造技术第6章-虚拟制造技术
四、 虚拟制造的关键技术
2．制造系统建模
制造系统是制造工程及其所涉及的硬件及其相关软件组 成的具有特定功能的一个有机整体，其中硬件包括人员、 生产设备、材料、能源和各种辅助装置，软件包括制造 理论、制造技术（制造工艺和制造方法等）和制造信息 等。
四、 虚拟制造的关键技术
3．虚拟产品开发
又称为产品的虚拟设计或数字化设计，主要包括实体建 模和仿真两个方面，它是利用计算机来完成整个产品的 开发过程，以数字化形式虚拟地、可视地、并行地开发 产品，并在制造实物之前对产品结构和性能进行分析和 仿真，实现制造过程的早期反馈，及早地发现和解决问 题，减少产品开发的时间和费用。
内容
一、 虚拟制造的定义 二、 虚拟制造的分类 三、 虚拟制造系统的体系结构 四、 虚拟制造的定义
虚拟制造技术就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 模型来模拟和预测产品功能、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、质量检测等，并进 行过程管理和控制。
二、虚拟制造的分类
1．以设计为中心的虚拟制造
又称为“面向设计的虚拟制造”，它把制造信息引入到产品设计全 过程，利用仿真技术优化产品设计，从而在设计阶段就可以对所设计的 零件甚至整机进行可制造性分析。
包括加工过程的工艺分析、铸造过程的热力学分析、运动部件的运 动学分析和动力学分析，甚至包括加工时间、加工费用、加工精度等的 分析等。
三、虚拟制造系统的体系结构
由于虚拟制造系统 的复杂性，所构造 的虚拟制造系统体 系结构也不同。
三、虚拟制造系统的体系结构
虚拟制造的目标是对产品的“可制造性”、“可生产性”和“可合 作性”进行决策支持。
机械设计中的虚拟制造与实验技术
机械设计中的虚拟制造与实验技术在当今科技飞速发展的时代，机械设计领域也经历着深刻的变革。
虚拟制造与实验技术作为新兴的技术手段，正逐渐成为机械设计过程中不可或缺的重要组成部分。
它们为设计师们提供了更高效、更精确、更具创新性的设计方法，极大地推动了机械制造业的发展。
虚拟制造，简单来说，就是在计算机上模拟整个制造过程，包括产品设计、工艺规划、生产流程等。
通过建立数字化的模型，设计师可以在虚拟环境中对产品进行全方位的分析和优化，从而提前发现并解决可能出现的问题。
这就好比在真正开始建造房子之前，先在电脑里搭建一个虚拟的房子，看看各个部分是否合理，是否能够满足需求。
虚拟制造的一个重要优势在于它能够显著缩短产品的开发周期。
传统的机械设计往往需要经过多次的实物试制和修改，这不仅耗费大量的时间和成本，而且可能会因为设计的不完善而导致生产延误。
而在虚拟制造中，设计师可以快速地对设计方案进行修改和验证，无需等待实物制造的过程，从而大大加快了产品推向市场的速度。
同时，虚拟制造还能够提高产品的质量。
在虚拟环境中，设计师可以对产品的性能、可靠性、耐久性等进行精确的分析和预测。
例如，可以模拟产品在不同工作条件下的受力情况、温度变化等，从而提前发现可能存在的薄弱环节，并进行针对性的改进。
这样一来，生产出来的产品就能够更好地满足用户的需求和期望，提高市场竞争力。
实验技术在机械设计中同样起着至关重要的作用。
实验可以帮助设计师获取产品在实际运行中的各种数据和信息，从而验证设计理论和模型的正确性，并为进一步的优化提供依据。
然而，传统的实验方法往往受到实验条件、成本和时间等因素的限制，难以全面、深入地研究产品的性能。
随着计算机技术和传感器技术的发展，现代实验技术逐渐向数字化、智能化的方向迈进。
例如，利用计算机模拟实验可以在一定程度上替代部分实物实验，不仅降低了成本，还能够更加灵活地设置实验参数和条件。
此外，基于传感器的实时监测技术可以实时获取产品在运行过程中的各种参数，为设计师提供更加准确和全面的数据支持。
虚拟制造
装配体建模
SolidWorks软件自底向上建模技术的过程是：零件草图→零件 →装配。根据零件模型，建立装配体模型，将齿轮轴、直齿轮2、 斜齿轮3、斜齿轮4、中间轴、输出轴装配在一起，如下图所示：
装配体模型
Virtual Manufacturing
Motion插件仿真
用SolidWorks中的Motion插件进行运动仿真，可得到齿轮上任一点的速度、 角速度、角加速度等运动参数分析图。根据得到的运动线图可以对减速器的运动 进行分析，从而对其运动规律进行研究。同时，二级圆柱齿轮减速器运动仿真对 实际生产具有重大意义，对突破一些技术性难题，开发新技术，研究新产品奠定 基础。
Virtual Manufacturing
零件建模
利用SolidWorks建立零件模型，可得到直齿轮2、斜齿轮3、 斜齿轮4、齿轮轴、中间轴、输出轴的模型分别如下图所示：
直齿轮2
斜齿轮3
斜齿轮4
齿轮轴（输入轴）
Virtual Manufacturing
中间轴
输出轴
Virtual Manufacturing
信息
智能
人机
虚拟制 造系统
资源
过程 组织 管理
技术
Virtual Manufacturing
六、虚拟制造的分类
虚 拟 制 造 VM
Virtual Manufacturing
七、虚拟制造实例研究
SolidWorks软件在产品性能优化和仿真(运动和 干涉检查、整机运动分析、零部件设计优化等)、结 构特征建模、分析评价等方面具有独到的优势。故以 SolidWorks软件作为虚拟设计平台，对二级圆柱齿轮 减速器（一级为直齿轮传动，一级为斜齿轮传动）进 行虚拟设计，齿轮减速器由8种零部件所组成，通过 对主要零部件进行建模，然后进行组装形成装配体， 现对齿轮和三根轴（输入轴、中间轴和输出轴）进行 建模，并进行装配的虚拟设计，建立减速器三维模型 并进行仿真。
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
2）仿真技术
3）对象可视化技术
4）虚拟实验室
5）虚拟电力控制室
6）分布式虚拟现实系统
7）扩增实境
六、虚拟制造技术的发展趋势
从局部应用到集成应用发展 将在复杂高科技产品开发中得到更多应 用 与其他先进制造技术的融合或结合更加 紧密 将在企业和教育部门的技术培训中大显 身手
四、虚拟制造技术分类
以设计为中心的VM 以生产为中心的VM 以控制为中心的VM
四、虚拟制造技术分类
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，以优化产品的性能 例：主轴箱/立柱热变形分析 例：发动机曲轴连杆运动仿真
四、虚拟制造技术分类
产品的虚拟加工技术
一、什么是虚拟制造技术
虚拟制造：Virtual
Manufacturing(VM) 虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本 质实现。 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； 通过三维模型及动画，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。 目的：增强制造过程各级的决策与控制能 力。
虚拟现实技术VRT(Virtual
Reality
Technology)
五、虚拟制造技术的关键技术
虚拟现实技术是在为改善人与计算机的
交互方式，提高计算机可操作性中产生 的，它是综合利用计算机图形系统、各 种显示和控制等接口设备，在计算机上
生成可交互的三维环境(称为虚拟环境)
中提供沉浸感觉的技术。
产品模型—是制造过程中，各类实体对象模型的集合。 目前产品模型描述的信息有产品结构明细表、产品形状 特征等静态信息。
虚拟制造技术概述
虚拟制造技术
3. 以控制为中心的虚拟制造 其核心是将仿真能力加入到控制模型和实际生产过程中,提供对实际生产过程仿真的环 境。通过对制造设备和制造过程进行仿真,建立虚拟的制造单元,对各种制造单元的控制策略和 制造设备的控制策略进行评估,从而实现车间级的基于仿真的最优控制。对于离散制造,其主要 支持技术有基于仿真的实时动态调度技术;对于连续制造,其主要支持技术有基于仿真的最优控 制技术。
虚拟制造的分类及关系
虚拟制造技术
1. 以设计为中心的虚拟制造 其核心是将制造信息加入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,检验其可制造性或可装配性,预测产品性能和报价、成本。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 其核心是将仿真能力加入到生产过程,通过建立生产过程和生产计划模型来评估和优化 生产过程,快捷地、低成本地评价不同的工艺方案,检验新工艺流程的可信度、产品的生产效率、 资源需求计划、生产计划等,从而优化制造环境的配置和生产计划。它的主要支持技术包括虚 拟现实技术和嵌入式仿真技术,其主要应用领域包括工厂或产品的物理布局及生产技术(virtual manufacturing technology,VMT)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、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、更灵活地组织┈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最小化,产品设计质量最优化,生产效率最高化的目 的。虚拟制造系统(virtual manufacturing system,VMS)是基于虚拟制造技术实现的制造系统, 是现实制造系统(real manufacturing system,RMS)在虚拟环境下的映射。虚拟制造系统生产 的产品是可视的虚拟产品,是一个数字化产品,它具有真实产品所必须具有的特征,并具有动态 结构及决策、控制、调度、管理等4个机制。
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1。
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，虚拟现实或可视化技术，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，生产调度和管理，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和控制能力2．映射的特性：（1）映射的定义域是实际制造过程，值域是虚拟制造过程，直接结果是全数字化产品，映射的介质是网络计算机环境。
（2）该映射是非线性迭代过程，需要多次循环直到满足要求为止。
（3）虚拟制造的结果千差万别，难以预测，因而可能是一个混沌的过程。
（4）由于人是整个系统的主体，将人的智能以控制参数的形式复合进去，该映射在一定程度上也是可控的。
由于不同的人其技术水平和经验不同，因而控制参数具有模糊特性。
3 虚拟制造的优势：1缩短了产品的研发周期2 降低了产品的研发成本3 提供了一个先进的制造系统仿真平台4 虚拟制造系统是通过对实际制造系统进行抽象，分析，综合，得到实际生产的全部数字化模型 5 虚拟制造的相关技术包括：输入，输出设备及计算机硬件技术、集成这些硬件系统的电子技术和软件技术。
6 虚拟制造技术的核心与关键技术：计算机仿真优化设计、三维建模技术和网络技术。
7其他的先进技术有哪些： 1 计算机集成制造系统与虚拟制造系统2 敏捷制造与虚拟制造技术3 并行工程与虚拟制造技术4 精益生产与虚拟制造技术5 绿色制造与虚拟制造技术6智能制造与虚拟制造技术1 虚拟现实（VR、Virtual Reality）又称虚拟环境（VE）：虚拟现实是由计算机生成的，通过视听触觉、嗅觉等多通道作用于用户，使之生产身临其境感的交互式计算机仿真，是一种可以创造和体验虚拟世界的计算机系统。
2，虚拟现实的特征（1）多感知性（2）沉浸感（3）自治性（4）交互性3，虚拟现实的系统组成（1）检测输入装置（2）图像生成和显示系统（3）音频系统（4）力、触觉系统（5）高性能计算机系统（6）建模系统4虚拟对象的模型主要包括：几何模型、物理模型、运动模型、声音模型等5对象的几何模型：就是用来描述对象固有形状和外表的抽象模型，通常首先用三角形或多边形构造对象的几何外形，然后对几何模型进行纹理，颜色，光照等处理，后者称之为形象建模6 几何模型的生成方法：1测试法 2 CAD法 3二维视图变换法7 纹理的定义：是指物体表面细微的凹凸不平的条纹，可以用随机扰动法生成，即在表面各点法线方向附加微小的随机扰动量，从而产生表面微观不平度。
1 虚拟制造系统的定义：是现实制造系统在虚拟环境下的映射，是现实制造系统的模型化，形式化以及计算机化的抽象描述和表示2 虚拟制造系统的功能需求：1工厂和产品生命周期中的全部活动的集成2 各种硬件软件人员及各种标准的集成虚拟世界与真实世界的集成3 虚拟制造系统的仿真需求：（1）虚拟制造系统的仿真是虚拟环境下的全方位仿真，是产品从设计生产销售到消费的全生命周期仿真（2）仿真器具有多种输入方式3）真实感输入4 虚拟制造系统的机构需求： 1 功能等价性（1）语义一致性（2）数值精确度（3）响应时间2 结构相似性3 开放性和柔性4 系统应满足分布式协同工作和动态运行操作5虚拟制造模式（前三种）1以设计为中心的虚拟制造为产品设计，产品评价和异地协同设计提供模拟环境。
该环境集成了计算机分析，网络通信，可视化仿真技术等开发工具，以支持面向设计与管理的全球化合作2 以生产为中心的虚拟制造以生产为中心的虚拟制造主要研究内容包括车间设备的配置及分布，生产调度，生产环境的布局设计，设备集成，生产组织调度等。
其输出是资源需求规划，生产规划，供货计划及精确的成本信息等3 以控制为中心的虚拟制造是将仿真加到控制模型和信息处理中，以实现基于仿真的最优化控制4 以加工为中心的虚拟制造以加工为中心的虚拟制造目标是研究产品的可加工性，6虚拟制造的结构体系结构有： Mediator体系、Iwata体系、分布式体系、虚拟开发平台体系等7 Mediator体系是通过一个开放式的信息和知识库体系，以提供一套支持复制制造环境的柔性管理技术。
着重处理和解决了这种情况下的知识支持及通信技术。
8 Mediator 体系是一个侧重于知识信息的管理体系，它考虑了多软件，多地域的集成9 Iwata体系的基本组成：虚拟信息系统VIS、虚拟物理系统VPS 、定时控制器和数据游览器组成10 系统建模是虚拟制造系统的核心，是构成虚拟制造的基础。
在虚拟制造系统中，需要采用综合的、各阶段都连贯一致的模型表示方法，使后续操作可以利用前阶段的模型数据11 虚拟制造系统模型：实质上是真实制造系统要素的数字化表达，主要包括产品模型过程模型和生产系统模型，又称3P模型12 过程模型：过程模型有多种形式，如基于理论的物理模型和数字模型，基于经验的统计模型，基于计算机的过程仿真模型，以及列举方法表达的图表和规划等过程模型的有效表示是非常重要的，他提供了同虚拟制造环境的通信机制13 基础模型制造层用以建立描述制造过程及对象的基础模型14面向对象方法的基本特征：（1）抽象性（abstraction）（2）分类性（classification）（3）关联性（association）（4）组装（composition）（5）继承性(Inheretance)15结构式对象模型方法：结构式对象建模方法是基于面向对象方法的封装，继承与关联特性，利用派生图，对象图，事件转移图和状态转移图四种模型描述系统的组成及关系16 构成一个Petri网的基本要素有库所、变迁和令牌。
17 问题求解是建立模拟系统的最终目的，归纳推理，演绎推理和推断推理是问题求解的基本方法18 从本质上说，多Agent系统是一种协同求解方法，全局目标的实现是各个Agent相互协作的结果19产品模型是用来表示制造过程中被制造对象的模型，它包括目标产品，零部件，毛坯及中间产品20 产品建模方法的发展过程：1 面向过程的产品模型2 面向几何的产品模型3 面向特征的产品模型4 面向知识的产品模型5 集成产品模型21 现代制造系统中的设备、仪器及工具主要包括物料处理设备和运输系统。
22设备模型应当实现（1）物理设备几何特征的真实表达。
可真实地复现物理设备的三维实体模型，体素特征和材料纹理特征。
（2）物理设备系统操作的精确表达，以动画形式表达设备行为运动学，动力学信息。
（3）系统性能，可靠性，灵敏性的精确估计。
23 基本模型由基本模型—特征—体素三个层次组成，基本模型和特征为上层数据，而体素为底层数据。
24 约束有一元约束和二元约束，尺寸约束属于一元约束，它包含一个几何参数和一个实值参数。
1 STEP的定义：就是国际化标准组织（ISO）正在制定的一个产品数据表达与交换标准。
STEP的目标：提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期中的相关数据STEP的标准体系结构： 1描述方法 2集成资源 3应用协议 4一致性测试方法论 5框架、实现方法 6抽象测试集虚拟样机的概念：在虚拟现实环境下模拟产品的设计、制造仿真、装配仿真等过程。
4 虚拟样机与数字样机的区别：在CAD环境下的虚拟样机则采用数字样机的概念。
5 数字样机按照承担的功能可分为：几何样机、性能样机、功能样机。
6 数字样机关键技术包括：三维几何建模技术、产品数字化定义方法、数字化装配技术分析与仿真技术。
7 三维几何建模方法：三维几何建模技术是数字样机的核心制程技术，它为数字样机的形状表达提供基本的建模工具和方法。
四种方法：线框模型、表面模型、实体模型、特征模型。
8 一个合理的产品结构不应当一颗装配书鼓励的表示，而应当使产品的结构具有产品定制功能、产品结构的整体控制功能。
产品定制功能是通过产品结构树，根据用户的个性化需求，快速制定出一个产品的结构。
10（论述题）数字化预装配数字化预装配是数字样机和虚拟设计的一个重要组成部分。
其内容包括产品的装配建模、装配零件之间的约束、装配的间隙分析、可装配性分析与评价。
（1）装配建模：包括产品结构设计和信息建模。
在产品设计过程中，装配设计是在概念设计之后进行的，它可以将概念设计中的模糊、不确定的构思，通过产品结构和逐步求精细化，设计产品的整体装配结构，为详细设计提供一个基本框架。
装配建模可以利用装配建模工具建立装配树。
在装配建模中，信息量的大小是影响产品操作、浏览的一个重要因素，解决信息量大的方法有：（1）1）减少每次装配的零件数目。
2）减少几何信息3）减少其他模型信息量（２）．装配零件之间的约束数字化装配并不是简单的零件堆积，而是对装配零件进行几何或参数约束，模拟实际的装配条件。
常见的约束类型有：面贴合、面对齐、角度约束、平行约束和垂直约束、对称约束、距离约束、相切约束（３）．装配的间隙分析数字样机通过奸细分析判断装配的可行性。
目前的装配间隙分析主要是从静态的干涉角度进行检查。
主要有５钟干涉检查结果：无干涉、软干涉、接触干涉、硬干涉、包容（４）．可装配性分析与评价可装配性指产品及其装配件易装配的能力和特性，是衡量装配结构优劣的重要指标11 并行设计：是以并行工程的思想贯穿于产品设计过程的一种集成化设计方法。
12 DFM方法强调制造对设计的约束，在产品的设计阶段，分析制造因素对设计的影响。
13 产品可制造性评价指标：技术指标、经济指标。
1 虚拟装配系统包括：虚拟装配环境、虚拟零件设计、装配工艺规划、工作面布置、装配操作模拟2虚拟现实的三个特点：沉浸感、交互性、想象力3 装配工艺规划是连接装配设计和装配实施的桥梁。
4 所谓装配序列的几何可行性是指：从几何约束角度来讲，两个装配单元之间的装配操作或分解操作不存在几何干涉现象。
5 装配序列生成时所需要的装配信息主要包括零件的几何信息、非几何信息以及零件之间配合约束关系信息。
6装配序列规划分类：1按装配的单调性分（1）单调装配规划（2）非单调装配规划2 按装配的序列性分（1）序列装配规划（2）非序列装配规划3 阿布装配的线性或非线性分（1）线性装配规划（2）非线性装配规划7 装配路径规划的内容主要包括：装配体及其相关的数据结构模型的前置处理、分离方向的确定、分离平移量的确定、拆分方向的确定和干涉检查。
8 数字化装配路径规划方法主要有两种：可视图法和平移边界法。
9 装配序列的选择方法：基于最短时间的装配序列、基于最低成本的装配序列、基于装配设备利用率最高的装配序列。
1加工过程仿真包括：NC切削过程仿真、焊接过程仿真、冲压过程仿真、浇注过程仿真。
2 切削过程仿真研究内容：1是刀具路径仿真2是评估加工工艺中规定的工艺参数是否合适。
3 （论述）虚拟加工环境及系统应该具有以下功能1全面逼真的反应现实加工过程，在仿真中，人们可以直接“观察”全部的加工过程包括工件的装夹定位、机床调整、切削、检测等。