虚拟制造技术要点
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。
虚拟制造技术及应用
加工、装配，乃至企业的生产组织管理与调度进行统一建模，形成一个可运行的虚拟制造环境，以软件技术为支撑，借助于高性能的硬件，在计算机局彬广域网络上，生成数字化产品，实现产品设计、性能分析、工艺决策、制造装配和质量检验。
它是数字化形式的广义制造系统，是对实际制造过程的动态模拟。
所谓"虚拟'，是相对于实物产品的实际制造系统而言的，强调的是制造系统运行过程的计算机化。
由于计算机软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)无须制造实物样机就可以预测产品性能，节约制造成本，缩短产品开发周期。
(2)产品开发中可以及早发现问题，实现及时的反馈和更正。
(3)以软件模拟形式进行产品开发。
(4)企业管理模式基于Intranet或Internet，整个制造活动具有高度的并行性。
2．虚拟制造的种类广义的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：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)以设计为中心的虚拟制造。
以设计为中心的虚拟制造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，以获得对产品的设计评估与性能预测结果。
(2)以生产为中心的虚拟制造。
以生产为中心的虚拟制造是在企业资源的约束条件下，对企业的生产过程进行仿真，对不同的加工过程及其组合进行优化。
它对产品的"可生产性'进行分析与评价，对制造资源和环境进行优化组合，通过提供精确的生产成本信息对生产计划与调度进行合理化决策。
(3)以控制为中心的虚拟制造。
以控制为中心的虚拟制造是将仿真技术引入控制模型，提供模拟实际生产过程的虚拟环境，使企业在考虑车间控制行为的基础上对制造过程进行优化控制。
以上三种虚拟制造分别侧重于制造过程的不同方面．但它们都以计算机建模、仿真技术为一个重要的实现手段，通过对制造过程进行统一建模，用仿真支持设计过程、模拟制造过程，进行成本估算和生产调度。
机械工程设计中的虚拟制造技术探讨
机械工程设计中的虚拟制造技术探讨
虚拟制造技术是指通过计算机模拟技术，将产品的设计、制造、装配和工艺等环节进
行虚拟化，以提前发现和解决可能出现的问题，并优化整个工程流程的技术手段。
在机械
工程设计中，虚拟制造技术的应用可以大大提高产品研发和制造的效率，降低成本和风险。
本文将从虚拟制造技术的定义、应用和优势等方面进行探讨。
虚拟制造技术可以在产品设计阶段进行虚拟验证，实现产品的快速原型制造。
传统的
产品设计中，通常需要制作实物样机进行试验和验证，这样会耗费大量的时间和成本。
而
采用虚拟制造技术，则可以通过计算机软件对产品进行样机模拟，验证产品的设计合理性
和可制造性。
通过虚拟验证，可以迅速发现并解决设计中的问题，减少原型制作的次数和
费用。
虚拟制造技术还可以帮助产品设计师更好地理解产品的制造过程，优化设计方案，
提高产品质量和性能。
虚拟制造技术还可以在产品维修和保养过程中进行虚拟维护，提高维护效率和可靠性。
传统的产品维修和保养往往需要依靠维修手册和经验，容易出现误操作和延误维修时间。
而采用虚拟制造技术，则可以通过计算机软件对产品进行虚拟维护，模拟维修过程和操作
方法。
通过虚拟维护，可以预先发现并解决维修中的问题，提前制定维修方案，减少维修
时间和成本。
虚拟维护技术还可以帮助维修人员更好地理解产品的维修要求，提高维修的
效率和可靠性。
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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
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
模
装配过程、性能分析过程。
型
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
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虚拟制造的体系结构
数字化模型
计算机仿真、虚拟现实
虚拟设计
有限元分析
实 虚 运动学分析
际 拟 动力学分析
制 开 虚拟加工
造 过
发 平
工艺过程优化 工具设计优化 单元工艺优化
程 台 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
虚拟布局
虚 虚拟实际生产环境 虚 协同工作环境 技
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。
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虚拟制造和关键技术
虚拟制造及其关键技术市场全球化使企业面临的竞争对手不断增多，面临的竞争压力日益加重，随着产品更新换代速度的加快，交货时间和产品质量较之于成本成为企业参与市场竞争更为重要的手段。
与此同时，由于社会、经济和科学技术的发展而引起的对环境和社会因素的日益关注，导致了产品生命周期概念和可持续性工业生产的出现。
面对制造环境的复杂性、制造产品的复杂性以及制造本身的复杂性(包括制造系统结构的复杂性和制造过程的复杂性)[1]的不断提高，企业能否在瞬息万变的市场竞争中立于不败之地，取决于企业的整体竞争能力，即取决于其能否通过信息集成、智能集成、资源集成、技术集成、过程集成、串并行工作机制集成、组织管理集成以及人机集成实现分布式协同求解，从而使企业的运作达到全局最优，资源得到合理的配置和利用，提高市场竞争力。
虚拟制造使企业的全面集成成为可能，从而作为一种21世纪的新型制造策略和方越来越受到工业界和学术界的重视。
二、虚拟制造的概念和功能1．虚拟制造的概念由于虚拟制造研究的出发点、侧重点以及应用场合等方面的不同，因此存在对虚拟制造各种不同的定义。
Kimura[2]、Onosato[3]等将虚拟制造定义为现实制造系统在虚拟环境下的映射，是针对现实制造环境的虚拟模型，该模型为生产规划、调度和管理提供测试环境。
ChetanShukla[4]等将虚拟制造定义为一个正在发展中的研究领域，其目的是通过虚拟现实技术将各种与制造有关的技术集成起来。
Hitchcock等则将其定义为一个用于提高制造企业各级决策和控制能力的集成的、虚拟的制造环境。
而 Nahavandi和Preece对虚拟制造定义则与为Kimura的定义有些相似，将其定义为已经存在或还不存在的制造系统的仿真模型，该模型具有与制造过程、过程控制和管理以及产品有关的所有信息。
Lin[5，6]等认为虚拟制造是应用计算机模型和制造过程仿真来辅助产品的设计和制造。
Iwata[7]等认为虚拟制造系统是实现沟通制造工程和信息基础结构建立新型信息基础结构最有希望的方法。
机械制作的虚拟设计与虚拟制造技术
机械制作的虚拟设计与虚拟制造技术现代科技的迅猛发展使得虚拟设计与虚拟制造技术在机械制作领域得到了广泛应用。
虚拟设计与虚拟制造技术通过模拟真实的制造环境，可以大幅度提高机械制作的效率和质量。
本文将探讨虚拟设计与虚拟制造技术在机械制作中的应用，以及其带来的益处和挑战。
一、虚拟设计技术在机械制作中的应用虚拟设计技术是指利用计算机软件来模拟机械制作的各个环节，包括产品设计、工艺分析、装配优化等。
通过虚拟设计技术，可以在计算机上实现对机械产品的三维建模，并对产品进行各种分析和测试，从而提前发现和解决潜在的问题。
1. 产品设计：虚拟设计技术可以帮助工程师在计算机上对产品进行各种设计和优化。
通过三维建模和仿真分析，工程师可以预先观察产品在不同工作条件下的工作状态，并通过模拟实验来改善产品的性能和可靠性。
2. 工艺分析：虚拟设计技术可以模拟机械制作中的各个工艺环节，例如切削、焊接、组装等。
通过对工艺进行虚拟分析，可以评估不同工艺参数对产品质量和生产效率的影响，为实际制造提供指导。
3. 装配优化：虚拟设计技术可以对产品的装配过程进行模拟和优化。
通过虚拟装配，可以避免实际装配中可能出现的问题，如零件位置偏差、冲突等，提高产品的装配质量和效率。
二、虚拟制造技术在机械制作中的应用虚拟制造技术是指通过虚拟仿真来模拟机械制造的整个过程，包括加工计划、生产调度、设备操作等。
通过虚拟制造技术，可以提高机械制造的效率和质量，并降低成本和风险。
1. 加工计划：虚拟制造技术可以对机械加工过程进行虚拟仿真，包括工艺规划、刀具路径生成等。
通过虚拟仿真，可以评估不同加工方案的优劣，并选择最优的加工方案，提高加工效率和质量。
2. 生产调度：虚拟制造技术可以模拟生产线上设备的运行情况，并进行生产调度优化。
通过虚拟仿真，可以评估不同生产调度方案的生产效率和资源利用率，并做出合理的调度决策。
3. 设备操作：虚拟制造技术可以提供对设备操作的虚拟训练。
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。
机械工程设计中的虚拟制造技术探讨
机械工程设计中的虚拟制造技术探讨虚拟制造技术是指利用计算机仿真和虚拟现实技术，在产品设计、制造和服务过程中进行全方位、全过程的虚拟仿真和数字化演示，以达到优化产品制造过程、提高产品质量和降低制造成本的目的。
在机械工程设计中，虚拟制造技术的应用已经成为改进设计和优化制造过程的重要手段。
虚拟制造技术能够在产品设计阶段进行虚拟装配和测试。
传统的产品设计需要通过制作实物样机或零部件进行装配和测试，这不仅耗时耗力，而且成本也较高。
而通过虚拟制造技术，可以在计算机模拟环境下进行产品装配和测试，节省了实物样机制作的时间和成本。
虚拟制造技术还可以对装配过程进行优化，例如通过人机工程学分析，优化产品的人机接口设计，提高产品的使用便捷性和舒适性。
虚拟制造技术可以用于优化制造工艺和工艺规划。
传统的制造工艺规划需要依靠经验和试错法进行，往往效率较低并且存在较大的风险。
而通过虚拟制造技术，可以在计算机模拟环境下进行工艺规划和优化，模拟不同工艺方案的生产过程，并通过仿真结果评估每个方案的优劣。
虚拟制造技术还可以进行工序布局和流程优化，提高生产效率和降低制造成本。
虚拟制造技术可以用于质量控制和故障诊断。
在机械工程设计中，产品质量的控制和故障的诊断是非常重要的环节。
通过虚拟制造技术，可以对产品进行全面的数字化模拟和分析，通过模拟结果评估产品的质量指标。
虚拟制造技术还可以通过故障模拟和虚拟现实技术，对制造过程中可能出现的故障进行预测和诊断，提前采取相应措施，避免生产线的停产和产生不必要的损失。
虚拟制造技术还可以用于工艺培训和人才培养。
利用虚拟制造技术，可以建立虚拟仿真实验室和虚拟现实教学环境，对学生和工程师进行工艺培训和技能培养。
虚拟制造技术可以在计算机模拟环境下进行实践操作和工艺训练，提高学生和工程师的动手能力和操作技能，为他们将来的工作打下坚实的基础。
虚拟制造技术在机械工程设计中的应用具有显著的优势。
它可以在产品设计阶段进行虚拟装配和测试，优化制造工艺和工艺规划，提高产品质量和降低制造成本。
机械工程设计中的虚拟制造技术探讨
机械工程设计中的虚拟制造技术探讨随着现代科技的不断发展，虚拟制造技术在机械工程设计领域中越来越受到重视。
虚拟制造技术是一种基于计算机模拟的技术，它可以模拟生产过程，通过不断的优化而实现完美的设计。
这种技术已经成为许多工程项目的关键部分，因为它可以帮助机械工程师和设计师尽早发现和解决潜在的问题，加速项目进程，减少开发成本。
虚拟制造技术的优势主要体现在以下几个方面:1. 提高设计速度：虚拟制造技术可以在未实际生产产品前通过计算机模拟得到完整的生产流程，这样设计师可以及早发现产品中的缺陷和问题，并进行修正和改进。
这样不仅可以避免出现不能生产的产品样品，而且可以大大缩短产品开发周期。
2. 降低成本：虚拟制造技术可以在没有实际物料投入的情况下建立数字模型，通过计算机程序进行仿真和模拟，而不是通过实际物料和试错的方式进行。
这样可以大大减少实验室材料和人力资源的成本。
3. 提高产品质量：虚拟制造技术可以在数字模型中进行预实验和调试，无需实际制造，提高了产品的质量和性能。
1. 3D仿真：3D仿真是通过数字化的方式将产品的外观、结构和运动形态等信息以三维的形式展现出来，使用者可以通过操纵该产品的数字模型进行交互式的仿真和测试。
2. 虚拟装配：虚拟装配是通过计算机软件将不同零部件或装配体的数字模型进行组合，以此来实现装配的过程，并预先对设计中可能出现的问题进行分析和解决。
3. 数字孪生技术：数字孪生是将实际物理对象和数字模型互相关联的技术，采用传感器、算法和计算机技术来实现精确、实时的数据采集和分析，从而掌握实际生产过程中的状态和效率。
虚拟制造技术为机械工程设计师和生产厂家提供了一种开拓创新的方法，它可以让设计者与制造者更加深入了解产品，准确了解产品的特性和机能，从而设计出更好的产品，并在生产过程中实现更高的效率和成本控制。
然而，虚拟制造技术仍然存在着一些难点和挑战。
例如，虚拟制造技术存在着精度、复杂度和可靠性等难点，在实施过程中需要经验丰富的技术人员进行技术支持和实施指导。
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。
虚拟制造关键技术概述
虚拟制造技术
1.1 虚拟制造的技术体系
1994年7月12~13日在美国俄亥俄州的代顿召开的Virtual Manufacturing User Workshop会议上提出了9个技术领域和16项技术。1994年10月25~26日在同一地点召开的 Virtual Manufacturing Technical Workshop会议上又将技术领域扩展为13个,技术项目扩展为 44项。
ห้องสมุดไป่ตู้拟制造技术
3. 控制技术群 控制技术群是指建模过程、仿真过程所用到的各种管理、组织与控制技术与方法。其主 要包括:①模型部件的组织、调度策略及交换技术;②仿真过程的工作流程与信息流程控制;③ 虚拟制造系统方法论;④概念设计与制造方法、加工过程、成本估计集成技术;⑤集成动态的、 分布式的、协作模型的集成技术;⑥实现最佳设计的冲突求解技术;⑦基于仿真的推理技术;⑧ 模型及仿真结果的验证、确认技术。 4. 支撑技术群 支撑技术群是指支持虚拟制造系统开发、控制与运行取得进步的基础性技术。其主要包 括:①数据库技术;②人工智能技术;③系统集成技术;④分布式并行智能协同求解技术;⑤综合可 视化技术等。
虚拟制造技术
虚拟样机中的各种相关技术涉及的部分典型软件
虚拟制造技术
1.5 虚拟加工技术
随着产品更新换代周期的缩短,市场竞争的加剧,传统的少品种、大批量自动化作业的概 念已不适用当前时代的潮流,取而代之的是多品种、小批量的自动化生产。CAD/CAM 系统的 应用,计算机性能的不断改善,计算机仿真技术在制造系统中得到广泛的应用,使人们可以借助 图形显示来组织工艺流程,还可以通过在零件上动态显示刀具加工过程来观察刀具与工件之间 的几何关系,对有一定经验的编程员来说,这可以避免很多干涉错误和许多计算不稳定错误。在 数控编程方面,数控程序生成的自动化程度日益提高。在输出检查方面,实体可以用来表达加工 半成品,从而可以建立起有效、真实的加工模拟和数控程序的验证模型,有效地解决图形多义性 的问题。20世纪90年代,由于计算机图形技术的飞速进展,虚拟加工环境应运而生,并成为虚拟 制造技术的有利支持工具。这样,采用虚拟加工来替代或减少实际的试切工作,就可以大大地降 低产品的制造成本,增加整个产品的竞争能力。
虚拟制造技术(VMT)
虚拟制造技术（VMT）的发展内容摘要对虚拟制造技术的发展与应用进行论述，重点介绍虚拟制造产生的背景和涵义，虚拟制造与实际制造的关系，实施虚拟制造的收益，虚拟制造的关键技术及目前的研究与应用现状等，并对虚拟制造的应用前景及发展方向进行展望。
关键词：虚拟制造（VM）；应用；1 虚拟制造产生的背景虚拟制造技术（VMT）正是在强调柔性和快速的前提下于20世纪80年代提出的概念，并在90年代得到重视和发展。
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、装配、检验直至整个生命周期的模拟和仿真。
这里所说的制造过程，包括产品级的制造和企业级的生产管理，国际上称之为“大制造”（B-Manufacture）。
目前国际上对虚拟制造并没有统一的定义，1994年7月在美国俄亥俄州举办的虚拟制造用户专题讨论会上，人们根据制造过程的侧重点不同将虚拟制造分为三类，提出了“三个中心”的分类方法，即“以产品为中心的虚拟制造”、“以生产为中心的虚拟制造”和“以控制为中心的虚拟制造”，获得国际学术界的认同。
“以产品为中心的虚拟制造”是将制造信息加入到产品设计与工艺设计过程中，在计算机中生成制造过程原型，对多种制造方案进行仿真，对数字化产品模型的性能、可制造性、可装配性、成本等进行分析，优化产品设计和工艺设计，以期尽早发现产品设计及工艺过程存在的问题。
“以生产为中心的虚拟制造”是将仿真信息加入到生产计划模型中，以便快速便捷的评价多种生产计划，优化生产计划和制造环境的配置。
主要是根据企业现有资源对不同的加工过程进行评估优化，决定合理的生产组织方式。
“以控制为中心的虚拟制造”是将仿真能力加入到设备控制模型中，提供实际生产过程中的虚拟环境，使企业在考虑车间控制行为的基础上对制造过程进行优化控制。
2虚拟制造的研究与应用由于虚拟制造的广阔前景，美国、欧洲及日本等国纷纷开始对其进行研究，并在虚拟原型系统开发、虚拟环境构筑、虚拟装配等方面取得了一系列的成果；除了实验室的研究工作外，虚拟制造在工业上，尤其是汽车、飞机、军工等领域也得到有效应用并取得明显收益。
2 先进制造的理念和模式-虚拟制造技术分享资料
先进制造技术
第三章 先进制造的理念和模式
虚拟制造技术
青岛科技大学机电学院
1
基本内容
虚拟制造技术概述 虚拟样机技术 虚拟制造成形技术
2
一 、虚拟制造技术概述
1、虚拟制造基本思想
虚拟制造：Virtual Manufacturing, VM，是国 际上近年来提出的一项新型制造技术，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。
特点：全新的研发模式----基于并行工程，使产品在概念 设计阶段就可以快速分析多种设计方案，并预测产品在 真实工况下的特征及所具有的响应，直至获得最优工作
性能；减少甚至取消了物理样机研制次数。
18
3、虚拟样机及其相关技术
软件编程 几何建模
机械系统虚拟样机 （运动和动力）
变形分析
虚拟样机及其相关技术
虚拟制造的核心技术
虚拟制造的核心技术虚拟制造技术涉及面很广，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、多学科交叉功能、决策支持工具、接口技术、虚拟现实技术、建模与仿真技术等。
1、建模技术虚拟制造系统VMS是现实制造系统RMS在虚拟环境下的映射，是RMS的模型化、形式化和计算机化的抽象描述和表示。
VMS 的建模包括生产模型、产品模型和工艺模型。
(1)生产模型。
可归纳为静态描述和动态描述两个方面。
静态描述是指系统生产能力和生产特性的描述。
动态描述是指在已知系统状态和需求特性的基础上预测产品生产的全过程。
(2)产品模型。
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、产品形状特征等静态信息。
而对VMS来说，要使产品实施过程中的全部活动集成，就必须具有完备的产品模型，所以虚拟制造下的产品模型不再是单一的静态特征模型，它能通过映射、抽象等方法提取产品实施中各活动所需的模型，包括三维动态模型，干涉检查，应力分析等。
(3)工艺模型。
将工艺参数与影响制造功能的产品设计属性联系起来，以反应生产模型与产品模型之间的交互作用。
工艺模型必须具备以下功能：计算机工艺仿真、制造数据表、制造规划、统计模型以及物理和数学模型。
2、仿真技术仿真就是应用计算机对复杂的现实系统经过抽象和简化形成系统模型，然后在分析的基础上运行此模型，从而得到系统一系列的统计性能。
由于仿真是以系统模型为对象的研究方法，不会干扰实际生产系统，同时利用计算机的快速运算能力，仿真可以用很短时间模拟实际生产中需要很长时间的生产周期，因而可以缩短决策时间，避免资金、人力和时间的浪费，并可重复仿真，优化实施方案。
仿真的基本步骤为：研究系统一收集数据、建立系统模型一确定仿真算法、建立仿真模型、运行仿真模型*输出结果并分析。
产品制造过程仿真，可归纳为制造系统仿真和加工过程仿真。
虚拟制造系统中的产品开发涉及到产品建模仿真、设计过程规划仿真、设计思维过程和设计交互行为仿真等，以便对设计结果进行评价，实现设计过程早期反馈，减少或避免产品设计错误。
微课-虚拟制造技术
进制造系统。
*
智能制造技基术础导与论应用
第六章 智能制造的关键技术
三、 虚拟制造技术的优势和作用
1. 优势
• 缩短产品开发周期。传统制造遵循设计、试制、修改设计、规模化大生产的串行式结构， 只有在试制出样品后才进行产品信息反馈，决定是否要修改设计。而在虚拟制造中，并 不需要制造样机，可以随时在设计过程中检验模型的可制造性和装配性，及时修改，信 息反馈更为及时。
⑦虚拟样机与产品工作性能评测
③产品的运动和动力学仿真
⑧产品的广告与漫游
④热加工工艺模拟
⑨企业生产过程仿真与优化
⑤加工过程仿真
⑩虚拟企业的可合作性仿真与优化
*
智能制造技基术础导与论应用
第六章 智能制造的关键技术
The End
*
智能制造技术导论
• 提高产品质量。虚拟制造过程通过对多种制造方案进行仿真，优化产品设计和工艺设计， 可弥补传统制造业靠经验决定加工方案的不足，提高产品质量。
*
智能制造技基术础导与论应用
第六章 智能制造的关键技术
• 低资源消耗。由于虚拟制造在计算机中进行，并不消耗实际生产所需的物理材料，可减
少材料浪费和设备损耗。
• 提高企业柔性生产能力，增强企业决策准确性。决策者可以在虚拟制造中了解产品
（1）以设计为中心的虚拟制造
将制造信息加入到产品设计与工艺设计过程中，并用计算机进行数字化制造、仿真多种制造方案，
检验其可制造性、可装配性，即面向装配的设计，预测产品性能和成本。目的是能通过“仿真制
造”来优化产品设计、工艺过程，及时发现、识别与设计有关的潜在问题和判断其优缺点。
（2）以生产为中心的虚拟制造
*
智能制造技基术础导与论应用
现代机械工程设计中的虚拟制造技术探讨
现代机械工程设计中的虚拟制造技术探讨虚拟制造技术是指利用计算机仿真技术和虚拟现实技术进行产品设计和制造过程中的模拟和优化，以提高产品质量和生产效率的一种先进技术。
在现代机械工程设计中，虚拟制造技术的应用已经变得越来越重要。
虚拟制造技术可以在产品设计阶段对产品的各个方面进行模拟和优化，例如产品结构设计、性能优化、装配工艺设计等。
通过虚拟制造技术，设计者可以在计算机上建立产品的三维模型，并模拟产品的运动、应力分析等工作，从而提前发现和解决设计问题，减少产品设计和制造过程中的重复试验和成本。
在产品装配工艺设计方面，虚拟制造技术可以帮助设计者模拟和优化产品的装配顺序、方法和工装夹具的设计。
通过虚拟装配，可以预测和排除装配中的干涉和冲突问题，提高装配精度和效率。
虚拟制造技术还可以在产品维修和维护方面发挥重要作用。
通过虚拟维修，可以对产品的维修过程进行模拟和优化，减少维修时间和成本，提高产品的可维护性和可靠性。
虚拟制造技术的应用还可以延伸到产品的销售和服务阶段。
通过虚拟展示和虚拟现实技术，可以为客户展示产品的各个特点和优势，提供个性化的产品定制和售后服务。
虚拟制造技术的发展还面临一些挑战和问题。
首先是技术问题，虚拟制造技术需要不断提高计算机仿真和虚拟现实技术的精确度和逼真度，以更好地模拟和优化产品设计和制造过程。
其次是数据问题，虚拟制造技术需要大量的产品设计和制造数据支持，包括产品的几何数据、材料性能数据、工艺参数数据等。
最后是人才问题，虚拟制造技术需要专业的人才进行技术研发和应用，而目前相关人才还相对不足。
虚拟制造技术在现代机械工程设计中的应用前景广阔。
通过虚拟制造技术，可以提高产品设计和制造的效率和质量，减少成本和风险，提高企业的竞争力和市场占有率。
虚拟制造技术应成为现代机械工程设计中不可或缺的一部分。
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
产品模型：产品信息在计算机上的表示。
模 型
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
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。 Marinov ：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。
虚拟生产计划 新工艺及对应信息、如成本
M! M2 M3 M4
优化资源 选择评价工艺 验证新工艺
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
控制为核心 优化车间控制 优化制造过程
质量 评估
车间机床 及控制系统
虚拟制造技术的分类
类 别
以 设 计 为 中 心
特点
· 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
虚 拟 测 试
虚拟制造的关键技术
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
/
虚拟制造的关键技术
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
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。
Agent
虚拟制造的使能技术
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
虚拟制造的使能技术
虚拟机床模型
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
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。
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 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
虚拟生产
虚拟生产平台服务器
虚 拟 制 造 的 功 能 框 图
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
虚拟制造技术的分类
CAD/CAM 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 工厂资源（人、设备）
生产为核心
产品概念设计
设计为核心 优化产品设计、 工艺设计 加工方案评价
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
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
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
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
· 将仿真能力用于制 评价 造过程模型，以便低 可生 费用、快速地评价不 产性 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
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
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
虚拟制造的关键技术
关键技术之四
虚拟实验技术
虚 拟 试 验 的 物 理 建 模 虚 拟 试 验 的 运 行 平 台 虚 拟 样 机 的 性 能 评 价
虚拟制造技术的分类
类 别
以 控 制 为 中 心
特点
· 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
主要 主要技术 目标 支持
· 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
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
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 虚 拟 实 验 技 术
虚 拟 生 产 技 术
机床系统 结构系统 位 移
传感器输入 力域 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 运动系统
其它输入 切削过程 工件属性
切削系统
温度域
虚拟制造的使能技术
虚拟CNC系统
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
虚拟制造系统体系结构
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
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 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
场 景 预 处 理 技 术
技虚 术拟 声 的 生 成 与 增 强
虚拟制造的使能技术
使能技术之三
产品建模技术
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
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
虚拟制造的关键技术
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
/
虚拟制造的关键技术
关键技术之二
虚拟产品实现技术
远 程 机 器 人 操 作 与 监 控
虚 拟 加 工
虚 拟 测 量 技 术
切基 削于 参表 数面 选质 择量 分 析 的
主要 主要技术 目标 支持
评价 · 特征造 可制 型 造性 · 面向数 来自模型设 计 加工过程 仿真技术
应用领域
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 以 生 产 为 中 心 特点 主要 主要技术 目标 支持 · 虚拟现 实 · 嵌入式 仿真 应用领域
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。
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
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 据网 与络 指环 令境 的下 传虚 输拟 与产 共品 享数