虚拟制造及其工业应用

~~学院2012-2013学年第一学期期终考试

《先进制造技术》考核试题

姓名：学号：班级：机制本3

虚拟制造及其工业应用

摘要：虚拟制造技术是现代化制造的重要技术之一，实现虚拟制造需要有强有力的技术支撑，虚拟制造技术的应用应结合我国制造业自身的特点，在吸收国外成熟经验的基础上大胆创新，形成特色发展。可以预言，随着我国对虚拟制造技术研究的深入，其广泛的应用已为期不远，终将成为一个现代化化制造企业的必由之路。

关键词：虚拟制造的概念虚拟制造的发展虚拟制造的应用

1虚拟制造技术的基本概念

为了提高竞争能力，企业应当能够对市场需求的变化作出快速敏捷的反应，并及时地对自身的生产作出合理的调整与重新规划。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。基于这些因素，90年代中有许多新概念、新观点应运而生，虚拟制造（VirtualManufacture)就是其中之一，它代表了一种全新的制造体系和模式。在虚拟制造中，产品开发是基于数字化的虚拟产品开发方式（VirtualProductDevelopment），以用户的需求为第一驱动，并将用户需求转化为最终产品的各种功能特征。VPD保证了产品开发的效率和质量，提高了企业的快速响应和市场开拓能力。

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

2 虚拟制造技术的发展

近几年来，虚拟制造技术也引起我国科技工作者的关注，据不完全统计，目前全国已有34家科研机构、高等院校和企业正在开展VM技术方面的研究。国家863/CIMS主题组也将“制造系统的可视化、虚拟建模与仿真”确定为研究重点。国家自然科学基金也有专门的研究课题。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的，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，系统的研究尚处于国外虚拟制造技术的消化和与国内环境的结合上。由于我国受到CAD／CAE／CAM基础软件、仿真软件、建模技术的制约，阻碍了虚拟制造技术的发展。但这几年，我国虚拟制造技术受到普遍的重视，发展很快，发展势头强劲。

2.1虚拟制造技术的发展及其国内外发展趋势

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。

虚拟制造技术虽然于80年代才刚刚提出来的。但随着计算机技术的迅速发展，在90年代得到人们的极大重视而获得迅速发展。

欧洲以大学为中心也纷纷开展了虚拟制造技术研究，如虚拟车间、建模与仿真工程等的研究。日本在60－70年代的经济崛起受益于先进制造与管理技术的采用。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的，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，系统的研究尚处于国外虚拟制造技术的消化和与国内环境的结合上。由于我国受到cad／cae／cam基础软件、仿真软件、建模技术的制约，阻碍了虚拟制造技术的发展。但这几年，我国虚拟制造技术受到普遍的重视，发展很快，发展势头强劲，例如：机械科学研究院与同济大学、香港理工大学合作进行的分散网络化制造、异地设计与制造等技术的理论研究和实践活动已经取得了不少进展；清华大学进行了虚拟设计环境软件、虚拟现实、虚拟机床、虚拟汽车训练系统等方面的研究；浙江大学进行了分布式虚拟现实技术、vr工作台、虚拟产品装

配等研究；西安交大和北航进行了远程智能协同设计研究；天大、北京机床所、大连机床所进行了机床的虚拟设计和轴机床的研究；西北工业大学进行了虚拟样机的研究；哈工大、北京机电所、上海交大、南京理工大学等单位也进行了这方面的研究。据不完全的调查统计，国内进行虚拟制造技术研究的单位达到了100家，已经取得了一些可喜的进展。在虚拟现实技术、建模技术、仿真技术、信息技术、应用网络技术等单元技术等方面的研究都很活跃。但研究的进展和研究的深度还属于初期阶段，与国际的研究水平尚有很大的差距，除了三维建模已经有了4种商业软件外，其他方面还没有形成产业化。我国的研究多集中于高等院校和少量的研究院所，企业和公司介入的较少。

2.2国内机械装备数字化虚拟制造的发展

2.1.1现有CAE/CAD/CAM技术的应用需要更进一步深入

目前模具的冲压工艺分析（CAE）在前、后处理方面没有形成一个统一的、标准的规范，对软件的使用可以说是因人而异、因公司而异，因此对分析结果的评价也必然存在一定的差异。另外，工作职责不够细化，难以培养出CAE分析的专家人才。DL设计人员进行产品的工艺性评审，工艺方案的预测，工艺方案的制定，工艺方案的可行性分析等工作，CAE的应用始终是处于一种泛泛的基础应用的状态。而目前的CAE 主要应用于拉延成形类的可行性分析，对于后序的修边线优化、翻边成形的可行性，以及回弹扭曲的预测及补偿分析工作亦鲜有开展。也即，完善标准化、专业化，向后工序拓展应用，是需要进一步深入的内容。

在CAM方面国内的发展非常接近国外，在数控设备、编程能力方面并不处于劣势，只是在加工用数据上的差距就很大。模面的加工数模与产品数模可能有较大的差异，加工用模面的制作需要积累大量的实践经验并遵循相应准则，这种准则的编制需要对产品的匹配关系及整车的焊装具有相当程度的了解，甚至需要对白车身设计有足够的把握。这种精细化模面的制作，我们还需要长期的总结和积累。

2.1.2. 建立完善的仿真模拟体系

利用现有数字平台基础建立完善的仿真模拟体系，发挥出数字技术的优势，能在设计阶段发现制造中可能出现的问题，在实际生产前就采取预防措施，提高一次调试成功率。

（1）模具仿真模拟

实现模具、级进模具、大型模具冲压线、压合模具及复杂模具的运动仿真分析。当前，车身模具的结构越来越趋向于复杂、紧凑，依靠以往那种在三维环境中采用人眼视觉判断、截面观察等设计验证手段，难以检验出运动中的问题。在分析机械搬运是否顺畅无干涉、人工搬运是否安全、便捷等方面，则更加有必要进行仿真模拟。另外，为提高运动仿真效率，应该建立典型机构的运动场景：比如搬运机构、压床运动机构、斜楔典型运动。

（2）焊接工装仿真模拟

实现焊装线整体工艺规划模拟。利用预先定义好的焊装工艺规划模板，导入产品树图后，进行实际的焊装工艺规划，规划过程中要同时将各种焊接资源如焊装厂房结构、工艺节拍、工装夹具布局、工艺物流、焊接设备等因素统一考虑，在计算机内形成“真实的”焊装工艺流程。并对焊装生产线的生产能力进行平衡分析，对产品的工艺分配、焊点分配、工位数量、人员分配、工装自动化程度等内容进行不断的优化。

实现上述内容具有相当的难度，需要专业型人才。大型冲压线、焊装厂房的数据量非常庞大，现有计算机硬件水平有时难以满足大量复杂运动的同时模拟，需要研究数据轻量化设计手段、以及分步模拟仿真。另外，由于这部分功能涉及到车身装备设计、制造的全过程，各业务阶段的软件平台并不统一，如何保证