虚拟制造技术的应用.ppt

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虚拟制造技术 清华大学精密仪器与机械学系 制造工程研究所 郁鼎文 虚拟制造技术 虚拟制造技术的内涵 虚拟制造技术的体系结构 虚拟制造技术的分类 虚拟制造技术中的使能技术 虚拟制造技术中的关键技术 虚拟制造技术的应用 虚拟制造技术的内涵 11、定义、定义 虚拟制造作为一个全新的概念，是信息时代制造技术虚拟制造作为一个全新的概念，是信息时代制造技术 的重要标志。的重要标志。 佛罗里达大学佛罗里达大学Gloria J Wiens:Gloria J Wiens: 虚拟制造是这样一个概念，即与实际一样在计算机上虚拟制造是这样一个概念，即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 产品的功能和可制造性的潜在问题进行预测。产品的功能和可制造性的潜在问题进行预测。 着眼于着眼于““结果结果”” 美国空军美国空军WrightWright实验室：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，虚拟制造是仿真、建模和分析技术及工具的综合应用， 以增强各层制造设计和生产决策与控制。以增强各层制造设计和生产决策与控制。 着眼与着眼与““手段手段”” 虚拟制造技术的内涵 马里兰大学马里兰大学Edward Lin&etcEdward Lin&etc 虚拟制造是一个用于增强各级决策与控制一体化的、虚拟制造是一个用于增强各级决策与控制一体化的、 综合的制造环境综合的制造环境 着眼于着眼于““环境环境”” 清华大学肖田元：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，既虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本质实现，既 采用计算机仿真和虚拟现实技术，在计算机上实现产品的采用计算机仿真和虚拟现实技术，在计算机上实现产品的 开发、制造，以及管理和控制等制造本质过程，以增加制开发、制造，以及管理和控制等制造本质过程，以增加制 造过程各级的决策和控制能力造过程各级的决策和控制能力 虚拟制造技术的内涵 虚拟制造的综合定义：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，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。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：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。 虚拟制造技术的内涵 虚拟制造系统的定义：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。 虚拟制造技术的内涵 22、特点、特点 以模型为核心：产品模型、过程模型、活动模以模型为核心：产品模型、过程模型、活动模 型、资源模型型、资源模型 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 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 以模型信息集成为根本：产品模型、过程模型、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。以及人与这个虚拟制造环境的交互的自然化。 虚拟制造技术的内涵 33、虚拟制造与实际制造、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。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。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。造系统是虚拟制造系统的实例。 虚拟制造技术的内涵 虚拟制造系统 实际制造系统 计算机仿真 虚拟现实 基于网络的VPS 虚拟信息系统 确认和验证 技术人员 客户 抽象与综合 虚拟产品 实际信息系统 样机 需求 工人 工厂 RPS 实际产品 虚拟制造技术的内涵 客户 需求 工人 计算机 产品信息 资源机会 循 环 到 合 格 工厂 拟实制造 实际制造 创意 修改和控制 虚拟制造的体系结构 产品数据管理（PDM） 实 际 制 造 过 程 技 术 人 员 和 用 户 数字化模型 计算机仿真、虚拟现实 虚 拟 开 发 平 台 虚拟设计 有限元分析 运动学分析 动力学分析 虚拟加工 工艺过程优化 工具设计优化 单元工艺优化 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 生 产 平 台 虚拟布局 虚拟实际生产环境 虚拟生产动态过程 优化生产环境布局 虚拟设备 虚拟集成支撑环境 优化集成方案 虚拟调度 虚拟产品生产过程 优化生产调度方案 虚 拟 企 业 平 台 协同工作环境 支持异地设 计、装配、测试 的环境。 虚拟企业动态 组合 系统集成 任务调度 虚拟制造系统体系结构 人机交互接口 个性化用户界面 通讯协议和数据交换标准 ( IGES、STEP等) 网络及物理链路、硬件设备 产品模型、数据、只是和规则 基于COBRDA（DCOM）的分布集成框架 虚拟设计 平台 虚拟加工 平台 虚拟控制 平台 界面层 框架层 应用层 数据层 协议层 网络层 虚拟制造系统体系结构 模型说明语言 运行参数 实验 VIM环境体系结构 可视化参数 分析 可视化 VIS环境体系结构 交互式用户 模型 生成 器 模型 说明 模型 分析 模型 转换 结果 可执行 模型 可视化交互建模体系结构可视化交互建模体系结构 虚拟制造系统体系结构 产品建模 产品异地设计 零部件分析优化 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 虚拟生产平台服务器 虚拟企业平台服务器 企业协同工作环境 企业虚拟运行 企业运行仿真 产品优化设计 产品性能评价 可制造性评价 虚拟设计 虚拟制造 虚拟生产 虚拟企业 虚虚 拟拟 制制 造造 的的 功功 能能 框框 图图 虚拟制造技术的分类 类类 别别 特点特点 主要主要 目标目标 主要技术主要技术 支持支持 应用领域应用领域 以以 设设 计计 为为 中中 心心 ··                 在设计阶在设计阶 段为设计人员提供制段为设计人员提供制 造信息造信息 ··                 使用基于制使用基于制 造的仿真以优化产品造的仿真以优化产品 和工艺的设计和工艺的设计 通过通过““在计算机上制在计算机上制 造造””产生多个产生多个““软软”” 样机样机   评价评价 可制可制 造性造性 ··    特征特征 造型造型 ··    面向面向 数学模型数学模型 设计设计 加工过程加工过程 仿真技术仿真技术   造型设计造型设计 热力学分析热力学分析 运动学分析运动学分析 动力学分析动力学分析 容差分析容差分析 加工过程仿加工过程仿 真真   虚拟制造技术的分类 类类 别别 特点特点 主要主要 目标目标 主要技术主要技术 支持支持 应用领域应用领域 以以 生生 产产 为为 中中 心心 ··      将仿真能力用将仿真能力用 于制造过程模型，以于制造过程模型，以 便低费用、快速地评便低费用、快速地评 价不同的工艺方案价不同的工艺方案       用于资源需求规划、用于资源需求规划、 生产计划的产生及评生产计划的产生及评 价的环境价的环境 评价评价 可生可生 产性产性 ··    虚拟虚拟 现实现实 ··    嵌入嵌入 式仿真式仿真       工厂或产品的工厂或产品的 物理布局物理布局   传统制造：主要传统制造：主要 考虑空间考虑空间   虚拟制造：总体虚拟制造：总体 协调、优化动态协调、优化动态 过程过程, , 人、环境、人、环境、 效率效率         生产计划的编生产计划的编 排排         传统制造：静传统制造：静 态、确定型态、确定型   虚拟制造：动态、虚拟制造：动态、 随机型随机型   虚拟制造技术的分类 类类 别别 特点特点 主要主要 目标目标 主要技术主要技术 支持支持 应用领域应用领域 以以 控控 制制 为为 中中 心心 ··    将仿真加到控制将仿真加到控制 模型和实际处理中模型和实际处理中 可可““无缝无缝””地仿地仿 真使得实际生产周期真使得实际生产周期 期间不间断地优化期间不间断地优化 ··    对离对离 散制造散制造---- 基于仿真基于仿真 的实时动的实时动 态调度态调度 对连续制对连续制 造造----基于基于 仿真的最仿真的最 优控制优控制        虚拟制造技术的分类 设计为核心 优化产品设计、 工艺设计 加工方案评价 生产为核心 优化资源 选择评价工艺 验证新工艺 控制为核心 优化车间控制 优化制造过程 产品概念设计 CAD/CAM M! M2 M3 M4 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 虚拟生产计划 质量 评估 新工艺及对应信息、如成本 车间机床 及控制系统 工厂资源（人、设备） 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 虚拟制造的使能技术 使能技术 多 通 道 交 互 网 络 环 境 下 知 识 获 取 与 建 库 基 于 V R 的 计 算 可 视 化 虚 拟 环 境 建 模 产 品 建 模 数 据 转 换 与 处 理 虚拟制造的使能技术 多通道交互技术 虚 拟 现 实 设 备 的 软 硬 件 接 口 驱 动 技 术 大 面 积 纹 理 的 可 见 性 快 速 显 示 技 术 信 息 与 时 间 的 同 步 技 术 真 实 感 渲 染 的 三 维 图 形 加 速 技 术 三 维 定 位 跟 踪 设 备 的 定 标 技 术 人 像 分 离 与 多 传 感 信 息 的 融 合 技 术 使能技术使能技术之一之一 虚拟制造的使能技术 使能技术使能技术之二之二 虚拟环境建模技术 图 像 图 形 混 合 建 模 技 术 场 景 预 处 理 技 术 虚 拟 声 的 生 成 与 增 强 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 虚拟制造的使能技术 使能技术使能技术之三之三 产品建模技术 零 部 件 的 物 理 建 模 方 法 工 程 分 析 的 有 限 元 计 算 方 法 工 程 分 析 结 果 的 多 准 则 图 示 方 法 基 于 物 理 的 工 程 行 为 特 征 建 模 方 法 工 程 对 象 的 单 元 化 划 分 方 法 虚拟制造的使能技术 使能技术使能技术之四之四 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 虚拟制造的使能技术 使能技术使能技术之五之五 网络环境下知识获取与建库技术 网 络 化 异 构 知 识 与 数 据 信 息 的 统 一 表 达 基 于 V R 的 产 品 设 计 与 制 造 集 成 过 程 链 网 络 环 境 下 虚 拟 产 品 数 据 与 指 令 的 传 输 与 共 享 分 布 式 虚 拟 仿 真 节 点 的 协 同 与 自 治 虚 拟 场 景 的 快 速 漫 游 、 绘 制 与 网 络 传 输 基 于 多 A g e n t 的 虚 拟 企 业 信 息 重 组 与 集 成 虚拟制造的使能技术 使能技术使能技术之六之六 多 通 道 技 术 与 可 视 化 技 术 的 映 射 机 理 与 操 纵 方 法 基于VR的科学计算可视化技术 特 征 可 视 化 与 拓 扑 结 构 分 析 基 于 V R 的 可 视 化 与 驾 驭 计 算 分 布 式 的 计 算 与 可 视 化 环 境 的 协 同 虚拟制造的使能技术 虚拟机床模型虚拟机床模型 运动学模型 传感器输入 运动系统 其它输入 力域 温度域 切削过程 工件属性 热力学模型 刚度模型 伺服模型 精确模型 机床系统 切削系统 结构系统 NC 代码 位 移 虚拟制造的使能技术 虚拟虚拟CNCCNC系统系统 输入\输出 模块 （NC系统功 能界面） 运动控制模块 轴号 匹配模块 虚拟机床控制接口 逻辑轴号、位置 物理轴号、位置 各轴位置数据、 刀号、行号 NC程序系统参数 虚拟操作面板信息 虚拟操作面板返回信息 虚拟操作面板 虚拟机床控制信息 虚拟机床其它 控制信息 虚拟机床 反馈信息 虚拟数字控制子系统 虚拟机床子系统 虚拟机床反馈信息 虚拟制造的使能技术 虚拟装配设计环境虚拟装配设计环境VADEVADE 基于虚拟现实的训练系统 计算机辅助过程规划系统 机器人路径规划系统 专用的装配设备设计 VADE环境CAD环境 DFA分析 轨迹信息序列信息 部件几何特 征属性及装 配信息等 轨迹及序列 信息设计变 化的建议 虚拟制造的关键技术 关键技术 虚 拟 设 计 与 装 配 技 术 虚 拟 实 验 技 术 虚 拟 生 产 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 虚拟制造的关键技术 关键技术关键技术之一之一 虚拟设计与装配技术 虚 拟 产 品 形 状 设 计 虚 拟 装 配 /拆 卸 设 计 与 优 化 虚 拟 样 机 具 有 力 觉 的 虚 拟 装 配 虚拟制造的关键技术 关键技术关键技术之二之二 虚拟产品实现技术 基 于 表 面 质 量 分 析 的 切 削 参 数 选 择 远 程 机 器 人 操 作 与 监 控 虚 拟 测 量 技 术 虚 拟 加 工 虚拟制造的关键技术 关键技术关键技术之三之三 虚拟检测与评价技术 虚 拟 表 面 接 触 刚 度 分 析 基 于 应 力 的 加 工 质 量 评 价 装 配 信 息 建 模 刀 位 轨 迹 检 查 及 碰 撞 干 涉 检 验 工 艺 过 程 规 划 与 仿 真 虚拟制造的关键技术 关键技术关键技术之四之四 虚拟实验技术 虚 拟 测 试 虚 拟 样 机 的 性 能 评 价 虚 拟 试 验 的 运 行 平 台 虚 拟 试 验 的 物 理 建 模 虚拟制造的关键技术 关键技术关键技术之五之五 虚拟生产技术 虚 拟 生 产 线 /车 间 实 时 三 维 布 局 基 于 V R 的 网 络 化 分 散 制 造 仿 真 与 评 价 生 产 线 /车 间 生 产 过 程 虚 拟 仿 真 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 环 境 与 工 具 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 环 境 与 工 具 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 环 境 与 工 具 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 环 境 与 工 具 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 虚拟制造技术的应用 虚 拟 产 品 建 模 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 太 原 机 车 厂 的 工 程 作 业 车 外 形 设 计 虚拟制造技术的应用 波 音 7 7 7 飞 机 数 字 化 装 配 虚拟制造技术的应用 V R 中 反 铲 装 载 车 模 型 虚拟制造技术的应用 V R 中 反 铲 装 载 车 模 型 虚拟制造技术的应用 动 态 装 配 仿 真 加工中心支架 动态装配仿真 装配环境仿真 装配过程仿真 装配过程仿真 卫星装配仿真 %E5%8A%A8%E6%80%81%E8%A3%85%E9%85% %E8%A3%85%E9%85%8D%E7%8E%AF%E5%A2% %E5%A4%B4%E7%9B%94/%E8%A3%85%E9%85%8D%E5%B7%A5%E7%A8%8B%E4%BB%BF%E7%9C% %E8%A3%85%E9%85%8D%E5%B7%A5%E7%A8%8B%E4%BB%BF%E7%9C% %E8%A3%85%E9%85%8D%E8%BF%87%E7%A8% 虚拟制造技术的应用 热变形分析----主轴箱/立柱热变形 ＣＡＤ建模 虚拟制造技术的应用 热变形分析----主轴箱/立柱热变形 有限元模型 虚拟制造技术的应用 热变形分析----主轴箱/立柱热变形 有限元模型 施加约束 虚拟制造技术的应用 热变形分析----主轴箱/立柱热变形 解算－热变形场解算－热分布场 虚拟制造技术的应用 模态分析 虚拟制造技术的应用 模态分析 虚拟制造技术的应用 模态分析 虚拟制造技术的应用 模态分析 虚拟制造技术的应用 模态分析 虚拟制造技术的应用 模态分析 频率Hz 结构修改前 结构修改后 1阶 2阶 143 153 3阶 181 210 4阶 196 238 5阶 265 334 6阶 285 372 最大变形 结构修改前 结构修改后 1阶 +01 +01 2阶 +01 +01 3阶 +01 +01 4阶 +01 +01 5阶 +01 +01 6阶 +01 +01 虚拟制造技术的应用 有限元分析 虚拟制造技术的应用 有限元分析 虚拟制造技术的应用 运动分析与仿真 卫星太阳能翻板 运动仿真 加工中心换刀 运动仿真 发动机曲轴连杆 运动仿真 %E5%A4%B4%E7%9B%94/%E8%A3%85%E9%85%8D%E5%B7%A5%E7%A8%8B%E4%BB%BF%E7%9C% %E5%A4%B4%E7%9B%94/%E8%A3%85%E9%85%8D%E5%B7%A5%E7%A8%8B%E4%BB%BF%E7%9C% %E6%8D%A2%E5%88% 虚拟制造技术的应用 虚拟加工 虚拟制造技术的应用 虚拟加工 虚拟制造技术的应用 加工过程仿真 虚拟制造技术的应用 加工过程仿真 虚拟制造技术的应用 加工过程仿真 虚拟制造技术的应用 加工过程仿真 虚拟制造技术的应用 加工过程仿真 虚拟制造技术的应用 加工过程仿真 虚拟制造技术的应用 虚拟测试 虚拟制造技术的应用 虚拟测试 虚拟制造技术的应用 虚拟生产调度控制仿真 虚拟制造技术的应用 虚拟生产调度控制仿真 调度仿真1 调度仿真2 调度仿真3 调度仿真4