虚拟制造技术的内涵.ppt

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虚拟制造技术 清华大学精密仪器与机械学系 郁鼎文 1 22 1 33 虚拟制造技术的体系 虚拟制造技术的内涵 虚拟制造技术 44 虚拟制造的关键技术 虚拟制造技术的应用 2 ..%5C..%5C..%5C..%5C..%5C%E8%AE%B2%E7%A8%BF%E5%B7%A5%E4%BD%9C%E6%96%87%E6%A1%A3%E7%9B%AE%E5%BD%95%5CDocuments%20and%20Settings%5CAdministrator%5CPaul%20Y% ..%5C..%5C..%5C..%5C..%5C%E8%AE%B2%E7%A8%BF%E5%B7%A5%E4%BD%9C%E6%96%87%E6%A1%A3%E7%9B%AE%E5%BD%95%5CDocuments%20and%20Settings%5CAdministrator%5CPaul%20Y% 虚拟制造技术的内涵 1、定义 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。 佛罗里达大学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 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。 着眼于“结果” 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， 以增强各层制造设计和生产决策与控制。 着眼与“手段” 3 虚拟制造技术的内涵 马里兰大学Edward Lin&etc 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 着眼于“环境” 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、虚拟现实技术、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。 4 2、特点 以模型为核心： 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 5 2、特点 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。 虚拟制造技术的内涵 6 并行 工程 使能技术与工具 产品数字化建模、信息集成 CAx、DFx 、PDM 开发过程重组 过程建模、分析、改进、 监控等 集成产品 开发团队 组 织 环 境 计算机网络 数据库 CSCW 协调与冲突仲裁 协 同 工 作 环 境 3、支撑环境与工具 虚拟制造技术的内涵 CSCW：computer suported cooperative work 7 虚拟制造技术的内涵 4、虚拟制造与实际制造 实际制造系统是物质流在信息流的协调和控制 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。 8 虚拟制造技术的内涵 9 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 虚拟制造系统的体系结构 10 虚拟制造系统体系结构 11 虚拟制造系统体的系结构 12 虚拟产品生产规划的体系结构 13 案例：虚拟开发平台体系结构 虚拟企业平台 14 案例：虚拟开发平台体系结构 虚拟生产平台 15 案例：虚拟开发平台体系结构 虚拟加工平台 16 案例：虚拟开发平台体系结构 虚拟加工平台 17 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 18 虚拟制造的关键技术 关键技术之一 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 19 虚拟制造的关键技术 关键技术之二 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 20 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 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 21 虚拟制造的关键技术 关键技术之四 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 22 虚拟制造的关键技术 关键技术之五 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 23 虚拟制造技术的应用 虚拟现实技术 虚拟产品设计 虚拟加工 虚拟装配 虚拟测试 虚拟生产调度与仿真 24 虚拟现实技术 20世纪80年代兴起的一种人机交互技术，是基于 感观、手势、话语等“自然”方式的交互技术。 1965年，Sutherland在《终极的显示》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。 1966年MIT的林肯实验室开始研究头盔式显示器。 1984年美国宇航局开发了用于火星探测的虚拟环 境视觉显示器，为研究人员构造了火星表面的三维虚 拟环境。 20世纪90年代开始，在航天、航空、汽车、医疗、 教育、生产、设计等广泛应用。 25 虚拟现实技术 1、虚拟现实系统组成 26 虚拟现实技术 2、虚拟现实系统的硬件设备 立体眼镜 立体投影 头盔式显示器 数据手套 空间位置跟踪器 三维鼠标 六自由度跟踪球 触觉和力反馈器 27 虚拟现实技术 立体眼镜：主动和被动式立式眼镜 主动式：发射器与计算机显卡连接，得到两路信号节拍 并将交替信号发送给立体眼镜 被动式：计算机显示两路偏振光信号，立体眼镜的左右 镜片的透光有方向性，形成立体效果。 28 虚拟现实技术 立体投影 29 虚拟现实技术 30 虚拟现实技术 头盔显示器：由显示器、光学系统、跟踪系统和立体声 系统组成。 半封闭式：用户可以看到现实世界和计算机产生的图像 封闭式：用户只能看到头盔内显示的图像 头盔显示器 31 虚拟现实技术 数据手套是一种多模式的虚拟设备，通过软件编程，可 进行虚拟场景中物体的抓取、移动、旋转等动作，也可以利 用它的多模式性，用作一种控制场景漫游的工具。在虚拟装 配和医疗手术模拟中，数据手套是不可缺少的一个组成部分。 数据手套 32 虚拟现实技术 能实时检测物体空间位置（6自由度）的设备。 空间位置跟踪器 33 虚拟现实技术 能够向计算机传回鼠标的位置和姿态信息 三维鼠标 34 虚拟现实技术 用来检测绝对位置和方向。跟 踪球的中心固定，并装有6个发光 二极管，球有一个活动的外层，装 有6个相应的光传感器。当使用者 用手对球的外层施加力或力矩时， 根据弹簧形变的法制，就可通过6 个光传感器测出3个力和3个力矩信 息，将信息传送到计算机后求出虚 拟 空 间 中 物 体 的 位 置 和 方 向 。 六自由度跟踪球 35 虚拟现实技术 直接进行三维扫描成像 三维扫描 36 虚拟现实技术 三维扫描 37 虚拟现实技术 触觉和力反馈器 38 虚拟现实技术 Vega软件。美国MultiGen-Paradigm公司产品 3、虚拟现实的软件系统 39 虚拟现实技术 40 虚拟现实技术 41 虚拟现实技术 训练、演习 42 虚拟现实技术 43 虚拟现实技术 44 虚拟现实技术 45 虚拟现实技术 46 虚拟产品设计 仿真设计 + - 对产品的需求： 目标、功能、性能 产品的外形、组成、 结构、参数 产品的功能、性能、 行为 CAD、CAPP、CAM 外观设计 CAE、DFM、DFA 动力学、控制系统 47 虚拟产品设计 产品设计虽 然只占产品 整个成本的 5％，但它 却影响产品 整个成本的 70％。 48 虚拟产品设计 虚拟产品模型是由分布的、不同工具开发的 、甚至异构的子模型组成的模型联合体：  产品的CAD模型  产品的外观表示模型  产品的功能和性能仿真模型  产品的各种分析模型  产品的使用和维护模型  环境模型； 49 虚拟产品设计 在产品全生命周期中的虚拟产品模型 需求样机 概念样机 工程样机 最终样机 需求论证 概念设计 详细设计 生产/装配 维护 50 虚拟产品设计 需求样机是根据用户需求建立的未来产品的可视化和数字 化描述，描述产品功能和外部行为的结构模型  进行未来产品的功能仿真，给设计部门演示和说明产品功 能的具体要求和使用环境  给出未来产品的性能要求及其粗略框架，框架由有待填充、 细化和完善的功能模块组成 51 虚拟产品设计 概念样机是根据需求样机的要求，对所提出 未来产品的方案设想的可视化和数字化描述 细化了功能模块和模块间的信息流动关系 为产品的性能和外部行为提供物理细节和更 详细的可视化描述 对产品的可制造性、可装配性及其可维护性 进行概略评估 52 虚拟产品设计 53 虚拟产品设计 工程样机是概念样机的进 一步细化，主要由产品的各种 物理性能模型、CAD模型以及其 他模型（成本、维护等）组成 开展产品的各种仿真试验工 作，评估详细设计方案的优 缺点，以及可制造性、可装 配性、可维护性等 根据评估结果，对产品的开 发和生产进度、成本、质量 提出更为全面的要求 54 虚拟产品设计 最终样机：在产品生产、装配 和使用前，虚拟样机在工程上基本 定型。原型样机是将原有样机与实 际使用环境相结合，检验产品的实 际使用效果，评估进一步改进设计 方案的可能性 加入可靠性模型、维护模型和 可用性模型，支持产品的虚拟 维护 加入虚拟仿真模型和操作模型， 支持产品的使用训练模拟 55 虚拟产品设计 功能展示 56 D:%5C%E5%85%88%E8%BF%9B%E5%88%B6%E9%80%A0%E6%8A%80%E6%9C%AF%5C2010%E5%B9%B4%5C7%E8%99%9A%E6%8B%9F%E5%88%B6%E9%80%A0%E6%8A%80%E6%9C%AF%5C%E8%99%9A%E6%8B%9F%E5%8A%A0%E5%B7%A5%E4%BB%BF%E7%9C% 热分析 主轴箱热场分布（6000rpm) 57 热分析 主轴箱热变形仿真（6000rpm) 58 静刚度分析 59 静刚度分析 60 X方向静刚度 Z方向静刚度 静刚度分析 61 Y方向静刚度 模态分析 62 阶数 1 2 3 4 5 实验 仿真 误差 第1阶模态 第2阶模态 工作台模态 模态分析 63 阶数 1 2 3 4 5 实验 仿真 误差 第1阶模态 第2阶模态 床鞍模态 模态分析 阶数 1 2 3 4 5 6 实验 仿真 误差 第1阶模态 第2阶模态 床身模态 模态分析 65 阶数 1 2 3 4 5 实验 仿真 误差 第1阶模态 第2阶模态 第3阶模态 立柱模态 模态分析 66 阶数 1 2 3 实验 仿真 误差 第1阶模态 第2阶模态 第3阶模态 主轴箱模态 模态分析 67 整机测试点数：541；床身：143， 立柱：152，床鞍：60，工作台：92， 铣头箱：94； 采用8个三向加速度传感器、9个单向 加速度传感器对整机进行了测试，并将 9个单向传感器每三个拼成一个三向传 感器； 立柱上布置有3个传感器，其余每个 零件上布置2个传感器。 模态分析 68 第1阶模态 振型描述：铣 头箱带动立柱上 下摆动(绕X轴) 实验44HZ，仿 真50HZ 第2阶模态 振型描述：立 柱和铣头箱左右 摆动(绕Y轴) 实验52HZ，仿 真92HZ 模态分析 69 第3阶模态 振型描述：工作 台和床鞍的摆动， 铣头箱小幅摆动 实验92HZ，仿真 134HZ 第4阶模态 振型描述：铣头 箱绕立柱旋转（绕 Z轴旋转） 实验127HZ，仿 真141HZ 模态分析 70 第1阶 第2阶 第3阶 第4阶 实验 仿真 误差 15％ 48％ 45％ 11％ 产生误差的主要原因在结合面的特性参数 模态分析 71 多体系统动力学分析 多体系统动力学：包括多刚体系统动力学和多柔体 系统动力学。多体系统动力学是研究多体系统（一 般由若干个柔性和刚性物体相互连接所组成）运动 规律的科学。 汽车可操作性和乘坐舒适性仿真： 汽车可操作性仿真是指利用整车动力学模型， 当操作人员在采用各种不同驾驶方法的情况下，对 车辆的侧倾稳定性进行仿真研究。 72 多体动力学分析 以汽车前、后悬架及转向机 构为主的多体动力学模型 73 多体动力学分析 增加发动机、车身后的 整车多体动力学模型 74 结构分析 (1)传统的有限元分析方法 （FEA) 利用有限元分析方法对 关键机械结构件进行应力、 应变的分析，其负载往往是 静态的。 (2) 耐疲劳性分析 将多体动力学仿真分析 得到的动态负载，用于随后 的机械结构有限元分析。 75 流体动力学分析 汽车外部空气动力学仿真:汽车外部空 气动力学对汽车安全性、稳定性和汽车油 耗都有重要的影响。 丰田、宝马、福特等公司现在都已经采用 仿真技术对新设计的汽车进行外部空气动力学 和空气声学的研究，以取代或者部分取代利用 实物样车进行风洞测试的方法，达到缩短设计 时间，降低成本的目的 。 76 流体动力学分析  车厢内部制冷、加热仿真； 采暖、通风和空调（HVAC）单元仿真 ;  功率系（power-train）相关零部件 的优化。 如发动机进气、排气歧管，尾气排放 系统中消声器和催化变换器，发动机 头部冷却罩等的优化。 77 运动学分析 78 D:%5C%E5%85%88%E8%BF%9B%E5%88%B6%E9%80%A0%E6%8A%80%E6%9C%AF%5C2010%E5%B9%B4%5C7%E8%99%9A%E6%8B%9F%E5%88%B6%E9%80%A0%E6%8A%80%E6%9C%AF%5C%E8%A7%86%E9%A2%91%5CMachining_pres2a(20sec).avi 控制系统分析 控制系统 执行机构 受控系统 控 制 目 标 控 制 信 号 反馈信号  首先基于简化的被控系统模型，设计 控制算法，构建控制系统；  利用仿真分析被控系统的性能（如导 弹的反应时间、跟踪精度等）。 79 控制系统分析 80 虚拟加工 加工过程仿真： 包括切削过程仿真、焊接过程仿真、冲压过程仿 真、浇注过程仿真等。 几何仿真：从纯几何角度出发，将刀具和工件看 作刚体，不考虑力、变形等。 力学仿真：从力学角度出发，对动态力（切削力） 、变形、切削热等仿真。 虚拟加工： 虚拟制造环境下对产品对象实现几何形状及物理 性能变化的过程。是真实加工过程在虚拟环境下的映 射。 81 虚拟加工 虚 拟 加 工 过 程 构 成 82 虚拟加工 虚 拟 加 工 仿 真 系 统 83 虚拟加工 84 虚拟加工 85 虚拟加工 86 切 削 加 工 有 限 元 分 析 软 件 Marc ABAQUS DEFORM AdvantEdge FEM 虚拟加工 崩碎切屑 锯齿状切屑 带状切屑 87 虚拟加工 切削温度 88 虚拟加工 切削温度 89 虚拟加工 残 余 应 力 分 析 90 焊接过程仿真 91 铸造过程仿真 92 铸造过程仿真 93 冲压过程仿真 94 虚拟装配 虚拟装配：在虚拟现实环境下的装配 三维鼠标、数据手套、液晶立体眼镜、头盔 电子装配或数字化装配：计算机环境下建立的数字化装配 模型计算机硬件、CAD软件 95 虚拟装配 虚拟装配线 虚拟装配环境 虚拟装配 96 D:%5C%E5%85%88%E8%BF%9B%E5%88%B6%E9%80%A0%E6%8A%80%E6%9C%AF%5C2010%E5%B9%B4%5C7%E8%99%9A%E6%8B%9F%E5%88%B6%E9%80%A0%E6%8A%80%E6%9C%AF%5C%E8%A7%86%E9%A2%91%5C%E8%99%9A%E6%8B%9F%E8%A3%85%E9%85%8D%E7%BA% D:%5C%E5%85%88%E8%BF%9B%E5%88%B6%E9%80%A0%E6%8A%80%E6%9C%AF%5C2010%E5%B9%B4%5C7%E8%99%9A%E6%8B%9F%E5%88%B6%E9%80%A0%E6%8A%80%E6%9C%AF%5C%E8%A7%86%E9%A2%91%.%E5%85%A8%E8%BA%AB%E5%AE%9A%E4%BD%8D%E7%B3%BB%E7%BB%9F%E5%9C%A8%E8%99%9A%E6%8B%9F%E8%A3%85%E9%85%8D%E4%B8%AD%E7%9A%84%E5%BA%94%E7%94% D:%5C%E5%85%88%E8%BF%9B%E5%88%B6%E9%80%A0%E6%8A%80%E6%9C%AF%5C2010%E5%B9%B4%5C7%E8%99%9A%E6%8B%9F%E5%88%B6%E9%80%A0%E6%8A%80%E6%9C%AF%5C%E8%A7%86%E9%A2%91%5C%E8%99%9A%E6%8B%9F%E8%A3%85%E9%85% 虚拟装配 97 虚拟测试 虚 拟 测 试 98 虚拟测试 99 虚拟测试 虚 拟 测 试 在航空、航天、核子反应、汽车碰撞试验 等广泛应用： 美国某公司“全景式自动虚拟环境系统 （CAVE），测量新产品在强冲击力和其他外 在因素影响下所产生的内部构造变化。 美国宇航局（NASA）培训宇航员，“虚 拟飞行试验”。 美国Deere Inc. 建立计算机模型，用户头 戴观察镜、手系位置传感器，接触各种操纵装 置。 100 虚拟测试 虚 拟 测 试 101 虚拟测试 102 %E8%A7%86%E9%A2%91%5C%E5%A5%A5%E8%BF%AA%E6%AD%A3%E9%9D%A2%E8%99%9A%E6%8B%9F%E6%92%9E%E5%87%BB%E8%AF%95%E9%AA% %E8%A7%86%E9%A2%91%5C%E5%A5%A5%E8%BF%AA%E5%90%8E%E9%9D%A2%E8%99%9A%E6%8B%9F%E6%92%9E%E5%87%BB%E8%AF%95%E9%AA% %E8%A7%86%E9%A2%91%5C%E5%A5%A5%E8%BF%AA%E4%BE%A7%E9%9D%A2%E8%99%9A%E6%8B%9F%E6%92%9E%E5%87%BB%E8%AF%95%E9%AA% %E8%A7%86%E9%A2%91%5C%E5%A5%A5%E8%BF%AA%E6%92%9E%E5%87%BB%E8%AF%95%E9%AA% 虚拟生产调度控制仿真 103 虚拟生产调度控制仿真 104 虚拟生产调度控制仿真 案例：（活塞）生产线 模型开始运行状态（全局） 105 虚拟生产调度控制仿真 案例：（活塞）生产线 运行一小时的仿真结果 106 虚拟生产调度控制仿真 案例：（活塞）生产线 运行六小时的仿真结果 107 虚拟生产调度控制仿真 案例：（活塞）生产线 运行三十小时的仿真结果 108 虚拟生产调度控制仿真 提 高 后 提 高 前 60 160 109 谢谢！ 110