先进制造技术结课论文

先进制造技术结业论文

虚拟制造技术的应用

姓名：XXXXX

学号：2014405003

班级: 专业(1)班

指导老师：魏敏

学科、专业：机械工程

所在学院：机械电气工程学院

2014.01.03

虚拟制造技术的应用

摘要：虚拟制造技术是制造技术与仿真技术相结合的产物。本文主要探讨虚拟制造技术产生的时代背景，虚拟制造的定义、主要特点及其关键技术，提出和总结了当前虚拟制造研究中存在的问题及发展方向。虚拟制造是虚拟现实技术和计算机仿真技术在制造领域的综合发展及应用。它是产品在计算机中的虚拟实现，而且不消耗现实的资源和能量，但却能实际反映产品的有关情况。它为制造业带来全新的概念，随着虚拟制造技术的不断发展及在企业中广泛的应用，必将极大地提高企业的研发创新能力。虚拟制造现实制造计算机辅助技术。

关键词：虚拟制造现实制造计算机辅助技术

1 引言

虚拟制造技术是20世纪90年代初提出的新概念，它是制造科学自身矛盾发展的必然，也是在激烈的市场竞争环境下产生的应对措施之一，同时虚拟制造技术也是信息技术与制造科学相结合的产物。

2 发展及原理

20世纪70年代计算机技术的发展推动了计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工艺过程设计(CAPP)、计算机辅助制造(CAM)、物料管理规划(MRP)等工具与系统的开发与实现。20世纪80年代初，以信息集成为核心的计算机集成制造系统(CIMS)的概念开始得到实施。20世纪80年代末，以过程集成为核心的并行工程，方法提出了在设计时考虑可制造性、可装配性的工作模式，并出现了产品数据管理(PDM)、工作流管理等业务流程的支持技术。进入20世纪90年代，虚拟现实（Virtual Reality）技术的迅猛发展促进了虚拟制造(VM，Virtual Manufacturing)的形成和发展，并进而推进了敏捷制造、虚拟企业等新概念的形成和实现。基于虚拟现实技术的虚拟制造技术是在一个统一模型之下对设计和制造等过程进行集成，它将与产品制造相关的各种过程与技术集成在三维的、动态的仿真真实过程的实体数字模型之上。其目的是在产品设计阶段，借助建模与仿真技术及时的、并行的、模拟出产品未来制造过程乃至产品全生命周期的各种活动对产品设计的影响，预测、检测、评价产品性能和产品的可制造性等等。从而更加有效地、经济地、柔性地组织生产，增强决策与控制水平，有力地降低由于前期设计给后期制造带来的回溯更改，达到产品的开发周期和成本最小化、产品设计质量的最优化、生产效率的最大化。

3 虚拟制造的特点

虚拟制造给出如下的定义：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(及)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与控制能力。可以看出，虚拟制造并不是真实的制造过程。它不产生真实产品，基本不消耗材料和能量，而是利用制造对象、制造资源和制造过程的模型来展现“制造”的本质过程。虚拟制造是多种计算机辅助技术面向产品全生命周期的集成化综合应用。涉及的技术领域极其广泛，其中许多技术并非虚拟制造所持有，有些技术在其他领域早有研究和应用，如产品三维几何建模技术在CAD领域已非常成熟，仿真优化技术也已在许多领域广泛应用。但是，虚拟制造技术不是对已有各单项技术的简单组合，而是对制造知识进行系统化组织，对产品对象、制造资源和制造活动进行全面建模。在相关理沦和已有知识积累的基础上实现集成，它的主要特点是：①虚拟性；②集成性；③分布性；④依赖性。

4 虚拟制造的相关技术

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化技术和软件技术。虚拟制造可视化技术和网络技术是虚拟制造的核心与关键技术。为了使虚拟制造得到全面应用，有必要在虚拟制造可视化技术方面进行深入研究。虚拟制造可视化关键技术包括下面内容。

（1）真实感图形的实时绘制技术，该技术本质上是一种限时计算技术，即要求算法必须在给定的时间内完成对场景的绘制。

（2）多细节层次模型生成和绘制技术，即对同一个场景或场景中的物体，使用具有不同细节的描述方法得到一组模型，供绘制时选择使用的技术。

（3）可视化环境的建模和绘制技术，包括基于几何的建模和绘制方法和基于图像的建模和绘制方法。

（4）碰撞检测技术，虚拟环境中碰撞检测的研究目标是如何在很高的实时交互要求下完成对大量复杂物体的碰撞检测，其具体工作包括检测到有碰撞和计算出碰撞发生的位置，通过及时检测到这些碰撞，并计算相应的碰撞反应，更新绘制结果，从而保持环境的真实性。（5）虚拟空间实时漫游技术，该技术可构建一个使用户具有身临其境的沉浸感、具有空间操纵能力的完善的交互环境，使用户能够观察和操纵不同层次、不同细节的模型。实现虚拟漫游的算法可以分为三类：基于多边形的实时漫游算法；基于图像的实时漫游算法；混合型算法即有图像又有几何多边形来参与绘制。

5 虚似制造技术在生产计划安排上的应用

生产计划安排的可视化对于制造决策是极其有用的, 但目前它还未能完全实现。使用虚似制造技术, 可将成百上千件产品、成千上万个零部件和许多其他生产要素可视化, 辅助计划者更好地评价、选择生产计划。计算机产生的图像可将计划者的大脑负担转移到他们的感官系统, 这就加快了工作进程。生产计划数据变成立体的或多维的图形, 可表达复杂的内部关系。

6 虚拟制造的研究和应用现状

从虚拟制造概念的提出到迄今为止，虽然只有短短的几年，但它已成为世界各国科技界、企业界研究和应用的热点之一，它对制造业的革命性影响也已经初现端倪。世界上许多国家都将虚拟制造看作是21世纪制造业变革的核心技术之一，纷纷从不同方向开展研究和应用。虚拟制造在工业发达国家，如美国、德国、日本等已得到了不同程度的研究和应用。在这一领域，美国处于国际研究的前沿。福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司在新型汽车的开发中已经应用了虚拟制造技术，大大缩短了产品的研发时间。波音公司设计的777型大型客机是世界上首架以三维无纸化方式设计出的飞机，它的设计成功已经成为虚拟制造从理论研究转向实用化的一个里程碑。

我国对虚拟制造技术的研究和应用尚处于起步阶段，但发展迅速。展望我国虚拟制造技术的发展，主要从下面五个方面来实现。

（1）从技术角度看，加强关键技术的研究、开发和应用。

（2）从政府方面看，政府部门应从宏观上加强对虚拟制造技术的指导，同时要使虚拟制造技术与各种先进制造技术相互衔接、协调发展。

（3）建立分布式网络化研究中心。我国科研力量分散，建立分布式网络化研究中心，以企业为主体，产学研相结合，重点投资与自身发展有关的关键技术的研究，进行研发和推广是一条值得深入探索的道路。

（4）从市场需求看，大力普及CAD技术，帮助企业进行人员培训，提高企业人员的素质，在CIMS成功示范企业中及时推广并行工程、敏捷制造等思想和技术，为虚拟制造技术的实现提供坚实的基础，在个别企业或部门首先实现虚拟制造。

（5）从企业实际出发，分阶段实施。建立企业内部网和工程数。

7 结论

虚拟制造技术是信息化制造的重要技术之一,实现虚拟制造需要强有力的技术支撑, 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信息化制造企业的必由之路。

参考文献

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