虚拟制造及其关键技术
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。
虚拟制造及其关键技术
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，交货时间与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、经济与科学技术的进展而引起的对环境与社会因素的日益关注，导致了产品生命周期概念与可持续性工业生产的出现。
面对制造环境的复杂性、制造产品的复杂性与制造本身的复杂性(包含制造系统结构的复杂性与制造过程的复杂性)[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、组织管理集成与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与利用，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与方法正越来越受到工业界与学术界的重视。
二、虚拟制造的概念与功能1．虚拟制造的概念由于虚拟制造研究的出发点、侧重点与应用场合等方面的不一致，因此存在对虚拟制造各类不一致的定义。
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、调度与管理提供测试环境。
ChetanShukla[4]等将虚拟制造定义为一个正在进展中的研究领域，其目的是通过虚拟现实技术将各类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内各级决策与操纵能力的集成的、虚拟的制造环境。
而 Nahavandi与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者还不存在的制造系统的仿真模型，该模型具有与制造过程、过程操纵与管理与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与制造过程仿真来辅助产品的设计与制造。
Iwata[7]等认为虚拟制造系统是实现沟通制造工程与信息基础结构建立新型信息基础结构最有希望的方法。
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。
现代虚拟制造技术及应用
现代虚拟制造技术及应用现代虚拟制造技术是指利用虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、计算机仿真技术等，模拟和预测产品设计、生产和运营过程的一种制造技术。
它通过数字化、模拟化和仿真化的手段，将真实制造环境转化为虚拟的数字世界，实现产品的全生命周期管理和优化。
虚拟制造技术在产品设计阶段的应用：1. 产品设计：传统产品设计往往需要制造出多个样品进行试制和测试，而虚拟制造技术可以在计算机中进行三维设计和仿真分析，减少了物理样品制造的成本和时间，同时避免了一些物理试制无法表现出的问题。
2. 产品装配：虚拟装配可以将产品的各个零部件进行虚拟的装配，模拟真实的装配过程，分析和优化装配工艺、方法和工作环境，提高装配质量和效率。
3. 故障分析：利用虚拟制造技术可以将产品的工作状态进行虚拟仿真，模拟和分析产品的故障情况，帮助设计人员找到并修复潜在的故障问题，提高产品的可靠性和使用寿命。
虚拟制造技术在生产制造阶段的应用：1. 数字化工厂：虚拟制造技术可以将整个工厂的设备、物料和人员进行虚拟建模，对生产线进行仿真和优化，降低生产成本、提高生产效率。
2. 生产过程仿真：利用虚拟制造技术可以对生产过程进行虚拟仿真和优化，预测生产能力、排程、物料流动和生产质量等，提高生产计划的准确性和制造执行能力。
3. 操作培训：虚拟制造技术可以打造虚拟现实的生产环境，用于对生产操作人员进行培训，提高其操作技能和遵循生产流程的能力。
虚拟制造技术在产品服务和维护阶段的应用：1. 服务支持：虚拟制造技术可以将产品的维修和保养过程进行虚拟模拟，帮助服务人员更快速地定位问题和解决故障，提高产品的可维护性和服务效率。
2. 远程支持：通过虚拟现实技术，远程支持人员可以在实际操作中提供在线指导，帮助用户解决问题，解决产品使用过程中的疑难问题，节约服务成本和时间。
总之，虚拟制造技术的应用范围非常广泛，从产品设计到生产制造再到售后服务，都可以利用虚拟制造技术进行模拟和优化，提高产品的设计质量、生产效率和服务水平。
虚拟制造PPT课件
目录
• 虚拟制造概述 • 虚拟制造技术 • 虚拟制造流程 • 虚拟制造的优势与挑战 • 虚拟制造案例分析 • 总结与展望
01
虚拟制造概述
定义与特点
定义
虚拟制造是一种先进制造技术，通过计算机模拟和仿真技术，在计算机上实现 产品制造的全过程，以评估产品的可制造性、优化制造过程、提高生产效率及 降低成本。
总结词：电子制造业是另一个应 用虚拟制造技术的领域，通过模 拟和优化设计和生产过程，提高 产品质量和生产效率。
1. PCB设计优化：电子制造商可 以利用虚拟制造技术对PCB（印 刷电路板）设计进行模拟和优化 ，提高产品的性能和质量。
3. 质量控制：虚拟制造技术还可 以用于质量控制，通过模拟整个 生产过程，找出潜在的质量问题 ，提高产品的质量。
3. 质量控制：虚拟制 造技术还可以用于质 量控制，通过模拟整 个生产过程，找出潜 在的质量问题，提高 模具的质量。
06
总结与展望
总结
虚拟制造技术的 定义
虚拟制造是一种基于 计算机建模和仿真的 制造过程，通过模拟 产品的设计和制造过 程，以优化制造过程 、提高产品质量和降 低生产成本。
虚拟制造技术的 分类
优化生产过程
虚拟制造可以对制造过程进行优化，提高生产效率，降低能源消耗 和环境污染。
虚拟制造的应用范围
产品设计
虚拟制造技术可以用于产品的设计和优化，通过模拟和仿真技术，实现产品的早期检测和优化。
生产计划
虚拟制造可以用于生产计划的制定和优化，通过对生产过程的模拟和仿真，实现生产计划的精细管理和优化。
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详细描述
VR技术可以为用户提供一个逼真的虚拟环境，可用于产品体验、培训和设计等方面。
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
1。
虚拟制造的定义：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和控制能力2．映射的特性：（1）映射的定义域是实际制造过程，值域是虚拟制造过程，直接结果是全数字化产品，映射的介质是网络计算机环境。
（2）该映射是非线性迭代过程，需要多次循环直到满足要求为止。
（3）虚拟制造的结果千差万别，难以预测，因而可能是一个混沌的过程。
（4）由于人是整个系统的主体，将人的智能以控制参数的形式复合进去，该映射在一定程度上也是可控的。
由于不同的人其技术水平和经验不同，因而控制参数具有模糊特性。
3 虚拟制造的优势：1缩短了产品的研发周期2 降低了产品的研发成本3 提供了一个先进的制造系统仿真平台4 虚拟制造系统是通过对实际制造系统进行抽象，分析，综合，得到实际生产的全部数字化模型 5 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技术和软件技术。
6 虚拟制造技术的核心与关键技术：计算机仿真优化设计、三维建模技术和网络技术。
7其他的先进技术有哪些： 1 计算机集成制造系统与虚拟制造系统2 敏捷制造与虚拟制造技术3 并行工程与虚拟制造技术4 精益生产与虚拟制造技术5 绿色制造与虚拟制造技术6智能制造与虚拟制造技术1 虚拟现实（VR、Virtual Reality）又称虚拟环境（VE）：虚拟现实是由计算机生成的，通过视听触觉、嗅觉等多通道作用于用户，使之生产身临其境感的交互式计算机仿真，是一种可以创造和体验虚拟世界的计算机系统。
2，虚拟现实的特征（1）多感知性（2）沉浸感（3）自治性（4）交互性3，虚拟现实的系统组成（1）检测输入装置（2）图像生成和显示系统（3）音频系统（4）力、触觉系统（5）高性能计算机系统（6）建模系统4虚拟对象的模型主要包括：几何模型、物理模型、运动模型、声音模型等5对象的几何模型：就是用来描述对象固有形状和外表的抽象模型，通常首先用三角形或多边形构造对象的几何外形，然后对几何模型进行纹理，颜色，光照等处理，后者称之为形象建模6 几何模型的生成方法：1测试法 2 CAD法 3二维视图变换法7 纹理的定义：是指物体表面细微的凹凸不平的条纹，可以用随机扰动法生成，即在表面各点法线方向附加微小的随机扰动量，从而产生表面微观不平度。
智能制造关键技术(虚拟现实与人工智能技术)
（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。
三维软件绘制的产品模型
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虚拟现实技术制作的模型
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——收集数据、建立系统模型——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。
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二、 虚拟现实在智能制造中的应用 （一）虚拟制造定义及关键技术
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。其中后3项是虚拟制 造的核心技术。
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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。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。
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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。
总之，虚拟制造是一种能够实现产品设计、生产制造和工艺优化等全过程数字化的集成虚拟化技术。
通过虚拟现实技术等关键技术的支持，虚拟制造可以提高生产效率和产品质量，降低成本和资源消耗，是实现智能制造的重要手段。
随着计算机技术和软件技术的不断发展，虚拟制造将在各个领域展现更广阔的应用前景。
虚拟制造是智能制造的重要组成部分，它通过利用计算机技术和虚拟现实技术的集成应用，实现产品设计、工艺规划、生产制造和装配等工作的全过程数字化。
虚拟制造的目标是通过模拟和仿真技术，将产品设计、生产制造和装配过程纳入统一的虚拟环境，提高产品质量、降低成本，并实现灵活的生产模式和卓越的制造能力。
虚拟制造的核心是虚拟现实技术。
虚拟现实技术利用计算机图形学、模型重建、机器视觉等技术，将现实中的物体、场景以虚拟的方式呈现出来，用户可以通过虚拟设备与虚拟环境进行
交互。
在虚拟制造中，虚拟现实技术可以通过虚拟建模和仿真，实现对产品设计方案的优化和验证，模拟产品的生产过程和装配过程，以及对产品的性能和可靠性进行评估。
虚拟现实技术还可以实现人机协同设计和虚拟装配，提高工作效率并减少错误。
虚拟制造的应用领域十分广泛。
在航空航天领域，虚拟制造可以模拟飞机的设计和制造过程，为设计者和工程师提供全面的仿真和模拟环境。
通过虚拟制造技术，可以验证飞机的结构强度、燃料效率、噪音和振动等重要指标。
在汽车制造领域，虚拟制造可以模拟整个汽车生产过程，包括车身焊接、涂装、总装等工艺环节。
通过虚拟制造技术的应用，可以提高生产效率，降低生产成本，同时还可以进行产品质量控制和故障诊断。
在机器制造领域，虚拟制造可以模拟机械设备的加工过程，优化加工路径和加工参数，提高加工精度和生产效率。
在电子信息领域，虚拟制造可以模拟电子产品的制造工艺流程，对电路板进行布线和组装模拟，提高产品的可靠性和性能。
虚拟制造还可以支持多样化的生产模式。
传统的生产模式往往需要大量的试验和实验验证，时间成本高且风险大。
而虚拟制造可以通过仿真模拟，在虚拟环境中流程验证和优化方案，减少试验的数量和时间，提高产品的一次通过率，降低产品研发成本。
此外，虚拟制造还可以支持定制化生产，通过对客户需求的虚拟建模和仿真，实施个性化的生产计划和工艺规划。
虚拟制造的实现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和存储能力，使
得复杂的问题可以得到准确的解决。
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。
这些软件工具能够方便地对产品进行建模、仿真和评估，提供全面的数据和分析结果，帮助决策者进行决策和优化。
总之，虚拟制造作为一种集成虚拟化技术，利用计算机技术和虚拟现实技术，实现产品设计、工艺规划、生产制造和装配等全过程的数字化。
虚拟制造可以在航空航天、汽车制造、机器制造、电子信息等行业中发挥重要作用，提高生产效率、降低成本、提高产品质量和灵活性。
虚拟制造需要依托计算机技术和软件技术的支持，借助虚拟现实技术和软件工具，实现对产品和工艺的建模、仿真和优化。
未来，随着计算机技术和虚拟现实技术的不断发展，虚拟制造将在各个行业中得到更广泛的应用，为智能制造和数字化转型提供支持。