虚拟制造技术的内涵及应用
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。
虚拟制造技术的应用
虚拟制造技术
6. 计算机辅助工艺设计 CAPP系统能够完成工艺过程设计、工艺文件管理、信息集成等工艺设计,是一个将产品 数据转化成面向制造的指令性数据的重要环节,起到承上(产品设计)启下(加工制造与管理)、连 接CAD与CAM 的作用。CAPP系统的设计方法很多,典型的有基于专家系统的工具型CAPP系 统、基于产品数据管理(Product Data Management,PDM)的集成化CAPP系统及基于AI的智能 化CAPP系统等。这些CAPP系统已经在航天、汽车、电子等行业得到广泛应用。但由于 CAPP针对的是典型的跨学科的复杂问题,而工艺设计是一门经验性与技巧性很强的学科,因此 CAPP很难实用化和通用化。
1. 虚拟建模 虚拟建模是虚拟制造系统的核心,主要内容是根据产品的设计尺寸,建立三维几何模型, 它是虚拟制造的基础工作,并为其他设计、分析提供产品的数据源。虚拟建模可以通过 CAD软件实现,常用的CAD 软件包括UG、SolidEdge动力学分析 运动学分析的目的是通过考察各零部件的相对运动状态,检验机构是否发生干涉并考察 和评价系统的速度和加速度特征。动力学分析的目的是考察发射装置在发射导弹过程中,机构 的运动参数和受力情况等能否满足设计要求。 将运动部件在CAD系统中进行简化后导入动力学分析(MMS)软件中,根据零件材料对实 体模型赋予密度、惯性力矩等参数,并根据发射装置的机构运动原理对模型施加约束、载荷、 接触等作用。最后通过对虚拟样机的仿真得出导弹的分离参数、发射装置主要承力件的受力 值、发射装置机构运动时序等重要参数,可以用来生成柔性体有限元分析的外部载荷。常用的 MMS 软件有MSC.ADAMS、DADS、SIMPACK 等。
先进制造技术
虚拟制造技术
1.1 虚拟制造技术的应用情况
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。
制造业分析：虚拟制造技术与模拟实验
制造业分析：虚拟制造技术与模拟实验近年来，制造业正经历着一场全面的数字化革命。
虚拟制造技术和模拟实验在这一领域扮演着重要的角色。
本文将探讨这两种技术的含义、应用和优势，并分析其对现代制造业的影响。
虚拟制造技术：呈现数字化时代的创新•虚拟制造技术是在计算机模型和仿真环境中进行制造过程的模拟和演练，以达到优化生产效率、降低成本和提高产品质量的目的。
•通过虚拟制造技术，制造商可以在现实生产之前预测和评估不同设计方案和生产策略的效果，同时降低试错成本和时间。
•进一步地，虚拟制造技术利用三维建模、物理引擎和传感器网络等工具，使得整个生产过程可以在虚拟环境中展示和优化，以提供更好的决策支持和生产性能分析。
模拟实验：从现实世界到数据世界的过渡•模拟实验是通过构建物理或数学模型来模拟实际生产过程，以便在虚拟环境中进行测试、优化和预测。
•在模拟实验中，制造商可以使用不同的数据集合、算法和参数来模拟不同的生产情景，并观察其对生产效率和质量的影响。
•模拟实验还可以提供对复杂生产系统中的风险和不确定性进行评估的能力，从而为制造商提供更好的决策依据和操作方針。
虚拟制造技术和模拟实验对制造业的影响1. 提高生产效率•虚拟制造技术和模拟实验可以帮助制造商预测生产过程中的瓶颈和瑕疵，并提供优化建议。
通过对生产车间和设备进行全面的模拟和优化，制造商可以有效地提高生产效率，减少资源浪费和时间成本。
•同时，虚拟制造技术和模拟实验还可以帮助制造商优化供应链管理，以确保原材料的供应和产品的物流运输在整个生产过程中的高效运作。
2. 降低成本和风险•通过在虚拟环境中进行模拟和实验，制造商可以减少实际生产中的试错成本和风险。
•虚拟制造技术和模拟实验还可以帮助制造商优化设备和工艺，以减少能源消耗和废物产生，从而降低生产成本和环境影响。
3. 提高产品质量•虚拟制造技术和模拟实验使制造商能够对产品进行全面的设计和测试，并提供自动化检测和质量控制。
•通过在虚拟环境中模拟不同的生产因素和场景，制造商可以更好地了解产品的性能和稳定性，以提供更高质量的产品。
虚拟制造技术
虚拟制造与实际制造的关系
虚拟制造是实际制造（真实制造）在计算机上的 映射
虚拟制造系统是通过对实际制造系统进行抽象、 分析、综合得到实际生成的全部数字化模型
虚拟制造的最终目标是指导实际生产 虚拟制造是实际制造的抽象，实际制造是虚拟制 造的实例
几个概念
• • • • • • • • RPS: Real Physical System，真实物理系统 RIS: Real Information System，真实信息系统 VPS: Virtual Physical System，虚拟物理系统 VIS: Virtual Information System，虚拟信息系统 RPS+RIS：真实制造系统 RPS+VIS：自动化制造系统 VPS+RIS：虚拟制造系统 VPS+VIS：虚拟制造系统
3.虚拟制造系统的体系结构
• 怎样的体系结构才算好？
能把虚拟产品开发过程中的设计、制造及装配、生产调度、质 量管理等环节有机集成起来
实现产品开发全过程的信息、功能、过程的集成
实现并行运作，包括异地并行 发挥人在其中的能动性
实现人、组织、管理、技术的协同工作
支持生产活动、生产资源的分布式特性 开放式的结构：层次化的控制、即插即用等
网络层
网络及物理链路、硬件设备
西北工业大学 冯涛等
4 虚拟制造技术分类
• • • • 1996年，美国马里兰大学提出三种模式： 以设计为中心的虚拟制造(DCVM) 以生产为中心的虚拟制造(PCVM) 以控制为中心的虚拟制造(CCVM)
以设计为中心的VM
Design-Centered VM
强调以统一制造信息模型为基础，对数字化产品 模型进行仿真与分析、优化，进行产品的结构性 能、运动学、动力学、热力学方面的分析和可装 配性分析，获得对产品的设计评估与性能预测结 果，以便作出正确决策。 成功事例：美国波音公司波音777喷气式客机的研 制。仅用了3年零8个月时间，一次试飞成功，投 入运营。波音公司777客机数以万计的零部件中任 何一种的设计，观察、研究、讨论都是在计算机 上完成，所有零部件均是三维实体模型。可见虚 拟产品设计给企业带来的效益。
虚拟制造及其关键技术
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。
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。
THANKS
感谢观看
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。
虚拟制造技术
虚拟制造技术一、技术概述虚拟制造技术（Virtual Manufacturing Technology, or VMT）是80年代后期提出并得到迅速发展的一个新思想。
它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。
虚拟制造技术按其功能可划分为：1．产品的虚拟设计技术。
面向产品的原理、结构和性能的设计、分析、模拟和评测，以优化产品本身的性能、成本为目标。
2．产品的虚拟制造技术。
面向产品制造过程模拟、检验和优化，检验产品的可制造性、加工方法和工艺的合理性，以优化产品的制造工艺过程、保证产品的制造质量、制造周期和最低的制造成本为目标。
3．虚拟制造系统。
着重于生产过程的规划、组织管理、资源调度、物流、信息流等的建模、仿真与优化。
如虚拟企业、虚拟研发中心等。
虚拟制造技术是CAD／CAE／CAM／CAPP和仿真技术的更高阶段。
利用虚拟现实技术、仿真技术等在计算机上建立起的虚拟制造环境是一种接近人们自然活动的一种“自然”环境，人们的视觉、触觉和听觉都与实际环境接近。
人们在这样环境中进行产品的开发，可以充分发挥技术人员的想象力和创造能力，相互协作发挥集体智慧，大大提高产品开发的质量和缩短开发周期。
二、现状及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。
同时，支撑技术和单元技术的不断成熟和在制造业中发挥越来越大的作用，也推动了虚拟制造技术的组合和集成。
但由于各技术的相对独立性，其统一的特征模型的建立、数据共享和交换等遇到了巨大的挑战。
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虚拟制造技术的内涵及应用
摘要：虚拟制造技术是一门新兴的先进制造技术。
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。
本文分析了虚拟制造技术的内涵及特点，并提出了发展虚拟制造技术的应用。
关键词：虚拟制造内涵制造产品
虚拟制造作为信息时代制造技术的重要标志，它是不断吸收信息技术和管理科学的成果而发展起来的，这里的“制造”是一种广义的概念，即一切与产品相关的活动和过程，亦称之为“大制造”，这是相对于传统的狭义制造而言的。
“虚拟”的含义则是这种制造虽然不是真实的、物化的，但却是本质上的，也就是在计算机上实现制造的本质内容。
虚拟制造的实质是在产品制造过程的上游——设计阶段就对产品制造的全过程虚拟集成，将可能出现的问题解决在这一阶段，通过设计的最优化达到产品的一次性制造成功。
1.虚拟制造技术的内涵及其特点
1.1虚拟制造技术的内涵
虚拟制造是实际制造过程在计算机的本质实现，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在计算机上实现产品开发、制造以及管理与控制等制造的本质过程，以增强制造过程各级的决策与控制能力。
虚拟制造不是一成不变的技术，而是一个不断吸收各种高新技术而不断丰富其内涵的动态技术系统，它通过计算机虚拟环境和模型来模拟生产场景和预估产品功能、性能及可加工性等方面可能存在的问题，从而提高人们的预测和决策水平，它为工程师提供了从产品概念的形成、设计到制造全过程的三维可视及交互环境，使得制造技术走出主要依赖于经验的狭小天地，发展到了全方位预报的新阶段，它不是原有单项制造仿真技术的简单组合，而是在相关理论和已积累知识的基础上对制造知识进行系统化组织。
1.2 虚拟制造技术的特点
虚拟制造与实际制造相比，有如下特点：
(1)虚拟经营和管理。
作为虚拟制造的一个主要贡献——虚拟企业，使制造业在世界范围内的重组与集成成为可能，应用虚拟经营和虚拟管理，充分借助于企业外部力量，运用自身最强的优势和有限资源最大限度地提高企业的竞争力。
(2)高度集成。
产品与制造环境均利用仿真技术在计算机上形成虚拟模型，在设计过程中，可用计算机对其进行产品设计、制造、测试，设计人员和用户甚
至可以“进人”虚拟环境对模型的设计、加工、装配、性能进行检测。
(3)高效灵活。
开发的产品(部件)可存放在计算机里，不但大大节省仓储费用，更能根据市场变化或用户需求随时对模型进行修改，快速投入生产，缩短设计开发时间，节约设计成本，提高产品从设计、制造到销售全过程的效率，增强企业的竞争力。
(4)高度合作。
可通过互联网将世界各地的专业人员结合起来，同时在同一个模型上工作，互相交流、资源共享，以避免重复研究带来的损失，发挥各自特长，实现异地设计，异地制造，将制造业信息化与知识化融为一体。
(5)设计柔性。
如果产品设计过程中出现变故，可以将资料存入电脑，等时机成熟再进行开发，从而提高设计过程的柔性。
2.虚拟制造技术涉及的领域
虚拟制造技术涉及多个技术领域，包括仿真技术、计算机图形学、可视化技术、多媒体技术和虚拟原型技术。
虚拟制造技术通过对这些技术的综合应用来实现其特有的功能。
(1)仿真技术。
仿真技术依靠虚拟技术来模拟产品制造、生产和装配过程，使设计者可以在计算机中“制造”产品。
仿真技术让使用者接受到与现实情况相同的信息，给人一种身临其境的感觉。
系统提供人机实时交互操作、三维视觉空间和多通道的人机界面，可使人真实感觉到计算机系统创造的环境。
(2)计算机图形学(VM)。
仿真技术的发展，依靠计算机图形学来建立计算机内的数字化模型，可以表达三维立体数据，像实物一样可视、可动。
(3)可视化技术。
它可以将信号转换为图形或图像，可使观察者直观地观察其模拟与计算，从而丰富科学发现的过程。
(4)多媒体技术。
它是以计算机为核心的集图、文、声、像处理技术于一体的综合性处理技术。
多媒体技术虽然强调多种信息通道，但其感知范围不如VM 广泛，不强调人机的交互性。
(5)虚拟原型技术.它是相对于物理原型提出的概念，是具有一定功能的基于计算机的仿真系统.如果虚拟原型通过模拟工艺计划来构造，便是用VM来产生虚拟模型，因此，虚拟原型技术的发展将增强VM的能力。
每一类虚拟制造系统都是各种技术的综合应用，其中仿真技术是基础。
3虚拟制造技术在生产制造上的应用
一个产品从概念设计到投放市场，即产品的生产周期按时间顺序可分为概念设计、详细设计、加工制造、测试和培训/维护，虚拟制造技术可以在产品的全
部生产周期中各个阶段发挥重要的作用。
3.1基于虚拟制造技术的产品开发
首先考虑一下设计并构造一个新产品原型所需要的时间。
在设计过程中，设计师要考虑到产品的各个方面，以满足一定的安全性、人机工程学、易维护性和装配标准。
因此，设计过程中严格地受到生产、时间和费用的限制。
虚拟制造能完成比CAD更多的功能，CAD通常只考虑产品各个子部件的几何特征和相互间的几何约束。
而在虚拟制造中，可以将以上提到的多种所需满足的条件集成到设计过程中一并考虑，我们还能适当减少子部件数目，甚至可以按比例放缩部件尺寸，这大大降低了设计费用和原型构造时间，更进一步的达到产品用户化的目标。
例如飞机、汽车的外形设计，其形状是否符合空气动力学原理，运动过程中的阻力，其内部结构布局的合理性等。
在复杂管道系统设计中，采用虚拟技术，设计者可以“进入其中”进行管道布置，并可检查能否发生干涉。
在计算机上的虚拟产品设计，不但能提高设计效率，而且能尽早发现设计中的问题，从而优化产品的设计。
3.2 虚拟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。
使用虚拟制造技术，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。
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：
[1]孙宇. 我国虚拟制造技术发展策略浅析[J]. 长春师范学院学报，2005，(3)
[2]薛浩然. 虚拟制造技术发展策略浅析[J]. 山西电子技术，2003，(3)
[3]肖田元. 虚拟制造研究进展与展望[J]. 系统仿真学报，2004，16(9)。