虚拟制造技术的发展与应用研究
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。
虚拟制造技术的相关概念及其应用
虚拟制造技术的相关概念及其应用【摘要】虚拟制造技术是一种基于计算机仿真和虚拟现实技术的创新性制造方法。
它通过数字化建模和仿真，实现了全生命周期的产品设计、工艺规划、生产执行、质量控制和维护管理等各个阶段的优化和智能化。
在产品设计阶段，虚拟制造技术可以帮助设计师实现产品的虚拟验证和优化设计；在工艺规划阶段，它可以模拟制造过程，提高生产效率；在生产执行阶段，它可以优化生产计划和资源调配，实现智能化制造；在质量控制阶段，它可以实时监测和调整生产过程，确保产品质量；在维护管理阶段，它可以预测设备故障和优化维护方案。
未来，虚拟制造技术的发展趋势是向更智能、更数字化、更集成化的方向发展，其重要性和应用前景将会逐渐凸显。
【关键词】虚拟制造技术、产品设计、工艺规划、生产执行、质量控制、维护管理、未来发展趋势、重要性、应用前景。
1. 引言1.1 虚拟制造技术的定义虚拟制造技术是一种利用计算机仿真和虚拟现实技术，将产品的设计、工艺规划、生产执行、质量控制和维护管理等各个阶段都进行虚拟模拟和优化的先进制造技术。
通过虚拟制造技术，可以在产品实际制造之前进行全面的数字化仿真，及时发现和解决问题，降低生产成本，缩短产品开发周期，提高产品质量和生产效率。
虚拟制造技术的发展已经经历了多个阶段，从最初只能进行简单模拟的2D平面图到今天可以实现高度真实感的3D虚拟仿真。
随着计算机性能的不断提升和虚拟现实技术的成熟，虚拟制造技术正在逐渐成为制造业中不可或缺的重要技术手段。
通过虚拟制造技术，企业可以在产品整个生命周期中进行全面的数字化管理和优化，提高整体竞争力，实现智能制造的目标。
1.2 虚拟制造技术的发展历程虚拟制造技术的发展历程可以追溯到上个世纪80年代初。
当时，随着计算机技术的不断发展和成熟，虚拟制造技术开始引起人们的关注。
最初，虚拟制造技术主要应用于汽车、航空航天等行业，用来验证产品设计方案和模拟生产过程。
随着计算机性能的不断提升和软件技术的不断完善，虚拟制造技术在逐渐扩展到了更多的领域，如电子产品、机械设备等。
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
虚拟制造技术研究及其发展
程
（ ） 拟 制 造 系统 评 价 ： 制造 性 、 艺 性 、 靠 性 、 ９虚 可 工 可 经济性、 质量 、 期 等 。 工
２２ 硬 件 配 置 ．
（） １输入 、 出（ ／ｕ） 输 ＩＯ ｔ ｎ 设备 ： 基于 Ｃ Ｔ和 Ｌ Ｄ的头 Ｒ Ｃ
Ｊ３ 虚拟 制造 的分 类 ．
盔显示器 （ Ｍ 、 Ｈ Ｄ）普通计算机显示器 、 投影系统 、 可视化 从广义上讲 ， 制造过程不仅包括了产品的设计加工 、 眼镜 、 数据手套 、 数据背心 、 蹋滚 、 摇杆 、 触垫、 耳机和音响 装配， 还包 含 了对企 业生 产活 动 的组 织与 控制 。 这 个观 系统 等 ； 从
的数据结构和分布式数据管理系统 ，它是一个可视化 的 力 学 分 析 、 动 学 分 析 、 力 学 分 析 、 差 分 析 和 加 工 数 字 产 品模 型 ，具 有所 代 表 的对 象 具 有 的各种 性 能 和特 运 动 容 过程仿真 。 征 ， 能 并 行地 处 理 设 计 分析 、 工 制 造 、 产组 织 与 调 并 加 生
检 验新 工 艺 流程 的可 信度 、 品 的生 产 效 率 、 源 的需 求 产 资 状 况 （ 括购 置新 设 备 、 询盟 友 等 ）从 而优 化 制造 环境 包 征 ， 的配置 和 生产 的供 给计 划 。它 的主要 支持 技 术 包括 虚 拟
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。
机械工程设计中的虚拟制造技术探讨
机械工程设计中的虚拟制造技术探讨随着现代科技的不断发展，虚拟制造技术在机械工程设计领域中越来越受到重视。
虚拟制造技术是一种基于计算机模拟的技术，它可以模拟生产过程，通过不断的优化而实现完美的设计。
这种技术已经成为许多工程项目的关键部分，因为它可以帮助机械工程师和设计师尽早发现和解决潜在的问题，加速项目进程，减少开发成本。
虚拟制造技术的优势主要体现在以下几个方面:1. 提高设计速度：虚拟制造技术可以在未实际生产产品前通过计算机模拟得到完整的生产流程，这样设计师可以及早发现产品中的缺陷和问题，并进行修正和改进。
这样不仅可以避免出现不能生产的产品样品，而且可以大大缩短产品开发周期。
2. 降低成本：虚拟制造技术可以在没有实际物料投入的情况下建立数字模型，通过计算机程序进行仿真和模拟，而不是通过实际物料和试错的方式进行。
这样可以大大减少实验室材料和人力资源的成本。
3. 提高产品质量：虚拟制造技术可以在数字模型中进行预实验和调试，无需实际制造，提高了产品的质量和性能。
1. 3D仿真：3D仿真是通过数字化的方式将产品的外观、结构和运动形态等信息以三维的形式展现出来，使用者可以通过操纵该产品的数字模型进行交互式的仿真和测试。
2. 虚拟装配：虚拟装配是通过计算机软件将不同零部件或装配体的数字模型进行组合，以此来实现装配的过程，并预先对设计中可能出现的问题进行分析和解决。
3. 数字孪生技术：数字孪生是将实际物理对象和数字模型互相关联的技术，采用传感器、算法和计算机技术来实现精确、实时的数据采集和分析，从而掌握实际生产过程中的状态和效率。
虚拟制造技术为机械工程设计师和生产厂家提供了一种开拓创新的方法，它可以让设计者与制造者更加深入了解产品，准确了解产品的特性和机能，从而设计出更好的产品，并在生产过程中实现更高的效率和成本控制。
然而，虚拟制造技术仍然存在着一些难点和挑战。
例如，虚拟制造技术存在着精度、复杂度和可靠性等难点，在实施过程中需要经验丰富的技术人员进行技术支持和实施指导。
智能制造中的虚拟制造技术应用研究
智能制造中的虚拟制造技术应用研究智能制造一词是近年来越来越热门的话题。
在这个数字化、网络化的时代，智能化生产的重要性越来越明显。
智能制造不仅可以提高生产效率、优化生产流程、降低成本、提高产品质量，还能为企业带来更高的竞争力。
而虚拟制造技术，则是智能制造的重要支持。
虚拟制造技术是指基于计算机模拟和仿真技术，在数字化环境中完成的产品生产过程的仿真分析。
它可以在实际制造之前分析、优化设计，可以在没有实际物理设备的情况下进行仿真测试。
虚拟制造技术可以有效减少实际制造中的试错成本和时间，提高生产效率和产品质量。
虚拟制造技术在智能制造中应用广泛。
下面，就从产品设计、生产过程控制、优化管理等方面，介绍虚拟制造技术在智能制造中的应用。
一、产品设计产品设计是智能制造的第一步。
虚拟制造技术可以在设计阶段对整个产品进行数字化建模和仿真分析。
设计人员可以通过虚拟场景，观察产品在工作状态下的表现，测试产品的耐久性、稳定性、可靠性等性能。
虚拟制造技术还可以模拟出一系列的生产流程，可以提前预判可能会发生的问题，从而优化设计。
虚拟制造技术还可以支持产品的人机交互界面设计。
设计人员可以通过虚拟场景，观察和测试产品外观、功能、用户操作等一系列因素。
二、生产过程控制虚拟制造技术可以在生产过程中模拟虚拟设备的运作，分析设备的性能、使用寿命、维修等方面的问题。
这些分析结果可以作为控制生产过程的参考依据，从而达到优化生产流程的目的。
虚拟制造技术还可以帮助工程师进行调试和优化。
在实际制造之前，可以先在数字化模拟环境下进行测试，从而避免实际制造中的试错成本和时间。
生产过程中，虚拟制造技术可以提前发现可能发生的问题，从而能够进行相应的调整和改进。
三、优化管理智能制造具有高度的数字化和网络化特点，对于企业管理提出了更高的要求。
虚拟制造技术可以支持各个方面的优化管理。
例如，可以通过虚拟场景进行生产计划分析和优化，提高生产效率和生产计划的精准性。
虚拟制造技术还可以支持全面的质量控制，通过监控整个生产流程、分析数据和指标等方式，实现全面的质量管理。
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进 行 评 估 优 化 ． 定 合 理 的 生 产 组 织 方 式 决 ” 以 控 制 为 中 心 的 虚 拟 制 造 ”是 将 仿 真 能 力 加 人 到设 备 控 制 模 型 中 ． 供 实 际 生产 过 程 中 的 虚 拟 环 境 ． 企 业 在 考 虑 车 间 提 使 控 制 行 为 的基 础上 对 制 造 过 程 进 行优 化 控 制
提 出 的 概念 ． 在 世 纪 年 代 得 到重 视 和 发 展 是 以虚 拟 现 实 和 产 品 信 息 反 馈 。 定 是否 要修 改 设 计 而在 虚 拟 制 造 中， 以 随 并 它 决 可 仿 真技 术 为 基 础 。 产 品 的设 计 、 生 产 过 程 统 一 建 模 ． 计 算 机 时 在 设 计 过 程 中检 验 可 制 造 性 和 可装 配性 。 便 的修 改 模 型 ， 对 在 方 信 上 实 现 产 品 从 设 计 、 工 、 配 、 验 直 至 整 个 生 命 周 期 的模 拟 息 反 馈更 为 及 时 加 装 检 和 仿 真 。这里 所 说 的制 造 过 程 ， 括 产 品 级 的 制 造 和 企 业 级 的 生 包 ｆ） 高 产 品 质 量 。虚 拟 制 造 过 程 通 过 对 多 种 制 造 方 案 进 行 ２提 产 管理 ． 际上 称 之 为 ”大 制 造 ”一 目前 国 际 上 对 虚 拟 制 造并 仿 真 。 化 产 品 设 计 和工 艺 设 计 ． 补 了传 统 制 造 业 靠 经 验决 定 国 优 弥
的发 展 ， 其 中 包 括 计 算 机 图形 学 技 术 、 感 器 技 术 、 统 集 成 这 传 系
” 以生 产 为 中心 的 虚 拟 制 造 ”是 将 仿 真 信 息 加 人 到 生 产 计 技 术 等 从 制 造 技 术 的 角 度 讲 可 将 虚 拟 制 造 技 术 的 体 系结 构 分 划模型中． 以便 快速 便 捷 的评 价 多 种 生 产 计 划 。 化生 产 计 划 和 为 以 下 ３大 主 体 技 术 群 ， 建 模 技 术 群 、 真 技 术 群 、 制 技 术 优 即 仿 控 制 造 环 境 的 配 置 主要 是 根 据 企 业 现 有 资 源 对 不 同的 加 工 过 程 群 ． 拟 制造 技术 研 讨 会 上 将 其 进 一 步 细 化 为 １ 虚 ３个 技 术 领域 和
（ 降 低 资 源 消耗 。 由 于虚 拟 制 造 在 计 算 机 中 进 行 ， 不 消 ３ １ 并
ｆ１ 高 企 业 柔 性 生 产 能 力 。 强 企 业 决 策 准 确 性 。 决 策 者 ４提 增 可以在虚 拟制 造 中了解产 品性能 、 造成本 、 产进度 等信息 ， 制 生
类 ． 出 了”个 中心 ”的 分 类 方 法 ， ”以 产 品 为 中 心 的 虚 拟 制 耗 实 际生 产 所 需 的 物 理 材 料 ． 少 了材 料 浪 费 和 刀 具 磨 损 提 即 减
产 品 设 计 及 工 艺过 程存 在 的 问题
虚 拟 制 造 涉 及 的技 术 领 域 十 分 广 泛 ． 其 软 件 实 现 和人 机 从
性 、成 本 等 进 行 分 析． 化 产 品 设 计 和 工 艺 设 计 ， 优 以期 尽 早 发 现 接 口而 言 ． 拟 制 造 的 实 现 在 很 大 程 度 上 取 决 于 虚 拟 现 实技 术 虚
实施 虚 拟 制 造 的 收 益 ， 拟 制 造 的 关键 技 术 及 目前 的 研 究 与 应 用 现 状 等 ， 对 虚 拟 制 造 的 应 用 前 景 及 发 展 方 向进 行 展 望 。 虚 并
【 关键词】 虚拟制造（ Ｍ） ： Ｖ ； 实际制造（Ｍ） 用关键技术 Ｒ ； 应
虚 拟 制 造 技 术 正 是在 强 调 柔 性 和 快 速 的前 提 下 于 世 纪 年 代 计 一 规 模 化 大 生 产 的 串行 式 结 构 ． 有 在 试 制 出样 品 后 才 进 行 只
２１ ０ ０年第 ７期
福
建 电
脑
２ ９
虚 拟制造技术 的发展 与应用研 究
彭 纳
（西 南科 技 大 学计 算机 学 院 四 川 绵 阳 ６ １ １ ） ２００
【 摘
要 】 对虚 拟制造技 术 的发 展与应 用进行 论述重点介 绍虚拟制造 产生的 背景相 涵义虚拟制造与 实际制 造的关 系， ：
” 以产 品为 中心 的虚 拟 制 造 ”是 将 制 造 信 息 加 人 到 产 品设 有 助 于决 策 者 把 握 利 润 与 风 险 之 问 的 平 衡
计 与 工 艺 设 计 过 程 中． 计 算 机 中 生 成 制 造 过 程 原型 ． 多种 制 虚 拟 制造 的关 键 技 术 在 对 造 方 案 进 行 仿 真 ， 数 字 化 产 品 模 型 的性 能 、 制 造 性 、 装 配 对 可 可
没 有 统 一 的 定 义 ． 月 在 美 国 俄 亥 俄 州 举 办 的虚 拟 制 造 用 户 专 加 工 方 案 的 不 足 ． 高 了产 品质 量 年 提
题 讨 论 会 上 ． 们 根 据 制 造 过 程 的侧 重 点 不 同将 虚 拟 制 造 分 为 人
造 ”、 ”以生 产 为 中 心 的 虚 拟 制 造 ”和 － 以控 制 为 中心 的虚 拟 制 － 造 ”． 得 国际 学 术 界 的 认 同 获
这 三 类 虚 拟 制 造 的 比较 见 表 １ ：
类型 目标 要解决的问题 设计出来的产品是什么样的？ 这样组织生产合理吗？ 应如何去控制？
４ ４项 技 术 。
虚 拟 现实 技 术
” 拟 现 实 ”ｖ １ 的 概 念 是 ２ 虚 ｒＲ ， ０世 纪 ８ Ｏ年 代 初 美 国 公 司 的 创 建 人 之 一 提 出来 的． 认 为． 拟 现 实 意 味着 ”用 电子 计 算 机 他 虚 合 成 的人 工 世 界 。 ”虚 拟 现 实 强 调 ”身 临其 境 ”的 感 觉 。 们 可 人 以在 虚 拟 环 境 中看 、 、 摸 、 作 物 体 ， 同 在 现 实 环 境 中一 听 触 操 如