虚拟制造技术及国内外研发现状Word下载.docx

1、1.虚拟制造定义 虚拟制造是一个处于发展中新概念。目前比较通行说法是：虚拟制造是实际制造过程在计算机上本质实现，即采用计算机仿真及虚拟现实技术，在高性能计算机及高速网络支持下，在计算机上群组协同工作，通过三维模型及动画，实现产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，以及企业各级过程管理及控制等产品制造本质过程，以增强制造过程各级决策及控制能力。虚拟制造也可以对想象中制造活动进行仿真，它基本不消耗现实物质资源，所进行过程是虚拟过程，所生产产品也是虚拟。虚拟制造可以分为三个层次：第一层是宏观层，指能够覆盖从产品需求、产品虚拟设计、产品虚拟生产到产品虚拟消费、报废循环整个过程，包含产品生产企

2、业所有活动以及用户消费过程，这就需要表达整个制造系统中物流、信息流、能量流，以及系统各单元间关系、约束机制等，是指高层次大系统仿真；第二层是中观层，指对加工环境仿真，包含生产系统虚拟布局、虚拟调度等生产系统仿真，也包含零件加工过程仿真，如刀具轨迹、加工过程仿真等；第三层是微观层，指加工过程中制造系统被加工件各种微观特性变化，如磨削加工中工件表面状态变化，铸造（锻压）成型过程中材料微观现象仿真等等。2.虚拟制造及其相关概念 当前，在先进制造技术研究过程中，产生了许多新概念。为了更详细地说明虚拟制造内涵，需要了解虚拟制造及其它相关概念之间关系。（1）虚拟制造和“建模及仿真（Modeling and

3、 Simulation）” 虚拟制造依靠建模及仿真技术模拟制造、生产和装配过程，使设计者可以在计算机中“制造”产品。建模及仿真是虚拟制造基础。虚拟制造是建模及仿真应用，但是它扩展了传统建模及仿真技术。虚拟制造环境下仿真是先进全方位仿真，通过虚拟现实界面，将虚拟产品及其制造、消费过程呈现于人感官，在人主观上产生产品存在感。人可以及虚拟环境发生交互作用，沉浸在计算机产生三维仿真环境中，感觉到一切都是“真实”存在，虚拟环境可以加深人们对复杂系统理解。（2）虚拟制造及虚拟现实（Virtual Reality）技术 虚拟现实是一种计算机生成动态虚拟环境，人通过适当接口置身其中，可以参及和操纵虚拟环境中仿

4、真物理模型，并且可以和过去、现在或虚拟人物进行交互。它通过各种虚拟设备如立体显示系统、听觉系统、触觉及力反馈设备等刺激人各个感知器官，使人能够及系统交互（Interaction），产生沉浸（Immersion）感，对系统进行构想（Imagination）。这三个I是虚拟现实基本特征。虚拟制造可以看作是产品设计、开发、制造过程采用虚拟现实技术实现，通过对产品及其制造过程仿真，使人从主观上产生虚拟产品及其制造过程存在感。人可以沉浸在虚拟制造环境中，通过对“产品生命全程”预演，加深人们对制造过程准确理解和直观感受。虚拟制造是多学科、多领域知识综合，其产生虚拟产品、虚拟制造系统，甚至虚拟企业，需要在计

5、算机上以直觉、生动、精确方式呈现出来，因此虚拟现实技术是其重要组成部分。（3）虚拟制造及虚拟企业 虚拟企业是指分布在不同地区多个企业利用计算机网络及信息系统作为手段，为快速响应市场需求而组成动态联盟。虚拟企业把不同地区合作伙伴现有资源（技术、信息、知识、设备等），利用网络通讯技术，迅速地组合成为一种跨行业、跨地区统一指挥、协调工作临时经营实体。构成虚拟企业企业实体可以分布于不同地域，具有不同生产规模和技术组合。在具体表现上，结盟可以是同一个大公司不同组织部门，也可以是不同国家不同公司。虚拟企业及虚拟制造没有直接相互依赖关系，虚拟企业主要强调网络，强调资源集成和共享，而虚拟制造重点是仿真产品生命

6、周期中各个活动。在虚拟企业中伙伴能够共享生产、工艺和产品信息，这些信息以数据形式表示，能够分布到不同计算环境中。虚拟制造技术可以为虚拟企业提供可合作性分析支持，为合作伙伴提供协同工作环境和虚拟企业动态组合及运行支持环境。（4）虚拟制造及精益生产 精益生产要求简化生产过程，减少信息量，消除过分臃肿生产组织，使产品及其生产过程尽可能地简化和标准化。这样做结果对虚拟制造建模仿真是十分有利，即现实生产过程越简化则虚拟制造实现起来就越容易。精益生产核心是准时化生产和成组技术。实行精益生产为虚拟制造实现创造了有利条件。（5）虚拟制造及并行工程（Concurrent Engineering） 并行工程是集成

7、地、并行地设计产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）系统方法。它要求产品开发人员在一开始就考虑到产品从概念设计到消亡整个产品生命周期中所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求。为了达到并行目，必须实现产品开发过程集成并建立产品主模型，通过它来实现不同部门人员协同工作；为了达到产品一次设计成功，减少反复，它在许多部分应用了仿真技术；主模型建立、局部仿真应用等都包含在虚拟制造技术中，可以说并行工程发展为虚拟制造技术应用提供了良好条件，虚拟制造将是以并行工程为基础，并行工程进一步发展就是虚拟制造。（6）虚拟制造及敏捷制造 敏捷制造是以竞争力和信誉度为基础，选择合作者组成虚拟公司，分工合作，为

8、同一目标共同努力来增强整体竞争能力，对用户需求作出快速反应，以满足用户需要。为了达到快速应变能力，虚拟制造为虚拟企业建立提供全方位支持，即敏捷制造是以虚拟制造技术为基础。（7）虚拟制造及绿色制造 绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废整个产品生命周期中，对环境影响（负作用）最小，资源使用效率最高。绿色制造提出是人们日益重视环境保护必然选择，发展不能以环境污染为代价，国际制造业实践表明，通过改进整个制造工艺来减少废弃物，要比处理工厂已经排放废弃物大大节省开支，因此，当虚拟制造技术发展到一定阶段时，必定要集成绿色制造并为绿色制造提

9、供技术支持。从以上分析中我们可以看到：各种先进制造技术是相互关联、彼此交叉，它们都离不开计算机网络、工程数据库技术、计算机仿真技术支持，从以技术为中心向以人为中心转变，使技术发展更加符合人类社会需要是它们共同特点。3.虚拟制造类别 虚拟制造研究都及特定应用环境和对象相联系。在虚拟制造研究过程中，由于应用对象不同，各有不同侧重点，因此出现了三个不同类别：即以设计为中心虚拟制造、以生产为中心虚拟制造和以控制为中心虚拟制造。它们分别涉及到虚拟产品生命周期中不同方面。（1）以设计为中心虚拟制造 以设计为中心虚拟制造是将制造信息加入到产品设计及工艺设计过程中，并在计算机中进行“制造”，仿真多种制造方案和

10、产生许多“软”模型，为设计者提供一个设计产品和评估产品可制造性环境。它主要支持技术包括特征造型、面向数学模型设计及加工过程仿真技术。主要应用领域包括造型设计、热力学分析、运动学分析、动力学分析、容差分析和加工过程仿真。（2）以生产为中心虚拟制造 以生产为中心虚拟制造是将仿真能力加入到生产过程模型中，其目是方便和快捷地评价多种加工过程，检验新工艺流程可信度、产品生产效率、资源需求状况（包括购置新设备、征询盟友等），从而优化制造环境配置和生产供给计划。它主要支持技术包括虚拟现实技术和嵌入式仿真技术，其主要应用领域包括工厂或产品物理布局及生产计划编排。（3）以控制为中心虚拟制造 以控制为中心虚拟制造

11、是将仿真能力增加到控制模型和实际生产过程，模拟实际车间生产，评估车间生产活动，达到优化制造过程目。它主要支持技术有：对离散制造基于仿真实时动态调度；对连续制造基于仿真最优控制。三、虚拟制造作用 目前，虚拟制造技术已经在国外有所应用，它对未来制造业和企业发展都将会产生深远影响。1.虚拟制造技术对未来制造业重大作用主要表现为：（1）运用软件对制造系统中五大要素（人、组织管理、物流、信息流、能量流）进行全面仿真，使之达到了前所未有高度集成及优化，达到“快、好、省”目，为先进制造技术进一步发展提供了更广大空间，同时也推动了相关技术不断发展和进步。（2）可加深人们对生产过程和制造系统认识和理解，有利于对

12、其进行理论升华，更好地指导实际生产，即对生产过程、制造系统整体进行优化配置，推动生产力巨大跃升。2.虚拟制造技术对企业作用表现在以下7个方面：（1）提供影响产品性能、影响制造成本、影响生产周期相关信息，以便使决策者能够正确地处理产品性能、制造成本、生产进度和风险之间平衡关系，做出正确设计和管理决策，使决策者能直观感受和准确理解各种分析结果，做出正确决策；（2）提高产品设计质量，减少设计缺陷，优化产品性能；（3）提高工艺规划和加工过程合理性，优化制造质量；（4）通过生产计划仿真，可以优化资源配置和物流管理，实现柔性制造和敏捷制造，缩短制造周期，降低生产成本；（5）通过提高产品质量、降低生产成本和

13、缩短开发周期以及提高企业柔性，以适应用户特殊要求和快速响应市场变化，形成企业市场竞争优势；（6）虚拟制造技术应用将加快企业人才培养速度。就象模拟驾驶室对驾驶员、飞行员培养所起到良好作用一样，虚拟制造也会产生类似作用。例如：可以对生产人员进行操作训练、异常工艺应急处理等；（7）通过虚拟企业概念以及具体实践组成快速响应部队，能在商战中为企业把握机遇和带来优势。四、虚拟制造研究内容及关键技术 虚拟制造技术研究内容是极为广泛，除了虚拟现实技术涉及共同性技术外，虚拟制造领域本身主要研究内容有：虚拟制造理论体系；设计信息和生产过程三维可视化；虚拟环境下系统全局最优决策理论和技术；虚拟制造系统开放式体系结构

14、；虚拟产品装配仿真；虚拟环境中及虚拟制造过程中人机协同作业等。根据各种相关技术在虚拟制造中地位，可以把这些技术划分成三个级别：核心技术级，突破技术级和一般技术级。核心技术是虚拟制造基础和关键技术，从本质上讲，核心技术定义了虚拟制造能够做什么；突破技术是指：如果没有这些技术，虚拟制造系统就不可能建立，而一般技术则是广泛使用技术，在其它领域可能是必须，但对虚拟制造是重要，也许是关键。下表给出了该三个级别各种技术：（1） 核心技术 过程特征虚拟制造方法学 装配仿真技术 产品和工艺说明性表达 虚拟制造Meta模型自然语言 费用数据库及集成 VM用户界面 VM校验及致效方法、算法和工具 工艺模型及仿真致

15、效 使用VM系统方法学 VM框架（指南，集成标准等） 设计抽象方法学 支持概念设计工具 基于制造特征工艺及费用估计工具 制造工程自动化 仿真体系结构 达到“最好设计”冲突解决 STEP技术 工作流工具 决策效果自动评价决策支持工具 面向对象、动态、函数化语言和基于事件建模 （2） 突破技术 制造过程计算机特征化 体素，子模型，顾客数据交换及联接 安全性，密码技术 综合可视化技术 （3） 一般技术 分布式并行处理及智能协同求解 知识表示方法学、协议、语法 大型集成数据库结构 面向对象数据库 机器智能 基于知识系统，基于规则系统 人工智能，神经元网络，模糊理论 软件模块化及可重构性 馄沌理论 自治

16、代理 计算机硬件性能，高性能计算 联网/通讯 五、虚拟制造技术在制造业中应用 目前，虚拟制造技术应用效果比较明显10个方面如下：1.产品外形设计 例如，传统汽车外形造型设计多采用塑料制作外形模型，要通过多次评测和修改，费工费时。采用虚拟技术外形设计，可随时修改、评测，方案确定后建模数据可直接用于冲压模具设计、仿真和加工，甚至用于广告和宣传。在其它产品（如飞机、建筑和装修、家用电器、化妆品包装等）外形设计中同样有极大优势。2.产品布局设计 在复杂产品布局设计中，通过虚拟技术可以直观地进行设计，避免可能出现干涉和其它不合理问题。例如，工厂和车间设计中机器布置、管道铺设、物流系统等都需要该技术支持。

17、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，并检查可能干涉等问题。3.产品运动和动力学仿真 在产品设计阶段就能展示出产品行为，动态表现产品性能，产品设计必须解决运动构件工作时运动协调关系、运动范围设计、可能运动干涉检查、产品动力学性能、强度、刚度等。例如，生产线上各个环节动作协调和配合是比较复杂，采用仿真技术，可以直观地进行配置和设计，保证工作协调。4.热加工工艺模拟 针对金属材料热成形过程技术难点（高温、动态、瞬时、难以控制质量），从材料成形理论分析入手，通过数值模拟和物理模拟方法，使得基础理论能直接定量地指导金属材料热成形过程，并对材料成形过程进行动态仿真，预测不同

18、条件下成形后材料组织、性能及质量，进而实现热成形件质量及性能优化设计，最大限度地发挥材料性能潜力，为关键重大装备一次制造成功提供技术支持。5.加工过程仿真 产品设计合理性、可加工性、加工方法、机床和工艺参数选用，以及加工过程中可能出现加工缺陷等，这些问题需要经过仿真、分析及处理。6.产品装配仿真 机械产品配合性和可装配性是设计人员常易出现错误地方，以往要到产品最后装配时才能发现，导致零件报废和工期延误，造成巨大经济损失和信誉损失。采用虚拟装配技术可以在设计阶段就进行验证，确保设计正确性，避免损失。7.虚拟样机及产品工作性能评测 首先是进行产品立体建模，然后将这个模型置于虚拟环境中控制、仿真和分

19、析，可以在设计阶段就对设计方案、结构等进行仿真，解决大多数问题，提高一次试验成功率。采用虚拟现实技术，还可以方便、直观地进行工作性能检查。8.产品广告及漫游 用虚拟现实或三维动画技术制作产品广告具有逼真效果，不仅可显示产品外形，还可显示产品内部结构、装配和维修过程、使用方法、工作过程、工作性能等，尤其是利用网络进行产品介绍，生动、直观，广告效果很好。网上漫游技术使人们能在城市、工厂、车间、机器内部乃至图样和零部件之间进行漫游，直观方便地获取信息。9.企业生产过程仿真及优化 产品生产过程合理制定、工厂人力资源、制造资源合理配置，对缩短生产周期和降低成本有重大影响。10. 虚拟企业可合作性仿真及优

20、化 虚拟制造系统可以为虚拟企业提供可合作性分析支持，为合作伙伴提供协同工作环境和虚拟企业动态组合及运行支持环境。虚拟制造系统可以将异地、各具优势研究开发力量，通过网络和视像系统联系起来，进行异地开发，网上讨论。从用户订货、产品创意、设计、零部件生产、总成装配、销售以至售后服务这一全过程中各个环节都可以进行仿真，为虚拟企业动态组合提供支持。六、虚拟制造技术国内外研究概况 （一）国外研究概况 由于虚拟制造技术具有诱人应用前景，促使发达国家对其进行深入研究，并已出现许多成功应用范例。国外以美国为首西方工业国家成立了相应虚拟制造研究机构，在95年前已基本完成应用基础技术研究，建立了虚拟制造技术体系，正

21、向实际应用全面过渡。1.主要研究机构 （ 北美 在美国已形成了由政府、产业界、大学组成多层次、多方位综合研究开发力量。主要研究机构有：（1）美国国家标准及技术局（NIST）制造工程实验室 该实验室专门设有制造系统集成部（Manufacturing Systems Integration Division, MSID）。该部由多个不同研究小组组成，分别负责研究和开发实现计算机辅助集成制造系统所需要各种标准和技术。它提供诸如分布式虚拟制造、柔性计算机集成制造和并行工程等领域框架技术知识。它在这一领域研究中比较著名是提供了开放式虚拟现实测试床（OVRT）和国家先进制造测试床（NAMT）。（2）美国波

22、音-麦道飞机制造公司 该公司不断提出新制造理念和尝试新制造技术。在继成功应用并行工程技术后，又采用虚拟制造技术成功地将整机产品设计周期大大缩短。波音-麦道公司在虚拟制造方面研究主要在应用领域。（3）美国Maryland大学系统研究学院 CIM实验室 该实验室主要以CIM领域最新技术为研究主题，范围覆盖工厂层和车间层问题。研究重点则是在复杂制造系统建模工具开发和应用及用于产品开发全过程并行工程工具开发和应用。该室自1994年起开始虚拟制造研究， 提出了三个中心虚拟制造分类方法，获得国际学术界认同，其虚拟制造web站点在虚拟制造领域具有较高知名度。（4）美国Michigan大学虚拟现实实验室 该实

23、验室研究工作主要集中于虚拟环境工业应用方面。他们关注是工程设计虚拟原型构筑（virtual prototyping），这方面工作特别针对汽车和海洋工业应用；其次是制造过程仿真以及相关工程应用。另外，也包括虚拟现实在事故仿真、医学、建筑、考古、教育和其它领域应用。（5）美国TEXAS大学ARLINGTON分校自动化及机器人研究院 该大学研究院有关虚拟制造主要研究领域在较低层虚拟制造环境研究上。在这方面主要研究工作是通过为 Lockeed Martin Vought Systems和Honeywell Space Systems Division两家公司Affordable Multi-Missi

24、le Program （AM-3）项目提供柔性制造系统原型开发和虚拟工厂建模环境来展开。（6）华盛顿州立大学虚拟现实和计算机集成制造实验室 该实验室工作主要也是集中在虚拟现实技术在制造领域应用。（7）Purdue大学工学院协同制造研究中心 该中心研究项目中包含一些及虚拟制造相关课题，如零件族CAD方法学，应用虚拟现实接口进行零件反复性设计，基于特征CAD,加工单元图形仿真，产品模型和建模方法等。（8）Iowa州立大学虚拟现实应用研究中心 该中心正在从事虚拟原型构造及可视化方面研究。主要项目有：交互式结构分析，交互式球形结构综合（Isis - Interactive Synthesis of S

25、pherical Mechanisms），及John Deere公司合作应用虚拟现实进行产品开发项目，工程设计优化用虚拟现实环境，轴向活塞泵动态模型，动态统计数据挖掘利用，交互式模块化建模，计算流体动力学可视化分析，高维数据可视化分析等。（9）美国东北大学虚拟环境实验室 该实验室主要开展是车辆驾驶员虚拟环境研究。正在从事项目有：基于虚拟环境驾驶仿真器，用户角度出发道路和交通状况动态可视化研究，恶劣环境（强光、雨天和大雾）适用驾驶仿真器，高速公路驾驶仿真等一系列及驾驶有关虚拟环境研究项目。（10）美国伊利诺斯大学芝加哥分校机械系工业虚拟现实研究所 该研究所主要从事工业及制造应用相关，尤其是及制造

26、设计、工艺处理、后勤学、运输及发售、决策支持等相关虚拟现实技术研究。工厂及工艺过程模型、远程工程和产品仿真。加拿大WATERLOO大学机械工程系和集成制造系统管理研究中心都有部分及虚拟制造相关研究项目。（ 欧洲 在欧洲，许多大学和研究机构通过相互间合作并联合企业进行虚拟制造技术研究工作。（1）英国Bath大学机械工程系 该系研究方向之一制造过程及系统将虚拟制造列为一项研究内容。其虚拟制造研究主要侧重点在支持虚拟制造CAD/CAM仿真软件开发应用方面。主要成就在于用 OpenInventor2.0软件工具开发出了基于自己Svlis几何造型工具虚拟制造系统。（2）英国Leeds大学计算机研究学院

27、该大学研究主要集中在虚拟原型构造和仿真以及可视化技术方面。（3）英国Loughborough大学 该大学对虚拟制造研究主要面向建筑工业应用。主要项目是及法国合作ProMICE（Product and Process Models Integration for Concurrent Engineering）项目。该项目目标是开发基于并行工程原则产品和过程建模通用集成模型。（4）英国Herriot-Watt大学机械及化学工程系 该系虚拟制造研究小组从1993年开始虚拟现实技术研究，目前正从事及虚拟装配有关一系列研究工作，他们目标是为工业应用提供各种虚拟现实工具，最终实现虚拟原型。有关项目有运用浸入式虚拟现实技术设计和定位电缆套索，虚拟装配规划和知识获取，虚拟环境中对象形变研究，虚拟环境中冲突检测研究，基于特征识别NC零件编程，基于特征设计，虚拟测试等。（5）芬兰Pohjois-Savo理工学院 该机构正在从事虚拟工厂项目研究。（ 日本 在日本，已形成了以大阪大学为中心研究开发力量，主要进行虚拟制造系统建模和仿真技术研究，并开发出了虚