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1、第5章 现代制造系统,5.1 虚拟制造技术（VM） 5.2 计算机集成制造系统（CIMS） 5.3 并行工程（CE） 5.4 精益生产（LP） 5.5 敏捷制造（AM） 5.6 绿色制造,5.1 虚拟制造技术（VM）,随着全球知识经济的兴起和快速变化，竞争日益激烈的市场对制造业提出了更为苛刻的要求。虚拟制造（Virtual Manufacturing，VM）技术是在20世纪90年代以后，虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术发展成熟以后出现的一种全新的先进制造技术。 5.1.1 虚拟现实的概念 这里的“虚拟”不是虚幻或者虚无，而是指物质世界的数字化，也就是对真实世界的动态模拟和再
2、现，即虚拟现实。它是通过综合利用计算机图形系统和各种显示和控制等接口设备，在计算机上生成可交互的三维环境，同时，向操作者提供“沉浸”感觉。操作者感觉他自己的视点或身体的某一部分,下一页,返回,5.1 虚拟制造技术（VM）,处于计算机生成的虚拟空间之中。这种由计算机生成的、可跟使用者交互的三维环境称为虚拟环境；而由图形系统及各种接口设备组成的，用来产生虚拟环境并提供沉浸感觉以及交互性操作的计算机系统称为虚拟现实系统。虚拟现实系统大大提高了人与计算机间的和谐程度，利用虚拟现实系统，可以对真实世界进行动态模拟，计算机能够跟踪用户的输入，及时按修改模拟指令获得虚拟环境，使用户和模拟环境之间建立起一种实
3、时交互性关系，从而使用户产生身临其境的沉浸感觉，成为一种有力的仿真工具。,上一页,下一页,返回,5.1 虚拟制造技术（VM）,一个完整的虚拟现实系统包含操作者、计算机及人机接口三个基本要素。操作者在系统中处于主导地位，在虚拟环境中漫游，同时，根据需要发出观察和操作需要的指令，操纵计算机实现环境的虚拟；计算机是虚拟环境的核心，接收操作者指令，通过运算，生成用户能与之交互的虚拟环境；人机接口则是大量传感与控制装置，将虚拟环境与操作者连接起来。 5.1.2 虚拟制造的概念和分类 虚拟制造是实际制造过程在计算机上的一种虚拟，即虚拟现实技术在制造中的应用或者实现。这一全新的制造模式最早由美国于1993年
4、首先提出，目前还没有统一的定义，通俗地说，虚拟制造技术是采用计算机仿真与虚拟现实技术，在高性能计算机及高速网络的支持下，在计算机上创造一个虚拟的制造,上一页,下一页,返回,5.1 虚拟制造技术（VM）,环境，操作者身处其中，可以虚拟实现产品的设计、工艺规则、加工制造、性能分析、质量检验，包括企业各级过程的管理与控制等产品制造。通过这个过程，可以增强人们对制造过程各级的决策与控制能力。 虚拟制造包括与产品开发制造有关的工程活动的虚拟，同时也涉及与企业组织经营有关的管理活动的虚拟。因此，虚拟设计、生产和控制机制是虚拟制造的有机组成部分，按照这种思想可以将虚拟制造分成三类，即以设计为中心的虚拟制造、
5、以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造。 由于虚拟制造基本不消耗资源和能量，也不生产实际产品，而是产品的设计、开发与制造过程在计算机上的本质实现，因此，虚拟制造引起了人们的广泛关注，成为现代制造技术,上一页,下一页,返回,5.1 虚拟制造技术（VM）,发展中最重要的模式之一，而且，已经出现了许多成功的应用实例。 以设计为中心的虚拟制造又称为“面向设计的虚拟制造”，它把制造信息引入到设计的全过程，利用仿真技术来优化产品设计，从而在设计阶段就可以对所设计的零件甚至整机进行可制造性分析，包括加工过程的工艺分析、铸造过程的热力学分析、运动部件的运动学分析和动力学分析等，甚至包括加工时间、加工费
6、用、加工精度分析等。它主要解决的问题是“设计出来的产品是怎样的”，能在三维环境下进行设计产品、模拟装配及产品虚拟开发等。 以生产为中心的虚拟制造又称“面向生产的虚拟制造”，是在,上一页,下一页,返回,5.1 虚拟制造技术（VM）,生产过程模型中融入仿真技术，以此来评价和优化生产过程，以便低费用、快速地评价不同的工艺方案、资源需求规划、生产计划等。其主要目标是对产品的“可生产性”进行评价，解决“这样组织生产是否合理”的问题，能对制造资源和环境进行优化组合，提供精确的生产成本信息，便于进行合理化决策，。 以控制为中心的虚拟制造又称“面向控制的虚拟制造”，是将仿真加到控制模型和实际处理中，达到优化制
7、造过程的目的。其支持技术主要基于仿真的最优控制，其具体的实现工具是虚拟仪器，它利用计算机软硬件的强大功能，将传统的各种控制仪表和检测仪表的功能数字化，并可灵活地进行各种功能的组合。它主要是解决“应如何去控制”、“这样控制是否合理和最优”的问题。,上一页,下一页,返回,5.1 虚拟制造技术（VM）,5.1.3 虚拟制造体系结构 为了实现“在计算机里进行制造”的目的，虚拟制造技术必须提供从产品设计到生产计划和制造过程优化的建模和模拟环境。由于虚拟制造系统的复杂性，人们从不同角度构建了许多不同的虚拟制造系统体系结构。图5-1所示为清华大学国家CIMS工程技术中心提出的虚拟制造体系结构，它是一个基于P
8、DM集成的虚拟加工、虚拟生产和虚拟企业的系统框架结构，归纳出虚拟制造的目标是对产品的“可制造性”、“可生产性”和“可合作性”的决策支持。 虚拟制造事实上研究的是产品的可制造性，所谓“可制造性”是指所设计的产品（包括零件、部件和整机）的可加工性,上一页,下一页,返回,5.1 虚拟制造技术（VM）,（铸造、冲压、焊接、切削等）和可装配性；而“可生产性”是指企业在已有资源（如设备、人力、原材料等）的约束条件下，如何优化生产计划和调度，以满足市场或顾客的要求；考虑到制造技术的发展，虚拟制造还应对被喻为21世纪的制造模式“敏捷制造”提供支持，即为企业动态联盟的“可合作性”提供支持。而且上述三个方面对一个
9、企业来说是相互关联的，应该形成一个集成的环境。因此，应从三个层次(即虚拟开发、虚拟生产和虚拟企业)开展产品全过程的虚拟制造技术及其集成的虚拟制造环境的研究，包括产品全信息模型、支持各层次虚拟制造的技术并开发相应的支撑平台，以及支持三个平台及其集成的产品数据管理技术. 虚拟加工平台支持产品的并行设计、工艺规划、加工、装配及维修过程，进行可加工性分析（包括性能分析、费用估计,上一页,下一页,返回,5.1 虚拟制造技术（VM）,、工时估计等）。它是以全信息模型为基础的众多仿真分析软件的集成，包括力学、热力学、运动学、动力学等可制造性分析。虚拟加工平台的内容包括：基于产品技术复合化的产品设计与分析，除
10、了几何造型与特征造型等环境外，还有运动学、动力学、热力学模型分析环境等；基于仿真的零部件制造设计与分析，包括工艺生成优化、工具设计优化、刀位轨迹优化、控制代码优化等；基于仿真的制造过程碰撞干涉检验及运动轨迹检验虚拟加工、虚拟机器人等；材料加工成形仿真，包括产品设计、加工成形温度场、应力场、流动场的分析，加上加工工艺优化等；产品虚拟装配，根据产品设计的形状特征、精度特征、三维真实地模拟产品的装配过程，并允许用户以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程，以检验产品的可装配性。,上一页,下一页,返回,5.1 虚拟制造技术（VM）,5.1.4 虚拟制造的关键技术 虚拟制造的实现主要依赖于CAD/CAE
11、/CAM和虚拟现实等技术，可以看作是CAD/CAE/CAM发展的更高阶段。虚拟制造不仅要考虑产品，还要考虑生产过程；不仅要建立产品模型，还要建立产品生产环境模型；不仅要对产品性能进行仿真，还要对产品加工、装配和生产过程进行仿真。因此，虚拟制造涉及的技术领域极其广泛，但一般可以归结为两个方面，一方面是侧重于计算机以及虚拟现实的技术，另一方面则是侧重于制造应用的技术。,上一页,下一页,返回,5.1 虚拟制造技术（VM）,1虚拟现实技术 虚拟现实系统是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，包括操作者、机器和人机接口三个基本要素。和一般的计算机绘图系统或模拟仿真系统不同的是，虚拟现实系统不仅能让用户
12、真实地看到一个环境，而且能让用户真正感到这个环境的存在，并能和这个环境进行自然交互，使人产生一种身临其境的感觉。虚拟现实系统的特征有： （1）自主性：在虚拟环境中，对象的行为是自主的，是由程序自动完成的，要让操作者感到虚拟环境中的各种生物是“有生命的”和“自主的”，而各种非生物是“可操作的”，其行为符合各种物理规律。,上一页,下一页,返回,5.1 虚拟制造技术（VM）,（2）交互性：在虚拟环境中，操作者能够对虚拟环境中的生物及非生物进行操作，并且操作的结果能够反过来被操作者准确地、真实地感觉到。 （3）沉浸感：在虚拟环境中，操作者应该能很好地感觉各种不同的刺激，存在感的强弱与虚拟表达的详细度、
13、精确度和真实度有密不可分的关系。强的存在感能使人们深深地“沉浸”于虚拟环境之中。 2制造系统建模 制造系统是制造工程及所涉及的硬件和相关软件组成的具有特定功能的一个有机整体，其中硬件包括人员、生产,上一页,下一页,返回,5.1 虚拟制造技术（VM）,设备、材料、能源和各种辅助装置，软件包括制造理论、制造技术（制造工艺和制造方法等）和制造信息等。 虚拟制造要求建立制造系统的全信息模型，也就是运用适当的方法将制造系统的组织结构和运行过程进行抽象表达，并在计算机中以虚拟环境的形式真实地反映出来，同时构成虚拟制造系统的各抽象模型应与真实实体一一对应，并且具有与真实实体相同的性能、行为和功能。 制造系统
14、模型主要包括设备模型、产品模型、工艺模型等。虚拟设备模型主要针对制造系统中各种加工和检测设备，建立其几何模型、运动学模型和功能模型等。制造系统中的产品模型需要建立一个针对产品相关信息进行组织和描述的集成产品模型，它主要强调制造过程中产品和周围环境之间，,上一页,下一页,返回,5.1 虚拟制造技术（VM）,以及产品的各个加工阶段之间的内在联系。工艺模型是在分析产品加工和装配的复杂过程以及众多影响因素的基础上，建立产品加工和装配过程规划信息模型，是联系设备模型和产品模型的桥梁，并反映两者之间的交互作用。工艺模型主要包括加工工艺模型和装配工艺模型。 3虚拟产品开发 虚拟产品开发又称为产品的虚拟设计或
15、数字化设计，主要包括实体建模和仿真两个方面，它是利用计算机来完成整个产品的开发过程，以数字化形式虚拟地、可视地、并行地开发产品，并在制造实物之前对产品结构和性能进行分析和仿真，实现制造过程的早期反馈，及早地发现和解决问题，减少产品开发的时间和费用。,上一页,下一页,返回,5.1 虚拟制造技术（VM）,产品的虚拟开发要求将CAD设计、运动学、动力学分析、有限元分析、仿真控制等系统模块封装在PDM中，实现各个系统的信息共享，并完成产品的动态优化和性能分析，完成虚拟环境下产品全生命周期仿真、磨损分析和故障诊断等，实现产品的并行设计和分析。 虚拟产品开发的主要支持技术是CAD/CAE/CAM/PDM技
16、术，其核心是如何实现PDM的集成管理。 4制造过程仿真 制造过程仿真可分为制造系统仿真和具体的生产过程仿真。具体的生产过程仿真又包括加工过程仿真、装配过程仿真和检测过程仿真等。,上一页,下一页,返回,5.1 虚拟制造技术（VM）,加工过程仿真（虚拟加工）主要包括产品设计的合理性和可加工性、加工方法、机床和切削工艺参数的选择以及刀具和工件之间的相对运动仿真和分析。 装配过程仿真（虚拟装配）是根据产品的形状特征和精度特征，在虚拟环境下对零件装配情况进行干涉检查，发现设计上的错误，并对装配过程的可行性和装配设备的选择进行评价。 5可制造性评价 可制造性评价主要包括对技术可行性、加工成本、产品质量和生
17、产效率等方面的评估。虚拟制造的根本目的就是要精确地进行产品的可制造性评价，以便对产品开发和制造过程,上一页,下一页,返回,5.1 虚拟制造技术（VM）,进行改进和优化。由于产品开发涉及的影响因素非常多，影响过程又复杂，所以建立适用于全制造过程的、精确可靠的产品评价体系是虚拟制造一个较为困难的问题。 5.1.5 虚拟制造技术在制造业中的应用 虚拟制造技术在工业发达国家开展得较早，并首先在飞机、汽车、军事等领域获得了成功的应用。虚拟制造在计算机上全面仿真产品从设计到制造和装配的全过程，采用虚拟制造技术可以给企业带来下列效益： （1）提供关键的设计信息和管理策略对生产成本、周期以及生产能力的影响信息，以便正确处理产品性能与制造成本、生产进度和风险之间的平衡，做出正确的设计和管理决策。,
