虚拟制造.ppt

虚拟制造技术,Virtual Manufacturing The Next Revolution in Global Manufacturing,参考文献,Wiens G J.An overview of virtual manufacturing A.Proceedings of the 2nd Agile Manufacturing Conference(AMC95),Albuquerque,New Mexico,USA:ERI Press,1995.233-243.Jean V Owen.Making virtual manufacturing real J.Manufacturing Engineering,November 1994:33-37.,内 容,虚拟制造概述,1,虚拟建模技术,2,虚拟样机技术,3,虚拟加工技术,4,虚拟装配技术,5,6,虚拟制造应用,虚拟制造概述,DELMIA 数字化工厂,虚拟现实（Virtual Reality）虚拟现实技术是使用感官组织仿真设备和真实或虚幻环境的动态模型生成或创造出人能够感知的环境或现实，使人能够凭借直觉作用于计算机产生的三维仿真模型的虚拟环境。,相关概念,虚拟制造概述,丰田公司利用VR技术改进上车下车的舒适度,虚拟制造是20世纪80年代提出的概念，在20世纪90年代得到了重视和发展。虚拟制造技术的研究与应用是以CIMS为基础的。早期虚拟制造的定义（VM is a key concept that summarizes computerized manufacturing activities dealing with models and simulations instead of objects and their operations in the real world),虚拟制造的概念,虚拟制造的定义,佛罗里达大学 Gloria J.Wiens：与实际制造一样，只是在计算机上执行制造全过程，其中虚拟模型是在实际制造之前用于对产品的功能及可制造性的潜在问题进行预测。美国空军Wright实验室：虚拟制造是仿真、建模与分析技术及工具的综合应用，以增强各层制造设计和生产决策与控制。马里兰大学Edward Lin：虚拟制造是一个用于增强各级决策与控制的一体化的、综合性的制造环境。,虚拟制造的定义,肖田园 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（Virtual Manufacturing）最早由美国于1993年提出，基于虚拟现实基础之上，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，在计算机上群组协同工作，通过三维模型及动画，实现制造相关的各种过程与技术的过程。即实际制造过程在计算机上的本质实现。,虚拟制造概述,虚拟制造控制中心,虚拟制造设计中心,虚拟制造加工中心,三元耦合的系统模式,分类及其关系,虚拟制造概述,虚拟制造（VM）的分类,以设计为中心的VM 目的通过不同逼真程度的“制造仿真”来优化产品的设计及其工艺。尽早发现设计中潜在的问题。以生产为中心的VM 目的方便快捷的评价多种生产计划，检验新工艺流程的可信度 产品的生产效率资源的需求情况从而优化制造环境的配置和生产供给计划。以控制为中心的VM 目的在考虑车间控制行为的基础上，评价新的或改进产品计划，以及相关的生产活动，从而优化制造过程，改进制造系统。,面向设计的虚拟制造 其核心为“可制造”、“可装配性”面向生产的虚拟制造 其核心为“可生产性”面向控制的虚拟制造 其核心为“可控制性”,虚拟制造（VM）的分类,虚拟制造的分类及相互关系,虚拟制造的体系结构,蚂蚁的群体行为特征,特征：蚂蚁能在没有任何可见提示下找出从蚁穴到食物源的最短路径，并且能随环境的变化而变化地搜索新的路径，产生新的选择。,蚂蚁的群体行为自组织特性,A,B,C,D,蚂蚁的群体行为正反馈机制,蚁群的集体行为表现出一种信息的正反馈现象：,某一路径上走过的蚂蚁越多，该路径对后来的蚂蚁就越有吸引力，即一只蚂蚁选择一条路径的概率随着以前选择该路径的蚂蚁数量的增加而增大。蚂蚁个体之间正是通过这种物质信息的交流而达到搜索食物的目的。,蚂蚁这种选择路径的过程被称之为蚂蚁的自催化行为，其原理是一种正反馈机制。,虚拟制造与实际制造的关系,制造系统的分类,虚拟制造的目标 反作用于实际制造过程 指导生产实践 虚拟制造是实际制造的抽象 实际制造是虚拟制造的实例,虚拟制造与实际制造的关系,虚拟制造与实际制造的关系,（1）映射的定义域是实际制造过程，值域是虚拟制造过程，其直接结果是全数字化产品，映射的介质是网络计算环境；,（2）这种映射是非线性的迭代过程，单次映射可能达不到要求，需要多次复合直至满足要求；,（3）由于市场需求、生产过程和产品种类的复杂多变，导致其结果千差万别，难以预测，因而可能是一个混沌的过程，具有“蝴蝶效应”；（4）由于“知识化”的人是整个系统的主体，将人的智能复合进去（表现为控制参数），该映射在一定程度上也是可控的；（5）由于不同的人经验技术水平不同，因而控制参数具有模糊特性。,虚拟制造与实际制造的关系,虚拟制造与实际制造的关系,虚拟制造与其他先进制造技术之间的关系,精益生产与虚拟制造 精益生产要求简化生产过程,减少信息量,消除过分臃肿的生产组织,使产品及其生产过程尽可能地简化和标准化。这样做的结果对虚拟制造的建模仿真是十分有利的,即现实生产过程越简化则虚拟制造实现起来就越容易。精益生产的核心是准时化生产,实行精益生产为虚拟制造的实现创造了有利条件。,并行工程与虚拟制造 并行工程要求产品开发人员在一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废的所有因素。为了达到并行的目的,必须建立高度集成的主模型,通过它来实现不同部门人员的协同工作；为了达到产品的一次设计成功,减少反复,它在许多部分应用了仿真技术；主模型的建立、局部仿真的应用等都包含在虚拟制造技术中,可以说并行工程的发展为虚拟制造技术的诞生创造了条件,虚拟制造技术将是以并行工程为基础的,并行工程的进一步发展就是虚拟制造技术。,虚拟制造与其他先进制造技术之间的关系,并行工程的特点,Concurrence 并行性：产品设计与其后续相关过程在同一时间框架内并行处理；Constrains 约束性：在充分考虑产品设计约束的同时引入其后续相关过程约束；Coordination 协调性：对产品设计及其后续相关过程进行统一协调和管理；Consensus 一致性：产品设计过程中的所有重大决策都要建立在工作组成员意见一致的基础上；Computerization 计算机性：产品设计需要在计算机及其网络系统支持下实现集成和并行。,绿色制造与虚拟制造 绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式,其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废的整个产品生命周期中,对环境的影响(负作用)最小,资源的使用效率最高。国际制造业的实践表明,通过改进整个制造工艺来减少废弃物,要比处理工厂处理已经排放的废弃物大大节省开支。因此,当绿色制造发展到一定阶段时,在虚拟制造技术中必定要集成绿色制造这一部分,即绿色制造可以通过虚拟制造中的仿真功能来实现。,虚拟制造与其他先进制造技术之间的关系,敏捷制造与虚拟制造 敏捷制造选择合作者组成虚拟公司,分工合作,为同一目标共同努力来增强整体竞争能力,对用户需求做出快速反应,以满足用户的需要。为了达到快速应变能力,虚拟企业的建立是关键技术,其核心是虚拟制造技术,即敏捷制造是以虚拟制造技术为基础的。虚拟制造是敏捷制造的关键技术，是实现敏捷制造的重要手段。,虚拟制造与其他先进制造技术之间的关系,虚拟制造与其他先进制造技术之间的关系,虚拟制造及研究内容,关键技术,制造系统建模,虚拟现实技术,虚拟产品开发,制造过程仿真,可制造性评价,关键技术,虚拟制造概述,虚拟制造的关键技术,软件方面 可视化技术 环境构造技术 信息描述技术 集成结构技术 仿真技术 方法论 制造的特征化技术 VMS的检测、测试技术 VM环境下的人机工程学方面的评价和优化技术,硬件方面输入/输出设备与输入/输出有关的存储信息设备能支持各种设备、数据存储和高速运算的计算机系统网络结构设备和不同站点的硬件设备和连接硬件,虚拟制造的关键技术,虚拟制造应用,核心是非线性有限元分析（Nonlinear Finite Element Analysis）技术。,虚拟制造在国外的发展,美国国家标准局(National Institute of Standards and Technology,NIST)建立了国家先进实验基地(National Advanced Manufacturing)波音与麦道联手建立了机械设计自动化所德国Darmstart技术大学Fraunhofer计算机图形研究所新加坡制造技术研究院(GINTIC Institute of Manufacturing Technology)加拿大Waterloo大学比利时虚拟现实协会日本大阪大学,虚拟制造技术应用实例,虚拟制造及研究内容,虚拟制造典型应用领域,产品的外形设计 布局设计 产品的运动和动力学仿真 加工工艺仿真 加工过程仿真 产品装配仿真 虚拟样机与产品工作性能评测 产品虚拟展示 企业生产过程仿真与优化 虚拟企业的协同仿真与优化,虚拟制造应用,波音公司利用虚拟制造节约燃料成本,虚拟制造应用,航空航天,NASA,Bombardier,Teague,EMBRAER,虚拟制造应用,汽车,Ford,BMW/Land Rover,PACCAR,Toyota,福特公司汽车车门模拟装配,虚拟制造应用,利用MSC软件对车门撞击实验进行有限元分析,虚拟制造应用,路政建设,Caterpillar,Deere(manufacturing),Deere(design),虚拟制造应用,国防,United States Army,GE Aircraft Engines,Lockheed Martin,“You cant wait until a physical prototype is built to discover a design wont work for the Army population.By then,its too late.And human performance is too important in the military to compromise on the ergonomics of a design.”-John Lockett,U.S.Army,虚拟建模技术,虚拟建模技术,几何建模,线框建模,表面建模,实体建模,特征定义,特征分类,特征表示,特征建模,参数化设计、变量化设计,虚拟建模技术,线框建模,利用边界线和轮廓线来描述几何体模型的方法。,物体的线框模型,虚拟建模技术,表面建模,通过对实体的各个表面或曲面进行描述而构造实体模型的一种三维建模方法。,几类典型的参数曲面,a)孔斯曲面b)样条曲面c)Bezier曲面,虚拟建模技术,实体建模,利用一些基本体素或扫描体等通过集合运算（布尔运算）生成复杂实体模型的一种建模技术。,常用的基本体素,边界表示法（B-Rep）构造实体几何法（CSG）混合表示法,虚拟建模技术,三维实体建模的计算机表示,虚拟建模技术,特征定义,特征是对诸如零件形状、工艺和功能等与零件描述相关的信息集的综合描述。理解特征概念时，需注意:1）特征不是体素，不是某个或某几个加工面；2）特征不是一个完整的零件；3）特征的分类与该表面加工工艺规程密切相关。4）描述特征信息中，除了表达形状的几何信息和约束关系外，还要包含材料、精度等信息；5）通过定义简单的特征，还可生成组合特征。,虚拟建模技术,特征分类,形状特征,精度特征,材料特征,装配特征,管理特征,特征的分类,技术特征,按制造方法不同,按零件类型不同,按零件作用不同,铸、锻、焊等,轴盘类、板块类、箱体类、自由曲面类等,主特征和辅特征,描述产品的最主要和最基本的特征。,虚拟样机技术,概述,虚拟样机（Virtual Prototyping）是指在产品设计开发过程中，把虚拟产品建模技术(CAD)与分析技术(CAE)相结合，对各种工况进行动态仿真分析。也是实际产品在计算机上的表示，又称数字化样机。,虚拟样机的概念,虚拟样机技术就是在建筑第一台物理样机之前,设计师利用计算机技术建立机械系统的数字化模型,进行仿真分析并以图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性,从而修改并得到最优设计方案的技术。虚拟样机是一种计算机模型,它能够反映实际产品的特性,包括外观、空间关系以及运动学和动力学的特性。借助于这项技术,设计师可以在计算机上建立机械系统的模型,伴之以三维可视化处理,模拟在真实环境下系统的运动和动力特性并根据仿真结构精简和优化系统。虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式探索虚拟物体的功能,对产品进行几何、功能、制造等许多方面交互的建模与分析。它在CAD 模型的基础上,把虚拟技术与仿真方法相结合,为产品的研发提供了一个全新的设计方法。,虚拟样机技术,全新的研发模式；更低的研发成本、更短的研发周期、更高的产品质量；实现动态联盟的重要手段。,同传统的基于物理样机的设计研发方法相比,虚拟样机设计方法具有以下特点：,虚拟样机技术,虚拟样机及其相关技术,虚拟样机技术是一门综合多学科的技术。该技术以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心,加上成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术,将分散的零部件设计和分析技术(如零部件的CAD 和FEA 有限元分析)集成在一起,提供一个全新研发机械产品的设计方法。它通过设计中的反馈信息不断地指导设计,保证产品寻优开发过程顺利进行。,虚拟样机及其相关技术,虚拟样机技术,虚拟样机及其相关技术涉及到部分软件,设计流程,物理样机设计流程,虚拟样机设计流程,从CAE到VP（虚拟样机）,以虚拟样机（Virtual Prototype）为基础，实现虚拟验证、虚拟测试、虚拟试验与仿真，减少物理试验次数，缩短试验周期，提高产品质量,虚拟样机技术,有限元分析初步,有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。,虚拟样机技术,ANSYS软件简介,ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer,NASTRAN,Alogor,I-DEAS,AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。,虚拟加工技术,韩国TURBO TEK公司虚拟数控铣床加工,虚拟加工技术,概念,虚拟加工技术是指利用计算机技术，以可视化的、逼真的形式来直观表示零件的数控加工过程。虚拟加工是实际加工在计算机上的本质体现，是虚拟制造的重要组成部分，主要包括虚拟环境的建立和加工过程的仿真。,CNCMachining Center,CNCLathe Machine,PC(Personal computer),虚拟加工技术,虚拟加工环境,1、虚拟加工基本流程,虚拟加工技术,硬件环境,车间层机床层毛坯层,软件环境,虚拟加工环境,NC代码解析加工过程仿真,2、虚拟加工环境,虚拟加工技术,硬件环境,车间层机床层毛坯层,虚拟机床（虚拟加工过程的核心和载体）,主要由虚拟加工设备模型、毛坯模型、刀具模型、夹具模型等组成,3、虚拟机床,虚拟加工技术,韩国TURBO TEK公司的CANVAS软件对车床的虚拟加工参数设置,虚拟加工技术,1）虚拟机床的几何建模,立柱,主轴,刀具,夹具,工作台,床身,虚拟加工技术,2）虚拟机床的运动建模,Lathe machine simulation,Milling machine simulation,虚拟加工技术,加工过程的仿真,借助虚拟现实技术和计算机仿真技术，对零件的加工过程进行全方位的模拟，又称虚拟加工过程。包括几何仿真和物理仿真。仿真的内容：三维动画仿真、碰撞干涉检测、加工精度分析和加工工时分析等。仿真的目的：检验产品设计的合理性、可加工性、加工方法、加工工艺参数的选择以及刀具和工件之间的相对运动情况。几何仿真：先建立刀具的扫描体模型，后实现工件和刀具扫描体的布尔运算。物理仿真：将切削过程中的各种物理因素的变化映射到虚拟制造系统中。,虚拟加工技术,韩国TURBO TEK公司虚拟数控车床加工,虚拟装配技术,基本概念,装配是指把几个零部件套装在一起形成一台机器或一个部件的过程。虚拟装配一般定义为:无需产品或支撑过程的物理实现，只需通过分析先验模型、可视化和数据表达等手段,利用计算机工具来安排或辅助与装配有关的工程决策。虚拟装配是一种将CAD 技术、可视化技术、仿真技术、决策理论及装配和制造过程研究、虚拟现实技术等多种技术加以综合运用的技术。广义概念：指在虚拟环境中，如何使设计人员方便地进行结构设计、修改，让设计人员更专注于产品功能的实现，是一种自顶向下的工作过程，即所谓面向装配的设计。狭义概念：指在虚拟环境中，快速地把单个的零件或部件组装形成产品的方法，是一种自底向上的设计过程。,虚拟装配的目标 对设计结果进行可装配/拆卸性验证，并再为设计提供参考；进行装配规划，获得可行且较优的装配工艺信息，用于指导生产。,虚拟装配技术,虚拟装配技术,装配关系,装配关系是指零部件之间的相对位置和配合关系，反映零件之间的相互约束和相对运动。,配合关系,运动关系,位置关系,联接关系,（贴合、对齐、定向和插入关系）,（间隙、过渡、过盈配合）,（轴联接、螺钉联接、铆接和焊接等）,（绕直线运动、轴旋转等）,无纸化设计电子图和文档,CAD 设计,提高生产效率降低生产成本,CAE数字模拟与仿真,加速产品合成&流程优化定义，管理和共享产品过程&资源,DMU虚拟产品/工艺,虚拟产品开发方法的演变历史,虚拟装配技术,虚拟装配信息的表达,信息的分类,零件和子装配体之间的实体信息,装配关系信息,装配体中零件之间的层次关系信息,主要是指产品的属性信息。如几何属性、物理属性、工程设计属性以及零件间的约束属性。,包括装配体中零件相对位置和方向的定位关系。,体现实际形成装配体的装配顺序。同时表达了装配体、子装配体和零件之间的父子从属关系。,虚拟装配技术,装配信息表达模型,装配关系模型,零件间的装配关系表达了零件间的相互关系约束，包括配合关系和传动关系。,装配层次模型,层次关系模型,把复杂产品的构型一级一级细分，并伴随功能的逐级分解，直至最终不可再分的零件，再进行详细的零件设计。,是将一个含有许多零件的装配体 的装配规划问题分解为总装配规划和子装配规划问题来求解。,虚拟装配技术,虚拟装配规划技术,装配规划包括装配序列和路径规划。装配序列规划研究装配序列的生成，找出能把零件装配成产品且满足约束条件（如几何、工艺、工具等）的顺序。装配路径规划是在装配建模和装配序列规划的基础上，利用装配信息进行路经分析和求解，判断并生成合理的装配运动路径，为装配仿真提供显示数据，为设计人员提供可视化的辅助设计工具。,装配顺序规划流程图,虚拟装配技术,虚拟装配的装配设计流程,虚拟装配技术,虚拟装配系统应用实例,涡轮泵是航天发动机中的关键部件，产品装配工艺复杂难度大，利用数字化装配技术进行交互式工艺规划和仿真，自动生成装配工艺规程,系统在Solid Works 二次开发的环境下，采用Microsoft VC+语言结合OpenGL 编程实现，后台应用关系数据库系统Microsoft SQL Server 进行数据的统一管理。,交互式工艺规划及仿真,虚拟装配技术,自动生成的装配工艺规程,虚拟装配技术,基于虚拟现实的虚拟装配系统,碰撞检测,静态碰撞检测 静态碰撞检测是判断一活动对象在某一特定的位置和方向是否与环境对象相交 伪动态碰撞检测 根据活动对象的运动路径检测它是否在某一离散的采样位置方向上与环境对象相交 动态碰撞检测 检测活动对象扫过的空间区域是否与环境对象相交。,层次包围盒方法 用体积略大而几何特性简单的包围盒来近似地描述复杂的几何对象，进而通过构造树状层次结构可以越来越逼近对象的几何模型，直到几乎完全获得对象的几何特性，从而只需对包围盒重叠的部分进行进一步的相交测试。,碰撞检测,常见的包围盒类型,设备：CAVE 系统,CAVE Automatic Virtual Environment洞穴式自动虚拟环境CAVE 系统的组成结构,设备：CAVE系统示例,设备：一亿像素的虚拟现实小屋,美国爱荷华州立大学的一亿像素虚拟现实小屋，这个小屋在10英尺x10英尺的范围内，云集了价值400万美元的设备，其中包括一台拥有96颗GPU的HP电脑，24个Sony的数字投影仪，一个8声道的音频系统，以及超声波动作跟踪技术。,设备：VirtuSphere虚拟球,VirtuSphere虚拟球将游戏提升到了一个全新的水平，使用这个设备用户能够在一个虚拟的空间内行走。带着一个环视的头盔虚拟现实设备，玩家在球的内部朝任何一个方向走时，球体都能自由地转动。人佩带头盔显示器,就能感受到虚拟的空间，同时还可以在虚拟空间使用一台特别操作器与物体进行交互。,设备：Powered Shoes虚拟鞋,Powered Shoes这双虚拟鞋，可以让玩家利用脚下的滚轮，在迈步向前的时候，仍然能够停留在原地。同时将玩家的动作信号通过背部的装置传送到虚拟机器或是游戏中。而相较于一般虚拟实境的步行模拟能力，Powered Shoes最大的特色，就是真的可以让玩家感受到步行的乐趣。,虚拟制造计算机中开工厂,