生产过程仿真技术

• 美国空军Wright实验室的定义是“虚拟制造是仿真、 建模和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。该定义着眼于手段。
• 马里兰大学Edward Lin&etc给出的，“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。着眼于环境
虚拟制造的主要特点
• 产品与制造环境是虚拟模型，在计算机上对虚拟模型 进行产品设计、制造、测试，甚至设计人员或用户可 “进入”虚拟的制造环境检验其设计、加工、装配和 操作，而不依赖于传统的原型样机的反复修改；还可 将已开发的产品(部件)存放在计算机里，不但大大节省 仓储费用，更能根据用户需求或市场变化快速改变设 计，快速投入批量生产，从而能大幅度压缩新产品的 开发时间，提高质量、降低成本；
• 在德国，Darmstatt技术大学Fraunhofer计算机 图形研究所，
• 加拿大的Waterloo大学，比利时的虚拟现实协 会等均先后成立了研究机构，开展虚拟制造技 术的研究。
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虚拟制造的定义
• 佛罗里达大学Gloria J.Wiens的定义：虚拟制造是这样 一个概念，即与实际一样在计算机上执行制造过程。 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。着眼于结果
• Chrycler公司与IBM合作开发的虚拟制造环境用于其新 型车的研制，在样车生产之前，发现其定位系统的控 制及其他许多设计缺陷，缩短了研制周期。
国外应用
• 在美国，NIST (National Institute of Standards and Technology)正在建立虚拟制造环境(称之为 国家先进制造测试床National Advanced Manufacturing Testbed,NAMT)，波音公司与麦 道公司联手建立了MDA(Mechanical Design Automation)，
实例
• 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，使其开发周期 从过去8年时间缩短到5年。
• Perot System Team利用Deneb Robotics开发的QUEST及 IGRIP设计与实施一条生产线，在所有设备订货之前， 对生产线的运动学、动力学、加工能力等各方面进行 了分析与比较，使生产线的实施周期从传统的24个月 缩短到9.5个月。
• 可使分布在不同地点、不同部门的不同专业人员在同 一个产品模型上同时工作，相互交流，信息共享，减 少大量的文档生成及其传递的时间和误差，从而使产 品开发以快捷、优质、低耗响应市场变化。
虚拟制造分类
• 按照与生产各个阶段的关系
– 以设计为核心的虚拟制造 (Design Centered VM)，DFX技术
– 牵涉到公司合作，信息共享，信息安全性等
• 统一的集成框架和体系。
虚拟制造的产品生产
• 可制造性 • 可生产性 • 可合作性
• 虚拟制造 • 虚拟生产 • 虚拟企业
虚拟制造平台
• 基于产品技术复合化的产品设计与分析，除了几何造型与特征造 型等环境外，还包括运动学、动力学、热力学模型分析环境等；
生产过程仿真技术
虚拟制造
• 基本思想是在产品制造过程的上游－设计阶段 就进行对产品制造全过程的虚拟集成，将全阶 段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。
• 虚拟制造系统是各制造功能的虚拟集成，它的 可视化集成范围包括与设计相关的各项子系统 的功能，如用户支持、工程分析、材料选用、 工艺计划、工装分析、快速原型，甚至包括制 造企业全部功能（如计划、操作、控制）的集 成。
先进制造技术
• 条件 – TQCS – 计算机技术、计算机网络技术、信息处理技术等
• 发展 – 80年代初，以信息集成为核心的计算机集成制造系统(CIMS， Computer Integrated Manufacturing System) – 80年代末，以过程集成为核心的并行工程(CE，Cocurrent Engineering)技术 – 90年代，出现了 – 虚拟制造(VM，Virtual Manufacturing) – 精益生产(LP，Lean Production) – 敏捷制造(AM，Agile Manufacturing) – 虚拟企业(VE，Virtual Enterprise)等新概念。
基于PDM的虚拟制造平台集成
• 支持虚拟制造的产品数据模型 • 基于产品数据管理(PDM)的虚拟制造集成
技术 • 基于PDM的产品开发过程集成
三类仿真模型
• 产品模型
– 是所有活动的目的和中心
• 制造系统模型
– 产品开发必须要考虑的约束
• 开发过程（包括设计、加工、装配、测 试等）模型
– 以生产为核心的虚拟制造 (Production Centered VM)
– 以控制为中心的虚拟制造 (Control Centered VM)
• 三类VM之间的关系
虚拟制造研究难点
• 产品、工艺规划及生产系统的信息模型 • 可制造性评价方法
–包括各工艺步骤的处理时间，生产成本和质 量的估计等
• 制造系统布局、生产计划和调度规划 • 分布式环境
• 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，加工成形过程温度场、应力 场、流动场的分析，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Biblioteka Baidu，以检验产品的可装配性。
虚拟生产平台
• 虚拟生产环境布局 • 虚拟设备集成 • 虚拟计划与调度
虚拟企业平台
• 虚拟企业协同工作环境
–支持异地设计、异地装配、异地测试的环境， 特别是基于广域网的三维图形的异地快速传 送、过程控制、人机交互等环境。
• 虚拟企业动态组合及运行支持环境，特 别是INTERNET与INTRANET下的系统集成 与任务协调环境。