1、 返回目录返回目录 第第3 3章章 虚拟制造技术虚拟制造技术 3.1 3.1 虚拟制造概述虚拟制造概述3.2 3.2 虚拟制造系统虚拟制造系统3.3 3.3 虚拟制造的应用虚拟制造的应用 返回目录返回目录 第第3 3章章 虚拟制造技术虚拟制造技术 3.1 3.1 虚拟制造概述虚拟制造概述3.1.1 3.1.1 虚拟制造的定义虚拟制造的定义 虚拟制造作为一个全新的概念，各国学者有多种表述。佛罗里达大学Gloria J Wiens：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，用于对产品的功能和可制造性的潜在问题进行预测。美国空军Wright实验室：虚拟
2、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。返回目录返回目录 第第3 3章章 虚拟制造技术虚拟制造技术 3.1 3.1 虚拟制造概述虚拟制造概述 3.1.2 3.1.2 虚拟制造的特点虚拟制造的特点 交互性、沉浸性和想像力是虚拟制造的三个重要特征，如图3-l所示。返回目录返回目录 第第3 3章章 虚拟制造技术虚拟制造技术 3.1 3.1 虚拟制造概述虚拟制造概述 3.1.2 3.1.2 虚拟制造的特点虚拟制造的特点图3-l 虚拟制造的三个特征 返回目录返回目录 第第3 3章章 虚拟制造技术虚拟制造技术 3.1 3.1 虚拟制造概述虚拟制造概述3.1.3 3.
3、1.3 虚拟制造的分类虚拟制造的分类 按照产品在生命周期中的各类活动，可将虚拟制按照产品在生命周期中的各类活动，可将虚拟制造技术分类，如图造技术分类，如图3-23-2所示。所示。返回目录返回目录 第第3 3章章 虚拟制造技术虚拟制造技术 3.1 3.1 虚拟制造概述虚拟制造概述3.1.3 3.1.3 虚拟制造的分类虚拟制造的分类 图3-2 虚拟制造技术分类 返回目录返回目录 第第3 3章章 虚拟制造技术虚拟制造技术3.2 3.2 虚拟制造系统虚拟制造系统3.2.1 3.2.1 虚拟制造系统的体系结构虚拟制造系统的体系结构虚拟制造系统的体系结构，如图3-3所示。返回目录返回目录 第第3 3章章
4、虚拟制造技术虚拟制造技术3.2 3.2 虚拟制造系统虚拟制造系统3.2.1 3.2.1 虚拟制造系统的体系结构虚拟制造系统的体系结构图3-3 虚拟制造系统的体系 返回目录返回目录 第第3 3章章 虚拟制造技术虚拟制造技术3.2 3.2 虚拟制造系统虚拟制造系统3.2.2 3.2.2 虚拟制造的关键技术虚拟制造的关键技术虚拟制造的使能技术主要有以下几项：虚拟制造的使能技术主要有以下几项：1 1）多通道交互技术：包括虚拟现实设备的软硬件接口驱动技术、）多通道交互技术：包括虚拟现实设备的软硬件接口驱动技术、真实感渲染的三维图形加速技术、三维定位跟踪设备的定标技术、真实感渲染的三维图形加速技术、三维定
5、位跟踪设备的定标技术、大面积纹理的可见性快速显示技术、人像分离与多传感信息的融大面积纹理的可见性快速显示技术、人像分离与多传感信息的融合技术、信息与时间的同步技术等。合技术、信息与时间的同步技术等。2 2）虚拟环境建模技术：包括图像图形混合建模技术、多细节层）虚拟环境建模技术：包括图像图形混合建模技术、多细节层次建模技术、智能化视区裁剪技术、场景预处理技术、基于图像次建模技术、智能化视区裁剪技术、场景预处理技术、基于图像的绘制技术、虚拟声的生成与增强技术等。的绘制技术、虚拟声的生成与增强技术等。3 3）虚拟产品建模技术：是指建立产品的虚拟原型或虚拟样机的）虚拟产品建模技术：是指建立产品的虚拟原
6、型或虚拟样机的过程，包括产品建模技术零部件的物理建模方法、基于物理的工过程，包括产品建模技术零部件的物理建模方法、基于物理的工程行为特征建模方法、工程对象的单元化划分方法、工程分析的程行为特征建模方法、工程对象的单元化划分方法、工程分析的有限元计算方法、工程分析结果的多准则图示方法等。虚拟样机有限元计算方法、工程分析结果的多准则图示方法等。虚拟样机过程，如图过程，如图3-43-4所示。所示。返回目录返回目录 第第3 3章章 虚拟制造技术虚拟制造技术3.2 3.2 虚拟制造系统虚拟制造系统图3-4 虚拟样机过程 返回目录返回目录 第第3 3章章 虚拟制造技术虚拟制造技术3.2 3.2 虚拟制造系
7、统虚拟制造系统虚拟制造相关的关键技术如下：虚拟制造相关的关键技术如下：1 1）虚拟设计与装配技术：包括虚拟产品形状设计、虚拟装配）虚拟设计与装配技术：包括虚拟产品形状设计、虚拟装配/拆拆卸设计与优化、虚拟样机、具有力觉的虚拟装配等。基于虚拟样卸设计与优化、虚拟样机、具有力觉的虚拟装配等。基于虚拟样机的试验仿真分析，可以在真实制造之前发现问题，并得以解决。机的试验仿真分析，可以在真实制造之前发现问题，并得以解决。例如：机车部件的有限元模型，如图例如：机车部件的有限元模型，如图3-53-5所示。所示。返回目录返回目录 第第3 3章章 虚拟制造技术虚拟制造技术3.2 3.2 虚拟制造系统虚拟制造系统
8、 a)c)b)图3-5 机车部件的有限元模型a)车体 b)机车抱轴箱系统 c)机车转向架 返回目录返回目录 第第3 3章章 虚拟制造技术虚拟制造技术3.2 3.2 虚拟制造系统虚拟制造系统 2）虚拟产品实现技术：虚拟加工、远程机器人操作与监控、虚拟测量技术、基于表面质量分析的切削参数选择等。虚拟加工，如图3-6所示。返回目录返回目录 第第3 3章章 虚拟制造技术虚拟制造技术3.2 3.2 虚拟制造系统虚拟制造系统 图3-6 虚拟加工 返回目录返回目录 第第3 3章章 虚拟制造技术虚拟制造技术3.2 3.2 虚拟制造系统虚拟制造系统虚拟测试，如图虚拟测试，如图3-73-7所示。所示。图3-7 虚
9、拟测试 返回目录返回目录 第第3 3章章 虚拟制造技术虚拟制造技术3.2 3.2 虚拟制造系统虚拟制造系统3 3）虚拟检测与评价技术：虚拟表面接触刚度分析、刀位轨迹检）虚拟检测与评价技术：虚拟表面接触刚度分析、刀位轨迹检查及碰撞干涉检验、工艺过程规划与仿真、基于应力的加工质量查及碰撞干涉检验、工艺过程规划与仿真、基于应力的加工质量评价、装配信息建模等。例如：机车喷油器压叉的应力图，如图评价、装配信息建模等。例如：机车喷油器压叉的应力图，如图3-83-8所示。所示。返回目录返回目录 第第3 3章章 虚拟制造技术虚拟制造技术3.2 3.2 虚拟制造系统虚拟制造系统 图3-8 喷油器压叉的应力图 返
10、回目录返回目录 第第3 3章章 虚拟制造技术虚拟制造技术3.2 3.2 虚拟制造系统虚拟制造系统 4 4）虚拟实验技术：虚拟试验的物理建模、虚拟试验的运行平台、）虚拟实验技术：虚拟试验的物理建模、虚拟试验的运行平台、虚拟测试、虚拟样机的性能评价等。例如：机车车体底架的变形虚拟测试、虚拟样机的性能评价等。例如：机车车体底架的变形图，如图图，如图3-93-9所示。所示。返回目录返回目录 第第3 3章章 虚拟制造技术虚拟制造技术3.2 3.2 虚拟制造系统虚拟制造系统图3-9 机车车体底架的变形图 返回目录返回目录 第第3 3章章 虚拟制造技术虚拟制造技术3.2 3.2 虚拟制造系统虚拟制造系统5
11、5）虚拟生产技术：虚拟生产线）虚拟生产技术：虚拟生产线/车间实时三维布局、生产线车间实时三维布局、生产线/车车间生产过程虚拟仿真、基于间生产过程虚拟仿真、基于VRVR的网络化分散制造仿真与评价等。的网络化分散制造仿真与评价等。虚拟生产调度控制仿真，如图虚拟生产调度控制仿真，如图3-103-10所示。所示。返回目录返回目录 第第3 3章章 虚拟制造技术虚拟制造技术3.2 3.2 虚拟制造系统虚拟制造系统图3-10 虚拟生产调度控制仿真 返回目录返回目录 第第3 3章章 虚拟制造技术虚拟制造技术3.2 3.2 虚拟制造系统虚拟制造系统3.2.3 3.2.3 虚拟制造系统的作用虚拟制造系统的作用VM
12、VM系统可以为制造企业提供如下支撑作用系统可以为制造企业提供如下支撑作用:1 1为企业决策提供支持为企业决策提供支持 2 2产品开发过程管理产品开发过程管理 3 3生产过程管理生产过程管理 4 4整体运作整体运作 5 5系统维护系统维护 返回目录返回目录 第第3 3章章 虚拟制造技术虚拟制造技术3.3 3.3 虚拟制造的应用虚拟制造的应用 虚拟现实技术有着许多的应用领域，尤其在制造业虚拟设计与制造的应用日益广泛。3.3.1 3.3.1 虚拟环境虚拟环境虚拟环境，如图3-11所示。返回目录返回目录 第第3 3章章 虚拟制造技术虚拟制造技术3.3 3.3 虚拟制造的应用虚拟制造的应用a)b)图3-
13、11 虚拟环境a)虚拟家居环境 b)虚拟军事环境 返回目录返回目录 第第3 3章章 虚拟制造技术虚拟制造技术3.3 3.3 虚拟制造的应用虚拟制造的应用3.3.2 3.3.2 虚拟工具虚拟工具 虚拟头盔，如图3-12所示。图3-12 虚拟头盔 返回目录返回目录 第第3 3章章 虚拟制造技术虚拟制造技术3.3 3.3 虚拟制造的应用虚拟制造的应用3.3.3 3.3.3 虚拟产品建模虚拟产品建模加工中心虚拟建模，如图3-13所示。图3-13 加工中心建模 返回目录返回目录 第第3 3章章 虚拟制造技术虚拟制造技术3.3 3.3 虚拟制造的应用虚拟制造的应用3.3.4 3.3.4 汽车设计汽车设计
14、福特汽车公司利用虚拟原型技术在产品开发阶段就进行装配评价，这样在设计阶段就可从整个产品的装配性角度考虑产品的可制造性，而不只从单个零件的角度进行考虑。他们将车辆的零部件在CAD系统中建模，然后将模型文件传输到虚拟环境中。用户可用手操纵虚拟零件，并试着将其安装到车辆当中。系统可检测零件与车辆的干涉情况。福特汽车公司还希望将该系统应用于装配中的人机工程学的研究。该系统的硬件设备采用的是SGI图形工作站、显示器和数据手套等。福特汽车数字原形件，如图3-14所示。汽车内部三维实体，如图3-15所示。返回目录返回目录 第第3 3章章 虚拟制造技术虚拟制造技术3.3 3.3 虚拟制造的应用虚拟制造的应用图
15、3-14 数字原形件 返回目录返回目录 第第3 3章章 虚拟制造技术虚拟制造技术3.3 3.3 虚拟制造的应用虚拟制造的应用图3-15 汽车内部三维实体 返回目录返回目录 第第3 3章章 虚拟制造技术虚拟制造技术3.3 3.3 虚拟制造的应用虚拟制造的应用3.3.5 3.3.5 装载机设计装载机设计 美国帝瑞美国帝瑞(John Deere)(John Deere)公司是一家生产工程机械的著名厂公司是一家生产工程机械的著名厂商。过去，工程师在完成了一项产品设计之后，需要将设计交给商。过去，工程师在完成了一项产品设计之后，需要将设计交给一个小组以便用塑料制造一台全尺寸样机，并配以活动部件，以一个小
16、组以便用塑料制造一台全尺寸样机，并配以活动部件，以便对其宜人性设计进行评价，并分析它的机动性和视景。现在，便对其宜人性设计进行评价，并分析它的机动性和视景。现在，工程师却可以利用工程师却可以利用VMVM系统，戴上头盔显示器，手系位置传感器，系统，戴上头盔显示器，手系位置传感器，坐进模拟的司机座位后，就可接触各种操纵装置。当工程师的手坐进模拟的司机座位后，就可接触各种操纵装置。当工程师的手臂做出某些动作，计算机所生成的手臂图像也跟着移动。这样，臂做出某些动作，计算机所生成的手臂图像也跟着移动。这样，他就能他就能“接触接触”并判断这些操纵装置的位置是否恰当，可在铲斗并判断这些操纵装置的位置是否恰当
17、，可在铲斗升高或降低的情况下检查前方或后方的视野。甚至还可在视景中升高或降低的情况下检查前方或后方的视野。甚至还可在视景中加进另一辆卡车，并把铲斗升高，工程师判断他能否看到卡车并加进另一辆卡车，并把铲斗升高，工程师判断他能否看到卡车并设法躲开它。然后，评价装载机是否能满足预期的各种要求。装设法躲开它。然后，评价装载机是否能满足预期的各种要求。装载机虚拟原型，如图载机虚拟原型，如图3-163-16所示。所示。返回目录返回目录 第第3 3章章 虚拟制造技术虚拟制造技术3.3 3.3 虚拟制造的应用虚拟制造的应用图3-16 装载机虚拟原型 返回目录返回目录 第第3 3章章 虚拟制造技术虚拟制造技术3
18、.3 3.3 虚拟制造的应用虚拟制造的应用3.3.6 3.3.6 飞机设计飞机设计 美国波音飞机公司的波音777飞机的开发就是完全利用虚拟原型进行评价分析的，结果不仅缩短了数千小时的开发时间，还省掉了制作大型物理模型的麻烦，保证了最终制造出的飞机机翼和机身的一次接合成功。在飞机设计过程中考虑飞机的可维修性是非常重要的。借助与真人一样大小的人体模型，液压工程师在dVise软件所生成的虚拟维修区中就可以体验到维修空间的大小，并判断是否合适。波音777飞机数字化装配，如图3-17所示。返回目录返回目录 第第3 3章章 虚拟制造技术虚拟制造技术3.3 3.3 虚拟制造的应用虚拟制造的应用图3-17 波
19、音777飞机数字化装配 返回目录返回目录 第第3 3章章 虚拟制造技术虚拟制造技术3.3 3.3 虚拟制造的应用虚拟制造的应用3.3.7 3.3.7 动力机车设计动力机车设计 我国于2009年进行第七次铁路大提速，在京沪、沪杭、广深等路段时速达300Km/h以上，2010年2月武昌至广州客运专线时速最高达350Km/h。高速动车组为我国自行研制，利用了虚拟原形技术设计，整个设计系统由虚拟样机设计分系统、虚拟样机仿真分系统、虚拟样机试验分系统等组成。就是虚拟样机仿真分系统的效果图，如图3-18所示。返回目录返回目录 第第3 3章章 虚拟制造技术虚拟制造技术3.3 3.3 虚拟制造的应用虚拟制造的应用 图3-18 高速动车组虚拟样机仿真系统效果图
