虚拟制造技术及应用

虚拟制造技术及应用（通用9篇）

虚拟制造技术及应用 篇1

0 引言

随着当今制造业不断向自动化、复杂化和规模化方向发展,在实际产品生产过程实施之前,需要对实际生产系统进行准确详实的仿真和预测。从而按照TQCSE[1~3]现代企业的要求,即以最快的上市速度(T-time to market)、最好的质量(Q-quality)、最低的成本(C-cost)、最优的服务(S-service)和最佳的生产环境(Environment)来满足不同顾客的需求,使产品的实现具有快速和柔性的特征。又由于近年来计算机技术、网络技术、数据库技术,Agent技术和系统仿真技术的迅速发展,20世纪80年代首先由美国提出了虚拟制造技术这个全新的理念。因此说虚拟制造是现代科学技术和生产技术发展的必然结果,是各种现代制造技术与系统发展的必然趋势。主要能够有效地解决以下问题:

1)在无法投入大量的人力物力的情况下,在制造系统正式建立和运营之前,对其进行有效的评估和预测,从而降低制造系统的投资成本和风险。

2)在新产品开发的各个阶段,把握从开发设计、加工制造、市场运营、再回收等各阶段实际情况,及时有效地协调各方面的关系,以达到全体最优效益。

3)能够实现信息集成、技术集成、资源集成、智能集成、企业内部的各个工作机制的集成,实现分布式智能协同求解,达到全局最优的目的。

1 虚拟制造的内涵

虚拟制造的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。

虚拟制造是利用信息技术、仿真技术和计算机技术对现实制造活动中的人物、信息及制造过程进行全面的仿真,以预先发现制造过程中的问题,在产品实际生产前就预防措施,从而达到产品一次性制造成功,来达到降低成本、缩短产品开发周期和增强产品竞争力的目的。

虚拟制造是基于虚拟现实技术[4]来实现的。它是在一个统一的模型之下对设计和制造等过程集成,将与产品制造相关的各种过程与技术集成在三维的、动态的仿真真实过程的实体数字模型之上,其目的是在产品设计阶段,借助建模与仿真技术及时地、并行地模拟出产品未来制造过程乃至产品全生命周期中各种对产品设计的影响、预测、检测、评价产品性能和产品可制造性等,从而更有效的、经济的、柔性的来进行生产,使得生产周期和成本最低、产品设计质量最优,生产效率最高。

它是多学科、多领域知识的综合,其产生的虚拟产品和虚拟制造系统,要在计算机上以直觉、生动精确的方式体现出来,它拥有产品和相关制造过程的全部信息,包括虚拟设计、制造和控制产生的数据、相关知识和模型信息。虚拟制造系统按照功能归结为三种不同类型的子环境,共同构成中心三元耦合的、互相关联的系统模式。它们分别是:

1)虚拟制造设计中心:给设计者提供各种工具以便虚拟设计、虚拟制造,设计出符合设计准则的产品模型。

2)虚拟制造加工中心:研究开发产品制造过程模型和环境模型及分析各种可行的生产计划和工艺规化。

3)虚拟制造控制中心:评价产品设计、产品原型、生产计划、制造模拟和控制策略等。

2 虚拟制造技术的关键技术

虚拟制造技术是多学科技术的系统集成。其关键技术[5]主要包括建模技术、仿真技术、智能设计技术、可制造评价等。虚拟制造依靠建模与仿真技术来模拟制造、生产和装配过程,使设计者在计算机上模拟出产品的整个过程。建模与仿真是虚拟制造的基础,虚拟制造是建模与仿真的应用,它拓展了传统的建模与仿真。

2.1 建模技术

虚拟制造系统VMS是现实制造系统RMS在虚拟环境下的映射,是RMS的模型化、形式化的抽象的描述和表示。VMS的建模是生产模型、产品模型和工艺模型的信息体系。

生产模型归纳为静态描述和动态描述两方面,静态描述是指系统生产能力和生产特征的描述。动态描述是指在已知系统状态和需求特征的基础上预测产品生产的全过程。

生产模型是在加工过程中,各类实体对象模型的集合。产品模型包括毛坯、中期产品模型、目标产品模型。对于一个VMS来说,只有具备完备的产品模型,才能使产品实施过程中的全部活动集成。

将工艺参数与影响制造的产品设计属性联系起来,反应生产模型与产品模型之间的交互作用,工艺模型必须具备以下功能:计算机工艺仿真、制造数据表、制造规划、统计模型以及物理和数学模型。

2.2 仿真技术

仿真就是应用计算机对复杂的现实系统经过抽象和简化形成系统模型,然后在分析的基础上运行此模型,从而得到系统一系列的统计信息。仿真的基本步骤是:研究系统→收集数据→建立系统模型→确定仿真算法→建立仿真模型→运行仿真模型→输出结果并分析。

产品制造过程仿真,可归结为制造系统仿真和加工过程仿真。产品仿真的基本思想是:通过对设计和产品加工过程等的仿真,在产品设计和生产的上游,对设计结果进行反馈和评估,实现产品的优化设计。加工过程仿真包括切削过程仿真、装配过程仿真及检验过程仿真等。

2.3 虚拟现实技术

虚拟现实技术[6]是一种由计算机生成的动态虚拟环境,人通过适当的接口置身其中,可以参与和操纵虚拟环境中的仿真物理模型,并且可以和过去的、现在的或虚拟的人物进行交互,它通过各种虚拟设备如立体显示系统、听觉系统、触觉系统与力反馈设备等刺激人体的各个感知器官,使人能与系统交互(interaction),产生沉浸感(immersion),对系统进行构想(imagination)。交互、沉浸感和构想是虚拟现实技术的基本特征。在生产过程中通过虚拟现实技术对产品及其制造过程的仿真,可以实现在实际生产活动开始之前完成产品生产的可行性分析,使人从主观上产生虚拟产品及制造过程的存在感,在虚拟制造环境中通过对“产品生命全程的预演”加深人们对制造过程的正确理解和直观感受。

虚拟制造是多学科、多领域的综合,虚拟产品及整体虚拟制造系统需要在计算机上以直观、生动的精确方式显现出来。因此,虚拟现实技术是虚拟制造的重要组成部分。

3 虚拟制造的应用

美国波音公司运用虚拟制造技术研制波音777喷气式客机,投资40亿美元,从1990年10月开始到1994年6月仅用了3年零8个月的时间就完成了研制。一次试飞成功,投入运营,其开发周期由原来的8年减至5年。

1993年初,日本大阪大学的岩田一明[7](kazuaki Iwata)博士及其领导的研究小组应用面向对象程序设计的方法与计算机三维建模技术开发了名为Virtual Works的软件工具。

1994年,日本Matsushita公司成功开发了基于虚拟空间支持工具的快速响应用户和市场需求的厨房设备生产系统[8]。该系统允许消费者在购买商品之前,在虚拟厨房环境中体验不同设备的功能,可以按照自己的喜好评价、选择和重组这些设备。用户的这些操作信息将被存储并通过网络发送到生产部门。

德国宝马汽车公司为车门装配设计的虚拟装配系统能识别语音输入完成相应操作,并能对干涉碰撞发声报警。

美国开发的虚拟原型制作系统,它允许设计者对这一原型进行评价,如对汽车的虚拟原型设计,设计者可以走入这一原型,测试汽车在虚拟公路上的行驶性能,体验驾驶者驾驶时的感觉,感受视野是否开阔等等。

世界最大的挖土机和建筑设备制造业企业Caterpillar Inc[9]将虚拟制造技术用于反铲装载机的开发,在虚拟环境下,技术人员推翻了原构想可行的三个方案中的两个不合理的设计方案,不仅确立了正确的设计方案,节约了研究其他两种机型所用的时间和费用,而且缩短了开发周期,降低了生产成本。

我国三一重机公司CAE工程师采用虚拟样机技术平台建立了单斗反铲液压挖掘机整机模型,得用机械、液压及控制系统模型进行联合仿真,在计算机上模拟挖掘、提升、转向、卸土等作业工况,对液压缸的摩擦力、油缸的动作速度、结构件的强度等级指标进行了仿真。通过调整液压元件各个参数,对液压系统进行了优化,进而提升了作业效率。该公司利用虚拟样机技术,结合Craig2Bampton模态综合法,对挖掘机的斗杆进行刚耦合分析及结构优化设计,解决了20吨级挖掘机斗杆开裂问题,成功研发了SY235型新产品。图1是20吨级新结构斗杆薄弱处的Mises应力的分析结果。

4 结束语

本文论述了虚拟制造的产生背景、虚拟制造的内涵及基本思想。指出虚拟制造的关键技术及虚拟制造技术在实际生产中的应用。它是未来制造业发展的趋势,采用虚拟制造系统来完成产品的整个生命周期的设计、生产、评价、检验等,达到缩短开发周期节约生产成本之目的。

通俗地说,虚拟制造就是在计算机上实现产品、生产系统的设计、开发、制造和质检的全过程。也就是说它是一种通过计算机虚拟模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题的技术。它为工程师们提供了从产品概念的形成、设计到制造全过程的三维可视及交互的环境,使得制造技术走出主要依赖于经验的狭小天地,发展到了全方位预报的新阶段。应用各种计算机技术、信息技术等实现面对产品全生命周期的开发设计及评价的系统过程。包括虚拟现实技术、智能化设计和仿真建模技术等。其中,建模、仿真技术是虚拟制造的核心技术。

随着计算机技术、信息技术及各种智能化技术的迅猛发展,必将使虚拟制造技术得到更为广泛的应用,从而推动与此项技术紧密相关的制造业及其它行业的飞速发展。

参考文献

[1]肖田元.虚拟制造及其在轿车数字化工程中的应用[J].系统仿真学报,2002,14(3):342-347.

[2]宋天虎.积极发展适合我国国情的虚拟制造技术[J].中国机械工程,1998,9(11):56-59.

[3]李志辉,查建中,鄂明成,等.虚拟制造开放式层次化体系结构的研究[J].北方交通大学学报,2003,27(1):6-11.

[4]Kimura F.Product and Process Modeling as a Kernel forVirtual Manufacturing Environment[J].Annual of theCIRP,1993,42(1):85-93.

[5]邵立,钟廷修.虚拟制造及其应用[J].上海交通大学学报,1999,33(7):906-911.

[6]陈定方,罗亚波.虚拟设计[M].北京:机械工业出版社,2002.

[7]Iwata K,Onosato M,Teramoto K,et al.A Modelingand Simulation Architecture for Virtual ManufacturingSystems[J].Annals of the CIRP,1995,44(1):399-402.

[8]Weyrich M,Drews P.An Interactive Environment for VirtualManufacturing:the Virtual Workbench[J].Computers inIndustry,1999,38(1):5-15.

[9]I wata K,Onosato M,Teramoto K,et al.Virtual ManufacturingSystems as Advanced Information Infrastructure for IntegratingManufacturing Resources and Activities[J].Annals of theCIRP,1997,(1):335-338.

[10]戴晴华,易迪生,田文胜,等.虚拟制造技术及其在工程机械中的应用[J].中国机械工程学报,2010,8(2):184-189.

虚拟制造技术及应用 篇2

(作者未知)

数字化虚拟制造技术是用三维的动态仿真模型模拟产品设计、制造、仿真、优化、测试、工艺、分析等相关过程。概括简介了虚拟制造技术及其在产品制造和数字化工厂两个方面的应用。

1、虚拟制造VM

虚拟制造是指利用信息技术，三维仿真技术，计算机技术对制造知识进行系统化组织与分析，对整个制造过程建模，在计算机上进行设计评估和制造活动仿真，强调用虚拟制造模型描述制造全过程，在实际的物理制造之前就具有了对产品性能及其可制造性的预测能力。

虚拟制造技术涉及面很广，如环境构成技术、过程特征抽取、元模型、集成基础结构的体系结构、制造特征数据集成、多学科交叉功能、决策支持工具、接口技术、虚拟现实技术、建模与仿真技术等。其中后3项是虚拟制造的核心技术。

1.1建模技术

虚拟制造系统VMS是现实制造系统RMS在虚拟环境下的映射，是RMS的模型化、形式化和计算机化的抽象描述和表示。VMS的建模包括生产模型、产品模型和工艺模型。

(1)生产模数字化虚拟制造技术是用三维的动态仿真模型模拟产品设计、制造、仿真、优化、测试、工艺、分析等相关过程。概括简介了虚拟制造技术及其在产品制造和数字化工厂两个方面的应用。

1、虚拟制造VM

虚拟制造是指利用信息技术，三维仿真技术，计算机技术对制造知识进行系统化组织与分析，对整个制造过程建模，在计算机上进行设计评估和制造活动仿真，强调用虚拟制造模型描述制造全过程，在实际的物理制造之前就具有了对产品性能及其可制造性的预测能力。

虚拟制造技术涉及面很广，如环境构成技术、过程特征抽取、元模型、集成基础结构的体系结构、制造特征数据集成、多学科交叉功能、决策支持工具、接口技术、虚拟现实技术、建模与仿真技术等。其中后3项是虚拟制造的核心技术。

1.1建模技术

虚拟制造系统VMS是现实制造系统RMS在虚拟环境下的映射，是RMS的模型化、形式化和计算机化的抽象描述和表示。型。可归纳为静态描述和动态描述两个方面。静态描述是指系统生产能力和生产特性的描述。动态描述是指在已知系统状态。

(2)产品模型。产品模型是制造过程中，各类实体对象模型的集合。目前产品模型描述的信息有产品结构、产品形状特征等静态信息。而对VMS来说，要使产品实施过程中的全部活动集成，就必须具有完备的产品模型，所以虚拟制造下的产品模型不再是单一的静态特征模型，它能通过映射、抽象等方法提取产品实施中各活动所需的模型，包括三维动态模型，干涉检查，应力分析等。

(3)工艺模型。将工艺参数与影响制造功能的产品设计属性联系起来，以反应生产模型与产品模型之间的交互作用。工艺模型必须具备以下功能：计算机工艺仿真、制造数据表、制造规划、统计模型以及物理和数学模型。

1.2仿真技术

仿真就是应用计算机对复杂的现实系统经过抽象和简化形成系统模型，然后在分析的基础上运行此模型，从而得到系统一系列的统计性能。由于仿真是以系统模型为对象的研究方法，不会干扰实际生产系统，同时利用计算机的快速运算能力，仿真可以用很短时间模拟实际生产中需要很长时间的生产周期，因而可以缩短决策时间，避免资金、人力和时间的.浪费，并可重复仿真，优化实施方案。

仿真的基本步骤为：研究系统一收集数据、建立系统模型一确定仿真算法、建立仿真模型、运行仿真模型输出结果并分析。

产品制造过程仿真，可归纳为制造系统仿真和加工过程仿真。虚拟制造系统中的产品开发涉及到产品建模仿真、设计过程规划仿真、设计思维过程和设计交互行为仿真等，以便对设计结果进行评价，实现设计过程早期反馈，减少或避免产品设计错误。

加工过程仿真，包括切削过程仿真、装配过程仿真、检验过程仿真以及焊接、压力加工、铸造仿真等。

1.3虚拟现实技术VRT

虚拟现实技术是综合利用计算机图形系统、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(称为虚拟环境)中提供沉浸感觉的技术。虚拟现实系统包括操作者、机器和人机接口3个基本要素。利用VRS可以对真实世界进行动态模拟，通过用户的交互输人，并及时按输出修改虚拟环境，使人产生身临其境的沉浸感觉。虚拟现实技术是VM的关键技术之一。

2、数字化虚拟制造在制造业中应用

数字化虚拟制造技术首先在飞机、汽车等工业领域获得了成功的应用。目前，虚拟制造技术的应用主要在以下几个方面。

2.1虚拟产品制造

应用计算机仿真技术，对零件的加工方法、工序顺序、工装的选用、工艺参数的选用，加工工艺性、装配工艺性、配合件之间的配合性、连接件之间的连接性、运动构件的运动性等均可建模仿真。建立数字化虚拟样机是一种崭新的设计模式和管理体系。

虚拟样机是基于三维CAD的产物。三维CAD系统是造型工具，能支持“自顶向下”和“自底向上”等设计方法，完成结构分析、装配仿真及运动仿真等复杂设计过程，使设计更加符合实际设计过程。三维造型系统能方便地与CAE系统集成，进行仿真分析;能提供数控加工所需的信息，如NC代码，实现CAD/CAE/CAPP/CAM的集成。一个完整的虚拟样机应包含如下的内容：

(1)零部件的三维CAD模型及各级装配体，三维模型应参数化、适合于变形设计和部件模块化;

(2)与三维CAD模型相关联的二维工程图;

(3)三维装配体适合运动结构分析、有限元分析、优化设计分析;

(4)形成基于三维CAD的PDM结构体系;

(5)从虚拟样机制作过程中摸索出定制产品的开发模式及所遵循的规律;

(6)三维整机的检测与试验。

以SolidEdge’Solidworks,UG等为设计平台，建立全参数化三维实体模型。在此基础上，对关键零、件进行有限元分析以及对整机或部件的运动模拟。通过数字化虚拟样机的建立、实施，帮助企业建立起一套基于三维CAD的产品开发体系，实现设计模式的转变，加快产品推向市场的周期。

2.2虚拟企业

虚拟企业是目前国际上一种先进的产品制造方式，采用的是“两头在内，中间在外”哑铃型生产经营模式，即产品研究、开发、设计和组装、调试、销售两头在公司内部进行，而中间的机械加工部分则通过外协、外购方式进行。

虚拟企业的特征是：企业地域分散化。虚拟企业从用户订货、产品设计、零部件制造，以及总成装配、销售、经营管理都可以分别由处在不同地域的企业，按契约互惠互利联作，进行异地设计、异地制造、异地经营管理。因为虚拟企业是动态联盟形式，突破了企业的有形界限，利用外部资源加速实现企业的市场目标。企业信息共享化是构成虚拟企业的基本条件之一，企业伙伴之间通过互联网及时沟通信息，包括产品设计、制造、销售、管理等信息，这些信息是以数据形式表示，能够分布到不同的计算机环境中，以实现信息资源共享，保证虚拟企业各部门步调高度协调，在市场波动条件下，确保企业最大整体利益。

虚拟企业的主要基础是:建立在先进制造技术基础上的企业柔性化;在计算机上制造数字化产品，从概念设计到最终实现产品整个过程的虚拟制造;计算机网络技术。这3项内容是构成虚拟企业不可缺少的必要条件。

3、结论

虚拟演播室技术特点及应用 篇3

关键词 虚拟演播室 技术特点 应用

引言

虚拟演播室（Virtual Studio，VS）是计算机技术在电视节目制作领域的最新应用之一，是一种基于虚拟现实的电视节目制作技术，它具有制景费用低廉、更换布景方便，便于发挥主创人员创意，实现其他技术难以完成的特技的优势，因此它的出现，不但成功地展示了所有能想象到的一切，而且电视给人们带来了焕然一新的视觉效果。

为了产生出逼真视觉的场景效果，用计算机场景工作站生成的三维图像代替简单的二维图像作为演播室的“虚拟”背景，并跟踪摄像机运动实时调整和“移动”该背景，使之与拍摄的主持人图像（前景）同步变换，实现三维场景的移动变换与真实摄像机相一致的模拟效果，这就是三维图形学、人工智能、模式识别与计算机图形图像处理相结合的虚拟演播室技术。它一般由一套计算机系统、电视摄像机（装有摄像机跟踪器）、三维场景跟踪器、色键器以及视音频切换等构成，其实质是将计算机产生的虚拟三维场景与摄像机现场拍摄的演员（或节目主持人）表演的活动图像图像进行数字化实时合成，使演员（或节目主持人）的表演（前景）与虚拟场景（背景）达到同步的变化，从而实现前景与背景的完美结合。

1 虚拟演播室工作原理

不同虚拟演播室对软件的要求不尽相同，但其核心部分却大同小异。虚拟演播室主要由摄像机、摄像机跟踪系统、计算机图形工作站、色键合成器4个部分组成。摄像机主要用于摄取蓝色幕布前真实的人或物。摄像机跟踪系统主要用于获取摄像机在演播室中的实际位置参数和动作参数。计算机图形工作站主要用于生成实施虚拟场景。色键合成器主要用于于将摄像机前景和计算机虚拟场景合成为一个图像。

虚拟演播室的工作原理如图1所示，把摄像机拍摄到的一蓝色幕布为背景的画面作为前景，用一台超级实时图形计算机中的三位动画软件生成的三维动作图形作为虚拟场景，通过跟踪器系统把采集到的摄像机的运动参数实时传送给计算机图形工作站，计算机图形工作站经大量运算后，产生于实际摄像机拍摄的实景画面匹配的虚拟场景。再通过深度键和色键将前景与虚拟场景合成为一个图像输出，达到以假换真的效果。

2 虚拟演播室关键技术

2.1 摄像机跟踪技术

摄像机跟踪技术是虚拟演播室中一项关键技术，它可以获取计算机在演播室中的实际位置参数和动作参数，从而判断摄像机、演员或节目主持人、计算机虚拟场景之间的相对位置关系，帮助系统实现真实摄像机与虚拟摄像机的锁定。目前，摄像机跟踪技术主要有图形识别、机械传感、红外线传感和超声波传感4种方式，每种方式都各有优劣，分别适用于不同的应用环境，4种方式的原理和比较如下图所示。

在虚拟演播室节目制作过程中，虚拟演播室专用数字摄像机通常为二到三个，摄像机配有运动检测和识别系统，即摄像机跟踪器。其原理是将检测到的摄像机的推、拉、摇、移、聚焦、变焦乃至升降等传感部位的运动数据，通过一个“传感器”装置传输到“校准器”，这样，理想情况下，现场摄像机与虚拟演播室中“虚拟”的摄像机被相对地锁定在一个位置上。当现场演播室摄像机运动时，虚拟摄像机受跟踪器的控制可以实时地与现场摄像机保持同步。

2.2 辅助摄像机技术

辅助摄像机技术是以图形识别技术为基础，可以说是图形识别系统的一种扩展。辅助摄像机是一种专用的小型摄像机，它可安装在任何一个演播室摄像机的顶部。而格子图案可以是任意颜色的，可安装于摄像师的后部、侧墙或天花板上。当演播室摄像机拍摄表演者时，辅助摄像机就会拍摄到格子图案，通过格子图案的视频图像信号进行分析，就可以得到演播室摄像机的各种参数。使用辅助摄像机技术后，演播室摄像机的拍摄可不受任何限制，可实现极端推进、宽角度拍摄、室外操作级费蓝演播室应用等。

2.3 “垃圾色块”技术

使用虚拟演播室系统制作节目时，当摄像机无意间拍摄到非蓝区域时，会出现“穿帮”现象。为了克服这一现象，出现了“垃圾色块”技术，或称为“填补彩底”技术。使用这一技术后，摄像机拍摄到的非蓝区域可自动由“垃圾色块”来填补，因此它具有“背景保护”功能，使演播的范围大大超出了演播室的蓝色背景范围。另外，这种技术还可用来制作虚拟天花板。

2.4 计算机虚拟场景生成技术

虚拟演播室系统配备的计算机是一个小型计算机网络，主机为网络中心，它是虚拟演播室的控制中心，是虚拟演播室节目制作的“导演台”。它除了调用和调整事先做好的三维虚拟场景外，还负责向图形发生器传输图像数据及处理由摄像机跟踪器传来的摄像机运动数据。根据主机传来的摄像机运动数据实时地计算出虚拟的三维电脑场景的运动，以保证其输出的虚拟背景与真实的前景同步。

其中，在虚拟节目准备中的一个重要任务就是建立三维模型。虚拟演播室的背景图像可以是来自录像机或摄像机的活动视频，也可以是静止图像等，但使用最多的是由计算机创作的二维或三维模型，即虚拟场景。有别于普通的电视节目后期制作和三维动画技术，虚拟演播室技术更加强调制作的现场感和可扩充的实时性。用计算机建立三维场景几乎不受现实的限制，因此，创作人员得以在节目需求的基础上根据想象自由发挥。场景的大小、布局、材料和动画等等都可以是任意的，只要设计得当，就可以制作出任何以往想都不敢想的虚拟场景。虚拟演播室系统还可以用建模软件控制合适的贴图、灯光、模型等参数，给场景中的物体贴画，加光影和润色，使其更具真实感。在虚拟场景中，主持人可以来回走动，场景中的虚拟物体可以实时的移动和处理，电视窗口能显示外部视频源送来的视频信号。主持人不仅能在虚拟物体的前面或后面，并且能隐藏在物体的里面。

2.5 灯光技术

灯光对于电视节目的制作向来占用相当重要的地位，在虚拟演播室中更是这样，所有光色必须保证蓝色空间场地基色，以适应色键器抠像的技术要求。虚拟演播室的无限蓝箱给灯光的处理带来了新的要求，传统的三点式布光的方法要有所变化，处理好布光问题可大大增加虚拟场景的真实感。对于地面、墙面的光线要尽量做到均匀、无阴影，要注意把握人物主体与蓝色背景之间布光的比例，另一方面，要注意现场真实灯光与虚拟系统生成的场景光效之间的协调，以增强真实感。

2.6 色键技术

虚拟演播室对色键技术提出了更高的要求，为了将前景画面和虚拟背景很好的合在一起，要求色键具有纵深方向的信息，即虚拟摄像机到每个像素的距离。这是一种基于计算机产生的三维布景画面的混合技术，被称之为深度键。使用传统的色键技术，将主持人丛蓝色幕布中提取出来，同时产生一个前景遮挡信号即键信号，然后通过深度键发生器求出键的深度值。在传统的抠像技术的基础上增加了深度键，可以让表演者处在虚拟场景的正确位置中，这样表演者可以走到虚拟物体的前面、后面或处于虚拟物体的内部，甚至可以穿过虚拟物体，给观众真实的距感，与传统色键相比，用深度键抠像的效果更自然和逼真。

2.7 蓝箱技术

蓝箱也称为蓝背景，它是主持人活动的实际场景及虚拟制作的基本依据。蓝箱的好坏，直接关系到色键像的质量。蓝背景可采用蓝幕布，但最好采用蓝背景漆。

蓝箱的设计首先要考虑空间结构。建议最好是选用面积适合的小演播室作为虚拟演播室专用，另外，要根据虚拟演播室的机位，来设计蓝箱的形状并计算其大小。

其次要考虑制作工艺，重点是背景制作，一般来说蓝色能更好地保护人体的皮肤颜色；物体周围的蓝色弱色调没有绿色弱色调显眼；演员们在蓝色环境，工作要比红色环境中愉快。蓝背景漆应使用添加有阻燃剂、哑光、具有一定耐磨度的纯正的色键蓝色，以保证最好的色键效果。

其它新技术还包括虚拟阴影及反射、虚拟散焦、高速数字视频处理等等。利用虚拟阴影及反射技术可进一步增强场景的真实感。虚拟散焦功能可模仿几何光学的原理，对虚拟场景中的远处景物进行散焦处理，从而增强场景的纵深感。新的数字视频处理器可完成高达每秒30亿次的操作，可建立逼真的3D环境。

3 虚拟演播室技术的应用

虚拟演播室的优势是显而易见的，从画面可以明显看出，电脑生成的背景与演员之间的融合简直是天衣无缝。使用虚拟演播室制作新闻、体育、娱乐、访谈、天气预报和一些教育类节目是比较理想的，因为这些节目在制作上具有连续性和重复性，制作一个场景就可以重复利用多次。在世界各大电视台，这样的节目不胜枚举。在演播室内搭建摩天大楼，演员在月球进行“实况转播”，演播室里刮龙卷风等等。

3.1 虚拟重放

虚拟重放系统主要应用于足球等球类比赛的转播及评论节目。它通过先进的视频跟踪技术和三维重建技术，可自动跟踪运动员或球，并突出显示他们的运动轨迹或路线，测量运动员和球的速度以及两物体之间的距离，并可在视频图像上直接描画各种箭头、轨迹、路线和标志。这套系统需要事先存储体育场的三维模型。另外，准备素材需要几分钟的时间。虚拟重放系统将逐步改变体育节目的转播方式，它可部分代替慢速重放，可从各个角度模仿真实比赛的情况，因此呈现在观众面前的将不再是“有争议”的或是难以判断的情况。

3.2 数字重放

数字重放系统主要应用于体育比赛的报道及评述节目。它能迅速重放各种精彩场面，在重放时，通过使用先进的视频跟踪技术，可突出显示并自动追踪关键运动员或球，显示他们的运动轨迹或路线，测量并显示运动员和球的速度以及两物体之间的距离，可在视频图像上直接描画各种箭头、轨迹、路线和标志。对于观众来说，数字重放系统可使他们更清楚地了解比赛中的每一个细节，从而能更好地欣赏比赛。对于体育评论员和球队教练来说，数字重放系统是一个理想的分析工具。

3.3 虚拟广告

虚拟广告系统可在体育节目或文艺节目的直播期间，将演播室制作的虚拟广告牌插入到赛场或表演场的空地上，或用虚拟广告牌替换掉场地上原有的广告牌，合成后可达到以假乱真的效果，观众丝毫不会觉察。利用虚拟广告系统有很多优点，首先，在对不同的地区进行转播时，可插入不同的广告，增强广告的有效性，提高资源利用率。另外，赛场上的广告可以不再是静止的，可以将插入的虚拟广告作成动画形式，各种二维或三维的动画广告更能吸引观众的注意力。此外，使用虚拟广告后，广告位置不再局限于场地的边边角角，如果愿意，整个场地都可以放置虚拟广告，广告尺寸也不会有任何限制。而且，虚拟广告可插入到以前无法利用的空间，如水面、沙滩、雪地或非常高的地方。

3.4 虚拟采访

利用从外地传来的被采访者在蓝色幕布前的信号，先经过一次抠像再进入虚拟演播系统的信号，先经过一次抠像再进入虚拟演播系统。通过插入的视频可将被采访者与演播室中的播音员实时结合在一个虚拟背景中，两个人物可以面对面的交谈和表演，对观众来讲就好像真的采访者请到了演播室中一样。

3.5 移动场景

移动场景也是一种具有特殊功能的系统，它可将视频及动画插入到室内和室外的节目中。这里使用的是一块绘有格子图案的小型面板，拍摄节目时将它放置在需要插入视频或动画的场景位置上。摄像机可从任意角度拍摄，得到的格子图案信息可控制生成装置生成与面板透视关系一致的视频或动画。最后经色键合成后，在相应于面板的位置就会出现视频或动画，且其透视关系与面板完全一致。移动场景功能非常适合于体育报道、实况采访、天气预报、现场新闻报道等节目，它可给节目增添活力，带来耳目一新的感觉。例如：英国EPO公司制作二战中被毁的一座大型教堂的建筑结构的录像。教堂尚未重建，但用超级计算机制作出教堂的立体画面，用一台虚拟的摄像机从各个角度做推拉、旋转等动作拍摄。30分钟画面用了6-8周时间，一座宏伟的教堂便“出现”了。

3.6 虚拟人物表演

计算机技术的高速发展使得实时人物动画表演成为可能。在真人身上各重要关节处装传感器，传感器的各组数据传到工作站中用于控制已制成的虚拟动画人物的关节活动，使它完全实时地模仿表演者的动作。 虚拟动画人物与真人能同时出现在同一个虚拟背景中，并相互配合，互换位置和交谈。这在已往的演播室制作过程中是无法想象的，也会给节目带来新奇感和神秘感，从而最大程度地娱乐观众。

3.7 火箭以及其它太空飞行器的虚拟直播

火箭以及其它太空飞行器的虚拟直播系统，对于火箭这一类太空飞行器，无法通过安装固定跟踪摄像机的方法来获得其空中飞行的直播图像，但是通过对其飞行姿态参数的遥测，可利用虚拟演播室技术来获取其飞行姿态的虚拟直播图像。

虚拟演播室技术的发展很快，应用也包括很多方面，这里只介绍了其中的几个主要方面。

4 小结

浅谈虚拟制造技术及发展应用 篇4

1. 虚拟制造技术的基本概念

虚拟制造技术VMT (Virtual Manufacturing Technology) 是20世纪80年代后期提出并得到迅速发展的一个新思想。它是以虚拟现实和仿真技术为基础, 对产品的设计、生产过程统一建模, 在计算机上对产品从设计、加工和装配、检验、使用等整个生命周期进行模拟和仿真。采用虚拟制造技术, 可以在产品的设计阶段就模拟出产品及其性能和制造过程, 以此来优化产品的设计质量和制造过程, 优化生产管理和资源规划, 使产品的开发周期和成本最小化。

2. 虚拟制造技术的主要特点:

2.1 运用信息技术对制造系统的要素进行全面仿真和高度集成

通过产品模型、过程模型和资源模型的组合与匹配来仿真特定制造系统中的设备布置、生产活动、经营活动等行为, 优化制造系统各要素 (人、技术、管理、环境等) 的整体配置.从而确保制造系统的可行性、合理性、经济性和高适应, 为先进制造技术的进一步发展提供了更广大的空间, 同时也推动了相关技术的不断发展和进步。

2.2 人与虚拟制造环境交互的自然化

虚拟制造环境是以人为中心, 使研究者能够沉浸到由模型创建的虚拟环境中去, 通过多种感知渠道直接感受不同媒体映射的模型运行信息, 并利用人本身的智能进行信息融合, 产生综合映射, 从而深刻把握事物的内在实质。人与虚拟制造环境的交互有利于加深人们对生产过程和制造系统的认识和理解, 有利于对其进行理论升华, 更好地指导实际生产。也有利于对生产人员进行模拟操作训练、异常工艺的应急处理等, 加快企业人才的培养速度。

3. 虚拟制造技术的研究内容与关键技术

3.1 虚拟制造技术的研究内容

由于虚拟制造涉及的技术领域极其广泛, 并且许多技术并非虚拟制造所特有, 有些技术在其它领域也早有研究和应用, 如CAD/CAM/CAE技术为虚拟制造的实现提供了较为成熟的技术基础, 多媒体远程通讯、网络技术、信息集成、三维实体建模技术等计算机各项技术的发展, 为虚拟制造功能的实现提供了有力支撑。近年来, 虚拟制造无论在基础研究, 还是技术开发方面都取得了很大的进步, 信息集成技术在虚拟制造中也得到了广泛的应用。但是虚拟制造技术并不是已有各单项技术的简单组合, 而是对制造知识进行系统化组织, 对工程对象和制造活动进行全面建模, 在相关理论和已积累知识的基础上实现集成。

就目前的研究情况来看, 虚拟制造技术针对产品生产与制造过程的拟实仿真、制造企业活动知识抽取、系统过程评价的中断介入等, 这需要有高计算能力、高速度、低成本的硬件和软件的支撑, 而目前软件的发展远远滞后于硬件, 虚拟制造技术要真正成为现代制造技术利器, 还有许多相关技术有待研究和开发, 虚拟制造技术的研究与应用有着巨大的潜力。

3.2 虚拟制造的关键技术

虚拟制造的关键技术可分为软硬两个方面。目前, 这些技术仍处于发展完善之中, 相比之下, 软件方面的开发远远落后于硬件。

软件方面的关键技术, 包括制造系统建模、产品开发和制造过程仿真以及可制造性评价等。软件技术是创建高度交互的、实时的、逼真的虚拟环境所需的关键技术。在进行软件开发时, 要考虑虚拟环境的建模以及所建环境的可交互性、可漫游性等。

软件方面涉及的主要技术有可视化技术, 即将各种信息以一种有意义、可理解的虚拟方式显示给用户;环境构造技术开发, 即一种像通用操作系统那样的环境, 以便促进可视化和其它VM功能;信息描述技术, 即采用不同的方法、不同的语义或语法表达不同的信息, 集成结构技术, 建立硬件和软件技术;仿真技术, 在计算机中设计制作实时系统模拟的过程;方法论, 找出用于开发和使用VMS的方法;制造的特征化技术。获取、测量和分析影响制造过程中材料去处的变量;VMS的实施、测量和检验技术;在VM环境下的人——机、人——人等关于人机工程学方面的评价和优化技术。

硬件方面涉及的主要技术有输入/输出设备, 如头盔式立体显示器 (HMD) , 适用的计算机屏幕、可视化眼镜, 数据手套、三维鼠标、数据衣服、虚拟音响设备;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, 该系统应具有按用户需求实时提供高质量画面的能力;网络体系结构设备和不同站点的硬件设备 (如小型机、图形工作站、PC机等) 。

通过软硬技术的结合, 建立虚拟现实计算平台, 在VRS中综合处理各种输人信息并产生作用于用户的交互性输出结果的计算机系统。

4. 结束语

虚拟制造技术是一门新兴的先进制造技术, 本文从虚拟制造的特点、虚拟制造的研究内容以及几个关键技术出发, 对虚拟制造的研究现状、存在问题和研究方向进行了综述和评议。可以看出, 尽管近年来国内外取得了一定的研究成果, 但还有许多难题需要进行进一步深人的研究, 特别是制造系统建模和仿真以及面向虚拟产品开发全过程的集成系统等有待研究和开发, 相信通过全世界虚拟制造研究人员的努力, 数字化制造的时代一定会到来。

参考文献

[1]黄炜.虚拟制造技术及其研究.苏州职业大学学报, 2006. (11)

[2]肖田元.虚拟制造.北京:清华大学出版社, 2004.

[3]贾广飞, 葛敬霞, 印建平.虚拟制造技术及其在我国的发展策略

虚拟制造技术及应用 篇5

同一般冲压件相比,覆盖件具有材料薄,结构尺寸大和表面质量要求高等特点,特别是汽车车体、车门等大面积覆盖件的工艺设计、冲模结构设计和冲模制造工艺都具有特殊性。其表面质量、尺寸形状、产品刚性、工艺性等方面的要求较高。近年来,汽车覆盖件对于压铸模、冲压模的质量、寿命和复杂程度提出了越来越高的要求。通过虚拟制造技术模拟汽车覆盖件的生产过程,能够及时发现生产工艺等方面的不足,对于模具改进、工艺优化等提供了更加高效和方便的选择。

2 汽车车门及其的虚拟制造

2.1 应用UG进行汽车车门及其拉延模具的设计

汽车覆盖件及其冲模结构设计的过程不同于手工设计,它不是先设计一个完整严格的装配图,再绘制零件图。而是首先选择一个预先制定好的规范化的典型结构组合,然后设计冲模零件,最后再将零件拼装成装配图。因此,应尽量最大限度的总结设计经验,制定冲模设计规范,以便建立设计模型。同时在虚拟制造过程中,充分发挥数据库和图形库的功能,自动检索、查询全部设计用的数据表格及标准零件的信息。此外,选择一个合适的图形系统更是至关重要。

2.1.1 结构尺寸参数

汽车覆盖件拉延模的凸模、凹模、压料圈和固定座都采用铸件,要求既要尽量减轻重量又要有足够的强度,因此铸件上非重要部位应挖空,影响到铸件强茺的部位应加添立筋。

冲模的闭合高度应适应双动压力机的规格。内滑块除凸模上装有固定座外还备有垫板,垫板与内滑块紧固,固定座安装在垫板上。在人工安装时要求固定座上平面高于压料圈上平面350mm以上,便于安装工卧装。外滑块备有下垫板、下台面和上垫板。上垫板紧固在外滑块上,压料圈安装在上垫板上。

2.1.2 凹模与凸模结构

凹模的作用是形成凹模压料面和凹模拉延圆角。压料圈首先行程入下到下极点,将拉延毛坯压紧在凹模压料面上并保持不动,这时运动着凸模行程往下,对拉延毛坯进行拉延直到下极点,拉延毛坯通过凹模圆角拉入凹模,拉延或凸模形状。凸模形状就是拉延件内表面形状,拉延件形状都是凸形的。拉延件上的装饰棱线、装饰筋条、装饰凹坑、加强筋、装配用凸包、装配用凹坑等一般都是在拉延模上一次成形出,拉延件的反拉延也是在拉延模上成形出。因此凹模结构除凹模压料面和凹模圆角外,在凹模里装有成形用的凸模或凹模也属于凹模结构的一部分。得到凹模和凸模的模具模型如图2所示。

2.2 模具虚拟装配

模具装配的质量好坏,对于模具的技术状态、使用寿命以及制件的质量都有很大的影响。因此,装配工作应在装配工艺规程指导下进行。由于模具的生产属于单件小批量生产,故在装配时,模具零件加工误差的累积会直接影响模具装配精度。冲模的装配,最主要的是保证凸凹模的对中,使间隙均匀。为此,总装前必须认真考虑上、下模的装配顺序,否则可能出现不便于调整间隙的情况。上下模的装配顺序与模具的类型和结构有关。通常是看上下模的主要零部件中哪一位置所受的限制大,就作为装配的基准件先装,再以它来调整别的零件的位置。

虚拟环境下装配过程用户从传统装配造型过程中的繁琐的操作中解脱出来,通过自动的配合约束满足特征元素的装配,从而大大简化了装配过程,使得装配过程更加趋于自然,并通过干涉碰撞检测,对装配过程的问题进行实时反馈。

装配的具体步骤为:(1)确定基准零件与装配零件。(2)确定特征配合对(3)建立特征元素对之间的约束(4)建立零件之间的约束。装配过程的结束,可以随操作过程结束而终止,也可由用户抓握一个新的零件而终止。一旦装配过程要结束,系统要搜集整理已有特征对的约束,并将其存入到装配约束模型,从而建立零件之间的约束。

3 模具的数控加工

在虚拟制造的整个过程,数控加工是必不可少的一个环节,也是非常重要的一个环节。设计的零件是否有很好的加工工艺性,或者是否能够加工出来,这些通过数控加工这一环节来体现。更重要的是使设计的零件的在实际装配时,能否达到合理的装配要求,以及装配好以后能否达到加工满足要求的零件的目的,所以零件的虚拟加工的作用是不言而喻的。这样就可以减少实际生产的费用,提高生产的效率。

另外,如果对于形面的光洁度要求非常高,则在精加工时留余量0.02mm,进行光整加工处理。下面以门板的拉延模具的凸模的粗加工为例来说明曲面的数控加工仿真。

4 总结

借助计算机技术,采用虚拟制造技术,能大大提高设计的效率,降低传统模具的周期长,花费大等缺点。本文介绍了虚拟制造技术的特点和发展现状,指出了虚拟制造技术在汽车覆盖件生产中应用方法和步骤,并以汽车车门的拉延模具为例,运用UG进行了汽车车门及其凹凸模具的虚拟制造过程。本文的研究对于汽车覆盖件的虚拟生产具有借鉴意义。

参考文献

[1]张树生,杨茂奎,朱名铨等.虚拟制造技术[M].陕西:西北工业大学出版社,2006.

[2]陈定方,罗亚波.虚拟设计[M].北京:机械工业出版社,2002.

虚拟制造技术及应用 篇6

虚拟制造（Virtual Manufacturing,VM）是指借助高性能的计算机和高速网络，在计算机搭建的环境中，实现产品研发、工艺、制造、检测等各个环节的仿真和模拟，以实现各个环节的优化，提升环节效率，并增强生产管理的颗粒度和准确度。

虚拟制造以虚拟制造技术为基础，与实际生产过程中以生产过程为管控主体不同，虚拟制造以产品为研究对象，建立基于产品的模型。而实际制造过程以实现原材料、劳动力、资金、信息、能源从输入端到输出端的转化为主要目标，重点关注的是物质流和信息流流动的有效性，虚拟制造则侧重于设计、工艺、物流各个环节策略的设计，其核心概念是通过虚拟环境仿真模拟的结果“预知”各环节策略的适用性和优劣性，通过搭建能够尽量全面反映实际生产规律的虚拟环境并在各环节进行各种策略的仿真验证，总结出最优的产品设计、工艺及生产策略。

虚拟制造主要有以下几方面特点：

(1）产品模型化：虚拟制造技术对产品对象建立数字化模型，并将该模型应用于设计、仿真、工艺、生产、物流、检测、检修等各个环节，实现基于模型化的产品全生命周期管理。

(2）环境映射化：虚拟制造技术对于实际生产的支持严重依赖虚拟环境的真实性，近年来随着虚拟现实技术的不断进步，虚拟环境的模拟越来越贴近实际情况，这也增加了虚拟制造的价值及对现实生产的指导意义。

(3）仿真集成化：虚拟制造技术的结果主要通过各种维度的仿真试验予以呈现，虚拟制造就是通过对各环节各维度的仿真予以集成来实现对各个策略的验证和检验。

(4）资源集约化：由于需要搭建全面的虚拟环境并进行高精度仿真系统验证，虚拟制造技术对计算机资源的需求极大，目前随着分布式系统技术的成熟，计算机底层资源已经足够支撑虚拟制造技术的应用。

2 虚拟制造的现状

虚拟制造技术在20世纪80年代就诞生了概念原型，随后以美国、日本为代表的发达国家在20世纪90代中期基本完成了技术体系及相关基础应用技术等的研究，并逐步在业界各地进行推广落地。国外多采用由政府、研究院所和企业共同参与的产学研联盟形式对虚拟制造技术进行技术研究、产业孵化和应用推广。比较著名的研究机构包括美国国家标准及技术局制造工程实验室、美国马里兰大学系统研究学院、美国波音-麦道飞机制造公司、英国巴斯大学机械工程系、日本大坂大学机械工程系制造工程及系统研究室等。

目前，国外已经出现一批虚拟制造技术成功在企业应用的案例，其中以在汽车和飞机制造企业的应用最为成功。美国波音-麦道公司20世纪90年代初期在开发波音777型客机时使用虚拟制造技术，投资42亿美元，仅用时44个月就研制成功并成功试飞，研制时间缩短30%，成本节约25%，并为接下来的飞机研制过程提供了可借鉴的技术路线图。汽车行业如Ford公司，将虚拟制造技术应用于产品研发，也将研发周期平均缩短30%；德国奔驰公司将虚拟制造技术应用于生产过程的模拟，设计出最优的车体喷漆工艺流程，使车体喷漆时间缩短了25%以上。

由于硬件条件的欠缺和软件环境的技术能力不足，国内对虚拟制造技术的研究和应用远远落后于国外先进水平。1995年前后清华大学自动化系CIMS所在吴澄院士的牵头下成立了虚拟制造研究室，国内的虚拟制造技术才逐渐起步。目前，浙江大学、西安交通大学、上海交通大学等院校先后成立了虚拟制造方向的研究所或研究中心，重点针对虚拟制造基础、产品虚拟设计技术、产品虚拟加工技术和虚拟制造系统4个方面进行理论研究和技术攻关。

在国内虚拟制造技术应用领域中，比较主流的是通过搭建虚拟仿真环境，对产品的设计、工艺参数予以检验、比较。例如清华大学自动化系过程控制所李宛洲副教授在国家自然科学基金《3.6万吨黑色金属垂直挤压机加载过程控制的若干关键技术研究》中搭建了Adams-EASY5-Matlab联合仿真环境，建立了大型挤压机的虚拟制造平台，在不同的控制策略下，通过对加压、挤压、挤压台姿态控制以及降压环节的压力、速度、摩擦力等参数的仿真，得出了最优的控制算法。此外，三一重工在SY235型20t级挖掘机的研发设计过程中，也通过应用虚拟制造技术，建立虚拟验证平台，得出了最优的结构参数。

3 虚拟制造技术在轨道交通装备制造行业的应用

轨道交通装备制造领域作为“中国制造2025”的十大核心产业之一，也是中国装备走出去的重点方向。自2015年中国南北车合并成立中国中车后，中国轨道交通装备制造行业在中车的牵动下，着力进行智能制造产业升级，积极探索虚拟制造技术在其制造流程中的应用。

根据虚拟制造技术在其他行业的应用经验，结合轨道交通行业自身的产业特点，虚拟制造技术广泛应用于产品研发、工艺设计、生产过程监控等环节。

(1）在进行高铁、机车研发过程中，可以通过虚拟制造技术，实现MBD（基于模型的设计）。通过搭建对象的三维模型，可以使设计人员“身临其境”，检查其外形是否符合空气动力学原理，内部布局是否合理；可以对其材质、结构进行三维模拟仿真，确认其性能参数；还可以实现协同设计，提升设计效率，达到优化产品研发过程的目的。

(2）一般而言，生产线的设计需根据主导产品的类型、产量、加工工艺等系统特性选择加工设备、物流设备以及各种辅助设备，结合车间空间的结构特点对这些设备进行空间配置，并充分考虑设备之间在空间位置上的协调性，以确保整个系统的畅通和自动化。利用虚拟制造VM技术对生产线进行三维可视化设计的方法，通过可视化的三维建模，在虚拟场景中构建出可模拟真实生产环境的可视化模型，它将为生产线的设计以及快速重组设计提供有效的建模和分析工具，并提高设计的合理性。利用虚拟制造技术设计的同一条生产线的两种不同布局如图1所示。

(3）虚拟制造技术应用于生产过程主要是通过建立虚拟与物理融合的生产可视化监控中心，实现生产环节全链条的模拟管控，有效地预知生产中存在的资源浪费、节拍冲突、品质无法保证等问题，从而对物理生产环节进行相应调整，可以节约成本、优化生产过程。在轨道交通制造领域，生产可视化监控中心可用于转向架、司机室等复杂部件的生产过程，也可用于总装车间等大型部件的组装过程，通过虚拟和现实的结合处理提前预知生产过程中可能出现的问题并加以优化，以提高生产效率，避免生产误差。

4 应用实例

作为中车的标杆企业，四方股份具备较为开放的企业文化、相关流程及改进意愿。近年来，四方股份对公司业务现状进行了全面的智能制造规划，并积极搭建数字化设计与仿真、数字化制造、数字化运营管理及数字化服务等系统。

目前，四方股份正在积极开展转向架、车体、总装3大分厂的MES项目，探索虚拟制造技术在制造过程监控方面的应用。

4.1 设计仿真

四方股份的设计研发为谱系化设计，具体流程包括客户需求、设计策划、方案设计、技术设计、施工图设计、工艺设计、检验策划、试制及验证和设计确认等。经过应用虚拟制造技术中的产品数字化模型化设计，目前四方股份的产品研发流程已经实现了产品设计、工艺设计、质量策划一体化应用；设计过程管理和流程管理；一体化变更管理，电子图档指导生产；工程数据向制造现场发放。

图2为虚拟制造在产品设计中的应用。在产品设计阶段通过仿真验证和优化，在虚拟环境中发现问题并解决问题，可以减少实物样机的调试时间和工程更改。

4.2 工艺仿真

图3为虚拟制造在工艺设计中的应用。四方股份结合企业产品实际情况，要求所生产产品在上线投产之前，在虚拟生产环境中进行试生产，对生产线产能、设备利用率进行分析；对物流流量、方向、路径进行模拟；对工艺装配过程进行验证和优化，减少工艺验证时间，并逐步取代样车试制。

5 结语

目前，以中国中车为代表的轨道交通装备制造企业正在积极探索虚拟制造技术在企业业务流程中的应用，中车旗下四方股份在虚拟产品设计、工艺研发方面的探索只是整个轨道交通装备制造行业对虚拟制造技术应用的一个缩影，随着计算机技术、信息技术的不断发展，技术应用经验的不断积累，虚拟制造技术必将对轨道交通制造行业的智能制造升级带来革命性影响。

参考文献

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[4]焦可如,张志军,王晓琴.虚拟制造技术及应用研究[J].制造业自动化,2012(10):67-69.

虚拟制造技术及应用 篇7

随着知识经济的兴起和快速发展,竞争日益激烈的现代市场要求企业必须以最短的产品开发周期T(time)、最优品质Q(quality)、最低成本C(eost)和最佳服S(service)来满足不同顾客的需求。而传统设计,是根据产品的使用性能和设计要求,在图纸上进行设计,在设计过程中,需要预先考虑到设计中存在的装配干扰和设计不到位等问题,而这些问题往往只能在产品开发后期或最终产品试制和装配中才会暴露出来,如果这时发现零件有问题或不足,就要重新设计;如果是零件已经生产了,那问题就更严重了。这样的设计和制造不能保证产品生产的质量,而且产品的开发效率低、耗时多、费用高。面对持续发展、快速多变、不可预测的市场需求,企业的生产活动必须要有高度的柔性,能对市场需求的变化做出快速反应。而同时,信息技术取得了快速发展,为机械制造业的信息化进程提供了可行的基础。这样,信息化机械制造在现代机械制造领域的新产品开发中显得尤为重要。

1 虚拟机械制造技术的定义与特征

传统的机械设计技术,受低劣的设备条件和落后的技术方法所限,只能在保守的观念下,依据粗略的验算甚至估计,通过大量的简化和静止化假设完成机械工程设计,因此它必然使设计存在随意性,对个人的经验和习惯的依赖性极大,极难实现合理、准确和高效的设计。现代机械设计技术,充分利用了当今迅速发展起来的计算机技术、计算技术、应用数学和力学、电子学、测试和分析技术,使设计技术有可能从经验的、静止的和随意性很大的传统设计,变为基于计算数据、知识工程或专家系统的、动态的现代设计。这需要充分收集、分析和检索必要的信息,快速的数值运算和方案寻优,因而必然大规模地使用CAD技术和人工智能技术、数据库技术等。

而虚拟制造技术,是将实际机械制造过程在计算机上进行映射,即采用虚拟现实与计算机仿真技术,在高性能计算机和高速网络的支持下,在计算机上群组协同工作,实现产品设计、加工机械制造、性能分析、工艺规划、质量检验,以及企业各级过程的控制与管理等产品机械制造的本质过程,以增强机械制造过程各级的控制与决策能力。

虚拟机械制造技术是在虚拟环境下对计算机数据模型进行模拟分析的一项计算机辅助设计技术。它集成和综合了可运行机械制造的环境:包括各种仿真工具、分析工具、应用工具、信息模型、控制工具、设备和组织协同工作的方法等等,用以改善从装配产品的概念设计到动态仿真再到回收利用的各个阶段。利用虚拟制造技术,技术人员不必等待零件的全部制造出来,可以建立零件的模型,对这些模型进行虚拟装配,并检查零部件之间的装配间隙和干涉,检查装配状态,及时发现错误,若零件不符合要求,可以在计算机里方便地更改模型,并重新生成模型和自动更新相关的零部件图和装配图,从而实现设计、装配和制造检验的协调统一。

2 虚拟制造的核心技术

虚拟制造技术涉及面很广,诸如环境构成技术、过程特征抽取、元模型、集成基础结构的体系结构、制造特征数据集成、多学科交驻功能、决策支持工具、接口技术、虚拟现实技术、建模与仿真技术等,其中以下3项是虚拟制造的核心技术。

2.1 建模技术

虚拟制造系统VMS(Virtual Manufacturing System)是现实制造系统RMS(Real Manufacturing System)在虚拟环境下的映射,是RMS的模型化、形式化和计算机化的抽象描述和表示。VMS的建模应包括:生产模型、产品模型和工艺模型的信息体系结构。

1)生产模型

可归纳为静态描述和动态描述两个方面。静态描述是指系统生产能力和生产特性的描述。动态描述是指在已知系统状态和需求特性的基础上预测产品生产的全过程。

2)产品模型

是制造过程中,各类实体对象模型的集合。目前产品模型描述的信息有产品结构明细表、产品形状特征等静态信息。而对VMS来说,要使产品实施过程中的全部活动集成,就必须具有完备的产品模型,所以虚拟制造下的产品模型不再是单一的静态特征模型,它能通过映射、抽象等方法提取产品实施中各活动所需的模型。

3)工艺模型

将工艺参数与影响制造功能的产品设计属性联系起来。以反应生产模型与产品模型之间的交互作用。工艺模型必须具备以下功能:计算机工艺仿真、制造数据表、制造规划、统计模型以及物理和数学模型。

2.2 仿真技术

仿真就是应用计算机对复杂的现实系统经过抽象和简化形成系统模型,然后在分析的基础上运行此模型,从而得到系统一系列的统计性能。由于仿真是以系统模型为对象的研究方法,而不干扰实际生产系统,同时仿真可以利用计算机的快速运算能力,用很短时间模拟实际生产中需要很长时间的生产周期,因此可以缩短决策时间,避免资金、人力和时间的浪费。计算机还可以重复仿真,优化实施方案。

仿真的基本步骤为:研究系统→收集数据→建立系统模型→确定仿真算法→建立仿真模型→运行仿真模型→输出结果并分析。

产品制造过程仿真,可归纳为制造系统仿真和加工过程仿真。虚拟制造系统中的产品开发涉及到产品建模仿真、设计过程规划仿真、设计思维过程和设计交互行为仿真等,以便对设计结果进行评价,实现设计过程早期反馈,减少或避免产品设计错误。加工过程仿真,包括切削过程仿真、装配过程仿真,检验过程仿真以及焊接、压力加工、铸造仿真等。目前上述两类仿真过程是独立发展起来的,尚不能集成,而VM中应建立面向制造全过程的统一仿真。

2.3 虚拟现实技术VRT

虚拟现实技术是在为改善人与计算机的交互方式,提高计算机可操作性中产生的,它是综合利用计算机图形系统、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(称为虚拟环境)中提供沉浸感觉的技术。

由图形系统及各种接口设备组成,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VRS(Virtual Reality System)。虚拟现实系统包括操作者、机器和人机接口3个基本要素。它不仅提高了人与计算机之间的和谐程度,也成为一种有力的仿真工具。利用VRS可以对真实世界进行动态模拟,通过用户的交互输入,并及时按输出修改虚拟环境,使人产生身临其境的沉浸感觉。虚拟现实技术是VM的关键技术之一。

3 机械工程设计中的虚拟制造技术——机械虚拟样机技术

机械工程设计中的虚拟样机技术,又称为机械系统动态仿真技术,是国际上20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程技术。工程师在计算机上建立样机模型,对模型进行各种动态性能分析,然后改进样机设计方案,用数字化形式代替传统的物理样机。运用虚拟样机技术,可以大大简化机械产品的设计开发过程,大幅度缩短产品开发周期,大量减少产品开发费用和成本,明显提高产品的质量和产品的系统级性能,获得最优化和创新的设计产品。因此,该技术一出现,立即受到了工业发达国家有关机构和大学、公司的极大重视,许多著名制造厂商纷纷将虚拟样机技术引入各自的产品开发中,并取得了很好的经济效益。

在机械工程设计过程中,应用计算机仿真技术,对零件的加工方法、工序顺序、工装的选用、工艺参数的选用,加工工艺性、装配工艺性、配合件之间的配合性、连接件之间的连接性、运动构件的运动性等均可建模仿真。建立数字化虚拟样机,是一种崭新的设计模式和管理体系。

4 虚拟样机技术在机械工程设计中的优势

4.1 具有强大的通用性和很强的复杂问题处理能力

虚拟样机技术,是在分析力学和多体动力学的研究基础上发展起来的,其目的就是为了能够实现对复杂机械系统的自动建模。因此,多数虚拟样机技术软件采用的是带约束乘子的微分一代数混合方程。其核心是令每个构件都具有6个自由度,然后用约束方程对多余的自由度加以限制。这样的好处是能够具有较好的通用性,对于不同类型的机构都可以方便建模。虚拟样机技术考虑了机械系统中的详细环节,比如构件的弹性、接触、摩擦和控制等。

4.2 使机械系统建模更加方便

对于传统的机械系统建模,我们必须首先进行运动分析,然后根据运动分析的结果进行动力分析,这中间需要大量的图形分析和公式推导。这个过程不但繁琐复杂,而且非常容易出错,设计人员需要花费大量的时间和精力,保证建模过程的准确性。使用虚拟样机技术,设计人员的工作只是给出机械的构成和连接形式,以及构件的物理参数,后面的建模和求解都是由计算机来完成的。这样大大减轻了设计人员的负担,提高了效率。

4.3 软件具有强大的后期处理功能

传统分析方法,得到的是大量的数据,对于这些结果的了解,需要丰富的理论知识和经验。对于包含空间机构的机械更是如此。而虚拟样机技术软件,提供了很多结果的的可视化技术、曲线、图形和动画功能,可以使设计人员直观地看到其性能和运动效果。

5 结论

虚拟制造技术,将从根本上改变现代机械工程设计领域中设计、试制、修改设计、规模生产的传统制造模式。在产品真正制出之前,首先在虚拟制造环境中生成软产品原型,代替传统的硬样品进行试验,对其性能和可制造性进行预测和评价,从而缩短产品的设计与制造周期,降低产品的开发成本,提高系统快速响应市场变化的能力。虚拟机械制造是虚拟现实技术和计算机仿真技术在机械制造领域的综合发展及应用。依靠现代化技术在计算机中以虚拟的形式实现,在不消耗实际的资源的前提下,更加实际的反映出新开发产品的相关情况,为机械制造业带来了全新的概念。

摘要：虚拟机械制造技术(Virtual Manufacturing)指对机械制造过程进行模拟仿真,以提高产品生产效率,降低生产成本的机械制造技术。20世纪90年代以来,计算机虚拟机械制造技术得到快速发展,成为现代很多机械制造企业的重要核心技术。结合计算机虚拟机械制造等新的机械制造技术的最新发展状态,探讨了计算机虚拟机械制造技术在现代机械制造业中的应用实践。

关键词：虚拟,仿真,机械制造业,应用

参考文献

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[4]袁进锋.浅谈虚拟技术在机械工程中的应用[J].科技与生活,2010.8.

[5]沈艳,郑永前.JACK虚拟技术在车间作业设备优化中的应用[J].工业工程与管理,2009.5.

虚拟制造技术及应用 篇8

在经济全球化、贸易自由化和社会信息化的新形势下,制造业的经营战略发生了很大的变化,TQCS成为现代制造企业适应市场需求,提高竞争力的关键因素。即以最快的上市速度(T-Time to Market)、最好的质量(Q-Quality)、最低的成本(C-Cost)、最优的服务(S-Service)来满足不同顾客的需求。如何利用新技术所提供的机遇,抓住用户需求,以最短的时间开发出用户能够接受的产品,已成为市场竞争的焦点。

面对激烈的国际竞争,为迎接中华民族的伟大复兴,国家对制造企业提出了宏伟目标,即要求国内骨干企业尽快着手信息化工作,2010年到2015年大中型企业要达到国际先进的信息化制造水平。实际上,信息化不仅是政策的约束,更是市场的驱使,随着市场经济全球化的进程,信息化制造将成为现代制造企业追求的重要目标之一。

1 信息化制造

信息化制造是以虚拟制造和大规模定制生产为标准的,只有基本上实现了从产品设计、开发、生产制造和流通以至产品全生命周期的信息化,才算真正完成信息化工作,在此基础上的先进制造模式和信息化内容才能叫做信息化制造。

随着计算机、自动化及网络技术在制造系统中的应用,信息技术对制造技术发展的作用目前已占到第一位。产品制造过程中的信息投入,己成为决定产品成本的主要因素。信息技术使现代制造的技术含量提高,使传统制造技术发生质的变化。信息技术也促进着设计技术的现代化,加工制造的精密化、快速化,自动化技术的柔性化、智能化,整个制造过程的网络化、全球化。

为了提高竞争能力,企业应当能够对市场需求的变化做出快速敏捷的反应,并及时地对自身的生产做出合理的调整与重新规划。面对不可预测、持续发展、快速多变的市场需求,企业的生产活动必须具有高度的柔性。计算机软硬件技术及网络技术的迅速发展为实现这一目标提供了强有力的支持。基于这些因素,概念设计、并行工程、智能制造、敏捷制造等多种有关先进制造技术的新思想、新概念相继诞生。虚拟制造(Virtual Manufacture)就是其中之一,它代表了一种全新的制造体系和模式。

1.1 虚拟制造技术

虚拟制造技术是以虚拟现实和仿真技术为基础,对产品的设计、生产过程统一建模,在计算机上实现产品从设计、加工和装配、检验、使用整个生命周期的模拟和仿真。这样,可以在产品的设计阶段就模拟出产品及其性能和制造过程,以此来优化产品的设计质量和制造过程,优化生产管理和资源规划,缩短设计开发周期,降低开发成本,以达到产品开发周期和成本的最小化,产品设计质量的最优化和生产效率最高化,从而提高企业的快速响应能力,增强企业的市场竞争优势。也就是说虚拟制造是对实际制造进行抽象、分析、综合、得到实际产品的全数字化模型,其最终目标是反作用于实际制造过程,用来指导生产实践。

虚拟制造技术可以分为三大类:一是以设计为中心的虚拟制造技术;二是以生产为中心的虚拟制造技术;三是以控制为中心的虚拟制造技术。

1)以设计为中心的虚拟制造以设计为中心的虚拟制造是将制造信息加人到产品设计与工艺设计过程中,并在计算机中进行”制造”,仿真多种制造方案和产生许多”软”的模型,为设计者提供一个设计产品和评估产品可制造性的环境。它的主要支持技术包括特征造型、面向数学的模型设计及加工过程的仿真技术。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)以生产为中心的虚拟制造以生产为中心的虚拟制造是将仿真能力加人到生产过程模型中,其目的是方便和快捷地评价多种加工过程,检验新工艺流程的可信度、产品的生产效率、资源的需求状况(包括购置新设备、征询盟友等),从而优化制造环境的配置和生产的供给计划。它的主要支持技术包括虚拟现实技术和嵌人式仿真技术,其应用领域包括工厂或产品的物理布局及生产计划的编排。

3)以控制为中心的虚拟制造以控制为中心的虚拟制造是将仿真能力增加到控制模型和实际的生产过程中,模拟实际的车间生产,评估车间生产活动,达到优化制造过程的目的。它的主要支持技术有:对离散制造一基于仿真的实时动态调度;对连续制造一基于仿真的最优控制。

1.2 基于网络的远程制造

基于网络的远程制造技术指的是:面对市场机遇,针对某一市场需要,利用以互联网为标志的信息高速公路,灵活而迅速地组织社会制造资源,把分散在不同地区的现有生产设备资源、智力资源和各种核心能力,按资源优势互补的原则,迅速地组合成一种没有围墙的、超越空间约束的、靠电子手段联系的、统一指挥的经营实体—网络联盟企业,以便快速推出高质量、低成本的新产品。

实施网络化制造技术的行为主体是网络联盟,因此需从网络联盟的全生命周期来考察研究与网络联盟相关的一系列问题,网络联盟的生命周期按时序大致划分为:面对市场机遇时的市场分析、资源重组分析、网络联盟组建设计、网络联盟组建实施、网络联盟运营、网络联盟终止。

在网络联盟全寿命周期内,所涉及到的实施技术涵盖了以下几方面:组织管理与运营管理技术资源重组技术;网络与通讯技术;信息传输、处理与转换技术等:由于网络化制造是建立在以因特网为标志的信息高速公路的基础上,因此必须建立和完善相应的法律、法规框架与电子商务环境,建立国家制造资源信息网,形成信息支持环境。

2 网络时代的企业虚拟化

传统的制造企业主要依靠自己的内部和几个熟悉的合作伙伴进行生产。要同其它企业建立新的合作关系可能需要花费几个月的时间,因为各项事物如条约、条件、CAD格式等等都需要协商,企业的生产能力也需要确认。所要求的零件图纸最多只能送到几个车间评估,而且图纸主要是通过电传、Modem或磁盘等传递的,经常需要手工重新输人到车间的CAD系统。澄清每一步(如丢失了曲面精度或误差说明等)都可能需要几天的时间。如果发生了错误或遇到了困难需要改变设计时,整个循环周期就可能增加50%,甚至更多。

在社会步入网络时代的今天,为了快速响应市场的需求,围绕新产品开发,利用不同地域的现有资源、不同的企业或不同地点的工厂,重新组织一个新公司。该公司在运行之前,必须分析组合是否最优,能否协调运行,并对投产后的风险、利益分配等进行评估。这种联作公司称为虚拟公司,或者叫作动态联盟,是一种虚拟企业,它具有集成性和实效性两大特点的经济实体。

2.1 虚拟企业

虚拟企业是指分布在不同地区的多个企业利用电子手段,为快速响应市场需求而组成的动态联盟,是组织、人力、技术、信息等资源在完善的网络组织结构基础上的有效集成。虚拟企业是根据市场需求动态去组建,并迅速地在各种构成企业间达到协调,强调在最短时间内以最适合的性能价格比开发市场需求的产品。虚拟企业的特点是企业的功能上不完整、地域上分散和组织结构上非永久性。由于信息和市场的全球化,企业必须不断创新产品及优化制造过程,快速响应客户要求,才能取得竞争上的优势。虚拟企业的企业成员间在逻辑上是一个完整的企业实体,在组织上根据各自企业特点的经济效益而联合。当市场机遇不复存在,虚拟企业随即解体。其最终目标是利用不同地区的现有生产资源,把它们迅速组合成一种没有界限的、靠电子手段联系的经营实体,以便快速推出高质量、低成本的新产品。

在虚拟企业中,一个企业设计某种产品并为制造该产品而与其它企业进行合作。要形成这种合作关系,企业需要建立良好的产品设计系统并对合作的企业作出优化选择。为此,我们需要作两方面研究:一是在产品设计阶段考虑到侯选企业的能力,这种能力是与制造该产品有关的,而非企业的一般能力;二是为比较侯选伙伴提供工具。也就是说建立能够对企业作出评估的信息模型并提供各种决策方法

在面对多变的市场需求下,虚拟企业具有加快新产品开发速度,提高产品质量,降低生产成本,快速响应用户的需求,缩短产品生产周期等优点。因此虚拟企业是快速响应市场需求的部队,能在商战中为企业把握机遇和带来优势。

2.2 虚拟制造

虚拟制造技术是虚拟现实技术和计算机仿真技术在制造领域的综合发展及应用,它为制造业带来全新的概念。它可以全面改进企业的组织管理工作,提高企业整体运作及全面最优决策的效能和市场竞争力。

实施虚拟制造可以打破传统的地域、时域的限制,通过Internet实现资源共享,变分散为集中,可实现异地设计、异地制造,从而使产品开发能以快速、优质、低耗响应市场变化。通过分析设计的可制造性,利用有效的工具和加工方法来支持生产,可以大大提高产品的质量和稳定性。企业不再需要投入大量的设备和仪器,从而避免了不必要的设备闲置,可充分利用其他企业的先进设备和仪器进行生产,能很好地解决一些中小企业资金短缺的难题。

应用计算机仿真技术,对零件的加工方法、工序顺序、工装的选用、工艺参数的选用,加工工艺性、装配工艺性、配合件之间的配合性、连接件之间的连接性、运动构件的运动性等均可建模仿真,可以提前发现加工缺陷,提前发现装配时出现的问题,从而能够优化制造过程,提高加工效率。

产品生产过程的合理制定、人力资源、制造资源、物料库存、生产调度、生产系统的规划设计等,均可通过计算机仿真进行优化,同时还可对生产系统进行可靠性分析,对生产过程的资金进行分析预测,对产品市场进行分析预测等,从而对人力资源、制造资源的合理配置,对缩短产品生产周期,降低成本意义重大。

虚拟制造在工业发达国家,如美国、德国、日本等已得到了不同程度的研究和应用。在这一领域,美国处于国际研究的前沿。福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司在新型汽车的开发中已经大量应用虚拟制造技术,大大缩短了产品的发布时间。美国Ultra Comm公司是生产电子产品的虚拟企业,在美国各地有60多家,数以千计的雇员组成的虚拟电子集团,公司本身只有几名雇员,该公司利用遍布全美的商务网络,采用分散设计和制造方式,不同的产品选用不同企业,依靠网络技术组成的经济实体,实现市场目标。美国波音公司投资40亿美元研制波音777喷气式客机,是世界上首架以三维无纸化方式设计出的飞机,它的设计成功已经成为虚拟制造从理论研究转向实用化的一个里程碑。从1990年10月开始到1994年6月仅用了3年零8个月时间就完成了研制,一次试飞成功,投入运营。波音公司分散在世界各地的技术人员可以从777客机数以万计的零部件中调出任何一种在计算机上观察、研究、讨论,所有零部件均是三维实体模型。可见网络化的虚拟制造给企业带来的效益。

3 网络化虚拟制造应用的现实思考

3.1 全局意义上的规划和引导

虚拟制造技术与其它的先进制造技术是相互关联、彼此交叉的,其涉及面广、技术难度大,研究及推广应用需要投入大量人力、物力及资金,政府部门应从宏观上加强对虚拟制造技术的指导,同时要使虚拟制造技术与各种先进制造技术相互衔接、协调发展。

3.2 现实企业的创新与突破

企业在培养和引进高层次、高质量研究型、管理型和开发应用型人才的同时,大力普及CAD CAM技术,及时推行精益生产、并行工程等思想和技术,全面提高企业员工的技术素质。企业与高校应探索人才的联合培养新模式,不断增强科技创新能力。要分阶段构建虚拟制造环境,做好全面扎实的基础工作,在全面实施并行工程的基础上实施虚拟制造。

3.3 关键技术的研究与开发

虚拟制造技术包括软件技术和硬件技术,其中建模技术、计算机仿真技术和虚拟现实技术等是实施虚拟制造的关键技术。我国虚拟制造技术的研究刚刚起步,系统的、全面的研究尚未开展,科研力量分散。建立分布式网络化研究中心,以企业为主体,产学研相结合,重点投资与自身发展有关的关键技术的研究,进行研发和推广是一条值得深入探索的道路。

4 结论

网络时代,社会有限资源通过Intranet和Internet技术重新整合,局部有限资源在全球经济环境中将得到充分利用,人们通过网络可以享受虚拟游览、虚拟购物、网上电子商务交易等服务。面对信息时代的到来,企业结构将发生变化,采用网络化制造模式将有助于提高企业的竟争力。基于网络虚拟制造将是下一代生产制造的一个趋势。它既是一项先进制造技术又是一种先进制造理念,可以预见,随着远程通讯、计算机网络、数据库技术等相关技术的发展,利用工业工程思想和分布式网络化研究中心在新的生产模式和结构重组方面提供的指导和示范,必将为先进制造技术的进一步发展提供更广阔的空间。

摘要：随着社会进入互联网时代,信息化是一个现代制造企业发展的必然趋势。今天的制造业已经成为同时对物质、信息和知识进行处理的产业,这种情况下,是否能确实有效地协调设计与制造各阶段的关系,成为寻求企业整体全局最优效益的必要途径。随着计算机网络和虚拟现实等先进技术的出现,虚拟制造技术应运而生,信息化制造将成为现代制造企业追求的重要目标之一。本文论述了先进制造技术中虚拟制造技术特点、发展概况,以及信息化环境中虚拟技术在现代制造业中的应用。

关键词：信息化制造,网络,虚拟技术,制造业

参考文献

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[6]曾文健,杨忠旭.虚拟技术应用于现代制造企业中的思路及其影响[J].武汉科技学院学报,2005,07,30.

虚拟再制造系统结构及其应用研究 篇9

1 虚拟再制造的内涵

1.1 基本概念

虚拟再制造(virtual remanufacturing)是实际再制造过程在计算机上的本质实现,采用计算机仿真与虚拟现实技术,在计算机上实现再制造过程中的虚拟检测、虚拟加工、虚拟控制、虚拟实验、虚拟管理等再制造本质过程,以增强对再制造过程各级的决策与控制能力[1]。虚拟再制造是以软件为主,软硬结合的新技术,需要与原产品设计及再制造产品设计、再制造技术、仿真、管理、质检等方面的人员协同并行工作,主要应用计算机仿真来对毛坯虚拟再制造,并得到虚拟再制造产品,进行虚拟品质检测实验,所有流程都在计算机上完成,在真实废旧产品的再制造活动之前,就能预测产品的功能以及制造系统状态,从而可以做出前瞻性的决策和优化实施方案。

1.2 虚拟再制造的特点

1) 通过虚拟废旧产品的再制造设计,无须实物样机就可以预测产品再制造后的性能,节约生产加工成本,缩短产品生产周期,提高产品品质。

2) 产品再制造设计中,根据用户对产品的要求,对虚拟再制造产品原型的结构、功能、性能、加工、装配制造过程以及生产过程在虚拟环境下进行仿真,并根据产品评价体系提供的方法、规范和指标,为再制造设计修改和优化提供指导和依据。同时还可以及早发现问题,实现及时的反馈和更正,为再制造过程提供依据。

3) 以软件模拟形式进行新种类再制造产品的开发,可以在再制造前通过虚拟再制造设计来改进原产品设计中的缺陷,升级再制造产品性能,虚拟再制造过程。

4) 再制造企业管理模式基于Intranet或Internet,整个制造活动具有高度的并行性。又由于开发进程的加快,能够实现对多个解决方案的比较和选择。

2 虚拟再制造系统的开发环境

虚拟再制造系统在功能上与现实再制造系统具有一致性,在结构上与现实再制造系统具有相似性,软、硬件组织要具有适应生产变化的柔性,系统应实现集成化和智能化。借鉴虚拟制造的系统开发架构,可将虚拟再制造系统的开发环境分为三个层次(图1):模型构造层,虚拟再制造模型层和目标系统层。

1) 模型构造层。

模型构造层提供用于描述再制造活动及其对象的基本建模结构,有两种通用模型:产品/过程模型和活动模型。产品/过程模型按自然规律描述可实现每一物品及其特征,如物体的干涉、重力的影响等;活动模型描述人和系统的各种活动。产品模型描述出现在制造过程中的每一物品,不仅包括目标产品,而且包括制造资源,如机床、材料等。过程模型描述产品属性、功能及每一制造工艺的执行,过程模型包括像牛顿动力学这种很有规律的过程,也包括像金属切削、成形这种较复杂的工艺过程。

2) 虚拟再制造模型层。

通过使用产品/过程模型和活动模型定义有关再制造活动与过程的各种模型,这些模型包括各种工程活动,如产品再设计、生产设备、生产管理、生产过程以及相应的目标产品、材料、半成品、工具和其他再制造资源。这些模型应该根据产品类型、工业和国家的不同而不同,但是通过使用低层的模型构造层容易实现各种模型的建立与扩展。任务组织与管理模型用来实现制造活动的灵活组织与管理,以便构造各种虚拟制造/再制造系统。

3) 目标系统层。

根据市场变化、用户需求,通过低层的虚拟再制造模型层来组成各种专用的虚拟再制造系统。

3 虚拟再制造系统体系结构

文献[2]借鉴上海交通大学提出的“虚拟总线”的VM体系结构划分,构建了再制造体系结构,将虚拟再制造体系结构分为5层:数据层、活动层、应用层、控制层、界面层[2]。根据虚拟再制造的技术模块及虚拟再制造的功能特点,可以构建如图2所示的虚拟再制造系统体系综合结构。该体系结构最底层为对虚拟再制造形成支撑的集成支撑环境,包括技术和硬件环境;虚拟再制造的应用基础则是各种数据库,包括EDB、产品再制造设计数据库、生产过程数据库、再制造资源数据库等;基于这些数据信息处理基础,并根据管理决策、产品决策及生产决策的具体要求,可以形成相互具有影响作用的虚拟再制造产品设计、工艺设计、过程设计;在这些设计基础上,可以形成数字再制造产品,通过分析成本、市场、效益/风险,进而影响再制造的管理、产品、生产过程决策,并将数字再制造产品的性能评价结果,反馈至集成支撑环境,优化集成支撑技术。

4 虚拟再制造的应用

4.1 虚拟再制造企业

在面对多变的毛坯供应及再制造产品市场需求下,虚拟再制造企业具有加快新种类再制造产品开发速度,提高再制造产品品质,降低再制造生产成本,快速响应用户的需求,缩短产品生产周期等优点。因此虚拟再制造企业可以快速响应市场需求的变化,能在商战中为企业把握机遇和带来优势。虚拟再制造企业的特征是:企业地域分散化、企业组织临时化、企业功能不完整化、企业信息共享化[3,4]。

4.2 虚拟再制造产品设计

现在的产品退役往往是因为技术的落后,而传统的以性能恢复为基础的再制造方式已经无法满足这种产品再制造的要求,因此需要对废旧产品进行性能或功能的升级,需要在产品再制造前对废旧产品进行升级设计,这种设计是在原有废旧产品框架的基础上进行的,但又要考虑经过结构改进及模块嵌入等方式实现性能升级,满足新用户需求,因此对需性能升级废旧产品的再制造设计具有更大的约束度,更大的难度。这也为虚拟再制造产品设计提供了广阔的应用前景。因此,开展对废旧产品的再制造虚拟设计将会极大地促进以产品性能升级为目标的再制造模式的发展。

4.3 虚拟再制造生产过程

再制造生产往往具有对象复杂、工艺复杂、生产不确定性高等特点,因此,利用设计中建立的各种生产和产品模型,将仿真能力加入到生产计划模型中,可以方便和快捷地评价多种生产计划,检验再制造拆解、加工、装配等工艺流程的可信度,预测产品的生产工艺步骤、性能、成本和报价,主要目的是通过再制造仿真,来优化产品的生产工艺过程。通过虚拟再制造生产过程,可以优化人力资源、制造资源、物料库存、生产调度、生产系统的规划等,从而合理配置人力资源、制造资源,对缩短产品制造/再制造生产周期,降低成本意义重大。

4.4 虚拟再制造控制过程

以控制为中心的虚拟再制造过程是将仿真技术引入控制模型,提供模拟实际生产过程的虚拟环境,使企业在考虑车间控制行为的基础上,对再制造过程进行优化控制。虚拟再制造控制是以计算机建模和仿真技术为重要的实现手段,通过对再制造过程进行统一建模,用仿真支持设计过程和模拟制造过程,来进行成本估算和生产调度。

5 总结

1) 虚拟再制造是再制造的重要内容,也是先进再制造技术及其思想的重点发展方向,可以从模型构造层、虚拟制造模型层和目标系统层三个层次来构建虚拟再制造的开发环境。

2) 根据再制造的生产特点,构建的虚拟再制造系统体系应包括集成支撑环境、数据库、虚拟再制造产品/工艺/过程设计、再制造的管理/产品/生产过程决策等内容。

3) 虚拟再制造的主要应用方向包括虚拟再制造企业、虚拟再制造设计、虚拟再制造生产过程、虚拟再制造控制等内容。

参考文献

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[2]胡仲翔,滕家绪,时小军,等.虚拟再制造工程的发展及关键技术[J].中国表面工程,2008,21(3):7-11.

[3]谢立伟,钟骏杰,范世东.再制造虚拟企业的初步研究[J].现代制造工程,2004(3):89-91.