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什么是虚拟制造

虚拟制造技术是由多学科先进知识形成的综合系统技术,其本质是计算机支持的仿真技术为前提,对设计、制造等生产过程统一建模,在产品设计阶段实时地并行地模拟出产品未来制造全过程及其对产品设计的影响,预测产品性能、产品制造成本、产品的可制造性,从而更有效更经济地更灵活地组织制造生产,使工厂和车间的设计与布局更合理更有效,以达到产品的开发周期最短、成本最低、设计质量最优、生产效率最高。

虚拟制造系统(Virtual manufacturing system)由虚拟信息系统(Virtual information system)和虚拟物理系统(Virtual physical system)组成。虚拟信息系统也叫虚拟逻辑系统,主要是用来模拟处理设计、管理、计划调度等制造活动中的信息;而虚拟物理系统是计算机对实际的加工车间、包括机床、材料、工人等进行建模,并在此模型的基础上进行仿真实际制造系统的制造过程。虚拟物理制造系统中的信息和实际的制造系统相一致,它是虚拟制造系统的关键。 虚拟制造技术的应用范围涉及到汽车的整个生命周期,它可以在汽车生产设备、工装和模具,甚至样车的设计之前,很容易地生产系统和工艺过程进行建模、修改、分析及优化。在汽车柔性生产系统( FMS)、计算机集成制造系统(CMIS)的设计和应用中,就广泛运用了虚拟现实技术。

虚拟制造的经济意义

虚拟制造的成功案例

虚拟制造技术

研究与应用“虚拟技术”的主要机构:
虚拟制造技术的构成:

1、虚拟制造的理论体系;

2、基于分布式并行处理环境下的虚拟制造系统的开放式体系结构;

3、虚拟环境下的产品建模;

4、虚拟设备、虚拟单元、虚拟生产线、虚拟车间、虚拟工厂、虚拟公司的建立,以及各种虚拟设备的重用性、重组性,企业经营过程重组,虚拟公司(动态联盟)的组织、调度及控制策略等;

5、基于真实动画感的产品装配仿真、生产调度仿真、生产制造过程仿真、数控加工过程仿真等;

6、虚拟环境下虚拟制造系统全局最优决策技术;

7、虚拟环境下虚拟制造过程的人机、智能协同求解技术;

7、虚拟制造系统的开发平台、软件工具、网络与通信等支持环境的建立和开发。

虚拟制造技术特征

1.高度集成

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“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。因此应综合运用的系统工程,知识工程、并行系统仿真和人机工程等多学科先进技术,实现信息集成、知识集成、串并行交错工作机制集成和人机集成。

2.支持敏捷制造

开发的产品(部件)可存放在计算机里,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型设计,快速批量投产,从而能大幅度压缩新产品的开发时间,提高质量、降低成本

3.分布合作

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,互相交流,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速、优质、低消耗响应市场变化。

虚拟制造技术结构:

虚拟制造技术的研究为虚拟制造的实施和虚拟制造系统的建立提供理论和技术的支持。它由3大主体技术群(建模技术群、仿真技术群、控制技术群)和一个支撑技术群(为3大主体技术群的实施提供支持)组成:

一、建模技术群是指用来开发虚拟制造系统中各种模型的所有技术与方法。主要包括:

1.产品、过程及生产系统建模技术:

虚拟环境下的产品模型除了表达产品的几何\拓扑、特征、产品所具有的功能和特征等信息外,还应具有动态结构,以反映在不同开发阶段产品结构、功能等方面的变化;此外、还应能够通过调度、管理、控制和决策机制未涉及分析、加工制造、生产规划与调度等各个环节提供信息,实现对其能够进行多用户(智能主体)并行演进。通过在虚拟环境下,产品设计/制造/生产过程集成化方面的研究,综合利用虚拟产品、制造过程以及生产系统等各种模型,对整个产品开发、制造和生产过程进行仿真;

2.虚拟公司建模技术

3.虚拟制造环境与现实制造环境之间结构、功能等映射关系的管理、维护、监督和更新问题

4.基于分布式并行处理环境下的虚拟制造开放式体系结构的研究

5.面向整个产品生命周期综合经济模型和产品评价体系:为产品研制开发过程中的经营决策、生产决策、产品设计/制造过程决策以及效益和风险评价等各个方面的评价提供方法、规范和指标等。

二、仿真技术群

是指运行和操作构成虚拟制造系统的各种模型的所有方法和技术。分布式交互仿真技术和虚拟现实技术在仿真中的应用是虚拟制造对仿真提出的新要求

三、控制技术群

是指建模过程、仿真过程所用到的各种管理、组织和控制技术与方法。

1、模型部件的组织、调度策略及交换技术

2、仿真过程的工作流程与信息流程控制

3、虚拟制造方法论

4、概念设计与制造方法、加工过程、成本估计集成技术

5、集成动态、分布式的、协作模型的集成技术

6、实现最佳设计的冲突求解技术

7、基于仿真的推理技术

8、模型及仿真结果的验证、确认技术

9、虚拟制造环境下,产品开发过程中的调度与控制机智的研究,以及面向产品开发过程的组织与管理等问题的研究等

四、支撑技术群

是指支持虚拟制造系统开发、控制与运行的基础性技术。主要包括:

1、数据库技术

2、人工智能在制造企业各级组织、产品生命周期的各个阶段决策中应用的研究

3、系统集成技术

4、虚拟环境下分布式并行处理多智能主体协同求解技术与系统的研究,以及全局最优决策理论和技术的研究

5、综合可视化技术(虚拟现实)、科学可视化技术、计算机仿真和多媒体技术在虚拟制造环境构造中的应用

6、计算机软硬件技术以及通讯技术等

虚拟制造在外观及零件模块的应用

利用虚拟制造技术自主开发汽车产品,首先要进行汽车车身工业造型创意设计、概念设计和系统设计, 其中主要围绕车身主模型、车身产品图纸、尺寸大而复杂的三维空间曲面冲压件及冲压件模具等进行, 利用先进软硬件技术, 构造车身主模型复杂设计的先进曲面模型, 进行工业美学效果创意、评估、修改和完善, 在此基础上, 进行车身饭金零件结构设计,制造与装配的可视模拟仿真。

车身饭金零件的设计制造与装配是自动化的基于特征的集成化的设计制造与装配, 使用广泛的饭金设计特征生成全参数化三维饭金组件实体模型, 生成展平、弯曲以及各种加工操作数据, 以及把组件进行装配或直接在装配模型中生成新饭金零件, 生成“ 平板” 模式绘图和设计饭金零件及装配, 进行多种组合排料等等与设计制造装配有关的其它环节和过程, 所有的应用都基于这单一模型表示, 保证了全关联的支持每一步的分布, 从概念设计到制造装配模拟仿真, 自动化棋具设计软件进行模具组件设计, 从车身饭金零件几何模型生成模腔几何模型利用装配功能把模腔装配到模具上, 型腔与饭金零件全关联, 对模具设计加上其它特征等等。

设计、加工、装配、模拟仿真与车身概念设计并行进行, 支持虚拟项目组之间通信,缩短设计周期, 使设计制造集成化, 通过参数化定义的刀具轨迹所要求的在p or / E N G I N E E R 中生成制造模型来优化设计制造周期, 使基于特征的方法定义加工所要求的零件生成, 每个特征生成后系统自动得到所要求的刀具路径和工件加工结果模型, 以参数化的形式连接设计模型和被加工毛坯的工件模型, 对模型进行修改以产生刀具路径, 并自动更改加工步骤和其它改变, 动态可视表示物料的模拟清除,以及进行加工路径改变, 干涉检查等各种模拟, 通过有限元分析模型, 对车身模型进行自动网格划分。进行应力、应变和噪声与振动分析, 对车身内在质量进行设计测试, 将A D M S 与p r o / E N G IN E E R 联结, 对车身模型进行空气动力学模拟仿真试验, 评估新产品空气动力性能。

车身虚拟制造技术解决以后, 要向汽车动力总成和其他关键零部件及整车扩展, 这部分造型效果要求不高, 模具设计制造难度相对没有车身大, 采用rP o / E N G I N E E R 的零件设计、装配设计、设计文档和通用功能进行设计制造装配仿真, 支持汽车工业多种模型共存、集成、转化和统一, 各种模型很容易地自动生成并包含在标准特征库中, 减少重复设计,降低成本, 提高质量。可以从简单到非常复杂的汽车相关产品模型进行复杂特征设计, 用自动生成用户定义特征缩短设计周期, 开发标准特征库, 建立特征及特征组拷贝、映射和特征与零部件间的镜象, 简化设计过程, 减少重复和不必要的设计来提高产品设计效率, 用强有力的设计控制和质量标准改进产品的质量, 在此基础上, 采用先进的装配设计与管理, 参数化系统rP o/ A S S EM B L Y, 能够很容易完成大型结构、复杂零件的装配和子装配, 支持表驱动的零件生成、装配和自动替换装配中组件, 以及建立组件链和定义设计策略的装配, 还包括当需要参照其他组件尺寸和位置定义时生成参数和基本特征的零件的能力支持管理产品自顶向下的设计以及在复杂产品的设计中所包含的许多复杂任务的自动设计进行概念装配设计。

VR与3D打印技术在汽车制造上的运用

在汽车设计阶段,厂商利用VR技术得到1:1的仿真感受,对车身数据进行分层处理,根据不同的部位和需要达到的不同感受选用材质,设置不同的光照效果,达到高度仿真的目的。然后还可以对该模型进行动态实时交互,改变配色、轴距、背景以及查看细节特征结构。从多个角度全面观察,并实时进行调整,从而使整个评审过程简单、明了,使抽象的概念具象化、模糊的印象清晰化。

汽车外观与内饰设计

除了造型,汽车的外观设计还包括了材质和色彩。厂商通过光影和环境反射可以真实展示实车纹理,并实时反映某纹理是否适合在此零件上运用,或可能出现的工艺瑕疵等。在这个过程中我们可以直观判断设计纹理样板是否与整体效果协调一致,设计师可以第一时间看到效果。

除了外观和材质,在汽车内部的人机交互部件设计也同样可以让虚拟现实技术发挥作用。包括座椅、转向盘、变速杆、指示灯、后视镜、刮水器、车门手柄、多媒体娱乐以及空调等都可以利用虚拟现实技术进行设计。

设计师可以借助VR数据手套设计开发。开闭件的合理性、上下车的便利性,以及人机界面操作的合理性、便捷性,都可以有效地在虚拟现实中获得直观真实的感受。通过虚拟工具,人们可以坐在汽车的座椅上,看到真实的驾驶室布置,观察各式各样的仪表板、变速杆及附属装置,可以检查座椅的高低是否合适、仪表的按键是否在手可及的范围内、手指操作是否方便,以及车内采光效果如何等,从而进行更细致专业的调整。

安全测试

在福特的汽车生产线上,公司将虚拟现实技术与人体工程学设计相结合,通过收集数据和并使用计算机模型来预测装配工作中的身体碰撞。通过测量每名生产线上的工人,帮助识别运动可能会导致的过度疲劳、劳损或受伤。每辆车在发布前要做平均900个虚拟装配任务的研究。研究团队使用全身动作捕捉技术跟踪每个员工手臂、背部、腿和躯干的平衡和受力,3D打印技术用于确认间隙大小不同的手的握力点。沉浸式虚拟现实技术提供了额外的一次可行性评估。。

迄今为止,福特的生物工程学家在全球超过100辆新车上进行过,优化减少了90%的过度动作、难以解决的问题和难以安装部件的问题,并且减少了70%的工伤率。