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虚拟制造技术 第6章 虚拟样机

虚拟制造技术 第6章 虚拟样机

仿真技术
系统的抽象模型 求解计算 结果的可视化处理
系统的抽象模型
求解计算
结果的可视化处理
虚拟样机技术的应用
保定电力
武汉钢铁
变电站虚拟操作系统
2007年云南电力实验研究院变电 站虚拟操作系统
将现实世界的工业厂房及设备在计算机中虚拟化，利 用数据库技术、数据采集与监视控制技术，将生产设 备的运行状态参数实时传回虚拟电站系统中，在三维 虚拟场景中即可实现对设备的查询管理。本项目的预 期目标是可以随时查询设备及生产运行数据，可进行 设备操作、事故回放等动画演示；通过和生产管理信 息系统、操作票管理信息系统等系统结合，在虚拟场 景中实现设备基本信息查询、模拟五防操作等与电网 安全生产相关内容，实现虚拟场景和现实场景的实时 同步。
数字样机的关键技术
三维几何建模技术 产品的数字化定义方法 数字化装配 仿真技术
三维几何建模技术
在计算机中形体一般 定义为六层拓扑结构。 几何信息 用来表示形体的几何 性质和度量关系称为 几何信息。 形体(object) 外壳(shell) 面(face) 环(loop)
拓扑信息 边(loop) 用来表示形体之间的 连接关系称为拓扑信 息。 曲线和直线 方程
边界描述法B-Rep 构造性实体几何法CSG
构造表示-构造实体几何表示(CSG)
.通过对体素定义运算而得到新的形体的一种 表示方法。体素可以是立方体、圆柱、圆锥 等，也可以是半空间，其运算为变换或正则 集合运算并、交、差。
CSG表示可以看成是一棵有序的二叉树。 其终端节点或是体素、或是形体变换参数。 非终端结点或是正则的集合运算，或是变换（平 移和/或旋转）操作，这种运算或变换只对其紧 接着的子结点（子形体）起作用。

虚拟现实技术介绍PPT课件

虚拟现实技术介绍PPT课件
虚拟现实产品特点
Virtual Reality product features
与环境的交互性
There are many variations of passages of Lorem available, but the majority have suffered alteration in some form, by injected humor, or randomized words which don't look even slightly believable. If you are going to use a passage of Lorem, you need to be sure there isn't anything embarrassing. There are many variations of passages
3
虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向。
虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向。
虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向。
虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向。
虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向。
虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向。
虚拟现实展示
Virtual Reality Showcase
虚拟现实展示
虚拟现实技术
虚拟现实介绍
Virtual Reality introduction
27 Jan,1920
14 Feb,1948
09 Mar,1954
虚拟现实大事记
Virtual Reality memorabilia
19 July,1990
25 Jan,2008
16 Feb,2018
4

虚拟样机PPT课件

虚拟样机PPT课件

虚拟样机技术研究的主要内容
简要说明虚拟样机技术研究需要完成的 工作有: (1)建立整机三维数字模型，并在此基础上， 发展可模拟产品实际运行时的运动和动力特征 的仿真模型，所生成的虚拟样机通过屏幕三维 显示，可真实地观察其动态形象。建立动态仿 真模型的基础在于专业理论分析和科学实验， 它是赋予虚拟样机以真实产品动作和性能的关 键。
虚拟样机技术研究的主要内容
(2)开发一系列使设计人员能直接参与虚拟 样机工作的交互设备及相应的软件，它能形成 如同实际一样从不同视角进行观察，并能获得 触觉和听觉的感觉，这种虚拟现实的技术是使 人机进行交互的主要工具。
虚拟样机技术研究的关键和难点
虚拟样机技术研究的关键 虚拟样机技术研究的难点
虚拟样机技术研究的关键
并行设计目前是通过工作小组的形式来完成的，这种工作方 式本身就会带来信息的混乱、工作的重复以及管理上面的困难。 另外，设计优化在定量上是不容易得到的。虚拟样机技术提供了 一个定量描述产品许多性能的方法，这样虚拟样机技术就有可能 成为一个实现支持定量的并行设计的一个基础工具，可以形成协 同虚拟样机技术。
虚拟样机技术产生的背景
传统的产品设计与制造方式无法满足这些 要求。在传统的产品设计与制造过程中，首先 是概念设计和方案论证，然后进行产品设计。 在设计完成后，通常要制造样机进行试验，有 时这些试验甚至是破坏性的。若试验发现设计 缺陷时，又要回头修改设计并再用样机验证。 只有通过周而复始的设计、制造样机、试验设 计过程，产品才能达到要求的性能。
虚拟样机技术的技术特征
(2)并行工程思想的提出与推 行.20世纪80年代后期提出的并行 工程是一种新的指导产品开发的哲 理，是在现代信息技术的支持下对 传统的产品开发方式的一种根本性 改进。

虚拟样机技术

虚拟样机技术

1 虚拟样机技术概述
3）虚拟样机技术就是在建立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学模型，进 行仿真分析并从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。 4）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果精简 和优化系统。
1 虚拟样机技术概述
虚拟样机技术是许多技 术的综合。它以多体系统运 动学与动力学建模理论及其 技术实现为核心，以仿真为 手段，各种CAX/DFX技术 为工具，它主要包括面向虚 拟样机的建模技术、基于虚 拟样机的仿真技术、针对虚 拟样机的管理技术、各类工 具的集成技术以及VR/人机 界面技术，其技术体系如图 2 所示。
1 虚拟样机技术概述
（2）国内外学者对虚拟样机技术的定义大同小异， 下面是几种有代表性的论述： 1）虚拟样机技术是将CAD建模技术、计算机支持 的协同工作(CSCW)技术、用户界面设计、基于知识的 推理技术、设计过程管理和文档化技术、虚拟现实技 术集成起来，形成一个基于计算机、桌面化的分布式 环境以支持产品设计过程中的并行工程方法 。 2）虚拟样机的概念与集成化产品和加工过程开发 (Integrated Product and Process Development,简称 IPPD)是分不开的。IPPD是一个管理过程，这个过程 将产品概念开发到生产支持的所有活动集成在一起， 对产品及其制造和支持过程进行优化，以满足性能和 费用目标。IPPD的核心是虚拟样机，而虚拟样机技术 必须依赖IPPD才能实现。
1 虚拟样机技术概述

虚拟制造技术(PPT 40页)(共42张PPT)

虚拟制造技术(PPT 40页)(共42张PPT)

资源模型：对企业人力、物力建立的模型
培训专用
虚拟制造技术的内涵
3、虚拟制造与实际制造
实际制造系统是物质流、信息流在控制流的协调和控 制下，在各个层次上进行相应的决策，实现从投入到产出 的有效转变，其中物质流和信息流的协调工作是主体。
虚拟制造系统是在分布式协同工作等多学科技术支持 的虚拟环境下的现实制造系统的映射。
对连续制 造--基于 仿真的最 优控制
应用领域
培训专用
虚拟制造的使能技术
使能技术 培训专用
基于VR的计算可视化
网络环境下知识获取与建库
数据转换与处理 产品建模
虚拟环境建模
多通道交互
虚拟制造的使能技术
使能技术之一
多通道交互技术 培训专用
信息与时间的同步技术
人像分离与多传感信 息的融合技术
大面积纹理的可见性 快速显示技术
协调、优化动态 过程, 人、环境、 效率
价的环境
生产计划的编
排
传统制造：静 态、确定型 虚拟制造：动态、 随机型
培训专用
虚拟制造技术的分类
类
特点
主要 主要技术
别
目标 支持
以 · 将仿真加到控制模 控 型和实际处理中 制 可“无缝”地仿真 为 使得实际生产周期期 中 间不间断地优化 心
· 对离散 制造--基 于仿真的 实时动态 调度
生产计划 仿真优化
虚拟生产布局
虚拟设备集成
虚拟生产平台服务器
虚拟装配
企业协同工作环境
虚拟企业平台服务器 企业虚拟运行
企业运行仿真
培训专用
虚拟设计
虚
拟
制
造
虚拟制造
的
功
能

《虚拟样机技术》课件

《虚拟样机技术》课件

装配建模
在虚拟环境中模拟产品装配过 程，确保产品设计的可装配性 。
多领域建模
将产品划分为多个领域，如结 构、流体、热等，进行分别建
模。
仿真技术
01
动力学仿真
模拟产品运动过程中各部件之间的 相互作用力。
热仿真
分析产品在工作状态下的温度分布 和热传递情况。
03
02
流体动力学仿真
模拟流体在产品中的流动情况，如 散热、空气动力学等。
06
总结与展望
总结
技术发展历程
回顾虚拟样机技术的起源、关键发展阶段和技术突破，展 示技术如何从初步概念发展到现今广泛应用。
技术应用领域
概述虚拟样机技术在产品设计、性能分析、优化设计、仿 真测试等领域的应用，以及在各领域中产生的实际效益。
技术优势与局限性
分析虚拟样机技术的优点，如降低开发成本、提高设计效 率等，同时指出技术存在的局限性，如对计算资源的需求 、仿真精度等问题。
模拟和优化。
航天器动力学分析
通过虚拟样机技术，可以对航天 器的轨道、姿态、推进系统等进 行模拟和分析，确保航天器的稳
定性和可靠性。
航空电子系统测试
利用虚拟样机技术可以对航空电 子系统的功能、性能和安全性进
行测试和验证。
船舶行业应用案例
船舶设计优化
在船舶设计阶段，利用虚 拟样机技术可以对船舶的 阻力、推进效率、稳定性 等进行模拟和优化。
特点
虚拟样机技术具有高度集成性、动态仿真、可重复性、可优化性等特点，能够 快速、准确地模拟和预测实际系统的性能和行为，为产品设计、优化和决策提 供有力支持。
虚拟样机技术的应用领域
机械工程
在机械工程领域，虚拟样机技术 可用于模拟和优化各种机械系统 的性能，如汽车、航空航天、船

虚拟样机与虚拟制造PPT演示课件


麦克风
语言
9
虚拟现实系统的构成
动画制作软件 3DMAX MAYA
CAD系统 UG PRO/E I-DEAS SolidWorks
专用仿真软件 仿真数据
三维模型 模型简化 简化的三维模型
视景仿真软件 Vega WTK Division
碰撞检查 声音
三维视景 图像
三维输出设备 力反馈 触觉传感器 音响
三维测量设备 三坐标测量仪
VR输入设备 数据手套 跟踪器
用户反馈 手势 抓取
三维扫描仪
3维鼠标
身体动作
CT
麦克风
语言
7
虚拟现实系统的构成
动画制作软件 3DMAX MAYA
CAD系统 UG PRO/E I-DEAS SolidWorks
专用仿真软件 仿真数据
三维模型 模型简化 简化的三维模型
视景仿真软件 Vega WTK Division
碰撞检查 声音
三维视景 图像
三维输出设备 力反馈 触觉传感器 音响
三维输出设备 立体眼镜 头盔显示器 立体投影
三维测量设备 三坐标测量仪
VR输入设备 数据手套 跟踪器
用户反馈 手势 抓取
三维扫描仪
3维鼠标
身体动作
CT
碰撞检查 声音
力反馈 触觉传感器 音响
模型简化 简化的三维模型
Vega WTK Division
三维视景 图像
三维输出设备 立体眼镜 头盔显示器 立体投影
三维测量设备 三坐标测量仪
VR输入设备 数据手套 跟踪器
用户反馈 手势 抓取
三维扫描仪
3维鼠标
身体动作
CT
麦克风
SolidWorks

虚拟样机技术


二、康复机器人的虚拟样机技术
康复机器人是基于 Steward Platform 的一种并联机器人机构， 上下平台之间由六个汽缸连接，通过控制汽缸的行程和速度来达到控 制上平台空间位置和姿态，从而可以根据病人的实际情况来实施对脚 部的按摩作用。
1、康复机器人的虚拟化
康复机器人的虚拟化指的是通过三维造型软件以及动力仿真软件来 建立系统模型并对系统各项动态性能指标进行分析，改进样机设计方案， 可以大大简化机械设计过程，减少成本，缩短设备的研发时间。 在本文中，主要采用了Solidwork进行系统建模，然后导入Adams进行 运动学和动力学分析的方法。 2、样机的模型的建立 （1）主要尺寸
G、上平台绕X轴的最大转角－（脚部的翘起）
H：上平台绕X轴的最大转角-2(脚部的背屈)
经过上述的优化仿真试验，可得实验结果如下 （单位：mm） DOF 正向 反向
X
Y Z 绕X旋转 绕Y旋转
170
162 104 29.6度 25.68度
170
169 0 33.4度 25.68度
绕Z旋转
93.42度
结果就是机械系统工作过程的实际运动情况
ADAMS的功能特点

建立机械系统三维参数化模型 强大的力学分析功能


数值分析技术和强有力的求解器
具有组装、分析和动态显示过程变化的能力 强大的函数库和运动发生器 输出位移、速度、加速度和反作用力，仿真结果显示为动画 和曲线图形 预测机械系统 同CAD、有限元和控制设计软件之间的双向通讯

基于Adams动态仿真的康复机器人 虚拟样机设计
一、并联机器人简介
1、Steward Platform（斯图尔特平台）
1965年，英国的高级工程师Steward了解决飞行员训练 问题，构思了一种具有六个分支的六自由度并联机构，提出基 于该机构建造飞行训练模拟器。后来，人们常把具有六个分支 的六自由度并联机构称为Stewar（斯图尔）平台或Stewart机构。

虚拟样机技术培训课件


4.3虚拟样机无法完全取代物理样机
• 对产品进行建模时，很难建立理想的、准确的、 完整的模型。由于模型的建立多有近似之处， 尤其是是分析模型。即使是建立了精确的几何 模型，分析时受知识、技术的限制，常要对模 型进行简化，尤其是复杂系统模型。分析模型 常是在忽略次要因素的基础上进行简化得到的 近似模型，这些忽略掉的信息，对产品的性能 的影响无法考虑进去，影响分析的精度。
谢谢大家！
虚拟样机技术
虚拟现实技术 VIRTUAL REALITY
• 虚拟现实技术是多媒体技术广泛应用后兴起的 更高层次的计算机技术，它利用三维图形生成 技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术， 生成三维逼真的虚拟环境，用户戴上特殊的头 盔、数据手套等传感设备，或利用键盘、鼠标 等输入设备，便可以进入虚拟空间，成为虚拟 环境的一员，进行实时交互，感知和操作虚拟 世界中的各种对象，从而获得身临其境的感受 和体会，达到真实体验和基于自然技能的人机 交互。
3.2卡特彼勒公司
美国卡特彼勒公司(NYSE: CAT）成立于1925年，卡特彼勒是世界上最大的土方工程 机械和建筑机械的生产商，也是全世界柴油机、天然气发动机和工业用燃气涡轮机 的主要供应商。
公司产品：卡特彼勒挖掘机、装载机、推土机、铲运机、摊铺机、铣刨机、 稳定土拌合机、非公路和采矿自卸卡车、压实机等
•
人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。0 1:18:56 01:18:5 601:18 10/16/2 020 1:18:56 AM
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安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20. 10.1601 :18:560 1:18Oct-2016-Oct-20
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加强交通建设管理，确保工程建设质 量。01: 18:5601 :18:560 1:18Fri day, October 16, 2020

虚拟制造技术 第6章 虚拟样机


实体建模
以“体—面—环—棱边—点”的五层结构信息表示物体。体由 表面围成，表面由棱边围成，孔在表面上形成环。 常用的有，边界描述法B-Rep,boundary representation和构造 性实体几何法CSG,constructed solid geometry
特征建模
本质还是实体造型，但进行了高度的抽象
数字样机
数字样机
数字样机
利用计算机建立产品的三维几何模型，经过建立 约束关系的装配模型、功能和性能仿真，部分或 全部代替的试验，使得物理样机在真正生产之前， 产品的性能大部分已通过了计算机的模拟或验证， 从而减少产品设计的返工和出错率，提高效率， 同时又可及早发现物理样机的在制造和装配中可 能出现的问题。 产品模型完全是数字化的模型
边界表示模型是一种采用描述形体表面的方法来描述 的几何表示模型。一个形体一般可以通过其边界拆成 一些有界的“面”或“小片”的子集来表示，而每一 个面又可以通过其边界的边和顶点来表示。若面的表 示无二义性，则其边界表示模型也无二义性，但通常 不一定只有唯一的表示。
U
数字化预装配
装配建模 装配零件之间的约束 装配的间隙分析，即静态干涉情况 可装配型分析与评价
构造表示-特征表示
用一组特征参数表示一组类似的物体 特征包括形状特征、材料特征等 适用于工业上标准件的表示
构造表示
构造表示的特点：
构造表示通常具有不便于直接获取形体几何 元素的信息、覆盖域有限等缺点， 但是，便于用户输入形体，在CAD/CAM系统 中，通常作为辅助表示方法。
边界表示
虚拟样机
华盛顿州立大学的虚拟装配设计系统VADE
数字样机和虚拟样机的区别
数字样机主要以计算机和CAD技术来实现其功能，不过 分强调设计、装配环境的真实感； 虚拟样机更强调虚拟的真实环境，更强调现场沉浸感。 从实现技术来看，数字样机技术比较成熟；而虚拟样机 技术由于受到硬件设备和软件功能的限制还处于研究发 展阶段。 特点：都是利用计算机建立与物理样机“相似”的模型， 并对其进行评估和测试，从而优化物理模型的设计方案。
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w窗口简介精品113、2 几何建模
几何建模的预备知识 1、几何体类型 刚体、柔性体、点质量、大地 2、几何体的命名 点质量：POINT_MASS_1 刚体:PART_2
建模前的准备工作 1、工作栅格的设置 2、坐标系的设置 3、单位的设置 4、确定当前所绘几何形体属于：新的构件、向现有 构件添加的几何形体、添加在地基上的几何构件。
第一章 绪论
1、1虚拟样机技术
1、概念：
机械工程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年代发展起来的一项计算机辅助工程（CAE）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实物样机实验。
2、研究范围
主要是机械系统的运动学和动力学分析，其核心是利用计算机辅助分析
技术进行机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统及其各构件在任
意时刻的位置、速度和加速度，同时，通过求解代数方程组确定引起系
统及其各构性质的分析
1、机械系统的静力学分析：刚性系统 2、机械系统的运动学分析：主要涉及系统及其构件的运 动分析 当机构的自由度=0时,进行运动学分析 3、机械系统的动力学分析：主要涉及由外力作用引起的 系统运动分析 当机构的自由度AMS/Controls：用户可以将基于几何外形的完整的 系统模型，便捷的放到所使用的控制系统设计软件所 定义的框图中。
ADAMS/Flex（柔性分析模块）：提供了ADAMS软 件与其他有基本步骤
机械系统 的建模
ADAMS（Automatic Dynamic Analysis Mechanical System）软件是美国MDI公司（现已并入 MSC公司）开发的机械系统动力学仿真分析软件，是目前世 界上最具权威的，使用最广的机械动力学分析软件。
ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运 动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。
包括ADAMS/View ADAMS/件
2、1 ADAMS软件模块介绍
ADAMS由基本模块、扩展模块、接口模块、 专业领域模块组成
基本模块：ADAMS软件包包括三个最基本的解题模块： ADAMS/View（基本环境） ADAMS/Solver（求 解器） ADAMS/PostProcessor（后处理）
•定义设计变量
机械系统 优化分析
•进行主要设计影响因素研究 •初步
3、1 ADAMS的启动及窗口基本操作 3、2 几何建模 3、3 动及窗口基本操作
➢ Start—Program—MSC.Software—
ADAMS/View（界面模块）：样机建摸、样机 模型数据的输入和编辑、与求解器和后处理等程 序的自动连接、虚拟样机分析参数的设置、各种 数据的输入和r（求解器）：求解机械系统的运动和动力学问题 的程序 ADAMS/PostProcessor（后处理）：回放仿真结果、绘制各种 分析曲线 扩展模块-ADAMS/linear模块（线形化分析模块）：进行系统 仿真时将系统非线形的运动学和动力学进行线形化处理 专业模块 ADAMS/Aaircraft:是专门用来构造飞机起落架模型和飞机模型 的软件环境 ADAMS/Car（轿车模块）：是MDI公司与Audi、BMW、 Volvo等公司合作开发的整车设计模块，能够快速建造高精度的 整车虚拟样机。 ADAMS/Chassis(底盘模块):可以建立标准的汽车子系统和部件 或者管理大量的悬架或整车实验数据 ADAMS/Driverline:用户可快速的建立、测试具有完整传动系 统或或传动部件的功能化虚拟样机 ADAMS/Engine：可以快速创建配气机构、曲柄连杆、正时带 以及其他驱动附件的虚拟模型 ADAMS/Rail：专门用于研究铁路机车、车辆关键点 2、创建坐标标记点 3、创建直线和多线段 4、形块 2、创建圆柱体 3、创建球体 4、创建锥台 5、创建圆环 6、创建连杆 7、创建平板 8、40
MSC.ADAMS 2005—Aview—ADAMS-View 启动程序后，出现对话框有4种不同的启动方式： （1）creat a new model 产生一个新的模型文 件
（2）open an existing database打开已经存在 的模型文件
（3）import a file 调入一个命令文件 （4）exit 退出ADAMS/View建模环境。
1、连接线性建构几何图形幻灯片 15 2、组合几何体幻灯片 16 3、添
广泛应用于汽车制造、工程机械、航天航空、造船、 航海件
比较有影响的有美国MSC公司的ADAMS、比利时LMS公司的 DADS以及德国航天局的SIMPACK。 ADAMS 占据市场 50%以上份额。其他软件还有：Working Model、Flow3D、 IDEAS、Phoenics、ANSYS和Pamcrash。
•几何建模 •施加运动副和运动约束 •施加载荷
仿真分析
•设置测量和仿真输出 •进行仿真分析
仿真结果 •回放仿真结果
分析
•绘制仿真结果曲线ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
验证仿真 •输入实验数据 分析结果 •添加实验数据曲线
Y
与实验结果一致？
N 精制机械
系统模型
•增加摩擦力 •定义柔性物体和连接 •定义控制
重复仿真 •设置可变参数
分析