先进制造技术第3章 虚拟制造技术

虚拟制造技术的相关概念及其应用【摘要】虚拟制造技术是一种基于计算机仿真和虚拟现实技术的创新性制造方法。

它通过数字化建模和仿真，实现了全生命周期的产品设计、工艺规划、生产执行、质量控制和维护管理等各个阶段的优化和智能化。

在产品设计阶段，虚拟制造技术可以帮助设计师实现产品的虚拟验证和优化设计；在工艺规划阶段，它可以模拟制造过程，提高生产效率；在生产执行阶段，它可以优化生产计划和资源调配，实现智能化制造；在质量控制阶段，它可以实时监测和调整生产过程，确保产品质量；在维护管理阶段，它可以预测设备故障和优化维护方案。

未来，虚拟制造技术的发展趋势是向更智能、更数字化、更集成化的方向发展，其重要性和应用前景将会逐渐凸显。

【关键词】虚拟制造技术、产品设计、工艺规划、生产执行、质量控制、维护管理、未来发展趋势、重要性、应用前景。

1. 引言1.1 虚拟制造技术的定义虚拟制造技术是一种利用计算机仿真和虚拟现实技术，将产品的设计、工艺规划、生产执行、质量控制和维护管理等各个阶段都进行虚拟模拟和优化的先进制造技术。

通过虚拟制造技术，可以在产品实际制造之前进行全面的数字化仿真，及时发现和解决问题，降低生产成本，缩短产品开发周期，提高产品质量和生产效率。

虚拟制造技术的发展已经经历了多个阶段，从最初只能进行简单模拟的2D平面图到今天可以实现高度真实感的3D虚拟仿真。

随着计算机性能的不断提升和虚拟现实技术的成熟，虚拟制造技术正在逐渐成为制造业中不可或缺的重要技术手段。

通过虚拟制造技术，企业可以在产品整个生命周期中进行全面的数字化管理和优化，提高整体竞争力，实现智能制造的目标。

1.2 虚拟制造技术的发展历程虚拟制造技术的发展历程可以追溯到上个世纪80年代初。

当时，随着计算机技术的不断发展和成熟，虚拟制造技术开始引起人们的关注。

最初，虚拟制造技术主要应用于汽车、航空航天等行业，用来验证产品设计方案和模拟生产过程。

随着计算机性能的不断提升和软件技术的不断完善，虚拟制造技术在逐渐扩展到了更多的领域，如电子产品、机械设备等。

虚拟制造技术伴随着制造业迅猛发展而形成的生产消费模式，正过度消耗着大量不可再生的资源，破坏着人类的生存坏境。

因此，发展与资源、环境的和谐，以及社会经济的可持续发展，就成为全球性的产业结构调整的战略导向，即向资源利用合理化、废弃物产生少量化、环境影响无害化的方向发展。

至此，运用先进技术和产业化生产，使报废产品高质量地再生，是对产品附加值（包括能量、劳动、材料）的最优化资源回收方式成为必然的发展趋势。

而虚拟制造技术又是再制造设计发展的必要途径，也是其作为先进制造技术的重要特征。

一．虚拟现实技术虚拟现实（Virtual Reality ，VR）技术是近年来出现的一门高新技术，它可以模拟现实、再现真实的过去和显示可见的未来。

从总体上讲，虚拟现实技术就是要把计算机从善于处理数字化的单维信息改变为善于处理人所能感受到的、在思维过程中所能接触到的、除了数字化之外的其它各种表现形式的多维信息，具体地说就是以仿真形式创造出真实反映客观世界变化及其相互作用的三维环境，通过立体液晶眼镜、头盔显示器、数据手套、数据服和跟踪器等装置，使用户沉浸在计算机生成的虚拟环境之中，直接感知事物的变化，并与之发生交互作用，产生一种“身临其境”的感觉，它汇集了计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术、高度并行的实时计算技术和人的行为学等多项关键技术，是多媒体技术发展的更高境界，是高技术成果的系统集成。

虚拟现实系统是一个闭环系统，包括用户、机器和人—机接口三个基本要素。

其中用户是虚拟环境的接受者和作用者；机器是指安装了相应软件程序, 用来生成虚拟环境的计算机；人—机接口是指将虚拟环境和用户连接起来的传感与控制装置。

虚拟现实技术具有沉浸感、交互性和想象力等特征。

沉浸感是指用户作为主体存在于虚拟环境的真实程度；交互性是指用户对虚拟环境的可操作程度和从环境中得到反馈的自然程度(包括实时性)；想象力是指用户沉浸在多维信息空间中，依靠其感知和认知能力全方位地获取知识，发挥主观能动性，寻求解答，形成新的概念。

虚拟制造1.虚拟制造的定义与特征虚拟现实技术对身临其境的真实感和对超越现实的虚拟性以及建立个人能够沉浸其中，超越其上,自如交互的多维信息系统的追求推动了虚拟现实技术在制造业中的发展和应用。

虚拟制造技术是近年来先进制造技术领域内的一门新兴技术，由于概念出现时间比较短，目前国际上还没有对它作统一的定义，研究人员根据各自不同的研究内容和应用背景，做出各具特色的定义。

同时，由于虚拟制造技术本身的不断发展，工程技术人员对它的认识也是一个动态的过程。

综合起来说，虚拟制造技术是由许多先进学科领域知识的综合集成与应用，它以数字化建模技术，计算机仿真技术，分析优化技术为基础，在产品设计阶段或产品制造之前，实时、并行地模拟出产品的未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品的性能、成本和可制造性，以达到产品的开发周期和成本的最优化，生产效率的最高化之目的。

虚拟制造中的“虚拟”是相对于实物产品的实际制造系统而言的，它强调的是制造系统运行过程的计算机化，虚拟制造是实际制造的抽象，生产出的是全数字化的产品，是在计算机及网络系统和相关软件系统中进行的制造，所处理的对象是有关产品和制造系统的信息和数据，处理结果是全数字化产品，而不是真实的物质产品，但是它是现实物质产品的一个数字化模型，即是一个虚拟产品，是现实产品在虚拟环境下的映射，并具有现实产品所必须具有的特征和性能2.虚拟制造的分类根据虚拟制造应用环境和对象的侧重点不同，虚拟制造分为三类:以设计为中心的虚拟制造，以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造。

（1）设计为中心的虚拟制造为设计者提供产品设计阶段所需的制造信息，从而使设计最优。

设计部门和制造部门之间在计算机网络的支持下协同工作，以统一的制造信息模型为基础，对数字化产品模型进行仿真与分析、优化，从而在设计阶段就可以对所设计的零件甚至整机进行加工工艺分析、运动学和动力学分析、可装配性分析等可制造性分析，以获得对产品的设计评估与性能预测结果。

第1讲先进制造技术1、数字化制造包含三大部分：以设计为中心的数字制造，以控制为中心的数字制造和以管理为中心的数字制造。

2、并行工程：一种集成地、并行地设计产品及其零部件和相关各种过程的系统方法。

要求产品开发人员与其他人员一起共同工作，在设计一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求。

3、反求工程：对用作参考物的样品作快速测量，并反求为可被3D软件接受的数据模型，进而作修改和详细设计，达到快速开发新产品的目的。

4、虚拟制造技术：以计算机支持的仿真技术为前提，对设计、制造等生产过程进行统一建模，在产品设计阶段，实时地、并行地模拟出产品未来制造过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、制造成本和可制造性，从而更有效、更经济和更灵活地组织生产，减少或避免设计错误，缩短开发周期和节省开发成本。

5、电子商务是将业务数据数字化，并将数字信息的使用和计算机的业务处理同Internet进行集成，成为一种全新的业务操作模式。

第2讲特种加工1、切削加工的本质和特点：（1）靠刀具材料比工件更硬；（2）靠机械能把工件上多余的材料切除。

2、特种加工的特点（1）不是主要依靠机械能，而是主要用其他能量去除金属材料；（2）工具硬度可以低于被加工材料的硬度，即能做到“以柔克刚”；（3）加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力。

3、特种加工与传统切削加工的不同点（1）主要依靠机械能以外的能量(如电、化学、光、声、热等)去除材料；多数属于“熔溶加工”的范畴。

（2）工具硬度可以低于被加工材料的硬度，即能做到“以柔克刚”；（3）加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力；（4）主运动速度一般都较低；理论上，某些方法可能成为“纳米加工”的重要手段；（5）加工后的表面边缘无毛刺残留。

微观形貌“圆滑”。

4、特种加工对机械制造工艺技术产生的影响（1）提高了材料的可加工性（2）改变了零件的典型工艺路线，以前的典型工艺路线是先加工后淬火，特种加工的工艺路线是先淬火后加工。

先进制造技术中的虚拟样机建模章节一：引言先进制造技术的发展正日益重要，它给制造业带来了许多新的机会和挑战。

其中之一就是虚拟样机建模的应用。

虚拟样机建模是指通过计算机技术，将物理产品的各个方面以虚拟的形式呈现出来，从而在产品开发的早期阶段进行设计、仿真和优化等工作。

本文将围绕先进制造技术中的虚拟样机建模展开探讨。

章节二：先进制造技术概述先进制造技术是指将虚拟与现实相结合，借助高科技手段提高制造过程的效率、质量和灵活性的技术体系。

它包括数字化制造、机器人技术、云制造、物联网等众多领域。

在先进制造技术的实践中，虚拟样机建模起着重要的作用。

章节三：虚拟样机建模的意义虚拟样机建模的应用有着诸多意义。

首先，虚拟样机使得设计师能够在产品实体制造之前进行充分的设计和验证，从而提高产品开发的效率和成功率。

其次，虚拟样机可以进行多领域的仿真分析，如结构强度、流体力学、热力学等，从而在设计阶段发现和解决潜在问题。

此外，虚拟样机还可以用于演示产品的功能和性能，帮助企业展示产品的竞争力。

章节四：虚拟样机建模的流程虚拟样机建模的流程主要包括准备阶段、建模阶段、仿真与评估阶段和优化阶段。

首先，在准备阶段，需要搜集与产品相关的数据和信息，包括产品的设计要求、材料属性、工艺过程等。

其次，在建模阶段，根据准备阶段的数据和信息，利用计算机辅助设计软件进行三维建模，并进行各个组件的组装和参数设置。

然后，在仿真与评估阶段，通过对虚拟样机进行各种仿真分析，如运动分析、强度分析、温度分析等，评估产品的性能和可靠性。

最后，在优化阶段，根据仿真分析结果，对虚拟样机进行优化设计，提高产品的性能和质量。

章节五：虚拟样机建模的挑战与前景虚拟样机建模在应用中也面临一些挑战。

首先，虚拟样机建模需要准确的数据和信息支持，而这些数据和信息往往需要由多个部门或合作伙伴提供，因此，信息共享和沟通是一个关键的问题。

其次，虚拟样机建模需要计算机硬件和软件的支持，包括高性能计算机、CAD软件等，这对于一些中小企业来说可能是一个技术和经济上的挑战。