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国内外虚拟设计与制造发展及应用现状
2011年12月23日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    编辑整理:王逍

     虚拟制造技术是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。虚拟装配是虚拟制造研究领域的重要研究分支。

    (1) 国外虚拟制造研究现状

    自从20世纪80年代虚拟现实(Virtual Reality简称VR)概念的提出以来,虚拟现实作为一门新兴学科正在蓬勃发展,近年来在工程、航空航天、军事、建筑等领域得到越来越广泛的应用。虚拟现实采用计算机技术生成一个逼真的,具有视、听、触等多种感知的人工虚拟环境,使置身于该环境中的人可以通过各种多媒体传感交互设备与这一虚构的环境进行实时交互作用,产生身临其境的感觉, 具有自主性、沉浸感和交互性的特征。我国从90年代开始进行虚拟现实技术方面的探索和研究工作。

    利用虚拟现实技术创造虚拟环境,在虚拟环境中进行设计、制造称为虚拟设计、虚拟制造,虚拟装配是虚拟设计制造研究领域的重要研究分支,虚拟装配也是并行工程的支持技术之一。

    虚拟装配是在虚拟环境中, 利用虚拟现实技术将设计的产品三维模型进行预装配, 在满足产品性能与功能的条件下,通过分析、评价、规划、仿真等改进产品的设计和装配的结构,实现产品可装配性和经济性。

    据统计,产品的装配费用占整个生产成本30%~50%乃至更高,因此对产品装配工艺进行以提高质量和效率、降低成本为目标的改进和再规划,是增强制造业竞争力的重要环节。虚拟装配技术可缩短产品的设计开发周期、降低成本、提高质量。

    近年来,世界各国尤其是发达国家都对虚拟装配技术给予了高度的重视, 投人了大量的人力物力进行研究。

    波音公司在数字化代表产品波音777的展示中,不像以往那样重点宣传新型飞机本身性能如何优越,而是强调他们充分利用数字化研制技术以及产品研发人员的重新编队等方面。波音777飞机项目顺利完成的关键是依赖三维数字化设计与综合设计队伍(238个Team)的有效实施,保证飞机设计、装配、测试以及试飞均在计算机上完成,研制周期从过去的8年时问缩减到5年,其中虚拟装配的工程设计思想在研制过程中发挥了巨大的作用。

    德国Fraunhofer工业工程研究所较早进行了虚拟装配规划系统的研究和开发,他们开发的第一个虚拟装配规划原型系统可以实现在虚拟环境中执行装配操作,交互地装配和拆卸零件, 并在用户交互的基础上生成装配图,进行装配工时和装配成本的分析。

国内外虚拟设计与制造发展应用现状
虚拟现实技术在汽车制造、设计、测试中的应用

国内外虚拟设计与制造发展应用现状
    上图中所示,在诺思罗普•格鲁曼造船公司的一次可视化会议上,该公司工作人员托莎•瑞弗尔利用快速运作虚拟现实系统向观众展示“吉拉德•R•福特”号核动力航空母舰上2号泵室的海水管道系统。

    (2)我国虚拟制造研发现状

    我国从90年代中后期开始进行虚拟装配方面的探索和研究工作,我国虚拟装配技术的应用研究尚处于起步阶段,只有为数不多的机构如清华大学、浙江大学、武汉理工大学和西北工业大学等院校作了有益的研究, 由于虚拟现实设备非常昂贵,近年来国内大多数研究被限制在介绍国外的进展理论探讨范围内, 或者在非虚拟现实环境下进行研究。

    近年来随着我国科技和制造业的发展,国内已有部分公司开始研发自主的虚拟制造、设计技术,并在实际生产中等到了应用,但由于起步较晚,与国外先进技术相比还有一定差距。

国内外虚拟设计与制造发展应用现状 
    数字制造工艺、装配仿真(DELMIA DPM Assembly)

国内外虚拟设计与制造发展应用现状
     虚拟装配与碰撞检测 SmartCollision™

    (3) 发展虚拟制造研发的现实意义

    日益激烈的市场竞争要求制造业以最短的产品开发周期(Time)、最优的产品质量(Quality)、最低廉的制造成本(Cost)和最好的技术支持与售后服务(Service)即“TQCSP”来赢得市场与用户,同时要求制造业对环境的负面影响减垒最小。制造全球化以及消费观念的变革, 给传统的制造技术带来严峻挑战,21世纪的制造业正在以机械为特征的传统技术时代向着以信息为特征的系统技术时代迈进。随着计算机软、硬件技术的发展,先进制造技术 断涌现,2O世纪9O年代以来产生了一种新的制造概念和理论——虚拟制造(Virtual Manufacturing,VM),其全新的制造体系和模式已成为现代制造技术与系统发展的必然趋势。

    降低风险

    制造、设计行业中虚拟制造技术的应用,通过计算机仿真分析,可以对生产过程的各种可能情况进行虚拟运行,分析现有生产系统中制约生产率的瓶颈,预测新生产调度方案的可行性,可以帮助企业优化生产过程,减少投资的盲目性。

    组织生产

    运用软件对制造系统中的五大要素(人、组织管理、物流、信息流、能量流)进行全面仿真,使之达到了前所未有的高度集成,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。

    结构、操作培训

    可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,即对生产过程、制造系统整体进行优化配置,推动生产力的巨大跃升。虚拟制造技术的应用将加快企业人才的培养速度。我们都知道模拟驾驶室对驾驶员、飞行员的培养起到了良好作用,虚拟制造也会产生类似的作用。例如:可以对生产人员进行操作训练、异常工艺的应急处理等。技术在国内铸造行业中具有广阔的应用前景,较高的应用价值和较大潜力。

    提高效率

    在虚拟制造与现实制造的相互影响和作用过程中,可以全面改进企业的组织管理工作,而且对正确作出决策有不可估量的影响。例如:可以对生产计划、交货期、生产产量等作出预测,及时发现问题并改进现实制造过程。

    (4)  虚拟制造的应用领域

  虚拟现实技术在制造领域中的应用主要有以下几方面:

  (1)虚拟原型和产品设计,即在计算机中设计虚拟的产品或零部件。

  (2)生产过程仿真(优化、调度),即对车间或工段的生产过程进行仿真优化。

  (3)设备仿真,即对机器人等生产设备进行离线仿真,动态特性分析和模拟。

  (4)物流仿真,即物流规划,对AGV(自动搬运设备)进行仿真。

  (5)装配过程仿真。

  (6)复杂数据的可视化,数值模拟计算结果的可视化输出。

  (7)设备的远程操作,用计算机网络将空间上分散的设备结合起来,进行集成管理运行,遥控制造。

  (8)增强通讯效果。

  (9)操作培训。

标签:虚拟设计虚拟制造
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