虛擬制造技術清華大學精密儀器與機械學系郁鼎文1虛擬制造技術1213虛擬制造技術的體系虛擬制造技術的內涵虛擬制造技術4虛擬制造的關鍵技術虛擬制造技術的應用2213虛擬制造技術的體系虛擬制造技術的內涵虛擬制造技術4虛擬制造技術的內涵1、定義虛擬制造作為一個全新的概念，是信息時代制造技術的重要標志。佛羅里達大學GloriaJWiens:虛擬制造是這樣一個概念，即與實際一樣在計算機上執行制造過程，其中虛擬模型是在實際制造之前，用于對產品的功能和可制造性的潛在問題進行預測。著眼于“結果”美國空軍Wright實驗室：虛擬制造是仿真、建模和分析技術及工具的綜合應用，以增強各層制造設計和生產決策與控制。著眼與“手段”3虛擬制造技術的內涵1、定義3虛擬制造技術的內涵馬里蘭大學EdwardLin&etc虛擬制造是一個用于增強各級決策與控制一體化的、綜合的制造環境著眼于“環境”虛擬制造技術的定義：是一門以計算機仿真技術、制造系統與加工過程建模理論、虛擬現實技術、分布式計算理論、產品數據管理技術等為理論基礎，研究如何在計算機網絡環境及虛擬現實環境下，利用制造系統各層次及各環節的數字模型，完成制造系統整個過程的計算與仿真的技術。4虛擬制造技術的內涵馬里蘭大學EdwardLin&etc42、特點以模型為核心：模型產品模型：產品信息在計算機上的表示。過程模型：設計過程、工藝規劃過程、加工制造過程裝配過程、性能分析過程。活動模型：對企業生產組織和經營活動建立的模型資源模型：對企業人力、物力建立的模型虛擬制造技術的內涵52、特點模產品模型：產品信息在計算機上的表示。過程模型：設計2、特點以模型信息集成為根本：

產品模型、過程模型、活動模型、資源模型之間的信息集成以高逼真度仿真為特色：

仿真結果的高可信度，以及人與這個虛擬制造環境的交互的自然化。虛擬制造技術的內涵62、特點虛擬制造技術的內涵6并行工程使能技術與工具產品數字化建模、信息集成CAx、DFx、PDM開發過程重組過程建模、分析、改進、監控等集成產品開發團隊組織環境

計算機網絡數據庫

CSCW協調與沖突仲裁協同工作環境3、支撐環境與工具虛擬制造技術的內涵CSCW：computersuportedcooperativework7并行使能技術與工具產品數字化建模、信息集成開發過程重組過程建虛擬制造技術的內涵4、虛擬制造與實際制造實際制造系統是物質流在信息流的協調和控制下，在各個層次上進行相應的決策，實現從投入到產出的有效轉變，其中物質流和信息流的協調工作是主體。虛擬制造系統是在分布式協同工作等多學科技術支持的虛擬環境下的現實制造系統的映射。虛擬制造系統是實際制造系統的抽象，實際制造系統是虛擬制造系統的實例。8虛擬制造技術的內涵4、虛擬制造與實際制造8虛擬制造技術的內涵9虛擬制造技術的內涵9產品數據管理（PDM）實際制造過程技術人員和用戶數字化模型計算機仿真、虛擬現實虛擬開發平臺虛擬設計

有限元分析運動學分析動力學分析虛擬加工

工藝過程優化工具設計優化單元工藝優化加工過程分析虛擬裝配裝配工藝規劃裝配路線規劃裝配分配規劃裝配質量規劃虛擬生產平臺虛擬布局虛擬實際生產環境虛擬生產動態過程優化生產環境布局虛擬設備虛擬集成支撐環境優化集成方案虛擬調度虛擬產品生產過程優化生產調度方案虛擬企業平臺協同工作環境支持異地設計、裝配、測試的環境。虛擬企業動態組合系統集成任務調度虛擬制造系統的體系結構10產品數據管理（PDM）實技術人員和用戶數字化模型計算機仿真、虛擬制造系統體系結構11虛擬制造系統體系結構11虛擬制造系統體的系結構12虛擬制造系統體的系結構12虛擬產品生產規劃的體系結構13虛擬產品生產規劃的體系結構13案例：虛擬開發平臺體系結構

虛擬企業平臺14案例：虛擬開發平臺體系結構

虛擬企業平臺案例：虛擬開發平臺體系結構

虛擬生產平臺15案例：虛擬開發平臺體系結構

虛擬生產平臺1案例：虛擬開發平臺體系結構

虛擬加工平臺16案例：虛擬開發平臺體系結構

虛擬加工平臺1案例：虛擬開發平臺體系結構

虛擬加工平臺17案例：虛擬開發平臺體系結構

虛擬加工平臺虛擬制造的關鍵技術關鍵技術虛擬設計與裝配技術

虛擬實驗技術虛擬生產技術

虛擬產品實現技術虛擬檢測與評價技術虛擬紋理分析技術18虛擬制造的關鍵技術關鍵技術虛擬設計與裝配技術虛擬實驗技術虛擬制造的關鍵技術關鍵技術之一虛擬設計與裝配技術虛擬產品形狀設計虛擬裝配/拆卸設計與優化虛擬樣機具有力覺的虛擬裝配19虛擬制造的關鍵技術關鍵技術之一虛擬設計與裝配技術虛擬產品形狀虛擬制造的關鍵技術關鍵技術之二虛擬產品實現技術基于表面質量分析的切削參數選擇

遠程機器人操作與監控虛擬測量技術虛擬加工20虛擬制造的關鍵技術關鍵技術之二虛擬產品實現技術基于表面質量分虛擬制造的關鍵技術關鍵技術之三虛擬檢測與評價技術虛擬表面接觸剛度分析基于應力的加工質量評價裝配信息建模刀位軌跡檢查及碰撞干涉檢驗工藝過程規劃與仿真

21虛擬制造的關鍵技術關鍵技術之三虛擬檢測與評價技術虛擬表面接虛擬制造的關鍵技術關鍵技術之四虛擬實驗技術虛擬測試

虛擬樣機的性能評價虛擬試驗的運行平臺

虛擬試驗的物理建模22虛擬制造的關鍵技術關鍵技術之四虛擬實驗技術虛擬測試虛擬樣虛擬制造的關鍵技術關鍵技術之五虛擬生產技術虛擬生產線/車間實時三維布局基于VR的網絡化分散制造仿真與評價

生產線/車間生產過程虛擬仿真23虛擬制造的關鍵技術關鍵技術之五虛擬生產技術虛擬生產線/車間虛擬制造技術的應用

虛擬現實技術

虛擬產品設計

虛擬加工

虛擬裝配

虛擬測試

虛擬生產調度與仿真24虛擬制造技術的應用虛擬現實技術24虛擬現實技術20世紀80年代興起的一種人機交互技術，是基于感觀、手勢、話語等“自然”方式的交互技術。1965年，Sutherland在《終極的顯示》中首次提出了包括具有交互圖形顯示、力反饋設備以及聲音提示的虛擬現實系統。1966年MIT的林肯實驗室開始研究頭盔式顯示器。1984年美國宇航局開發了用于火星探測的虛擬環境視覺顯示器，為研究人員構造了火星表面的三維虛擬環境。20世紀90年代開始，在航天、航空、汽車、醫療、教育、生產、設計等廣泛應用。25虛擬現實技術20世紀80年代興起的一種人機交互技術，虛擬現實技術1、虛擬現實系統組成26虛擬現實技術1、虛擬現實系統組成26虛擬現實技術2、虛擬現實系統的硬件設備

立體眼鏡

立體投影

頭盔式顯示器

數據手套

空間位置跟蹤器

三維鼠標

六自由度跟蹤球

觸覺和力反饋器27虛擬現實技術2、虛擬現實系統的硬件設備27虛擬現實技術

立體眼鏡：主動和被動式立式眼鏡主動式：發射器與計算機顯卡連接，得到兩路信號節拍并將交替信號發送給立體眼鏡被動式：計算機顯示兩路偏振光信號，立體眼鏡的左右鏡片的透光有方向性，形成立體效果。28虛擬現實技術立體眼鏡：主動和被動式立式眼鏡28虛擬現實技術立體投影29虛擬現實技術立體投影29虛擬現實技術30虛擬現實技術30虛擬現實技術

頭盔顯示器：由顯示器、光學系統、跟蹤系統和立體聲系統組成。半封閉式：用戶可以看到現實世界和計算機產生的圖像封閉式：用戶只能看到頭盔內顯示的圖像頭盔顯示器31虛擬現實技術頭盔顯示器：由顯示器、光學系統、跟蹤系統虛擬現實技術

數據手套是一種多模式的虛擬設備，通過軟件編程，可進行虛擬場景中物體的抓取、移動、旋轉等動作，也可以利用它的多模式性，用作一種控制場景漫游的工具。在虛擬裝配和醫療手術模擬中，數據手套是不可缺少的一個組成部分。數據手套32虛擬現實技術數據手套是一種多模式的虛擬設備，通過軟件虛擬現實技術

能實時檢測物體空間位置（6自由度）的設備。空間位置跟蹤器33虛擬現實技術能實時檢測物體空間位置（6自由度）的設備虛擬現實技術

能夠向計算機傳回鼠標的位置和姿態信息三維鼠標34虛擬現實技術能夠向計算機傳回鼠標的位置和姿態信息三維虛擬現實技術

用來檢測絕對位置和方向。跟蹤球的中心固定，并裝有6個發光二極管，球有一個活動的外層，裝有6個相應的光傳感器。當使用者用手對球的外層施加力或力矩時，根據彈簧形變的法制，就可通過6個光傳感器測出3個力和3個力矩信息，將信息傳送到計算機后求出虛擬空間中物體的位置和方向。六自由度跟蹤球35虛擬現實技術用來檢測絕對位置和方向。跟蹤球的中心固定虛擬現實技術

直接進行三維掃描成像三維掃描36虛擬現實技術直接進行三維掃描成像三維掃描36虛擬現實技術三維掃描37虛擬現實技術三維掃描37虛擬現實技術觸覺和力反饋器38虛擬現實技術觸覺和力反饋器38虛擬現實技術Vega軟件。美國MultiGen-Paradigm公司產品3、虛擬現實的軟件系統39虛擬現實技術Vega軟件。美國MultiGen-Pa虛擬現實技術40虛擬現實技術40虛擬現實技術41虛擬現實技術41虛擬現實技術

訓練、演習42虛擬現實技術訓練、演習42虛擬現實技術43虛擬現實技術43虛擬現實技術44虛擬現實技術44虛擬現實技術45虛擬現實技術45虛擬現實技術46虛擬現實技術46虛擬產品設計仿真設計+-對產品的需求：目標、功能、性能產品的外形、組成、結構、參數產品的功能、性能、行為CAD、CAPP、CAM外觀設計CAE、DFM、DFA動力學、控制系統47虛擬產品設計仿真設計+對產品的需求：產品的外形、組成、產品的虛擬產品設計產品設計雖然只占產品整個成本的5％，但它卻影響產品整個成本的70％。48虛擬產品設計產品設計雖然只占產品整個成本的5％，但它卻影響產虛擬產品設計虛擬產品模型是由分布的、不同工具開發的、甚至異構的子模型組成的模型聯合體：產品的CAD模型產品的外觀表示模型產品的功能和性能仿真模型產品的各種分析模型產品的使用和維護模型環境模型；49虛擬產品設計虛擬產品模型是由分布的、不同工具開發的、甚至異構虛擬產品設計在產品全生命周期中的虛擬產品模型需求樣機概念樣機工程樣機最終樣機需求論證概念設計詳細設計生產/裝配維護50虛擬產品設計在產品全生命周期中的虛擬產品模型需求樣機概念樣機虛擬產品設計

需求樣機是根據用戶需求建立的未來產品的可視化和數字化描述，描述產品功能和外部行為的結構模型進行未來產品的功能仿真，給設計部門演示和說明產品功能的具體要求和使用環境給出未來產品的性能要求及其粗略框架，框架由有待填充、細化和完善的功能模塊組成51虛擬產品設計需求樣機是根據用戶需求建立的未來產品的可虛擬產品設計

概念樣機是根據需求樣機的要求，對所提出未來產品的方案設想的可視化和數字化描述細化了功能模塊和模塊間的信息流動關系

為產品的性能和外部行為提供物理細節和更詳細的可視化描述對產品的可制造性、可裝配性及其可維護性進行概略評估52虛擬產品設計概念樣機是根據需求樣機的要求，對所提出未虛擬產品設計53虛擬產品設計53虛擬產品設計

工程樣機是概念樣機的進一步細化，主要由產品的各種物理性能模型、CAD模型以及其他模型（成本、維護等）組成開展產品的各種仿真試驗工作，評估詳細設計方案的優缺點，以及可制造性、可裝配性、可維護性等根據評估結果，對產品的開發和生產進度、成本、質量提出更為全面的要求54虛擬產品設計工程樣機是概念樣機的進一步細化，主要由產虛擬產品設計

最終樣機：在產品生產、裝配和使用前，虛擬樣機在工程上基本定型。原型樣機是將原有樣機與實際使用環境相結合，檢驗產品的實際使用效果，評估進一步改進設計方案的可能性加入可靠性模型、維護模型和可用性模型，支持產品的虛擬維護加入虛擬仿真模型和操作模型，支持產品的使用訓練模擬55虛擬產品設計最終樣機：在產品生產、裝配和使用前，虛擬虛擬產品設計功能展示56虛擬產品設計56熱分析主軸箱熱場分布（6000rpm)57熱分析主軸箱熱場分布（6000rpm)57熱分析主軸箱熱變形仿真（6000rpm)58熱分析主軸箱熱變形仿真（6000rpm)58靜剛度分析59靜剛度分析59靜剛度分析60X方向靜剛度Z方向靜剛度靜剛度分析60X方向靜剛度Z方向靜剛度靜剛度分析61Y方向靜剛度靜剛度分析61Y方向靜剛度模態分析62階數12345實驗210.18265.60477.85627.69711.22仿真211.86282.01492.03666.94724.5誤差0.0080.0620.0920.0620.066第1階模態第2階模態工作臺模態模態分析62階數12345實驗210.18265.60477模態分析63階數12345實驗205.763210.468388.300429.552441.902仿真197.56203.68384.16427.85435.6誤差0.0400.0320.0100.0040.014第1階模態第2階模態床鞍模態模態分析63階數12345實驗205.763210.4683模態分析階數123456實驗198.774289.192367.835399.902431.567499.437仿真166.42292.69334.18399.1415.9487.42誤差0.1630.0120.0910.0020.0360.024第1階模態第2階模態床身模態模態分析階數123456實驗198.774289.19236模態分析65階數12345實驗360.852411.689414.451496.205514.923仿真355.33406.9413.93484.98506.07誤差0.0150.0110.0010.0220.017第1階模態第2階模態第3階模態立柱模態模態分析65階數12345實驗360.852411.6894模態分析66階數123實驗517.947828.471879.311仿真611.08724.71792.33誤差0.1800.1250.099第1階模態第2階模態第3階模態主軸箱模態模態分析66階數123實驗517.947828.471879模態分析67整機測試點數：541；床身：143，立柱：152，床鞍：60，工作臺：92，銑頭箱：94；采用8個三向加速度傳感器、9個單向加速度傳感器對整機進行了測試，并將9個單向傳感器每三個拼成一個三向傳感器；立柱上布置有3個傳感器，其余每個零件上布置2個傳感器。模態分析67整機測試點數：541；床身：143，立柱：152模態分析68第1階模態振型描述：銑頭箱帶動立柱上下擺動(繞X軸)實驗44HZ，仿真50HZ第2階模態振型描述：立柱和銑頭箱左右擺動(繞Y軸)實驗52HZ，仿真92HZ模態分析68第1階模態第2階模態模態分析69第3階模態振型描述：工作臺和床鞍的擺動，銑頭箱小幅擺動實驗92HZ，仿真134HZ第4階模態振型描述：銑頭箱繞立柱旋轉（繞Z軸旋轉）實驗127HZ，仿真141HZ模態分析69第3階模態第4階模態模態分析70第1階第2階第3階第4階實驗43.69362.17392.299127.224仿真50.34392.17134.18141.38誤差15％48％45％11％產生誤差的主要原因在結合面的特性參數模態分析70第1階第2階第3階第4階實驗43.69362.1模態分析71模態分析71多體系統動力學分析多體系統動力學：包括多剛體系統動力學和多柔體系統動力學。多體系統動力學是研究多體系統（一般由若干個柔性和剛性物體相互連接所組成）運動規律的科學。汽車可操作性和乘坐舒適性仿真：汽車可操作性仿真是指利用整車動力學模型，當操作人員在采用各種不同駕駛方法的情況下，對車輛的側傾穩定性進行仿真研究。

72多體系統動力學分析多體系統動力學：包括多剛體系統動力學和多柔多體動力學分析以汽車前、后懸架及轉向機構為主的多體動力學模型73多體動力學分析以汽車前、后懸架及轉向機構為主的多體動力學模型多體動力學分析增加發動機、車身后的整車多體動力學模型74多體動力學分析增加發動機、車身后的整車多體動力學模型74結構分析傳統的有限元分析方法（FEA)利用有限元分析方法對關鍵機械結構件進行應力、應變的分析，其負載往往是靜態的。(2)耐疲勞性分析將多體動力學仿真分析得到的動態負載，用于隨后的機械結構有限元分析。75結構分析傳統的有限元分析方法（FEA)75流體動力學分析

汽車外部空氣動力學仿真:汽車外部空氣動力學對汽車安全性、穩定性和汽車油耗都有重要的影響。

豐田、寶馬、福特等公司現在都已經采用仿真技術對新設計的汽車進行外部空氣動力學和空氣聲學的研究，以取代或者部分取代利用實物樣車進行風洞測試的方法，達到縮短設計時間，降低成本的目的。76流體動力學分析汽車外部空氣動力學仿真:汽車外部空氣動流體動力學分析

車廂內部制冷、加熱仿真；采暖、通風和空調（HVAC）單元仿真;

功率系（power-train）相關零部件的優化。如發動機進氣、排氣歧管，尾氣排放系統中消聲器和催化變換器，發動機頭部冷卻罩等的優化。

77流體動力學分析車廂內部制冷、加熱仿真；77運動學分析78運動學分析78控制系統分析控制系統執行機構受控系統控制目標控制信號反饋信號

首先基于簡化的被控系統模型，設計控制算法，構建控制系統；利用仿真分析被控系統的性能（如導彈的反應時間、跟蹤精度等）。79控制系統分析控制系統執行機構受控系統控制目標控制信號反饋信號控制系統分析80控制系統分析80虛擬加工加工過程仿真：包括切削過程仿真、焊接過程仿真、沖壓過程仿真、澆注過程仿真等。

幾何仿真：從純幾何角度出發，將刀具和工件看作剛體，不考慮力、變形等。

力學仿真：從力學角度出發，對動態力（切削力）、變形、切削熱等仿真。虛擬加工：虛擬制造環境下對產品對象實現幾何形狀及物理性能變化的過程。是真實加工過程在虛擬環境下的映射。81虛擬加工加工過程仿真：81虛擬加工虛擬加工過程構成82虛擬加工虛擬加工過程構成82虛擬加工虛擬加工仿真系統83虛擬加工虛擬加工仿真系統83虛擬加工84虛擬加工84虛擬加工85虛擬加工85虛擬加工86切削加工有限元分析軟件Marc

ABAQUS

DEFORM

AdvantEdgeFEM虛擬加工86切削加工有限元分析軟件MarcABAQUS虛擬加工崩碎切屑

鋸齒狀切屑

帶狀切屑

87虛擬加工崩碎切屑鋸齒狀切屑帶狀切屑87虛擬加工切削溫度88虛擬加工88虛擬加工切削溫度89虛擬加工89虛擬加工殘余應力分析90虛擬加工殘余應力分析90焊接過程仿真91焊接過程仿真91鑄造過程仿真92鑄造過程仿真92鑄造過程仿真93鑄造過程仿真93沖壓過程仿真94沖壓過程仿真94虛擬裝配虛擬裝配：在虛擬現實環境下的裝配三維鼠標、數據手套、液晶立體眼鏡、頭盔電子裝配或數字化裝配：計算機環境下建立的數字化裝配模型計算機硬件、CAD軟件95虛擬裝配虛擬裝配：在虛擬現實環境下的裝配電子裝配或數字化裝配虛擬裝配虛擬裝配線虛擬裝配環境虛擬裝配96虛擬裝配虛擬裝配線虛擬裝配環境虛擬裝配96虛擬裝配97虛擬裝配97虛擬測試虛擬測試98虛擬測試虛擬測試98虛擬測試99虛擬測試99虛擬測試虛擬測試

在航空、航天、核子反應、汽車碰撞試驗等廣泛應用：

美國某公司“全景式自動虛擬環境系統（CAVE），測量新產品在強沖擊力和其他外在因素影響下所產生的內部構造變化。美國宇航局（NASA）培訓宇航員，“虛擬飛行試驗”。美國DeereInc.建立計算機模型，用戶頭戴觀察鏡、手系位置傳感器，接觸各種操縱裝置。

100虛擬測試虛擬測試在航空、航天、核子反應、汽虛擬測試虛擬測試101虛擬測試虛擬測試101虛擬測試102虛擬測試102虛擬生產調度控制仿真103虛擬生產調度控制仿真103虛擬生產調度控制仿真104虛擬生產調度控制仿真104虛擬生產調度控制仿真案例：（活塞）生產線模型開始運行狀態（全局）105虛擬生產調度控制仿真案例：（活塞）生產線模型開始運行狀態（全虛擬生產調度控制仿真案例：（活塞）生產線運行一小時的仿真結果106虛擬生產調度控制仿真案例：（活塞）生產線運行一小時的仿真結果虛擬生產調度控制仿真案例：（活塞）生產線運行六小時的仿真結果107虛擬生產調度控制仿真案例：（活塞）生產線運行六小時的仿真結果虛擬生產調度控制仿真案例：（活塞）生產線運行三十小時的仿真結果108虛擬生產調度控制仿真案例：（活塞）生產線運行三十小時的仿真結虛擬生產調度控制仿真提高后提高前60160109虛擬生產調度控制仿真提高后提高前60160109

謝謝！110謝謝！110

虛擬制造技術清華大學精密儀器與機械學系郁鼎文111虛擬制造技術1213虛擬制造技術的體系虛擬制造技術的內涵虛擬制造技術4虛擬制造的關鍵技術虛擬制造技術的應用112213虛擬制造技術的體系虛擬制造技術的內涵虛擬制造技術4虛擬制造技術的內涵1、定義虛擬制造作為一個全新的概念，是信息時代制造技術的重要標志。佛羅里達大學GloriaJWiens:虛擬制造是這樣一個概念，即與實際一樣在計算機上執行制造過程，其中虛擬模型是在實際制造之前，用于對產品的功能和可制造性的潛在問題進行預測。著眼于“結果”美國空軍Wright實驗室：虛擬制造是仿真、建模和分析技術及工具的綜合應用，以增強各層制造設計和生產決策與控制。著眼與“手段”113虛擬制造技術的內涵1、定義3虛擬制造技術的內涵馬里蘭大學EdwardLin&etc虛擬制造是一個用于增強各級決策與控制一體化的、綜合的制造環境著眼于“環境”虛擬制造技術的定義：是一門以計算機仿真技術、制造系統與加工過程建模理論、虛擬現實技術、分布式計算理論、產品數據管理技術等為理論基礎，研究如何在計算機網絡環境及虛擬現實環境下，利用制造系統各層次及各環節的數字模型，完成制造系統整個過程的計算與仿真的技術。114虛擬制造技術的內涵馬里蘭大學EdwardLin&etc42、特點以模型為核心：模型產品模型：產品信息在計算機上的表示。過程模型：設計過程、工藝規劃過程、加工制造過程裝配過程、性能分析過程。活動模型：對企業生產組織和經營活動建立的模型資源模型：對企業人力、物力建立的模型虛擬制造技術的內涵1152、特點模產品模型：產品信息在計算機上的表示。過程模型：設計2、特點以模型信息集成為根本：

產品模型、過程模型、活動模型、資源模型之間的信息集成以高逼真度仿真為特色：

仿真結果的高可信度，以及人與這個虛擬制造環境的交互的自然化。虛擬制造技術的內涵1162、特點虛擬制造技術的內涵6并行工程使能技術與工具產品數字化建模、信息集成CAx、DFx、PDM開發過程重組過程建模、分析、改進、監控等集成產品開發團隊組織環境

計算機網絡數據庫

CSCW協調與沖突仲裁協同工作環境3、支撐環境與工具虛擬制造技術的內涵CSCW：computersuportedcooperativework117并行使能技術與工具產品數字化建模、信息集成開發過程重組過程建虛擬制造技術的內涵4、虛擬制造與實際制造實際制造系統是物質流在信息流的協調和控制下，在各個層次上進行相應的決策，實現從投入到產出的有效轉變，其中物質流和信息流的協調工作是主體。虛擬制造系統是在分布式協同工作等多學科技術支持的虛擬環境下的現實制造系統的映射。虛擬制造系統是實際制造系統的抽象，實際制造系統是虛擬制造系統的實例。118虛擬制造技術的內涵4、虛擬制造與實際制造8虛擬制造技術的內涵119虛擬制造技術的內涵9產品數據管理（PDM）實際制造過程技術人員和用戶數字化模型計算機仿真、虛擬現實虛擬開發平臺虛擬設計

有限元分析運動學分析動力學分析虛擬加工

工藝過程優化工具設計優化單元工藝優化加工過程分析虛擬裝配裝配工藝規劃裝配路線規劃裝配分配規劃裝配質量規劃虛擬生產平臺虛擬布局虛擬實際生產環境虛擬生產動態過程優化生產環境布局虛擬設備虛擬集成支撐環境優化集成方案虛擬調度虛擬產品生產過程優化生產調度方案虛擬企業平臺協同工作環境支持異地設計、裝配、測試的環境。虛擬企業動態組合系統集成任務調度虛擬制造系統的體系結構120產品數據管理（PDM）實技術人員和用戶數字化模型計算機仿真、虛擬制造系統體系結構121虛擬制造系統體系結構11虛擬制造系統體的系結構122虛擬制造系統體的系結構12虛擬產品生產規劃的體系結構123虛擬產品生產規劃的體系結構13案例：虛擬開發平臺體系結構

虛擬企業平臺124案例：虛擬開發平臺體系結構

虛擬企業平臺案例：虛擬開發平臺體系結構

虛擬生產平臺125案例：虛擬開發平臺體系結構

虛擬生產平臺1案例：虛擬開發平臺體系結構

虛擬加工平臺126案例：虛擬開發平臺體系結構

虛擬加工平臺1案例：虛擬開發平臺體系結構

虛擬加工平臺127案例：虛擬開發平臺體系結構

虛擬加工平臺虛擬制造的關鍵技術關鍵技術虛擬設計與裝配技術

虛擬實驗技術虛擬生產技術

虛擬產品實現技術虛擬檢測與評價技術虛擬紋理分析技術128虛擬制造的關鍵技術關鍵技術虛擬設計與裝配技術虛擬實驗技術虛擬制造的關鍵技術關鍵技術之一虛擬設計與裝配技術虛擬產品形狀設計虛擬裝配/拆卸設計與優化虛擬樣機具有力覺的虛擬裝配129虛擬制造的關鍵技術關鍵技術之一虛擬設計與裝配技術虛擬產品形狀虛擬制造的關鍵技術關鍵技術之二虛擬產品實現技術基于表面質量分析的切削參數選擇

遠程機器人操作與監控虛擬測量技術虛擬加工130虛擬制造的關鍵技術關鍵技術之二虛擬產品實現技術基于表面質量分虛擬制造的關鍵技術關鍵技術之三虛擬檢測與評價技術虛擬表面接觸剛度分析基于應力的加工質量評價裝配信息建模刀位軌跡檢查及碰撞干涉檢驗工藝過程規劃與仿真

131虛擬制造的關鍵技術關鍵技術之三虛擬檢測與評價技術虛擬表面接虛擬制造的關鍵技術關鍵技術之四虛擬實驗技術虛擬測試

虛擬樣機的性能評價虛擬試驗的運行平臺

虛擬試驗的物理建模132虛擬制造的關鍵技術關鍵技術之四虛擬實驗技術虛擬測試虛擬樣虛擬制造的關鍵技術關鍵技術之五虛擬生產技術虛擬生產線/車間實時三維布局基于VR的網絡化分散制造仿真與評價

生產線/車間生產過程虛擬仿真133虛擬制造的關鍵技術關鍵技術之五虛擬生產技術虛擬生產線/車間虛擬制造技術的應用

虛擬現實技術

虛擬產品設計

虛擬加工

虛擬裝配

虛擬測試

虛擬生產調度與仿真134虛擬制造技術的應用虛擬現實技術24虛擬現實技術20世紀80年代興起的一種人機交互技術，是基于感觀、手勢、話語等“自然”方式的交互技術。1965年，Sutherland在《終極的顯示》中首次提出了包括具有交互圖形顯示、力反饋設備以及聲音提示的虛擬現實系統。1966年MIT的林肯實驗室開始研究頭盔式顯示器。1984年美國宇航局開發了用于火星探測的虛擬環境視覺顯示器，為研究人員構造了火星表面的三維虛擬環境。20世紀90年代開始，在航天、航空、汽車、醫療、教育、生產、設計等廣泛應用。135虛擬現實技術20世紀80年代興起的一種人機交互技術，虛擬現實技術1、虛擬現實系統組成136虛擬現實技術1、虛擬現實系統組成26虛擬現實技術2、虛擬現實系統的硬件設備

立體眼鏡

立體投影

頭盔式顯示器

數據手套

空間位置跟蹤器

三維鼠標

六自由度跟蹤球

觸覺和力反饋器137虛擬現實技術2、虛擬現實系統的硬件設備27虛擬現實技術

立體眼鏡：主動和被動式立式眼鏡主動式：發射器與計算機顯卡連接，得到兩路信號節拍并將交替信號發送給立體眼鏡被動式：計算機顯示兩路偏振光信號，立體眼鏡的左右鏡片的透光有方向性，形成立體效果。138虛擬現實技術立體眼鏡：主動和被動式立式眼鏡28虛擬現實技術立體投影139虛擬現實技術立體投影29虛擬現實技術140虛擬現實技術30虛擬現實技術

頭盔顯示器：由顯示器、光學系統、跟蹤系統和立體聲系統組成。半封閉式：用戶可以看到現實世界和計算機產生的圖像封閉式：用戶只能看到頭盔內顯示的圖像頭盔顯示器141虛擬現實技術頭盔顯示器：由顯示器、光學系統、跟蹤系統虛擬現實技術

數據手套是一種多模式的虛擬設備，通過軟件編程，可進行虛擬場景中物體的抓取、移動、旋轉等動作，也可以利用它的多模式性，用作一種控制場景漫游的工具。在虛擬裝配和醫療手術模擬中，數據手套是不可缺少的一個組成部分。數據手套142虛擬現實技術數據手套是一種多模式的虛擬設備，通過軟件虛擬現實技術

能實時檢測物體空間位置（6自由度）的設備。空間位置跟蹤器143虛擬現實技術能實時檢測物體空間位置（6自由度）的設備虛擬現實技術

能夠向計算機傳回鼠標的位置和姿態信息三維鼠標144虛擬現實技術能夠向計算機傳回鼠標的位置和姿態信息三維虛擬現實技術

用來檢測絕對位置和方向。跟蹤球的中心固定，并裝有6個發光二極管，球有一個活動的外層，裝有6個相應的光傳感器。當使用者用手對球的外層施加力或力矩時，根據彈簧形變的法制，就可通過6個光傳感器測出3個力和3個力矩信息，將信息傳送到計算機后求出虛擬空間中物體的位置和方向。六自由度跟蹤球145虛擬現實技術用來檢測絕對位置和方向。跟蹤球的中心固定虛擬現實技術

直接進行三維掃描成像三維掃描146虛擬現實技術直接進行三維掃描成像三維掃描36虛擬現實技術三維掃描147虛擬現實技術三維掃描37虛擬現實技術觸覺和力反饋器148虛擬現實技術觸覺和力反饋器38虛擬現實技術Vega軟件。美國MultiGen-Paradigm公司產品3、虛擬現實的軟件系統149虛擬現實技術Vega軟件。美國MultiGen-Pa虛擬現實技術150虛擬現實技術40虛擬現實技術151虛擬現實技術41虛擬現實技術

訓練、演習152虛擬現實技術訓練、演習42虛擬現實技術153虛擬現實技術43虛擬現實技術154虛擬現實技術44虛擬現實技術155虛擬現實技術45虛擬現實技術156虛擬現實技術46虛擬產品設計仿真設計+-對產品的需求：目標、功能、性能產品的外形、組成、結構、參數產品的功能、性能、行為CAD、CAPP、CAM外觀設計CAE、DFM、DFA動力學、控制系統157虛擬產品設計仿真設計+對產品的需求：產品的外形、組成、產品的虛擬產品設計產品設計雖然只占產品整個成本的5％，但它卻影響產品整個成本的70％。158虛擬產品設計產品設計雖然只占產品整個成本的5％，但它卻影響產虛擬產品設計虛擬產品模型是由分布的、不同工具開發的、甚至異構的子模型組成的模型聯合體：產品的CAD模型產品的外觀表示模型產品的功能和性能仿真模型產品的各種分析模型產品的使用和維護模型環境模型；159虛擬產品設計虛擬產品模型是由分布的、不同工具開發的、甚至異構虛擬產品設計在產品全生命周期中的虛擬產品模型需求樣機概念樣機工程樣機最終樣機需求論證概念設計詳細設計生產/裝配維護160虛擬產品設計在產品全生命周期中的虛擬產品模型需求樣機概念樣機虛擬產品設計

需求樣機是根據用戶需求建立的未來產品的可視化和數字化描述，描述產品功能和外部行為的結構模型進行未來產品的功能仿真，給設計部門演示和說明產品功能的具體要求和使用環境給出未來產品的性能要求及其粗略框架，框架由有待填充、細化和完善的功能模塊組成161虛擬產品設計需求樣機是根據用戶需求建立的未來產品的可虛擬產品設計

概念樣機是根據需求樣機的要求，對所提出未來產品的方案設想的可視化和數字化描述細化了功能模塊和模塊間的信息流動關系

為產品的性能和外部行為提供物理細節和更詳細的可視化描述對產品的可制造性、可裝配性及其可維護性進行概略評估162虛擬產品設計概念樣機是根據需求樣機的要求，對所提出未虛擬產品設計163虛擬產品設計53虛擬產品設計

工程樣機是概念樣機的進一步細化，主要由產品的各種物理性能模型、CAD模型以及其他模型（成本、維護等）組成開展產品的各種仿真試驗工作，評估詳細設計方案的優缺點，以及可制造性、可裝配性、可維護性等根據評估結果，對產品的開發和生產進度、成本、質量提出更為全面的要求164虛擬產品設計工程樣機是概念樣機的進一步細化，主要由產虛擬產品設計

最終樣機：在產品生產、裝配和使用前，虛擬樣機在工程上基本定型。原型樣機是將原有樣機與實際使用環境相結合，檢驗產品的實際使用效果，評估進一步改進設計方案的可能性加入可靠性模型、維護模型和可用性模型，支持產品的虛擬維護加入虛擬仿真模型和操作模型，支持產品的使用訓練模擬165虛擬產品設計最終樣機：在產品生產、裝配和使用前，虛擬虛擬產品設計功能展示166虛擬產品設計56熱分析主軸箱熱場分布（6000rpm)167熱分析主軸箱熱場分布（6000rpm)57熱分析主軸箱熱變形仿真（6000rpm)168熱分析主軸箱熱變形仿真（6000rpm)58靜剛度分析169靜剛度分析59靜剛度分析170X方向靜剛度Z方向靜剛度靜剛度分析60X方向靜剛度Z方向靜剛度靜剛度分析171Y方向靜剛度靜剛度分析61Y方向靜剛度模態分析172階數12345實驗210.18265.60477.85627.69711.22仿真211.86282.01492.03666.94724.5誤差0.0080.0620.0920.0620.066第1階模態第2階模態工作臺模態模態分析62階數12345實驗210.18265.60477模態分析173階數12345實驗205.763210.468388.300429.552441.902仿真197.56203.68384.16427.85435.6誤差0.0400.0320.0100.0040.014第1階模態第2階模態床鞍模態模態分析63階數12345實驗205.763210.4683模態分析階數123456實驗198.774289.192367.835399.902431.567499.437仿真166.42292.69334.18399.1415.9487.42誤差0.1630.0120.0910.0020.0360.024第1階模態第2階模態床身模態模態分析階數123456實驗198.774289.19236模態分析175階數12345實驗360.852411.689414.451496.205514.923仿真355.33406.9413.93484.98506.07誤差0.0150.0110.0010.0220.017第1階模態第2階模態第3階模態立柱模態模態分析65階數12345實驗360.852411.6894模態分析176階數123實驗517.947828.471879.311仿真611.08724.71792.33誤差0.1800.1250.099第1階模態第2階模態第3階模態主軸箱模態模態分析66階數123實驗517.947828.471879模態分析177整機測試點數：541；床身：143，立柱：152，床鞍：60，工作臺：92，銑頭箱：94；采用8個三向加速度傳感器、9個單向加速度傳感器對整機進行了測試，并將9個單向傳感器每三個拼成一個三向傳感器；立柱上布置有3個傳感器，其余每個零件上布置2個傳感器。模態分析67整機測試點數：541；床身：143，立柱：152模態分析178第1階模態振型描述：銑頭箱帶動立柱上下擺動(繞X軸)實驗44HZ，仿真50HZ第2階模態振型描述：立柱和銑頭箱左右擺動(繞Y軸)實驗52HZ，仿真92HZ模態分析68第1階模態第2階模態模態分析179第3階模態振型描述：工作臺和床鞍的擺動，銑頭箱小幅擺動實驗92HZ，仿真134HZ第4階模態振型描述：銑頭箱繞立柱旋轉（繞Z軸旋轉）實驗127HZ，仿真141HZ模態分析69第3階模態第4階模態模態分析180第1階第2階第3階第4階實驗43.69362.17392.299127.224仿真50.34392.17134.18141.38誤差15％48％45％11％產生誤差的主要原因在結合面的特性參數模態分析70第1階第2階第3階第4階實驗43.69362.1模態分析181模態分析71多體系統動力學分析多體系統動力學：包括多剛體系統動力學和多柔體系統動力學。多體系統動力學是研究多體系統（一般由若干個柔性和剛性物體相互連接所組成）運動規律的科學。汽車可操作性和乘坐舒適性仿真：汽車可操作性仿真是指利用整車動力學模型，當操作人員在采用各種不同駕駛方法的情況下，對車輛的側傾穩定性進行仿真研究。

182多體系統動力學分析多體系統動力學：包括多剛體系統動力學和多柔多體動力學分析以汽車前、后懸架及轉向機構為主的多體動力學模型183多體動力學分析以汽車前、后懸架及轉向機構為主的多體動力學模型多體動力學分析增加發動機、車身后的整車多體動力學模型184多體動力學分析增加發動機、車身后的整車多體動力學模型74結構分析傳統的有限元分析方法（FEA)利用有限元分析方法對關鍵機械結構件進行應力、應變的分析，其負載往往是靜態的。(2)耐疲勞性分析將多體動力學仿真分析得到的動態負載，用于隨后的機械結構有限元分析。185結構分析傳統的有限元分析方法（FEA)75流體動力學分析

汽車外部空氣動力學仿真:汽車外部空氣動力學對汽車安全性、穩定性和汽車油耗都有重要的影響。

豐田、寶馬、福特等公司現在都