虚拟制造技术的应用与发展

虚拟制造是集计算机辅助设计、计算机辅助制造和计算机辅助工艺设计（Computer Aided Process Planning，CAPP）于一体的技术，是在计算机中完成制造过程的。正因为如此，虚拟制造具有下述主要特点：

虚拟制造的制造模型是一个计算机模型。完成这一制造过程的主要工作集中在模型的建立过程上，一旦这个模型建立完成，就可以不断与之进行交互，模拟各种情况下的生产和制造过程。模型的可反复修改性是虚拟制造过程有别于实际制造过程的一个最主要的特点，也正是这一特点，使虚拟制造可以根据不同情况快速地更改设计、工艺和生产过程，从而大幅度压缩新产品的开发时间，提高制造质量，降低成本。

虚拟制造的另一个特点是它可以是分布式的，完成虚拟制造的人员和设备在空间上可以是相互分离的，不同地点的技术人员可以通过网络来协同完成同一个虚拟制造过程。

此外，虚拟制造还可以是一个并行的过程，产品设计、加工过程和装配过程的仿真可以同时进行，大大加快了产品设计的过程，缩短了新产品的试制时间。

1.虚拟制造关键技术

（1）特征模型的建立：包含工艺信息的特征模型，为以后的工艺分析和加工等过程创造条件。

（2）企业间的产品数据交换：在由动态联盟共同完成新产品开发的条件下，必须以产品数据交换标准（STEP、IGES等）来保证企业间信息的集成。

（3）快速原型的制造：使工程人员在制造前就能看到产品，从而改进设计，也可直接用于快速制造少量的零件或模具，通过改进材料、工艺及软件提高产品精度。

（4）加工能力模型/生产能力模型的建立：根据企业的加工设备信息建立加工能力模型，进一步可以根据企业的其他资源信息建立生产能力模型。生产能力模型是产品零件可制造性分析、加工单元布局以及制造成本估算、生产能力平衡、生产布局优化、调度方案优化的依据。

（5）产品零件的可制造性分析及计算机辅助工艺规划：根据零件的特征信息以及制造资源模型进行可制造性分析，确定加工路线、步骤和参数。

（6）制造过程的动态描述：根据工艺规划所确定的加工路线和制造资源，用动画形式描述制造过程，以检查过程及物流对环境影响的合理性。(www.xing528.com)

（7）NC代码的自动生成：根据包含特征信息的零件模型及工艺规划信息实现零件的NC代码的自动生成并提供加工时间等参数，为加工仿真和成本分析等后续过程提供依据。

（8）制造成本的估算：根据制造过程所占用的资源和加工时间等信息进行制造成本的估算。

（9）系统的验证与测试：借助虚拟现实及人机工程对产品的可靠性、可操作性和可维护性等进行评估。

2.虚拟制造技术的建模技术

虚拟制造是现实制造过程在计算机上的映射，与真实制造过程相比，具有虚拟性、数字化集成性和依赖性。虚拟制造系统的建立必须基于现实的制造设备及其相关活动，并且可以随着制造设备的改变对虚拟制造系统进行变更。虚拟制造环境建模是真实制造环境在数字化世界中的映射。产品的实际制造环境包括制造设备、工装夹具及其制造刀具等，因此，在虚拟制造环境中需要建立相应的制造设备模型、夹具模型、刀具模型及工件模型，使虚拟制造环境能够依据用户输入的NC代码、工件模型和刀具模型给出有关工件变化、刀具状况、加工效率等信息。

虚拟制造设备主要是指虚拟机床，用于仿真实际制造设备加工虚拟产品，机床模型包括机床的几何实体信息、运动特征信息、伺服特性信息、刚度特性信息以及热变形特性信息等。

虚拟刀具包括镜刀、车刀、钻头等常用的加工刀具，用于仿真实际的切削过程，刀具模型包括刀具的几何实体信息、切削特征信息和运动特征信息等；虚拟夹具用于仿真实际的工装夹具，夹具模型包括夹具的几何实体信息和装夹特征信息等。虚拟制造设备、虚拟夹具、虚拟刀具和虚拟工件的建模原理一致。

（1）虚拟制造设备建模。虚拟机床是虚拟制造过程的具体实施者。根据机床信息的不同，机床模型分为几何模型和仿真模型，其中几何模型将虚拟机床看成一个层次式的装配体，包含多个部件和零件，且零部件之间存在着相互装配关系和约束条件，组成零、部件的三维数字模型根据其实际形状和大小分别建模。机床模型是在NC代码的驱动下，采用一种类似NC加工插补算法的方法实现各运动部件的平动与转动，从而驱动虚拟机床的运动。将仿真模型作为机床的物理属性依附在机床的几何模型上，建立虚拟制造设备模型的类结构。类结构建立床身、工作台和导轨等基本类，在此基础上建立零部件几何模型类继承基本类；零部件几何模型类与零部件仿真模型类一起形成零件模型类，通过零、部件之间的包含与聚合关系形成虚拟制造设备。

（2）系统实现。虚拟制造系统是虚拟制造研究的主要内容之一，而环境建模是虚拟制造系统仿真、分析的基础。通过三维实体建模构造出一套虚拟制造设备，设计人员可以借助一定的软、硬件设备，在虚拟制造环境下对零件加工过程进行仿真，并对设备布局和加工过程等作出分析，以便对整个生产进程进行优化，从而提高生产效率和加工质量。