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科研训练调研报告

虚拟仿真技术在制造业中的应用

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虚拟仿真技术在制造业中的应用

计算机科学与技术0904班

惠苗壮

学号：0909091627

摘 要：

虚拟制造是在高性能计算机及高速网络的支持下,采用计算机信息技术、仿真技术和虚拟现实技术,产生一个虚拟环境,对所要进行的产品设计和生产制造活动,进行全面的建模和仿真。本文介绍了虚拟仿真技术在国内外的发展及在制造业中的应用现状，并提出对该技术未来的希望。

关键字：虚拟仿真技术 制造业 模拟

1.介绍

仿真又称模拟,是利用模型方法来重现实际系统中发生的本质过程,并通过实验来研究已经存在的或正在设计中的系统。计算机仿真技术作为一门新兴的高技术,近年得到迅速的发展,其应用领域及作用越来越大,尤其在航空、航天、国防及其他大规模复杂系统的研制开发过程中,计算机仿真一直是不可缺少的工具,它在减少损失、节约经费、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥了巨大作用。

虚拟现实是一种由计算机和电子技术创造的新世界,通过多种传感设备,用户可根据自身的感觉,对虚拟世界中的物体进行考察和操作,参与其中的事件,形成一个看似真实的模拟环境,它是模拟仿真在高性能计算机系统和信息处理环境下的发展和技术拓展。虚拟现实技术包括临境和拟实两个方面。

虚拟制造是在高性能计算机及高速网络的支持下,采用计算机信息技术、仿真技术和虚拟现实技术,产生一个虚拟环境,对所要进行的产品设计和生产制造活动,进行全面的建模和仿真。在产品生产出来之前,就实际地模拟出其设计开发和制造全过程,并对性能进行全面模拟试验,预测产品的设计和制造合理性、产品性能和制造周期等,以期达到最佳,使整个产品的开发生产周期最短、成本最低、质量最佳。

当前虚拟仿真技术已经广泛应用于娱乐、教育、训练、医学、设计、制造、商业、科学视觉化、网路应用等各种领域。

2.虚拟仿真技术的发展现状

从1962年，Morton Heilig发明了实感全景仿真机开始。虚拟现实技术越来越受到大众的关注。以三个I，即Immersion沉浸感，Interaction交互性，Imagination思维构想性，作为虚拟现实技术最本质的特点，并融合了其它先进技术。国内外大量科学研究人员从事虚拟仿真技术的研究。

2.1国外发展状况

VR技术起源于美国，美国的研究水平基本上就代表国际VR发展的水平。以美国为例，目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个…………………………………………………………………科研训练调研报告……………………………

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方面。美国宇航局(NASA)的Ames实验室研究主要集中在以下方面：将数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品；在约翰逊空间中心完成空间站操纵的实时仿真；大量运用了面向座舱的飞行模拟技术；对哈勃太空望远镜的仿真。现在正致力于一个叫“虚拟行星索”(vPE)的试验计划。现在NASA己经建立了航空、卫星维护VR训练系统，空间站VR训练系统，并且已经建立了可供全国使用的VR教育系统。北卡罗来纳大学(UNC)的计算机系是进行VR研究最早的大学，他们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。Loma lAnda大学医学中心的David Warner博士和他的研究小组成功地将计算机图形及VR的设备用于探讨与神经疾病相关的问题，首创了VR儿科治疗法。麻省理工学院(MIT)是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋，这些技术都是VR技术的基础，1985年M1T成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究。华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室(1ilT lab)，将VR研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域。这些研究成果都表现了美国在虚拟仿真方面的发展水平。

2.2国内发展状况

我国VR技术研究起步较晚，与国外发达国家还有一定的差距，但现在已引起国家有关部门和科学家们的高度重视，并根据我国的国情，制定了开展VR技术的研究计划。九五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把VR列入了研究项目。我国军方对虚拟技术的发展关注较早，而且支持关注的力度也逐日加大。

国内一些重点院校，也积极投入到这一领域的研究工作中来，并且取得了丰硕的成果。北京航空航天大学计算机系：着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发出部分硬件，并提出有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网络设计，可以提供实时三维动态数据库、虚拟现实演示环境、用于飞行员训练的虚拟现实系统、虚拟现实应用系统的开发平台等。浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法；哈尔滨工业大学已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成、表情的合成和唇动的合成等技术问题；清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了研究；另外西安交通大学，国防科技大学，装甲兵技术学院，中科院软件所，上海交通大学等高校也分别在不同领域，不同方面的虚拟技术研究工作中取得了不同的成果。

3.虚拟仿真技术在制造业应用开发的技术环境

计算机图形学、三维设计软件、计算机仿真技术、高性能计算机的快速发展以及制造企业三维设计体系的建立、完善,将有力促进虚拟仿真技术在各个领域的应用开发。

3.1 计算机图形学及三维设计软件的软件环境

计算机图形学是伴随着计算机及其外围设备而产生和发展起来的。它是近代计算机科学、电视及图像处理技术的发展汇合而产生的结果。在造船、航空航天、汽车、机械、地理信息等领域的广泛应用,推动了这门学科的不断发展,而不断解决应用中提出的各类新课题,又进一步充实和丰富了这门学科的内容。现已发展为对物体的模型和图像进行生成、存取和管理的新学科。

三维曲面建模出现于20 世纪70 年代,前后产生了实体造型技术、参数化造型技术、变量化造型技术等新技术革命。三维CAD 软件及三维设计的出现,使一般复杂的产品设计和数字建模成为可能,设计人员因而有机会在计算机上看到复杂的几何形状、轮廓和产品概念。在此基础上,还可进行零件干涉测试和交互检查,提高了设计的可视化能力,…………………………………………………………………科研训练调研报告……………………………

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因而大大减少了设计错误和由此引起的变更,缩短产品设计和制造周期，是制造业研究开发时间大大减少的必要条件之一。

3.2 计算机仿真技术的广泛应用与高性能计算机系统的硬件环境

计算机仿真技术集成了计算机、网络技术、图形图像技术、面向对象技术、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制等多个技术领域的知识。当前其应用已不仅仅限于产品或系统集成后的性能测试,已发展为可应用于产品的型号研制的全过程,包括方案论证、战术技术指标论证、设计分析、生产制造、试验、维护、训练等各阶段。由于虚拟仿真技术所应用的对象是三维模型等:虚拟仿真技术在制造中的应用需要处理的数据量非常大,因此其应用是建立在信息处理能力强、内存大、图形功能强,并具有高速科学计算能力的高性能计算机系统上的。虚拟制造与实际制造系统的关系如图1所示图1

4．虚拟现实技术在制造业中的应用现状

虚拟仿真在当今的制造业是不可或缺的。当原来建立的一些原型样机进行组件高级测试时，现在规划师、设计师和工程师在同一个数字模型上工作，在屏幕上优化制造，如果有必要，将模型数据通过数据线 同时传输到全世界各地。这样减少了研发成本，特别加速了研发过程，提供了更快的市场化时间。虚拟现实更深远的优势在于使用者可以在最初的时间点上及时评估不同变量。

4.1虚拟制造在汽车覆盖件模具制造中的应用

汽车覆盖件模具的开发要受到可靠性、美观性、经济性、可制造性及可维护性等多方面的制约。在传统的汽车覆盖件模具开发过程中，当模具设计及制造完成后，需要经过反复的调试修改，才能得到满意的汽车零件。在调试过程中，一些成形缺陷，如破裂、起皱、回弹、翘角等问题，主要是凭借模具钳工师的经验，通过试模、修模、再试模、再修模的循环过程才能解决。这种方法不但降低了生产效率，而且生产出的模具精度往往达不到预期的要求，还会加长模具的开发周期。而虚拟制造技术可以大大缩短这一周期。因为在虚拟现实环境下，设计和制造汽车不需要建造实体模型，工程师可以利用虚拟的“自然”环境的可视化优势，把汽车模具的结构分析、虚拟设计、部件装配和性能优化等融合在计算机虚拟制造系统中进行，在综合考虑汽车车身件的外观总体布局及零部件之间的相互衔接相互作用等因数基础上，对模具几何尺寸、技术性能、生产和制造等方面进行交互式的快速建模和仿真分析，从而避免了反复修模，保证了模具的精度要求;而且因为生成的仿真模型可被直接操纵与修改，数据可以反复利用，因而大大缩短了模具开发的周期Cs-i21虚拟制

造技术与快速成形技术、反向设计、逆向工程、基于知识的工程设计等技术相比具有非常好的优势。因为虚拟制造技术具有独特的虚拟设计制造环境，可以让模具整个开发过程完全在虚拟的“实际”环境中进行，在达到预期的性能质量等方面的要求后才开始进行实物制造，从而使制造出的模具一次性的满足用户需求，大大降低了模具的废品率，减少企业的开发成本。

汽车覆盖件模具的虚拟制造开发流程如图1所示，首先从产品需求分析开始，然后进行概念设计，再从优化设计到系统集成，…………………………………………………………………科研训练调研报告……………………………

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通过使用相关开发软件，在虚拟环境中，构造产品的虚拟模型。这是一个循环渐进的过程，基于产品的开发需求，采用相应的仿真分析工具对虚拟模型的功能和性能进行仿真分析，对虚拟模型的行为进行模拟分析，并基于仿真分析的结果，通过反复建模仿真分析模型的改进，直到虚拟制造出的模具满足预期设计的目标，才开始进行实物制造。由图2可知，汽车覆盖件模具在投入生产前就已经通过了虚拟的“实际环境”的检验，把实际制造中可能遇到的困难和设计上的不合理全部检验出来，再让设计工作人员进行修改或者重新设计，直到整个制造过程能够完全合理、顺利的完成。这样不但能缩短产品的研发周期，降低企业的研发成本，还可以提高产品的质量。

图2

4.2虚拟仿真技术在船舶制造中的应用

船舶工业是一项劳动密集型、技术密集型和资金密集型的产业。船舶产品是一个巨大的复杂系统，而且大多是少量或单件生产的产品，每艘船都由数以千计甚至上万件的零部件和中间产品，通过离散的但相互联系的各种过程建造而成。船舶生产周期较长，一般是几个月甚至几年。船舶建造所需的各种零部件通常由许多船舶配套生产商提供，因此船舶的建造与许多企业都有着密切的联系，任何环节的脱节都有可能导致船舶建造进程的延期。

制造仿真强调在实际投入原材料于产品实现过程之前，完成产品设计与制造过程的相关分析，以确保制造过程实施的可行性。制造仿真的主要目的是提高产品设计、过程设计、工艺规划、生产规划、以及车间控制中的决策与控制水平。进行船舶建造过程的仿真和分析，在船舶设计阶段就模拟出船舶建造的整个过程，能够及早发现设计中出现的问题，减少建造过程中设计方案的更改，减少建造过程中的延期，合理的规划建造过程，优化资源配置，提高设备和劳动力的使用率；从而降低生产成本，提高产品质量。另外，在新技术、新设备采用之前，利用船舶虚拟建造系统模拟出采用这些新技术、新设备后的船舶建造过程，并对建造过程进行评估，以确定是否采用或如何合理应用这些新技术和新设备。

建造工艺规划是进行虚拟建造仿真的首要工作，在具体工艺环节仿真验证的基础上，通过对船舶建造过程的深入分析，建立整体建造过程的流程模型，确定建造过程中每个环节的时间节点及所需的资源和设备。

建造工艺规划主要包括：

1） 船厂车间的布局，生产设备的布置，人力资源的分配；

2）建造流程的规划；

3）物流控制仿真；

4）生产过程和生产调度仿真；

5）建造工艺仿真。

进行船舶虚拟建造仿真的目的是在船舶建造之前，对船舶的整体建造过程进行模拟，以尽早发现问题，合理规划建造过程，优化资源配置，降低建造成本，提高产品质量。因此，对建造过程的评估是船舶虚拟建造的重要组成部分，评估的主要内容包括：

1）生产过程评估：对所规划的船舶生产建造过程进行整体性的评估，寻找不合理的地方，以做出调整和优化；对某项具体建造工艺进行仿真验证，以检验该工艺的合理性和正确性。

2）制造成本估算：计算船舶建造的总成本、各阶段的成本以及按类型进行分类的成本（如材料、人工、配套设备、项目管理等）

3） 制造时间评估；计算船舶建造总时