虚拟制造技术范文

夜上海论坛1虚拟制造技术课程的教学改革和成形磨齿实验台的应用

为了便于学生更好地认识和理解虚拟制造技术，课程教学中必须结合实践教学。因此结合学校的成形磨齿机床进行教学，向学生讲解磨齿机的工作性能和用途，齿轮的磨削加工方法，以及成形磨齿法和展成磨齿法的区别，大大加深了学生对该门课程内容的理解。在实践教学中，让学生根据设计任务书自己操作成形磨齿实验台，对齿轮进行磨削加工，学生能直观地观察到整个过程，加工过程中出现的任何问题，都能便利地随时进行观察检测，从现场的上课情况看出，这个过程加深了学生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。使学生对磨齿机的相关知识有一定的了解，对学生以后的专业课学习以及金工实习打下坚实的基础。

在课程中，应用虚拟制造技术用软件进行高阶复杂修形齿面计算、砂轮截形优化、三维磨削过程可视化、基于KBE技术的齿轮工艺参数智能化管理等技术难题，并在齿轮动态性能预测及噪声控制软件部分实现技术突破，软件可实现齿轮噪音对比预测，并能优化齿轮参数，从而达到降低齿轮运行时振动噪声的目的，此技术大大缩短了齿轮加工工艺调整周期，并具有较好的可视化功能，得到了用户一致青睐。通过此教学过程，拓宽了学生的视野，学习到了更多的虚拟制造技术的知识。

夜上海论坛 为了改善传统的教学方法，我们在课程中采用了启发式教学、互动式教学。启发式教学就是通过在教材的重点、难点、疑点处创设一种问题情境，以引起学生的兴趣和注意，并作适当启发，培养学生的创新思维，鼓励学生主动地、独立地分析问题和解决问题。在成形磨齿实践教学中，通过学生学过的知识进行引导，比如从学习过的车床、铣床等切入，进行类比讲解，使没有接触过磨齿机的学生对此有一定的了解，介绍磨齿机发展史中的一些实例，让学生了解到相关知识背景，启发学生的兴趣，激发了学生的求知欲。在互动式教学中，老师提出问题，然后把班级同学分成几组，先由小组进行讨论和查阅资料，然后再进行汇报，这样可以开阔学生的思路，有助于学生自己解决问题，学生能更多参与课堂教学中，有利于学生潜能的开发，综合素质的提高和创新能力的培养。

2总结

从学生在课堂上的表现来看，通过对虚拟制造技术课程的教学改革，采用了启发式教学、互动式教学，并结合成形磨齿实验台进行实践教学，收到了很好的教学效果，活跃了课堂气氛，调动了学生学习的积极性，增强了学生的动手实践能力，加深了学生对虚拟制造技术知识的理解、掌握和应用，对培养和提高学生的创新思维、创新能力以及动手能力起到了很好的推动作用，为后续课程的学习和从事生产技术工作打好基础。

夜上海论坛 作者：汪中厚周晓玲马雅鹤单位：上海理工大学

摘要：

虚拟制造技术实现了现代工程机械工程设计领域中的设计、试制等一系列过程的直观性。实现了在产品真正制造出来前，可以在虚拟的制造环境中生成产品的原型，更好的替代现实中的硬件产品，更方便的对设计产品的性能和可生产性进行评估，有效极大的缩短产品的设计和生产周期，最大化的节约了产品开发的成本，保证产品的开发和设计可以适应市场的灵活性的变化。

关键词：

虚拟制造技术；现代机械；工程设计

夜上海论坛 随着知识经济和工业制造的快速发展，现代化的市场要求产品生产厂商要以最快的速度、最优的品质、最短的研发时间、最低的成本消耗和最佳的服务来满足顾客的需求。产品的质量在传统的设计和制造方式上不能得到很好的保证，并且传统设计的工艺比较粗糙、开发的效率低、花费时间比较长、耗费的资金比较大。在变化速度快、持续性发展和不可预测性市场中难以适应。因此企业的生产活动需要具备高度的柔性和快速的反映，与此同时信息技术的飞速发展保证了机械制造的先进性，信息化的使用对于现代机械工程设计十分重要。

1、机械设计制造中的虚拟制造技术

夜上海论坛 1.1虚拟技术中的建模技术虚拟指的是在系统中将现实制造系统映射到虚拟环境下，主要涉及了RMS的模型化、形式化、计算机化的抽象描述和表示。VMS建模的主要内容有：生产模型建立、产品模型建立、工艺模型建立的信息化体系结构的建立。生产模型中有静态描述和静态描述两种。静态描述主要是关于对系统生产能力和生产特性。动态描述是在已经被得知的系统状态和需求的性质上对产品的整个过程进行全面的预测。在制造过程中我们将种种实体对象总的称之为产品模型。在产品的模型建立中需要对产品的明细、形状特征等方面进行描述[1]。对于VMS而言，要实现产品实施过程的全部继承必须具备完整的产品模型。因此在虚拟制造中的产品模型不再是单一和静止的，它可以运用抽象的技术实现各种模型面貌的提取。工艺模型主要指的是在制造过程中对产品的工艺参数和关于产品功能的各种因素进行联系，最终实现对产品模型和生产模型之间相互作用的反映。

夜上海论坛 1.2虚拟制造技术中的仿真技术仿真指的是通过计算机实现复杂现实系统的抽象化和简洁化最终形成的系统模型，并且在仿真的基础上对模型进行应用，最终得到相应的系统性性能分析。仿真主要以系统模型为主体的研究方法，它对实际的生产系统没有直接的干扰作用，并且仿真系统可以对计算机的计算能力进行应用，实现在短时间内完成在实际工作中需要很长时间的工作，有效缩短了生产决策的时间，最大化的避免了对人力、物力和资金的投入以及浪费。计算机技术还有很好的仿真修复功能，最大化的保证了方案的最优。仿真技术过程的主要步骤有：系统研究、数据收集、系统模型建立、仿真算法的确定、仿真模型的计算、仿真模型的运行、结果的输出和分析。

1先进机械制造技术经典模式分析

夜上海论坛 先进机械制造技术随着新技术的进步得到了快速的发展，在制造生产的不同要求下，先进制造技术拥有了一些比较成熟的制造模式。

1.1并行工程并行工程模式是先进机械制造技术的基础模式。传统的机械制造是按照生产顺序逐步生产制造，容易出现问题，整个生产制造效率比较低。并行工程在设计初期就可以利用三维软件进行整体的设计，并利用仿真软件对机械产品模型进行仿真，这就可以在产品设计初期就解决制造时可能存在的问题。并行工程中，生产制造过程是将整个生产任务分给若干个小组进行同时制造，同时将生产信息实时交流，保证整个生产的顺利。但是目前我国的并行工程也存在一些问题，比如没有国产的商品化软件，并行的深度和广度也还不够，这都需要进一步的研究。

1.2虚拟制造虚拟制造是并行工程的重要基础技术，它是借助计算机技术将需要设计的机械产品进行仿真，在电脑中将产品呈现在人们面前。通过仿真能够发现设计初期存在的一些问题，保证制造的成功率，从而可以降低生产成本，使产品的整个设计周期大大缩短。目前，虚拟制造技术在机械制造行业中已得到了广泛应用，不论是整个产品的整体呈现，还是功能的检测，或者产品的测试环节，虚拟制造都发挥着重要的作用。

1.3敏捷制造敏捷制造属于社会分工细化的一个产物，它是指制造企业在接受设计生产任务时，通过快速的协调技术人才、制造厂房以及制造原料等各种资源，实现制造的敏捷化。它的目的就是让企业能够对不断变化的市场做出快速的反应。比如一艘船舰的生产制造过程，制造企业需要协调多方技术人员，联系各个原料供应商以及制造生产车间，才能够保证船只的快速制造。

1.4绿色制造随着环境污染越来越严重，国家也推出了可持续发展战略，先进机械制造技术行业中也出现了绿色制造发展模式。绿色制造的目的就是为了保护环境，避免资源的浪费。它的实现方式就是在机械产品的设计、制造以及运输的各个环节中考虑节约和环保，比如采用环保原料，使用环保新工艺等。

夜上海论坛 2先进机械制造技术模式发展的方向

随着新技术的发展以及人们对机械制造新需求的产生，先进机械制造技术的模式需要新的发展。目前，先进机械制造技术模式发展的趋势主要有以下几个。

机械制造业作为一个传统的领域已经发展了很多年，积累了许多理论和实践经验，但随着当今社会的发展，人们的生活水平不断提高，各个方面的个性化需求越来越强烈。作为已经深入到各行各业并已成为基础工业的机械制造业面临着严峻的挑战。先进制造技术这个概念的提出为机械制造业的发展指明了方向。虽然这个名词没有确定的定义，但目前被公认的认识是：先进制造技术是传统制造技术不断吸收机械、电子、信息、材料、能源和现代管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，并取得理想技术经济效果的制造技术的总称。它具有如下一些特点：

1．从以技术为中心向以人为中心转变，使技术的发展更加符合人类社会的需要。

2．从强调专业化分工向模糊分工、一专多能转变，使劳动者的聪明才智能够得到充分发挥。

3．从金字塔的多层管理结构向扁平的网络化结构转变，减少层次和中间环节。

4．从传统的顺序工作方式向并行工作方式转变，缩短工作周期，提高工作质量。

夜上海论坛 5．机械制造技术的发展趋势可以概括为：（1）机械制造自动化。（2）精密工程。（3）传统加工方法的改进与非传统加工方法的发展。

夜上海论坛 下面对自动化技术给予论述和展望。机械制造自动化技术自本世纪20年代出现以来，经历了三个阶段，即刚性自动化、柔性自动化和综合自动化。综合自动化常常与计算机辅助制造、计算集成制造等概念相联系，它是制造技术、控制技术、现代管理技术和信息技术的综合，旨在全面提高制造企业的劳动生产率和对市场的响应速度。

夜上海论坛 一、集成化

夜上海论坛1虚拟现实技术的原理、构成和关键技术

1.1虚拟现实技术的基本要素

基于虚拟现实技术的虚拟世界能够满足下列要求：首先，凸显那些实际存在，然而由于某种原因导致人类难以达到的区域，比如宇宙空间、核反应堆或者人体内部等距离非常遥远、具有很大危险性、亦或根本无法进入的领域，这时能够通过计算机进行作业和感受；其次，反映那些实际根本不存在的事物，和实际存在的事物进行比较，比如世界杯足球赛的模拟比赛就是一个非常典型的案例[3]；再次，发明在现实世界里不可能存在，并且日后也不可能存在的崭新世界，致使人类步入这一全新的世界之后，能够得到同现实世界完全不同的感受，比如，时空的转变、验证木星等星球上有没有人类生存的环境以及相应措施等。

1.2虚拟现实技术的关键技术

夜上海论坛 在VRT当中，通常不仅包括高性能计算机系统软硬件设备，而且还有实时三维图形系统与虚拟现实交互尖端技术。通过利用实时三维图形系统，能够产生有逼真感的图形，这些图像具有三维全彩色、明暗、纹理以及阴影等特点。而虚拟现实是一种交互式与高端的计算机显示技术，通常双向对话是它的一种非常重要工作途径。在开展虚拟现实交互技术时，人往往是主动的，必须参与，而不再担任观众，有些时候甚至还担当主人的任务。

2虚拟技术在现代机械工程中的作用

2.1缩短产品的开发和生产周期

夜上海论坛 当代机械产品研发能够全面利用计算机仿真技术，不但可以仿真实现产品的研发与生产过程，而且还不用消耗实际的资源与能量，然而却可以真实反映产品的相关状况。虚拟设计技术在概念设计与方案论证当中通常用虚拟模型来取代现实模型验证设计方案，很好地规避了以往设计模式中设计阶段的出现过的失误对工期与成本的巨大影响将以不断扩大的方式向后续阶段进行传播的问题，这样可以更加高效地降低新产品开发的周期，从而提高新产品设计品质与效率[4]。

夜上海论坛1现代机械制造技术的现状

1.1虚拟制造技术

夜上海论坛 现代机械制造技术当中的虚拟制造技术是指以仿真技术和虚拟技术作为前提条件，根据机械设计制造整个过程当中机械产品的特性建立模型，通过应用计算机，来模拟和仿真操作机械产品设计制造的整个过程。在将虚拟制造技术引入机械设计制造的时候，可以优化实际的方案策略，以更加科学、合理地配置有关的生产资源，这样能够大大地减少企业的生产费用，提高企业的竞争优势。同时，虚拟制造技术是机械制造敏捷的一种重要实现方式，可以有效地突破传统的机械产品设计制造形式，以更加均衡地处理产品性能、产品作业风险、产品生产精度，以及产品制造成本之间的关系。不仅仅是这样，应用虚拟制造技术，还可以实时地立足于用户的实际需要，以及科学地修改机械制造产品，从而使得机械设计制造更加具有针对性。

1.2柔性制造技术

现代机械制造技术当中的柔性制造技术是指以成组技术作为前提条件，通过传统意义上的数控机床(可划分成多台台数和不一样的种类)，以及数控柔性机床充当核心。在柔性制造技术和它的应用系统当中，能够以应用自动化物流系统的形式来连接有关的设备和装置。虽然自动化制造系统的一种就是柔性制造技术，但是变批量的特征比较显著地呈现在了生产形式上。在当前的工作实践当中，都要求应用柔性制造技术来实现相关机械产品的更新换代。通过不断地总结工作实践经验，我们发现：柔性制造技术可以有效地统一所牵涉到的对象（一般是成组地出现）来确定有关的工艺过程，且能够科学地选择装置设备和有关数控加工机械，实现批量地生产工件的目的。尤为重要的一个方面是：在应用柔性制造技术的时候，可以一起进行加工制造和生产管理这两项工作，在进行焊接、冲压、加工等一系列操作的时候，应用柔性制造技术能够大大地增加企业的经济效益。

2现代化机械制造技术的发展趋势分析

2.1全球化可以说，现代机械制造技术的全球化是机械制造行业的一个非常重要的发展趋势。近些年以来，在一系列的工业领域当中，无论是对于大企业，还是中小企业来讲，国际化经营是必不可少的一个重要因素。一是因为计算机网络通讯技术的不断进步，提供了经营管理、产品研发和信息交流的一种国际化的方式，这就促使着企业朝着合作和竞争的双重方向进行发展，这种发展使得国际市场之间的竞争加剧。二是因为国内市场与国际市场之间的竞争日趋激烈，比如在机械制造行业当中，国内外的一些企业在如此的竞争当中不断地淘汰，一些依旧占有国内市场份额的企业为了求得生存和发展，就需要开拓新型的市场。在这两种原因的互相影响之下，推动着世界化制造行业的发展。

夜上海论坛 2.2智能化通过机器设备来取代人做一些比较复杂的工作，这种发展趋势具有必然性。目前形势下，生物技术、计算机智能，以及人工智能技术的不断进步推动着现代化机械制造技术的智能化发展，其中，重点体现为智能诊断、智能控制、智能加工、智能计算、智能设计和机器人学等一系列的方面，我们能够发现不少的企业已经在生产的整个过程当中应用机器人。在整个的制造过程当中，系统可以对工作的状态进行自动化的检测，在发生故障的过程中可以进行自动化地调整，以实现最为理想的工作状态。

1现代机械制造技术的现状

1.1虚拟制造技术现代机械制造技术当中的虚拟制造技术是指以仿真技术和虚拟技术作为前提条件，根据机械设计制造整个过程当中机械产品的特性建立模型，通过应用计算机，来模拟和仿真操作机械产品设计制造的整个过程。在将虚拟制造技术引入机械设计制造的时候，可以优化实际的方案策略，以更加科学、合理地配置有关的生产资源，这样能够大大地减少企业的生产费用，提高企业的竞争优势。同时，虚拟制造技术是机械制造敏捷的一种重要实现方式，可以有效地突破传统的机械产品设计制造形式，以更加均衡地处理产品性能、产品作业风险、产品生产精度，以及产品制造成本之间的关系。不仅仅是这样，应用虚拟制造技术，还可以实时地立足于用户的实际需要，以及科学地修改机械制造产品，从而使得机械设计制造更加具有针对性。

1.2柔性制造技术现代机械制造技术当中的柔性制造技术是指以成组技术作为前提条件，通过传统意义上的数控机床(可划分成多台台数和不一样的种类)，以及数控柔性机床充当核心。在柔性制造技术和它的应用系统当中，能够以应用自动化物流系统的形式来连接有关的设备和装置。虽然自动化制造系统的一种就是柔性制造技术，但是变批量的特征比较显著地呈现在了生产形式上。在当前的工作实践当中，都要求应用柔性制造技术来实现相关机械产品的更新换代。通过不断地总结工作实践经验，我们发现：柔性制造技术可以有效地统一所牵涉到的对象（一般是成组地出现）来确定有关的工艺过程，且能够科学地选择装置设备和有关数控加工机械，实现批量地生产工件的目的。尤为重要的一个方面是：在应用柔性制造技术的时候，可以一起进行加工制造和生产管理这两项工作，在进行焊接、冲压、加工等一系列操作的时候，应用柔性制造技术能够大大地增加企业的经济效益。

2现代化机械制造技术的发展趋势分析

2.1全球化可以说，现代机械制造技术的全球化是机械制造行业的一个非常重要的发展趋势。近些年以来，在一系列的工业领域当中，无论是对于大企业，还是中小企业来讲，国际化经营是必不可少的一个重要因素。一是因为计算机网络通讯技术的不断进步，提供了经营管理、产品研发和信息交流的一种国际化的方式，这就促使着企业朝着合作和竞争的双重方向进行发展，这种发展使得国际市场之间的竞争加剧。二是因为国内市场与国际市场之间的竞争日趋激烈，比如在机械制造行业当中，国内外的一些企业在如此的竞争当中不断地淘汰，一些依旧占有国内市场份额的企业为了求得生存和发展，就需要开拓新型的市场。在这两种原因的互相影响之下，推动着世界化制造行业的发展。

2.2智能化通过机器设备来取代人做一些比较复杂的工作，这种发展趋势具有必然性。目前形势下，生物技术、计算机智能，以及人工智能技术的不断进步推动着现代化机械制造技术的智能化发展，其中，重点体现为智能诊断、智能控制、智能加工、智能计算、智能设计和机器人学等一系列的方面，我们能够发现不少的企业已经在生产的整个过程当中应用机器人。在整个的制造过程当中，系统可以对工作的状态进行自动化的检测，在发生故障的过程中可以进行自动化地调整，以实现最为理想的工作状态。

夜上海论坛 2.3云制造云制造是一种针对服务的网络化制造的新型模式，它将制造资源当成一种服务，以云平台的形式提供给广大的用户，切实地给广大的用户提供能够实时地获取、优质价廉和按需应用的一系列制造服务，它是创新制造资源分配与共享的一种模式。

2.4自动化自动化属于一个动态性的概念，当前，机械制造自动化的发展趋势重点体现在适应现代化生产模式的制造环境、柔性制造技术、制造敏捷化、制造全球化、调度与规划制造过程、制造单元技术、人机一体化制造系统、系统技术与集成系统等一系列的方面。

（1）集成化

集成化（CIMS）就是运用计算机操作与应用系统，达到继承多种技术与信息的目的。一般来讲，它可以分为管理分系统、工程技术信息分系统、质量信息分系统与制造自动化分系统。这一技术融合了计算机技术与机械自动化的优势，并不断汲取相关领域的精华。集成化是经济全球化的必然趋势，是全球竞争的产物。我国也在这一领域内开展了较为深入的研究，并且在众多集成应用中有着具体的体现与应用。

（2）智能化

机械制造业牵涉多个领域，已不再是以前单一的生产加工制造，技术含量也日益增高。从数控技术中已经能看到机械智能化的雏形，现在智能化正在不断完善，使自身更具有人性化的功能，比如检测和预防之后采取一定措施处理，由人类专家与智能机械组合而成的人机一体化智能系统。上述这些智能化的系统能够灵活应对来自外界的变化，而且可以自动调整环境变化带来的差异。其宗旨就是快速适应外界环境，随时保持最好的状态，像人一样应对各种问题。

（3）敏捷化

敏捷制造的基础是企业的竞争力和信誉度。其核心思想是：要提高企业对市场变化的快速反应能力，满足顾客的要求。除了充分利用企业内部资源外，还可以充分利用其他企业乃至社会的资源来组织生产。因而，敏捷制造比起其它制造方式具有更灵敏、更快捷的反应能力。要拥有快速应变能力，关键技术是成功建立虚拟企业，建立的核心就是虚拟制造技术，即敏捷制造是以虚拟制造技术为基础的。敏捷制造是现代集成制造系统从信息集成发展到企业集成的必由之路，它的发展水平代表了现代集成制造系统的发展水平，是现代集成制造系统的发展方向。

（4）绿色化

夜上海论坛 工业化的推进日益改变着人们的日常生活。一方面，物质生活的丰富带来精神上的愉悦。另一方面，自然资源锐减，物种濒临灭绝，生态破坏，环境污染。在这种背景下保护自然资源的绿色产品概念应运而生。绿色产品是大势所趋。因为绿色产品在设计、制造、使用和消亡的过程中，不污染环境，不危害人类健康，资源利用率极高。因此，设计出生产绿色产品的机械自动化设备，具有深远的意义和远大的发展前途。自动化产品的绿色化指的是使用时不危害环境，而且报废后还可以循环使用。