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虚拟制造技术论文范文

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虚拟制造技术论文

第1篇

[关键词]信息化;虚拟制造;虚拟企业

为把我国建成不仅是新的世界制造中心,而且是广泛应用先进技术的制造强国,国家对制造企业提出了宏伟目标,即要求国内骨干企业尽快着手信息化工作,2010年到2015年大中型企业要达到国际先进的信息化制造水平。实际上,信息化不仅是政策的约束,更是市场的驱使,随着市场经济全球化的进程,信息化制造将成为现代制造企业追求的重要目标之一。

一、信息化制造与虚拟技术

什么才是信息化制造?信息化制造是以虚拟制造和大规模定制生产为标准的,只有基本上实现了从产品设计、开发、生产制造和流通以至产品全生命周期的信息化,才算真正完成信息化工作,在此基础上的先进制造模式和信息化内容才能叫做信息化制造。

随着计算机、自动化及网络技术在制造系统中的应用,信息技术对制造技术发展的作用目前已占到第一位。产品制造过程中的信息投入,己成为决定产品成本的主要因素。信息技术使现代制造的技术含量提高,使传统制造技术发生质的变化。信息技术也促进着设计技术的现代化,加工制造的精密化、快速化,自动化技术的柔性化、智能化,整个制造过程的网络化、全球化。

制造业要在竞争激烈的全球市场求得生存与发展,必须能够更好地满足市场所提出的TQCS要求,即要以最短的产品开发周期(Time)、最优质的产品质量(Quality)、最低廉的制造成本(Cost)和最好的技术支持与售后服务(Service)来赢得市场与用户。为了提高竞争能力,企业应当能够对市场需求的变化做出快速敏捷的反应,并及时地对自身的生产做出合理的调整与重新规划。面对不可预测、持续发展、快速多变的市场需求,企业的生产活动必须具有高度的柔性。计算机软硬件技术及网络技术的迅速发展为实现这一目标提供了强有力的支持。

基于这些因素,概念设计、并行工程、智能制造、敏捷制造等多种有关先进制造技术的新思想、新概念相继诞生。虚拟制造(VirtualManufacture)就是其中之一,它代表了一种全新的制造体系和模式。在虚拟制造中,产品开发是基于数字化的虚拟产品开发VPD方式(VirtualProductDevelopment),以用户的需求为第一驱动,并将用户需求转化为最终产品的各种功能特征。VPD保证了产品开发的效率和质量,提高了企业的快速响应和市场开拓能力。

虚拟技术在先进制造技术中的应用主要包括虚拟制造和虚拟企业两个部分。

1.虚拟制造(VM)是在产品设计阶段实时地、并行地模拟产品未来制造全过程及其对产品设计的影响,预测产品性能、产品的可制造性、产品的成本等,从而更有效地、柔性灵活地组织生产,并使新产品开发一次获得成功,目的是尽量降低产品的成本,缩短产品的开发周期,提高产品的质量和寿命,快速有效地响应瞬息万变的市场。

虚拟制造实际上是一种计算机科学技术,以信息技术、仿真技术、虚拟现实技术为支柱,在产品设计或制造系统的物理实现之前,就能使人体会到或感觉到未来产品的性能或者制造系统的状态,从而可以做出前瞻性的决策与优化实施方案。从本质上讲虚拟制造技术是对真实制造过程的动态模拟、仿真,是在计算机上制造数字化产品,经过模拟仿真对产品外形设计、布局设计、加工及装配过程达到优化产品的设计及工艺过程、优化制造环境配置和生产供给计划、优化制造过程并改进制造系统的目的,用来改善各个层次的决策和控制。虚拟制造从根本上改变了设计、试制、修改设计、规模生产的传统制造模式。在产品真正制出之前,在虚拟制造环境中生成软产品原型代替传统的硬样品进行试验,对其性能和可制造性进行预测和评价,从而缩短产品的设计与制造周期,降低产品的开发成本,提高系统快速响应市场变化的能力。

2.虚拟企业是为了快速响应某一市场需求,将产品涉及到的不同企业临时组建成为一个没有围墙、超越空间约束、靠计算机网络联系、统一协调的合作经济实体。虚拟企业的特点是企业的功能上不完整、地域上分散和组织结构上非永久性,它是实现敏捷制造的有效手段。由于市场的全球化,企业必须不断创新产品及优化制造过程,快速响应客户要求,才能取得竞争上的优势。同时,企业不可能也不必做每一件事、每一个部件和每一个制造过程,而必须寻找合适的合作伙伴。其最终目标是利用不同地区的现有生产资源,把它们迅速组合成一种没有界限的、靠电子手段联系的经营实体,以便快速推出高质量、低成本的新产品。

由于国内外市场竞争日益加剧,科学技术发展迅速,产品更新换代速度加快及人们对产品多样化的需求增加,使得机械制造业向多品种小批量生产方式发展。因此,缩短产品开发周期成为决定制造业竞争力的首要因素。而虚拟制造技术被认为是加速新产品开发的有效手段,它能很好地解决制造业的TQCS难题,虚拟制造技术对制造业将是一次新的革命,它的广泛应用意义是深远的。

二、市场化与虚拟制造技术应用

制造业是我国国民经济的支柱产业,它一方面创造价值,生产物质财富和新的知识,另一方面为国民经济各个部门包括国防和科学技术的进步与发展提供先进的手段和装备。在我国的经济腾飞中,制造业功不可没。但是,随着计划经济体制向市场经济体制转变,我国制造企业的弊端日益显露出来。

我国制造业目前存在的五大难题:

1.产品质量不稳定,水平低下,主要机械产品中达到当代世界先进水平的不到10%;

2.生产集中度低,分散、重复严重,缺乏协作;

3.科技基础薄弱,自主研发创新能力差;

4.企业装备陈旧,生产工艺落后,精密、高效、数控设备不足10%;

5.人才培养后继乏力;加之企业基础管理薄弱,缺乏现代生产管理意识,在市场经济新形势下显得十分被动。

虚拟制造在工业发达国家,如美国、德国、日本等已得到了不同程度的研究和应用。在这一领域,美国处于国际研究的前沿。福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司在新型汽车的开发中已经大量应用虚拟制造技术,大大缩短了产品的时间;波音公司设计的777型大型客机是世界上首架以三维无纸化方式设计出的飞机,它的设计成功已经成为虚拟制造从理论研究转向实用化的一个里程碑。

虚拟制造(VM)作为一种哲理、一种制造策略为制造业的发展指明了方向。它可以全面改进企业的组织管理工作,提高企业整体运作及全面最优决策的效能和市场竞争力。实施虚拟制造可以打破传统的地域、时域的限制,通过Internet实现资源共享,变分散为集中,可实现异地设计、异地制造,从而使产品开发能以快速、优质、低耗响应市场变化。通过分析设计的可制造性,利用有效的工具和加工方法来支持生产,可以大大提高产品的质量和稳定性。企业不再需要投入大量的设备和仪器,从而避免了不必要的设备闲置,可充分利用其他企业的先进设备和仪器进行生产,能很好地解决一些中小企业资金短缺的难题。

但在实施虚拟制造技术过程中,虽然国家对制造业十分重视,但由于我国当前正处于体制改革过程中,多种机制并行,在资金使用时较难协调,国家也难以投入重金支持虚拟制造技术研究。应用人才短缺,企业的整体认识不统一,就是现有的科研成果都难以推广应用,因此实现企业信息化制造任重而道远,但这些并不能阻挡它的向前发展。

三、实施虚拟制造应采取的措施

1.高度重视和全面规划。虚拟制造技术与其它的先进制造技术是相互关联、彼此交叉的,其涉及面广、技术难度大,研究及推广应用需要投入大量人力、物力及资金,政府部门应从宏观上加强对虚拟制造技术的指导,同时要使虚拟制造技术与各种先进制造技术相互衔接、协调发展。超级秘书网

2.加强人才培养和培训工作。人是先进制造的主体,没有高素质的人的参与,再好的技术也发挥不了应有的作用。因此,企业领导应有人本思维,采用人机一体的技术路线。企业在培养和引进高层次、高质量研究型、管理型和开发应用型人才的同时,大力普及CAD/CAM技术,及时推行精益生产、并行工程等思想和技术,全面提高企业员工的技术素质。企业与高校应探索人才的联合培养新模式,不断增强科技创新能力。

3.加强关键技术的研究、开发和应用。虚拟制造技术包括软件技术和硬件技术,其中建模技术、计算机仿真技术和虚拟现实技术等是实施虚拟制造的关键技术。我国科研力量分散,建立分布式网络化研究中心,以企业为主体,产学研相结合,重点投资与自身发展有关的关键技术的研究,进行研发和推广是一条值得深入探索的道路。

4.从企业实际出发,分阶段实施。企业要实现虚拟制造,应分阶段逐步实行,要做好全面扎实的基础工作,应加强CAD/CAPP/CAM/NC/FMC/CAE技术的研究和推广应用,在全面实施并行工程的基础上实施虚拟制造。

第2篇

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。

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

第3篇

Abstract: Through the statistical analysis on four aspects of papers' published year, involving fields, research agencies and the first author which is related to study virtual prototype technology application included in Chinese sci-tech periodical database of VIP, this paper summarized the research condition of application of virtual prototype technology in nearly 10 years, and found that the research institutions of application of virtual prototype technology focus on colleges and universities, and suggested enterprise should apply virtual prototype technology actively to improve their market competitiveness.

关键词: 虚拟样机技术;论文统计;计量分析

Key words: virtual prototyping technology;paper statistics;quantitative analysis

中图分类号:C53 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2013)09-0312-02

0 引言

虚拟样机技术是上世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程技术。设计人员在计算机上建立能够反映产品特性的样机模型,用样机模型代替物理样机在各种工况下进行仿真试验和分析,测试和评估产品的整体性能,进而不断改进和优化样机模型的设计,直至获得最优设计方案后,再制造物理样机[1]。虚拟样机技术改变了传统的产品研发和设计思想,极大地降低了产品研发和设计的技术风险和开发成本,缩短了研发周期,提高了产品性能,加速了新技术向产品转化的开发、研制与使用过程。进入21世纪以来,虚拟样机技术及其应用在发达国家已经获得重大进展,被广泛地应用于各个不同领域。世界众多著名的制造公司在生产开发过程中都广泛采用虚拟样机技术,设计、装机、测试都在计算机中模拟完成,保证了产品一次试制成功[2]。虚拟样机技术的应用,使企业能够以最低的成本快速推出产品,迅速抢占国际市场,提高了企业的市场竞争力,为企业带来巨大的经济效益和社会效益。

本文依托“维普中文科技期刊数据库”这一平台,通过对2003~2012年10年期间与虚拟样机技术相关的期刊论文的检索,采用论文计量学方法,对虚拟样机技术的应用研究论文进行统计分析,概括和总结我国虚拟样机技术的应用研究状况,以期为虚拟样机技术今后在我国更广泛地推广应用提供参考。

1 数据来源及分析方法

本文以维普中文科技期刊数据库收录的期刊论文为统计分析源,以2003~2012年为时间条件,以“全部期刊”为期刊范围,以“虚拟样机”为题名或关键词进行全部专业论文的检索,经过整理汇总,删除重复论文后共计2508篇。通过EXCEL将整理后的论文数据套录成数据库,采用论文计量学方法对论文的发表年份、涉及领域、研究机构以及第一作者等四个方面进行统计分析,概括和总结近10年来我国虚拟样机技术的应用研究状况[3]。

2 统计分析结果

2.1 虚拟样机技术应用研究论文年份统计分析 从图1和表1可以看出我国虚拟样机技术应用研究论文数量的增长态势。2003年至2009年期间,论文数量逐年增加,2004年和2005年,论文数量增加的幅度最大,之后增加幅度在逐年减小,2009年论文数量达到顶峰。这表明,2003年至2009年,我国虚拟样机技术应用研究发展得比较快,并取得了大量的研究成果。但是,从2010年开始,论文数量较大幅度减少,特别是2012年,论文数量减少到152篇。产生这种现象的原因有可能是近三年对虚拟样机技术相关的应用研究力度减小,也有可能是相关研究论文的产出以及中国学术期刊库的收录有一定时滞性[4]。

2.2 虚拟样机技术应用研究涉及领域统计分析 笔者对研究主题涉及到我国航空航天、国防军工、汽车与发动机、工程机械、矿产机械、农业机械、机器人与机械手、教育等领域的论文数量进行统计,结果显示,我国虚拟样机技术应用研究涉及各个领域,部分论文同时涉及多个领域,论文涉及领域分布情况见图2。论文产出居前三位的领域是汽车、工程机械、机器人,这表明,随着汽车、工程机械、机器人领域近十年来的迅猛发展,虚拟样机技术应用研究在这些领域中也取得了不斐的成果。

2.3 虚拟样机技术应用研究机构统计分析 在2508篇论文中,没有署名作者单位的共有23篇。笔者将论文作者的工作单位分为本科院校、科研院所、企业和大专院校四类研究机构,统计结果见表2。发文数量最多的机构是本科院校,为2145篇,科研院所、企业和大专院校发文数量分别为419篇、368篇、117篇,其中科研院所、企业、大专院校与本科院校作者合著的论文数量分别为280篇、244篇、46篇,本科院校的发文数量远远高于其他机构。这充分显示,本科院校是虚拟样机技术应用研究的主要机构。

2.4 虚拟样机技术应用研究论文作者统计分析 根据论文第一作者发文数量的统计结果可知,无作者数据的论文10篇,大部分作者1至2篇,发文数量排列前10位的作者见表3,其中,七位是本科院校的教授或讲师,二位是博士研究生,只有一位是科研院所的高级工程师,由此可见,本科院校的教授和教师是虚拟样机技术应用研究的中坚力量。

3 结论与建议

从“中国学术期刊网络出版总库”检索及分析结果可以看出,2003~2012年10年期间,我国虚拟样机技术应用研究发展迅速,至2009年达到顶峰,近年又逐渐回落;应用研究涉及领域极为广泛,研究成果比较多的是汽车、工程机械、机器人领域;应用研究的主要机构是本科院校,应用研究的主要群体是本科院校的学者和教师。本文的检索分析结果不一定能够全面反映我国虚拟样机技术应用研究状况,但从一个侧面反映了我国虚拟样机技术的应用研究机构和群体比较单一。

虚拟样机技术问世之后,得到许多发达国家制造商的高度重视,立即将这一先进制造技术引入企业的产品开发中,取得了很好的经济效益。我国是一个制造大国,虚拟样机技术的应用研究,不应仅在本科院校,不应仅有本科院校的学者和教师,更应广泛推广到企业和科研院所,让广大企业和科研院所的技术人员参与研究和应用。

面对日益激烈的市场竞争,我国企业应积极主动充分利用虚拟样机技术,减小产品的技术风险,缩短产品的研发周期,降低产品研发的成本,提高产品的性能,从而增强企业的产品开发能力,提高我国企业在世界制造业中的地位和市场竞争力。此外,虚拟样机技术的研究专家也应加强向企业推广虚拟样机技术,推动这一先进制造技术在我国企业和科研院所的普及和应用。

参考文献:

[1]郭卫东.虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.

[2]熊光楞,李伯虎,柴旭东.虚拟样机技术[J].系统仿真学报,2001,(1):114-117.

第4篇

关键词:船舶;虚拟仿真技术;建造评估;应用

中图分类号:TP391.9 文献标识码:A 文章编号:1006-8937(2013)08-0084-02

1 船舶虚拟仿真技术研究及应用现状

在船舶工业里面对虚拟仿真技术加以应用,能使敏捷造船、并行工程以及数字化造船得以实现,同时它也是我国传统造船模式转向现代化的重要环节之一。对虚拟仿真技术加以运用,在建造船舶之前,工程师可在虚拟环境下对船舶的建造过程进行仿真,从而改进和评价船舶的工艺与设计,这样便于指导船厂进行现场生产作业。在船舶行业里运用虚拟仿真技术,能使生产效率得到提升,降低生产成本,使建筑周期缩短,从而为我国船舶行业的发展奠定良好的基础。

船舶的建造评估和设计可以使先前工艺或前期设计导致的工程修改得以消除,进而对船舶企业的成本、质量以及生产效率产生直接的影响。现如今,许多国家正在开展以虚拟仿真评估和数字化描述相结合的船舶虚拟制造、设计仿真技术的应用研究,并且在船舶建造中也应用了多种仿真评估软件,而且其研制水平和效率还在近年来得到了大幅提升,包括我国在内的许多国家都正在寻求提升研制质量、节省研制费用、缩短研制时间的新方式。

挪威UD公司作为船舶设计的佼佼者,现如今,他们在对新船型进行设计时,全都会对三维模型加以利用,然后在虚拟环境下综合评价钻井船的设备布局、布置、外观等,分析虚拟船舶水动力,对虚拟评估进行分段划分,并仿真船舶的作业过程。

自20世纪90年代一来,我国开始对各种先进的仿真技术加以研究,并开展大规模系统仿真。但将虚拟仿真技术应用在海洋和船舶领域的起步还比较晚,现如今,其工作最主要集中在初步实施和理论研究的应用阶段,此外,国内的船舶研究所也开发有虚拟仿真的软件系统和硬件平台。

2 将虚拟仿真技术应用在船舶的建造评估中

此项技术通过对虚拟实体模型加以利用,来实现评估船舶建造过程的目的,包含船舶生产工艺规划、操作顺序验证、生产系统创建。它能支持船舶生产管理、机器人仿真、人机功效分析、作业时间测定、工艺规划与验证等的内容。

2.1 在建造前期的论证评估中运用

船舶建造的内容之一便是根据企业生产力布局要求以及实际能力,对船舶企业的经济、技术和发展条件加以研究,对船舶企业的发展方向和规模进行预测和论证,将企业建设技术经济指标拟定出来。在建造船舶的前期对生产规划进行论证评估是一项综合性非常强的工作,这个过程需要对企业多方面信息进行分析。此项技术可用于对当前企业环境、生产规模以及结构分布进行虚拟,并由设计人员在虚拟中模拟各种设想,经由分析信息数据库对各种设想利弊进行分析,同时对其可行性加以论证,这就包括环境影响、船型选择、生态保护、现状分析等工作。此项技术为船舶的建造前期论证提供了论证方式和技术手段。

2.2 在建造方案的设计评估中运用

船舶建造方案通过设计人员将各种想法不断形象法和概念法,同时用相应生产手段加以表达出来,这个过程需要对前后进行参照,在设计方案时,要求方案的初步设计和深入设计必须具有交互性。对虚拟仿真技术所具备的交互性和真实性特征加以利用,可用于对三维空间进行虚拟,从而使设计人员可以对他们的设计思想进行更精确的表达。例如,由中国船舶工业集团研究所开发出来的虚拟仿真评估系统。通过对不同总组方案的比较,将船舶的建造设计思维在虚拟环境里展现出来,让设计人员可直观的对其进行评析,通过对方案生产环境、结构布局的协调性进行观测并比较,可对设计思维进行修改完善。对虚拟三维空间加以利用,进而为生产方案在场地位置设计、动态调整、生产布局选择、结构调整等方面提供依据,从而使后续生产过程可以更为合理。

2.3 在生产方案的比较中运用

此技术所创建的环境为三维虚拟环境,它可对构建环境进行全方位展示,并且通过虚拟现状,让建造方案可以更加真实。此技术可以让建造方案在表现上突破原有平面、静态的模式,让建造人员的思想可以更形象和直观的呈现在操作者面前,使规划方案与操作者之间能有更强的交互性,从而对多人员多层次协调参与船舶的建造有利。

可通过许多途径来实现方案设计需要达到的目标,而这当中必不可少的一环便是方案比较。虚拟仿真技术为方案比较提供了一个更为有效和方便的应用工具。在进行方案比较时,可在船舶建造的虚拟系统中对生产方案加以直接使用,让设计方案可以在虚拟三维空间里得到体现。对试用不同的方案,并考察其对生产环境所形成的影响,对各生产要素不同的设想进行评价比较,并进行不同方案的实时切换,然后在同一建造序列和生产项目中感受不同的生产效果,从而对设计合理性加以判断。与此同时,还可运用技术手段量化分析比较方案中的具体指标,从而使船舶生产方案能更加合理。例如,运用SPD-V3.2设计软件虚拟布置机舱管路的结构方案。在评估方案的基础上,对机舱管路设计合理性以及工艺合理性进行验证,进而将设计中存在的缺陷找出,从而使生产现场返工率得以降低。

2.4 在建造过程中运用

在建造船舶时,对虚拟仿真评估技术加以利用,可以实现对船舶建造方案实施效果进行先期检验,也就是看其能否达到环境、生产的最佳综合效益,并在实施中不断选择和修改,最终帮助决策者来决定后续的生产方案。比如,可通过虚拟仿真技术将某虚拟方案和船舶生产实际相结合,进而将建造方案实施状况予以真实展现,从而使由于方案欠缺而造成的效益损失状况得以减少。此外,此技术还能对温度、噪音等不可见现象进行模拟,从而达到检测影响船舶生产各因素的目的。

3 船舶虚拟仿真的评估应用实现现存问题

①虚拟仿真技术标准化应用。作为船舶建造领域极为重要的技术,虚拟仿真技术一定要与建造技术规范、规定等相符。但由当前情况可知,因为船舶建造标准化问题尚未解决,为保障虚拟软件商的软件独立性,使得软件系统之间存在较差的兼容性,要想使仿真成果的协调和共享得以实现,就必须对仿真技术应用标准化问题加以研究。通过对同一设计平台的开发,使协同平台集成效率得到提升,从而在更大范围上实现信息的共享和设计的协同。

②改进建造设计技术。在传统船舶的设计中绝大部分平面结构图的表达方式为二维表达,最近几年开始引进三维技术,从而形成了三维与二维相结合的建造技术模式。但在我国,由于虚拟仿真技术欠缺完善化和标准化的仿真软件作为载体,假如能将生产技术改为规范化的三维表达和设计模式,将会对此技术在生产设计中的进一步应用有利。

③生产设计习惯与传统观念问题。因为此项技术尚且处在推广使用期,现如今设计人员对此技术的认识尚且不足,并且传统观念并未随着技术进步而有所改进。绝大部分船舶企业在此项技术上尚且停留在演示层次,并未认识到此项技术的深层效用。此外,由于传统设计习惯对新方法的使用形成了一定制约作用,要想在短时间内改变此种设计习惯还有一定难度。对此技术进行及时的开发利用,对此技术的三维平台设计平台加以搭建,将对培养设计人员普及性有利。

④虚拟仿真技术有待完善。因为此项技术自身存在一定局限性,使得此技术在船舶设计某些场合中的应用尚且存在一定难度。比如,对建造方案在构思期的表达模糊性问题以及修改实时性问题,建立标准化的指标评价体系统、建立预测分析模型等问题上依旧存在一定的技术障碍。

⑤船舶行业中虚拟仿真技术应用效果不显著。此项技术的开发需要投入大量资金和尖端设备。尽管此项技术在研究船舶生产作业形式和建造方案上属于高科技手段,但由于开发此项软件产品的价格确实相当昂贵,并且其系统兼容性也比较差,现如今,国内对此系统的应用还多半依赖于进口提供,因为目前我国的科研院无法对相关设备进行全面配置,在各高校也无法运用多系统来实现学员的全面培训,导致此项技术在船舶行业中并不能取得很好的应用效果,这也是实现此项技术在船舶设计中应用的一个难点。

要想使上述问题得到解决,极为重要的一点便是全面应用此项技术,在软件开发公司的作用下,开发具有普及型的仿真技术软件是非常必要的,同时需要科研院和相关院校合作,对此项技术进行大规模的培训。

4 结 语

因为在国内的船舶生产评估过程中应用虚拟仿真评估技术尚属起步阶段,并且在国外也并无标准应用模式可供借鉴,再加上国内造船现状有别于国外,此外,由于船舶虚拟仿真的评估技术是伴随船舶制造工艺以及技术的发展而发展起来的,所以,它的研究工作、虚拟维修、新工艺等许多方面还有待完善和改进。现如今,集成化仿真已经成为船舶制造的发展方向,此项技术的应用也已经成为船舶制造模式最为关键性的技术,并且已经变成船舶制造能力得到提升的手段之一,此外,在船舶企业中应用此项技术,将会为企业进一步的发展提供技术支撑。

参考文献:

[1] 谢荣.船舶虚拟仿真技术在船舶建造评估中的应用研究[J].船舶工程,2011,(5).

[2] 蒋艳会,甄希金,韦乃琨,等.船舶虚拟装配系统研究及应用[A].第十二届全国内河船舶与航运学术会议论文集[C].北京:《中国学术期刊(光盘版)》电子杂志社,2012.

[3] 谢子明,徐东,朱苏.虚拟造船技术应用探讨[A].2011年中国造船工程学会优秀论文集[C].北京:《中国学术期刊(光盘版)》电子杂志社,2011.

[4] 杨润党,范秀敏,王文荣.虚拟仿真技术在船舶建造过程中的研究与应用[J].舰船科学技术,2008,(1).

第5篇

[关键词] 敏捷虚拟企业 支撑理论 关键技术

随着敏捷制造、网络化制造以及扩散制造等先进生产模式研究和应用的深入,面对复杂多变的市场需求,企业迫切需要通过综合运用近年来在计算机技术基础上迅猛发展的产品制造、信息集成和通讯技术来构造一个全新的竞争系统。在这个系统中,最基本的目标就是把产品生产所需的所有资源――人,资金和设备通过计算机和通讯技术联系在一起进行集中管理,实现它们的优化利用。由此提出了一个崭新的工业生产模式――以动态联盟为基础的敏捷竞争模式,敏捷虚拟企业正是基于这个背景逐步产生及发展壮大起来的。

一、敏捷虚拟企业的特征

敏捷虚拟企业是敏捷制造中最核心的概念,被誉为21世纪最有竞争力的企业组织模式,通过对国内外学者、专家对敏捷虚拟企业的研究成果发现,虽然敏捷虚拟企业的界定不是十分的清晰,但是总的来说敏捷虚拟企业应具有如下的特征:

1.时效性,具有抓住瞬息变幻的机遇,快速开发高性能、高可靠性及顾客可接受价格的新产品的能力。

2.集成性,不同企业或企业内部不同部门将制造资源在不同层面上进行有效的优势集成,具有发展通过编程可重组、模块化的加工单元的能力。

3.互补性,参与企业通过动态联盟的制造资源共享,加强整体的竞争优势,更好的满足顾客定制或个性化需求。

4.创新性,各虚拟企业为适应变化万千的市场机遇必须具有的持续创新的能力。

5.和约性,敏捷虚拟企业各成员企业具有平等的伙伴关系,根据市场机遇和自己的优势特长而加入敏捷虚拟企业之中,并根据合作协议实现利益共享。

二、敏捷虚拟企业支撑理论

敏捷虚拟企业过程复杂、涉及因素过多,是一个庞大的系统工程,所以有必要运用先进制造技术、信息技术、现代管理理念等方法对其加以剖析和解决。下图描述了敏捷虚拟企业的理论基础体系,其中先进制造技术是敏捷虚拟企业得以顺利实施的先决条件。现代管理理念为敏捷虚拟企业过程管理和控制提供了有效的技术手段。信息技术是敏捷虚拟企业的关键技术,通过与先进制造技术和现代管理理念相互融合,为敏捷虚拟企业的实现提供了理论技术基础。另外,经济学理论、外包理论以及企业建模方法和自动控制技术在敏捷虚拟企业的实施中发挥了各自应有的作用。

三、敏捷虚拟企业的关键技术

对于目前的虚拟企业来说,需要哪些关键技术的支持,才能使得虚拟企业在我国生根发芽呢?归纳起来讲可以从一下几个方面加以考虑:

1.并行工程技术。并行工程(CE)是一种能缩短产品开发周期,从而加速市场响应的方法。CE的战略目标是实现CAD/CAM/CIM与制造的结合,在产品设计时就考虑制造问题,从而删除设计和制造环节许多不增值的活动,使系统能快速响应市场需求的变化。

2.虚拟制造技术。虚拟制造技术是利用仿真与虚拟现实技术,在高性能计算机及高速网络的支持下,采用群组协同工作,通过模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题,实现产品制造的本质过程。

3.电子商务。由于用户和供应链之间密切的相互作用是AVE的基础,因此AVE不可避免地要采用电子商务来联系地理上分散的用户并处理他们的要求。许多公司已把全球网络和其它创新作为竞争的有力武器,其应用范围不仅从在Usenet和WWW上收集材料进行教育和培训以及在Internet上建立用于用户服务的业务,而且也渗透到组织内部用以进行信息的有效收集、分发和处理。

4.快速原型。虚拟原型(VP)是在基于计算机环境下设计构造的产品最初型式,是产品的一种基于计算机的描述而不是物理上的真实形式,目的是便于用户对产品进行观察、分析和处理。用VP代替物理模型可以大大减少原型成本以及从设计、制造到测试的周期时间,同时也确保了设计人员能够迅速地知道设计相关的信息。

四、结束语

敏捷虚拟企业是企业理论的前沿课题,更是商场现代化的一种表现形式。变幻莫测的市场经济要求企业具有产品种类和数量的柔性,故以企业资源快速组合和优化为手段,以快速响应市场需求为目标的敏捷虚拟企业越来越被国内外的专家学者所关注和研究,并且有了初步的工程应用。随着市场经济的发展与信息技术的进步,敏捷虚拟企业的理论与应用定会得到进一步完善和应用。

参考文献:

[1]蒋新松张申生:敏捷竞争的挑战和思考[J].计算机集成制造系统,Vol.2,No.1,1996,3:1~4

[2]徐晓飞:未来企业的组织形态――动态联盟[J].中国机械工程,1996, Vol.7, No.4

[3]陈禹六:先进制造业运行模式[M].北京:清华大学出版社,1998.2

第6篇

    本论文研究基于VRML交互式虚拟产品设计坊的设计和实现。阐述了虚拟现实、虚拟现实技术以及基于VRML的虚拟现实技术的概况,探讨了在第二代Web上的VRML虚拟境界的生成技术,提出了在虚拟产品设计中用Java Applet借助VRML的外部程序接口EAI访问VRML虚拟境界及人-机交互地生成VRML虚拟空间的方法。根据目前国内外虚拟现实的研究现状,利用VRML提供强大的Java脚本语言能力和Java内建的Internet网络支持,探讨在Internet上使用VRML进行构造交互式虚拟现实环境的研究和应用。 本论文重点研究了交互式虚拟产品设计坊空间生成技术及其设计和实现。利用3D Studio MAX R4强大的三维建模和输出功能,将三维场景转化为VRML2.0文件格式输出,从而为建造虚拟现实世界提供了极大的方便。通过VRML的Script节点和浏览器外部编程接口EAI两种机制来扩展VRML场景。利用Java语言来创建程序脚本,从而控制和改变VRML虚拟空间。讨论了VRML技术与其他数据访问技术相结合,实现对数据库实时交互的技术实现方法,并简要阐述了相关技术规范的语法结构和技术要求。 论述了通过利用TCP/IP协议下的Java Socket网络通讯机制以及构造相应的网络通信数据包等方法,实现虚拟产品空间的生成。论文通过建立虚拟产品设计坊来探讨交互式虚拟现实技术在Internet中的实际应用。 论文最后展望了VRML今后的发展及实际应用的扩展。

第7篇

【关键词】分布式虚拟现实;虚拟展览馆;人文教育

【中图分类号】G40-057 【文献标识码】B 【论文编号】1009―8097(2009)05―0073―03

一 问题的提出

当前,人文教学的“工具性教育”弊端呈现突出。“工具性教育”是指把人培养成工具,把教育当作工具来使用的一种观念形态的教育思想。[1]学生对“工具性教育”往往采取消极与反抗的情绪,不利于学生的成长;教学中的“人文教育”的严重缺失,开始从潜在危机走向具体的社会精神缺陷。[2] [3]由于人文精神的匮乏,民族的文化认同和归属感逐渐消失,不利于民族的发展。针对人文教育中存在的问题,我们应当探讨如何利用成熟的条件和资源加以改进。学校教育中的人文教育资源特别是诗歌、历史文化资源容易用虚拟现实技术模拟,有助于激发学生学习动机,促进学生发展,因而提出利用虚拟展览馆开展诗歌人文教育。本文在分析基于ABnet的分布式虚拟现实的基础上,依托建构主义学习理论,构建分布式中国古代诗歌文化虚拟展览馆系统,并与多种现代教育技术媒体结合,结合传统的现实展览馆和多媒体放映馆的特点,通过网络呈现在学生面前,使学生身临其境,以逼真的视、听、触觉为一体的虚拟学习环境和学生的主动性学习机制有效结合,提高学生的人文素养。

二 虚拟展览馆系统设计的理论分析

1 分布式虚拟现实概述

虚拟现实(virtual reality)是指利用计算机生成一种模拟环境,通过多种传感设备使用户投入到该环境中,实现用户与该环境直接进行自然交互技术。[4]虚拟现实分为桌面虚拟现实(desktop virtual reality)、沉浸式虚拟现实(immersive)、增强现实(augmented reality)型虚拟现实、分布式虚拟现实(distributed)等类型。分布式虚拟现实是指在多个地理上相互独立的用户,实时的通过计算机网络连接在一起,共同分享一个虚拟空间,一起体验虚拟经历,使虚拟用户达到一个更高的境界。桌面型的的分布式虚拟现实的实现方法很多,如:借助于Java进行实时通讯的Vrml语言设计的分布式虚拟现实、利用VirTools Dev和Multi-user Sevre快速高效制作的多人连线应用程序、利用Atomsphere服务器建立的分布式虚拟现实等,它们在性能上各有其优缺点。本文采用ABnet与Vrml语言构建分布式虚拟现实,其中,ABnet[5]是由美国人Rick基于java开发三维多人在线聊天服务器。

2 虚拟展览馆系统设计的理论基础

虚拟展览馆系统的设计以建构主义学习理论为基础。建构主义学习理论认为,学习之所以产生,是由于一个主动的、自我调整的学习者在解决问题的过程中,从经验和获取经验的环境中获得意义,从而建构个人意识。每个学习者都是在自己已有经验的基础上,以其特殊的方式在特定的环境下建构的。学习者获取知识的多少取决于自身经验建构有关知识的能力,而不是取决于学习者记忆和背诵教师讲授内容的能力。[6]建构主义学习理论的四大要素为:情境、协作、会话和意义建构。虚拟现实技术在虚拟展览馆、虚拟博物馆、网络游戏等领域的应用,体现了建构主义的意义和思想。虚拟现实技术是指通过特殊的输入设备和一些能实现三维图形和三维音效的特殊输出设备来模拟人和环境间的交互技术。虚拟现实技术应用图形、声音和图像再造逼真的情境,使学习者身临其境。在现代教育技术环境中,虚拟现实技术能构造出最佳的课堂教学环境,将学生置身于其中,以求获得最佳的教学效果。它能创造和展示各种趋于现实的学习情境,把抽象的学习与现实生活融合起来,激发学生的思维。它可以克服传统班级授课制限制学生主动性和独立性的缺点。用虚拟现实技术“构筑”的课堂,学习者可以是一个或多个,教学模式可以多样化,教学方法可以任意选择,教学进度可以多方控制。在教学过程中,学生可以同教师一起成为教学的设计者和控制者,使师生的主体性都得以发挥。

三 虚拟展览馆系统的运行环境及其实现

1 虚拟展览馆系统的运行环境

以Web为运行平台,采用浏览器/服务器(B/S)结构在Web上进行分布式展示和交互,系统接受来自客户端可视化输入和交互操作,并根据客户端的不同请求以逼真视觉、震撼的立体声、交互触觉向浏览者展示不同的虚拟效果。在服务器端配置IIS服务(支持论坛和个人空间)和AbnetServer服务(支持分布式虚拟展览馆)。在客户端安装相应的三维浏览插件,如:BS Contact VRML-X3D、Complayer、Cortona。客户端服务软件,如AbnetClient.exe。浏览者利用Web通过相关的插件对虚拟展览馆进行浏览和多人连线交互。

整个虚拟展览馆系统由三维展览厅、二维论坛以及个人空间组成。展览厅在3DMax建模的基础上利用虚拟现实语言Vrml对各种模型进行整合来实现,与以往Flash实现的二维虚拟现实环境相比,具有更强大的沉浸性和音效性,给浏览者提供了一个更加接近现实的逼真环境。论坛和个人空间通过ASP、PHP等技术来实现,这方面的技术在国内相当成熟,与三维空间相结合从而使系统更加的完善,功能更强大。

2 虚拟展览馆系统的实现

(1)展览厅的设计

以时间为分割线把展览厅分为东周春秋展览馆、汉朝展览馆、唐朝展览馆和宋朝展览馆四个部分。

按照朝代顺序把中国历史上众多优秀的诗歌文化都清晰的展现出来,符合人们的逻辑思维,更容易被学习者记忆和接受。展览厅在三维虚拟空间里,通过相关的诗词、雕塑、图片、声音、视频以及相应的发言平台向学生展示中国古代诗歌文化所蕴含的中华民族的优良传统和民族精神,从而使其在现代社会得到传承和发展。在展览厅里,学生可以自由的漫游,还可以看到其他同学,赋予展览厅情感色彩,如同在真实的展览厅里,逼真的虚拟场景充分体现了建构主义理论强调的“情境”构建。学生点击相关的图片、雕塑和诗歌,打开其详细的网页介绍,使知识的呈现更加的详实。点击图片、雕塑和诗歌附近的按钮,可以打开相应的声音介绍和视频介绍,使知识更直观化、形象化,容易为学生所获取。在展览厅下方设有“学生即时发言”板块,学生在展览厅里可以通过这个“即时发言”板块进行相互交流。

(2)论坛的设计

论坛主要用于学生之间的协作交流。学生可以在论坛里对不同的诗歌文化内容板块发表自己的观点,利用论坛的文字、语音视频和其他同学进行交流,教师通过论坛组织学生进行分组交流讨论。论坛具有记录功能,记录学生在展览厅点击内容的次数,根据次数在论坛的热点知识库中对内容进行排名,教师按照热点知识的排名组织学生进行学习。论坛提供了相关的学习资源,如电子书籍、教学课件等。论坛根据每个学生发表观点或评论的次数给每个学生积分,学生凭积分可兑换自己需要的学习资源。此外,论坛系统具有一定的过滤功能,对学生的发言进行检索,防止不文明语言的出现。论坛形成了一套良好的评价反馈机制,充分体现行为主义的“刺激―反应―强化”的联结,学生在不断的“刺激―反应―强化”的过程中提高自己对诗歌文化学习。

(3)个人空间的设计

学生注册后,系统会自动分配个人学习空间,为学生提供一个学习交流平台,有利于学生展示自我,发表学习心得体会。空间会跟踪记录进入个人空间的访客,有利于回访,由一个点向四面八方延伸,最大程度促进资源共享。学生可以修改个人空间,如空间布局、背景图案、空间形象、空间动画重新装饰、设计。空间系统提供相应的优秀学习资源供学生使用,但学生必须通过论坛积分才能获得,这势必会激发学生学习的动机。此外,系统根据学生的论坛积分给学生一定的权限,部分或全部获得优秀资源,但是有一定的使用时间限制,如同玩家在网络游戏获得游戏装备,形成一个良好的学习环境,促使学生积极主动去学习。

四 虚拟展览馆在人文教育中的应用

首先,教师向学生介绍虚拟展览馆系统的结构、功能及其使用方法,然后组织学生由登录用户界面进入虚拟展览馆。(如图2所示)

教师在展览馆作为组织者、辅导者,扮演虚拟角色组织学生学习。学生进入展览馆后,扮演虚拟角色进行自主学习。教师通过发言系统及时回答学生提出的问题。学生在展览厅里通过文字、图片、语音、视频来获得知识,学生之间通过发言系统、论坛进行交流。在虚拟展览厅的自主学习结束后,教师组织学生进行讨论。系统论坛自动记录学生点击内容的次数并将内容按点击数由高到低自动排序。教师依据论坛信息对学生进行分组,组织学生通过文字、图片、语音、视频等进行交流讨论。教师根据发帖的数量和质量给学生加分,同时系统也会根据关键词和发帖的数量自动给学生加分,最后由教师来对各小组作出点评,学生通过积分兑换精美的课件和各种优秀的电子书籍。教师可以围绕一个关于中国古代诗歌文化的主题给学生安排相关的学习任务,学生在个人空间学习任务和个人的观点,鼓励学生通过学习获得积分来设计自己的空间。教师定期对学生的空间从个性化风格设计到内容质量进行评比和检查,对优秀学生给与积分奖励。从而使学生积极主动学习,有利于学生主动性和创造性的发挥,形成了一个不断循环的良好学习环境。

五 结束语

分布式虚拟现实技术的优势曾经在网络游戏中发挥的淋漓尽致,逼真地三维虚拟环境,震撼的立体声音、强大的交互功能使玩家如痴如醉。随着信息技术的不断发展和教育需求的不断提高,学习环境的构建显得越来越重要。分布式虚拟现实技术在环境构建上的独特优势及强大虚拟交互功能、跨越时空的特性越来越受到教育界的关注。本文从视觉、听觉和触觉三个方面研究了基于ABnet的分布式虚拟展览馆在中国古代诗歌文化展览中的多人在线技术、交互技术以及声音和视频的展示技术,与以往的基于HTML标记语言构建的网上展览馆相比,更加显示出它的沉浸性和环境的逼真性,其三维立体音响功效也是二维展览馆所无法比拟的,甚至可以与现实展览馆相媲美。这将对传统教育环境造成一定的冲击,也为教育教学提供了新思路,分布式虚拟现实技术与教育的结合必将对远程教育产生深远的影响。

参考文献

[1]冯建军.工具性教育及其反思[J].江苏高教,1999,(2):67.

[2]王晓燕.论初中文言文教学中的传统人文精神教育[D].内蒙古:内蒙古师范大学,2007.

[3]戚永祥.人文教育例谈[J].语文教学与研究,2005,(14):111.

[4]汤跃明.虚拟现实技术在教育中的应用[M].北京:科学出版社,2007:25-26.

第8篇

论文摘要:论述了基于虚拟产品设计模式和虚拟环境的产品创新设计、人机工程分析、形态组构、设计管理等产品造型设计方法的应用,认为在 现代 工业设计中运用虚拟现实技术,将极大地加快产品设计周期,降低产品开发的成本,对工业设计方法的创新有着巨大影响。

0 引言

虚拟现实 vr (virtual reality)是一种高度逼真的模拟人在 自然 环境 中的视 、听、动等行为 的人机界面。 简单地说,是一种可 以创建和体验虚拟世界的 计算 机系统。虚拟现实技术是 20世纪末兴起的一 门新的综合性信息技术 ,它融合了计算机图形学、多媒体技术 、人工智能、人机接口技术 、数字图像处理 、 网络 技术 、传感器技术及高度并行的实时计算等技术,它不仅指那些戴着头盔和手套的技术,而且还包括一切与之有关的具有 自然模拟、逼真体验的技术和方法 ,它的根本目标就是达到真实体验和基于 自然技能的人机交互。

工业设计是建立在 科学 技术基础之上 ,以赋予工业产品 艺术 性为目的的一项感性思维和理性思维相互融合的工作。工业设计的程序有具体的方法和整体的战略进行指导和支持,不同国家、不同时期面对不同的设计对象时,工业设计的程序与方法也是各不相同,大体上有以下几种:创新设计法 、人机工程学法 、形态组构法 、系统设计方法 、caid方法 、价值工程与价值创新法、设计管理法等 。wwW.133229.Com将虚拟现实技术引入工业设计中,在设计的各个阶段利用虚拟数字模型方便快速地进行各种调查和试验,可以取得适用面更广、更接近真实状态的试验数据。同时,建立在实验基础上的产品设计工作将更具科学性和客观性,给工业设计的方法论 以新的理念。

1 虚拟现实技术在国内外研究的现状

1.1 国外的研究情况

随着虚拟技术的不断成熟与 发展 ,一些发达国家已经在很多领域 中应用了虚拟设计 ,也成立了许多与虚拟技术相关的实验室、课题组,其中著名的有美 国贝卡罗来那大学(unc)的计算机系 ,其主要的研究课题是物理建模与仿真项目和建筑漫游项 目,此外还有美 国的密歇根大学虚拟现实实验室,主要研究 vr在轿车车身设计中的应用以及虚拟现实技术在产品开发中的应用。瑞士苏黎士理工大学计算机图形实验室主要的研究课题包括动画与虚拟平台、协同虚拟环境 (collaborative virturalenvironment)等。美国宇航局(nasa)的ames研究中心利用流行的液晶现实技术和其它零部件研制出了虚拟飞行器,弥补了飞行模拟器成本过高的不足。美国麦道飞机公司采用沉浸式的虚拟现实系统进行新型号发动机的辅助设计。

1.2 国内的研究现状

相对于国外虚拟设计的发展。国内虚拟技术的研究和应用还比较落后。自20世纪 80年代 vr技术开始起步以来,至今我国在 vr的基础图形技术领域 已经具备了坚实的基础。据不完全统计,目前全国已有 34家科研机构、高等院校和 企业 正在开展虚拟制造技术的研究、开发及初步的示范应用工作 ,有 4家企业参与了这种新的探索,其主要的研究内容包括:① 产品的虚拟设计;② 热加工工艺模拟;③加工过程、装配过程的仿真;④ 虚拟轴机床和虚拟量仪的研制和开发;⑤虚拟企业。总体来看,我国虚拟制造技术的研究多数 是在原先的cad/cam 及仿真技术的基础上进行,而系统 、全面的虚拟制造技术的研究尚未开展,还很少能将成熟的虚拟技术应用到实际开发中,尤其在产品的创新设计中,虚拟技术还未发挥出它应有的作用,应用水平远落后于发达国家。由此来看,我国重视产品设计水平的提升,将虚拟技术应用到设计领域已成为当前国内产品开发的重要环节。

2 基于虚拟现实技术的工业设计方法

2.1 创新设计法

创新是工业设计 的灵魂所在。当代社会 经济 条件下 ,市场产品没有创新就犹如失去了灵魂,很难在竞争对手如林的市场上取得优胜。在当今全新 的经济背景下,设计创新将引导消费、把握机遇,成为决定产品生命力的重要条件之一,以思维创新、行为创新、方式创新为核心的工业设计将在企业产品开发过程中扮演着举足轻重的角色。如图 1、2所示 ,在传统 的工业设计中,人们一直沿用着平面 图来表达设计思想。即使应用计算 机三维 软件,最终也只能得到某个视角的立体效果图,难以真实完整地表达 出设计者的意图。而基于虚拟现实技术的工业设计方法将 以数字化的三维模型作为设计思想的载体,全面表达设计者的意图。人们可以根据自己的需要任意放大、旋转模型 ,主动索取信息,从而实现工业设 计由 面表达 向体表达 的突破 ,使设计师有更充裕 的时间来考虑设计的细节 问题这无疑对工业设计的方法创新带来了革命性的冲击如图 3所示。

此外 ,虚拟现实技术与网络技术的结合,将可以构建一个全新的开放式设计平台,以三维数字化模型作为设计思想的载体 ,全面表达设计者的意图。打破地域限制,实现用户与设计 、开发人员的良好沟通和互动。

2.2 基于虚拟现实技术的产品人机工程分析

(1)人机工程学参数的采集与分析。传统的人机工程学在参数的采集和分析中存在诸多问题:①采样数量 、测量和数据分析的工作量均很大,且成本高 、周期长;②无法进行动态修订;③缺乏对于企业具体产品的针对性;④参数多为二维模型。若在具体的采集和分析中使用三维扫描技术 (获取静态三维数据 )、 动作捕捉技术 (获取动作特征数据),即可生成虚拟被试三维动态数字模型 。这些数字模型在被更新前一直可以 “活在”虚拟现实技术平台上,通过对虚拟被试三维动态数字模型的关键点控制 ,实现实时数据的不断更新。 (2)虚拟人机工程设计与评价 。虚拟人机工程设计借助于虚拟样机 (virtual prototype)系统进行设计 ,故也称其为虚拟人机工程学环境。设计人员和不同技术背景的人可以直观地观察到各种虚拟人体三维数字模型的实时情况,精确研究产品的人机工程学参数 ,直接与设计的产品进行交互,并评价产品的性能。

在传统产品设计的人机系统中,人是操作者 ,机器只是被动的反应 ,而在虚拟产 品设计的人机系统中,人成为主动参与者 ,复杂系统中可能有许多参与者共同在以计算机网络系统为基础的虚拟环境中协同工作。在基于人机工程的传统产品设计中,人机分析和评价必须是在产品设计完成后的样机模型中或者在试制的产品中进行.而在基于人机工程的虚拟产品设计中,人机设计分析评价又是在产品设计的过程中可以同时进行,也可与产品使用者进行各种实时的交互。

如图 4所示.基于人机工程的传统产品设计的人机评价是在样品试制后才进行,若人机评价结果达不到要求 ,就需要进行重新设计 和样 品试 制 ,再进行人机评价,这样反复循环指导方能达到要求,这种评价方式既浪费时间又耗费资源。而图 5基于人机工程的虚拟产品设计全过程采用协 同并行式,人机设计 、人机仿真和人机评价实现交互式。不需要样品试制的过程 ,而且和虚拟加工 、虚拟制造形成并行 ,大大 的节省 了时 间和资原,也加快 企业 新产品的开发进程。

2.3形态组构法

有研究表明,“看”是人类五种感觉中最为重要的感觉,因此,形态与色彩在设计中占据着尤为关键的地位。崭新符号的合理创造,依赖于深入观察理解生活与 自然 形态,及随后进行的创造性抽象思维活动。这里需要强调的是,通过对自然的学习、研究、分析,进一步升华创造出富有生命力的形态这一过程,必须遵循 科学 的研究方法与程序[5]。图2所示的电锤,其头部造型形成了电锤强劲的冲击力,而整体的外形设计不仅有传统电锤的风格,更有本款造型个性设计的明显特征;锤前端典型的电锤圆鼓造型构成了锤的共有特征,但也被赋予了更明确的时尚个性,线条形式随锤体轻微向外弯曲,以至前端产生运动感,海鱼般的外形与原有造型相比更是有着大胆的突破,但那正体现了电锤灵活的运动特征。在采用虚拟现实技术进行本产品的造型设计时,设计师借助于freeform系统,依照科学的方法从虚拟立体的观察和人机交互中不断进行深入分析研究,见图6,找出形态变化的一般 规律 ,使其在固有的限定条件下自如地进行联想、抽象与创造,把思维与创造力带入一个“美的自由王国”。

2.4设计管理法

设计管理常以并行工程为模式[7],设计过程引入虚拟现实,将使参与产品开发的所有专业人员可采用并行工作模式系统地将市场需求、工艺制造水平、装配、维修、产品推广等来实现协同工作。图6所示的freeform建模系统即可以在设计过程中满足直观交流这一要求,设计师利用力反馈输入设备进行模型的塑造,也可在原来产品的基础上进行不断地修改,并在短时间内完成新的概念模型。为了让更多的专业人员参与到设计中,还可利用增强式虚拟现实系统,在真实的环境中增加虚拟物体、装饰、结构部件,改变样式,将信息与生产准备阶段的反馈信息相结合,选出最后方案。基于虚拟现实技术的设计管理能很好地遵循“赋予工作的喜悦”的理念,设计中注重理性因素的表达,使设计更加大胆地运用前卫个性的动物外观形态的处理手法,将产品的目标市场牢牢抓住,本文电锤产品便是作者为无锡锐克电动工具有限公司进行设计的典型范例。目前电锤产品包括八个系列,在虚拟设计中能感悟到该品牌的每一款产品,设计集个性、高性能、完美美学和实用乐趣于一身,在虚拟使用电锤中感悟到高科技,感悟到电锤凸形腰线的形态美,及至高境界的精神美。

第9篇

关键词:虚拟制造 先进制造模式 数字化模型

为了提高竞争能力,企业应当能够对市场需求的变化做出快速敏捷的反应,并及时地对自身的生产做出合理的调整与重新规划。计算机软硬件技术及网络技术的迅速发展为实现这一目标提供了强有力的支持。基于这些因素,90年代中有许多新概念、新观点应运而生,虚拟制造(Virtual Manufacture)就是其中之一,它代表了一种全新的制造体系和模式。

一、虚拟制造的定义及特点

虚拟制造(Virtual Manufacturing)是近几年由美国首先提出的一种全新概念。什么是虚拟制造?它包括哪些内容?这些至今仍然是人们讨论的问题。很多人曾为虚拟制造进行定义,比较有代表性有:

佛罗里达大学Gloria J.Wiens的定义是:虚拟制造是这样一个概念,即与实际一样在计算机上执行制造过程。其中虚拟模型是在实际制造之前用于对产品的功能及可制造性的潜在问题进行预测。该定义强调VM“与实际一样”“虚拟模型”和“预测”,即着眼于结果。

美国空军Wright实验室的定义是:虚拟制造是仿真、建模和分析技术及工具的综合应用,以增强各层制造设计和生产决策与控制。该定义着眼于手段。

马里兰大学Edward Lin&etc定义是:虚拟制造是一个用于增强各级决策与控制的一体化的、综合性的制造环境。该定义则着眼于环境。

从这些定义可以看出,虚拟制造涉及到多个学科领域,是对这些领域知识的综合集成与应用,计算机仿真、建模和优化技术是虚拟制造的核心与关键技术。可以认为,虚拟制造是对制造过程中的各个环节,包括产品的设计、加工、装配,乃至企业的生产组管理与调度进行统一建模,形成一个可运行的虚拟制造环境,以计算机软件技术为支撑,借助于高性能的硬件,在计算机网络上,生成数字化产品,实现产品设计、性能分析、工艺决策、制造装配和质量检验。它是数字化形式的广义制造系统,是对实际制造过程的动态模拟。所谓“虚拟”,是相对于实物产品的实际制造系统而言的,强调的是制造系统运行过程的计算机虚拟化。

由于计算机软硬件技术和网络技术的广泛应用,虚拟制造具有以下几个特点:

(1)产品与制造环境是虚拟模型,在计算机上对虚拟模型进行产品设计、制造、测试,甚至设计人员或用户可“进入”虚拟的制造环境检验其设计、加工、装配和操作,而不依赖于传统的原型样机的反复修改;还可将已开发的产品(部件)存放在计算机里,不但大大节省仓储费用,更能根据用户需求或市场变化快速改变设计,快速投入批量生产,从而能大幅度压缩新产品的开发时间,提高质量、降低成本;

(2)可使分布在不同地点、不同部门的不同专业人员在同一个产品模型上同时工作,相互交流,信息共享,减少大量的文档生成及其传递的时间和误差,从而使产品开发以快捷、优质、低耗响应市场变化。

二、虚拟制造的种类

广义的制造过程不仅包括了产品的设计加工、装配,还包含了对企业生产活动的组织与控制。从这个观点出发,可以把虚拟制造划分为三类:以设计为中心的虚拟制造、以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造。

1.以设计为中心的虚拟制造

以设计为中心的虚拟制造强调以统一制造信息模型为基础,对数字化产品模型进行仿真与分析、优化,进行产品的结构性能、运动学、动力学、热力学方面的分析和可装配性分析,以获得对产品的设计评估与性能预测结果.

2.以生产为中心的虚拟制造

以生产为中心的虚拟制造是在企业资源的约束条件下,对企业的生产过程进行仿真,对不同的加工过程及其组合进行优化。它对产品的“可生产性”进行分析与评价,对制造资源和环境进行优化组合,通过提供精确的生产成本信息对生产计划与调度进行合理化决策。

3.以控制为中心的虚拟制造

以控制为中心的虚拟制造是将仿真技术引入控制模型,提供模拟实际生产过程的虚拟环境,使企业在考虑车间控制行为的基础上对制造过程进行优化控制。

以上三种虚拟制造分别侧重于制造过程的不同方面。但它们都以计算机建模、仿真技术为一个重要的实现手段,通过对制造过程进行统一建模,用仿真支持设计过程、模拟制造过程,进行成本估算和生产调度。

三、虚拟制造的应用

虚拟制造在工业发达国家,已得到了不同程度的研究和应用,目前美国处于研究的前沿。福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司在新型汽车的开发中已经应用了虚拟制造技术,可大大缩短产品的时间。波音公司设计的777型大型客机是世界上首架无图纸、无模型、用电子计算机设计的新型双发动机客机。它的设计成功已经成为虚拟制造从理论研究转向实用化的一个里程碑。

在我国,清华大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等科研教学单位也已经开展了一系列的研究工作。当前我国虚拟制造应用的重点研究方向是基于我国国情,进行产品的三维虚拟设计、加工过程仿真和产品装配仿真,主要是研究如何生成可信度高的虚拟样机,在产品设计阶段能够以较高的置信度预测所设计产品的最终性能和可制造性。

四、结论

虚拟制造以产品的数字化模型取代了实物样机,通过对数字化模型的模拟测试进行评估,能够以较低的生产成本获得较高的设计质量,缩短产品的周期,提高企业生产效率。企业的生产因为虚拟制造技术的应用而具有高度的柔性化和快速的市场反应能力,市场竞争力大大增强。在高科技含量的行业中,如航空航天、军事、精密机床、微电子等领域,虚拟制造必将得到日益广泛的应用。

参考文献

第10篇

关键词:虚拟现实;教学实践;三个基本;点面结合

中图分类号:G642 文献标识码:B

1引言

虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)主要采用以计算机技术为核心的现代高技术生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境(Virtual Environment,简称VE),用户借助必要的设备(如特制的服装、头盔、手套和鞋),以自然的方式与虚拟环境中的实体对象进行交互作用、相互影响,从而产生身临其境的感受和体验。虚拟现实具有3I特性,即交互(Interaction)特性、沉浸(Immersion)特性和构想(Imagination)特性。交互特性强调参与者通过专用设备以人类自然方式与VE中的对象进行相互操作;沉浸特性要求计算机所创建的虚拟环境能使参与者产生置身其中的体验;构想特性是指虚拟环境能够启发参与者发现新问题并辅助产生创新思维。

二十世纪六十年代初,“图灵奖”获得者,被称为计算机图形学之父的美国科学家Ivan Sutherland发表“终极显示”论文提出虚拟现实概念,自此,虚拟现实技术历经一系列里程碑式的理论、方法与技术研究工作,并取得了重大工程应用成果。今天虚拟现实技术的应用领域已经非常广泛,主要包括三大应用方向,即训练演练、规划设计与预测、观赏娱乐等。例如在虚拟战场环境中进行作战指挥模拟,宇宙飞船、飞机、舰船模拟驾驶训练,飞机、导弹、轮船等复杂系统的虚拟设计与制造,城市环境规划及其建筑物的展示,手术培训与导航,游戏动漫与影视制作等。由于虚拟现实技术涉及的学科综合性、交叉性强,是可以拉动多学科发展,不断产生新思想、新技术,具有广泛和重大应用前景的科学技术领域,国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)把虚拟现实技术确定为信息领域优先支持的三大前沿技术之一。

2课程的特点

北京航空航天大学计算机学院从1994年开始从事虚拟现实技术领域的研究,取得许多创新成果,在相关学科领域产生了较大影响,逐步形成了北航计算机学院一个新的优势学科方向。作为计算机应用本科生的专业限选课程,“虚拟现实技术”课程教学已经讲授了5年。本课程的教学目的是通过对有关虚拟现实技术国内外研究热点问题、典型研究工作的介绍,使学生了解当前虚拟现实技术的发展趋势;通过对虚拟现实基本原理、基本算法、开发方法、主流系统的介绍,使学生掌握虚拟现实主要技术、开发环境与平台;以虚拟现实技术与系统国家重点实验室研究工作为主要实践教学支撑,培养学生的创新能力,满足国民经济和国防部门对虚拟现实领域专门人才的需求。虚拟现实课程具有以下特点:

2.1学科交叉性、综合性强

国家中长期科学和技术发展规划纲要指出:“虚拟现实技术重点研究心理学、控制学、计算机图形学、数据库设计、实时分布系统、电子学和多媒体技术等多学科融合的技术,研究医学、娱乐、艺术与教育、军事及工业制造等多个相关领域的虚拟现实技术和系统。”虚拟现实技术主要从计算机科学与技术、控制科学与技术、机械工程科学与先进制造技术等学科中孕育并实现跨越,逐步发展成熟,涉及心理学、认知科学、计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术等,学科交叉性、综合性强,如图1所示。

2.2数理基础要求高

虚拟现实课程的许多理论、方法和技术涉及大量的数学公式和物理定律,例如在基于图形的虚拟现实技术中所涉及的计算机图形学,基于图像的虚拟现实技术中所涉及的图像处理和信号处理技术,在建模技术中涉及的动力学、运动学等,都需要学生具备深厚的数理基础。

2.3创新思维丰富

虚拟现实被众多学者认为是科学研究与工程实践中理论和实验方法之外的第三种方法,可以虚拟和仿真人类难以到达的宏观或微观环境,进行研究和体验;在虚拟环境下进行逼真的规划、设计、训练演练,作出评价和决策,其与生俱来的构想特性能够启发参与者发现新问题并产生创新思维。虚拟现实技术由于多学科交叉性,在不同学科交叉融合中源源不断地产生新思想、新方法。

2.4工程应用突出

虚拟现实技术既有坚实的理论基础和方法,也有大量的典型算法,同时又是一门应用牵引强,各种开发平台和应用工具丰富,人机交互设备多,软硬件结合与系统集成占相当比重的课程。

2.5课程内容多课时紧

本课程是本科生计算机应用方向的限选课程,在本科四年级上学期开设,其间正值学生考研复习准备阶段,课时总计36学时,课内教学18学时、课外实践18学时,授课时间十分紧张。

3教学内容安排

我们经过多年的教学实践,在不断与学生教与学交互的活动中,结合自身学科研究特色,总结、完善主要教学内容,形成了如下的教学大纲:

第一章:概论(2h)

问题的提出、名词术语、虚拟现实特征、里程碑工作和研究现状、国内外典型应用实例。

第二章:虚拟现实硬件与系统(2h)

虚拟现实输入设备、虚拟现实输出设备、高端图形工作站、图形处理单元(Graphic Processing Unit简称GPU)、典型沉浸式交互系统的构建实例。

第三章:基于图形的虚拟现实建模与开发技术(6h)

视觉感知相关基本概念、场景表示与数据库结构设计、CREATOR建模软件与合成自然环实例、场景图组织与基本绘制流程、OpenGVS与WTK开发软件、虚拟场景漫游应用程序开发实例。

第四章:基于图像的虚拟现实建模与绘制技术(2h)

IBMR技术与全光函数、全景图像与柱面全景图像实例、同心拼图方法。

第五章:人工生命-人工鱼实例(2h)

人工鱼的总体方案、人工鱼的生物力学分析、感知与行为建模、几何建模与外观属性、虚拟海洋环境建模、运动系统、逼真性与效率权衡。

第六章:虚拟人技术(2h)

人体抽象模型与国际标准、逼真运动获取与表示、运动约束与重用、虚拟人技术应用实例。

第七章:分布式虚拟现实技术(2h)

DIS技术与IEEE1278、HLA技术与IEEE1516、分布交互仿真程序开发与应用实例。

教学实践与课外教学安排:(18h)

课外研读学习OpenGL、构建虚拟现实漫游程序;参观虚拟现实技术与系统国家重点实验室,观看演示、操作实验室研究设备,了解当前主要研究方向和趋势。

4教学实践与思考

针对虚拟现实课程的上述特点,我们在课程的教学活动中形成了“突出三个基本,注重融会贯通;点面结合,各有侧重;结合实例,促进创新思维”的教学思路。

4.1突出三个基本,注重融会贯通

在教学中突出三个基本,即突出基本原理、基本方法、基本算法的讲授。虚拟现实课程的诸多内容来自不同的研究和应用领域,貌似差之千里,但是其核心思想常常殊途同归。对于这部分内容在教学活动中应有意识进行联系,分析讲解,努力让学生融会贯通。以细节层次概念(LOD)为例,细节层次概念是图形建模中的基本概念,是指用一组复杂程度(常常以多边形数来衡量)各不相同的实体细节层次模型来描述对象,在运行时根据一些主客观标准在这些LOD模型间进行切换,实时改变场景的复杂度,从而能够绘制效率与效果的平衡,该方法需要解决模型间切换时产生的视景跳跃问题。在GPU的基本贴图处理(MIP MAPPING )、复杂光照模型实时绘制等研究工作中也引入和应用了同样的原理,因此在讲解细节层次概念时进行举一反三,加深学生对这一满足逼真性和绘制实时性普适基本方法的理解,进一步可以引伸出连续细节层次方法以及与视点相关的递进传输技术如何满足基于网络的虚拟现实应用问题。这样教学思路始终贯彻在七维全光函数降维、八叉树的数据组织方法等诸多教学内容中,以达到融会贯通的目的。

4.2点面结合,各有侧重

虚拟现实课程涉及学科众多,内容十分丰富,有限的课时内做到面面俱到几乎不可能。我们的教学大纲基本覆盖虚拟现实的主要研究分支,重点是基于图形和基于图像的虚拟现实技术,由于增强现实在其他课程有重点讲授,不过多涉及。其次注重对当前国内外的研究重点、热点问题,以及当前的主流设备、开发工具与平台介绍。通过发挥授课教师的计算机科学与技术专业背景,结合实验室多年的研究工作进行知识点的深入讲解。例如在分布式虚拟现实技术教学中,实验室在该方向上开展了长达十年的研究工作,研究成果既体现了该内容的基本方法、国际标准,又体现了当前的最新研究成果。该内容的教学从早期的DIS入手,通过与HLA核心技术的对比,重点讲解分布式虚拟现实技术如何应用数据抽象与封装、与订购、基于值的信息过滤 (DDM)等核心技术解决大规模交互仿真问题,进一步引伸介绍目前该方向的研究进展,让同学了解当前研究热点问题。

4.3结合实例,促进创新思维

虚拟现实是一门多学科交叉的科学技术,不同学科理论与方法的互相借鉴、启迪、创新尤为明显。因此在讲授具体内容的同时,应介绍该研究工作和成果产生的背景,体现交叉创新、集成创新思路,启迪同学的创造性思维是本课程不断追求“授之与渔”的目标。在课程综述中重点介绍信息资源环境的智能化、普适化、协同化、沉浸化发展的各个不同历史时期代表性工作,以及仿真技术、先进制造技术等学科对虚拟现实的重要贡献,突出虚拟现实技术交叉融合的特性。将具体的课程知识点讲授融入到典型实例中,人工生命课程教学中以ACM优秀博士论文工作为基础,讲述了人工鱼的感知与行为建模、几何与外观属性建模、虚拟海洋环境建模等,目的在于突出建模内涵的宽泛性和在虚拟现实技术中的重要地位,通过详述人工鱼的生物力学分析、总体方案设计,行为与运动系统实现,归纳总结出多学科交叉、逼真性与效率的完美平衡是其创新所在。在讲授虚拟人技术时,首先提出逼真人体运动复杂性和实时性这一矛盾,引入机器人技术领域的逆向运动学以及信号与系统中的信号处理方法,重点介绍借鉴其他学科方法解决虚拟人运动重用和大规模人群等关键问题,强调借鉴启迪是创新的源泉。在诸如同心拼图、分布式虚拟环境中同样贯彻了结合实例,促进创新思维这一教学思路。

5结论与展望

“虚拟现实技术”涉及面宽、内容十分丰富,同时发展迅速,应用越来越广泛,如何讲授好该课程是一个需要不断探讨、研究总结的教学课题。笔者在多年的教学活动中,通过教与学的交流,不断总结形成了一些教学思路和方法,取得了良好的效果,但是仍然需要不断完善充实,主要包括两个方面内容:(1)如何做好虚拟现实技术课程与计算机图形学、多媒体技术、图像处理技术的衔接;(2)如何利用好虚拟现实技术与系统国家重点实验室的研究环境、软硬件资源以进一步加强虚拟现实课程的实践环节。我们将在今后继续研究探索,以解决这些重要问题。

参考文献:

[1] 赵沁平. DVENET分布式虚拟现实应用系统运行平台与开发工具[M]. 北京:科学出版社,2004.

第11篇

[关键词] 虚拟制造技术 发展现状 策略研究

虚拟制造(Virtual Manufacture) 出现于上世纪90年代,是以计算机软硬件技术及网络技术的迅速发展为基础的一种全新的制造体系和模式。作为一种先进的制造模式,虚拟制造的应用范围必然会不断扩大,给更多的企业带来更大的收益。

一、虚拟制造的基本原理

所谓“虚拟”,是相对于实物产品的实际制造系统而言,强调的是制造系统运行过程的计算机化。虚拟制造涉及到多个学科领域,是对制造过程中的各个环节,包括产品的设计、加工、装配,乃至企业的生产组织管理与调度进行统一建模,形成一个可运行的虚拟制造环境。虚拟制造是数字化形式的广义制造系统,不仅包括了产品的设计加工、装配,还包含了对企业生产活动的组织与控制,是对实际制造过程的动态模拟,其企业管理模式基于Intranet或Internet,整个制造活动具有高度的并行性。

虚拟制造可分为三类:以设计为中心的虚拟制造、以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造。以设计为中心的虚拟制造强调以统一的制造信息模型为基础,对数字化产品模型进行仿真与分析、优化,以获得对产品的设计评估与性能预测结果;以生产为中心的虚拟制造是在企业资源的约束条件下,对不同的加工过程及组合进行优化,通过提供精确的生产成本信息对生产计划与调度进行合理化决策;以控制为中心的虚拟制造是将仿真技术引入控制模型,提供模拟实际生产过程的虚拟环境,使企业在考虑车间控制行为的基础上对制造过程进行优化控制。

二、虚拟制造技术的发展现状

虚拟制造在工业发达国家,如美国、德国、日本等已得到了不同程度的研究和应用,美国处于国际研究的前沿。1983年美国国家标准局提出了“虚拟制造单元”的报告;1993年爱荷华大学的报告“制造技术的虚拟环境”中提出了建立支持虚拟制造的环境;1995年美国标准与技术研究所的报告“国家先进制造实验台的概念设计计划”,强调了分散的、多节点的分散虚拟制造(DVM),即虚拟企业的概念。美国已经从虚拟制造的环境和虚拟现实技术、信息系统、仿真和控制、虚拟企业等方面进行了系统的研究和开发,多数单元技术已经进入实验和完善的阶段。

我国在虚拟制造技术方面的研究只是刚刚起步,其研究也多数是在原先的CAD/CAE/CAM和仿真技术等基础上进行的,目前主要集中在虚拟制造技术的理论研究和实施技术准备阶段,系统的研究尚处于国外虚拟制造技术的消化和与国内环境的结合上。当前我国虚拟制造应用的重点研究方向是基于我国国情的产品三维虚拟设计、加工过程仿真和产品装配仿真,主要是研究生成可信度高的虚拟样机,在产品设计阶段能够以较高的置信度预测所设计产品的最终性能和可制造性。我国在虚拟现实技术、建模技术、仿真技术、信息技术、应用网络技术等单元技术等方面的研究都很活跃,但研究的进展和研究的深度还属于初期阶段,与国际的研究水平尚有很大的差距,多集中于高等院校和少量的研究院所,没有形成产业化。

三、虚拟制造技术在我国的发展策略

1.制约我国虚拟制造技术发展的因素

在市场竞争的推动下,先进制造技术发展十分迅速,但是虚拟制造技术并非仅限于纯技术范围,它是对传统制造方式的全面变革,会带来企业组织结构、管理方式等多方面的变革。从我国目前的情况看,企业科研经费紧缺、科研力量分散、人才流失严重等都制约着我国虚拟制造业的发展。

2.虚拟制造技术在我国的发展策略

基于当前情况,我国应以企业需求为出发点,大力推广并行工程、敏捷制造等思想和技术,为虚拟制造技术的实现提供坚实的基础。政府方面,应发挥政府的协调职能,组织企业和科研部门进行多方面、多层次的合作,加强科研成果的应用推广,组织多学科、跨地区的科研力量共同攻关,从宏观上加强对虚拟制造技术的指导,尽早制定出符合我国国情的发展计划。企业方面,应根据企业实际需求,解决实际问题,力争尽快创造效益,以形成良性循环,促进研究工作的进一步开展。充分利用信息技术、网络技术、计算机技术对现实研究活动中的人、物、信息及研究过程进行全面的集成,通过协同工作缩短科研周期,增强科技成果的竞争力。

3.虚拟制造技术在我国的应用方法

企业要实现虚拟制造,应分阶段逐步进行,而不能随意超越。首先,要建立企业网和工程数据库,初步实现CAD、CAPP、CAM功能;第二,进行信息集成,推行PDM技术、特征建模技术,形成CAD、CAPP、CAM的集成系统;第三,在设计、工艺、制造部门建立统一的产品模型,初步实现并行工程,进一步将MIS、MRPII与CAD/CAM系统进行集成,实现整个企业内部的信息集成,全面实现并行工程;第四,在上述工作的基础上,对企业内的生产、经营等多方面的活动进行建模、仿真,实现虚拟制造。

综上所述,发展我国虚拟制造技术应以企业的需求为动力,通过政府协调,积极开展成组技术、准时化生产技术及并行工程的研究与应用,利用工业工程思想和分布式网络化研究,组织各地区的科研力量集中突破与虚拟制造技术密切相关技术,为虚拟制造功能的实现提供有力支撑。

参考文献:

[1]杨卫东:试论中国虚拟制造技术发展战略[J].农业与经济,2004年4月

[2]张暴暴等:虚拟制造系统技术支持与体系结构分析[J].中国制造信息网,2005年6月

第12篇

Abstract: First tell the origin of virtual construction technology, then give the connotation of virtual construction technology in technical and management level, on the base of current construction situation and existing problems of construction technology studied the virtual construction technology in the application of engineering training, then take research on construction of virtual training in engineering training in building make extensive use of virtual reality technology for the purpose of improving effect training project.

关键词:虚拟建设;虚拟现实;工程培训

Key words: virtual construction;virtual reality;engineering training

0引言

虚拟建设(Virtual Construction),国内又称为虚拟建造,是在虚拟现实技术(Virtual Construction)、虚拟组织(virtual organization)、现代工程管理理论和信息技术等相关概念、学科综合的基础上发展而来一门新兴学科,其起源美国,20世纪90年代由丁士昭等教授引入中国,并在中国学术界引起广泛研究。目前对虚拟建设通用的界定为:虚拟建设是现代计算机信息技术和管理模式与工程项目建设相结合的产物。

1虚拟建设的起源及内涵分析

1.1 虚拟建设的起源虚拟建设是相对于实际建设而言的一个综合概念,在国内又可成为虚拟建造,虚拟建设是在“虚拟现实”和“虚拟组织”两门学科不断发展基础上,结合现代计算机信息技术在两门学科的融合中发展起来的一虚拟现实技术起源于美国,是包括图形和图像处理、移动物置追踪、音响交叉处理、人机对话、网络通讯技术在内的综合性很强的高新信息技术,“它为人机相互对话提供了接近或加强的三维界面,并在多维度信息空间上创建了一个虚拟的真实环境,使用户具有身临其境的沉浸感”。虚拟组织是各种具有自己专业能力的企业为了完成一个产品的全过程建设而建立的动态性联盟,每个伙伴企业为联盟贡献自己的核心能力,各个企业之间的关系为信息共享、利益双赢、风险共担。

1.2 虚拟建设的内涵虚拟建设的概念从提出到现在,经过国内外学者数十年的研究和探索,目前对虚拟建设理论研究目前已经比较成熟,具有代表性的观点主要有以下几种:

同济大学丁士昭、徐友全等人对虚拟建设内涵的理解为[1]:①设计和施工相结合(项目总承包);②通过电子技术进行信息沟通;③业主设计施工供货的纵向命令和控制关系转变为业主方、项目管理方、设计方、供货方的横向协作联系;并认为虚拟建设是一种适应当今知识经济社会的工程项目管理新模式,运用虚拟组织原理,借助现代信息和通讯技术的支持,采用无层级、扁平化的管理组织方式,及D+B的生产组织和管理方法,通过基于网络的共享项目信息系统,可以实现工程项目建设成本低、质量好、进度快、协调好,运用信息和知识使建筑产品增值的目的。

2000年日本Yoshio Maruyama Yoichiro Iwase Kazuo Koga等学者提出了VR-Coms (virtual and real-field construction management systems)的概念,认为VR-coms是通过虚拟仿真技术集成了虚拟建设仿真、计划、规划、执行管理系统来在实际建设中提高生产效率和建设的安全性。

东南大学郑磊博士认为虚拟建设是现代科学技术和管理模式与项目项目建设相结合的产物,应包括两个层面的涵义[2]:一个是以虚拟现实技术为基础的技术层面的虚拟建设,借助于VR等计算机技术进行计算机辅助设计、建模,设计方案选优,可视化设计、施工效果,施工过程虚拟,施工方案可实施性检验等,在计算机虚拟环境中对工程项目建设过程进行全面的虚拟仿真再现,可以取得下列效果:能够在一个设计、施工方案实施前直观地获得其视觉效果,评价其设计水平和运行性能、可以方便而经济地比较各种设计方案的优劣,有利于方案优化、可以全面提高承包商T/Q/C/H/S/E管理水平、可以大幅度降低项目风险等;另一个层面是建立在虚拟组织理论基础上的组织层面的虚拟建设,将虚拟组织原理应用到工程建设领域的一种新的工程项目建设组织和管理模式,是对传统建设组织和管理模式的创新,通过它,承包商能够以最快的速度、最低的成本跟踪市场动向,并通过对外部资源的整合利用迅速满足顾客需求。

1.3 虚拟建设理论的诠释本文认为虚拟建设理论是在新世纪工程项目管理需求下,在现代信息技术基础上,通过技术与理论的完美结合而发展起来的一种适应现代工程项目管理的方法和理论。应从以下三个方面进行理解和诠释。

1.3.1 虚拟组织概念:参与工程项目并具有各自专业能力的各方主体为完成一个产品的全过程建设而建立的动态性、虚拟性组织,每个企业为组织贡献自己的核心能力,各方之间信息共享、利益双赢、风险共担。

1.3.2 虚拟现实技术:通过计算机辅助,建立模型,根据实际工程参数,对工程建设过程进行虚拟再现、增强再现,使用户具有身临其境的沉浸感。

1.3.3 信息集成协同平台:建立以参建各方为用户对象工程项目紧系集成协同平台,实现各方协同管理、沟通,促使信息正确高效共享和交换,保证信息流安全顺畅。

在本文中我们研究利用技术层面的虚拟建设技术,借助VR等计算机技术进行施工过程虚拟,在计算机虚拟环境中对工程项目建设过程进行虚拟现实、增强现实模拟。并可以进行强调、透视、放大等操作,研究其在建设工程培训中的应用。

2建筑工程培训现状和缺点

2.1 建筑工程培训现状建筑业是一个关系到国计民生的支柱性基础产业,也是拉动国民经济发展速度的重要力量,同时建筑业是资本和劳动密集型产业,对于解决就业、转移农村剩余劳动力、增加农民经济收入具有重要作用。以2008年为例,全国建筑业总产值为62036.80608亿,建筑业从业人数3314.9503万人。在这一庞大的从业人群中基本可以分为两个层次。一个层次是建筑技术和管理人员,这个层面人员的特点是学历较高,知识文化水平较高,大部分是经过高等教育和大中专教育的工程专业毕业生,经历过建筑工程专业系统的理论培训,但有一部分人,特别是对于刚毕业的从业人群,他们普遍存在具有较丰富的理论知识,但缺乏实际工程经验,理论和实际相脱节的现象普遍存在,迫切需要对其进行实际工程培训,获得现场工程经验。另一个层次是占建筑业从业人数大部分的现场一线操作工人,绝大部分来自农村。

一方面特点是文化水平很低,根据《2007年中国建筑施工行业发展报告》课题组的调查问卷显示,低学历化是目前农民工的主要特征,十年前、五年前、三年前和目前建筑业农民工的文化结构一直以初中文化程度者占主体,目前其比例在57%-68%之间。另外是没有建筑工程专业教育背景,除少数是具有一定操作经验的技术骨干外,绝大多数都是“昨天放下锄头,今天就成了建筑工地工人”。未经相关工种的专业技术培训,大部分是通过模仿进行操作。不懂施工技术、施工规范、质量验收标准和安全操作规程,普遍存在粗制滥造、浪费材料的现象,严重影响工程质量和社会经济效益,民工技术素质偏低已不能适应建筑行业发展的需要,加强培训非常必要。

另外一个方面表现在一线建筑操作工人中,持证比例人员严重不足,根据建设部《关于我国建设行业人力资源状况和加强建设行业技能型紧缺人才培养培训工作的建议》(2004年)统计,2003年在我国建筑与市政施工专业领域、建筑装饰专业领域和建筑设备专业领域,上产一线操作人员中持证技术工人所占的比例最高不超过7%。中高级技术工人的比例在持证技术工人中严重失调,高级技术工人所占持证技术工人综述比例不超过6%。技师、高级技师更是奇缺,其所占持证技术工人综述比例居然不超过0.4%(具体数据如表1所示)。

总体来说,从业人员整体素质不高。工程技术人员和管理人员占全部从业人员的比例低于全国平均水平3~5个百分点;未受过正规教育的专门人才占相当比重;专门人才年龄断层、老化现象依然存在,一线操作工人技能水平较低,特别是农民工的素质迫切需要提高。目前建筑行业对培训特别是工程专业培训的需求非常迫切,而且已经达到了如果再不改善就会影响建设工程质量的程度。

根据建设部《加强建设职业技能岗位培训管理的意见》,要求建立以建设劳动力市场需求为导向,建立和完善适应社会主义市场经济体制的技能岗位培训体系,按照“先培训、后就业,先培训、后上岗”,“先培训、后输出、先培训、后鉴定”的原则,以及以管理促鉴定,以鉴定促培训,以培训促职工队伍素质的提高,以队伍素质提高促工程建设质量、产品质量和服务质量的提高,确保安全生产的工作思路,努力造就一支以技师为龙头,高级工为骨干、中级工为主体,思想好、技术精、工种配套的建设职工队伍,到2010年,所有在职的操作层人员要全部经过培训并持证上岗。

2.2 建筑工程培训主要方式和缺点目前,建筑业职业技能培训主要培训方式有以下几种:

2.2.1 集中理论培训集中理论方式既是将参加培训者集中在一起,由具有相当理论知识和实际工程经验的讲师进行讲授,主要采取板书、PPT、视频动画等形式教学,对培训者进行建筑工程的理论知识进行培训,此种培训方式是目前建筑工程培训的最主要方式,与大中专院校的课堂教学方式基本相同。但此种培训方式有以下缺点:首先是培训效果不高,知识有效传递系数较低,由于较为抽象,培训者特别是文化水平较低的培训者不容易接受,效果较差;其次,有关内容相对滞后。土木工程建设领域里的新知识、新政策、新规范、新标准在产品中更新慢,使培训内容与实践脱节严重。

2.2.2 现场操作培训在工程现场实地进行现场培训,给培训者实际的工程环境,通过实际的操作让培训者学习专业技能,此种培训方式较传统的课堂理论培训更为直观,通过让培训者接触真实的施工现场,影响深刻,培训效果较好,且学习速度更快。虽然此种培训方式效果较为理想,但也存在以下缺点:首先,在施工现场进行培训,存在安全问题,因为毕竟工地现场环境较复杂,有许多临边洞口等危险位置,而且实际工程操作很多也具有一定的危险性,对培训者的人身安全有一定威胁,对管理带来很大挑战,故现场培训只能限于小规模的培训;其次,现场施工很多工序因为条件限制,培训者进行全方位的观摩学习,比如节点混凝土浇注,就无法透视到节点中间去看到关键的施工过程,可能会因此造成学习不透彻的现象。

目前建筑工程培训主要的培训方式主要是以上的两种方式,且以前者为主要培训方式,从上我们可以看出以上的培训均存在一定的缺点和限制,从目前的现状来说,培训效果不明显,不能够适应建筑工程队培训的需求。

3虚拟建设在工程培训中应用研究

3.1 虚拟工程培训的实现利用虚拟建设相关技术,并借助图形图像处理、交互传感、网络通讯等高新计算机技术,可以实现计算机虚拟环境中对工程项目建设过程进行全面的模拟、仿真、再现,包括对施工全过程或关键过程虚拟展现,并可以在虚拟施工过程中进行交互式沟通,本文即尝试利用虚拟建设的此类技术实现对建筑工程人员进行培训。通过虚拟建设相关技术实现虚拟呈现土木工程施工实际情况,能够把培训教学中抽象的概念原理、真实的生产过程等形象生动地表现出来,给受训施工人员创造真实的学习情境,帮助他们“身临其境”全方位地、直观地获取知识;而丰富的图形界面、逼真的视频动画、生动的音响效果,增强了工程建设的立体感、动态性和表现力,能极大地调动了受训施工人员的好奇心、求知欲和主动性,从而提高培训质量和培训效率,节约培训成本,本文将此种培训方式称之为虚拟培训[3]。

3.2 虚拟工程培训的特点和创新虚拟工程培训是利用虚拟建设技术和计算机信息技术结合,对施工过程进行虚拟呈现,将具体的施工过程和关键工序完整、清晰的展现给培训者,并通过配音将施工过程中的要求和注意事项加以阐述,从而给培训者一个虚拟的建筑环境,通过互动性技术,让培训者感觉到就是自己在进行实际工程操作,而且避免了现场实际工程操作带来的人身危险和材料浪费。从这里可以看出,将虚拟现实技术和人工智能技术应用到建筑工程培训中,对传统培训方式有巨大改革和创新,其具体特色与创新之处表现在下面几个方面:

3.2.1 互动启发式虚拟现实和人工智能有助于启发式决策和培训教学的开展,在演示内容方面能以一种直接的信息传递方式,通过亲临其境的教学课件,展现使用者和学员不能直接观察到的事物等,辅助决策或形成知识点。

3.2.2 协同工作式虚拟现实不受空间位置和相互距离的限制,可让远距离的、或位置分散的将有关各方“共处于”一个虚拟空间中,通过共同参与,完成某些项目的设计或训练。

3.2.3 情境式决策和培训。目前国内的动画课件一般为flash二维动画,其制作较简单、表达内容较单调,无法满足现代化教学的需要。而虚拟工程培训能真实模拟土木工程施工实际情况,能够把教学中抽象的概念原理、真实的生产过程等形象生动地表现出来,给使用者和学员创造真实的学习情境,而丰富的图形界面、逼真的视频动画、生动的音响效果,增强了工程建设的立体感、动态性和表现力,能极大地调动学员的好奇心、求知欲和主动性,从而提高培训质量和培训效率。

3.2.4 节约成本利用虚拟现实技术模拟再现土木施工的全过程,有效地帮助使用者和学员进行“身临其境”全方位的专业知识学习,而且这一切都是在虚拟的环境中进行的,不需要在实际中浪费一砖一瓦,避免了对建筑材料的浪费,同样也避免了因为技术不成熟而造成建筑工程质量低下。

4总结

伴随着建筑市场规模的不断扩大和施工技术难度的不断提高,建筑行业对从业人员的专业技能要求也会不断提高,从而也必然不断提高对建筑工程培训的要求。而目前传统的建筑工程培训市场存在培训方式较为落后,培训效果较差,无法形成规模效应的缺点,有必要对传统的建筑工程培训方式进行改革,以适应不断提高的工程建设水平的需求。本文论述的利用虚拟建设技术和计算机信息技术结合的虚拟工程培训方式,可以对施工过程进行虚拟呈现,将具体的施工过程和关键工序完整、清晰的展现给培训者,给受训施工人员创造真实的学习情境,帮助他们“身临其境”全方位地、直观地获取知识;而丰富的图形界面、逼真的视频动画、生动的音响效果,增强了工程建设的立体感、动态性和表现力,能极大地调动了受训施工人员的好奇心、求知欲和主动性。这将是未来建筑工程技能培训的一个发展方向。

参考文献:

[1]丁士昭.国际工程项目管理模式的探讨[J].土木工程学报(建设工程与管理分册),2002,1(1):42-47.

第13篇

关键词:虚拟制造;表面组装技术SMT;可视化仿真

中图分类号:TP311 文献标识码:A DoI: 10.3969/j.issn.1003-6970.2012.03.025

The SMT Virtual Manufacturing Training System

PENG Zhi-cong1, LoNG Xu-ming2 Huang Ho2 Dan Mington2 Cui Xiaolu2

(1.Guangdong Electronic Academy, Guangzhou 510055, China; Southwest Jiatong University, Chengdu 610031, China)

【Abstract】 This paper discusses the advance SMT Virtual Manufacturing Training System. The SMT Manufacturing is visual simulated in a computer. the PCB design, the SMT technology, the editting of equipment soft and the visual simulation of SMT equipment are integrated by the system.

【Key words】Virtual Manufacturing; Surface Mounting Technology; Visualization Simulation

1 SMT虚拟制造

1.1 虚拟制造

虚拟制造(Virtual Manufacturing,VM)是实际制造在计算机上的本质实现,即采用计算机建模与仿真技术,在高性能计算机及高速网络的支持下,在计算机上群组协同工作,通过三维模型及动画或虚拟现实,实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程,以增强制造过程各级的决策与控制能力。虚拟制造是对已有或未来的制造活动进行仿真,它基本上不消耗现实物质资源,所进行的过程是虚拟过程,所生产的产品也是虚拟的。

VM技术是一个庞大、复杂的新兴学科领域,其中涉及到计算机软件技术、动态数据库技术、虚拟现实技术、工厂的建模与仿真技术、并行工程等领域,如图1所示。从提出到现在的几十年间,VM技术的研究取得了很多成果。在国外,VM单一目标技术和系统已经开始应用于几十家顶级的汽车制造、航空、重工业和消费电子产品生产公司的某些部门,而且已经发挥了巨大的作用,表明了VM技术的潜力。

在国内,虚拟制造技术方面的研究只是刚刚起步,其研究也多数是在原先的CAD/CAE/CAM和仿真等基础上进行的,目前主要集中在虚拟制造技术的理论研究和实施技术准备阶段,系统地研究尚处于国外虚拟制造技术的消化和国内环境的结合上。清华大学CIMS工程研究中心虚拟制造研究室是国内最早开展虚拟制造研究的机构之一,主要进行了虚拟设计环境软件、虚拟现实、虚拟机床、虚拟汽车训练系统等方面的研究;浙江大学进行了分布式虚拟现实技术、VR工作台、虚拟产品装配等研究;西安交大和北航进行了远程智能协同设计研究;西北工业大学进行了虚拟样机的研究。国内在虚拟现实技术、建模技术、仿真技术、信息技术、应用网络技术等单元技术方面的研究都很活跃,但研究的进展和研究的深度还属于初期阶段,与国际的研究水平尚有很大的差距。我国的研究多集中于高等院校和少量的研究所,企业和公司介入的较少。

图1 虚拟制造

Fig.1 Virtual Manufacturing

1.2 SMT虚拟制造系统

在微电子组装和制造业,元器件不断的向微型化和密集化方向发展。表面贴装技术(Surface Mounting Technology,SMT)是应用最为广泛的新一代的电子组装技术,它直接将元件无导线的贴装在PCB基板上,取代了传统的插孔元件安装、导线连接。表面贴装技术可以使元器件体积更小、安装密度更大、提高可靠性和生产自动化程度。贴片元件的体积和重量只有传统插装元件的1/10左右,一般采用SMT之后,电子产品体积缩小40%~60%,重量减轻60%~80%。

在电子产品组装生产的传统模式中,设计一般是由设计工程师在计算机上利用多种计算机辅助设计工具来完成,生产制造则在各种数控设备(如贴装机等)上完成。每一种产品在加工之前,制造工程师首先必须对数控设备编程并反复试验,以确保操作规程的可行性和正确性,然后进行试生产,反复修改直到最后定型,再投入实际的批量生产。生产准备时间很长,投入资金很大。事实上,SMT生产线中数控设备编程所需的大多数数据完全可以从CAD系统的相关数据文件中获取,例如元件在PCB上的坐标位置、角度、物理特征参数等。这些数据量很大,也比较零乱,有些特征数据是不同数控设备都需要的,如贴装机、点胶机、在线测试设备均需要元件在PCB上的坐标位置,而实际中设计部门和制造部门却很少相互了解需求,许多信息不能共享,在企业间往往形成了两个“自动化孤岛”。随着市场竞争的加剧,产品交货周期必须缩短,生产成本必须控制,因此迫切需要在这两个“孤岛”间建立联系,虚拟制造被认为是其最好的解决方案。

2000年之后一部分高校开始在电子实践教学中增加SMT教学内容,大部分专职院校设立SMT电子制造工程专业,但无实验设备和条件,即使己购买SMT生产线的,也无资金或产品开动生产线。SMT虚拟制造系统中关健设备的虚拟样机,便于教学,同时便于企业员工职业培训。

SMT虚拟制造系统就是在计算机支持下,以仿真技术为前提,建立功能强大的虚拟制造环境,对PCB设计、组装等生产过程进行统一建模。在PCB设计阶段或组装之前,就能实时、并行地模拟出其未来组装全过程及对设计的影响,预测PCB组装的性能、成本和可制造性,从而有助于更有效、更经济灵活地组织生产,使工厂和车间的资源得到合理配置,使生产布局更合理、更有效,以达到开发周期和成本的最优化、生产效率的最高化之目的。

2 SMT虚拟制造系统设计

采用虚拟制造技术,开发出“先进电子SMT虚拟制造系统SMT-VM2011”,在电子SMT设计和制造“孤岛”间建立联系,将PCB设计、SMT生产线工艺设计、关健SMT设备编程、加工过程可视化仿真和可制造性评价系统集成,在计算机上以直观、生动、精确的方式模拟出先进电子SMT制造技术。

2.1 系统设计

根据组装对象不同,SMT有多种工艺流程,一般单面组装的典型工艺流程为:上料涂布(上焊膏或点胶)贴片再流焊清洗测试下料。SMT生产线如图2所示,主要由自动上板机、自动丝网印刷机或自动点胶机、自动贴片(装)机、自动焊接炉、自动清洗机、在线测试机和AOI测试机、自动下板机等自动化组装和测试设备组成。

图2 SMT生产线

Fig.2 SMT Production Line

2.1.1系统组成

SMT虚拟制造系统组成如图3所示,主界面如图4所示,将两个“孤岛” ――SMT设计和制造集成, 主要包括:

图3 SMT虚拟制造系统组成

Fig.3 SMT VM System

图4 主界面

Fig.4 Main window

1)PCB设计虚拟制造系统

2)SMT生产线工艺流程设计

3)关健SMT设备虚拟编程,主要包括:丝网印刷机、点胶机、贴片机、回流炉、波峰焊、AOI测试机。

4)关健SMT设备加工过程可视化仿真,主要包括:丝网印刷机、点胶机、贴片机、回流炉、波峰焊、AOI测试机。

5)可制造性评价

(1)电子产品PCB设计与制造

根椐用户设计的EDA(Protel、Mentor、OrCAD…)电路PCB文件,自动检测出用户设计的EDA电路的错误;

能3D可视化直观显示EDA设计的PCB板组装后的情况(基板、器件、焊膏、焊点、胶点),如图5所示;

图5 PCB设计静态仿真Fig.5 PCB Static simulation

模拟PCB标号Mark点示教和PCB贴片过程,并进行贴片程序顺序优化;

根据所设计的PCB板的结构,设计SMT生产线工艺流程和参数,3D动画显示SMT生产线工艺流程;

在PCB设计和制造“孤岛”间建立联系,在最短时间内为EDA最优设计提供直观依据,效率高, 成本低。

(2)电子SMT设计与制造

SMT关键设备包括:丝印机、点胶机、贴片机、回流炉、波峰

2.1.2 系统主要技术功能

SMT-VM2011系统主要技术指标如表1所示,非常适合高校高职教学和企业培训,不仅使用户进一步掌握EDA电路设计技术,更使用户掌握SMT组装技术和各种世界著名公司SMT关键设备技术。SMT-VM2011性能优,功能强,交互性强,操作性好,兴趣性高,彻底改变了传统的一把烙铁学电子的局面。焊,件机,AOI测试机,API测试机;

读入EDA设计的PCB文件,进行国际市场上主流SMT机型的摸拟编程(Yamaha、Fuji、Seimens、Panasonic、MPM、DEK、GKG、Heller、EASA、ANDA、Aleader、VATA……);

SMT关键设备静态仿真,可缩放、旋转、平移;

按照摸拟编程CAM程序,自动进行SMT关键设备工作过程3D模拟仿真;

可进行制造性分析,在3D仿真过程中对模拟编程的错误进行检测;

在SMT关键设备编程设计和制造之间建立联系,将SMT关键设备的贴片过程在计算机上以直观、生动、精确的方式呈现出来,取代传统的试机过程,缩短开发周期、降低成本、提高生产效率。

2.2 贴片机虚拟制造系统

贴片机虚拟制造编程系统的主界面如图6所示,自动进行贴片机工作过程3D模拟仿真如图7所示。贴片机软件体系结构如图8所示,包括:模拟编程模块、贴片机3D仿真模块、贴片程序优化模块和贴装数据库模块,系统先对贴片机机型进行模拟编程,读入EDA设计文件,自动生成贴装顺序程序文件,并将数据输入到贴装数据库中;再在VC++6.0环境下采用面向对象技术和OpenGL技术,按贴片机类型自动进行3D机构组装3D仿真;最后设计生成最优化程序。

3 SMT教学培训课程和实验室建设

SMT教学培训课程教学培训大纲如表2所示。

(1)电子产品EDA设计的PCB虚拟制造实验,学时20 h。

图6 贴片机虚拟制造编程系统Fig.6 The placing VM system

图7 贴片机工作过程3D模拟仿真Fig.7 The placing 3D simulation

目的:该实验在电子设计和制造“孤岛”间建立联系,在最短时间内为EDA最优设计的数据修改提供直观依据,以达到开发周期和成本的最优化、生产效率的最高化之目的。不仅使学生进一步掌握EDA电路设计技术,更使学生了解电子产品PCB电路板是如何制造出来的。

图8 贴片机软件体系结构

Fig.6 The frame of placing softwere

内容:根椐学生设计的EDA电路PCB板图,能自动检测出学生设计的EDA电路的错误,包括电路设计错误和可制造性错误,能3D可视化直观显示EDA设计的PCB板的布局和SMT组装生产后的PCB情况;并且,模拟PCB板的SMT制造过程,设计SMT生产线工艺流程和参数,3D动画显示SMT生产线工艺流程。

(2)电子SMT制造生产线虚拟制造实验,学时30小时。

目的:让学生根据自己设计的EDA电路PCB板,设计SMT关键设备的CAM程序,并且自动3D动画模拟所设计的CAM程序驱动的设备工作过程,能实时、并行地模拟出其未来组装全过程及对设计的影响,预测PCB组装的性能、成本和可制造性。使学生掌握SMT组装技术和各种世界著名公司SMT关键设备技术。使学生了解和掌握现代先进电子大制造技术,彻底改变了传统的一把烙铁学电子的局面。

内容:首先读入EDA设计的PCB文件,进行国际市场上主流机型的SMT关键设备的摸拟编程,SMT关键设备包括:丝印机、点胶机、贴片机、回流炉、波峰焊和AOI测试机;最后按照摸拟编程CAM程序,自动进行SMT关键设备机构工作过程3D模拟仿真,并可进行制造性分析。

(3)先进电子制造创新开发实验,学时30小时。

目的:在“电子SMT虚拟制造系统SMT-VM2011” 平台上,进行针对个性化实验、SRTP(科研创新实验)、国家创新实验、电子竞赛、本科生毕业设计、研究生毕业论文等的开发实验。使学生了解和掌握国际现代电子制造的软件、控制和电子等最先进技术。

内容:开发世界著名公司SMT关键设备CAM编程软件和3D仿真软件、世界著名公司IC关键设备CAM编程软件和3D仿真软件、轨道交通电气自动化虚拟制造系统等。

4 结论

SMT-VM2011非常适合高校高职教学和企业培训,不仅使用户进一步掌握EDA电路设计技术,更使用户掌握SMT组装技术和各种世界著名公司SMT关键设备技术。SMTVM2012性能优,功能强,交互性强,操作性好,兴趣性高,彻底改变了传统的一把烙铁学电子的局面。

参考文献

[1] 龙绪明主编. 电子表面组装技术-SMT[M]. 北京:电子工业出版社,2008.11.

[2] 袁鹏,胡跃明,吴祈生等. 基于视觉的高速高精度贴片机系统的程序实现[J].计算机集成制造系统,2004,10(12).

[3] 龙绪明主编. 先进电子制造技术[M]. 机械工业出版社,2010.10.

第14篇

在信息时代的科学发展给社会存在形式和人类活动带来了重大的变革。认知活动作为人类活动的一种基本形式,随着虚拟社会的兴起产生了一种新的形式——网络虚拟认知。认知主体通过人机结合的方式,在网络空间中把握和创造认知客体的概念。因此,从马克思主义哲学的角度来看,网络空间中的虚拟认知是人类以现实认知为基础,以满足人们需求为目的,以虚拟技术为中介,在非现实、非主观的虚拟社会中进行的认知活动。

的网络虚拟认知。人的需要。虚拟技术。运行机制。

在当代科技革命的背景下 科学的 发展 属于 这个 信息 年龄 有 带来 关于 专业 变化 在里面 这个 形式 属于 社会的 存在 和 人类 认知活动 活动,如 一 基本的 类型 属于 人类 活动,与 这个 上升 属于 这个 事实上的 社会,有 产生 A. 刚出现的 表格-网络 事实上的 认知 主题 应用 这个 结合体 属于 人机 到 抓住 和 创造 这个 概念 属于 认知的 对象 在里面 网络空间。因此 这个 态度 属于 马克思主义者 虚拟哲学 认知 像 A. 个人的 认知的 活动 是 针对 在 令人满意的 人民的 需要,基于 在…上 现实的 理解,基于 在…上 事实上的 技术,在非现实的非现实中。主观虚拟社会中的认知活动。

虚拟认知。人的需要。Virtual technology。运行机制。

当代科学而技术革命、计算机和互联网的蓬勃发展以及通信技术的不断创新,使人类的实践对象得到了极大的拓展,人类的认知能力也得到了极大的提高。社会的形式和内容都发生了新的变化,网络虚拟化已经深入到现实世界的各个方面。虚拟社会已经成为人们生产实践和交流的重要活动领域。认知和实践作为人类活动的基本形式,在虚拟社会中自然地以虚拟的形式呈现出来。网络虚拟认知作为虚拟社会中真实认知活动的表现形式,是否以为什么的身份存在?何以可能地区存在吗?这些看似简单的问题,实际上包含着社会存在形态演变和人类活动形态发展的深层次问题。这是一个关于“虚拟认识”的发生和现实可能性的哲学问题。探索网络虚拟认知的运行机制,不是追溯现实认知的机制,而是从狭义的信息技术、计算机技术入手,从人工智能技术介导的网络虚拟认知入手,通过与现实认知的比较,本文得出了网络虚拟认知的内在机制和外在特征。

以概念的形式。认知是主体以意识和概念的形式把握客体的过程。认识主体的反映是基于器官结构和功能与客体结构和特征的一致性。一般来说,认识离不开主体对客体的反映。科学证明,人类认知是以人脑为中心,以感觉器官为工具的高级神经系统的反映形式。感觉、感知、表征和思维是由大脑实现的,以不同的形式和层次反映客观现实。列宁强调:“毫无疑问,认识论的第一个前提是,情感是我们知识的唯一源泉。”人们对经验对象的动态反思是理解唯一的的一个基本特征。这一点已经被无数的哲学家和科学家所大学所证明。对网络虚拟认知运行机制的分析是基于对现实认知的明晰。

认知活动场的变化不会引起认知本身的质的变化。网络虚拟认知的发生是认知主体在以数字化符号为主要形式的界面上,通过视觉、听觉等感觉器官接收虚拟技术呈现的客观信息,主动反映认知对象,进而把握对象,并进一步创造、重组和思考人类自身的认知机制(大脑)转换和其他意识活动,以创造一个具有真实和虚拟可能性的世界概念模型。因此,在网络虚拟认知的本质上,认知的“动态反思与创新”的基本特征没有改变。

。现代认知科学将新的理论成果引入人类认知。《4E+S》的理论模型表明,人类的认知除了大脑的反射外,还包括“具身认知、嵌入认知、生成认知、扩展认知和情境认知”。这五种认知模型以唯物主义为基础,科学地解释了人类认知的遗传原理。首先,《体化认知》证明,大脑是整个活跃人体的有机组成部分,大脑的功能取决于身体活动(感觉器官等)的功能。其次,“嵌入认知”证明了认知主体处于“被抛”状态,不能脱离自然或社会环境的框架。第三,《生成认知》第四,《延展认知》证明认知主体通过实践或认知活动作用于认知客体,认知客体也会对认知主体作出反应。二者是统一的辩证关系。第五,《情境认知》证明了认知能力和过程取决于情境或语境,这里的情境包括大脑本身和外部环境。

以马克思主义哲学认识论为基础的《4E+S》理论模式不仅坚持唯物主义,而且指出人类的认知活动有《系统性》、《蒂凡尼早餐》和《社会性》。认知的“系统性”在于人类的认知活动是一个有目的地根据人类需要组织起来的系统结构。人们认知能力的大小以及认知结果的广度和深度取决于认知系统结构的发展水平。系统结构的发展取决于各要素的发展水平和组合方式。具体而言,认知系统由三个基本要素构成:认知主体、认知客体和认知中介。

的认识是一个过程,人们对事物的认识是一个活动和功能的动态结构。认知主体和认知客体是这一动态结构的两极。“他们所知道的就是他们所知道的,他们所知道的就是他们所知道的。知彼怎么能不修这个就建起来。”这里,“这个”和“那个”是认知的主客体。孟子的《解蔽篇》:“有知识的地方,人性可以被认识,物质理性也可以被认识。”其意图是人性是认识的主体,物质理性是认识的对象。认知主体能够把握的对象是认知对象,无论它是否以现实的形式存在。认知本来就是主体通过实践活动、意识和思维活动实现的主客体关系。为什么它被称为没有发送者或认知对象的认知?甚至自我认识也是《自我》中认知主体和认知客体的双重体现。二者相互联系、相互依存、相互渗透、相互转化,不可分割。在

认识的主客体之间,如果说《仅仅‘相互作用’=空洞无物》和《需要有中介》。在认知活动中,认知中介是联系认知主体的桥梁它是认知结构中的一个基本要素。认知中介是认知主体作用于认知对象的手段、方式和方法的总和。物质认知中介是认知主体的物质手段或物质条件,包括关系形式的认知中介和物质形式的认知中介。关系形式的认知中介是指认知参照系统,它由认知主体观察客体的时空框架、描述客体的语言系统以及知识、情感和意义的内在标准构成。物理形态的认知中介是指人们实际改造外部世界的工具,主要包括劳动生产工具、科学实验仪器、电子计算机、智能机器等。劳动生产工具和科学实验仪器延伸了人体的自然四肢和感官,取代了体力劳动。电子计算机和智能机器扩展了人们的大脑,解放了人们的脑力劳动。

。要想获得真正的知识,就必须跳出感性知识的局限,把感性知识提升为智力知识和理性知识。理性是一种与生俱来的思维能力,是对感性表征的综合判断。要建立真正的认识,就必须通过理性思维来综合判断感性思维和理性思维。认知的最终目标是寻求不是来自经验,而是可以指导经验。黑格尔认为,认识是一个从客观精神向自由精神转化的过程。首先,它将认识论与辩证法相结合,认为认识过程是在主体和客体的双向运动中形成的。其次,用绝对精神取代康德的先验自我,克服了康德的二元认识论悖论。第三,黑格尔的认识论克服了简单静态的认识,主张认识是一个通过精神自我否定的辩证发展过程。虽然

、康德和黑格尔的认识论在一定范围内是合理的,但对唯心主义的认识始终是扭曲的。从马克思主义认识论开始,认知主体和认知客体作为认知的两个层面,存在着内在的重要因素。除了作为桥梁的认知中介,还有一个内在的重要因素:实践。“从主体与客体之间实际互动的功能关系来看,实践是作为主体的社会中的人们主动、有目的地改造、占有或掌握作为客体的外部现实的一种现实的、感性的客观活动。”[1]118马克思用实践来确定主体与客体的关系,没有主体实践的可能性,对于主体来说,没有主客体关系,更谈不上辩证联系。目标就是“自在之物”的存在。这对个体主体来说是没有意义的。实践是主体与客体之间思想观念认知关系发生和建构的基础。实践对认识起决定作用,认识也对实践起反应。科学论证,认识的发生不在于认识的先天占有,而在于后天生产实践中经验的积累。实践建构了网络虚拟认知的认知过程,是实践具体化现实认知概念的结果。因此,网络虚拟认知离不开人们在现实和虚拟社会中的实践活动。综上所述,人类的认知活动离不开动态的反思机制、认知的基本三要素等影响因素以及实践在认知中的重要作用。也就是说,网络虚拟认知起源于赛博空间的虚拟社会,现实的认知属性是网络虚拟认知的基础。

。卢梭认为,“人性的首要法则是维持自身的生存,人性的首要关注点是对自身的应有关怀。”[2]他从人性的角度阐述了需求的来源。弗洛依德认为,人的需要具有生物本能,其中《性本能》最为突出。人类社会的一切文化、现象和行为,都是《性本能》在自然与生存的矛盾中分化、压制、升华而形成的。“人的需要”与自然、社会和文明永远在不断的对抗中相互生成。马斯洛的需求动机理论将人的需求分为五类:生理需求、安全需求、爱与归属需求、尊重需求和自我实现需求。人们依次上升,并逐渐满足这五种需求。发展动力是为了不断满足更高层次的需要而形成的。马克思和恩格斯将人的需要视为人性,提出“人不同于所有其他动物,其需要具有无限性和普遍性。”[3]130马克思和恩格斯强调,人类生存和所有历史的首要前提是:“为了‘创造历史’,人们必须能够生存。但为了生存,他们首先需要衣服、食物、住所和其他东西。因此,第一个历史活动是生产材料[4]31可以判断,人的需要是人类生存和发展的需要,是从事一切生产和实践活动的动力。

和黑格尔在《法哲学原理》中提到:动物使用一套有限的手段和方法来满足其同样有限的需求。虽然人也受到这些限制,但这也证明了他可以超越这些限制,证明他的普遍性。第一种是需求和满足方式的多样性,第二种是将特定需求分解并划分为各个部分和方面,这反过来成为专门化。黑格尔在这里谈到,动物的需求是单一的,并受到自然条件的限制。人的需要是多样的,满足人的需要的手段也是多样的。人的需要不仅仅停留在自然的生存需要上,而是从动物本能的“生命尺度”开始,正如马克思所说,“动物的生产是片面的,而人类的生产是全面的”,“动物只生产自己,人类复制整个自然”

对人的需要的满足促进了网络虚拟认知的形成。人们的需求之所以成为所有认知和实践活动的根本动机,是因为人们为了满足自己的需求而与外部世界发生冲突。列宁说:“世界不会满足人,人们决心用自己的行动来改造世界。”为了满足人类不断变化的需求,摆脱外部世界有限的物质生产力,人类必须通过自己有目的、有意识、有意识地解决需求的矛盾,针对外部世界的动态活动,即解决人与外部世界之间的矛盾的《应有》和《现有》“满足需要的生产力也将扩大。”[6]926随着人类实践活动范围的日益扩大,人类对经验性事物有了更深的理解,对《自在之物》有了更广泛的探索,《自在之物》进入《蒂凡尼早餐》有了更强的实践能力,对经验事物有了更多的信息。旧的实践和认知工具是否足以面对,人类大脑能否,一个天生的信息处理者,你会满意吗?人类发展速度与生存条件之间的矛盾日益尖锐和突出。活动工具的进步和发展是在满足人们需求的客观条件下进行的。

在当代科技革命的浪潮中,工业革命给人类带来了生产力的解放,但其目的是解放人类的体力劳动。虽然它有利于智力的发展,但它毕竟不是人脑的解放。为了满足人们更好地认识和改造世界的需要,人们大力发展计算机技术、信息技术、网络技术、虚拟现实技术等新技术,以满足人类生存和发展的需要。新的需求促成了新的历史环境,新的历史环境产生了新的需求。网络虚拟认知的产生也离不开新的历史条件下人类现实生存和发展的需要。

网络虚拟认知的发生场虽然是以《数字化符号》为中介的非现实、非主观的赛博空间,但它仍然是人们认识和改造世界的活动空间,满足人们的需求仍然是其运作的内在动因。认知中介是连接认知结构两极的桥梁,承担着认知能力的发挥。人的自然认知能力是有限的,但认知中介可以无限发展。第一,材料认知中介的高精度。如显微镜、望远镜、光谱分析仪、粒子对撞机等科学仪器。这些仪器极大地提高了人类的认知能力。第二,智力。随着电子计算机的发展,智能机器可以通过操作模拟人脑的思维,并具有创造性思维的计算程序。例如代替人类执行危险任务、翻译、逻辑计算、数据检索等,已经超出了人类的自然认知能力。认知中介认知能力的发展不仅可以提高认知能力,而且可以更新认知模式,改变认知结构。网络虚拟认知是基于技术中介的发展,为人类活动创造了新的活动空间。网络虚拟认知的主体和客体也在这一新的活动空间中形成。

的虚拟技术是什么?在西方学术界被称为虚拟现实和虚拟实在。它写的是“Virtual Reality”,缩写为“VR”。当用于非哲学领域时,它被视为一种现代科学技术,因此也被称为“虚拟技术”。虚拟技术是计算机技术、信息技术、网络技术等计算机技术。它以bit数据与0和1相结合的形式,人工模仿和再现自然和人类生活,重新整合和创造赛博空间现实世界中的客观存在和主观世界中的精神存在。世界是用符号来表示的,世界是可以计算的。虚拟技术反映了这一说法,它通过信息转换和计算机符号处理,推动了信息时代世界从语言文字符号的符号化向数字化的转变。网络虚拟认知技术是在虚拟技术的基础上发展起来的,它具有三个必要的要素:形象、互动和行为。

。网络虚拟认知对象不仅以文本和二维图像的形式出现,还包括三维图像显示和沉浸式观察相结合的虚拟现实技术。认知主体能够深刻地观察和真实地模拟现实世界的客观存在和主观想象,使认知对象能够把握虚拟对象的内部和外部概念。

。首先,认知主体摆脱了时间和空间的限制,人们可以通过传播信号在外部客观世界的任何地方获得另一个地方的新闻。通过虚拟技术使主体认知即使在蒂芙尼早餐中,第二点也是认知主体能够根据自己的意愿和需要,及时、清晰、积极地选择更合适的认知对象。第三,认知主体可以控制认知对象,并以不同于现实生活的多种方式与虚拟对象互动。

。它们可以自己运行,也可以根据用户的需要运行。虚拟物体的行为要么服从现实世界的可能性,要么实现现实世界的不可能性,这被称为“虚拟实在体系的自治”。

这三个基本要素的相互作用使使用者的意识产生错觉,并将虚拟现实与现实混为一谈。麦克卢汉认为,“感官的需求水平满足在决定技术的价值和效用方面起着重要作用。技术对人类感知和认知方式的影响决定了虚拟现实的技术本质。”认知的基础在于感官的反映。虚拟技术扩展了人类的感官,使人们能够以不同的方式接收外部世界的信息。虚拟技术的实现使认知主体能够在一个非封闭、非聚集、非确定性、非排他性的虚拟社会中理解客观存在,探索可能性和不可能性。它极大地扩展了人类对现实世界特别是未知世界的感知和理解,从而深刻地改变了人类感知和理解的方式。

的认知主体在虚拟技术的帮助下发生了巨大的发展和变化。新的表现形式和认知方式已经出现。在虚拟技术的支持下,认知主体呈现出虚拟性、匿名性、移动性和多样性等新特征。虚拟技术使认知主体在现实世界中突破自然和社会对人类认知能力的限制,创造一个探索事物存在和发展多种可能性的空间,充分发挥人的本质力量和超越属性。人机结合——人机交互的出现,极大地扩展了人们的认知能力,扩展了人们的思维方式现代化背景下人们的生存和发展环境,在人机结合的帮助下,人类认知活动的效率也得到了有效的提高。同时,虚拟社会中的认知对象以虚拟技术为中介,以非现实、非主体的形式存在,成为虚拟对象。网络虚拟认知对象以“数字化符号”为物质载体,向主体呈现对象的信息和意义。它反映了一种“难以名状的”与“虚拟的”的关系现实。作为认知主体的认知对象,它既不现实,也不主观。它是人们在现实世界中对体验对象的模拟和转换。它可以被创造和想象,不再是受动的和消极的的认知对象。

。它是人们现实的认知活动。基于虚拟技术在赛博空间的延伸,是人们认知能力的增强。科技革命的发展和信息时代的到来为我们创造了虚拟技术。正如恩格斯所说,“每个时代的理论思维,也就是我们这个时代的理论思维,都是历史的产物,在不同的时代有着完全不同的形式和内容。”正是信息时代的科技革命使人们的理解有了新的形式和内容。虚拟技术为我们创造了一个新的人类活动空间。在这个空间里,我们仍然有爱、恨、爱和恨,还有实践互动,包括概念反思、对对象的把握和创造、我们自己的角色,甚至行为准则。人们将真实活动的行为范式复制到这个非主观、非真实的空间中。网络虚拟认知肯定了人作为认知主体的主体性和作为认知客体的客观性。网络虚拟认知虽然不是一个物理的客观现实社会,但它决不是抽象的主观意识概念。

认为,网络虚拟认知的运行机制不仅如张明仓所说:“需要牵引和技术提升”是人们固有认知机制的延伸。它们相互作用、相互联系,为网络虚拟认知在当代的兴起提供了基础和基础。习近平总书记指出:当今世界中,信息技术革命日新月异,对国际政治、经济、文化、社会、军事等领域的发展产生了深刻影响。信息化与经济全球化相互促进,互联网已经融入社会生活的各个方面,深刻地改变了人们的生产和生活方式。“网络化、数字化智能世界改变了我们的实践方式和社会存在形式,我们的认知方式也发生了重大变化。本文深入探讨了网络虚拟认知的运行机制,以期进一步分析“虚拟认识”这一新认知形态的要素和特征,为共建“网络空间命运共同体”做基础研究,满足人们更好地追求“数字生存”的愿望。[1]夏甄陶。认识论导论[M]。北京:人民出版社,1986年。

[2]龚振黔。人类活动研究[M]。贵阳:贵州人民出版社,2000年。

[3]马克思恩格斯全集:第49卷[M]。北京:人民出版社,1979。

[4]马克思恩格斯全集:第3卷[M]。北京:人民出版社,1960年。

[5]黑格尔。法哲学原理[M]。北京:商务印书馆,1997年。

·

[6]马克思恩格斯全集:第25卷[M]。北京:人民出版社,1974。

[7]马克思恩格斯选集:第4卷[M]。北京:人民出版社,1995年。

·

[8]龚振黔。论虚拟活动的基本形式[J]。国际红十字杂志,2017(02)。

[9]龚振黔。论人类虚拟活动的运行机制[J]。贵州社会科学,2017(03)。

第15篇

关键词 虚拟制造 虚拟现实技术 典型虚拟制造技术

一、虚拟制造的定义及特点

虚拟制造是20世纪80年代后期美国首先提出来的一种新思想,它是利用信息技术、仿真技术、计算机技术等对现实制造活动中的人、物、信息及产品设计、工艺规划、加工制造等生产过程进行全面的仿真,以发现制造中可能出现的问题,预测、检测、评价产品性能和产品的可制造性等,在产品实际生产前就采取预防措施,确保产品一次性开发成功,以达到降低成本、缩短产品开发周期、增强企业竞争力的目的。

虚拟现实 ( VR, Virtual Reality) 技术是使用感官组织仿真设备和真实或虚幻环境的动态模型生成或创造出人能够感知的环境或现实, 使人能够凭借直觉作用于计算机从而产生三维仿真模型的虚拟环境。基于虚拟现实技术的虚拟制造 (VM,Virtual Manufacturing) 技术是在一个统一模型之下对设计和制造等过程进行集成, 它将与产品制造相关的各种过程与技术集成在三维的、动态的仿真真实过程的实体数字模型之上。虚拟制造强调虚拟现实在设计和制造过程仿真中的应用,强调以一种可视化的直观的方式增进技术人员对所设计的产品或过程的理解,从而发现其中的问题。虚拟制造并不是真实的制造过程。它不产生真实产品,基本不消耗材料和能量,而是利用制造对象、制造资源和制造过程的模型来展现“制造”的本质过程。

二、虚拟制造技术的应用

1.虚拟制造技术在国内外的应用情况

虚拟制造在工业发达国家, 如美国、德国、日本等已得到了不同程度的研究和应用。在这一领域, 美国处于国际研究的前沿。福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司在新型汽车的开发中已经应用了虚拟制造技术, 大大缩短了产品的时间。波音 777,其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均是在计算机上完成的,其开发周期从过去的 8 年缩短到 5 年;Chrycler 公司与 IBM 合作开发在虚拟制造环境用于其新型车的研制,在样车生产之前,即发现其定位系统及其他许多设计有缺陷,从而缩短了研制周期。

在我国, 清华大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等科研教学单位也已经开展了这一领域的研究工作。当前我国虚拟制造应用的重点研究方向是基于我国国情, 进行产品的三维虚拟设计、加工过程仿真和产品装配仿真, 主要是研究如何生成可信度高的产品虚拟样机,在产品设计阶段能够以较高的置信度预测所设计产品的最终性能和可制造性。

2.虚拟制造技术在机械制造中的应用

(1)虚拟企业。虚拟企业是指分布在不同地区的多个企业利用电子手段,为快速响应市场需求而组成的动态联盟,是组织、人力、技术、信息等资源在完善的网络组织结构基础上的有效集成。这种企业组织和生产模式可克服窨和时间的局限性,保持集中和分散之间稳定、合理的平衡,具备系统优化组合和有效协调的优越性。

(2)虚拟产品设计。例如飞机、汽车的外形设计,其形状是否符合空气动力学原理、运动过程的阻力、其内部结构布局的合理性等。在复杂管道系统设计中,彩虚拟技术,设计者可“进入其中”进行管道布置,并可检查是否发生干涉。这样可提高设计效率,尽早发现设计中的问题,从而优化产品设计。例如波音777飞机有300万个零件,这些零件的设计以及整体设计在一个由数百台工作站组成的虚拟环境中得以成功运行。这个VMS是在原有的Boing-CAD的基础上建立。设计师戴上头盔显示器后,能进入虚拟“飞机”中,审视其各项设计。过去为造实体模型需60万美元,应用VMT 后,节省了经费,缩短了研制周期,使最终的实际飞机与原方案相比,偏差小于1%,且实现机翼和机身结合的一次成功,缩短数千小时的设计工作量。

(3)虚拟产品制造。应用计算机仿真技术,对零件的加工方法、工序顺序、工装的选用、工艺参数的选用,加工工艺性、装配工艺性、配合件之间的配合性、运行物件的运动性等均可建模仿真, 提前发现加工缺陷和装配时出现的问题,从而优化制造过程、提高加工效率。

(4)虚拟生产过程。产品生产过程的合理制定,人力资源、制造资源、物料库存、生产调度、生产系统的规划设计等,均可通过计算机仿真进行优化,同时还可对生产系统进行可靠性分析,对生产过程的资金进行分析预测,对产品市场进行分析预测等,从而对人力、制造资源的合理配置,对缩短生产周期、降低生产成本意义重大。John Deere公司运用VMT进行弧焊生产系统的安装,EDS 公司应用DENEB 软件为通用汽车公司的中、高档毫华汽车分厂进行装配生产优化设计,GM 公司也为此节省数百万美元,并提前了上市时间。

3.典型的虚拟制造技术

(1)虚拟装配。装配是产品设计开发过程中的重要环节,虚拟装配则是装配过程在计算机上的本质实现,因而是虚拟装配的重要组成部分。它能够基于产品的数字化实体模型,在计算机上分析与验证产品的装配性能及工艺过程,从而提高产品的可装配性。

虚拟装配模型是分析装配问题的基础,因此,面向装配过程的、支持虚拟装配中各种需要的产品装配模型在虚拟装配中十分重要,模型的特点和优劣在很大程度上决定了系统所能实现的功能。

(2)多学科协同仿真。多学科协同仿真就是要在系统工程理论的指导下,基于复杂产品中各个学科之间的内在交互关系,将位于不同地点、基于不同计算机平台、采用不同建模方法建立的混合异构仿真模型,在分布式环境中联合起来进行多学科协同仿真。

(3)虚拟车间布局设计。制造系统的布局设计就是在企业经营策略的指导下, 针对生产过程, 将人员物料及所需的相关设备设施等,做最有效的组合和规划,并与其他相关设施协调, 以期获得安全、效率与经济的操作, 满足企业经营需求。运用面向对象的模拟仿真,可以帮助使用者建立用于规划、设计和流程优化的虚拟模型,依据不同决策变量之组合, 分析设备使用率、系统产能、有效产出率, 以及交货期、成本等策略, 达到产能最大化、排程最优化、半成品及库存最小化等目标。

参考文献:

[1]李京平.模具现代制造技术概论[M].北京市:机械工业出版社,2008

[2]韩宝菊,王卫东.虚拟制造技术及应用[J].液压气动与密封.2010

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