【文章內容簡介】 機從設計到原型制造一般需要多則十年，少則七八年，采用了全新的并行產品定義的概念，實現了五年從設計到一次試飛成功的目標。波音實施并行工程的主要方法和技術有：l 按飛機的部件組成了 200多個集成產品開發(fā)團隊l 通過并行產品定義（ CPD）技術，實施改進的產品開發(fā)流程l 大量應用 CAD/CAM技術，做到無圖紙生產l 應用仿真技術與虛擬現實技術三、并 行 工 程 Advanced Manufacturing Technology 先進制造新概念先進制造新概念1 智能制造2 敏捷制造3 并行工程4 虛擬制造5 快速原型技術6 綠色制造7 先進制造技術發(fā)展趨勢 Advanced Manufacturing Technology 虛擬加工技術虛擬裝配技術 虛擬車間技術 四、虛 擬 制 造 Advanced Manufacturing Technology 虛擬加工技術 早在 20世紀 60年代，數控機床就已經獲得了應用。 70年代就有了自動編程技術 APT。 70年代后期 CAD也獲得了廣泛的的錯誤率應用。但是實現 CAD和 CAM的集成是一種始終復雜的工作。所以在實際的制造系統(tǒng)中，經過 CAD/CAM的零件，在正式加工之前，一般要進行試切這一步驟。試切的過程也就是 CAD/CAM/ NC系統(tǒng)生成的 NC程序的檢驗過程。隨著 NC編程的復雜化， NC代碼也越來越高。如果 NC程序生成不正確，就會造成過切、少切，或加工出廢品，也可能發(fā)生零件與刀具，刀具與夾具，刀具與工作臺的干涉和碰撞，這顯然是十分危險的。傳統(tǒng)的試切時采用塑模、臘?；蚰灸Ｔ趯Ｓ迷O備上進行的。這不但浪費人力物力，而且延緩了生產周期，增加了產品開發(fā)成本，降低了生產效率，極大影響系統(tǒng)性能。四、虛 擬 制 造 Advanced Manufacturing Technology 虛擬加工 是實際加工在計算機上的本質實現，一般采用三維實體仿真技術。在三維實體仿真軟件 (亦稱為加工過程仿真器 )的支持下，以 NC代碼為驅動，數控指令翻譯器對輸入的Nc代碼進行語法檢查、翻譯。根據指令生成相應的刀具掃描體，并在指令的驅動下，對刀具掃描體與被加工零件的幾何體進行求交運算、碰撞干涉檢查、材料切除等，并生成指令執(zhí)行后的中間結果，所有這些虛擬加工過程均可以在計算機屏幕上通過三維動回顯示出來。指令不斷執(zhí)行，每一條指令的執(zhí)行結果均可保存，以便查驗，直到所有指令執(zhí)行完畢，虛擬加工任務結束。 四、虛 擬 制 造 Advanced Manufacturing Technology 虛擬加工過程仿真器應包括以下幾個主要的功能模塊 (1)幾何建模 ?？蛇M行加工中心設備的幾何建模，包括簡單體宏定義和裝配以形成構成加工中心設備的主軸 (箱 )、工作臺、換刀機械手、導軌及其他部分幾何模型，可對簡單零件和毛坯進行幾何建棋或從其他 cAD／ cAPP／ cAM系統(tǒng)轉換零件的幾何模型，可實現工件毛坯及夾具在拖盤上的裝夾定義。 (2)機床定義 。對機床幾何模型賦予加工鈾、刀庫、主軸、工作臺等邏輯定義。 (3)刀庫定義 ?？蓪︾H、銑、鉆、車削等用的各類刀具參數進行定義和管理。 四、虛 擬 制 造 Advanced Manufacturing Technology (4)加工任務設置。 包括刀庫定義、工件裝夾、零偏設置、 NC代碼加載等。 (5)Nc代碼翻譯轉換。 可支持多種控制器的 Nc代碼解釋，不僅可提取出驅動加工中心設備模型運動的數據，而且可提取各種加工狀態(tài)信息和工步信息，以支持工件材料切除的計算。 (6)加工過程仿真。 用動畫展現加工過程中材料切除的過程和設備的工作狀態(tài)，并支持 Nc代碼窗口調試能力，檢查刀具與夾具和工作臺的碰撞及過切、少切現象．檢查無效的 NC代碼動作、進給和切削用量的合理性。 (7)成品檢驗。 對加工后的工件幾何模型進行各種測量。四、虛 擬 制 造 Advanced Manufacturing Technology 虛擬加工 —— 數控機床的幾何建摸 機械設備的幾何建模包括零件的幾何建模和設備的幾何建摸。在單個零件的幾何建模方面，一般以 csG和 B—rep 表示或兩者的混合表示為基礎。建模方法中有簡潔易行的平掃法、回轉法，還有特征造型和參數化造型方法。在機械設備建模方面，一般采用兩種方法來表示裝配體中組成元件之間的相互關系。一類是宜接存儲元件之間的相互位置信息，如齊次變換矩陣 35一種方法是只存儲組件之間的配合、連接等裝配信息。對數控機床的幾何表示目前還沒有一個較為治確酌模型，數控機床有它自己的結構特點，它的幾何模型既要適應加工過程中的快速顯示，又要便于描述它的運動，建立它的運動模型。四、虛 擬 制 造 Advanced Manufacturing Technology 虛擬加工 —— 數控機床的運動學模型和刀具管理 目前，機械系統(tǒng)的運動學建模方法很多，但對于數控機床的仿真運動模型的描述研究還比較少。對于刀具的管理，目前已有一些研究．主要集中在刀庫存儲管理、刀具標準化、刀具的加工設置、對刀具員優(yōu)化加工條件、刀具在刀架上的排列和刀具的磨損監(jiān)控等何題，人們也作了研究。雖然刀具涉及的問題報復雜，但針對具體情況提出的理論和方法往往是有效的。 四、虛 擬 制 造 Advanced Manufacturing Technology 虛擬加工 —— 數控程序約分析處理 Nc代碼翻譯器用于指揮虛擬機床的動作和狀態(tài)，機床的一切動作和狀態(tài)都要受 NC代碼翻譯器的控制。 20世紀 70年代以來，隨著數控圖形編程和實體顯示技術的迅速發(fā)展，對 Nc代碼翻譯器的需求也日益強烈。目前的 Nc代碼翻譯器為專用翻譯器，即只適用于其一類數控系統(tǒng)。四、虛 擬 制 造 Advanced Manufacturing Technology 虛擬加工 —— 運動物體的碰撞檢測和加工件的逐步成形 運動物體的幾何碰撞十涉檢驗算法的研究在圖形學、起動物體仿真和規(guī)劃，以及制造系統(tǒng)的編程與控制中占據著極其重要的地位。碰撞檢測算法一般可根據其采用的表示模型來劃分。成形的算法大都是以 B— ， eP幾何表示模型為基礎的，碰撞檢測是由連續(xù)的表面和形體的相交測試來實現的。顯然，這種算法計算時間取決于物體表而的數量，運算效率比較低。為了提高效率．人們在八叉樹的基礎上提出一種快速算法和以層次球狀為基礎的碰撞檢驗算法。四、虛 擬 制 造 Advanced Manufacturing Technology 四、虛 擬 制 造 Advanced Manufacturing Technology 虛擬裝配技術 裝配是產品開發(fā)活動中最具影響力的一個環(huán)節(jié)?，F代產品的競爭是性能、質量、價格、上市時間、外觀形狀、售后服務等多種因素的綜合競爭，所有這些因素無不與裝配存在密切聯系。產品的質量是由設計師設計擬定的，由制造階段提供保證，并由裝配階段具體落實的。裝配質量的好壞直接反映在產品的性能、質量上。 四、虛 擬 制 造 Advanced Manufacturing Technology 20世紀 90年代， 并行工程 (CE)和 虛擬制造 (VM)技術的興起導致了產品設計的廣義化，許多處于下游階段的活動如制造、裝配、測試、質量控制等都可望在產品設計的同時并行考慮。在此背景下，裝配設計范圍自然擴展為產品生命周期中與裝配有關的各種活動。從這個意義上講，產品裝配結構設計、裝配公差分析與綜合、裝配工藝規(guī)劃 (APP)、裝配系統(tǒng)規(guī)劃 (ASP)等，均應是廣義的裝配設計范圍，實際上，它是一種基于三維數字模型的集成化裝配設計，亦稱為 虛擬裝配。 四、虛 擬 制 造 Advanced Manufacturing Technology 虛擬裝配技術的內涵 虛擬裝配是虛擬產品開發(fā)過程中至關重要的一環(huán)，是一項涉及到零部件構型與布局、材料選擇、裝配工藝規(guī)劃、公差分析與綜合等眾多內容的復雜、綜合性工作，其作用和地位可歸結為如下幾個方面， (1)擬定結構方案，優(yōu)化裝配結構。 這是裝配設計的外在表現，裝配設計的基本任務是從原理方案出發(fā)在各種因隸制約下尋求裝配結構的員優(yōu)解，由此擬定裝配草圖。 (2)改進裝配性能，降低裝配成本。 基本要求是確保產品的軍部件能夠裝配到位；進一步的要求是確保產品裝配能夠比較容易實現，即裝配成本盡可能低廉。四、虛 擬 制 造 Advanced Manufacturing Technology (3)產品可制造性的基礎和依據。 制造的最終目的是能夠形成滿足用戶要求的產品，考慮可裝配性必須先于可制造性一旦離開了產品可裝配這一前提，談論可制造性便是毫無意義的，因而虛擬裝配是產品可制造性的出發(fā)點。 (4)產品并行設計的技術支持和保障。 產品并行設計是讓下游有關活動盡早融匯到上游的過程中來，使下游的有關因素能在設計早期加以考慮。這種融匯是通過諸如 DFx等技術來具體實現和保證的，裝配在生產過程中的支配地位確定了虛擬裝配的龍頭作用。 四、虛 擬 制 造 Advanced Manufacturing Technology 虛擬裝配的定義 為：虛擬裝配是裝配過程在計算機上的本質實現，是基于產品的數字化實體模型，在計算機上分析與驗證產品的裝配性能及工藝過程，從而提高產品的可裝配性。裝配在此有雙重合義，一是由零部件組成的好態(tài)的裝配體，二是該裝配體的形成過程。 虛擬裝配以裝配對象 (產品及其零部件 )的三維實體模型為基礎，通過虛擬的實體模型在計算機上仿真裝配操作的全過程，進行裝配操作及其相關特性的系統(tǒng)分析，實現產品的裝配工藝規(guī)劃，并得到能指導實際裝配操作的工藝文件。它是實際裝配過程在虛擬環(huán)境下的映射，因此，從本質上講，虛擬裝配就是要在產品設計階段，利用計算機裝配出 “虛擬產品 ”，以可視化方式驗證、展示和完善產品及其零部件的可裝配性。 四、虛 擬 制 造 Advanced Manufacturing Technology 作為一個新興研究領域，虛擬裝配實際上是多種技術的結合，其發(fā)展與 產品設計方法學 、 可視化技術 、 仿真技術 、決策技術 、 裝配和制造技術 ，以及 裝配和制造設備 的發(fā)展等等緊密相關。 四、虛 擬 制 造 Advanced Manufacturing Technology 裝配信息建模從虛擬制造 (VM)和虛擬產品開發(fā) (VPD)的觀點來看，裝配模型應該是一種集成化的信息模型，原則上支持面向全生命周期產品設計過程中與裝配有關的所有活動和過程，包括產品定義、生產規(guī)劃和過程仿真中與裝配相關的各個子過程。四、虛 擬 制 造 Advanced Manufacturing Technology 裝配模型的信息組成 建立產品裝配模型的目的是為面向裝配的產品設計提供信息來源和存取機制。裝配模型不僅要處理設計系統(tǒng)的輸入信息，還應能處理設計過程的中可信息和結果信息，因此裝配模型信息應隨設計過程的推進而逐漸豐富和完善。 裝配模型信息主要由 6個方面的內容組成 : 管理信息； 幾何信息；拓撲信息； 工程語義信息；裝配工藝信息； 裝配資源信息 四、虛 擬 制 造 Advanced Manufacturing Technology 裝配資源 是用以實施裝配／拆卸操作的各種工具、夾具和輔具等，它們在裝配／拆卸操作中對裝配元件起到夾取、運輸、操縱和測試的作用，在產品生命周期的制造、維護和回收等環(huán)節(jié)中有著非常重要的意義。 某些情況下，由于產品設計階段沒能充分考慮裝配資源這一因素的制約，后續(xù)階段為了實施產品或部件的裝配／拆卸操作，往往不得不設計出專用的工具、夾具或輔具，用以解決遇到的各種問題，這無疑在很大程度上增加了產品實現的成本。因此，產品的設計者和裝配工藝規(guī)劃人員必須充分考慮裝配資源的合理配置，才能實現裝配工藝規(guī)程的員優(yōu)化，保證裝配質量和裝配效率，從而降低產品裝配成本和產品的總成本。 四、虛 擬 制 造 Advanced Manufacturing Technology 裝配資源建模的目的裝配資源建模的主要目的 ，是為了確定一種機制，使裝配資源能夠快捷有效地介入、操作和退出，從而為考慮裝配資源約束的裝配工藝規(guī)劃和仿真提供虛擬裝配工作環(huán)境。四、虛 擬 制 造 Advanced Manufacturing Technology 四、虛 擬 制 造 Advanced Manufacturing Technology 虛擬車間技術 虛擬車間 定為各種類型的軟件、建模工具及支持在制造領域內解決各種問題的方法學集成的一種隱喻。它保證產品設計在制造階段的成功實施，是一個計劃 仿真 優(yōu)化生產系統(tǒng)的過程，具有設計、測試、分析、優(yōu)化生產布局、生產線的可靠度的能力，實現快速、低成本、高質量地完成所設計的產品的制造生產。他研究如何在企業(yè)已有資源的約束下，進行生產環(huán)境的布局及設備集成、企業(yè)生產計劃及調度的優(yōu)化、基于虛擬樣機的工藝規(guī)劃及生產過程仿真等研究。 四、虛 擬 制 造 Advanced Manufacturing Technology 虛擬車間 研究的內容包括