第6章-虚拟制造技术-先进制造技术课件

第第1 1章章 绪论绪论第第2 2章章 制造自动化技术制造自动化技术第第3 3章章 微细加工技术微细加工技术第第4 4章章 快速原型技术快速原型技术第第5 5章章 工业机器人工业机器人第第6 6章章 虚拟制造技术虚拟制造技术第第7 7章章 纳米技术纳米技术第第8 8章章 压电驱动与控制技术压电驱动与控制技术第第9 9章章 绿色制造技术绿色制造技术第六章第六章 虚拟制造技术虚拟制造技术Virtual Manufacturing Technology第六章第六章 6.1 概述概述IntroductionVirtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU内内 容容一、一、虚拟制造的定义虚拟制造的定义二、二、虚拟制造的分类虚拟制造的分类三、三、虚拟制造系统的体系结构虚拟制造系统的体系结构四、四、虚拟制造的关键技术虚拟制造的关键技术五、五、虚拟制造技术在制造业中的应用虚拟制造技术在制造业中的应用Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU 虚拟制造技术就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测产品功能、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，包括产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检测等，并进行过程管理和控制。一、虚拟制造的定义一、虚拟制造的定义 虚拟制造最终提供的是一个强有力的建模与仿真环境，使得产品产品规划、设计、制造、装配等均可在计算机上实现，且对涉及生产过程的各个方面（从车间加工到企业经营）提供支持。Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU虚拟制造虚拟制造一、虚拟制造的定义一、虚拟制造的定义广义的制造（大制造）一切与产品相关的活动和过程，包括直接制造过程和间接制造过程 即“虚拟”的含义是指：这种制造技术虽然不是真实的，但却是本质上的，即虚拟制造是产品实际制造过程在计算机上的模拟实现，它通过计算机来实现制造的本质内容。Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU一、虚拟制造的定义一、虚拟制造的定义 虚拟制造最终提供的是一个强有力的虚拟制造最终提供的是一个强有力的建模与仿真建模与仿真环境环境，使得产品产品规划、设计、制造、装配等均可，使得产品产品规划、设计、制造、装配等均可在计算机上实现在计算机上实现，且对涉及生产过程的各个方面（从，且对涉及生产过程的各个方面（从车间加工到企业经营）提供支持。车间加工到企业经营）提供支持。虚拟制造要求虚拟制造要求对整个制造过程进行统一建模对整个制造过程进行统一建模，一，一个广义的制造过程不仅包括设计和制造，还包含了对个广义的制造过程不仅包括设计和制造，还包含了对企业生产活动的组织与控制。企业生产活动的组织与控制。Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU二、虚拟制造的分类二、虚拟制造的分类1以设计为中心的虚拟制造以设计为中心的虚拟制造 又称为“面向设计的虚拟制造”，它把制造信息引入到产品设计全过程，利用仿真技术优化产品设计，从而在设计阶段就可以对所设计的零件甚至整机进行可制造性分析。包括加工过程的工艺分析、铸造过程的热力学分析、运动部件的运动学分析和动力学分析，甚至包括加工时间、加工费用、加工精度等的分析等。以设计为中心的虚拟制造一般是在真三维环境下设计产品，模拟装配过程，实现产品的虚拟开发 Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU二、虚拟制造的分类二、虚拟制造的分类2以生产为中心的虚拟制造以生产为中心的虚拟制造 又称为“面向生产的虚拟制造”，它是在生产过程模型中融入仿真技术，以此来评估和优化生产过程，以便低费用、快速地评价不同的工艺方案、资源需求规划和生产计划等。其主要目标是对产品的其主要目标是对产品的“可生产性可生产性”进行评价，对制造资源和环境进进行评价，对制造资源和环境进行优化组合，从而提供更为精确的生产成本信息，对组织生产进行合理行优化组合，从而提供更为精确的生产成本信息，对组织生产进行合理化决策。化决策。Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU二、虚拟制造的分类二、虚拟制造的分类3以控制为中心的虚拟制造以控制为中心的虚拟制造 又称为“面向控制的虚拟制造”，它将仿真技术加到控制模型和实际生产过程中，实现虚拟制造系统的组织、调度和控制策略的优化，以及人工现实环境下虚拟制造过程中的人机智能交互与协同，达到优化制造过程的目的。其支持技术主要包括基于仿真的实时动态调度（对于离散系统）、基于仿真的最优控制（对于连续制造）等。其具体的实现工具是虚拟仪器，它利用计算机软硬件的强大功能，将传统的各种控制仪表、检测仪表的功能数字化，并可灵活地进行各种功能的组合。面向控制的虚拟制造偏重于现实制造系统的状态、行为、控制模式面向控制的虚拟制造偏重于现实制造系统的状态、行为、控制模式和人机界面，和人机界面，Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU二、虚拟制造的分类二、虚拟制造的分类以设计为中心的虚拟制造以设计为中心的虚拟制造 以生产为中心的虚拟制造以生产为中心的虚拟制造 以控制为中心的虚拟制造以控制为中心的虚拟制造“设计出来的产品是怎样”的问题“这样组织生产是否合理”的问题“应如何去控制”、“这样控制是否合理和最优”的问题 主要解决主要解决主要解决Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU二、虚拟制造的分类二、虚拟制造的分类Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU三、三、虚拟制造系统的体系结构虚拟制造系统的体系结构由于虚拟制造系统的复杂性，所构造的虚拟制造系统体系结构也不同。Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU三、三、虚拟制造系统的体系结构虚拟制造系统的体系结构虚拟制造的目标是对产品的“可制造性”、“可生产性”和“可合作性”进行决策支持。可制造性是指所设计的产品（包括零件、部件和整机）的可加工性（铸造、冲压、焊接、切削等）和可装配性 可生产性是指企业在已有资源（广义资源，如：设备、人力、原材料等）的约束条件下，如何优化生产计划和调度，以满足市场或顾客的要求 可合作性是指企业之间构建各种不同的动态联盟，从而对“敏捷制造”等制造模式提供支持。Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU1虚拟现实技术虚拟现实技术四、四、虚拟制造的关键技术虚拟制造的关键技术 虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）是指由计算机直接把视觉、听觉和触觉等多种信息合成，并提示给人的感觉器官，在人的周围生成一个三维的虚拟环境，从而把人、现实世界和虚拟空间结合起来融为一体，相互间进行信息的交流和反馈的技术。Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU2制造系统建模制造系统建模四、四、虚拟制造的关键技术虚拟制造的关键技术制造系统是制造工程及其所涉及的硬件及其相关软件组成的具有特定功能的一个有机整体，其中硬件包括人员、生产设备、材料、能源和各种辅助装置，软件包括制造理论、制造技术（制造工艺和制造方法等）和制造信息等。Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU3虚拟产品开发虚拟产品开发四、四、虚拟制造的关键技术虚拟制造的关键技术又称为产品的虚拟设计或数字化设计，主要包括实体建模和仿真两个方面，它是利用计算机来完成整个产品的开发过程，以数字化形式虚拟地、可视地、并行地开发产品，并在制造实物之前对产品结构和性能进行分析和仿真，实现制造过程的早期反馈，及早地发现和解决问题，减少产品开发的时间和费用。Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU4 4制造过程仿真制造过程仿真四、四、虚拟制造的关键技术虚拟制造的关键技术具体的生产过程仿真又包括：具体的生产过程仿真又包括：加工过程仿真、装配过程仿真和检测过程仿真等。加工过程仿真、装配过程仿真和检测过程仿真等。制造过程仿真可分为：制造过程仿真可分为：制造系统仿真和具体的生产过程仿真。制造系统仿真和具体的生产过程仿真。Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU四、四、虚拟制造的关键技术虚拟制造的关键技术加工过程仿真（虚拟加工）加工过程仿真（虚拟加工）主要包括产品设计的合理性和可加工主要包括产品设计的合理性和可加工性、加工方法、机床和切屑工艺参数的选择以及刀具和工件之间性、加工方法、机床和切屑工艺参数的选择以及刀具和工件之间的相对运动仿真和分析。的相对运动仿真和分析。装配过程仿真（虚拟装配）装配过程仿真（虚拟装配）是根据产品的形状特征和精度特征，是根据产品的形状特征和精度特征，在虚拟环境下对零件装配情况进行干涉检查，发现设计上的错误，在虚拟环境下对零件装配情况进行干涉检查，发现设计上的错误，并对装配过程的可行性和装配设备的选择进行评价。并对装配过程的可行性和装配设备的选择进行评价。检测过程仿真（虚拟检测）检测过程仿真（虚拟检测）是模拟真实产品的检测过程，如零件是模拟真实产品的检测过程，如零件几何尺寸和公差的检测。虚拟仪器是目前虚拟检测技术的研究热几何尺寸和公差的检测。虚拟仪器是目前虚拟检测技术的研究热点。点。Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU美国美国Boeing Boeing 公司的波音公司的波音777777客机客机 全面实现了数字化设计和制造全面实现了数字化设计和制造五、五、虚拟制造技术在制造业中的应用虚拟制造技术在制造业中的应用Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU我国研制的超七战机我国研制的超七战机 超七飞机全面采用数字化设计，利用CATIA、UG等软件对超七飞机230余项零部件进行结构设计、工艺模型设计、数控程序设计、虚拟加工仿真和数控加工。五、五、虚拟制造技术在制造业中的应用虚拟制造技术在制造业中的应用Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU热加工工艺模拟热加工工艺模拟虚拟样机与产品工作性能评测虚拟样机与产品工作性能评测产品广告与漫游产品广告与漫游企业生产过程仿真与优化企业生产过程仿真与优化虚拟企业的可合作性仿真与优化虚拟企业的可合作性仿真与优化五、五、虚拟制造技术在制造业中的应用虚拟制造技术在制造业中的应用虚拟制造技术应用效果比较明显的领域有：虚拟制造技术应用效果比较明显的领域有：产品外形设计产品外形设计产品布局设计产品布局设计产品运动学和动力学仿真产品运动学和动力学仿真产品装配仿真产品装配仿真加工过程仿真加工过程仿真第六章第六章 6.2 虚拟产品建模技术虚拟产品建模技术 Virtual ModelingVirtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU内内 容容一、一、计算机几何建模技术计算机几何建模技术二、二、计算机特征建模技术计算机特征建模技术三、三、参数化建模和变量化建模技术参数化建模和变量化建模技术Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU1 1、几何建模的基本知识、几何建模的基本知识2 2、线框建模、线框建模3 3、曲面建模、曲面建模4 4、实体建模、实体建模一、计算机几何建模技术一、计算机几何建模技术Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU1、几何建模的基本知、几何建模的基本知识1 1）几何建模的基本概念）几何建模的基本概念 就是用计算机及其图形系统来表示和就是用计算机及其图形系统来表示和构造形体的几何形状，建立计算机内部模构造形体的几何形状，建立计算机内部模型的过程。型的过程。2 2）几何元素的定义）几何元素的定义 几何信息的基本元素包括点、线、面、体等。几何信息的基本元素包括点、线、面、体等。Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU 点点点点三种类型 控制点控制点：用来确定曲线和曲面的位置与形状，而相应用来确定曲线和曲面的位置与形状，而相应 曲线和曲面不一定经过的点。曲线和曲面不一定经过的点。型值点型值点：用来确定曲线和曲面的位置与形状，而相应用来确定曲线和曲面的位置与形状，而相应 曲线和曲面一定经过的点。曲线和曲面一定经过的点。插值点：插值点：为提高曲线和曲面的输出精度，在型值点之为提高曲线和曲面的输出精度，在型值点之 间插入的一系列点。间插入的一系列点。1、几何建模的基本知识、几何建模的基本知识Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU 边边边边 边是边是1 1维几何元素，是两个邻面维几何元素，是两个邻面(正则形体正则形体)或多个邻面或多个邻面(非正则形体非正则形体)的交界。的交界。直线边由其端点直线边由其端点(起点和终点起点和终点)定界；曲线边由一系列型值点或控制定界；曲线边由一系列型值点或控制点表示，也可用显式、隐式方程表示。点表示，也可用显式、隐式方程表示。1、几何建模的基本知识、几何建模的基本知识 面面面面 面是二维几何元素，是形体上一个有限、非零的区域，由一个外面是二维几何元素，是形体上一个有限、非零的区域，由一个外环和若干个内环界定其范围。环和若干个内环界定其范围。一个面可以无内环，但必须有一个且只有一个外环。一个面可以无内环，但必须有一个且只有一个外环。面有方向性，一般用其外法矢方向作为该面的正向。若一个面的外面有方向性，一般用其外法矢方向作为该面的正向。若一个面的外法矢向外，此面为正向面；反之，为反向面。法矢向外，此面为正向面；反之，为反向面。Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU 体体体体 体是三维几何元素，是由封闭表面围成的维数一致的有效空间。体是三维几何元素，是由封闭表面围成的维数一致的有效空间。体可分为体可分为1 1）正则形体：）正则形体：2 2）非正则形体）非正则形体 ：把具有维数一致的边界定义的形体，把具有维数一致的边界定义的形体，称为正则形体。称为正则形体。边界面的维数不一致的形体，称为非正则形体。边界面的维数不一致的形体，称为非正则形体。其特征和正则形体正相反。其特征和正则形体正相反。1、几何建模的基本知识、几何建模的基本知识Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU1 1、几何建模的基本知、几何建模的基本知识 正则形体具有良好的边界，如没有悬边、悬面、或一条边有两个以上的邻正则形体具有良好的边界，如没有悬边、悬面、或一条边有两个以上的邻面等。面等。非正则形体实际上是不存在的且无法加工，因此建模中，应避免非正则形体实际上是不存在的且无法加工，因此建模中，应避免非正则形体的出现。非正则形体的出现。Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU2 2、线框建模、线框建模1 1）线框建模的原理）线框建模的原理利用基本线素来定义物体棱线部分的立体框架图。线框模型在计算机内部都是以边表、点表形式来描述和表达物体。顶点表边表边类型E1（V1，V2）直线V1（V1，V2）E2（V1，V2）直线V2（V1，V2）E3（V1，V2）半圆V3（V1，V2）E4（V1，V2）半圆物体的线框模型Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU2 2、线框建模、线框建模2 2）线框建模的特点）线框建模的特点 所需信息量最少，数据运算简单，运行速度快。边与边之间没有联系（没有构成面的信息）信息不完整，存在多义性。Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU3 3、曲面建模、曲面建模1 1）表面建模的原理）表面建模的原理 表面建模表面建模(Surface Modeling)(Surface Modeling)，是通过对物体的各种表面，是通过对物体的各种表面或曲面进行描述的一种三维建模方法。或曲面进行描述的一种三维建模方法。表面建模表面建模曲面建模曲面建模平面建模平面建模：将形体表面划分成一系列多边形网格，每：将形体表面划分成一系列多边形网格，每 个网格构成一个小的平面，用这一个网格构成一个小的平面，用这一系列小系列小 平面逼近形体的实际表面。平面逼近形体的实际表面。主要介绍曲面建模主要介绍曲面建模Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU3 3、曲面建模、曲面建模2 2）曲面建模的原理）曲面建模的原理 表面建模表面建模(Surface Modeling)(Surface Modeling)，是通过对物体的各种表面，是通过对物体的各种表面或曲面进行描述的一种三维建模方法。或曲面进行描述的一种三维建模方法。主要适用于不能用简单的主要适用于不能用简单的数学模型进行描述的复杂数学模型进行描述的复杂物体型面。物体型面。Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU其重点是：其重点是：由由给给出出的的离离散散点点数数据据构构成成光光滑滑过过渡渡的的曲曲面面，使使这这些些曲曲面面通过或逼近这些离散点。通过或逼近这些离散点。3、曲面建模、曲面建模几种常几种常用参数用参数曲线曲线(面面)贝赛尔贝赛尔(Bezier)B样条样条孔斯孔斯(Coonns)非均匀有理非均匀有理B样条样条(NURBS)以贝赛尔以贝赛尔(Bezier)曲面为曲面为例作简单介绍。例作简单介绍。Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU3 3）贝赛尔）贝赛尔(Bezier)(Bezier)曲线、曲面曲线、曲面 Bezier曲线曲面是法国雷诺汽车公司的Bezier在1962年提出的一种以逼近为基础的构造曲线、曲面的方法。3、曲面建模、曲面建模Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU Bezier Bezier 曲线的定义曲线的定义下图所示为三次下图所示为三次BezierBezier曲线的曲线的形成原理。形成原理。这是由四个位置矢量这是由四个位置矢量Q0Q0、Q1Q1、Q2Q2、Q3Q3定义的曲线。定义的曲线。通常将通常将Q0Q0、Q1Q1、QnQn组成的多边组成的多边形折线称为形折线称为 Bezier Bezier 控制多边形。控制多边形。多边形的第一条折线和最后一条折线多边形的第一条折线和最后一条折线代表曲线起点、终点的切线方向，其代表曲线起点、终点的切线方向，其它顶点用于定义曲线的阶次和形状。它顶点用于定义曲线的阶次和形状。3、曲面建模、曲面建模Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU BezierBezier曲线的数学表达式为：曲线的数学表达式为：3、曲面建模、曲面建模Bi，n（t）Bernstein（伯恩斯坦）基函数Qi各顶点的位置矢量Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU BernsteinBernstein（伯恩斯坦）基函数：（伯恩斯坦）基函数：QiQi 构成该曲线的特征多边形。构成该曲线的特征多边形。BernsteinBernstein基函数即为曲线上各点位置矢量的基函数即为曲线上各点位置矢量的调和函数。调和函数。3、曲面建模、曲面建模Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU 三次三次Bezier Bezier 曲线曲线(当当n n3 3时，即得三次时，即得三次Bezier Bezier 曲线表达式曲线表达式)Bezier Bezier 曲线的表达式3、曲面建模、曲面建模Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU 式中：3、曲面建模、曲面建模Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU 矩阵表示为：工程设计中，三次工程设计中，三次Bezier Bezier 曲线是应用最为广泛的曲线。曲线是应用最为广泛的曲线。3、曲面建模、曲面建模Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU三次三次BezierBezier曲线的变换矩阵：曲线的变换矩阵：3、曲面建模、曲面建模Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU Bezier Bezier 曲面曲面a)a)双三次双三次Bezier Bezier 曲面的构建曲面的构建 基本思想：基本思想：用一个参数用一个参数t t描述的向量函数可以表示一条空间曲线，描述的向量函数可以表示一条空间曲线，用两个参数用两个参数u u、v v描述的向量函数就能表示一个曲面，因此，描述的向量函数就能表示一个曲面，因此，可以直接由三次可以直接由三次BezierBezier曲线的定义推广到双三次曲线的定义推广到双三次BezierBezier曲面曲面的定义。的定义。3、曲面建模、曲面建模Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU如左图，如左图，四条四条Bezier Bezier 曲线曲线P Pi i(u(u)（i i0,1,2,3)0,1,2,3)，分，分别以别以Q Qjiji（j j0,1,2,30,1,2,3）为控制顶点。当四）为控制顶点。当四条曲线的参数条曲线的参数u=u*u=u*时，形成四点时，形成四点P P0 0(u*)(u*)、P P1 1(u*)(u*)、P P2 2(u*)(u*)、P P3 3(u*)(u*)。则由这四点构成则由这四点构成Bezier Bezier 曲线方程为：曲线方程为：3、曲面建模、曲面建模Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU 当当u*u*从从0 01 1发生变化时，发生变化时，P P（u*,vu*,v）为）为一条运动曲线，构成的曲面方程为：一条运动曲线，构成的曲面方程为：此即为双三次此即为双三次BezierBezier曲面方程。曲面方程。3、曲面建模、曲面建模Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU b)b)推广的推广的Bezier Bezier 曲面曲面设有设有P Pijij（i=0,1,2,i=0,1,2,m;jm;j=0,1,2,=0,1,2,n n）为）为（m+1m+1），（），（n+1n+1）个空间点列，则可以）个空间点列，则可以定义一张定义一张m mn n次次Bezier Bezier 曲面：曲面：3、曲面建模、曲面建模Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU 为伯恩斯坦基函数。为伯恩斯坦基函数。依次用线段连接点列依次用线段连接点列QijQij中相邻两点所形成的空间中相邻两点所形成的空间网格，称为网格，称为Bezier Bezier 曲面的特征多边形网格。曲面的特征多边形网格。3、曲面建模、曲面建模 式中，式中，Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU 4 4）几种简化曲面生成方法）几种简化曲面生成方法 线性拉伸面线性拉伸面 这是将一条剖面线这是将一条剖面线C(uC(u)沿方向沿方向D D滑动滑动所扫成的曲面。所扫成的曲面。3、曲面建模、曲面建模Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU 直纹面直纹面 给定两条相似的曲线，它们具有相同的次数和相同的节点矢量，将两条曲线上对应点用直线相连，就构成了直纹面。3、曲面建模、曲面建模Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU 旋转面旋转面 将定义的曲线绕某轴将定义的曲线绕某轴(如如z z轴轴)旋转旋转360360，就得到旋转面。，就得到旋转面。旋转面的特征是旋转面的特征是：与与Z Z轴轴垂直平面上的曲线是一个整圆。垂直平面上的曲线是一个整圆。3、曲面建模、曲面建模Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU 扫描面扫描面 沿导向曲线沿导向曲线(亦称控制曲线亦称控制曲线)扫描而形成的曲面。扫描而形成的曲面。它适于具有相同构形规律的曲面。它适于具有相同构形规律的曲面。3、曲面建模、曲面建模Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU1 1）实体建模的定义）实体建模的定义 实体建模是利用一些基本体素，如长方体、圆柱体、实体建模是利用一些基本体素，如长方体、圆柱体、球体、锥体、圆环体以及扫描体等通过集合运算球体、锥体、圆环体以及扫描体等通过集合运算(布尔运算布尔运算)生成复杂形体的一种建模技术。生成复杂形体的一种建模技术。实体建模主要包括两部分内容，即：实体建模主要包括两部分内容，即：体素的定义和描述体素的定义和描述 体素之间的布尔运算体素之间的布尔运算(并、交、差并、交、差)4、实体建模、实体建模Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU 基本体素基本体素 体素是现实生活中真实的三维实体。体素是现实生活中真实的三维实体。可通过少量参数进行描述的体素（如长、可通过少量参数进行描述的体素（如长、宽、高等），称为宽、高等），称为基本体素基本体素。组成体组成体素的基素的基本要素本要素1 1）少量参数）少量参数 2 2）基准点）基准点基准点用来定义基本体素在空间中的位置和方向。基准点用来定义基本体素在空间中的位置和方向。基准点可以位于一个顶点，也可位于一个面的中心。基准点可以位于一个顶点，也可位于一个面的中心。4、实体建模、实体建模a）b）c）f）g）h）i）e）W=RH=Rd）W=RH=RVirtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU 平面轮廓扫描体平面轮廓扫描体 由平面轮廓扫描法生成的体素，由平面轮廓扫描法生成的体素，称为平面轮廓扫描体。称为平面轮廓扫描体。基本思路：基本思路：由一个二维轮廓在空间平移由一个二维轮廓在空间平移或旋转扫描出一个实体。或旋转扫描出一个实体。前提条件：前提条件：要有一个封闭的平面轮廓。要有一个封闭的平面轮廓。该封闭轮廓可以沿着某一坐标方向移动或绕某一给定的轴旋转。该封闭轮廓可以沿着某一坐标方向移动或绕某一给定的轴旋转。4、实体建模、实体建模Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU 整体轮廓扫描体整体轮廓扫描体 使一个刚体在空间运动以产生新的物体形状。4、实体建模、实体建模Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU2)2)三维实体模型的计算机内部表示法三维实体模型的计算机内部表示法典型的描述典型的描述方式有：方式有：边界表示法边界表示法 空间单元表示法空间单元表示法 构造立体几何法构造立体几何法 半空间法等半空间法等 混合表示法混合表示法 4、实体建模、实体建模Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU 边界表示法（边界表示法（BR/BR/BrepBrep）Boundary Representation（BR/Brep）基本思想：基本思想：就把物体定义为封闭的边界表面围成的有限空间，这样一就把物体定义为封闭的边界表面围成的有限空间，这样一个形体可通过它的边界，即面的子集来表示。而每一个面个形体可通过它的边界，即面的子集来表示。而每一个面又通过边、边通过点、点通过三个坐标值来定义。又通过边、边通过点、点通过三个坐标值来定义。边界表示法强调的是形体的外表细节，详细记录了构成几何边界表示法强调的是形体的外表细节，详细记录了构成几何形体的所有几何、拓扑信息。形体的所有几何、拓扑信息。4、实体建模、实体建模Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU边界表示法的数据结构：边界表示法的数据结构：4、实体建模、实体建模Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU边界表示法的核心是平面，而边构边界表示法的核心是平面，而边构成了平面之间的关联。成了平面之间的关联。因此，边一般是两次存储。因此，边一般是两次存储。边界表示法的特点：边界表示法的特点：有关面、边、点的信息量多。有关面、边、点的信息量多。连接关系不清，信息冗余。连接关系不清，信息冗余。4、实体建模、实体建模Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU2)2)构造立体几何法（构造立体几何法（CSGCSG）Constructive Solid Geometry（CSG）是指通过基本体素及它们的集合运算是指通过基本体素及它们的集合运算(如并、交、差如并、交、差)，即，即通过布尔模型生成二叉树结构进行表示的建模方法。通过布尔模型生成二叉树结构进行表示的建模方法。基本思想：基本思想：将一个复杂物体视为由若干个简单基本体素的相加、相将一个复杂物体视为由若干个简单基本体素的相加、相减、相交所构成；各个基本体素不需再分解，而是直接存储减、相交所构成；各个基本体素不需再分解，而是直接存储在数据结构中。在数据结构中。4、实体建模、实体建模Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU构造立体几何法的特点：构造立体几何法的特点：计算机内部表示与物体的描述计算机内部表示与物体的描述和拼合运算过程密切相关，即存和拼合运算过程密切相关，即存储的主要是物体的生成过程，所储的主要是物体的生成过程，所以也称为以也称为过程模型过程模型。同一物体可通过两种完全不同的同一物体可通过两种完全不同的CSGCSG结构描述，结构描述，两者不仅应用的布尔运算不同，而且采用的基本体素两者不仅应用的布尔运算不同，而且采用的基本体素也不同。也不同。4、实体建模、实体建模Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU几何模型简单几何模型简单 采用树状结构表采用树状结构表示，最上面的结点对示，最上面的结点对应着被建模的物体。应着被建模的物体。4、实体建模、实体建模Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU 推演耗时、困难。推演耗时、困难。CSG CSG 数据结构可以方便地转换成其它的数据结构，反之则很数据结构可以方便地转换成其它的数据结构，反之则很难。难。CSGCSG法与法与BRepBRep法的主要区别：法的主要区别：CSGCSG法强调的是记录各体素进入拼合时的原始状态，法强调的是记录各体素进入拼合时的原始状态，而而BRepBRep法则强调记录拼合后的结果。法则强调记录拼合后的结果。4、实体建模、实体建模Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU3 3）混合模式）混合模式(Hybrid Model)(Hybrid Model)混合模式由两种不同的数据结构组成，可以相互补充。混合模式由两种不同的数据结构组成，可以相互补充。常用常用CSGCSG法与边界法混法与边界法混合使用。合使用。在原来在原来CSG CSG 树的结树的结点上再扩充一级边界点上再扩充一级边界数据结构，以便达到数据结构，以便达到实现快速图形显示的实现快速图形显示的目的。目的。4、实体建模、实体建模Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU1 1、特征（特征（FeatureFeature）的定义）的定义 特征就是一组具有确定约束关系的几何实体，特征就是一组具有确定约束关系的几何实体，它同时包含某种特定的语义信息。它同时包含某种特定的语义信息。产品特征形状特征工程语义信息产品特征形状特征工程语义信息几何拓扑信息几何拓扑信息包含设计制造包含设计制造过程的非几何过程的非几何信息信息综合概综合概念念二、计算机特征建模技术二、计算机特征建模技术Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU 因此，这种定义强调了特征的工程语义信息，既能表达设计人员设计意图，又具有相应的制造加工信息，因此特征建模技术成为CADCAM集成的核心技术。特征模型是建立在实体模型基础上，在已有几何信息上附加了诸如形位公差、尺寸公差、表面粗糙度、材料性能等制造信息。二、计算机特征建模技术二、计算机特征建模技术Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU“特征”概念的理解:特征不是完整的零件，也不是体素，只是某个或某几个加工表面。特征的分类与该表面加工工艺规程密切相关。如：小直径孔和大直径孔的加工方式不一样，因此应定义为两个不同的特征。二、计算机特征建模技术二、计算机特征建模技术Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU根据复杂程度，持征可分为：根据复杂程度，持征可分为：基本特征基本特征组合特征组合特征复合特征复合特征二、计算机特征建模技术二、计算机特征建模技术2、特征的分类、特征的分类 Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU基基本本特特征征形状特征形状特征精度特征精度特征装配特征装配特征分析特征分析特征材料特征材料特征形位公差、尺寸公差、表面光洁度等非几何信息。形位公差、尺寸公差、表面光洁度等非几何信息。规定了材料类型、强度、延展性、热导性等特性。规定了材料类型、强度、延展性、热导性等特性。包括装配体各零件的位置关系、公差配合、功包括装配体各零件的位置关系、公差配合、功能关系、动力学关系等。能关系、动力学关系等。有关工程分析方面的持征，如有限元分析中的有关工程分析方面的持征，如有限元分析中的梁特征和板类特征。梁特征和板类特征。后面叙述后面叙述二、计算机特征建模技术二、计算机特征建模技术Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU 形状特征的分类形状特征的分类 1 1）形状特征的定义）形状特征的定义 指具有特定形状并且对应特定功能意义的零件局部形状在整体上的布局。形状特征是描述产品或零件的最基本特征。目前特征的分类也多以形状特征为主进行研究。目前特征的分类也多以形状特征为主进行研究。二、计算机特征建模技术二、计算机特征建模技术Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU 从设计与制造集成的角度可依据下面的标准对特征进行分类：从设计与制造集成的角度可依据下面的标准对特征进行分类：每一类特征都是零件设计的基本功能单元，同时，其加工方法和制造手段基本上一致。二、计算机特征建模技术二、计算机特征建模技术按零件类型轴盘类板块类箱体类自由曲面类等待征。槽槽孔孔凹腔凹腔突起突起台阶台阶过渡边过渡边 等等Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU二、计算机特征建模技术二、计算机特征建模技术Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU3 3、特征的表示特征的表示 特征的表示及数据结构 二、计算机特征建模技术二、计算机特征建模技术基于特征的零件信息模型的总体结构可描述为：Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU1 1、参数化建模、参数化建模三、参数化建模和变量化建模技术三、参数化建模和变量化建模技术 参数化建模 是指在参数化造型过程中，记录建模过程和其中的变量以及用户执行的各种操作功能的建模方法。参数化设计 就是以规则或代数方程的形式定义尺寸间的约束关系，建立相应的推理和求解驱动机制的方法。Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU2 2、参数化建模的基本方法、参数化建模的基本方法三、参数化建模和变量化建模技术三、参数化建模和变量化建模技术基于特征的参数化建模 基于约束的尺寸驱动法变动几何法几何推理法参数驱动法Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU3 3、变量化建模、变量化建模三、参数化建模和变量化建模技术三、参数化建模和变量化建模技术变量化设计的本质就是动态地建立和识别约束，并在此约束下求解各个特征点。变量化建模技术是指图形的几何关系、拓扑关系，甚至工程设计计算条件均可变的技术，其设计结果受到一组约束方程的控制和驱动。Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU4 4、变量化建模的基本方法、变量化建模的基本方法三、参数化建模和变量化建模技术三、参数化建模和变量化建模技术整体求解法 局部求解法几何推理法辅助线法第六章第六章 6.2 虚拟样机技术虚拟样机技术 Virtual PrototypingVirtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU内内 容容一、一、虚拟样机技术的定义虚拟样机技术的定义二、二、虚拟样机及其相关技术虚拟样机及其相关技术三、三、虚拟样机技术的工程应用虚拟样机技术的工程应用四、四、虚拟样机的理论基础虚拟样机的理论基础五、五、虚拟样机仿真分析流程虚拟样机仿真分析流程Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU1 1）虚拟设计）虚拟设计 即利用当今信息技术、计算机技术实现工业产品的数字化设计，又称为数字化设计。2 2）虚拟样机）虚拟样机 采用虚拟设计技术获得的数学、物理模型，又称为数字化样机、数字化产品。1.1.基本概念基本概念基本概念基本概念一、虚拟样机技术的定义一、虚拟样机技术的定义Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU虚拟样机技术也可以定义为：虚拟样机技术也可以定义为：是指在产品设计开发过程中，把虚拟产品建模技术（CAD）与分析技术（CAE）相结合，针对产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品整体性能，进而改进产品设计和提高产品性能的一种技术。一、虚拟样机技术的定义一、虚拟样机技术的定义Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU2.2.2.2.传统设计与虚拟样机设计比较（设计流程）传统设计与虚拟样机设计比较（设计流程）传统设计与虚拟样机设计比较（设计流程）传统设计与虚拟样机设计比较（设计流程）YN概念设计概念设计产品设计产品设计实验验证实验验证最终产品最终产品物理样机制造物理样机制造OROR传统设计流程:一、虚拟样机技术的定义一、虚拟样机技术的定义Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU虚拟样机设计流程:概念设计概念设计计算机建模计算机建模最终产品最终产品模拟真实环境模拟真实环境的仿真分析的仿真分析YN虚拟样机虚拟样机一、虚拟样机技术的定义一、虚拟样机技术的定义Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU3.3.虚虚拟样机技机技术的研究意的研究意义 利用虚拟样机，在产品实际加工之前对产品的性能进行评价，同时对产品的设计制造全过程进行物理仿真，将制造过程或产品实际工作过程中可能发生的问题提前到设计阶段处理，如进行产品的运动学、动力学分析；检查零件的运动干涉；评价系统振动、噪声水平；预测零件变形等；仿真试验不同的设计方案。从而减少昂贵的物理样机数量、提高产品设计质量、缩短产品开发周期，达到产品生产最优的目标。一、虚拟样机技术的定义一、虚拟样机技术的定义Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU二、虚拟样机及其相关技术二、虚拟样机及其相关技术1.1.完整的虚拟样机设计将涉及到的知识模块完整的虚拟样机设计将涉及到的知识模块机械系统机械系统运动、动力运动、动力几何几何建模建模编程编程模块模块优化优化分析分析控制控制系统系统变形变形分析分析Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU ANSYS LSdyna 控制软件：控制软件：MATLAB 编程语言或平台：编程语言或平台：Fortran、C/C+、MPI 等等DADSRecurDyn运动学、动力学分析软件运动学、动力学分析软件ADAMS 造型软件造型软件 PRO/E、UGII、CATIA、OSD、IDEAS、SolidWorks、SolidEdge、AutoCAD、MDT北航海尔北航海尔CAXACAXA系列系列 有限元分析软件有限元分析软件MSC 公司系列公司系列 Nastran Marc Dytran GS-Mesher Patran 十余个十余个软件软件集群运算软件：集群运算软件：Enfuzion操作系统：操作系统：Unix、NT4.0WIN2000WINXP Linux2.软软硬硬件件环环境境二、虚拟样机及其相关技术二、虚拟样机及其相关技术Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU3.3.常用的运动学、动力学分析软件常用的运动学、动力学分析软件 1 1）ADAMS ADAMS 软件（美国软件（美国 ）Automatic Dynamic Analysis of Mechanical SystemAutomatic Dynamic Analysis of Mechanical System 2）DADS 软件（美国）软件（美国）Dynamic Analysis and Design System3）RcurDyn 软件（韩国）软件（韩国）Recursion Dynamics二、虚拟样机及其相关技术二、虚拟样机及其相关技术Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU4.4.其它的动力学和运动学分析软件其它的动力学和运动学分析软件 1 1）美国通用汽车公司：美国通用汽车公司：DYANA (DYANA (Dynamic Analyzer)Dynamic Analyzer)2 2）美国）美国 IBM IBM 公司：公司：KAMKAM（KinamaticKinamatic Analysis Method Analysis Method）3 3）美国）美国 Michigan Michigan 大学：大学：DAMNDAMN （Dynamic Analysis of Mechanical NetworksDynamic Analysis of Mechanical Networks）4 4）美国美国 Wisconsin Wisconsin 大学的大学的IMPIMP （Integrated Mechanisms ProgramIntegrated Mechanisms Program）5 5）德国德国 MEDYNA MEDYNA （MEhrkorperMEhrkorper DYNAmikDYNAmik MultibodyMultibody Dynamics Dynamics）二、虚拟样机及其相关技术二、虚拟样机及其相关技术Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU 1.19971.1997年年7 7月美国航天局的火星探测器顺利实现软着陆月美国航天局的火星探测器顺利实现软着陆三、虚拟样机技术的工程应用三、虚拟样机技术的工程应用Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU三、虚拟样机技术的工程应用三、虚拟样机技术的工程应用2.2.工程机械工程机械 工程机械蛇行现象工程机械蛇行现象 Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU3.3.汽车虚拟碰撞实验汽车虚拟碰撞实验三、虚拟样机技术的工程应用三、虚拟样机技术的工程应用Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU4.4.其它行业其它行业 社会、生活、娱乐等社会、生活、娱乐等 保龄球形状虚拟实验保龄球形状虚拟实验三、虚拟样机技术的工程应用三、虚拟样机技术的工程应用Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU1.1.多体系统动力学模型的基本概念和约定多体系统动力学模型的基本概念和约定1 1）部件（零件、物体）（）部件（零件、物体）（PartPart）Part刚体（刚体（rigid）：有质量、惯量；可移动、不变形（最常用）：有质量、惯量；可移动、不变形（最常用）弹性体（弹性体（flexible）：有质量、惯量；可移动、可变形：有质量、惯量；可移动、可变形点质量（点质量（point mass）：有质量、无惯量；可移动：有质量、无惯量；可移动哑物体（哑物体（dummy）：无质量、无惯量；可移动：无质量、无惯量；可移动大地（大地（ground）：无质量、无惯量；不可移动；起全局坐标系作用：无质量、无惯量；不可移动；起全局坐标系作用四、虚拟样机技术的理论基础四、虚拟样机技术的理论基础以下叙述以以下叙述以ADAMS软件为例软件为例Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU2 2）约束（）约束（Constrain)Constrain)理想约束（理想约束（ideal）：大部分实际约束）：大部分实际约束虚约束（虚约束（peimitive）：理想约束无法描述：理想约束无法描述高副（高副（curve-point、curvecurve）：点线、线线：点线、线线运动激励（运动激励（generation）：运动驱动：运动驱动Constrain四、虚拟样机技术的理论基础四、虚拟样机技术的理论基础Virtual manufacturingVirtual manufacturingCAUCAU3 3）力力(Force)(Force)外加力（外加力（applied）：如：如 Gforce、Sforce柔性连接（柔性连接（flexible connection）：如：如 spring特殊力（特殊力（special force）：如重力、空气动力、液压力、分布载荷：如重力、空气动力、液压力、分布载荷接触力（接触力（contact force