先进制造技术教案

ThismanuscriptwasrevisedbytheofficeonDecember22,2012先进制造技术先进制造技术教案课程名称先进制造技术授课班级班任课教师：教学环节教学内容备注组织教学提问导言小结作业检查学生出勤中国制造业的现状任务一制造业的发展历史　制造业直接体现了一个国家的水平，是区别和的重要因素，制造业在世界发达国家（developedcountries）的国民经济中占有重要份额。　　根据在生产中使用的物质形态，制造业可划分为离散制造业和流程制造业。制造业包括：产品制造、设计、原料采购、仓储运输、订单处理、批发经营、零售。在主要从事产品制造的企业（单位）中，为产品销售而进行的机械与设备的组装与安装活动，按其主要活动归类包括：一、现状　　2008年，我国129112亿元，比2007年增长9.5%。增加值增长12.9%，其中国有及国有控股企业增长9.1%；增长8.1%，股份制企业增长15.0%，外商及港澳台商投资企业增长9.9%；私营企业增长20.4%。分轻看，增长12.3%，重工业增长13.2%。2008年规模以上工业中，煤炭开采和洗选业增加值比2007年增长19.1%，石油和业增长6.1%，文教体育用品制造业增长18.2%，燃气生产和供应业增长26.8%，增长15.0%，增长16.9%，制造业增长15.2%，通信设备、计算机及其它电子设备制造业增长12.0%，电气机械及器材制造业增长18.1%，化学纤维制造业增长2.2%。6大高耗能行业比2007年增长10.0%，其中，制品业增长16.9%，冶炼及压延加工业增长8.2%，化学原料及化学制品制造业增长10.0%，有色金属冶炼及压延加工业增长12.3%，热力的生产和供应业增长8.6%，石油加工炼焦及核燃料加工业增长4.3%。高技术制造业增加值比2007年增长14.0%。　　2008年，我国实现增加值17071亿元，比2007年增长7.1%。全国具有资质等级的总承包和专业承包建筑业企业实现利润1756亿元，增长12.5%，其中国有及国有控股企业509亿元，增长21.8%；上缴税金2058亿元，增长20.0%，其中国有及国有控股企业771亿元，增长24.7%。　　利用外资方面，一直以来制造业均居于主导地位。2008年，制造业利用外资项目个数达到11568个，占全部利用外资项目个数的42.04%，比2007年减少39.73%；实际使用外资金额498.9亿美元，占全部实际利用外资额的54%，比2007年减少22.10%。优势及劣势优势　　（1）我国成本低，在产业、产品领域占优势，竞争力强。而且中国的劳动力素质也比较高，比如，在广东、一带的劳动力都是农村出来的高中生，这些人的素质相当不错；　　（2）我国潜在消费市场大，能够容纳这些产品，促进这些产品很快地形成规模。通常，一个国家的产品首先要在国内销售，取得了一定的经验，达到一定的产量规模以后，再走向国际市场。中国这么大的国内消费市场为产品的开发、发展创造了基本条件；　　（3）制造业基础比较完善。改革开放20多年来，我国制造业的发展取得了举世瞩目的成就，作为的主体和支柱性产业，制造业为今后我国国民经济的发展奠定了坚实的基础。进入二十一世纪，我国制造业的发展面临的国际和国内环境发生了深刻变化，加入，使我国的经济体制改革和进入到一个更加广阔和深层次的阶段；　　（4）制造业生产比较集中，大部分分布在相关资源较为丰富的地区。国家十分重视制造业相关产业的发展，因此我国好多大型制造业的生产资源基础比较好，并且在经济调控中的市场导向作用也很有利于制造业的发展。劣势　　（1）技术开发与技术创新能力薄弱；　　（2）企业缺乏活力；　　（3）管理机制、管理思想落后，阻碍了的发展；　　（4）市场机制不完善，竞争不完全；我们不具备市场经济所需的基本的法律；　　（5）重制造，轻研发；我们许多产品产量都居世界第一位，做得虽然很大，但是研发很多都是从国外引进来的。比如彩色电视机，我们的显像管都是买进的，虽然对买进的技术作了改进，不会在知识产权方面产生纠纷，但是我们没有原创技术；　　（6）产品缺乏世界品牌；　　（7）机械化程度不高，效率低下。国内外的差距1、结构不合理　　我国普通产品总量过剩，而体现竞争力的重大技术装备却不能满足要求。机械产品进出口逆差逐年加大,长期以来缺乏具有工程设计、系统成套和工程总承包能力的工程公司，致使大量附加值较高的成套装备市场不得不让给外商。　　我们现在很多单体设备做得不错，但缺乏成套设备，系统设计不行。比如在宝钢，设备都是国内生产的，但整个系统却标着SMS（西马克）。这种整个系统的成套所摄取的附加值一般是20%以上，也就是说，我们有20%以上的这种高附加值都被国外的公司白白拿走了。这就是结构问题，单体设备做得很好，但成套能力差，这就是真实的差距。2、生产效率低　　我国制造业产品技术、生产技术和管理技术的研究、应用与工业相比有较大差距，特别是在劳动生产率、率、消耗等方面的差距更大。2000年，我国制造业的劳动生产率为3.82万元/人年，约为的4.38%、的4.07%、德国的5.56%；我国制造业的增加值率为26.23%。自动化和生产率的提高和就业率没有关系。　技术创新薄弱已成为制约我国由世界加工基地转变为世界制造基地的关键因素。主要表现在两个方面：　　第一，大部分技术依赖从国外引进。　　主要机械产品的大部分技术依靠从国外引进，原创性产品和技术极少；而企业又不能处理好引进、消化、吸收和自主创新的关系，缺乏消化吸收及创新的资金和优秀人才，基本停留在仿制、实现国产化的低层次阶段，尚未形成自主开发的良性循环，有些技术经过一段时间后还要重复引进。　　第二，装备制造业发展严重滞后。　　装备制造业是制造业的核心，制造业技术水平的提高很大程度上取决于装备的现代化。我国装备制造业占制造业的比重明显偏低，发展严重滞后，已带来严重后果。其严重滞后有两个突出的表现：　　（1）国民经济和高技术产业发展所需要的装备已形成依赖进口的局面。2001年，全国进口装备制造业产品额1100亿美元左右，占全国外贸进口总额的48%左右，出口为1000亿美元左右，占全国外贸出口总额的38%左右，进出口逆差为100亿美元左右。2001年当年进口用汇折合人民币9130亿元左右，加上各种费用可达10000亿元左右，而当年全国中设备、、器具购置费只有8834亿元。虽然进口设备不完全用于固定资产投资，但进口设备仍占建设投资中的很大部分。据统计，光纤制造装备的100%、制造装备的85%、大型成套装备的80%、轿车、数控机床、和胶印设备的70%由进口产品占领。　　（2）系统设计，成套能力薄弱。成套能力和成套水平是水平最直观、最集中的表现。改革开放20年来，通过引进技术、合作设计、、自主开发等多条途径，已能生产大批高水平、高质量的单机产品，但由于对工艺流程研究不够，没有掌握系统成套技术，缺乏一批具有系统设计、系统成套和工程总承包能力的供应商，大量的成套设备市场不得不拱手让给外商。常常是大部分，甚至90%的单机由国内企业制造，但大部分利润却被外商拿走。就中国制造业的现状，你有什么想法？举例导入举例分析说明结合实例分析讨论法分析结合实际举例举例分析提问学生总结教学环节教学内容备注组织教学提问导言检查学生出勤同学们，你们了解的先进制造技术有哪些？任务二先进制造技术的内涵与特征　先进制造技术(AdvancedManufacturingTechnology，简称为AMT）是指微电子技术、自动化技术、信息技术等先进技术给传统制造技术带来的种种变化与新型系统。具体地说，就是指集机械工程技术、电子技术、自动化技术、信息技术等多种技术为一体所产生的技术、设备和系统的总称。主要包括：计算机辅助设计、计算机辅助制造、集成制造系统等。AMT是制造业企业取得竞争优势的必要条件之一，但并非充分条件，其优势还有赖于能充分发挥技术威力的组织管理，有赖于技术、管理和人力资源的有机协调和融合。一、什么是先进制造技术(AMT)　　先进制造技术(AdvancedManufacturingTechnology),人们往往用AMT来概括由于、自动化技术、信息技术等给传统制造技术带来的种种变化与新型系统。具体地说，就是指集机械工程技术、电子技术、自动化技术、信息技术等多种技术为一体所产生的技术、设备和系统的总称。主要包括：计算机辅助设计、计算机辅助制造、集成制造系统等。AMT是制造业企业取得竞争优势的必要条件之一，但并非充分条件，其优势还有赖于能充分发挥技术威力的组管理，有赖于技术、管理和人力资源的有机协调和融合。二、主体技术群　　它包括两个基本部分:有关产品设计技术和工艺技术。(1)面向制造的设计技术群　　面向制造的设计技术群系指用于生产准备(制造准备)的工具群和技术群。设计技术对新产品开发生产费用、产品质量以及新产品上市时间都有很大影响。产品和制造工艺的设计可以采用一系列工具,例如计算机辅助设计(CAD)以及工艺过程建模和仿真等,生产设施、装备和工具,甚至整个制造企业都可以采用先进技术更有效地进行设计。近几年发展起来的产品和工艺的并行设计具有双重目的,一是缩短新产品上市的周期,二是可以将生产过程中产生的废物减少到最低程度,使最终产品成为可回收、可再利用的,因此对实现面向保护环境的制造而言是必不可少的。(2)制造工艺技术群(加工和装配技术群)　　制造工艺技术群是指用于物质产品(物理实体产品)生产的过程及设备。例如,模塑成形、铸造、冲压、磨削等。随着高新技术的不断渗入,传统的制造工艺和装备正在产生质的变化。制造工艺技术群是有关加工和装配的技术,也是制造技术或称生产技术的传统领域。　　先进制造技术(AdvancedManufacturingTechnique，缩写AMT)，AMT是中国1995年列入为提高工业质量及效益的重点开发推广项目，该技术广涉信息、机械、电子、材料、能源、管理等方面的知识。因此，该技术的发展对推动国民经济的发展有着重要的作用。就目前世界的经济发展来看，以美国、日本、西欧为代表的工业化国家在AMT上都有雄厚的实力。　　AMT发展历程:　　人类漫长的历史发展中，使用工具、制造工具进行产品制造是基本生产活动之一。直到18世纪中叶产业革命以前，制造都是手工作业和作坊式生产。　　产业革命中诞生的能源机器（蒸汽机）、作业机器（织机）和工具机器（机床），为制造活动提供了能源和技术，并开拓了新的产品市场。　　经过100多年的技术积累和市场开拓，到19世纪末制造业已初步形成。其主要生产方式是机械化加电气化的批量生产。　　20世纪上半叶，以机械技术和机电自动化技术为基础的制造业的生产空前发展。以大批量生产为主的成为制造活动的主体。　　20世纪中叶（1946年）电子计算机问世。　　在计算机诞生2年后，由于飞机制造（飞机蒙皮壁板、梁架）的需要，在美国发明了数字控制（NC）机床。不久计算机又开始用于辅助编制NC机床的加工程序，推出了自动编程工具APT语言（AutomaticallyProgrammedtools），此后CNC、DNC、FMC、FMS、CAX、MIS、MRP、MRPII、ERP、PDM、Web-M等数字化制造技术相继问世和应用。　　先进制造技术是一门综合性、交叉性前沿学科和技术，学科跨度大，内容广泛，涉及制造业生产与技术、经营管理、设计、制造、市场各个方面。先进制造技术就是在传统制造技术的基础上，利用计算机技术、网络技术、控制技术、与机、光、电一体化技术等方面的最新进展，不断发展完善。三、支撑技术群　　支撑技术群是指支持设计和制造工艺两方面取得进步的基础性的核心技术。基本的生产过程需要一系列的支撑技术,诸如:测试和检验、物料搬运、生产(作业)的控制以及包装等。它们也是用于保证和改善主体技术的协调运行所需的技术,是工具、手段和系统集成的基础技术。支撑技术群包括:　　(1)信息技术:和、技术、框架、、专家系统和、决策支持系统。　　(2)和框架：数据标准、产品定义标准、工艺标准、检验标准、接口框架。　　(3)和工具技术。　　(4)和控制技术：单机加工单元和过程的控制、执行机构、传感器和传感器组合、生产作业计划。　　(5)其它制造技术基础设施　　制造技术基础设施是指为了管理好各种适当的技术群的开发并鼓励这些技术在整个国家工业(基地)内推广应用而采取的各种和机制。由于技术只有应用适当地会产生效用,所以其技术基础设施的各要素和基本技术本身同样重要。这些要素包括了车间工人、工程技术人员和管理人员在各种先进生产技术和方案方面的培训和教育,这些技术和方案将提高企业的生产竞争力。可以说,制造技术的基础设施是使制造技术适应具体企业应用环境充分发挥其功能、取得最佳效益的一系列措施,是使先进的制造技术与企业组织管理体制和使用技术的人员协调工作的系统工程,是先进制造技术生长和壮大的土壤,因而是其不可分割的一个组成部分。先进制造技术是促进科技和经济发展的基础。先进制造技术的提出及背景　　1993年，美国政府批准了由联邦科学、工程与技术协调委员会（FCCSET）主持实施的先进制造技术计划（AdvancedManufacturingTechnology－AMT）计划　　先进制造技术计划（AdvancedManufacturingTechnology－AMT)是美国根据本国制造业面临的挑战和机遇,为增强制造业的竞争力和促进国家经济增长,首先提出了先进制造技术(AdvancedManufacturingTechnology)的概念。此后,欧洲各国、日本以及亚洲新兴工业化国家如韩国等也相继作出响应。先进制造技术的特点　　(1)先进制造技术是制造技术的最新发展阶段,是面向21世纪的技术,制造业是社会物质文明的保证,是与人类社会一起动态发展的,因此,制造技术必然也将随着科技进步而不断更新。先进制造技术是制造技术的最新发展阶段,是由传统的制造技术发展而来,保持了过去制造技术中的有效要素;但随着高新技术的渗入和制造环境的变化,已经产生了质的变化,先进制造技术是制造技术与现代高新技术结合而产生的一个完整的技术群,是一类具有明确范畴的新的技术领域,是面向21世纪的技术。　　(2)先进制造技术是面向工业应用的技术,先进制造技术应能适合于在工业企业推广并可取得很好的经济效益,先进制造技术的发展往往是针对某一具体的制造业(如汽车工业、电子工业)的需求而发展起来的适用的先进制造技术,有明显的需求导向的特征。先进制造技术不是以追求技术的高新度为目的,而是注重产生最好的实践效果,以提高企业的竞争力和促进国家经济增长和综合实力为目标。　　(3)先进制造技术是面向全球竞争的目前每一国家都处于全球化市场中。一个国家的先进制造技术是支持该国制造业在全球范围市场的竞争力。因此,先进制造技术的主体应具有世界水平。但是,每个国家的国情也将影响到从现有的制造技术水平向先进制造技术的过渡战略和措施。我国正在以前所未有的速度进入全球化的国际市场,开发和应用适合国情的先进制造技术势在必行。七、其先进制造技术发展中的关键技术　　1成组技术(GT)成组技术(GT)揭示和利用事物间的相似性，按照一定的准则分类成组，同组事物采用同一进行处理，以便提高效益的技术，称为成组技术。在机械制造工程中，成组技术是计算机辅助制造的基础，将成组哲理用于设计、制造和管理等整个，改变多品种小批量生产方式，获得最大的经济效益。　　成组技术的核心是成组工艺，它是将结构、材料、工艺相近似的零件组成一个零件族(组)，按零件族制定工艺进行加工，扩大批量、减少品种、便于采用高效方法、提高劳动生产率。零件的相似性是广义的，在几何形状、尺寸、功能要素、精度、材料等方面的相似性为基本相似性，以基本相似性为基础，在制造、装配等生产、经营、管理等方面所导出的相似性，称为二次相似性或派生相似性。　　2敏捷制造(AM)　　敏捷制造(AM)是指企业实现敏捷生产经营的一种制造哲理和生产模式。敏捷制造包括产品制造机械系统的柔性、员工授权、制造商和供应商关系、总体品质管理及企业重构。敏捷制造是借助于计算机网络和信息集成基础结构，构造有多个企业参加的“VM”环境，以竞争合作的原则，在虚拟制造环境下动态选择合作伙伴，组成面向任务的虚拟公司，进行快速和最佳生产。　　3并行工程(CE)　　并行工程(CE)是对产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。在传统的串行开发过程中，设计中的问题或不足，要分别在加工、装配或售后服务中才能被发现，然后再修改设计，改进加工、装配或售后服务(包括维修服务)。而并行工程就是将设计、工艺和制造结合在一起，利用计算机互联网并行作业，大大缩短生产周期。　　4快速成型技术(RPM)　　快速成型技术(RPM)是集CAD/CAM技术、、数控技术和新材料等技术领域的最新成果于一体的零件原型制造技术。它不同于传统的用材料去除方式制造零件的方法，而是用材料一层一层积累的方式构造零件模型。它利用所要制造零件的三维CAD模型数据直接生成产品原型，并且可以方便地修改CAD模型后重新制造产品原型。由于该技术不像传统的零件制造方法需要制作木模、塑料模和陶瓷模等，可以把零件原型的制造时间减少为几天、几小时，大大缩短了产品开发周期，减少了开发成本。随着计算机技术的决速发展和三维CAD软件应用的不断推广，越来越多的产品基于三维CAD设计开发，使得快速成型技术的广泛应用成为可能。已广泛应用于宇航、航空、汽车、通讯、医疗、电子、家电、玩具、军事装备、工业造型(雕刻)、建筑模型、机械行业等领域。　　5虚拟制造技术(VMT)　　虚拟制造技术(VMT)以计算机支持的建模、仿真技术为前提，对设计、加工制造、装配等全过程进行统一建模，在产品设计阶段，实时并行模拟出产品未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测出产品的性能、产品的制造技术、产品的可制造性与可装配性，从而更有效地、更经济地灵活组织生产，使工厂和车间的设计布局更合理、有效，以达到产品开发周期和成本最小化、产品设计质量的最优化、生产效率的最高化。虚拟制造技术填补了CAD/CAM技术与生产全过程、企业管理之间的技术缺口，把产品的工艺设计、作业计划、生产调度、制造过程、库存管理、成本[1]核算、零部件采购等企业生产经营活动在产品投入之前就在计算机上加以显示和评价，使设计人员和工程技术人员在产品真实制造之前，通过计算机虚拟产品来预见可能发生的问题和后果。的关键是建模，即将现实环境下的映射为计算机环境下的。虚拟制造系统生产的产品是虚拟产品，但具有真实产品所具有的一切特征。　　6智能制造(IM)　　智能制造(IM)是制造技术、自动化技术、系统工程与人工智能等学科互相渗透、互相交织而形成的一门综合技术。其具体表现为：智能设计、智能加工、机器人操作、智能控制、智能工艺规划、智能调度与管理、智能装配、智能测量与诊断等。它强调通过“智能设备”和“自治控制”来构造新一代的模式。　　智能制造系统具有自律能力、自组织能力、自学习与自我优化能力、自修复能力，因而适应性极强，而且由于采用VR技术，人机界面更加友好。因此，的研究开发对于提高生产效率与产品品质、降低成本，提高制造业市场应变能力、国家经济实力和国民生活水准，具有重要意义。制造技术的进步　　制造技术是制造业所使用的一切生产技术的总称，是将原材料和其他生产要素经济合理地转化为可直接使用的具有较高附加值的成品/半成品和技术服务的技术群。近两百年来.在市场需求不断变化的驱动下，制造业的生产规模沿着“小批量→少品种、大批量→多品种、变批量”的方向发展。在科学技术高速发展的推动下，制造业的资源配置沿着“劳动密集→设备密集→信息密集→知识密集”的方向发展。与之相适应，制造技术的生产方式沿着“手工→机械化→单机自动化。刚性流水自动化→柔性自动化→智能自动化”的方向发展。从而推动了制造业的不断发展，促进了制造业的不断进步。举例导入举例分析说明结合实例分析讨论法分析结合实际举例举例分析提问学生总结教学环节教学内容备注组织教学提问导言检查学生出勤中国制造业的现状？任务三虚拟建模技术　虚拟仿真（VirtualReality），仿真（simulation）技术，或称为模拟技术，就是用一个系统模仿另一个真实系统的技术。　　工程力学（虚拟仿真方向），隶属于辽宁工程技术大学力学与工程科学院现有3个本科专业之一，本专业是国内首创专业，注重力学与计算机两大领域的交叉与结合，重点培养方向是工程中力学问题的数值计算与仿真。一、原理　　虚拟仿真实际上是一种可创建和体验虚拟世界（VirtualWorld）的计算机系统。此种虚拟世界由计算机生成，可以是现实世界的再现，亦可以是构想中的世界，用户可借助视觉、听觉及触觉等多种传感通道与虚拟世界进行自然的交互。它是以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界,并通过头盔显示器（HMD）、等辅助传感设备，提供用户一个观测与该虚拟世界交互的三维界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，产生沉浸感。VR技术是计算机技术、计算机图形学、计算机视觉、视觉生理学、视觉心理学、仿真技术、微电子技术、多媒体技术、信息技术、立体显示技术、传感与测量技术、软件工程、语音识别与合成技术、人机接口技术、网络技术及人工智能技术等多种高新技术集成之结晶。其逼真性和实时交互性为系统仿真技术提供有力的支撑。二、虚拟现实技术的含义　　虚拟与现实两词具有相互矛盾的含义，把这两个词放在一起，似乎没有意义，但是科学技术的发展却赋予了它新的含义。虚拟现实的明确定义不太好说，按最早提出虚拟现实概念的学者J.Laniar的说法，虚拟现实，又称假想现实，意味着“用电子计算机合成的人工世界”。从此可以清楚地看到，这个领域与计算机有着不可分离的密切关系，信息科学是合成虚拟现实的基本前提。生成虚拟现实需要解决以下三个主要问题：　　①以假乱真的存在技术。即，怎样合成对观察者的感官器官来说与实际存在相一致的输入信息，也就是如何可以产生与现实环境一样的视觉，触觉，嗅觉等。　　②相互作用。观察者怎样积极和能动地操作虚拟现实，以实现不同的视点景象和更高层次的感觉信息。实际上也就是怎么可以看得更像，听得更真等等。　　③自律性现实。感觉者如何在不意识到自己动作、行为的条件下得到栩栩如生的现实感。在这里，观察者、传感器、计算机仿真系统与显示系统构成了一个相互作用的闭环流程。　　今天，虚拟现实已经发展成一门涉及计算机图形学、精密传感机构、人机接口及实时图像处理等领域的综合性学科。虚拟现实技术分虚拟实景（境）技术（如虚拟游览故宫博物馆）与虚拟虚景（境）技术（如虚拟现实环境生成、虚拟设计的波音777飞机等）两大类。虚拟现实技术的应用领域和交叉领域非常广泛，几乎到了无所不包、无孔不入的地步，在虚拟现实技术战场环境，虚拟现实作战指挥模拟，飞机、船舶、车辆虚拟现实驾驶训练，飞机、导弹、轮船与轿车的虚拟制造（含系统的虚拟设计），虚拟现实建筑物的展示与参观，虚拟现实手术培训，虚拟现实游戏，虚拟现实影视艺术等等方面的应用和产业的形成都有强烈的市场需求和技术驱动。权威人士断言，虚拟现实技术将是21世纪信息技术的代表。它的发展，不仅从根本上改变人们的工作方式和生活方式，劳和逸将真正结合起来，人们在享受环境中工作，在工作过程中得到享受；而且虚拟现实技术与美术、音乐等文化艺术的结合，将诞生人类的第九艺术。随着计算机技术的发展，在PC机上实现虚拟现实技术已成为可能。所以，目前虚拟现实技术系统的运行趋势为单机桌面和互联网两种主要方式，因此，它对计算机硬件技术和网络技术的发展和应用也有很大的刺激作用。　　在喧闹都市的办公室中忙碌了一天的人们，多么希望自己能一步跨入一个热带天堂。幻想一片一望无边的海滩，挽起裤腿站在水边，任凭海浪轻抚脚面，椰林随风清唱，海鸥自由翱翔，太阳在天际徐徐落下，余晖把海面染红。这种想象能使许多人忘却疲劳，他们在心中创造了一个使自己心旷神怡的幻境。但是如果那景象三维立体、细致入微，如果你能看到自己用手拾起一片贝壳，这个幻境就会变得活灵活现，你就会认为自己实际已去过了那个海岛。现在，基于虚拟现实技术的“休息机”可以为人们提供这种跨越空间的手段。三、虚拟仿真的特点　　具有沉浸性（immersion）、交互性（interaction）和构想性（imagination），使人们能沉浸其中，超越其上，出入自然，形成具有交互效能多维化的信息环境。　　目前业界很多虚拟现实公司只能提供三维漫游等简单的视景开发支持，其拥有的几何模型干涉检查、交互操作支持等也非常简单，而为此特殊开发的专用模块不但价格昂贵，且源代码有限开放难以满足用户个性化开发应用需求。真正的虚拟仿真应提供复杂场景图形、声音、交互操作、干涉检查等多方面的支持，从而可以简化应用系统的开发，提供应用系统的功能和性能。平台系统表现为一个视景和声音开发支撑平台和多个开发支持工具（几何对象干涉检查工具包、通用虚拟手开发工具包、粒子生成与控制工具、不规则几何体构造工具、流场可视化工具包）。可以为用户提供各类VR应用系统的开发。概括地说，虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。　　虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境，它可以是实际上可实现的，也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。而“虚拟”是指用计算机生成的意思。因此，虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中，并操作、控制环境，实现特殊的目的，即人是这种环境的主宰。四、虚拟仿真的应用　　虚拟仿真在城市规划中的应用　　城市规划一直是对全新的可视化技术需求最为迫切的领域之一，虚拟现实技术可以广泛的应用在城市规划的各个方面，并带来切实且可观的利益：展现规划方案虚拟现实系统的沉浸感和互动性不但能够给用户带来强烈、逼真的感官冲击，获得身临其境的体验，还可以通过其数据接口在实时的虚拟环境中随时获取项目的数据资料，方便大型复杂工程项目的规划、设计、投标、报批、管理，有利于设计与管理人员对各种规划设计方案进行辅助设计与方案评审。规避设计风险虚拟现实所建立的虚拟环境是由基于真实数据建立的数字模型组合而成，严格遵循工程项目设计的标准和要求建立逼真的三维场景，对规划项目进行真实的“再现”。用户在三维场景中任意漫游，人机交互，这样很多不易察觉的设计缺陷能够轻易地被发现，减少由于事先规划不周全而造成的无可挽回的损失与遗憾，大大提高了项目的评估质量。加快设计速度运用虚拟现实系统，我们可以很轻松随意的进行修改，改变建筑高度，改变建筑外立面的材质、颜色，改变绿化密度，只要修改系统中的参数即可。从而大大加快了方案设计的速度和质量，提高了方案设计和修正的效率，也节省了大量的资金，提供合作平台。　　虚拟仿真在地产行业的应用　　通过楼盘虚拟可体现楼盘在未来的真实景观、周边的环境及配套设施，可以验证客户所购买的单位与周边环境的协调关系、通过该户型的窗户可真切的看到未来属于自己的景观。给客户提供一种崭新的方式展示、宣传楼盘；完美体现了客户的设计方案，通过第一人称角色切换，给予购房者以真实在场，亲临其景的感受；在同一角度，对同一户型尝试不同的装潢设计；实时变换房间的装修材料，使购房者体验不同的装修风格设计。　　虚拟仿真在数字校园方面的应用　　通过三维仿真技术、数字技术、信息技术、网络技术要在校园生活各个方面的渗透和融合，建立了基于GIS平台的三维数字校园管理系统。实现在图形化、可视化和形象化状态下的校园信息查询定位、教学教育设施管理、学区规划管理和部件管理等。学校管理部门能够通过系统对校园的任意角落进行全方位的管理和掌控，为可持续发展提供解决方法、手段和决策支持；学生和社会大众可以通过该系统了解学校的详细情况，是学校面向社会宣传的快速通道。　　虚拟仿真在旅游业的应用　　随着科技的高速发展虚拟旅游逐渐走入人们的生活，凡拓公司利用虚拟现技术可以通过互联网和制作的仿真场景到达自己想去的地方。这就是虚拟旅游，凡拓公司是通过实地拍照，现场测量为基础，真实的再现旅游景点。让人们通过VR场景的漫游了解和体验旅游景点。五、虚拟仿真在娱乐、艺术与教育方面的应用　　丰富的感觉能力与3D显示环境使得VR成为理想的视频游戏工具。由于在娱乐方面对VR的真实感要求不是太高，故近些年来VR在该方面发展最为迅猛。如Chicago（芝加哥）开放了世界上第一台大型可供多人使用的VR娱乐系统，其主题是关于3025年的一场未来战争；英国开发的称为“Virtuality”的VR游戏系统，配有HMD，大大增强了真实感；1992年的一台称为“LegealQust”的系统由于增加了人工智能功能，使计算机具备了自学习功能，大大增强了趣味性及难度，使该系统获该年度VR产品奖。另外在家庭娱乐方面VR也显示出了很好的前景。　　工程力学(虚拟仿真工程)本专业设有虚拟仿真实验室，建立了北京昊华认识实习基地、阜矿恒大实习基地、阜矿五龙认识实习基地。　　本专业是国内首创专业，注重力学与计算机两大领域的交叉与结合，重点培养方向是工程中力学问题的数值计算与仿真。培养适应祖国现代化建设需要的德智体全面发展，专业基础扎实，知识结构合理，掌握高科技知识，勇于创新，从事虚拟仿真工程设计、研究、开发的应用型技术人才。学生毕业后，主要从事计算力学、虚拟设计、系统仿真、多媒体技术、网络技术、虚拟产品开发技术等方面的理论研究与实际应用。并结合力学学科的专业知识，对虚拟仿真工程中的力学问题进行理论分析和实际计算，提出相应的理论依据，进行科学论证。　　培养目标：培养适应我国社会主义现代化建设需要，德、智、体全面发展，获得工程师或科学研究基本训练，基础扎实、知识面宽、能力强、素质高，具有较强的英语语言能力、创新精神和实践能力，较全面地具备工程力学基础理论知识，掌握计算力学与虚拟设计方法，具有对工程中相关力学计算问题综合分析和研究的初步能力，并具有虚拟仿真工程设计、研究、开发能力的应用型高级专门人才。　　主要课程：理论力学、材料力学、结构力学、弹性力学、振动力学、流体力学、有限单元法、大型工程分析软件及应用、虚拟设计Pro/E、虚拟产品开发技术。虚拟仿真在工业方面的应用　　当今世界工业已经发生了巨大的变化，大规模早已不再适应工业的发展，先进科学技术的应用显现出巨大的威力，特别是虚拟现实技术的应用正对工业进行着一场前所未有的革命。虚拟现实已经被世界上一些大型企业广泛地应用到工业的各个环节，对企业提高开发效率，加强数据采集、分析、处理能力，减少决策失误，降低企业风险起到了重要的作用。虚拟现实技术的引入,将使工业设计的手段和思想发生质的飞跃,更加符合社会发展的需要,可以说在工业设计中应用虚拟现实技术是可行且必要的。　　工业仿真系统不是简单的场景漫游，是真正意义上用于指导生产的仿真系统，它结合用户业务层功能和数据库数据组建一套完全的仿真系统，可组建B/S、C/S两种架构的应用，可与企业ERP、MIS系统无缝对接，支持SqlServer、Oracle、MySql等主流数据库。从而实现石油工业仿真、电力考核仿真企业利用虚拟平台，实时管理工厂的目的。工业仿真所涵盖的范围很广，从简单的单台工作站上的机械装配模拟与多人在线协同演练系统，到利用虚拟环境管理与控制工厂生产与设备运行。下面仅仅列举一些工业仿真的教培与模拟方面的应用：举例导入举例分析说明结合实例分析讨论法分析结合实际举例举例分析提问学生总结教学环节教学内容备注组织教学提问导言小结作业检查学生出勤中国制造业的现状？任务四虚拟加工技术　在当今经济全球化、贸易自由化和社会信息化的形势下，制造业的经营战略发生了很大变化，在30～60年代企业追求的是规模效益，如：美国福特汽车公司、通用汽车公司相继采用刚性流水线进行大批量生产；70年代更加重视降低生产成本，如：日本丰田公司采用准时化生产；80年代提高产品质量成为主要目标；进入90年代新产品开发及交货期成为竞争的焦点。由此产生了多种多样的制造哲理，如：精益生产、并行工程、敏捷制造和虚拟制造等，它们各有侧重，从不同角度研究如何增强企业的竞争力。而虚拟制造技术是制造技术与仿真技术相结合的产物。　　虚拟现实（VirtualReality）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产生的三维仿真模型的虚拟环境。基于的虚拟制造（VirtualManufacturing）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。其目的是在产品设计阶段，借助建模与仿真技术及时地、并行地、模拟出产品未来制造过程乃至产品全生命周期的各种活动对产品设计的影响，预测、检测、评价产品性能和产品的可制造性等等。从而更加有效地、经济地、柔性地组织生产，增强决策与控制水平，有力地降低由于前期设计给后期制造带来的回溯更改，达到产品的开发周期和成本最小化、产品设计质量的最优化、生产效率的最大化。重大作用　　虚拟制造也可以对想象中的制造活动进行仿真，它不消耗现实资源和能量，所进行的过程是虚拟过程，所生产的产品也是虚拟的。虚拟制造技术的应用将会对未来制造业的发展产生深远影响，它的重大作用主要表现为：　　●运用软件对制造系统中的五大要素（人、组织管理、物流、信息流、能量流）进行模拟驾驶室全面仿真，使之达到了前所未有的高度集成，为先进制造技术的进一步发展提供了更广大的空间，同时也推动了相关技术的不断发展和进步。　　●可加深人们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，即对生产过程、制造系统整体进行优化配置，推动生产力的巨大跃升。　　●在虚拟制造与现实制造的相互影响和作用过程中，可以全面改进企业的组织管理工作，而且对正确作出决策有不可估量的影响。例如：可以对生产计划、交货期、生产产量等作出预测，及时发现问题并改进现实制造过程。　　●虚拟制造技术的应用将加快企业人才的培养速度。我们都知道模拟驾驶室对驾驶员、飞行员的培养起到了良好作用，虚拟制造也会产生类似的作用。例如：可以对生产人员进行操作训练、异常工艺的应急处理等。代表性的全新概念　　虚拟制造”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?它包括哪些内虚拟制造在复杂曲面五轴联动加工中的应用容？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GloriaJ.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。　　(VMisaconceptofexecutingmanufacturingprocessesincomputersaswellasintherealworld,wherevirtualmodels?allowforpredictionofpotentialproblemsforproductfunctionalityandmanufacturabilitybeforerealmanufacturingoccurs.)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、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。(VMistheintegratedapplicationofsimulation,modelingandanalysistechnologiesandtoolstoenhancemanufacturingdesignandproductiondecisionsandcontrolatallprocesslevels.)该定义着眼于手段。　　马里兰大学EdwardLin&etc定义是：　　另一个有代表性的定义是由马里兰大学EdwardLin&etc给出的，“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。”(VMisanintegrated,　syntheticmanufacturingenvironmentexercisedtoenhancealllevelsofdecisionandcontrol.),则着眼于环境。　　显然，上述定义强调的方面是不同的，甚至也有人认为没有必要只有一种定义。但是为了讨论和交流，普遍认为，对VM进行定义是有必要的。总结分析　　综合目前国际上有代表性的文献，对虚拟制造给出如下定义：虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本质实现，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在计算机上群组协同工作，实现产品的设计、规划、加工制造、性能分析、检验，以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。　　可以看到，“虚拟制造”虽然不是实际的制造，但却实现实际制造的本质过程，是一种通过计算机虚拟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，提高人们的预测和决策水平，使得制造技术走出主要依赖于经验的狭小天地，发展到了全方位预报的新阶段。（VirtualReality）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产生的三维仿真模型的虚拟环境。基于虚拟现实技术的虚拟制造（VirtualManufacturing）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。　　其目的是在产品设计阶段，借助建模与仿真技术及时地、并行地、模拟出产品未来制造过程乃至产品全生命周期的各种活动对产品设计的影响，预测、检测、评价产品性能和产品的可制造性等等。从而更加有效地、经济地、柔性地组织生产，增强决策与控制水平，有力地降低由于前期设计给后期制造带来的回溯更改，达到产品的开发周期和成本最小化、产品设计质量的最优化、生产效率的最大化。研究内容　　虚拟制造技术的研究内容是极为广泛的，除了虚拟现实技术涉及的共同性技术外，虚拟制造领域本身的主要研究内容有：　　●虚拟制造的理论体系；　　●设计信息和生产过程的三维可视化；　　●虚拟制造系统的开放式体系结构；　　●虚拟产品的装配仿真；　　●虚拟环境中及虚拟制造过程中的人机协同作业等。　　一般来说，虚拟制造的研究都与特定的应用环境和对象相联系，由于应用的不同要求而存在不同的侧重点，因此出现了三个流派，即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。应用　　虚拟制造技术的广泛应用将从根本上改变现行的制造模式，对相关行业也将产生巨大影响，可以说虚拟制造技术决定着企业的未来，也决定着制造业在竞争中能否立于不败之地。　　虚拟制造(VM)是国际上提出的新概念。VM与AM联系密切。VM的特征是：当市场新的机遇出现时，组织几个有关公司联作，把不同的公司，不同地点的工厂或车间重新组织协调工作。在运行之前必须分析组合是否最优，能否协调运行，以及投产后的效益和风险进行评估，这种联作公司称虚拟公司。虚拟公司在一定的环境和条件下通过虚拟制造系统运行，包括物理基础、法律保障、社会环境和信息技术。因此研究开发虚拟制造技术(VMT)和虚拟制造系统(VMS)意义重大，美国称AM为21世纪制造业发展战略。　　虚拟现实技术（VirtualRealityTechnology）主要包括虚拟制造技术和虚拟企业两个部分。　　虚拟制造技术将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，首先在虚拟制造环境中生成软产品原型（SoftPrototype）代替传统的硬样品（HardPrototype）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。　　虚拟企业是为了快速响应某一市场需求，通过信息高速公路，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、统一指挥的合作经济实体。虚拟企业的特点是企业的功能上的不完整、地域上的分散性和组织结构上的非永久性，即功能的虚拟化、组织的虚拟化、地域的虚拟化。主要特征　　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。重大作用　　虚拟制造也可以对想象中的制造活动进行仿真，它不消耗现实资源和能量，所进行的过程是虚拟过程，所生产的产品也是虚拟的。虚拟制造技术的应用将会对未来制造业的发展产生深远影响，它的重大作用主要表现为：　　1、运用软件对制造系统中的五大要素（人、组织管理、物流、信息流、能量流）进行全面仿真，使之达到了前所未有的高度集成，为先进制造技术的进一步发展提供了更广大的空间，同时也推动了相关技术的不断发展和进步。　　2、可加深人们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，即对生产过程、制造系统整体进行优化配置，推动的巨大跃升。　　3、在虚拟制造与现实制造的相互影响和作用过程中，可以全面改进企业的组织管理工作，而且对正确作出决策有不可估量的影响。例如：可以对生产计划、、生产产量等作出预测，及时发现问题并改进现实制造过程。　　4、虚拟制造技术的应用将加快企业人才的培养速度。我们都知道模拟驾驶室对驾驶员、飞行员的培养起到了良好作用，虚拟制造也会产生类似的作用。举例导入举例分析说明结合实例分析讨论法分析结合实际举例举例分析提问学生总结教学环节教学内容备注组织教学提问导言检查学生出勤装配技术对整机系统的重要性任务五虚拟装配技术一、虚拟装配　　基于虚拟现实的产品虚拟拆装技术在新产品开发、产品的维护以及操作培训方面具有独特的作用。在交互式虚拟装配环境中，用户使用各类交互设备（数据手套/位置跟踪器、鼠标/键盘、力反馈操作设备等）象在真实环境中一样对产品的零部件进行各类装配操作，在操作过程中系统提供实时的碰撞检测、装配约束处理、装配路径与序列处理等功能，从而使得用户能够对产品的可装配性进行分析、对产品零部件装配序列进行验证和规划、对装配操作人员进行培训等。在装配（或拆卸）结束以后，系统能够记录装配过程的所有信息，并生成评审报告、视频录像等供随后的分析使用。　　虚拟装配是的重要组成部分，利用虚拟装配，可以验证装配设计和操作的正确与否，以便及早的发现装配中的问题，对模型进行修改，并通过可视化显示装配过程。虚拟装配系统允许设计人员考虑可行的装配序列，自动生成装配规划，它包括数值计算、装配工艺规划、工作面布局、装配操作所模拟等。现在产品的制造正在向着自动化、数字化的反向发展，虚拟装配是产品数字化定义中的一个重要环节。　　虚拟装配技术的发展是虚拟制造技术的一个关键部分，但相对于虚拟制造的其它部分而言，它又是最薄弱的环节。虚拟装配技术发展滞后，使得虚拟制造技术的应用性大大减弱，因此对虚拟装配技术的发展也就成为目前虚拟制造技术领域内研究的主要对象，这一问题的解决将使虚拟制造技术形成一个完善的理论体系，使生产真正在高效、高质量、短时间、低成本的环境下完成，同时又具备了良好的服务。虚拟装配从模型重新定位、分析方面来讲，它是一种零件模型按约束关系进行重新定位的过程，是有效的分析产品设计合理性的一种手段;从产品装配过程来讲，它是根据产品设计的形状特性、精度特性，真实的模拟产品三维装配过程，并允许用户以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程，以检验产品的可装配性。　　作为虚拟制造的关键技术之一，虚拟装配技术近年来受到了学术界和工业界的广泛关注，并对敏捷制造、虚拟制造等先进制造模式的实施具有深远影响。通过建立产品数字化装配模型，虚拟装配技术在计算机上创建近乎实际的虚拟环境，可以用虚拟产品代替传统设计中的物理样机，能够方便的对产品的装配过程进行模拟与分析，预估产品的装配性能，及早发现潜在的装配冲与缺陷，并将这些装配信息反馈给设计人员。运用该技术不但有利于并行工程的开展，而且还可以大大缩短产品开发周期，降低生产成本，提高产品在市场中的竞争力。虚拟装配的分类　　按照实现功能和目的的不同，目前针对虚拟装配的研究可以分为如下三类：以产品设计为中心的虚拟装配、以工艺规划为中心的虚拟装配和以虚拟原型为中心的虚拟装配．　　1.以产品设计为中心的虚拟装配　　虚拟装配是在产品设计过程中，为了更好地帮助进行与装配有关的设计决策，在虚拟环境下对计算机数据模型进行装配关系分析的一项计算机辅助设计技术．它结合面向装配设计(DesignForAssembly，DFA)理论和方法，基本任务就是从设计原理方案出发在各种因素制约下寻求装配结构的最优解，由此拟定装配草图．它以产品可装配性的全面改善为目的，通过模拟试装和定量分析，找出零部件结构设计中不适合装配或装配性能不好的结构特征，进行设计修改．最终保证所设计的产品从技术角度来讲装配是合理可行的，从经济角度来讲应尽可能降低产品总成本，同时还必须兼顾人因工程和环保等社会因素．　　2.以工艺规划为中心的虚拟装配　　针对产品的装配工艺设计问题，基于产品信息模型和装配资源模型，采用计算机仿真和虚拟现实技术进行产品的装配工艺设计，从而获得可行且较优的装配工艺方案，指导实际装配生产．根据涉及范围和层次的不同，又分为系统级装配规划和作业级装配规划．前者是装配生产的总体规划，主要包括市场需求、投资状况、生产规模、生产周期、资源分配、装配车间布置、装配生产线平衡等内容，是装配生产的纲领性文件．后者主要指装配作业与过程规划，主要包括装配顺序的规划、装配路径的规划、工艺路线的制定、操作空间的干涉验证、工艺卡片和文档的生成等内容．　　工艺规划为中心的虚拟装配，以操作仿真的高逼真度为特色，主要体现在虚拟装配实施对象、操作过程以及所用的工装工具，均与生产实际情况高度吻合，因而可以生动直观地反映产品装配的真实过程，使仿真结果具有高可信度．　　3.以虚拟原型为中心的虚拟装配　　虚拟原型是利用计算机仿真系统在一定程度上实现产品的外形、功能和性能模拟，以产生与物理样机具有可比性的效果来检验和评价产品特性．传统的虚拟装配系统都是以理想的刚性零件为基础，虚拟装配和虚拟原型技术的结合，可以有效分析零件制造和装配过程中的受力变形对产品装配性能的影响，为产品形状精度分析、公差优化设计提供可视化手段．以虚拟原型为中心的虚拟装配主要研究内容包括考虑切削力、变形和残余应力的零件制造过程建模、有限元分析与仿真、配合公差与零件变形、以及计算结果可视化等方面．虚拟装配的构成　　虚拟装配由两个部分组成，即由虚拟现实软件内容（即vr）内容和虚拟现实（vr)外设设备,这两个个协同工作，缺一不可，这样才能制造出交互性与沉浸性于一体的虚拟装配环境。　　虚拟现实软件内容：　　一般由各种VR软件组成，先在三维软件中根据虚拟现实的内容制作相应的三维模型，然后再把这些三维模型导入到VR软件中，接下来就需要硬件设备来支撑这些软件程序。　　虚拟现实（vr)外设设备：　　虚拟现实技术的特征之一就是人机之间的交互性.为了实现人机之间的充分交换信息，必须设计特殊输入和演示设备，以影响各种操作和指令，且提供反馈信息，实现真正生动的交互效果。不同的项目可以根据实际的应用可以有选择的使用这些工具，主要包括：VR系列虚拟现实工作站、立体投影、立体眼镜或头盔显示器、三维空间跟踪定位器、数据手套、3D立体显示器、三维空