先進制造技術教學案

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教學環(huán)節(jié)教學內容備注組織教學提問導言小結作業(yè)檢查學生出勤中國制造業(yè)的現狀？任務一制造業(yè)的發(fā)展歷史制造業(yè)直接體現了一個國家的生產力水平，是區(qū)別發(fā)展中國家和發(fā)達國家的重要因素，制造業(yè)在世界發(fā)達國家（developedcountries）的國民經濟中占有重要份額。根據在生產中使用的物質形態(tài)，制造業(yè)可劃分為離散制造業(yè)和流程制造業(yè)。制造業(yè)包括：產品制造、設計、原料采購、倉儲運輸、訂單處理、批發(fā)經營、零售。在主要從事產品制造的企業(yè)（單位）中，為產品銷售而進行的機械與設備的組裝與安裝活動，按其主要活動歸類包括：一、現狀2008年，我國工業(yè)增加值129112億元，比2007年增長9.5%。規(guī)模以上工業(yè)增加值增長12.9%，其中國有及國有控股企業(yè)增長9.1%；集體企業(yè)增長8.1%，股份制企業(yè)增長15.0%，外商及港澳臺商投資企業(yè)增長9.9%；私營企業(yè)增長20.4%。分輕重工業(yè)看，輕工業(yè)增長12.3%，重工業(yè)增長13.2%。2008年規(guī)模以上工業(yè)中，煤炭開采和洗選業(yè)增加值比2007年增長19.1%，石油和天然氣開采業(yè)增長6.1%，文教體育用品制造業(yè)增長18.2%，燃氣生產和供應業(yè)增長26.8%，農副食品加工業(yè)增長15.0%，通用設備制造業(yè)增長16.9%，交通運輸設備制造業(yè)增長15.2%，通信設備、計算機及其它電子設備制造業(yè)增長12.0%，電氣機械及器材制造業(yè)增長18.1%，化學纖維制造業(yè)增長2.2%。6大高耗能行業(yè)比2007年增長10.0%，其中，非金屬礦物制品業(yè)增長16.9%，黑色金屬冶煉及壓延加工業(yè)增長8.2%，化學原料及化學制品制造業(yè)增長10.0%，有色金屬冶煉及壓延加工業(yè)增長12.3%，電力熱力的生產和供應業(yè)增長8.6%，石油加工煉焦及核燃料加工業(yè)增長4.3%。高技術制造業(yè)增加值比2007年增長14.0%。2008年，我國建筑業(yè)實現增加值17071億元，比2007年增長7.1%。全國具有資質等級的總承包和專業(yè)承包建筑業(yè)企業(yè)實現利潤1756億元，增長12.5%，其中國有及國有控股企業(yè)509億元，增長21.8%；上繳稅金2058億元，增長20.0%，其中國有及國有控股企業(yè)771億元，增長24.7%。利用外資方面，一直以來制造業(yè)均居于主導地位。2008年，制造業(yè)利用外資項目個數達到11568個，占全部利用外資項目個數的42.04%，比2007年減少39.73%；實際使用外資金額498.9億美元，占全部實際利用外資額的54%，比2007年減少22.10%。二、優(yōu)勢及劣勢優(yōu)勢（1）我國勞動力成本低，在勞動密集型產業(yè)、產品領域占優(yōu)勢，競爭力強。而且中國的勞動力素質也比較高，比如，在廣東、浙江一帶的勞動力都是農村出來的高中生，這些人的素質相當不錯；（2）我國潛在消費市場大，能夠容納這些產品，促進這些產品很快地形成規(guī)模經濟。通常，一個國家的產品首先要在國內銷售，取得了一定的經驗，達到一定的產量規(guī)模以后，再走向國際市場。中國這么大的國內消費市場為產品的開發(fā)、發(fā)展創(chuàng)造了基本條件；（3）制造業(yè)基礎比較完善。改革開放20多年來，我國制造業(yè)的發(fā)展取得了舉世矚目的成就，作為國民經濟的主體和支柱性產業(yè)，制造業(yè)為今后我國國民經濟的發(fā)展奠定了堅實的基礎。進入二十一世紀，我國制造業(yè)的發(fā)展面臨的國際和國內環(huán)境發(fā)生了深刻變化，加入世貿組織，使我國的經濟體制改革和對外開放進入到一個更加廣闊和深層次的階段；（4）制造業(yè)生產比較集中，大部分分布在相關資源較為豐富的地區(qū)。國家十分重視制造業(yè)相關產業(yè)的發(fā)展，因此我國好多大型制造業(yè)的生產資源基礎比較好，并且在經濟調控中的市場導向作用也很有利于制造業(yè)的發(fā)展。劣勢（1）技術開發(fā)與技術創(chuàng)新能力薄弱；（2）企業(yè)缺乏活力；（3）管理機制、管理思想落后，阻礙了生產力的發(fā)展；（4）市場機制不完善，競爭不完全；我們不具備市場經濟所需的基本的法律；（5）重制造，輕研發(fā)；我們許多產品產量都居世界第一位，做得雖然很大，但是研發(fā)很多都是從國外引進來的。比如彩色電視機，我們的顯像管都是買進的，雖然對買進的技術作了改進，不會在知識產權方面產生糾紛，但是我們沒有原創(chuàng)技術；（6）產品缺乏世界品牌；（7）機械化程度不高，效率低下。三、國內外的差距1、結構不合理我國裝備制造業(yè)普通產品總量過剩，而體現競爭力的重大技術裝備卻不能滿足要求。機械產品進出口逆差逐年加大,長期以來缺乏具有工程設計、系統(tǒng)成套和工程總承包能力的工程公司，致使大量附加值較高的成套裝備市場不得不讓給外商。我們現在很多單體設備做得不錯，但缺乏成套設備，系統(tǒng)設計不行。比如在寶鋼，設備都是國內生產的，但整個系統(tǒng)卻標著SMS（德國西馬克）。這種整個系統(tǒng)的成套所攝取的附加值一般是20%以上，也就是說，我們有20%以上的這種高附加值都被國外的公司白白拿走了。這就是結構問題，單體設備做得很好，但成套能力差，這就是真實的差距。2、生產效率低我國制造業(yè)產品技術、生產技術和管理技術的研究、應用與工業(yè)發(fā)達國家相比有較大差距，特別是在勞動生產率、工業(yè)增加值率、能源消耗等方面的差距更大。2000年，我國制造業(yè)的勞動生產率為3.82萬元/人年，約為美國的4.38%、日本的4.07%、德國的5.56%；我國制造業(yè)的增加值率為26.23%。自動化和生產率的提高和就業(yè)率沒有關系。技術創(chuàng)新薄弱已成為制約我國由世界加工基地轉變?yōu)槭澜缰圃旎氐年P鍵因素。主要表現在兩個方面：第一，大部分技術依賴從國外引進。主要機械產品的大部分技術依靠從國外引進，原創(chuàng)性產品和技術極少；而企業(yè)又不能處理好引進、消化、吸收和自主創(chuàng)新的關系，缺乏消化吸收及創(chuàng)新的資金和優(yōu)秀人才，基本停留在仿制、實現國產化的低層次階段，尚未形成自主開發(fā)的良性循環(huán)，有些技術經過一段時間后還要重復引進。第二，裝備制造業(yè)發(fā)展嚴重滯后。裝備制造業(yè)是制造業(yè)的核心，制造業(yè)技術水平的提高很大程度上取決于裝備的現代化。我國裝備制造業(yè)占制造業(yè)的比重明顯偏低，發(fā)展嚴重滯后，已帶來嚴重后果。其嚴重滯后有兩個突出的表現：（1）國民經濟和高技術產業(yè)發(fā)展所需要的裝備已形成依賴進口的局面。2001年，全國進口裝備制造業(yè)產品額1100億美元左右，占全國外貿進口總額的48%左右，出口為1000億美元左右，占全國外貿出口總額的38%左右，進出口逆差為100億美元左右。2001年當年進口用匯折合人民幣9130億元左右，加上各種費用可達10000億元左右，而當年全國固定資產投資中設備、工具、器具購置費只有8834億元。雖然進口設備不完全用于固定資產投資，但進口設備仍占國家建設投資中的很大部分。據統(tǒng)計，光纖制造裝備的100%、集成電路芯片制造裝備的85%、大型成套石油化工裝備的80%、轎車工業(yè)裝備、數控機床、紡織機械和膠印設備的70%由進口產品占領。（2）系統(tǒng)設計，成套能力薄弱。成套能力和成套水平是裝備制造技術水平最直觀、最集中的表現。改革開放20年來，通過引進技術、合作設計、合作生產、自主開發(fā)等多條途徑，已能生產大批高水平、高質量的單機產品，但由于對工藝流程研究不夠，沒有掌握系統(tǒng)成套技術，缺乏一批具有系統(tǒng)設計、系統(tǒng)成套和工程總承包能力的供應商，大量的成套設備市場不得不拱手讓給外商。常常是大部分，甚至90%的單機由國內企業(yè)制造，但大部分利潤卻被外商拿走。就中國制造業(yè)的現狀，你有什么想法？舉例導入舉例分析說明結合實例分析討論法分析結合實際舉例舉例分析提問學生總結教學環(huán)節(jié)教學內容備注組織教學提問導言檢查學生出勤同學們，你們了解的先進制造技術有哪些？任務二先進制造技術的內涵與特征先進制造技術(AdvancedManufacturingTechnology，簡稱為AMT）是指微電子技術、自動化技術、信息技術等先進技術給傳統(tǒng)制造技術帶來的種種變化與新型系統(tǒng)。具體地說，就是指集機械工程技術、電子技術、自動化技術、信息技術等多種技術為一體所產生的技術、設備和系統(tǒng)的總稱。主要包括：計算機輔助設計、計算機輔助制造、集成制造系統(tǒng)等。AMT是制造業(yè)企業(yè)取得競爭優(yōu)勢的必要條件之一，但并非充分條件，其優(yōu)勢還有賴于能充分發(fā)揮技術威力的組織管理，有賴于技術、管理和人力資源的有機協調和融合。一、什么是先進制造技術(AMT)先進制造技術(AdvancedManufacturingTechnology),人們往往用AMT來概括由于微電子技術、自動化技術、信息技術等給傳統(tǒng)制造技術帶來的種種變化與新型系統(tǒng)。具體地說，就是指集機械工程技術、電子技術、自動化技術、信息技術等多種技術為一體所產生的技術、設備和系統(tǒng)的總稱。主要包括：計算機輔助設計、計算機輔助制造、集成制造系統(tǒng)等。AMT是制造業(yè)企業(yè)取得競爭優(yōu)勢的必要條件之一，但并非充分條件，其優(yōu)勢還有賴于能充分發(fā)揮技術威力的組管理，有賴于技術、管理和人力資源的有機協調和融合。二、主體技術群它包括兩個基本部分:有關產品設計技術和工藝技術。(1)面向制造的設計技術群面向制造的設計技術群系指用于生產準備(制造準備)的工具群和技術群。設計技術對新產品開發(fā)生產費用、產品質量以及新產品上市時間都有很大影響。產品和制造工藝的設計可以采用一系列工具,例如計算機輔助設計(CAD)以及工藝過程建模和仿真等,生產設施、裝備和工具,甚至整個制造企業(yè)都可以采用先進技術更有效地進行設計。近幾年發(fā)展起來的產品和工藝的并行設計具有雙重目的,一是縮短新產品上市的周期,二是可以將生產過程中產生的廢物減少到最低程度,使最終產品成為可回收、可再利用的,因此對實現面向保護環(huán)境的制造而言是必不可少的。(2)制造工藝技術群(加工和裝配技術群)制造工藝技術群是指用于物質產品(物理實體產品)生產的過程及設備。例如,模塑成形、鑄造、沖壓、磨削等。隨著高新技術的不斷滲入,傳統(tǒng)的制造工藝和裝備正在產生質的變化。制造工藝技術群是有關加工和裝配的技術,也是制造技術或稱生產技術的傳統(tǒng)領域。先進制造技術(AdvancedManufacturingTechnique，縮寫AMT)，AMT是中國1995年列入為提高工業(yè)質量及效益的重點開發(fā)推廣項目，該技術廣涉信息、機械、電子、材料、能源、管理等方面的知識。因此，該技術的發(fā)展對推動國民經濟的發(fā)展有著重要的作用。就目前世界的經濟發(fā)展來看，以美國、日本、西歐為代表的工業(yè)化國家在AMT上都有雄厚的實力。AMT發(fā)展歷程:人類漫長的歷史發(fā)展中，使用工具、制造工具進行產品制造是基本生產活動之一。直到18世紀中葉產業(yè)革命以前，制造都是手工作業(yè)和作坊式生產。產業(yè)革命中誕生的能源機器（蒸汽機）、作業(yè)機器（織機）和工具機器（機床），為制造活動提供了能源和技術，并開拓了新的產品市場。經過100多年的技術積累和市場開拓，到19世紀末制造業(yè)已初步形成。其主要生產方式是機械化加電氣化的批量生產。20世紀上半葉，以機械技術和機電自動化技術為基礎的制造業(yè)的生產空前發(fā)展。以大批量生產為主的機械制造業(yè)成為制造活動的主體。20世紀中葉（1946年）電子計算機問世。在計算機誕生2年后，由于飛機制造（飛機蒙皮壁板、梁架）的需要，在美國發(fā)明了數字控制（NC）機床。不久計算機又開始用于輔助編制NC機床的加工程序，推出了自動編程工具APT語言（AutomaticallyProgrammedtools），此后CNC、DNC、FMC、FMS、CAX、MIS、MRP、MRPII、ERP、PDM、Web-M等數字化制造技術相繼問世和應用。先進制造技術是一門綜合性、交叉性前沿學科和技術，學科跨度大，內容廣泛，涉及制造業(yè)生產與技術、經營管理、設計、制造、市場各個方面。先進制造技術就是在傳統(tǒng)制造技術的基礎上，利用計算機技術、網絡技術、控制技術、傳感技術與機、光、電一體化技術等方面的最新進展，不斷發(fā)展完善。三、支撐技術群支撐技術群是指支持設計和制造工藝兩方面取得進步的基礎性的核心技術?；镜纳a過程需要一系列的支撐技術,諸如:測試和檢驗、物料搬運、生產(作業(yè))計劃的控制以及包裝等。它們也是用于保證和改善主體技術的協調運行所需的技術,是工具、手段和系統(tǒng)集成的基礎技術。支撐技術群包括:(1)信息技術:接口和通信、數據庫技術、集成框架、軟件工程人工智能、專家系統(tǒng)和神經網絡、決策支持系統(tǒng)。(2)標準和框架：數據標準、產品定義標準、工藝標準、檢驗標準、接口框架。(3)機床和工具技術。(4)傳感器和控制技術：單機加工單元和過程的控制、執(zhí)行機構、傳感器和傳感器組合、生產作業(yè)計劃。(5)其它四、制造技術基礎設施制造技術基礎設施是指為了管理好各種適當的技術群的開發(fā)并鼓勵這些技術在整個國家工業(yè)(基地)內推廣應用而采取的各種方案和機制。由于技術只有應用適當地會產生效用,所以其技術基礎設施的各要素和基本技術本身同樣重要。這些要素包括了車間工人、工程技術人員和管理人員在各種先進生產技術和方案方面的培訓和教育,這些技術和方案將提高企業(yè)的生產競爭力?？梢哉f,制造技術的基礎設施是使制造技術適應具體企業(yè)應用環(huán)境充分發(fā)揮其功能、取得最佳效益的一系列措施,是使先進的制造技術與企業(yè)組織管理體制和使用技術的人員協調工作的系統(tǒng)工程,是先進制造技術生長和壯大的土壤,因而是其不可分割的一個組成部分。先進制造技術是促進科技和經濟發(fā)展的基礎。五、先進制造技術的提出及背景1993年，美國政府批準了由聯邦科學、工程與技術協調委員會（FCCSET）主持實施的先進制造技術計劃（AdvancedManufacturingTechnology－AMT）計劃先進制造技術計劃（AdvancedManufacturingTechnology－AMT)是美國根據本國制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和機遇,為增強制造業(yè)的競爭力和促進國家經濟增長,首先提出了先進制造技術(AdvancedManufacturingTechnology)的概念。此后,歐洲各國、日本以及亞洲新興工業(yè)化國家如韓國等也相繼作出響應。六、先進制造技術的特點(1)先進制造技術是制造技術的最新發(fā)展階段,是面向21世紀的技術,制造業(yè)是社會物質文明的保證,是與人類社會一起動態(tài)發(fā)展的,因此,制造技術必然也將隨著科技進步而不斷更新。先進制造技術是制造技術的最新發(fā)展階段,是由傳統(tǒng)的制造技術發(fā)展而來,保持了過去制造技術中的有效要素;但隨著高新技術的滲入和制造環(huán)境的變化,已經產生了質的變化,先進制造技術是制造技術與現代高新技術結合而產生的一個完整的技術群,是一類具有明確范疇的新的技術領域,是面向21世紀的技術。(2)先進制造技術是面向工業(yè)應用的技術,先進制造技術應能適合于在工業(yè)企業(yè)推廣并可取得很好的經濟效益,先進制造技術的發(fā)展往往是針對某一具體的制造業(yè)(如汽車工業(yè)、電子工業(yè))的需求而發(fā)展起來的適用的先進制造技術,有明顯的需求導向的特征。先進制造技術不是以追求技術的高新度為目的,而是注重產生最好的實踐效果,以提高企業(yè)的競爭力和促進國家經濟增長和綜合實力為目標。(3)先進制造技術是面向全球競爭的目前每一國家都處于全球化市場中。一個國家的先進制造技術是支持該國制造業(yè)在全球范圍市場的競爭力。因此,先進制造技術的主體應具有世界水平。但是,每個國家的國情也將影響到從現有的制造技術水平向先進制造技術的過渡戰(zhàn)略和措施。我國正在以前所未有的速度進入全球化的國際市場,開發(fā)和應用適合國情的先進制造技術勢在必行。七、其先進制造技術發(fā)展中的關鍵技術1成組技術(GT)成組技術(GT)揭示和利用事物間的相似性，按照一定的準則分類成組，同組事物采用同一方法進行處理，以便提高效益的技術，稱為成組技術。在機械制造工程中，成組技術是計算機輔助制造的基礎，將成組哲理用于設計、制造和管理等整個生產系統(tǒng)，改變多品種小批量生產方式，獲得最大的經濟效益。成組技術的核心是成組工藝，它是將結構、材料、工藝相近似的零件組成一個零件族(組)，按零件族制定工藝進行加工，擴大批量、減少品種、便于采用高效方法、提高勞動生產率。零件的相似性是廣義的，在幾何形狀、尺寸、功能要素、精度、材料等方面的相似性為基本相似性，以基本相似性為基礎，在制造、裝配等生產、經營、管理等方面所導出的相似性，稱為二次相似性或派生相似性。2敏捷制造(AM)敏捷制造(AM)是指企業(yè)實現敏捷生產經營的一種制造哲理和生產模式。敏捷制造包括產品制造機械系統(tǒng)的柔性、員工授權、制造商和供應商關系、總體品質管理及企業(yè)重構。敏捷制造是借助于計算機網絡和信息集成基礎結構，構造有多個企業(yè)參加的“VM”環(huán)境，以競爭合作的原則，在虛擬制造環(huán)境下動態(tài)選擇合作伙伴，組成面向任務的虛擬公司，進行快速和最佳生產。3并行工程(CE)并行工程(CE)是對產品及其相關過程(包括制造過程和支持過程)進行并行、一體化設計的一種系統(tǒng)化的工作模式。在傳統(tǒng)的串行開發(fā)過程中，設計中的問題或不足，要分別在加工、裝配或售后服務中才能被發(fā)現，然后再修改設計，改進加工、裝配或售后服務(包括維修服務)。而并行工程就是將設計、工藝和制造結合在一起，利用計算機互聯網并行作業(yè)，大大縮短生產周期。4快速成型技術(RPM)快速成型技術(RPM)是集CAD/CAM技術、激光加工技術、數控技術和新材料等技術領域的最新成果于一體的零件原型制造技術。它不同于傳統(tǒng)的用材料去除方式制造零件的方法，而是用材料一層一層積累的方式構造零件模型。它利用所要制造零件的三維CAD模型數據直接生成產品原型，并且可以方便地修改CAD模型后重新制造產品原型。由于該技術不像傳統(tǒng)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時間減少為幾天、幾小時，大大縮短了產品開發(fā)周期，減少了開發(fā)成本。隨著計算機技術的決速發(fā)展和三維CAD軟件應用的不斷推廣，越來越多的產品基于三維CAD設計開發(fā)，使得快速成型技術的廣泛應用成為可能。快速成形技術已廣泛應用于宇航、航空、汽車、通訊、醫(yī)療、電子、家電、玩具、軍事裝備、工業(yè)造型(雕刻)、建筑模型、機械行業(yè)等領域。5虛擬制造技術(VMT)虛擬制造技術(VMT)以計算機支持的建模、仿真技術為前提，對設計、加工制造、裝配等全過程進行統(tǒng)一建模，在產品設計階段，實時并行模擬出產品未來制造全過程及其對產品設計的影響，預測出產品的性能、產品的制造技術、產品的可制造性與可裝配性，從而更有效地、更經濟地靈活組織生產，使工廠和車間的設計布局更合理、有效，以達到產品開發(fā)周期和成本最小化、產品設計質量的最優(yōu)化、生產效率的最高化。虛擬制造技術填補了CAD/CAM技術與生產全過程、企業(yè)管理之間的技術缺口，把產品的工藝設計、作業(yè)計劃、生產調度、制造過程、庫存管理、成本[1]核算、零部件采購等企業(yè)生產經營活動在產品投入之前就在計算機上加以顯示和評價，使設計人員和工程技術人員在產品真實制造之前，通過計算機虛擬產品來預見可能發(fā)生的問題和后果。虛擬制造系統(tǒng)的關鍵是建模，即將現實環(huán)境下的物理系統(tǒng)映射為計算機環(huán)境下的虛擬系統(tǒng)。虛擬制造系統(tǒng)生產的產品是虛擬產品，但具有真實產品所具有的一切特征。6智能制造(IM)智能制造(IM)是制造技術、自動化技術、系統(tǒng)工程與人工智能等學科互相滲透、互相交織而形成的一門綜合技術。其具體表現為：智能設計、智能加工、機器人操作、智能控制、智能工藝規(guī)劃、智能調度與管理、智能裝配、智能測量與診斷等。它強調通過“智能設備”和“自治控制”來構造新一代的智能制造系統(tǒng)模式。智能制造系統(tǒng)具有自律能力、自組織能力、自學習與自我優(yōu)化能力、自修復能力，因而適應性極強，而且由于采用VR技術，人機界面更加友好。因此，智能制造技術的研究開發(fā)對于提高生產效率與產品品質、降低成本，提高制造業(yè)市場應變能力、國家經濟實力和國民生活水準，具有重要意義。八、制造技術的進步制造技術是制造業(yè)所使用的一切生產技術的總稱，是將原材料和其他生產要素經濟合理地轉化為可直接使用的具有較高附加值的成品/半成品和技術服務的技術群。近兩百年來.在市場需求不斷變化的驅動下，制造業(yè)的生產規(guī)模沿著“小批量→少品種、大批量→多品種、變批量”的方向發(fā)展。在科學技術高速發(fā)展的推動下，制造業(yè)的資源配置沿著“勞動密集→設備密集→信息密集→知識密集”的方向發(fā)展。與之相適應，制造技術的生產方式沿著“手工→機械化→單機自動化。剛性流水自動化→柔性自動化→智能自動化”的方向發(fā)展。從而推動了制造業(yè)的不斷發(fā)展，促進了制造業(yè)的不斷進步。舉例導入舉例分析說明結合實例分析討論法分析結合實際舉例舉例分析提問學生總結教學環(huán)節(jié)教學內容備注組織教學提問導言檢查學生出勤中國制造業(yè)的現狀？任務三虛擬建模技術虛擬仿真（VirtualReality），仿真（simulation）技術，或稱為模擬技術，就是用一個系統(tǒng)模仿另一個真實系統(tǒng)的技術。工程力學（虛擬仿真方向），隸屬于遼寧工程技術大學力學與工程科學院現有3個本科專業(yè)之一，本專業(yè)是國內首創(chuàng)專業(yè)，注重力學與計算機兩大領域的交叉與結合，重點培養(yǎng)方向是工程中力學問題的數值計算與仿真。一、原理虛擬仿真實際上是一種可創(chuàng)建和體驗虛擬世界（VirtualWorld）的計算機系統(tǒng)。此種虛擬世界由計算機生成，可以是現實世界的再現，亦可以是構想中的世界，用戶可借助視覺、聽覺及觸覺等多種傳感通道與虛擬世界進行自然的交互。它是以仿真的方式給用戶創(chuàng)造一個實時反映實體對象變化與相互作用的三維虛擬世界,并通過頭盔顯示器（HMD）、數據手套等輔助傳感設備，提供用戶一個觀測與該虛擬世界交互的三維界面，使用戶可直接參與并探索仿真對象在所處環(huán)境中的作用與變化，產生沉浸感。VR技術是計算機技術、計算機圖形學、計算機視覺、視覺生理學、視覺心理學、仿真技術、微電子技術、多媒體技術、信息技術、立體顯示技術、傳感與測量技術、軟件工程、語音識別與合成技術、人機接口技術、網絡技術及人工智能技術等多種高新技術集成之結晶。其逼真性和實時交互性為系統(tǒng)仿真技術提供有力的支撐。二、虛擬現實技術的含義虛擬與現實兩詞具有相互矛盾的含義，把這兩個詞放在一起，似乎沒有意義，但是科學技術的發(fā)展卻賦予了它新的含義。虛擬現實的明確定義不太好說，按最早提出虛擬現實概念的學者J.Laniar的說法，虛擬現實，又稱假想現實，意味著“用電子計算機合成的人工世界”。從此可以清楚地看到，這個領域與計算機有著不可分離的密切關系，信息科學是合成虛擬現實的基本前提。生成虛擬現實需要解決以下三個主要問題：①以假亂真的存在技術。即，怎樣合成對觀察者的感官器官來說與實際存在相一致的輸入信息，也就是如何可以產生與現實環(huán)境一樣的視覺，觸覺，嗅覺等。②相互作用。觀察者怎樣積極和能動地操作虛擬現實，以實現不同的視點景象和更高層次的感覺信息。實際上也就是怎么可以看得更像，聽得更真等等。③自律性現實。感覺者如何在不意識到自己動作、行為的條件下得到栩栩如生的現實感。在這里，觀察者、傳感器、計算機仿真系統(tǒng)與顯示系統(tǒng)構成了一個相互作用的閉環(huán)流程。今天，虛擬現實已經發(fā)展成一門涉及計算機圖形學、精密傳感機構、人機接口及實時圖像處理等領域的綜合性學科。虛擬現實技術分虛擬實景（境）技術（如虛擬游覽故宮博物館）與虛擬虛景（境）技術（如虛擬現實環(huán)境生成、虛擬設計的波音777飛機等）兩大類。虛擬現實技術的應用領域和交叉領域非常廣泛，幾乎到了無所不包、無孔不入的地步，在虛擬現實技術戰(zhàn)場環(huán)境，虛擬現實作戰(zhàn)指揮模擬，飛機、船舶、車輛虛擬現實駕駛訓練，飛機、導彈、輪船與轎車的虛擬制造（含系統(tǒng)的虛擬設計），虛擬現實建筑物的展示與參觀，虛擬現實手術培訓，虛擬現實游戲，虛擬現實影視藝術等等方面的應用和產業(yè)的形成都有強烈的市場需求和技術驅動。權威人士斷言，虛擬現實技術將是21世紀信息技術的代表。它的發(fā)展，不僅從根本上改變人們的工作方式和生活方式，勞和逸將真正結合起來，人們在享受環(huán)境中工作，在工作過程中得到享受；而且虛擬現實技術與美術、音樂等文化藝術的結合，將誕生人類的第九藝術。隨著計算機技術的發(fā)展，在PC機上實現虛擬現實技術已成為可能。所以，目前虛擬現實技術系統(tǒng)的運行趨勢為單機桌面和互聯網兩種主要方式，因此，它對計算機硬件技術和網絡技術的發(fā)展和應用也有很大的刺激作用。在喧鬧都市的辦公室中忙碌了一天的人們，多么希望自己能一步跨入一個熱帶天堂。幻想一片一望無邊的海灘，挽起褲腿站在水邊，任憑海浪輕撫腳面，椰林隨風清唱，海鷗自由翱翔，太陽在天際徐徐落下，余暉把海面染紅。這種想象能使許多人忘卻疲勞，他們在心中創(chuàng)造了一個使自己心曠神怡的幻境。但是如果那景象三維立體、細致入微，如果你能看到自己用手拾起一片貝殼，這個幻境就會變得活靈活現，你就會認為自己實際已去過了那個海島?，F在，基于虛擬現實技術的“休息機”可以為人們提供這種跨越空間的手段。三、虛擬仿真的特點具有沉浸性（immersion）、交互性（interaction）和構想性（imagination），使人們能沉浸其中，超越其上，出入自然，形成具有交互效能多維化的信息環(huán)境。目前業(yè)界很多虛擬現實公司只能提供三維漫游等簡單的視景開發(fā)支持，其擁有的幾何模型干涉檢查、交互操作支持等也非常簡單，而為此特殊開發(fā)的專用模塊不但價格昂貴，且源代碼有限開放難以滿足用戶個性化開發(fā)應用需求。真正的虛擬仿真應提供復雜場景圖形、聲音、交互操作、干涉檢查等多方面的支持，從而可以簡化應用系統(tǒng)的開發(fā)，提供應用系統(tǒng)的功能和性能。平臺系統(tǒng)表現為一個視景和聲音開發(fā)支撐平臺和多個開發(fā)支持工具（幾何對象干涉檢查工具包、通用虛擬手開發(fā)工具包、粒子生成與控制工具、不規(guī)則幾何體構造工具、流場可視化工具包）?？梢詾橛脩籼峁└黝怴R應用系統(tǒng)的開發(fā)。概括地說，虛擬現實是人們通過計算機對復雜數據進行可視化操作與交互的一種全新方式，與傳統(tǒng)的人機界面以及流行的視窗操作相比，虛擬現實在技術思想上有了質的飛躍。虛擬現實中的“現實”是泛指在物理意義上或功能意義上存在于世界上的任何事物或環(huán)境，它可以是實際上可實現的，也可以是實際上難以實現的或根本無法實現的。而“虛擬”是指用計算機生成的意思。因此，虛擬現實是指用計算機生成的一種特殊環(huán)境，人可以通過使用各種特殊裝置將自己“投射”到這個環(huán)境中，并操作、控制環(huán)境，實現特殊的目的，即人是這種環(huán)境的主宰。四、虛擬仿真的應用虛擬仿真在城市規(guī)劃中的應用城市規(guī)劃一直是對全新的可視化技術需求最為迫切的領域之一，虛擬現實技術可以廣泛的應用在城市規(guī)劃的各個方面，并帶來切實且可觀的利益：展現規(guī)劃方案虛擬現實系統(tǒng)的沉浸感和互動性不但能夠給用戶帶來強烈、逼真的感官沖擊，獲得身臨其境的體驗，還可以通過其數據接口在實時的虛擬環(huán)境中隨時獲取項目的數據資料，方便大型復雜工程項目的規(guī)劃、設計、投標、報批、管理，有利于設計與管理人員對各種規(guī)劃設計方案進行輔助設計與方案評審。規(guī)避設計風險虛擬現實所建立的虛擬環(huán)境是由基于真實數據建立的數字模型組合而成，嚴格遵循工程項目設計的標準和要求建立逼真的三維場景，對規(guī)劃項目進行真實的“再現”。用戶在三維場景中任意漫游，人機交互，這樣很多不易察覺的設計缺陷能夠輕易地被發(fā)現，減少由于事先規(guī)劃不周全而造成的無可挽回的損失與遺憾，大大提高了項目的評估質量。加快設計速度運用虛擬現實系統(tǒng)，我們可以很輕松隨意的進行修改，改變建筑高度，改變建筑外立面的材質、顏色，改變綠化密度，只要修改系統(tǒng)中的參數即可。從而大大加快了方案設計的速度和質量，提高了方案設計和修正的效率，也節(jié)省了大量的資金，提供合作平臺。虛擬仿真在地產行業(yè)的應用通過樓盤虛擬可體現樓盤在未來的真實景觀、周邊的環(huán)境及配套設施，可以驗證客戶所購買的單位與周邊環(huán)境的協調關系、通過該戶型的窗戶可真切的看到未來屬于自己的景觀。給客戶提供一種嶄新的方式展示、宣傳樓盤；完美體現了客戶的設計方案，通過第一人稱角色切換，給予購房者以真實在場，親臨其景的感受；在同一角度，對同一戶型嘗試不同的裝潢設計；實時變換房間的裝修材料，使購房者體驗不同的裝修風格設計。虛擬仿真在數字校園方面的應用通過三維仿真技術、數字技術、信息技術、網絡技術要在校園生活各個方面的滲透和融合，建立了基于GIS平臺的三維數字校園管理系統(tǒng)。實現在圖形化、可視化和形象化狀態(tài)下的校園信息查詢定位、教學教育設施管理、學區(qū)規(guī)劃管理和部件管理等。學校管理部門能夠通過系統(tǒng)對校園的任意角落進行全方位的管理和掌控，為可持續(xù)發(fā)展提供解決方法、手段和決策支持；學生和社會大眾可以通過該系統(tǒng)了解學校的詳細情況，是學校面向社會宣傳的快速通道。虛擬仿真在旅游業(yè)的應用隨著科技的高速發(fā)展虛擬旅游逐漸走入人們的生活，凡拓公司利用虛擬現技術可以通過互聯網和制作的仿真場景到達自己想去的地方。這就是虛擬旅游，凡拓公司是通過實地拍照，現場測量為基礎，真實的再現旅游景點。讓人們通過VR場景的漫游了解和體驗旅游景點。五、虛擬仿真在娛樂、藝術與教育方面的應用豐富的感覺能力與3D顯示環(huán)境使得VR成為理想的視頻游戲工具。由于在娛樂方面對VR的真實感要求不是太高，故近些年來VR在該方面發(fā)展最為迅猛。如Chicago（芝加哥）開放了世界上第一臺大型可供多人使用的VR娛樂系統(tǒng)，其主題是關于3025年的一場未來戰(zhàn)爭；英國開發(fā)的稱為“Virtuality”的VR游戲系統(tǒng)，配有HMD，大大增強了真實感；1992年的一臺稱為“LegealQust”的系統(tǒng)由于增加了人工智能功能，使計算機具備了自學習功能，大大增強了趣味性及難度，使該系統(tǒng)獲該年度VR產品獎。另外在家庭娛樂方面VR也顯示出了很好的前景。工程力學(虛擬仿真工程)本專業(yè)設有虛擬仿真實驗室，建立了北京昊華認識實習基地、阜礦恒大實習基地、阜礦五龍認識實習基地。本專業(yè)是國內首創(chuàng)專業(yè)，注重力學與計算機兩大領域的交叉與結合，重點培養(yǎng)方向是工程中力學問題的數值計算與仿真。培養(yǎng)適應祖國現代化建設需要的德智體全面發(fā)展，專業(yè)基礎扎實，知識結構合理，掌握高科技知識，勇于創(chuàng)新，從事虛擬仿真工程設計、研究、開發(fā)的應用型技術人才。學生畢業(yè)后，主要從事計算力學、虛擬設計、系統(tǒng)仿真、多媒體技術、網絡技術、虛擬產品開發(fā)技術等方面的理論研究與實際應用。并結合力學學科的專業(yè)知識，對虛擬仿真工程中的力學問題進行理論分析和實際計算，提出相應的理論依據，進行科學論證。培養(yǎng)目標：培養(yǎng)適應我國社會主義現代化建設需要，德、智、體全面發(fā)展，獲得工程師或科學研究基本訓練，基礎扎實、知識面寬、能力強、素質高，具有較強的英語語言能力、創(chuàng)新精神和實踐能力，較全面地具備工程力學基礎理論知識，掌握計算力學與虛擬設計方法，具有對工程中相關力學計算問題綜合分析和研究的初步能力，并具有虛擬仿真工程設計、研究、開發(fā)能力的應用型高級專門人才。主要課程：理論力學、材料力學、結構力學、彈性力學、振動力學、流體力學、有限單元法、大型工程分析軟件及應用、虛擬設計Pro/E、虛擬產品開發(fā)技術。六、虛擬仿真在工業(yè)方面的應用當今世界工業(yè)已經發(fā)生了巨大的變化，大規(guī)模人海戰(zhàn)術早已不再適應工業(yè)的發(fā)展，先進科學技術的應用顯現出巨大的威力，特別是虛擬現實技術的應用正對工業(yè)進行著一場前所未有的革命。虛擬現實已經被世界上一些大型企業(yè)廣泛地應用到工業(yè)的各個環(huán)節(jié)，對企業(yè)提高開發(fā)效率，加強數據采集、分析、處理能力，減少決策失誤，降低企業(yè)風險起到了重要的作用。虛擬現實技術的引入,將使工業(yè)設計的手段和思想發(fā)生質的飛躍,更加符合社會發(fā)展的需要,可以說在工業(yè)設計中應用虛擬現實技術是可行且必要的。工業(yè)仿真系統(tǒng)不是簡單的場景漫游，是真正意義上用于指導生產的仿真系統(tǒng)，它結合用戶業(yè)務層功能和數據庫數據組建一套完全的仿真系統(tǒng)，可組建B/S、C/S兩種架構的應用，可與企業(yè)ERP、MIS系統(tǒng)無縫對接，支持SqlServer、Oracle、MySql等主流數據庫。從而實現石油工業(yè)仿真、電力考核仿真企業(yè)利用虛擬平臺，實時管理工廠的目的。工業(yè)仿真所涵蓋的范圍很廣，從簡單的單臺工作站上的機械裝配模擬與多人在線協同演練系統(tǒng)，到利用虛擬環(huán)境管理與控制工廠生產與設備運行。下面僅僅列舉一些工業(yè)仿真的教培與模擬方面的應用：舉例導入舉例分析說明結合實例分析討論法分析結合實際舉例舉例分析提問學生總結教學環(huán)節(jié)教學內容備注組織教學提問導言小結作業(yè)檢查學生出勤中國制造業(yè)的現狀？任務四虛擬加工技術在當今經濟全球化、貿易自由化和社會信息化的形勢下，制造業(yè)的經營戰(zhàn)略發(fā)生了很大變化，在30～60年代企業(yè)追求的是規(guī)模效益，如：美國福特汽車公司、通用汽車公司相繼采用剛性流水線進行大批量生產；70年代更加重視降低生產成本，如：日本豐田公司采用準時化生產；80年代提高產品質量成為主要目標；進入90年代新產品開發(fā)及交貨期成為競爭的焦點。由此產生了多種多樣的制造哲理，如：精益生產、并行工程、敏捷制造和虛擬制造等，它們各有側重，從不同角度研究如何增強企業(yè)的競爭力。而虛擬制造技術是制造技術與仿真技術相結合的產物。虛擬現實（VirtualReality）技術是使用感官組織仿真設備和真實或虛幻環(huán)境的動態(tài)模型生成或創(chuàng)造出人能夠感知的環(huán)境或現實，使人能夠憑借直覺作用于計算機產生的三維仿真模型的虛擬環(huán)境。基于虛擬現實技術的虛擬制造（VirtualManufacturing）技術是在一個統(tǒng)一模型之下對設計和制造等過程進行集成，它將與產品制造相關的各種過程與技術集成在三維的、動態(tài)的仿真真實過程的實體數字模型之上。其目的是在產品設計階段，借助建模與仿真技術及時地、并行地、模擬出產品未來制造過程乃至產品全生命周期的各種活動對產品設計的影響，預測、檢測、評價產品性能和產品的可制造性等等。從而更加有效地、經濟地、柔性地組織生產，增強決策與控制水平，有力地降低由于前期設計給后期制造帶來的回溯更改，達到產品的開發(fā)周期和成本最小化、產品設計質量的最優(yōu)化、生產效率的最大化。重大作用虛擬制造也可以對想象中的制造活動進行仿真，它不消耗現實資源和能量，所進行的過程是虛擬過程，所生產的產品也是虛擬的。虛擬制造技術的應用將會對未來制造業(yè)的發(fā)展產生深遠影響，它的重大作用主要表現為：●運用軟件對制造系統(tǒng)中的五大要素（人、組織管理、物流、信息流、能量流）進行\(zhòng)o"查看圖片"

模擬駕駛室全面仿真，使之達到了前所未有的高度集成，為先進制造技術的進一步發(fā)展提供了更廣大的空間，同時也推動了相關技術的不斷發(fā)展和進步?！窨杉由钊藗儗ιa過程和制造系統(tǒng)的認識和理解，有利于對其進行理論升華，更好地指導實際生產，即對生產過程、制造系統(tǒng)整體進行優(yōu)化配置，推動生產力的巨大躍升。●在虛擬制造與現實制造的相互影響和作用過程中，可以全面改進企業(yè)的組織管理工作，而且對正確作出決策有不可估量的影響。例如：可以對生產計劃、交貨期、生產產量等作出預測，及時發(fā)現問題并改進現實制造過程?！裉摂M制造技術的應用將加快企業(yè)人才的培養(yǎng)速度。我們都知道模擬駕駛室對駕駛員、飛行員的培養(yǎng)起到了良好作用，虛擬制造也會產生類似的作用。例如：可以對生產人員進行操作訓練、異常工藝的應急處理等。代表性的全新概念虛擬制造”是近幾年由美國首先提出的一種全新概念。什么是虛擬制造?它包括哪些內\o"查看圖片"

虛擬制造在復雜曲面五軸聯動加工中的應用容？這些至今仍然是人們討論的問題。很多人曾為虛擬制造進行定義，比較有代表性有：佛羅里達大學GloriaJ.Wiens的定義是：虛擬制造是這樣一個概念，即與實際一樣在計算機上執(zhí)行制造過程。其中虛擬模型是在實際制造之前用于對產品的功能及可制造性的潛在問題進行預測。(VMisaconceptofexecutingmanufacturingprocessesincomputersaswellasintherealworld,?where?virtualmodels?allowfor?predictionofpotentialproblemsforproductfunctionalityandmanufacturabilitybeforerealmanufacturingoccurs.)該定義強調VM“與實際一樣”“虛擬模型”和“預測”，即著眼于結果。美國空軍Wright實驗室的定義是：“虛擬制造是仿真、建模和分析技術及工具的綜合應用，以增強各層制造設計和生產決策與控制。(VMistheintegratedapplicationofsimulation,modelingandanalysistechnologiesandtoolstoenhancemanufacturingdesignandproductiondecisionsandcontrolatallprocesslevels.)該定義著眼于手段。馬里蘭大學EdwardLin&etc定義是：另一個有代表性的定義是由馬里蘭大學EdwardLin&etc給出的，“虛擬制造是一個用于增強各級決策與控制的一體化的、綜合性的制造環(huán)境?！?VMisanintegrated,syntheticmanufacturingenvironmentexercisedtoenhancealllevelsofdecisionandcontrol.),則著眼于環(huán)境。顯然，上述定義強調的方面是不同的，甚至也有人認為沒有必要只有一種定義。但是為了討論和交流，普遍認為，對VM進行定義是有必要的。總結分析綜合目前國際上有代表性的文獻，對虛擬制造給出如下定義：虛擬制造是實際制造過程在計算機上的本質實現，即采用計算機仿真與虛擬現實技術，在計算機上群組協同工作，實現產品的設計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質量檢驗，以及企業(yè)各級過程的管理與控制等產品制造的本質過程，以增強制造過程各級的決策與控制能力。可以看到，“虛擬制造”雖然不是實際的制造，但卻實現實際制造的本質過程，是一種通過計算機虛擬模型來模擬和預估產品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的問題，提高人們的預測和決策水平，使得制造技術走出主要依賴于經驗的狹小天地，發(fā)展到了全方位預報的新階段。虛擬現實（VirtualReality）技術是使用感官組織仿真設備和真實或虛幻環(huán)境的動態(tài)模型生成或創(chuàng)造出人能夠感知的環(huán)境或現實，使人能夠憑借直覺作用于計算機產生的三維仿真模型的虛擬環(huán)境?；谔摂M現實技術的虛擬制造（VirtualManufacturing）技術是在一個統(tǒng)一模型之下對設計和制造等過程進行集成，它將與產品制造相關的各種過程與技術集成在三維的、動態(tài)的仿真真實過程的實體數字模型之上。其目的是在產品設計階段，借助建模與仿真技術及時地、并行地、模擬出產品未來制造過程乃至產品全生命周期的各種活動對產品設計的影響，預測、檢測、評價產品性能和產品的可制造性等等。從而更加有效地、經濟地、柔性地組織生產，增強決策與控制水平，有力地降低由于前期設計給后期制造帶來的回溯更改，達到產品的開發(fā)周期和成本最小化、產品設計質量的最優(yōu)化、生產效率的最大化。研究內容虛擬制造技術的研究內容是極為廣泛的，除了虛擬現實技術涉及的共同性技術外，虛擬制造領域本身的主要研究內容有：●虛擬制造的理論體系；●設計信息和生產過程的三維可視化；●虛擬制造系統(tǒng)的開放式體系結構；●虛擬產品的裝配仿真；●虛擬環(huán)境中及虛擬制造過程中的人機協同作業(yè)等。一般來說，虛擬制造的研究都與特定的應用環(huán)境和對象相聯系，由于應用的不同要求而存在不同的側重點，因此出現了三個流派，即以設計為中心的虛擬制造、以生產為中心的虛擬制造和以控制為中心的虛擬制造。應用虛擬制造技術的廣泛應用將從根本上改變現行的制造模式，對相關行業(yè)也將產生巨大影響，可以說虛擬制造技術決定著企業(yè)的未來，也決定著制造業(yè)在競爭中能否立于不敗之地。虛擬制造(VM)是國際上提出的新概念。VM與AM聯系密切。VM的特征是：當市場新的機遇出現時，組織幾個有關公司聯作，把不同的公司，不同地點的工廠或車間重新組織協調工作。在運行之前必須分析組合是否最優(yōu)，能否協調運行，以及投產后的效益和風險進行評估，這種聯作公司稱虛擬公司。虛擬公司在一定的環(huán)境和條件下通過虛擬制造系統(tǒng)運行，包括物理基礎、法律保障、社會環(huán)境和信息技術。因此研究開發(fā)虛擬制造技術(VMT)和虛擬制造系統(tǒng)(VMS)意義重大，美國稱AM為21世紀制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略。虛擬現實技術（VirtualRealityTechnology）主要包括虛擬制造技術和虛擬企業(yè)兩個部分。虛擬制造技術將從根本上改變了設計、試制、修改設計、規(guī)模生產的傳統(tǒng)制造模式。在產品真正制出之前，首先在虛擬制造環(huán)境中生成軟產品原型（SoftPrototype）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬樣品（HardPrototype）進行試驗，對其性能和可制造性進行預測和評價，從而縮短產品的設計與制造周期，降低產品的開發(fā)成本，提高系統(tǒng)快速響應市場變化的能力。虛擬企業(yè)是為了快速響應某一市場需求，通過信息高速公路，將產品涉及到的不同企業(yè)臨時組建成為一個沒有圍墻、超越空間約束、靠計算機網絡聯系、統(tǒng)一指揮的合作經濟實體。虛擬企業(yè)的特點是企業(yè)的功能上的不完整、地域上的分散性和組織結構上的非永久性，即功能的虛擬化、組織的虛擬化、地域的虛擬化。主要特征1.產品與制造環(huán)境是虛擬模型，在計算機上對虛擬模型進行產品設計、制造、測試，甚至設計人員或用戶可“進入”虛擬的制造環(huán)境檢驗其設計、加工、裝配和操作，而不依賴于傳統(tǒng)的原型樣機的反復修改；還可將已開發(fā)的產品(部件)存放在計算機里，不但大大節(jié)省倉儲費用，更能根據用戶需求或市場變化快速改變設計，快速投入批量生產，從而能大幅度壓縮新產品的開發(fā)時間，提高質量、降低成本。2.可使分布在不同地點、不同部門的不同專業(yè)人員在同一個產品模型上同時工作，相互交流，信息共享，減少大量的文檔生成及其傳遞的時間和誤差，從而使產品開發(fā)以快捷、優(yōu)質、低耗響應市場變化。重大作用虛擬制造也可以對想象中的制造活動進行仿真，它不消耗現實資源和能量，所進行的過程是虛擬過程，所生產的產品也是虛擬的。虛擬制造技術的應用將會對未來制造業(yè)的發(fā)展產生深遠影響，它的重大作用主要表現為：1、運用軟件對制造系統(tǒng)中的五大要素（人、組織管理、物流、信息流、能量流）進行全面仿真，使之達到了前所未有的高度集成，為先進制造技術的進一步發(fā)展提供了更廣大的空間，同時也推動了相關技術的不斷發(fā)展和進步。2、可加深人們對生產過程和制造系統(tǒng)的認識和理解，有利于對其進行理論升華，更好地指導實際生產，即對生產過程、制造系統(tǒng)整體進行優(yōu)化配置，推動生產力的巨大躍升。3、在虛擬制造與現實制造的相互影響和作用過程中，可以全面改進企業(yè)的組織管理工作，而且對正確作出決策有不可估量的影響。例如：可以對生產計劃、交貨期、生產產量等作出預測，及時發(fā)現問題并改進現實制造過程。4、虛擬制造技術的應用將加快企業(yè)人才的培養(yǎng)速度。我們都知道模擬駕駛室對駕駛員、飛行員的培養(yǎng)起到了良好作用，虛擬制造也會產生類似的作用。舉例導入舉例分析說明結合實例分析討論法分析結合實際舉例舉例分析提問學生總結教學環(huán)節(jié)教學內容備注組織教學提問導言檢查學生出勤裝配技術對整機系統(tǒng)的重要性？任務五虛擬裝配技術一、虛擬裝配基于虛擬現實的產品虛擬拆裝技術在新產品開發(fā)、產品的維護以及操作培訓方面具有獨特的作用。在交互式虛擬裝配環(huán)境中，用戶使用各類交互設備（數據手套/位置跟蹤器、鼠標/鍵盤、力反饋操作設備等）象在真實環(huán)境中一樣對產品的零部件進行各類裝配操作，在操作過程中系統(tǒng)提供實時的碰撞檢測、裝配約束處理、裝配路徑與序列處理等功能，從而使得用戶能夠對產品的可裝配性進行分析、對產品零部件裝配序列進行驗證和規(guī)劃、對裝配操作人員進行培訓等。在裝配（或拆卸）結束以后，系統(tǒng)能夠記錄裝配過程的所有信息，并生成評審報告、視頻錄像等供隨后的分析使用。虛擬裝配是虛擬制造的重要組成部分，利用虛擬裝配，可以驗證裝配設計和操作的正確與否，以便及早的發(fā)現裝配中的問題，對模型進行修改，并通過可視化顯示裝配過程。虛擬裝配系統(tǒng)允許設計人員考慮可行的裝配序列，自動生成裝配規(guī)劃，它包括數值計算、裝配工藝規(guī)劃、工作面布局、裝配操作所模擬等。現在產品的制造正在向著自動化、數字化的反向發(fā)展，虛擬裝配是產品數字化定義中的一個重要環(huán)節(jié)。虛擬裝配技術的發(fā)展是虛擬制造技術的一個關鍵部分，但相對于虛擬制造的其它部分而言，它又是最薄弱的環(huán)節(jié)。虛擬裝配技術發(fā)展滯后，使得虛擬制造技術的應用性大大減弱，因此對虛擬裝配技術的發(fā)展也就成為目前虛擬制造技術領域內研究的主要對象，這一問題的解決將使虛擬制造技術形成一個完善的理論體系，使生產真正在高效、高質量、短時間、低成本的環(huán)境下完成，同時又具備了良好的服務。虛擬裝配從模型重新定位、分析方面來講，它是一種零件模型按約束關系進行重新定位的過程，是有效的分析產品設計合理性的一種手段;從產品裝配過程來講，它是根據產品設計的形狀特性、精度特性，真實的模擬產品三維裝配過程，并允許用戶以交互方式控制產品的三維真實模擬裝配過程，以檢驗產品的可裝配性。作為虛擬制造的關鍵技術之一，虛擬裝配技術近年來受到了學術界和工業(yè)界的廣泛關注，并對敏捷制造、虛擬制造等先進制造模式的實施具有深遠影響。通過建立產品數字化裝配模型，虛擬裝配技術在計算機上創(chuàng)建近乎實際的虛擬環(huán)境，可以用虛擬產品代替?zhèn)鹘y(tǒng)設計中的物理樣機，能夠方便的對產品的裝配過程進行模擬與分析，預估產品的裝配性能，及早發(fā)現潛在的裝配沖與缺陷，并將這些裝配信息反饋給設計人員。運用該技術不但有利于并行工程的開展，而且還可以大大縮短產品開發(fā)周期，降低生產成本，提高產品在市場中的競爭力。二、虛擬裝配的分類按照實現功能和目的的不同，目前針對虛擬裝配的研究可以分為如下三類：以產品設計為中心的虛擬裝配、以工藝規(guī)劃為中心的虛擬裝配和以虛擬原型為中心的虛擬裝配．1.以產品設計為中心的虛擬裝配虛擬裝配是在產品設計過程中，為了更好地幫助進行與裝配有關的設計決策，在虛擬環(huán)境下對計算機數據模型進行裝配關系分析的一項計算機輔助設計技術．它結合面向裝配設計(DesignForAssembly，DFA)理論和方法，基本任務就是從設計原理方案出發(fā)在各種因素制約下尋求裝配結構的最優(yōu)解，由此擬定裝配草圖．它以產品可裝配性的全面改善為目的，通過模擬試裝和定量分析，找出零部件結構設計中不適合裝配或裝配性能不好的結構特征，進行設計修改．最終保證所設計的產品從技術角度來講裝配是合理可行的，從經濟角度來講應盡可能降低產品總成本，同時還必須兼顧人因工程和環(huán)保等社會因素．2.以工藝規(guī)劃為中心的虛擬裝配針對產品的裝配工藝設計問題，基于產品信息模型和裝配資源模型，采用計算機仿真和虛擬現實技術進行產品的裝配工藝設計，從而獲得可行且較優(yōu)的裝配工藝方案，指導實際裝配生產．根據涉及范圍和層次的不同，又分為系統(tǒng)級裝配規(guī)劃和作業(yè)級裝配規(guī)劃．前者是裝配生產的總體規(guī)劃，主要包括市場需求、投資狀況、生產規(guī)模、生產周期、資源分配、裝配車間布置、裝配生產線平衡等內容，是裝配生產的綱領性文件．后者主要指裝配作業(yè)與過程規(guī)劃，主要包括裝配順序的規(guī)劃、裝配路徑的規(guī)劃、工藝路線的制定、操作空間的干涉驗證、工藝卡片和文檔的生成等內容．工藝規(guī)劃為中心的虛擬裝配，以操作仿真的高逼真度為特色，主要體現在虛擬裝配實施對象、操作過程以及所用的工裝工具，均與生產實際情況高度吻合，因而可以生動直觀地反映產品裝配的真實過程，使仿真結果具有高可信度．3.以虛擬原型為中心的虛擬裝配虛擬原型是利用計算機仿真系統(tǒng)在一定程度上實現產品的外形、功能和性能模擬，以產生與物理樣機具有可比性的效果來檢驗和評價產品特性．傳統(tǒng)的虛擬裝配系統(tǒng)都是以理想的剛性零件為基礎，虛擬裝配和虛擬原型技術的結合，可以有效分析零件制造和裝配過程中的受力變形對產品裝配性能的影響，為產品形狀精度分析、公差優(yōu)化設計提供可視化手段．以虛擬原型為中心的虛擬裝配主要研究內容包括考慮切削力、變形和殘余應力的零件制造過程建模、有限元分析與仿真、配合公差與零件變形、以及計算結果可視化等方面．三、虛擬裝配的構成虛擬裝配由兩個部分組成，即由虛擬現實軟件內容（即vr）內容和虛擬現實（vr)外設設備,這兩個個協同工作，缺一不可，這樣才能制造出交互性與沉浸性于一體的虛擬裝配環(huán)境。\o"查看圖片"

虛擬現實軟件內容：一般由各種VR軟件組成，先在三維軟件中根據虛擬現實的內容制作相應的三維模型，然后再把這些三維模型導入到VR軟件中，接下來就需要硬件設備來支撐這些軟件程序。虛擬現實（vr)外設設備：\o"查看圖片"

虛擬現實技術的特征之一就是人機之間的交互性.為了實現人機之間的充分交換信息，必須設計特殊輸入和演示設備，以影響各種操作和指令，且提供反饋信息，實現真正生動的交互效果。不同的項目可以根據實際的應用可以有選擇的使用這些工具，主要包括：VR系列虛擬現實工作站、立體投影、立體眼鏡或頭盔顯示器、三維空間跟蹤定位器、數據手套、3D立體顯示器、三維空間交互球、多通道環(huán)幕系統(tǒng)、建模軟件等。舉例導入舉例分析說明結合實例分析討論法分析結合實際舉例舉例分析提問學生總結教學環(huán)節(jié)教學內容備注組織教學提問導言檢查學生出勤大家了解什么是微機械嗎？這節(jié)課我們就簡單介紹一下。任務六微機械1引言微機械是80年代后期發(fā)展起來的一門新興學科，隨著大規(guī)模集成電路中微細加工技術和超精密加工技術的發(fā)展，微機械近幾年來發(fā)展很快，部分已進入實用和商品化階段．微機械體積小、耗能低，能方便地進行精細操作，其主要應用領域有醫(yī)療、生物工程、信息、航空航天、半導體工業(yè)、軍事、汽車領域等，它已給國民經濟、人民生活和國防、軍事等帶來了深遠的影響，被列為21世紀關鍵技術之首，因此受到世界各國政府的高度重視，例如美國每年投資800萬～1500萬美元、德國每年投資7000萬美元進行微機械的研究，而日本則準備在10年內投資2億美元于微機械領域，我國也有許多單位開展了該領域的研究工作。2微機械及其特征微機械在美國被稱為微電子機械系統(tǒng)(MicroElectroMachanicalSystem.，簡稱MEMS)；在日本被稱為微機器(MicroMachnie)；在歐洲則被稱為微系統(tǒng)(Microsystem)。微機械具有以下幾個基本特點:體積小、精度高、重量輕。其體積可達亞微米以下，尺寸精度達納米級，重量可至納克。已經制出了直徑細如發(fā)絲的齒輪、能開動的3mm大小的汽車和花生米大的飛機。最近有資料表明，科學家們已能在5平方毫米內放置1000臺微型發(fā)動機。性能穩(wěn)定、可靠性高。由于微機械的體積小，幾乎不受熱膨脹、噪聲、撓曲等因素影響，具有較高的抗干擾性，可在較差的環(huán)境下進行穩(wěn)定的工作。能耗低、靈敏度和工作效率高。微機械所消耗的能量遠小于傳統(tǒng)機械的十分之一，但卻能以十倍以上的速度來完成同樣的工作，如5mm×5mm×0.7mm的微型泵的流速是比其體積大得多的小型泵的1000倍，而且機電一體化的微機械不存在信號延遲問題，可進行高速工作。多功能和智能化。微機械集傳感器、執(zhí)行器、信號處理和電子控制電路為一體，易于實現多功能化和智能化適用于大批量生產、制造成本低。微機械采用和半導體制造工藝類似的方法生產，可以象超大規(guī)模集成電路芯片一樣一次制成大量的完全相同的部件，制造成本大大降低，如美國的研究人員正在用該技術制造雙向光纖通信所必須的微型光學調制器．通過巧妙的光刻技術制造芯片，做一塊只需幾美分，而過去則要化5000美元。3微機械加工技術微機械加工使用最多的材料是硅材料，其來源廣泛，加工技術成熟，基片成本低，硅既有良好的機械特性，又有良好的電子性能和材料性能，十分適合微機械構件的制造。例如，硅的楊氏模量(1.9×107N/cm2)就和不銹鋼、鎳差不多；硅的洛氏硬度(850)約兩倍于鎳、鐵。硅單晶的抗拉強度(6.9×105N/cm2)比不銹鋼至少大三倍．利用硅材料是實現微型化及集成化的必然趨勢。3.1體微機械加工技術體微機械加工技術是對硅的襯底進行腐蝕加工的技術，即用腐蝕的方法將硅基片有選擇性地除去一部分，以形成微機械結構。腐蝕分濕法腐蝕和干法腐蝕，濕法腐蝕又有各向同性和各向異性之分。各向同性腐蝕液多用HF-HNO3系溶液，硅在所有的晶向以相等的速率進行刻蝕．硅基體刻蝕形成的型腔棱是圓角，然而在微機械電子中．除了運動部件需要圓角獲得良好的疲勞強度外、一般不希望有圓角。因此，此法不適合制造復雜的立體微結構，各向異性腐蝕液，主要有KOH和水的混合物；乙(撐)二胺、鄰苯二酚和水的混合液(簡稱EPW)；HF、HNO3和醋酸的混合液(簡稱HNA)。它們可以使硅在不同的晶面．以不同的速率進行刻蝕．由于硅的(100)面和(111)面的腐蝕速率相差很大，其橫向尺寸非常容易控制。但腐蝕深度的控制難度大，靠通過腐蝕時間來控制深度的誤差很大。因此，刻蝕自停止技術應運而生。該技術使用濃硼摻雜層或電化學刻蝕停止技術能使腐蝕自動終止在特定層，可以精確控制腐蝕深度。各向同性和各向異性濕法腐蝕的特性及腐蝕速率對晶向的依賴關系。干法腐蝕利用等離子體取代化學腐蝕液，把基體暴露在電離的氣體中，氣體中的離子和基體原子間的物理和化學作用引起刻蝕，一些材料如鉑、二氧化錫等用濕法刻蝕很困難、而干法卻可以完成。該工藝可使微機械加工所得到的外形不受基片的晶向控制，而且不會給微結構帶來大的應力，但設備比較復雜，很多參數如氣體的性質和流量、基片的性質和面積、電極結構、激勵的電磁參數和真空室的外形等必須控制，不同的組合會產生不同的腐蝕過程。CF4腐蝕硅的反應離子刻蝕(RIE)原理。等離子體由低壓氣體(1.33～133Pa)的輝光放電獲得．基片放置在射頻極上，以便在基片和等離子體之間產生大的自偏電位差(幾百伏)。電位差使正離子從等離子體加速到基片上，垂直于基片的離子碰撞能直接產生腐蝕。使用SF6和C2F5Cl的混合氣體、能獲得較好的各向異性和較快的腐蝕速率。就濕法和干法比較而言，濕法的腐蝕速率快、各向異性好、成本低，但控制腐蝕厚度困難。干法的腐蝕速度慢、成本較高，但能精確控制腐蝕深度。對要求精密，刻蝕深度淺的最好用干法刻蝕工藝，對要求各向異性大、腐蝕深度很深的則最好采用濕法腐蝕工藝。3.2表面微機械加工技術表面微機械加工技術是從集成電路平面工藝演變而成的，是在硅基上形成薄膜并按一定要求對薄膜進行加工的技術薄膜形成一般采用常壓化學氣相淀積(CVD)，低壓化學氣相淀積(LPCVD)和等離子體增強化學氣相淀積。薄膜的加工一般采用光刻技術、通過光刻將設計好的微機械結構圖形轉移到硅片上，再用各種腐蝕工藝形成微結構。在微機械加工中，有時要形成各種微腔結構和微橋，通常采用犧牲層技術。表面微機械加工的關鍵步驟是有選擇性地將抗腐蝕薄膜下面的犧牲層腐蝕掉，從而得到一個空腔結構．常用二氧化硅(SiO2)、磷硅玻璃(PSG)作為犧牲層材料。制作雙固定多晶硅橋的普通表面微機械加工工藝。首先是在硅基底上淀積犧牲層材料，如淀積磷硅玻璃，其作用是為形成結構層的后續(xù)工藝提供臨時支撐。犧牲層的厚度一般1～2μm，但也可以更厚些。淀積后，犧牲層材料被腐蝕成所需形狀．為了向結構層提供固定點，可腐蝕出完全穿透犧牲層的窗口，以防止結構層在分離結束時移位然后淀積和腐蝕結構材料薄膜層。多晶硅是常用的結構層材料，結構層腐蝕過后，除去犧牲層就可得到分離空腔結構。表面微機械加工技術的主要優(yōu)點是具有與常規(guī)集成電路的兼容性，器件不但可以做得很小，而且不影響器件特性；其缺點是該工藝本身屬于二維平面工藝，限制了設計的靈活性，且由于采用犧牲層工藝，漂洗和干燥需要反復多次，易產生粘連現象，降低成品率。3.3LIGA技術LIGA是德文Lithographie,Galvanoforming,Abfovmung的縮寫，是深層同步輻射X射線光刻、微電鑄、微塑鑄三種工藝的有機結合。它突破了傳統(tǒng)平面工藝的限制，是制造三維微器件的先進技術，結合犧牲層工藝，可以制造大高寬比的可活動微結構．與其他微加工技術相比，LIGA技術可以加工多種金屬材料，也可以加工陶瓷、玻璃、塑料等非金屬材料，加工深度可達數百微米，加工寬度可小至1μm，LIGA的制造過程主要分四步：第一步，在絕緣基片(陶瓷或帶二氧化硅薄膜的硅片、上濺射金屬層(鉻、銀)作為電鑄工藝的基礎；第二步，在基片上濺射另一層鈦作為犧牲層；第三步，采用標準LIGA工藝，X射線同步輻射制模，電鍍金屬(Ni)成型；第四步，在氫氟酸(HF)溶液中進行選擇性刻蝕，分離出金屬結構。LIGA技術在制作很厚的微機械結構方面有著獨特的優(yōu)點，是一般常規(guī)的微電子工藝無法替代的，它極大地擴大了微結構的加工能力，使得原來難以實現的微機械結構能夠制造出來。但缺點是它所要求的同步輻射源比較昂貴、稀少，致使應用受到限制，難以普及。后來出現了所謂的準LIGA技術，它是用紫外光源來代替同步輻射源，雖然不具備和LIGA技術相當的厚度或寬深比，但是，它涉及的是常規(guī)的設備和加工技術，這些技術更容易實現。3.4封接技術封接技術在微機械加工中也占有重要位置，封接的目的是將分開制作的微機械部件在不使用粘結劑的情況下連接在一起，封在殼中使其滿足使用要求封接技術影響到整個微系統(tǒng)的功能和尺寸，可以說是微機械系統(tǒng)的關鍵技術。常用的封接技術有反映封接、淀積密封膜和鍵合技術。反應封接是將多晶硅結構與硅基通過氧化封接在一起；淀積密封膜是用化學氣相淀積法在構件和襯底之間淀積密封材料；鍵合技術分為硅-硅直接鍵合和靜電鍵合：硅-硅鍵合是將兩個經過磨拋的平坦硅面在高溫下依靠原子的力量直接鍵合在一起形成一個整體，靜電鍵合主要用于硅和玻璃之間的鍵合，在400℃溫度下，將硅和玻璃之間加上電壓產生靜電引力而使兩者結合成一體。為了提高微系統(tǒng)的集成度，一些新的方法如自動焊接、倒裝焊接也得到了廣泛的應用。3.5激光快速成型技術激光快速成型技術是利用光硬化性樹脂的光合成樹脂進行加工的技術。初始這種材料是液態(tài)的，經過激光照射即成為固體，這種技術完全用計算機控制，即使形狀很復雜，也不受影響，無須掩膜，直接成型。隨著激光束分辨率的提高，達到數個微米的精度也就有了可能。用這種技術可大大縮短生產研制周期，成本較低。3.6分子裝配技術80年代初發(fā)明的掃描隧道顯微鏡(ScanningTunnelingMicroscope，簡稱STM)以及后來在STM基礎上派生出的原子力顯微鏡(AtomicForceMicroscope，簡稱AFM)，使觀察分子、原子的結構從宏觀進入了微觀世界。STM和AFM具有0.01nm的分辨率，是目前世界上精度最高的表面形貌觀測儀，利用其探針的尖端可以俘獲和操縱分子、原子，并可以按照需要拼成一定的結構，進行分子、原子裝配制作微機械。這是一種納米級微加工技術，是一種從物質的微觀角度來構造微結構，制作微機械的方法．美國的IBM公司用STM操縱35個氙原子，在鎳板上拼出了“IBM”三個字母；中國科學院化學研究所用原子擺成我國的地圖；日本用原子拼成了“Peace”一詞，有理由相信，STM將會在微細加工方面有更大的突破。3.7集成制造技術最近，微機械出現了一個新的發(fā)展趨勢，即用標準的IC工藝把各種微器件、微結構與馭動、控制和信號處理電路集成在一塊芯片上，制成完整的機電一體的微機械系統(tǒng)。目前實現標準的IC工藝與MEMS集成的方法有三種：第一種是先進行IC工藝，再進行MEMS微機械加工的單片集成工藝；第二種先進行MEMS微機械加工再進行標準IC工藝的單片集成工藝；第三種是電路和MEMS分別制作在不同的襯底上然后再鍵合在一起的混合集成工藝，整個系統(tǒng)的尺寸可小至幾百微米。3.8其他加工技術微機械加工除了以上介紹的基本技術外，還廣泛使用傳統(tǒng)大規(guī)模集成電路工藝技術中的氧化、擴散、外延、注入、光刻等工藝，也使用許多其他的非半導體行業(yè)應用的技術，例如激光束、離子束和電子束加工、放電加工、微細雕刻、精密切削、超聲波加工等。這些技術具有自身的特點，在微機械中，仍然有若一定的潛力，是基本技術的補充。利用這些技術可以獲得一些微構件，在一些情況下也是很有效的。4微機械制造技術的發(fā)展趨勢近十幾年來，微機械電子系統(tǒng)得以迅猛發(fā)展，一些令人注目的微系統(tǒng)引起人們的廣泛關注，各種微型元件被開發(fā)出來并顯示出現實和潛在的價值，微機械制造技術被認為是微機械發(fā)展關鍵技術之一從目前來看，總的發(fā)展趨勢是：加工方法從最初單一加工技術向組合加工技術發(fā)展。如近來出現的新的微結構制造技術——DEEMO就是干法腐蝕、電鍍和鑄模的組合。光刻技術也從平面發(fā)展到了三維。從開始簡單的平面硅微加工向著三維體、具有自由曲面的復雜結構發(fā)展。加工的材料，從單純的硅向著各種不同類型的材料發(fā)展，如玻璃、陶瓷、樹脂、金屬及一些有機物，大大擴展了微機械的應用范圍，滿足了更多的要求。加工規(guī)模從單件向批量生產發(fā)展，LIGA工藝的出現是微機械進行批量生產的范例，因而引起人們的高度關注。加工方式從最初的手工操作向自動化、智能化發(fā)展。例如，日本微機械研究中心(MMC)正在研制一種微機械制造設備，它可以完成從設計參數的輸入、加工到部件制造及組裝封裝。尋找成本、時間、批量生產的協調并得到最優(yōu)的制造工藝。加緊微機理的研究，建立微觀世界的數學模型、力學模型和分析方法，奠定微機械的基礎理論，這對微機械的設計、制造加工工藝的制定有很大的實際應用意義。舉例導入舉例分析說明結合實例分析討論法分析結合實際舉例舉例分析提問學生總結教學環(huán)節(jié)教學內容備注組織教學提問導言檢查學生出勤微機械加工在國民經濟中所占的地位和作用？任務七微機械加工技術概念

微型機械加工或稱微型機電系統(tǒng)或微型系統(tǒng)是只可以批量制作的、集微型機構、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、甚至外圍接口、通訊電路和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。其主要特點有：體積?。ㄌ卣鞒叽绶秶鸀椋?μm-10mm）、重量輕、耗能低、性能穩(wěn)定；有利于大批量生產，降低生產成本；慣性小、諧振頻率高、響應時間短；集約高技術成果，附加值高。微型機械的目的不僅僅在于縮小尺寸和體積，其目標更在于通過微型化、集成化、來搜索新原理、新功能的元件和系統(tǒng)，開辟一個新技術領域，形成批量化產業(yè)。

微型機械加工技術是指制作為機械裝置的微細加工技術。微細加工的出現和發(fā)展早是與大規(guī)模集成電路密切相關的，集成電路要求在微小面積的半導體上能容納更多的電子元件，以形成功能復雜而完善的電路。電路微細圖案中的最小線條寬度是提高集成電路集成度的關鍵技術標志，微細加工對微電子工業(yè)而言就是一種加工尺度從微米到納米量級的制造微小尺寸元器件或薄模圖形的先進制造技術。目前微型加工技術主要有基于從半導體集成電路微細加工工藝中發(fā)展起來的硅平面加工和體加工工藝，上世紀八十年代中期以后在LIGA加工（微型鑄模電鍍工藝）、準LIGA加工，超微細加工、微細電火花加工（EDM）、等離子束加工、電子束加工、快速原型制造（RPM）以及鍵合技術等微細加工工藝方面取得相當大的進展。

微型機械系統(tǒng)可以完成大型機電系統(tǒng)所不能完成的任務。微型機械與電子技術緊密結合，將使種類繁多的微型器件問世，這些微器件采用大批量集成制造，價格低廉，將廣泛地應用于人類生活眾多領域?？梢灶A料，在本世紀內，微型機械將逐步從實驗室走向適用化，對工農業(yè)、信息、環(huán)境、生物醫(yī)療、空間、國防等領域的發(fā)展將產生重大影響。微細機械加工技術是微型機械技術領域的一個非常重要而又非常