先進制造技術教案

1、 先進制造技術教案 課程名稱 先進制造技術 授課班級 班 任課教師 ： 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（developed countries）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2

2、008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

3、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

4、，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

5、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，

6、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

7、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

8、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)

9、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

10、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

11、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(Advanced Manufacturing Technology，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

12、、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(xié)調和融合。一、什么是先進制造技術(AMT)先進制造技術(Advanced Manufacturing Technology),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

13、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(xié)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

14、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(Advanced Manufacturing Technique，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

15、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

16、，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（Automatically Programmed tools），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

17、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。基本的生產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(xié)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

18、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

19、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(xié)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(lián)邦科學、工程與技術協(xié)調委員會（FCCSET）主持實施的先進制造技術計劃（Advanced Manufacturing TechnologyAMT）計劃 先進制造技術計劃（Advanced Manufacturing TechnologyAMT)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

20、了先進制造技術(Advanced Manufacturing Technology)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

21、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

22、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

23、、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

24、)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(lián)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

25、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?？焖俪尚渭夹g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

26、，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

27、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

28、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)

29、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（Virtual Reality），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（Virtual Wor

30、ld）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

31、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： 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

32、一樣的視覺，觸覺，嗅覺等。 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。 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

33、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

34、，目前虛擬現實技術系統(tǒng)的運行趨勢為單機桌面和互聯(lián)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?；孟胍黄煌麩o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。現在，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。

35、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

36、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）。可以為用戶提供各類VR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

37、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

38、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(xié)調關系、通過該戶型的窗戶可真切的看

39、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

40、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(lián)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

41、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“Legeal Qust”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

42、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

43、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

44、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(xié)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

45、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3060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

46、，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（Virtual Reality）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（Virtual Manufacturing）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

47、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 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

48、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。 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。 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。 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。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。

49、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 虛擬制造在復雜曲面五軸聯(lián)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Gloria J.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。 (VM is a concept of executing manufacturing processes in computers as well as in the real world,?whe

50、re ?virtual models?allow for ?prediction of potential problems for product functionality and manufacturability before real manufacturing occurs.)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。(VM is the integrated application of simulation,modeling an

51、d analysis technologies and tools to enhance manufacturing design and production decisions and control at all process levels.)該定義著眼于手段。 馬里蘭大學Edward Lin&etc定義是： 另一個有代表性的定義是由馬里蘭大學Edward Lin&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。”(VM is an integrated,synthetic manufacturing environment exercised to

52、enhance all levels of decision and control.),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(xié)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（Virtual Reality）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（Virtual Manufacturing）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