数字化虚拟人体的科学意义及应用前景

数字化虚拟人体的科学意义及应用前景

丘聪；冯焕清；杨基海

（中国科学技术大学电子科学与技术系，安徽 合肥 230026）

摘要：人体信息的数字化是将医学与信息技术、计算机技术、虚拟现实技术相结合的科技前

沿性研究课题。许多国家已建立或正在建立虚拟人体模型。这种模型以人体断面连续切片为

建模基础，利用信息技术定量模拟人体的生理病理状况，在医学及其它多种学科均具有广泛

的应用前景。本位介绍了如下内容：（1）国际上“数字化虚拟人”的研究概况：美国1994

年完成了可视人计划数据集；韩国于2000年完成了一例韩国男性可视人数据采集工作。（2）

国内的研究概况：完成了虚拟人体有关关键技术的研究任务，并于2003年3月推出“虚拟

中国人女1号”。（3）阐述了数字化虚拟人体的科学意义。（4）简要介绍了数字化虚拟人体

的若干关键技术：标本遴选，切片，三维重建等。（5）“虚拟人”的应用及发展前景展望。

关键词：数字化虚拟人体；可视人计划；虚拟中国人；切片；三维重建

Scientific significance and prospective application of digitized virtual human

Qiu Cong ；Feng Huanqing ；Yang Jihai

Department of Electronic Science and Technology of USTC,Anhui Hefei 230026,China

Abstract: As a cutting-edge research project, digitization of human anatomical information

combines conventional medicine with information technology, computer technology, and virtual

reality technology, Recent years have seen the establishment of, or the ongoing effort to establish

various virtual models in many countries, on the basis of continuous sections of human body that

are digitized by means of computational medicine incorporating technology to quantitatively

simulate human physiological and pathological conditions, and to provide wide prospective

applications in the fields of medicine and other disciplines. This article concerning the progress in

virtual human model researches as the following: (1)Worldwide survey of research of virtual

human: American visible human database was completed in 1994, South Korea also finished the

data collection for a male visible Korean human dataset in 2000. (2)The survey of research of

virtual human in China: Some key techniques have been explored. By now the data-collection

process for 4 Chinese virtual human datasets have been successfully completed. (3) Scientific

significance of virtual human studies. (4)Some key techniques: specimen choosing ,sectioning, 3D

surface reconstruction. (5)Prospective application of digitized virtual human

_______________________________________________________________________________https://www.wendangku.net/doc/323633977.html,

Key words: digitized virtual human; visible human project; visible Chinese human;

sectioning; 3D surface reconstruction

人们说，２１世纪是生命科学的世纪。近１０年来，从发达国家起步的“数字化虚拟人体”研究，正云集各路大军从不同方向攻关。著名未来学家托夫勒预言，生命科学领域的焦点是生物学中的遗传学课题。可以说，“数字化虚拟人体”研究是这个焦点中的焦点。

“数字化虚拟人体”是利用数字化技术实现人体结构及机能的可视化，最终达到人体的整体模拟，为医学、生命科学以及后基因组学等的研究和应用提供基础与技术支撑。“数字化虚拟人体”研究是一项信息技术与医学等学科相互交叉、综合发展起来的前沿性交叉学科，它是由发达国家发起的一个重大项目，对本世纪科技发展具有深远意义。对此，西方发达国家高度重视，并正在酝酿或启动专项计划，而中国首例女虚拟人已问世]1[。

一、“数字化虚拟人体”的研究状况

1、国外研究动态

1．1美国可视人计划

美国1993年开展了“可视人计划”（Visible Human Project,VHP）,其研究启动最早,也最先完成.1994.11.02美国国家医学图书馆(NLM)宣布男性VHP解剖数据集开发成功。一具男尸切成1 878余片，每片厚度1mm，1998年，又将一具女尸切成5 190多片，每片厚度0.33mm。但限于当时的条件，美国当时所获取数据的分辨度和精度都有限，但依托这个数据集为平台，在国际上开发了大量相关的应用软件[1]。ＶＨＰ数据集的立项、实施和开发具有重大意义。它在医学史上属首创，从根本上改变了医学可视化模式，为计算机图像处理和虚拟现实进入医学领域开启了大门，使走向成熟的三维重构图像处理技术以空前的速度普及。利用这个数据集，可创立虚拟解剖学、横断面解剖学、纵剖面解剖学、斜剖面解剖学以及一系列医学临床、教学和研究的虚拟模拟，可谓信息技术和医学结合的重大创新工程[2]。

1.2“虚拟人体”数字化的发展

可视人体项目侧重人体结构的数字化研究以及相关知识库的建立。

１９９９年１０月，美国橡树岭国家实验室一批著名科学家和政府官员向美国国家科学院以及国会正式递交“虚拟人体计划”报告。国防部非致命武器委员会积极支持该项目。“虚拟人体”研究将数据、生物物理和其他模型以及高级计算法整合成一个研究环境，然后在这种环境中观察人体对外界刺激的反应。这项研究的范围已远远超出ＶＨＰ的解剖可视

化范围[2]。

２００１年５月，美国科学家联盟提出数字化人体项目，拟建造最完整的数字人体信息库。“数字化人体”总框架包含ＶＨＰ数据集和辅助数据集（ＭＲＩ、ＣＴ、ＰＥＴ、常规放射学和解剖学）、虚拟人体的层次、疾病和综合征的临床信息基础、相关的医学学科（胚胎学、人体解剖学、显微和亚显微解剖学、生理学、生物化学），以及不断扩展的工具和产,[2。

品15]

美国在“数字化虚拟人体计划”中显露出野心：即将“数字化虚拟人体计划”与“人类基因组计划”研究结果结合，力图保持未来５０年美国在生物学、医学、军事等一系列领域的领先地位。

1．3国外其它国家对“虚拟人”的研究

目前，德、英、法等国也已经开始“数字化虚拟人体”研究，但侧重点不同。

英国侧重研究虚拟人模拟药物在人体中的作用机制。这样做一方面可缩短从实验室到动物到人再到临床应用的时间；另一方面还可取代人体药物初测，避免药物对人体造成的可能性损害。

２００１年１月，韩国雄心勃勃地开始了“可视化韩国人计划”。其目标是完整获取ＣＴ、ＭＲＩ断层扫描及０．２毫米精度的组织切片数据。该计划准备用５年时间，完成４个人体的测试。目前该国已经完成一个人体测试，其数据量为２１０ＧＢ。这是世界上第二例尝试，也是东方第一例有关人种特征的人体数据采集[2]。

2、国内研究概况

2001年11月，第174次香山科学会议在北京举行，会议以“中国数字化虚拟人体的科技问题”为主题，研讨了在新世纪前沿科技邻域中，生命科学与信息科学相结合的重要课题，并提出我国数字化虚拟人体研究的规划和建设。在这次研讨会后，“数字化虚拟人体若干关键技术”和“数字化虚拟人体模型构建及海量存储”列入国家高技术研究发展计划“863”项目，揭开了我国数字化虚拟人体研究的序幕。

经过一年多的努力，由中科院计算所、第一军医大学临床解剖学研究所、首都医科大学生物医学工程学院、华中科技大学生命科学与技术学院首先完成了虚拟人体有关关键技术的研究任务。目前，我国上海、重庆和广州等地的解剖学专家已提供了四个数据采集的获取工作，为后续的多学科研究发展提供了中国人特色的数据集。这四个数据集的切片间距和断面总数分别为：上海（男）1.7mm，断面总数1 058片；上海（女）0.57mm断面总数3 022片；

重庆（男）1.0～0.1mm，断面总数2 518片；广州（女）0.2mm，断面总数8 556片。依据后面的两个数据集，现有香港大学计算机科学与工程系、北京同仁医院耳鼻喉研究所、复旦大学数字医学研究中心、澳门科技大学资讯技术学院、中科院自动化所、大连理工大学机械工程学院、厦门大学计算机系、清华大学生命科学与工程研究院、解放军总医院神经信息中心等众多科研、教学、医疗单位倡议加强协作，科学数据共享，参与国际科研大协作，跟踪科学研究前沿[3]。

第二例女性虚拟人体——“中国虚拟人女Ⅰ号”于2003年3月初在首都医科大学初现雏形。与1998年在美国诞生的世界首例女虚拟人相比，“中国女Ⅰ号”更具有人体、特别是女性的各种特征。但国家863项目“中国数字化虚拟人体关键技术研究”总课题组副组长、首都医科大学生物医学工程学院教授罗述谦表示：尽管研究进展令人兴奋，但目前完成的仅仅是对该虚拟人整体形态的初步三维重建，我国的虚拟人研究其实刚起步[4]。

二、数字化虚拟人体的科学含义

数字化虚拟人体是指将人体结构数字化，通过计算机技术和图像处理技术，在电脑屏幕上出现一个看似真实的模拟人体，再进一步将人体功能性的研究成果加以数字化，由信息科学家将其转化为电脑的语言符号，附加到这个人体形态框架上，经过虚拟现实技术的交叉融合，通过操作作者的调控，这个“虚拟人”将能模仿真人做出各种各样的反应。若设置有声音和力反馈的装置，还可以提供视、听、触等直观而又自然的实时感。“虚拟人”一般可分为四个发展阶段，即“虚拟可视人”、“虚拟物理人”、“虚拟生理人”、和“虚拟智能人”，这四个阶段的内容不一定截然分开，可能交叉重叠。在“虚拟可视人”阶段，电脑屏幕上见到的仅是人体的形态结构，经过计算机技术处理，虽然可分割为不同的系统或器官，也可以剖视为不同的切面或层次，但是这一阶段的人体还没有任何功能性的反应，因此也可称之为“虚拟解剖人”或“虚拟几何人”，仅是具有人的形态结构而已。只有借助信息科学的高超技术，不断地将人体地物理性、生理性和智能性参数加以数字化，附加在可视人地框架以后，才有“虚拟人”的功能。目前，我国在这个领域的研究实况，只是迈出最初阶段的第一步，仅仅在“虚拟解剖人”方面构建了一部分数据库，为后续的研究提供了初步资料[5]。

三、数字化虚拟人体的若干关键技术

虚拟人并不是真人，而是在电脑里合成的三维人体详细结构。需要选取一具尸体，将人体切成非常薄的片，利用数码相机和扫描仪对已切片切面进行拍照、分析，之后将数据输入电脑，最后由电脑合成三维的主体为人类生理结构，以便真正运用到实际中。

1、人体标本的遴选

1．1美韩VHP的缺陷

美国可视男人（Visible Human Male）项目所用的尸体死亡时为38岁,死前自愿捐赠遗体。生前在15岁时作右睾丸切除，21岁时作阑尾切除，38岁时第14号牙齿被拔除。在医疗记录和物理检查中未发现其他重大变异[6]。可视韩国人在预实验中的标本是死于脑肿瘤和交通意外的，正式实验的男性标本死于淋巴瘤[8]。

1．2中国虚拟人尸体遴选

中国数字化虚拟人若干关键技术研究项目的启动，在吸取国外学者工作经验的基础上，必须克服前人工作中尚存在的不足，打造出虚拟中国人，在质量上应有所超越，有所提高。在尸体遴选中要分析考虑在人类学、体质形态学和基因染色体三个方面以体现中国人的特点，定量评价尸体的“标准化”程度。为虚拟中国人的建模打下良好的基础[8]。

2、切片的厚度

2.1各国目前的切片厚度

美国可视人计划采用的技术，获取数据的分辨率及精度有限，VHP的组织断面切片厚度男性为1mm,女性为0.33mm,1mm或0.33mm以下的结构不可见[6]。继美国VHP之后，韩国于2000年报道了其中第一例男性尸体的切片工作，其切片间距为0.2mm，共有8 590个断面，数据量为153.7GB[5]。

按照目前的工作计划，“中国虚拟人男1号”和“中国虚拟人女1号”的切削间距精度分别为0.1mm和0.2mm,其中“女1号”已经成功地切削（共切出8 556片）[1,16]。

2．2切片的厚度的选择

以我国的切片厚度数据与世界目前公布的数据对比，我国是领先的。但钟院士说：“这并不意味着我们的切削技术有什么了不起。我们只是对切削工具冷冻设备进行了完善的改进。并不代表美国和韩国就没有办法比我们切得薄。切削问题精度问题上应该按需切削。从整体上看，没必要切削到0.02mm那么薄。当初拿兔子做实验的时候，就发现切片可达到0.02mm的切削间距精度，但这只是代表我国掌握了这项技术。”[1]

对于切片厚度的选择和虚拟人是否切得越薄越好，钟世镇认为，“虚拟人”的切削和数据集建立应与实际应用紧密联系在一起，充分考虑其实际作用。如果出于整体构建一个“虚

拟人”的考虑，切到0.1毫米已经足够了，因为没有一个应用单位需要一个完整的切削精度高于0.1毫米的“虚拟人”。以1998年美国将一具女尸切成5 000多片(每片厚0.33毫米)为例，按这种精度，在电脑储存的数据就已高达56GB。“这么庞大的数据储存量不是一个单位能轻易承受的。如果每片厚度少于0.1毫米，数据储存量就会更大。”钟世镇说，“如果我们做出来的‘虚拟人’连一台普通电脑都看不到、用不了，那又有多大的现实意义呢？”

不过，如果要把“虚拟人”的局部，如骨头、脏器等提供给应用单位，那么“虚拟人”的切削精度就有必要追求“薄”。例如一个医院的不同科室，做髋关节手术的医生可能只需要拿切削精度为0.2毫米的“虚拟人”的髋关节做实验就足够了，但做膝关节镜手术的医生可能因为手术比较微细复杂，对切削精度的要求就要达到0.1毫米甚至更高[7]。

3、其它与削切相关的技术

我国虚拟人研究起步虽晚，但有自己的特色优势。

3．1“人体管道铸形技术”

人体结构中的管道，特别是在临床外科手术上具有重大意义的动脉和静脉是虚拟人体建模中需要突出显示和重点，而这点美国和韩国的虚拟人都未能做到。目前我国人体管道铸型技术已达国际先进水平，在“模拟中国人”（VCH）建模运用该项技术可以为医学上应用最为广泛的血管和功能性管道模型的采集提供新的技术和有知识产权的新数据资料[1]。

3．2生物塑化技术

利用该技术，第三军医大学解剖教研室已经将人体断层后精度为0.2mm的实体标本保留下来。有了实体这个物质基础，就有可能进一步进行神经组织的染色显示，对临床的工作更有帮助[1]。

3．3“有血有肉”中国独创

美、韩现有虚拟人的血管动、静脉并没有区别出来，也就是说，他们在对虚拟人进行图像分隔时只能看到骨骼、肌肉和脏器，而无法分清动脉和静脉血管[7]。中国虚拟人能清晰地看到血管，显得“有血有肉”，其原因是第一军医大学的科研人员发明了一项技术——通过给尸体动脉灌注明胶、朱砂和淀粉，使动脉呈现红色，使之很容易和静脉区分。这一方法利用了人体动、静脉回流的原理：人死了动脉内的血管是空的，而静脉内填满了黑色的淤血。科研人员把红色的“塑料液体”灌注入动脉，那么人体所有动脉就会呈现出红色，而静脉是黑色

的(因为只有动脉血才会向静脉流，静脉血不会返流入动脉)。血管与人体其他组织被切削后的数据同时储存进电脑，电脑很容易就“认出”了不同颜色的动、静脉[1]。

至于把血管分隔出来的现实意义，钟世镇院士说，如果在虚拟人身上做模拟手术，医生就可以清楚地分出动、静脉血管，知道哪根大血管不能破坏，对手术有重要指导意义[7]。

4、数字化人体表面的三维重建及显示

4．1三维重建技术

在目前通用的个人计算机装备上，结合计算机的视觉、数据存储、图形学和数字图像处理等技术，重建人体表面三维图像。如：在大图库基础上建立了小图库，减少了数据量；通过滤镜除去噪点，提取边界，确定可见边界点，消除冗余边界点[9]。变处理大图库大数据量为小图库小数据量，建立表面三维要素数据库，减少计算机的计算量是关键。

4．2表面三维重建的动态显示

“数字化虚拟人体”表面三维重建的静态显示要转换成动态显示可采用下述两种方法：4.2.1制作电影和动画：

在表面三维重建的静态显示的基础上，将计算出的图像全部保存下来，使用电影制作或者动画制作程序，可将其制作为电影或动画。可以象看电影一样，清晰流畅，但缺点是观察者的控制权受限，只能控制电影或者动画的开始、播放、暂停。

4.2.2实时计算显示：

就是在计算数据的同时显示计算得到的图像[9]。使用此种方法时，计算数据量大，并要实时显示。这就要求计算机的配置较高才能让实时计算得到的图像运转流畅。实时计算显示的优点是：观察者可以控制三维图像的变化方向、变化速度，从任意角度进行观察。缺点是必须有较高的计算机配置，不然快速变化的图像会有所延迟。

四、“虚拟人”的应用及发展前景展望

数字化虚拟人体模型的建立，具有广泛的应用前景，可用于医学、航天航空、国防、汽车、建筑、家具、服装、影视、广告制作、体育运动等与人直接相关的领域。

1、医学领域

以医学邻域为例，可以加速医学教育和医学研究的现代化，为教学与临床提供形象和真实的模型；为疾病诊断、新药和新医疗手段的开发提供参考，促进形成新一代医疗高新技术产业；对临床诊断方面，可以模拟肿瘤灶生长或治愈过程；还可以进行手术三维模拟、血流

动力学模拟、药代动力学模拟等[3]。

1．1医学参考

有利于培养优秀外科医生。以往要想成为一个手到病除、技艺高超的外科医生，都要通过师傅带徒弟式的反复实践，在病人身上练习操作技术，现在有了虚拟人，就可以在电脑操纵的虚拟人体模型上培训外科医生。在动手术之前，也可以先在虚拟人的身上开刀，电脑上会显示刀口断层及组织断面，为医生制订术前计划提供科学参考[11]。

1、2临床解剖学

作为众多的临床解剖学工作者，则可以针对临床专科发展的需求，把结构复杂、功能意义重大、诊治要求精确的局部，建立数字化模型。例如，建立头颈部的数字模型或重要器官的数字化模型，就可以帮助这个专科向前发展。局部建模的方案，优点是投资小，技术易，出成果周期短，效益强[10]。国内的相关研究对于局部器官的虚拟研究较多，如赵振美，刘树伟使用冰冻锯切的方法切锯人体横、矢。冠状断层标本，并完成了网膜囊的计算机三维重建，目前已启动了虚拟肝段实验研究[6]。

古老的人体解剖学，若能与前沿性的信息技术相结合，把单纯的人体结构与物理学、生理学、临床医学相结合，我们的科研选题将更加宽广，我们的科研将有更多、更新的成果，我们的队伍将更加壮大[10]。

1．3肿瘤治疗

放射治疗是目前治疗肿瘤疾病的一个重要手段，但由于现在做放射治疗的医生只能凭经验进行辐射量的调节，病人往往担心在此过程中受到过量的辐射。现在有了虚拟人，医生就可以先对虚拟人作放射治疗，通过其身体的变化来测定实际辐射量的使用，最后再用到真正的病人身上。这样就进一步提高了治疗的安全性[11]。

1.4为创伤骨科研究提供新技术

实现虚拟人体第一阶段的可视化之后，可将可视化模型进一步加以物理仿真，即向第二阶段构建“虚拟物理人”目标前进。例如，有限元数值分析是对人体力学行为进行模拟计算较为成熟的物理仿真方法。将依据切片数据集三维重建的图像，经过自由造型系统和有限元分析等CAD软件处理，可以进行结构力学仿真分析，模拟有关部位的应力、应变分布。骨折是创伤骨科的常见病，这里的研究工作与物理学性能有关，种类繁多的内外固定器材，如不同形式的钢板、螺钉，各类牵引术式的设计，都可能涉及疲劳断裂、假体松动、应力遮档等

生物力学有关问题。交通事故中，安全带、安全气囊的设计是否合理，损伤部位的分析，都可以由虚拟的驾驶员或乘员代替；致伤机制、骨折特点和防护措施的研究将可以由虚拟人加以模拟[12]。

1．5制药实验

有了虚拟人，医生和制药公司就可以先在与病人身体数据一模一样的虚拟人身上试验新药，医生可以先将药物影响数据输入电脑，让“虚拟病人”先试“吃”一下，电脑里的“虚拟病人”会显示服药后的生理反应，从而协助医生对症下药。这种方法可以提高用药准确性和研制新药及新药上市的效率。相关实验已经在美国开展[14]。

2、国防与航空航天邻域

2．1军事应用

虚拟人在军事医学上也很有价值。比如，可以用虚拟人来试验核武器、化学武器、生物武器的威力。现在的核爆炸试验都是利用动物进行。试验前在离核爆中心的不同距离放置动物，核爆后再把动物收回来检验。有了虚拟人就可以直接拿她来做试验[11]。

2．2航空航天

我国发射的“神舟”三号飞船上，有关部门安装了宇航员的人体模型，上面加装了各种传感器，为了取得人体在空间运行条件下的各种生理信息。如果有了“数字化虚拟人”则完全可以取代这些实验性的人体模型，从而获取更加准确和可靠的信息[13]。

3、其它邻域

如在体育运动中，虚拟人也有着广泛的用途。通过对获得冠军的运动员在爆发力的一瞬间全身各个肌肉或骨骼的状态的研究，教练员可以更好地训练自己的队员，使他们在关键时刻取得好成绩。

4、前景展望

21世纪被认为是以人为中心的科技得到充分发展的世纪。随着虚拟人研究的不断深入，从“虚拟可视人”到“虚拟物理人”，再到“虚拟生理人”，更多的应用将得到实现，这必将推动人类科学更快更好地发展。

五、结束语

数字化虚拟人体是最活跃的信息科学与生命科学的交叉融合点，美国、欧洲和日本等一批超级计算中心和名牌大学，预测今后5－10年将有突破性进展，并大力投入了科研经费。

数字化虚拟人体对医学等的重要意义迫使我们对这一邻域开展广泛而深入的研究，要让有中国特色的“虚拟人”早日登台亮相。像其它许都邻域一样，美国数字化虚拟人体的研究同样走在前列；另一方面，目前美国的VHP完成的，基本上是第一阶段工作，开始向第二、三阶段进军，不少方面已取得较完善的结果。与他们相比，我国的虚拟人研究才刚刚起步，正如中国工程院院士、解放军第一军医大学临床解剖学研究所所长钟世镇指出，中国数字化虚拟人研究目前只是迈出最初阶段的第一步，仅仅在“虚拟可视人”方面构建了一部分数据库，为后续研究提供了初步资料。

数字化虚拟人体在医学等应用开发上宽广前景确实令人振奋,但要完成和实现这些需求,还要付出巨大辛勤的努力。我们现阶段的数据采集只是一个必要的基础，艰巨的工作还在后续的开发研究。钟世镇院士指出，后续研究的重担有三个组成要素：一是要有应用的针对性，从实用需求出发，提出应用意义和目的性；二是要有可行性，多学科专家相互协作，看能否将预期的要求实现；三是要有硬件装备，要有实现上述要求相品配的计算机。一句话，就是要有一个通力协作，多学科和衷共济的科技队伍。

在21世纪，作为科技大国的中国，应参与数字化虚拟人体的国际合作和竞争，在数字化虚拟人体方面的研究和开发，应占有重要的地位。

六、参考资料（References）

[1] 苏焕群，林万莲，唐丹.概述数字化虚拟人体的研究.医学信息2003.7

[2] 生命科学--新世纪“虚拟人”应邀闯世纪.大众科技报.2003.

[3] 钟世镇.数字化虚拟人体的科学意义及应用前景.第一军医大学学报.2003;23(3)

[4] 专家:中国虚拟人离真正的虚拟人还远.大洋网.2003.03.12

[5] 钟世镇.数字化虚拟人体研究现状和展望.解放军医学杂志2003.5;28(5)

[6] 原林,黄文华,唐雷.可是虚拟人研究概况.中国临床解剖学杂志.2002;20(5)

[7] 专家解疑:虚拟人是否切得越薄越好.大洋网.2003.02.24

[8] 原林,戴景兴,唐雷等.数字化人体标本的遴选. 中国临床解剖学杂志.2002;20(5)

[9] 樊继宏,赵卫东,黄文华等.数字化人体表面三维重建及显示的有关问题. 中国临床解剖

学杂志.2002;20(5)

[10]钟世镇,原林,黄文华.数字化虚拟人体为临床解剖学开拓研究新邻域. 中国临床解剖学

杂志.2002;20(1)

[11]虚拟人的用处.现代护理报.2003.6.19

[12]钟世镇.虚拟人将为创伤骨科研究研究提供新技术.中华创伤骨科杂志.2003.6;5(2)

[13]虚拟人有什么用途.中国科学院网.2003

[14]钟世镇,黄文华,原林.数字化虚拟人体在医学应用上的前景.中华实用医学2002;4(9)

[15] Michael J.Ackerman.ph.D.Accessing the visible human project.https://www.wendangku.net/doc/323633977.html,

[16]ZHONG Shi-zhen, YUAN Lin, TANG Lei, etc. Research report of experimental database

establishment of digitized virtual Chinese No.1 female. J First Mil Med Univ. 2003;23(3)

虚拟制造技术发展及应用.doc

虚拟制造技术发展及应用- 摘要：虚拟制造技术是近年来出现的先进技术之一，受到世界各个国家的高度重视。本文介绍了虚拟制造的定义、种类、关键技术及应用，展望其未来发展前景。 关键词：虚拟制造；仿真模拟；发展；应用 1.前言 随着市场的全球化，各种新兴技术在相关领域的综合使用，企业之间的竞争方式发生了巨变。制造行业遭遇了巨大的挑战，为了制造业能够更好的生存与发展，必须要满足市场所提出的多项要求：缩短产品开发周期、提高产品质量、降低制造成本以及用更好的技术支撑和售后服务来赢得客户的信赖。企业为了赢得市场，必须对市场形势做出准确评估和及时的调整，应对多变的市场需求。计算机软硬件技术及网络技术的迅速发展为实现这一目标提供了强有力的支持[1]。各种技术的发展及应用使得虚拟制造技术应运而生，作为一种全新的生产模式，必将给制造业指明新的前进方向。 2.虚拟制造技术 2.1 虚拟制造技术定义及特点 虚拟制造技术是对产品实际生产活动中的真实环境进行虚拟模拟，在计算机上得到数字化模型进而对生产活动进行分析、评估。产品研制过程中，通过仿真模拟建模技术模拟出产品在后续制造过程中的虚拟环境，分析各个环节甚至整个产品生命周期可能出现的活动对产品性能各方面的影响。通过虚拟环境下的情景展示及分析结果，尽早的发现生产活动中可能存在的隐患与问题，及时的信息反馈改进设计，合理的调整生产活动。降低研制

成本和产品开发周期，减少实际生产活动中带来的损失，更加合理的控制生产活动，提高企业生产效率，最终提高企业在市场中的综合竞争力。 2.2 虚拟制造的种类 广义的制造过程不仅包括了产品的模型研发、样机制造、性能测试、实体生产。同时还有企业对自身生产活动的市场调查、经营策划和实际生产活动中的调整控制。按这个思想考虑，虚拟制造可以被分为三大类：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[2]。 以设计为中心的虚拟制造强调根据产品的制造信息仿真建模得到统一的数字化模型，分析模型中的各类问题对产品各方面性能和产品的可装配性进行分析。以生产为中心的虚拟制造强调根据不同企业所拥有的设备资源等约束条件，仿真模拟各个加工过程结合企业的制造资源及环境进行加工过程的合理组合，使得生产计划更加合理优化。以控制为中心的虚拟制造强调将在企业管理控制中引入仿真模拟技术，对实际生产活动的环境进行虚拟模拟，提供虚拟环境模型使得企业对生产活动的控制更优化。 2.3 虚拟制造的关键技术 3.虚拟制造技术应用 3.1 虚拟制造技术在国外的应用 国外关于虚拟制造技术的应用已经有一定的规模，积极投入到各行各业的应用当中，完成相应的生成计划和目标，将市场需求的产品及时的投入到市场并收到良好的效果。在美国，波音公司生产的波音777客机是虚拟制造技术应用的经典产品。该机的设计研制包括众多的零部件，虚拟制造技术使得所有零部件的设计和改进全部是在由计算机组成的虚拟环境中完成，使得设计

虚拟仪器技术的现状及发展前景

labview的现状及发展前景

一、概述 随着计算机技术、大规模集成电路技术和通讯技术的飞速发展，仪器技术领域发生了巨大的变化，美商国家仪器公司(National Instruments)于八十年代中期首先提出基于计算机技术的虚拟仪器的概念，把labview技术带入新的发展时期，随后研制和推出了基于多种总线系统的labview。 labview就是在通用计算机上加上软件和（或）硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就象是在操作一台他自己设计的专用的传统电子仪器。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的关键，任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模，所以有“软件就是仪器”之说。虚拟仪器技术的出现，彻底打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的模式，虚拟仪器技术给用户一个充分发挥自己的才能、想象力的空间。用户（而不是厂家）可以随心所欲地根据自己的需求，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用需求。 labview系统概念是对传统仪器概念的重大突破，是计算机系统与仪器系统技术相结合的产物。它利用计算机系统的强大功能，结合相应的硬件，大大突破传统仪器在数据处理、显示、传送、处理等方面的限制，使用户可以方便地对其进行维护、扩展、升级等。 labview系统可以广泛地应用在通讯、自动化、半导体、航空、电子、电力、生化制药、和工业生产等各种领域。 二、构成与特点 现有的labview系统按硬件工作平台主要可分为基于PC总线的虚拟仪器、基于VXI的虚拟仪器、基于PXI的虚拟仪器，所应用场合不同各有其特点。 虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助您创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。这也正是NI近30年来始终引领测试测量行业发展趋势的原因所在。只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、

LabVIEW软件应用实例

图象处理方法在车灯配光检测系统中的应用研究 Image Processing T echnique’s Application and Research in the Automobile Lamp Quality Measurement System 作者：金晅宏 戴曙光 穆平安 单位：上海理工大学光电学院 应用领域：汽车工业 使用的产品：LabVIEW ； NI-IMAQ ；NI-DAQ ； 挑战：将成熟的计算机视觉技术 引入车灯配光检测系统中，应用多种图象处理方法同时实现汽车车灯光轴交点检测和车灯零件检测。 应用方案：使用National Instruments 公司的IMAQ 可视化软件、LabVIEW 图片控制工具包、执行程序生成器和LabVIEW 来开发一个经济、灵活的基于PC 的车灯配光检测系统。 介绍： 车灯配光检测系统原为两套系统：车灯光轴交点检测系统和车灯零件检测系统，其通过人工目测检测车灯光轴交点，应用物位传感器精确定位来检测零件的缺损。本车灯配光检测系统将两系统二合为一，根据测量对象的特征，应用图象卷积、边缘特征提取、图象模式匹配等多种图象处理的方法，实现对不同型号的车灯进行车灯零件缺损检测和车灯光轴交点的自动检测。 系统组成： 整个系统包括硬件部分和软件部分。其系统组成简图如图1所示： 图1：系统组成简图 硬件部分主要运用黑白的CCD 摄取图象，图象通过美国NI 公司的1407图象采集卡传送入PC 机进行处理及数据显示，应用NI_DAQ6023卡控制摄像头间的切换及系统的启动和停止。本系统采用NI 公司的LabVIEW5.1及其图象处理软件包IMAQ Vision5.0作为软件操作平台。其系统的主界面如下图（图2）所示： 图2：系统主界面 系统运行中的一个检测报错界面如下图（图3）所示： 图3：检测报错界面 运用NI （美国国家仪器公司）的这套虚拟开发平台软件，是因为其使用图形化编程语言编写，并提供丰富的库函数和功能模块，具有功能强大及运用灵活等特点，极大的节约了程序开发时间。 光轴交点检测中的图象预处 理方法 （1） 光轴特征分析 本车灯配光检测系统实现计 算机自动检测车灯前照灯光路所成的交点。若为一右侧行驶前照灯, 则其光路图如图4所示： 图4：前照灯光路图 h-h ：通过前照灯焦点的水平面; H-H2：道路中心线； v-v ：通过前照灯的垂直面； 根据前照灯光路标准H —H2与h —h 的夹角为15°，且ZONE1 为暗区，而ZONE2为亮区，两个区域分界明显，有较大的亮度对比度。H-H2与h-h 的交点位置是车灯光轴检测的一个重要参数。 （2） 图象的原始LUT 变 换 LUT （Look_up Table ）变换是一种 很基本的图象处理技术，其对图象象素的灰度值进行特定计算及转换，可以达到突出图象的有用信息，增加图象的光对比度，对要进行边缘检测的图象尤佳，可以使边缘明显。本系统的车灯光轴原始图如图5所示： 图5：光轴原始图

数控系统的国内外发展及应用现状

数控技术课大作业 专业: 学号： 学生： 指导教师： 完成日期：

数控系统的国内外发展及应用现状 目录 第1章序言 第2章数控系统的发展过程和趋势 2.１数控系统的发展过程 ２.2数控系统的发展趋势 第3章国外和国内数控系统功能介绍与应用分析 ３.1 国外数控系统功能介绍与应用分析 ３.1.1 西门子ＳIＮＵＭERIＫ 840D ３．1.２ＦANUC 数控系统６ ３.２国内数控系统功能介绍与应用分析 3.２.1 华中“世纪星”数控系统 ３.2.2 广州数控GSK２7全数字总线式高档数控系统 第４章国内外数控系统比较及差距分析 4.１国内外数控系统比较 4．1.1 西门子公司数控系统(ＳIEMENＳ)的产品特点 ４.1.２ FAＮＵＣ公司数控系统的产品特点 ４.2 我国数控系统与国外数控系统的差距 参考文献

第一章序言 数控即数字控制(Nｕｍeriｃal Conｔrol，ＮC)。数控技术是指用数字信号形成的控制程序对一台或多台机械设备进行控制的一门技术。 数控机床,简单的说，就是采用了数控技术的机床。即将机床的各种动作、工件的形状、尺寸以及机床的其他功能用一些数字代码表示,把这些数字代码通过信息载体输入给数控系统，数控系统经过译码、运算以及处理，发出相应的动作指令，自动地控制机床的刀具与工件的相对运动,从而加工出所需要的工件。 因此，数控机床就是一种具有数控系统的自动化机床。它是典型的机电一体化产品，是现代制造业的关键设备。 第二章数控系统的发展过程和趋势 ２．1数控系统的发展过程 1946年诞生了世界上第一台电子计算机,这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。六年后，即在1９52年，计算机技术应用到了机床上。在美国诞生了第一台数控机床。从此,传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。 1.数控(NC)阶段 (1952－1970年)早期计算机运算速度低，这对当时的科学计算和数据处理影响还不大,但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路＂搭"成一台机床专用计算机作为数控系统,被称为硬件连接数控，简称为数控(NC）。随着元器件的发展,这个阶段历经了三代,即1９５2年第一代——电子管;1959年第二代——晶体管；1965年第三代——小规模集成电路。 ２．计算机数控 (CＮC）阶段(1９70——现在)到1970年,通用小型计算机业已出现并成批生产。其运算速度比五、六十年代有了大幅度的提高,这比专门"搭"成的专用计算机成本低、可靠性高。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CＮC)阶段（把计算机前面应有的"通用"两个字省略了)。到1971年美国lintel公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件——运算器和控制器,采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处器，又可称中央处理单元(简称CPＵ)。到19７４年微处理器被应用于数控系统。由于微处理器是通用计算机的核心部件,故仍称为仿计算机数控。到了19９0年,PC机(个人计算机,国内习惯称微机)的性能已发展到很高的阶段,可满足作为数控系统核心部件的要求，而且ＰＣ机生产批量很大，价格便宜，可靠性高。数控系统从此进入了基于ＰC的阶段。总之,计算机数控阶段也经历了三代。即1９７0年第四代——小型计算机;19７4年第五代——微处理器和１990年第六代——基于ＰC的阶段(国外称为PＣ-BAＳED)。必须指出，数控系统近五十年来经历了两个阶段六代的发展，只是发展到了第五代以后,才从根本上解决了可靠性低,价格极为昂贵,应用很不方便等极为关键的问题。因此，即使在工业发达国家,数控机床大规模地得到应用和普及，是在七十年代未八十年代初以后的事情,也即数控技术经过近三十年

虚拟制造技术的内涵及应用

虚拟制造技术的内涵及应用 摘要：虚拟制造技术是一门新兴的先进制造技术。虚拟制造技术的应用应结合我国制造业自身的特点，在吸收国外成熟经验的基础上大胆创新，形成特色发展。本文分析了虚拟制造技术的内涵及特点，并提出了发展虚拟制造技术的应用。 关键词：虚拟制造内涵制造产品 虚拟制造作为信息时代制造技术的重要标志，它是不断吸收信息技术和管理科学的成果而发展起来的，这里的“制造”是一种广义的概念，即一切与产品相关的活动和过程，亦称之为“大制造”，这是相对于传统的狭义制造而言的。“虚拟”的含义则是这种制造虽然不是真实的、物化的，但却是本质上的，也就是在计算机上实现制造的本质内容。虚拟制造的实质是在产品制造过程的上游——设计阶段就对产品制造的全过程虚拟集成，将可能出现的问题解决在这一阶段，通过设计的最优化达到产品的一次性制造成功。 1.虚拟制造技术的内涵及其特点 1.1虚拟制造技术的内涵 虚拟制造是实际制造过程在计算机的本质实现，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在计算机上实现产品开发、制造以及管理与控制等制造的本质过程，以增强制造过程各级的决策与控制能力。 虚拟制造不是一成不变的技术，而是一个不断吸收各种高新技术而不断丰富其内涵的动态技术系统，它通过计算机虚拟环境和模型来模拟生产场景和预估产品功能、性能及可加工性等方面可能存在的问题，从而提高人们的预测和决策水平，它为工程师提供了从产品概念的形成、设计到制造全过程的三维可视及交互环境，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，它不是原有单项制造仿真技术的简单组合，而是在相关理论和已积累知识的基础上对制造知识进行系统化组织。 1.2 虚拟制造技术的特点 虚拟制造与实际制造相比，有如下特点： (1)虚拟经营和管理。作为虚拟制造的一个主要贡献——虚拟企业，使制造业在世界范围内的重组与集成成为可能，应用虚拟经营和虚拟管理，充分借助于企业外部力量，运用自身最强的优势和有限资源最大限度地提高企业的竞争力。 (2)高度集成。产品与制造环境均利用仿真技术在计算机上形成虚拟模型，在设计过程中，可用计算机对其进行产品设计、制造、测试，设计人员和用户甚

虚拟仪器的发展及应用

虚拟仪器的发展及应用 摘要：虚拟仪器在各个领域中的应用越来越广泛，主要介绍虚拟仪器的发展过程，虚拟仪器的软件与硬件的基本构成原理，并介绍了一些虚拟仪器的应用。通过介绍，可以断定虚拟仪器有广泛的应用前景，是今后一段时间的发展方向。 关键词：虚拟仪器；测试；采集硬件；算法软件 0引言 由于微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子 工业测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断涌现，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念。虚拟仪器就 是其中的一种，虚拟仪器是基于通用PC建立的可编程仪器及仪器系统，就是在 以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟前面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。在虚拟仪器中，硬件仅仅是为了解决 信号的输入与输出，软件才是整个仪器的关键。用户可以通过软件构造几乎任意 功能的仪器。现在虚拟仪器已得到了广泛应用，并成为当前国内外测试技术领域十分关注的技术热点。 1测量技术的发展过程 1.1传统测试仪器仪表的发展历程 测量仪器是科学技术发展的基础，而科学技术的发展又推动着测量仪器的发 展进程。测量仪器仪表技术发展至今，主要经历了以下几个阶段： (2)以模拟电子技术为基础的模拟式仪表阶段； (3)以数字电子技术为基础，引入了锁相技术、频 (4)以大规模、超大规模集成电路为基础的智能化 仪器仪表阶段。这一阶段是电子仪器领域取得 重大发展的标志性联阶段，在一定时期内曾开 创了现代电子测量、测试技术的先河； (5)以电子测量技术、自动控制技术和计算机技术 的发展相融合为基础的自动测试系统阶段。这是 电子测量技术的又一次飞跃，它真正实现了 高速度、高准确度、多参数和多功能的图1传统仪器仪表的发展进程

虚拟仪器的发展与应用

虚拟仪器的发展与应用 摘要：虚拟仪器是电子测量技术和计算机测控的前沿技术，虚拟仪器将计算机采集测试分析引入到电子测量领域，用数字化和软件技术极大地提高了测试的灵活性和可扩充性。介绍了虚拟仪器的发展、构成和应用，并对虚拟仪器技术的发展作出展望和预测。 关键词：虚拟仪器；智能仪器；网络化 The Development and Application of Virtural Instrumental Abstract: The virtual instrument is an advanced technique of electronic menasurement and computer measure and control. With computers being introduced into electronic measurement field, digital and software technology enhance the flexibility and expansibility of measurtment. The development, generl construction and applications of virtual instruments are presented. The development of vitual instrumental technology is also prospected in the end. Keyword: virtual instruments;intelligent instrument; networked 0 引言 虚拟仪器技术发展非常迅速,是目前国内外测试技术和仪器制造界十分关注的热门话题。虚拟仪器技术其实质是将传统仪器硬件与最新计算机软件技术充分结合起来，以实现并扩展传统仪器的功能。与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程度、处理能力、性能价格比、可操作性等方面都具有明显的技术优势。 1虚拟仪器的发展历程 在电工电子测量技术的应用先后出现了了数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器，同时也由单台仪器逐步发展到叠加式仪器系统、虚拟仪器系统等等。 传统仪器的三大功能块，即数据的采集与控制、数据的分析与处理、结果的输出与显示，均以硬件形式存在，开发、维护的费用高，技术更新周期长。是后来出现的数字化仪器、智能仪器，使传统仪器的准确度提高、功能增强，仍未改变传统仪器那种独立使用、手动操作、任务单一的模式。为此，人们研制出多种通信接口，用于将多台智能仪器连在一起，构成功能更强、适应面更广的测试系统，这就是总线式仪器。将仪器所需的键盘、CRT和存储器等借助于PC资源，构成微机化仪器，简称PC仪器。与总线式仪器系统相比，PC仪器的硬件大为减少。 随着技术的发展与广泛的应用，用户对各种仪器的互操作性迫使微机化仪器的硬件和软件标准化，因而产生了VXI仪器系统。VXI仪器的标准基于开放原则，又具有定时与同步精确，模块可重复利用，传送数据快等优点。 由于PC机的普及，虚拟仪器的开发为了更好的兼容PC机，开发出以PCI总线内核为基础而设计的PXI总线标准。为使不同厂家生产的PC机数据采集软件、硬件具有广泛的互换性，在PXI总线标准发布的第二年，开放式数据采集协会公布了“开放式数据采集标准”。基于此标准而生产的仪器称为VXI仪器。VXI仪器解决了交换性问题，使到在不改动软件的情况下更换测试仪器成为可能。 2虚拟仪器的优点

云制造发展现状及趋势

《现代制造系统工程》大作业1 课程：现代制造系统工程 大作业题目：现代制造技术发展现状及趋势综述 具体技术名称：云制造 学期：2013～2014学年第二学期 任课教师：何俊 时间：2014年4月 姓名：杨宇 学号：20116334 年级、专业：机电2班

现代制造技术发展现状及趋势 云制造 作者：杨宇单位（班级）：机电二班 1.题目背景及意义 随着制造业的标准化和通用性程度的提高，现代制造中的产品已经由单一厂商独立完成转变为由多家制造厂商分部件或分工序共同协作完成，这些制造厂商共同形成一个完整产品的供应链或敏捷制造工厂。 随着产品信息化、虚拟化程度的提高以及网络的大量应用，制造商的各种制造能力可以满足多个供应链的多个环节，供应链中的一个环节也有多家可选制造商。制造商不再局限于提供产品或零部件，而是转为提供制造能力。提供给顾客的产品则是通过整合多个制造商能力生产而成。制造商的制造能力通过网络的集成形成了制造云。制造模式由供应链转变成云制造。 云制造是一种面向服务、高效低耗和基于知识的网络化、敏捷化制造新模式和技术手段, 它将促进制造的敏捷化、服务化、绿色化和智能化。用户可以根据应用需求, 随时随地、动态、敏捷地增减制造资源。由于/ 制造应用运行在虚拟制造平台上, 没有事先预订的固定资源被锁定, 云业务的规模可以动态、敏捷伸缩。云制造支持用户在任何有互联网和广域网的地方使用任何上网终端获取应用服务。在虚拟云制造系统上进行制造应用和业务运行, 用户所请求的资源和能力来自于规模巨大的制造云池。云制造平台采用各种容错技术, 任何单点物理故障发生, 制造应用都会在用户完全不知情的情况下, 转移到其他物理资源上继续运行, 因此使用云制造比使用其他制造手段的可用性更高。 2.国内外云制造技术的发展现状及应用情况 目前, 云制造的理念和技术已经引起学术界和产业界的关注。我国863 计划适时地提出了/

虚拟仪器及其应用文献综述

虚拟仪器及其应用文献综述 摘要 随着当前经济和互联网的快速发展，虚拟仪器与人类生活的关系越来越紧密。虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面显示的软件组成的测控系统，具有用户定义测量功能、便于组成自动测试系统强大的数据处理功能、系统组建时间短、便于扩展等特点，被广泛应用于测量、监控、工程处理、远程教育、报表生成技术等方面。 关键词：虚拟仪器，测试系统，特点，应用，互联网

引言 从十九世纪初到二十世纪末，测量仪器经历了模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器这四个阶段。相较于前面三代的测量仪器，虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面显示的软件组成的测控系统，是一种由计算机操纵的模块化仪器系统[1]。计算机管理着虚拟仪器的硬软件资源，是虚拟仪器的硬件基础。此外，还有基于计算机总线和模块化仪器总线的各种主要用于完成被测输入信号的采集、放大、模/数转换功能的测控功能硬件，如：利用PCI计算机总线的数据采集卡（DAQ）、GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、串口总线仪器等。虚拟仪器的软件系统主要包括I/O接口软件、仪器驱动程序、仪器开发软件、应用软件。 1虚拟仪器系统构成 虚拟仪器由硬件系统和软件系统两部分组成，其中硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件；软件系统从底层到顶层，包括三部分：VISA 库、仪器驱动程序和应用软件，如图1、2。 图1-1虚拟仪器的基本构成

图1-2虚拟仪器的构成框图 1.1 硬件构成 （1）计算机硬件平台 计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如普通台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。[2] （2）测试功能硬件 通过A/D转换将模拟信号转化成数字信号，送入计算机进行分析、处理、显示等；再通过D/A转换把数字控制量转化成模拟控制量，送到执行器，从而实现反馈控制，如数据采集卡系统、GPIB仪器控制系统、VXI仪器系统以及它们之间的任意组合。所涉及到的硬件接口模块包括：插入式数据采集卡(DAQ)、串/并口、IEEE488接口(GPIB)卡、VXI控制器以及其它接口卡。 1.2软件系统 计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如普通台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。虚拟仪器是一种主要靠软件实现的仪器,软件才

先进制造技术的应用与发展剖析

毕业设计论文 作者学号 系部机电学院 专业机电一体化技术 题目先进制造技术的应用与发展 指导教师 评阅教师 完成时间：2014 年4月26 日

毕业设计(论文)中文摘要

目录 1 绪论 (4) 1.1先进制造技术的概述 (4) 2 先进制造技术的现状 (5) 3 先进制造技术的应用 (6) 4 先进制造技术的应用举例 (7) 4.1在产品制造过程与工艺技术中的应用 (7) 5 先进制造技术发展展望 (8) 6 计算机集成制造系统 (10) 6.1 CIMS 系统的功能组成 (11) 6.2 CIMS 系统的技术优势分析 (11) 6.2.1保障和提高了新产品开发的质量 (11) 6.2.2 缩短了新产品的上市周期 (12) 7 加工技术 (12) 7.1 超精密加工的技术范畴 (12) 7.2 超精密加工的关键技术 (13) 7.2.1 主轴 (13) 7.2.2 直线导轨 (13) 7.2.3 传动系统 (14) 7.3数控技术（Numerical Control（NC）） (14) 7.3.1 数控技术是应用制造技术的基础和核心 (15) 7.3.2数控技术的推广应用给机械制造业带来了重大变革 (15) 结论 (16) 致谢 (16) 参考文献: (17)

1绪论 1.1先进制造技术的概述 先进制造技术(Advanced Manufacturing Technology)，人们往往用AMT 来概括由于微电子技术、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织管理，有赖于技术、管理和人力资源的有机协调和融合。先进制造技术在传统制造技术的基础上融合了计算机技术、信息技术、自动控制技术及现代管理理念等，所涉及的内容非常广泛，学科跨度大。本书围绕先进制造技术的各主题，系统地介绍了各先进制造技术的基本知识、关键技术及其在实际中的应用等。制造技术是使原材料成为人们所需产品而使用的一系列技术和装备的总称，是涵盖整个生产制造过程的各种技术的集成。从广义来讲，它包括设计技术、加工制造技术、管理技术等三大类。其中设计技术是指开发、设计产品的方法；加工制造技术是指将原材料加工成所设计产品而采用的生产设备及方法；管理技术是指如何将产品生产制造所需的物料、设备、人力、资金、能源、信息等资源有效地组织起来，达到生产目的的方法。 具体地说, 先进制造技术是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果, 并将其综合应用于产品设计、加工、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程, 以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产, 提高对动态多变的市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。与传统的制造技术相比, 当代的先进制造技术以其高效率、高品质和对于市场变化的快速响应能力为主要特征。先进制造技术是生产力的主要构成因素, 是国民经济的重要支柱。它担负着为国民经济各部门和科学技术的各个学科提供装备、工具和检测仪器的重要任务, 成为国民经济和科学技术赖以生存和发展

虚拟制造的发展及应用

虚拟制造的发展及应用 摘要：虚拟制造技术作为近几年出现的先进制造技术，本文在描述了虚拟制造技术的概念，我国虚拟制造技术发展现状，发展展望及应用。 关键词:虚拟制造技术；计算机仿真；虚拟现实；发展；应用 虚拟制造技术是在CAD／CAM／CAE技术基础上发展起来的。一方面，CAD／CAM／CAE技术为虚拟制造的实现提供了较为成熟的技术基础，如建模技术、分析优化技术、制造过程仿真技术、分析评价技术、设计分析评价技术和产品信息集成、转换、共享技术等。特别是特征建模技术在虚拟制造技术中占有极为重要的地位。另一方面，虚拟制造技术超越了CAD ／CAM／CAE技术，CAD／CAM／CAE技术主要考虑产品本身信息的集成与建模，而虚拟制造技术还要考虑加工过程的建模等问题。 虚拟制造技术的基本概念 虚拟制造技术VMT是20世纪80年代后期提出并得到迅速发展的一个新思想。它是以虚拟现实和仿真技术为基础，对产品的设计、生产过程统一建模，在计算机上对产品从设计、加工和装配、检验、使用等整个生命周期进行模拟和仿真。采用虚拟制造技术，可以在产品的设计阶段就模拟出产品及其性能和制造过程，以此来优化产品的设计质量和制造过程，优化生产管理和资源规划，使产品的开发周期和成本最小化。 虚拟制造技术的发展现状 虚拟制造在工业发达国家：如美国、德国、日本等已得到了不同程度的研究和应用。美国处于国际研究的前沿。1 983年美国国家标准局提出了“虚拟制造单元”的报告，1 993年爱荷华大学的报告“制造技术的虚拟环境”中提出了建立支持虚拟制造的环境：1 99 5年美国标准与技术研究所的报告“国家先进制造实验台的概念设计计划”，强调了分散的、多节点的分散虚拟制造IDVM（即虚拟企业的概念）。美国已经从虚拟制造的环境和虚拟现实技术、信息系统、仿真和控制、虚拟企业等方面进行了系统的研究和开发。多数单元技术已经进入实验和完善的阶段。 我国在虚拟制造技术方面的研究只是刚刚起步。其研究也多数是在原先的CAD／CAE／CAM和仿真技术等基础上进行的。目前主要集中在虚拟制造技术的理论研究和实施技术准备阶段，系统的研究尚处于国外虚拟制造技术的消化和与国内环境的结合上。当前我国虚拟制造应用的重点研究方向是基于我国国情的产品三维虚拟设计，加工过程仿真和产品装配仿真。

虚拟仪器的应用及发展前景

龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/323633977.html, 虚拟仪器的应用及发展前景 作者：王新 来源：《科技与企业》2013年第13期 【摘要】虚拟仪器技术是电子测量技术和计算机技术集成发展的结晶，虚拟仪器代表了现代仪器和测试技术发展的最新方向。本文着重介绍虚拟仪器的发展和应用，并对虚拟仪器的未来做出理性的分析。 【关键词】虚拟仪器；发展；应用 1.引言 随着计算机技术、大规模集成电路技术和通信技术的飞速发展，电子测量技术领域发生了巨大的变化；仪器结构的日趋复杂，仪器性能的不断提高，仪器的测试技术已成为测量领域的研究重点。美国国家仪器公司于20世纪80年代中期首先提出基于计算机技术的虚拟仪器的概念，把虚拟测试技术带入了新的发展时期，随后研制和推出了多种总线系统的虚拟仪器。虚拟仪器技术的提出与发展，标志着21世纪测试技术与仪器技术发展的一个重要方向。虚拟仪器代表着从传统的以硬件为主的测量系统到以软件为中心的测量系统的根本性改变。 2.仪器发展过程 到目前为止，电子测量仪器的发展大致分为4代，第1代为模拟仪器，如指针式万用表；第2代为数字化仪器，如数字频率计，此类仪器目前应用甚为广泛；第3代是智能仪器，不但可以自动检测，还能处理数据；第4代就是虚拟仪器，完全由计算机控制。 一台独立的装置是传统仪器的特征，传统仪器由操作面板、信号输入端口、检测结果输出等几部分组成。传统仪器用硬件电路或固化软件实现其功能。这种只能由仪器厂家来定义、制造的框架式结构决定了传统仪器的用户无法随意更改其结构和功能。从而也推动了虚拟仪器的面世。 所谓虚拟仪器，就是用户在通用计算机上加上软件和硬件，根据自己的需求定义和设计仪器的测试功能，使得使用者在操作这台计算机时，就像在操作一台他本人设计的专用传统仪器一样。 虚拟仪器由计算机、应用软件和仪器硬件组成。其核心思想就是利用计算机的软、硬件资源，将原本需要硬件完成的任务软件化，所以应用软件是虚拟仪器的核心。其硬件系统又分为仪器硬件和计算机硬件。 3.虚拟仪器的应用

虚拟制造技术及其应用外文文献翻译、中英文翻译、外文翻译

附录1 外文译文 虚拟制造技术及其应用 摘要：阐述了虚拟制造的基本概念，虚拟制造的核心技术，以及虚拟制造技术应用。 关键词：制造业虚拟制造虚拟现实 0 引言 当今的制造业基本技术日臻成熟，其市场处于以消费者为导向的市场环境下，产品品种、上市时间和用户满意度成为企业取得竞争优势的主要因素。制造业这种全球化的激烈竞争不断催生了各种先进制造技术和新的制造哲理，虚拟制造技术将会在本世纪涌向潮头，其朴素的思想和高新的技术手段都为研究领域和业界所推崇。 虚拟制造就是根据企业市场竞争的需求，在强调柔性和快速的前提下，美国80年代提出的，随着计算机技术和信息网络技术的发展，在90年代得到人们的重视，并获得迅速的发展。 1 虚拟制造 虚拟制造的基本思想是在产品制造过程的上游——设计阶段就进行对产品制造全过程的虚拟集成，将全阶段可能出现的问题解决在这一阶段，通过设计的最优化达到产品的一次性制造成功。 虚拟现实技术是使用感官组织仿真设备的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技术在一个统一模型之下对设计和制造等过程集成，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。从而更加有效的、经济的、柔性的组织生产，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。 虚拟制造系统是各制造功能的虚拟集成，它的可视化集成范围包括与设计相关的各项子系统的功能，如用户支持、工程分析、材料选用、工艺计划、工装分析、快速原型，甚至包括制造企业全部功能（如计划、操作、控制）的集成。 虚拟制造系统拥有产品和相关制造过程的全部信息，包括虚拟设计、制造和控制产生的数据、知识和模型信息。虚拟控制制造系统按照功能归集为三种不同类型的子环境，共同构成中心三元耦合的系统模式： （1）虚拟制造设计中心：给设计者提供各种工具以便虚拟设计、虚拟制造，设计出符合设计准则（如DFX）的产品模型； （2）虚拟制造加工中心：研究开发产品制造过程模型和环境模型及其分析各种可行的生产计划和工艺规划； （3）虚拟制造控制中心：评价产品设计、产品原型、生产计划、制造模拟和控制策略等等。 2 虚拟制造技术支持 虚拟制造技术是多学科综合的系统技术，需要研究开发相应的硬件集成系统与软件，就软件技术而言，相关的研究支持如下： 可视化：真实、直观地再现主观产品与客观制造过程；

你是如何理解虚拟制造的,试举例说明它在工业中的应用前景

虚拟现实（Virtual Reality）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（Virtual Manufacturing）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。 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 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。 VMT应用在以下几个方面： 1．虚拟企业。虚拟企业的建立，其中有一条最重要的原因是因为各企业本身无法单独满足市场需求，迎接市场挑战。因此，为了快速响应市场的需求，围绕新产品开发，利用不同地域的现有资源、不同的企业或不同地点的工厂，重新组织一个新公司。该公司在运行之前，必须分析组合是否最优，能否协调运行，并对投产后的风险、利益分配等进行评估。这种联作公司称为虚拟公司，或者叫动态联盟，是一种虚拟企业，它具有集成性和实效性两大特点的经济实体。在面对多变的市场需求下，虚拟企业具有加快新产品开发速度，提高产品质量，降低生产成本，快速响应用户的需求，缩短产品生产周期等优点。因此虚拟企业是快速响应市场需求的部队，能在商战中为企业把握机遇和带来优势。 2．虚拟产品设计。例如飞机、汽车的外形设计，其形状是否符合空气动力学原理，运动过

虚拟仪器课程论文-labview的发展历史、研究现状及其展望大学论文

课程名称: 虚拟仪器 学院: 机电工程学院专业: 仪器仪表工程姓名: 刘@ 学号: 4 2

论文介绍：经过一学期的虚拟仪器学习，对LabVIEW的使用有了更深入的了解，有很多思维和方法在今后的学习中值得借用，在此感谢万老师的辛勤付出。本论文主要论点：LabVIEW的发展历史、研究现状及其展望，并分析与其它平台的比较优势，本人测控专业且目前研究方向主要涉及到FPGA的应用，所以文章分析了LabVIEW与MATLAB和FPGA(现场可编程门阵列)等平台的融合，并在此基础上分析LabVIEW最新的应用实例，最后做出总结与展望。 0.引言 随着计算机技术、大规模集成电路技术和通讯技术的飞速发展，仪器技术领域发生了巨人的变化，美国于1986 年首先提出基于计算机技术的虚拟仪器(Virtual lnstruments 简称Ⅵ)的概念，把虚拟测试技术带入新的发展时期，随后研制和推出了基于多种总线系统的虚拟仪器。虚拟仪器就是在通用计算机上加上软件和硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就好象在操作一台自己设计的专用的传统电子仪器。它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控制系统；可自由构建成专有仪器系统。它由计算机、应用软件和仪器硬件组成。无论哪种虚拟仪器系统, 都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式PC或工作站等各种计算机平台(甚至可以是掌上电脑) 上，加上应用软件而构成的[1]。 虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。 1.虚拟仪器发展历史及现状 LabVIEW( Laboratory Virtual Instrument Engineering Work bench，实验室虚拟仪器工程平台) 是由美国NI公司( National Instruments ，国家仪器公司) 创立的一个功能强大而又灵活的仪器和分析软件应用开发工具，在实验测量、工业自动化和数据分析领域有着重要作用。

虚拟仪器的应用

实验报告 实验题目 基于虚拟仪器技术的 涡流传感器位移测量实验 专业测控技术与仪器班级仪112班 学号3110241032 学生王金利 同组人王俊俊，王琦 指导教师晏克俊 2014 年

一、实验内容 本实验是利用所学虚拟仪器编程实现涡流传感器位移特性的测量，涡流传感器的基本工作系统由探头，前置器以及被测体构成，当前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈时由电磁感应定律可知，交变电流会在探头头部的线圈中产生交变磁场。当有被测金属体靠近这一磁场时在金属表面会产生感应电流，由于其呈漩涡状故称之为电涡流。与此同时该电涡流场也会产生一个与头部线圈方向相反的交变磁场与其反作用，以使得头部线圈的高频电流幅度和相位得到改变，这一改变与金属导体的磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。 当控制金属导体的磁导率、电导率等参数相同时，电涡流的强度大小就只与头部线圈到金属导体表面的距离有关，通过前置器电子线路的处理，即可将头部线圈与金属导体之间距离的变化转换成电压的变化，输出信号的大小岁探头到被测体便面之间的间距而变化，电涡流传感器根据这一原理实现对金属物体位移的测量。 虚拟仪器是在以计算机为核心的硬件平台上配备相应的板卡，由用户设计定义，具有虚拟面板，其测试功能由软件实现的一种计算机仪器系统。本次实验通过对被测的电涡流相应电压强度的变化量信号的采集和分析利用波形图、波形图表和数字表格形象生动的描述出涡流传感器的位移特性。并利用虚拟仪器所编程序完成对电涡流传感器的灵敏度、非线性度、最大偏差、最大位移等参数的测量。 二、实验仪器 1：带虚拟仪器软件的计算机一台； 2：NI6014数据采集卡； 3：数字万用表； 4：涡流传感器实验平台。

数控系统的国内外发展及应用现状

数控系统的国内外发展 及应用现状

数控技术课大作业 专业： 学号： 学生： 指导教师： 完成日期：

数控系统的国内外发展及应用现状 目录 第1章序言 第2章数控系统的发展过程和趋势 2.1数控系统的发展过程 2.2数控系统的发展趋势 第3章国外和国内数控系统功能介绍与应用分析 3.1 国外数控系统功能介绍与应用分析 3.1.1 西门子SINUMERIK 840D 3.1.2 FANUC 数控系统6 3.2 国内数控系统功能介绍与应用分析 3.2.1 华中“世纪星”数控系统 3.2.2 广州数控GSK27全数字总线式高档数控系统 第4章国内外数控系统比较及差距分析 4.1 国内外数控系统比较 4.1.1 西门子公司数控系统(SIEMENS)的产品特点 4.1.2 FANUC公司数控系统的产品特点 4.2 我国数控系统与国外数控系统的差距 参考文献

第一章序言 数控即数字控制(Numerical Control，NC)。数控技术是指用数字信号形成的控制程序对一台或多台机械设备进行控制的一门技术。 数控机床，简单的说，就是采用了数控技术的机床。即将机床的各种动作、工件的形状、尺寸以及机床的其他功能用一些数字代码表示，把这些数字代码通过信息载体输入给数控系统，数控系统经过译码、运算以及处理，发出相应的动作指令，自动地控制机床的刀具与工件的相对运动，从而加工出所需要的工件。 因此，数控机床就是一种具有数控系统的自动化机床。它是典型的机电一体化产品，是现代制造业的关键设备。 第二章数控系统的发展过程和趋势 2．1数控系统的发展过程 1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。六年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上。在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。 1.数控(NC)阶段 (1952-1970年)早期计算机运算速度低，这对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路"搭"成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控，简称为数控