虛擬制造技術(shù)及應(yīng)用
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制造業(yè)為了在競(jìng)爭(zhēng)激烈的全球市場(chǎng)求得生存與發(fā)展，必須能夠更好地滿足市場(chǎng)所提出的T、Q、C、S要求，即要以最短的
產(chǎn)品開發(fā)周期(Time)，最優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品質(zhì)量(Quality)，最低廉的制造成本(Cost)和最好的技術(shù)支持與售后服務(wù)(Service)來贏得市場(chǎng)與用戶。面對(duì)不可預(yù)測(cè)、持續(xù)發(fā)展、快速多變的市場(chǎng)需求，企業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)必須具有高度的柔性。為了提高競(jìng)爭(zhēng)能力，企業(yè)應(yīng)當(dāng)能夠?qū)κ袌?chǎng)需求的變化作出快速敏捷的反應(yīng)，并及時(shí)地對(duì)自身的生產(chǎn)作出合理的調(diào)整與重新規(guī)劃。計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)提供了強(qiáng)有力的支持。基于這些因素，20世紀(jì)90年代中期有許多新概念、新觀點(diǎn)應(yīng)運(yùn)而生，虛擬制造(Virtual Manufacture)就是其中之一，它代表了一種全新的制造體系和模式。在虛擬制造中，產(chǎn)品開發(fā)是基于數(shù)字化的虛擬產(chǎn)品開發(fā)方式(Virtual Product Development)，以用戶的需求為第一驅(qū)動(dòng)，并將用戶需求轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品的各種功能特征。VPD保證了產(chǎn)品開發(fā)的效率和質(zhì)量，提高了企業(yè)的快速響應(yīng)和市場(chǎng)開拓能力。
1．虛擬制造技術(shù)定義及特點(diǎn)
虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)技術(shù)是使用感官組織仿真設(shè)備和真實(shí)或虛幻環(huán)境的動(dòng)態(tài)模型生成或創(chuàng)造出人能夠感知的環(huán)境或現(xiàn)實(shí)，使人能夠憑借直覺作用于計(jì)算機(jī)從而產(chǎn)生三維仿真模型的虛擬環(huán)境。
基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬制造(Virtual Manufacturing)技術(shù)是在一個(gè)統(tǒng)一模型之下對(duì)設(shè)計(jì)和制造等過程進(jìn)行集成，它將與產(chǎn)品制造相關(guān)的各種過程與技術(shù)集成在三維的、動(dòng)態(tài)的仿真真實(shí)過程的實(shí)體數(shù)字模型之上。其目的是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，借助建模與仿真技術(shù)及時(shí)地、并行地模擬出產(chǎn)品未來制造過程乃至產(chǎn)品全生命周期的各種活動(dòng)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響，預(yù)測(cè)、檢測(cè)、評(píng)價(jià)產(chǎn)品性能和產(chǎn)品的可制造性等等。從而更加有效地、經(jīng)濟(jì)地、柔性地組織生產(chǎn)，增強(qiáng)決策與控制水平，有力地降低由于前期設(shè)計(jì)給后期制造帶來的回溯更改，達(dá)到產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本最小化、產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的最優(yōu)化、生產(chǎn)效率的最大化。
虛擬制造的研究還處于不斷的深入、細(xì)化之中，國(guó)際上尚沒有對(duì)其作出一個(gè)統(tǒng)一的定義。不同的研究人員從不同角度出發(fā)，給出了各具特點(diǎn)的描述，其中有代表性的包括以下幾種：
Kimura認(rèn)為，虛擬制造是指通過對(duì)制造知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)化組織與分析，對(duì)整個(gè)制造過程建模，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)估和制造活動(dòng)仿真。他強(qiáng)調(diào)通過用虛擬制造模型對(duì)制造全過程進(jìn)行描述，在實(shí)際的物理制造之前就具有了對(duì)產(chǎn)品性能及其可制造性的預(yù)測(cè)能力。
Lawrence Associates則認(rèn)為，虛擬制造是一個(gè)集成的、綜合的可運(yùn)行制造環(huán)境，其目的是提高各個(gè)層次的決策與控制。
美國(guó)Wright空軍實(shí)驗(yàn)室則對(duì)虛擬制造作出了如下定義：虛擬制造建立在計(jì)算機(jī)建模、分析和仿真技術(shù)的基礎(chǔ)之上，它是對(duì)這些技術(shù)的綜合應(yīng)用。這種綜合應(yīng)用增強(qiáng)了各個(gè)層次的設(shè)計(jì)制造、生產(chǎn)決策與控制能力。
從這些定義可以看出，虛擬制造涉及到多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，是對(duì)這些領(lǐng)域知識(shí)的綜合集成與應(yīng)用．計(jì)算機(jī)仿真、建模和優(yōu)化技術(shù)是虛擬制造的核心與關(guān)鍵技術(shù)。可以認(rèn)為，虛擬制造是對(duì)制造過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)，包括產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、加工、裝配，乃至企業(yè)的生產(chǎn)組織管理與調(diào)度進(jìn)行統(tǒng)一建模，形成一個(gè)可運(yùn)行的虛擬制造環(huán)境，以軟件技術(shù)為支撐，借助于高性能的硬件，在計(jì)算機(jī)局彬廣域網(wǎng)絡(luò)上，生成數(shù)字化產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、性能分析、工藝決策、制造裝配和質(zhì)量檢驗(yàn)。它是數(shù)字化形式的廣義制造系統(tǒng)，是對(duì)實(shí)際制造過程的動(dòng)態(tài)模擬。所謂“虛擬”，是相對(duì)于實(shí)物產(chǎn)品的實(shí)際制造系統(tǒng)而言的，強(qiáng)調(diào)的是制造系統(tǒng)運(yùn)行過程的計(jì)算機(jī)化。
由于計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，虛擬制造具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
(1)無(wú)須制造實(shí)物樣機(jī)就可以預(yù)測(cè)產(chǎn)品性能，節(jié)約制造成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。
(2)產(chǎn)品開發(fā)中可以及早發(fā)現(xiàn)問題，實(shí)現(xiàn)及時(shí)的反饋和更正。
(3)以軟件模擬形式進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)。
(4)企業(yè)管理模式基于Intranet或Internet，整個(gè)制造活動(dòng)具有高度的并行性。
2．虛擬制造的種類
廣義的制造過程不僅包括了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)加工、裝配。還包含了對(duì)企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的組織與控制。從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，可以把虛擬制造劃分為三類：以設(shè)計(jì)為中心的虛擬制造、以生產(chǎn)為中心的虛擬制造和以控制為中心的虛擬制造。
(1)以設(shè)計(jì)為中心的虛擬制造。
以設(shè)計(jì)為中心的虛擬制造強(qiáng)調(diào)以統(tǒng)一制造信息模型為基礎(chǔ)，對(duì)數(shù)字化產(chǎn)品模型進(jìn)行仿真與分析、優(yōu)化，進(jìn)行產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)方面的分析和可裝配性分析，以獲得對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)評(píng)估與性能預(yù)測(cè)結(jié)果。
(2)以生產(chǎn)為中心的虛擬制造。
以生產(chǎn)為中心的虛擬制造是在企業(yè)資源的約束條件下，對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真，對(duì)不同的加工過程及其組合進(jìn)行優(yōu)化。它對(duì)產(chǎn)品的“可生產(chǎn)性”進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，對(duì)制造資源和環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化組合，通過提供精確的生產(chǎn)成本信息對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度進(jìn)行合理化決策。
(3)以控制為中心的虛擬制造。
以控制為中心的虛擬制造是將仿真技術(shù)引入控制模型，提供模擬實(shí)際生產(chǎn)過程的虛擬環(huán)境，使企業(yè)在考慮車間控制行為的基礎(chǔ)上對(duì)制造過程進(jìn)行優(yōu)化控制。以上三種虛擬制造分別側(cè)重于制造過程的不同方面．但它們都以計(jì)算機(jī)建模、仿真技術(shù)為一個(gè)重要的實(shí)現(xiàn)手段，通過對(duì)制造過程進(jìn)行統(tǒng)一建模，用仿真支持設(shè)計(jì)過程、模擬制造過程，進(jìn)行成本估算和生產(chǎn)調(diào)度。
3．虛擬制造關(guān)鍵技術(shù)
(1)特征建模的建立：建立包含工藝信息的特征模型，為以后的工藝分析、加工等過程創(chuàng)造條件。
(2)企業(yè)間產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換：在由動(dòng)態(tài)聯(lián)盟共同完成新產(chǎn)品開發(fā)的條件下，必須以產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)(STEP、IGES等)來保證企業(yè)間信息的集成。
(3)快速原型制造軟硬件系統(tǒng)：快速原型制造系統(tǒng)使工程人員在制造前就能看到產(chǎn)品，從而改進(jìn)設(shè)計(jì)。也可直接用于快速制造少量的零件或模具。改進(jìn)材料、工藝及軟件來提高產(chǎn)品的精度。
(4)加工能力模型／生產(chǎn)能力模型建立：根據(jù)企業(yè)的加工設(shè)備信息建立加工能力模型，進(jìn)一步還可以根據(jù)企業(yè)的其他資源信息建立生產(chǎn)能力模型。生產(chǎn)能力模型是產(chǎn)品零件可制造性分析、加工單元布局以及制造成本估算、生產(chǎn)能力平衡、優(yōu)化生產(chǎn)布局、優(yōu)化調(diào)度方案的依據(jù)。
(5)產(chǎn)品零件的可制造性分析及計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃：根據(jù)零件的特征信息以及制造資源模型進(jìn)行可制造性分析，確定加工路線、步驟和參數(shù)。
(6)制造過程的動(dòng)態(tài)描述：根據(jù)工藝規(guī)劃所確定的加工路線以及制造資源用動(dòng)畫形式描述制造過程，用以檢查過程及物流、對(duì)環(huán)境影響的合理性。
(7)NC代碼自動(dòng)生成：根據(jù)包含特征信息的零件模型及工藝規(guī)劃信息來實(shí)現(xiàn)零件的NC代碼自動(dòng)生成并提供加工時(shí)間等參數(shù)，為加工仿真，成本分析等后續(xù)過程提供依據(jù)。
(8)制造成本估算：根據(jù)制造過程所占用的資源、加工時(shí)間等信息進(jìn)行制造成本估算。
(9)驗(yàn)證與測(cè)試系統(tǒng)：借助于虛擬現(xiàn)實(shí)及人-機(jī)工程對(duì)產(chǎn)品的可靠性、可操作性、可維護(hù)性等進(jìn)行評(píng)估。
4．虛擬制造技術(shù)的建模技術(shù)
虛擬加工是現(xiàn)實(shí)加工過程在計(jì)算機(jī)上的映射，與真實(shí)制造過程相比，具有虛擬性、數(shù)字化集成性、依賴性。虛擬加工系統(tǒng)的建立必須基于現(xiàn)實(shí)的制造設(shè)備及其相關(guān)活動(dòng)，并且可以隨著制造設(shè)備的改變對(duì)虛擬加工系統(tǒng)進(jìn)行變更。虛擬加工環(huán)境建模是真實(shí)加工環(huán)境在數(shù)字化世界中的映射。產(chǎn)品的實(shí)際加工環(huán)境包括加工設(shè)備、工裝夾具及其加工刀具等，因此在虛擬加工環(huán)境中需要建立相應(yīng)的加工設(shè)備模型、夾具模型、刀具模型及工件模型，使得虛擬加工環(huán)境能夠依據(jù)用戶輸入的NC代碼、工藝模塑和刀具模型給出有關(guān)工件變化、刀具狀況、加工效率等信息。
虛擬加工設(shè)備主要是指虛擬機(jī)床，用于仿真實(shí)際加工設(shè)備加工虛擬產(chǎn)品，機(jī)床模型包括機(jī)床的幾何實(shí)體信息、運(yùn)動(dòng)特征信息、伺服特性信息、剛度特性信息以及熱變形特性信息的影響等。
虛擬刀具包括鏡刀、車刀、鉆頭等常用的加工刀具，用于仿真實(shí)際的切削過程，刀具模型包括刀具幾何實(shí)體信息、切削特征信息和運(yùn)動(dòng)特征信息等：虛擬夾具用于仿真實(shí)際的工裝夾具，夾具模型包括夾具幾何實(shí)體信息、裝夾特征信息等。虛擬加工設(shè)備、夾具、刀具和工件建模原理一致。
4．1 虛擬加工設(shè)備建模
虛擬機(jī)床是虛擬加工過程的具體實(shí)施者。根據(jù)機(jī)床信息的不同，機(jī)床模型分為幾何模型和仿真模型，其中幾何模型將虛擬機(jī)床看成是一個(gè)層次式的裝配體，包含多個(gè)部件和零件，且部件之間存在著相互裝配關(guān)系和約束條件，組成零部件的三維數(shù)字模型根據(jù)其實(shí)際形狀和大小分別建模；機(jī)床仿真模型是在NC代碼的驅(qū)動(dòng)下，采用一種類似于NC加工插補(bǔ)算法實(shí)現(xiàn)各運(yùn)動(dòng)部件的平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)，以此驅(qū)動(dòng)虛擬機(jī)床的運(yùn)動(dòng)。將仿真模型作為機(jī)床的物理屬性依附在機(jī)床的幾何模型上，建立虛擬加工設(shè)備模型的類結(jié)。類結(jié)構(gòu)建立床身、工作臺(tái)和導(dǎo)軌等基本類，在此基礎(chǔ)上建立零部件幾何模型類繼承基本類；零部件幾何模型類與零部件仿真模型類一起形成零件模型類，通過零件、部件之間的包含、聚合關(guān)系形成虛擬加工設(shè)備。
4．2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
例如應(yīng)用UG三維造型軟件對(duì)一套加工設(shè)備進(jìn)行了幾何建模，通過文件輸出得到零部件的VRML文件，以Visual C+6．0。為開發(fā)工具，選用OpenGL作為圖形引擎開發(fā)了可重構(gòu)三維虛擬加工環(huán)境建模系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了LeadWell LTC系列加工中心的快速建模。LeadWell LTC20 AP是臥式加工中心，將其簡(jiǎn)化為床身、加工艙艙門、導(dǎo)軌、刀座、刀盤、主軸頭、尾架、頂尖、支架、控制臺(tái)等。針對(duì)各模塊的通用程度我們采取相應(yīng)的建模策略，如床身、艙門等是該加工中心特有的異型部件，為其單獨(dú)建模；導(dǎo)軌、刀座、刀盤等對(duì)同類機(jī)床而言，其外形結(jié)構(gòu)具有很大相似性，因此通過對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中類似部件進(jìn)行修改后重用(若數(shù)據(jù)庫(kù)中已有類似)；主袖頭、尾架、頂尖等則屬于通用部件或標(biāo)準(zhǔn)部件，可以直接重用(若數(shù)據(jù)庫(kù)中已有相同)。為構(gòu)建的虛擬加工環(huán)境，利用該環(huán)境可以對(duì)零件進(jìn)行虛擬加工仿真。
虛擬加工系統(tǒng)是虛擬制造研究的主要內(nèi)容之一，而環(huán)境建模是虛擬加工系統(tǒng)仿真、分析的基礎(chǔ)。通過三維實(shí)體建模構(gòu)造出一套虛擬設(shè)備，使設(shè)計(jì)人員可以借助于一定的軟、硬件設(shè)備，在虛擬制造環(huán)境下對(duì)零件加工過程進(jìn)行仿真，并對(duì)設(shè)備布局、加工過程等作出分析，以便對(duì)整個(gè)生產(chǎn)進(jìn)程進(jìn)行優(yōu)化，從而提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。
5．虛擬制造的應(yīng)用
虛擬制造在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、德國(guó)、日本等已得到了不同程度的研究和應(yīng)用。在這一領(lǐng)域，美國(guó)處于國(guó)際研究的前沿。福特汽車公司和克萊斯勒汽車公司在新型汽車的開發(fā)中已經(jīng)應(yīng)用了虛擬制造技術(shù)，大大縮短了產(chǎn)品的發(fā)布時(shí)間。波音公司設(shè)計(jì)的777型大型客機(jī)是世界上首架以三維無(wú)紙化方式設(shè)計(jì)出的飛機(jī)．它的設(shè)計(jì)成功已經(jīng)成為虛擬制造從理論研究轉(zhuǎn)向?qū)嵱没囊粋€(gè)里程碑。
在我國(guó)，清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等科研教學(xué)單位也已經(jīng)開展了這一領(lǐng)域的研究工作。當(dāng)前我國(guó)虛擬制造應(yīng)用的重點(diǎn)研究方向是基于我國(guó)國(guó)情，進(jìn)行產(chǎn)品的三維虛擬設(shè)計(jì)、加工過程仿真和產(chǎn)品裝配仿真，主要是研究如何生成可信度高的產(chǎn)品虛擬樣機(jī)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段能夠以較高的置信度預(yù)測(cè)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的最終性能和可制造性。在對(duì)產(chǎn)品性能具有高科技含量要求的行業(yè)中，如航空航天、軍事、精密機(jī)床、微電子等領(lǐng)域，隨著研究的不斷深入和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，虛擬制造必將得到日益廣泛的應(yīng)用。
6．小結(jié)
基于產(chǎn)品的數(shù)字化模型，應(yīng)用先進(jìn)的系統(tǒng)建模和仿真優(yōu)化技術(shù)，虛擬制造實(shí)現(xiàn)了從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、加工、制造到檢驗(yàn)全過程的動(dòng)態(tài)模擬，并對(duì)企業(yè)的運(yùn)作進(jìn)行了合理的決策與最優(yōu)控制。虛擬制造以產(chǎn)品的“軟”模型(Soft Prototype)取代了實(shí)物樣機(jī)，通過對(duì)模型的模擬測(cè)試進(jìn)行產(chǎn)品評(píng)估，能夠以較低的生產(chǎn)成本獲得較高的設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品的發(fā)布周期，提高了企業(yè)生產(chǎn)效率．企業(yè)的生產(chǎn)因?yàn)樘摂M制造技術(shù)的應(yīng)用而具有了高度的柔性化和快速的市場(chǎng)反應(yīng)能力，因而市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力大大增強(qiáng)．作為一種先進(jìn)的制造模式，虛擬制造的應(yīng)用范圍必然會(huì)不斷擴(kuò)大，給更多的企業(yè)帶來更大的收益。