虛擬制造技術(shù)(VMT)的發(fā)展與應(yīng)用研究
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在全球一體化的經(jīng)濟形勢下，企業(yè)之間的競爭日益激烈，為了適應(yīng)快速變化的市場需求，在激烈的市場競爭中取勝，現(xiàn)代的制造企業(yè)必須解決TQCS難題，即以最快的上市速度(Time)，最好的質(zhì)量(Quality)，最低的成本(Cost)，最優(yōu)的服務(wù)(Service)來贏得市場和用戶，計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)的普及為實現(xiàn)這一目標創(chuàng)造了良好的條件。從制造業(yè)的發(fā)展軌跡來看，信息化技術(shù)與制造業(yè)的融合是制造業(yè)發(fā)展的趨勢。20世紀80年代初，以信息集成為核心的計算機集成制造系統(tǒng)((CIMS)開始得到實施，20世紀80年代末，以過程集成為核心的并行工程技術(shù)進一步提高了制造水平，進人20世紀90年代，先進制造技術(shù)進一步向更高水平發(fā)展，出現(xiàn)了虛擬制造(VM,Virtual Manufacturing)、
精益生產(chǎn)(LP,Lean Production)、敏捷制造(AM, Agile Manufacturing),虛擬企業(yè)(VE,Virtual Enterprise)等新概念。
1 虛擬制造產(chǎn)生的背景
虛擬制造技術(shù)(VMT)正是在強調(diào)柔性和快速的前提下于20世紀80年代提出的概念，并在20世紀90年代得到重視和發(fā)展。它是以虛擬現(xiàn)實和仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，對產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)過程統(tǒng)一建模，在計算機上實現(xiàn)產(chǎn)品從設(shè)計、加工、裝配、檢驗直至整個生命周期的模擬和仿真。這里所說的制造過程，包括產(chǎn)品級的制造和企業(yè)級的生產(chǎn)管理，國際上稱之為“大制造”(B-Manufacture)。目前國際上對虛擬制造并沒有統(tǒng)一的定義，1994年7月在美國俄亥俄州舉辦的虛擬制造用戶專題討論會上，人們根據(jù)制造過程的側(cè)重點不同將虛擬制造分為3類，提出了“3個中心”的分類方法，即“以產(chǎn)品為中心的虛擬制造”、“以生產(chǎn)為中心的虛擬制造”和“以控制為中心的虛擬制造”，獲得國際學(xué)術(shù)界的認同。
“以產(chǎn)品為中心的虛擬制造”是將制造信息加入到產(chǎn)品設(shè)計與工藝設(shè)計過程中，在計算機中生成制造過程原型，對多種制造方案進行仿真，對數(shù)字化產(chǎn)品模型的性能、可制造性、可裝配性、成本等進行分析，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計和工藝設(shè)計，以期盡早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計及工藝過程存在的問題。
“以生產(chǎn)為中心的虛擬制造”是將仿真信息加人到
生產(chǎn)計劃模型中，以便快速便捷的評價多種生產(chǎn)計劃，優(yōu)化生產(chǎn)計劃和制造環(huán)境的配置。主要是根據(jù)企業(yè)現(xiàn)有資源對不同的加工過程進行評估優(yōu)化，決定合理的生產(chǎn)組織方式。
“以控制為中心的虛擬制造”是將仿真能力加人到設(shè)備控制模型中，提供實際生產(chǎn)過程中的虛擬環(huán)境，使企業(yè)在考慮車間控制行為的基礎(chǔ)上對制造過程進行優(yōu)化控制。
2 虛擬制造的內(nèi)涵
虛擬制造是實際制造在計算機中的映射與本質(zhì)體現(xiàn)，實際生產(chǎn)過程是實際的物質(zhì)流、信息流在控制流的協(xié)調(diào)作用下，實現(xiàn)投入到產(chǎn)出的過程，而虛擬制造過程則是現(xiàn)實制造系統(tǒng)(RMS)在虛擬環(huán)境下的映射。實際制造系統(tǒng)和虛擬制造系統(tǒng)可用下式表辰
RMS={ RPS，RIS，RCS};
VMS={ VPS，VIS，VCS};
其中，RMS和VMS分別表示實際制造系統(tǒng)和虛擬制造系統(tǒng)，RPS, RIS, RCS分別是實際物質(zhì)流、實際信息流、實際控制流;VPS, VIS, VCS分別是虛擬物質(zhì)流、虛擬信息流、虛擬控制流。虛擬制造與實際制造的關(guān)系可用圖1表示。
可見，由于虛擬制造可以在制造過程的物理實現(xiàn)之前預(yù)測產(chǎn)品性能和制造過程的細節(jié)，并通過及時的信息反饋來修改產(chǎn)品模型以達到整體最優(yōu)，從而可以降低企業(yè)成本，增強企業(yè)競爭力。具體說來實施虛擬制造有以下4個方面的收益:
(1)縮短
產(chǎn)品開發(fā)周期。傳統(tǒng)制造遵循設(shè)計一試制一修改設(shè)計一規(guī)模化大生產(chǎn)的串行式結(jié)構(gòu)，只有在試制出樣品后才進行產(chǎn)品信息反饋，決定是否要修改設(shè)計。而在虛擬制造中，可以隨時在設(shè)計過程中檢驗可制造性和可裝配性，方便的修改模型，信息反饋更為及時。
(2)提高產(chǎn)品質(zhì)量。虛擬制造過程通過對多種制造方案進行仿真，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計和工藝設(shè)計，彌補了傳統(tǒng)制造業(yè)靠經(jīng)驗決定加工方案的不足，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。
(3)降低資源消耗。由于虛擬制造在計算機中進行，并不消耗實際生產(chǎn)所需的物理材料，減少了材料浪費和刀具磨損。
(4)提高企業(yè)柔性生產(chǎn)能力，增強企業(yè)決策準確性。決策者可以在虛擬制造中了解產(chǎn)品性能、制造成本、生產(chǎn)進度等信息，有助于決策者把握利潤與風(fēng)險之間的平衡。
3 虛擬制造的關(guān)鍵技術(shù)
虛擬制造涉及的技術(shù)領(lǐng)域十分廣泛，從其軟件實現(xiàn)和人機接口而言，虛擬制造的實現(xiàn)在很大程度上取決于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，這其中包括計算機圖形學(xué)技術(shù)、傳感器技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)等。從制造技術(shù)的角度講可將虛擬制造技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)分為以下3大主體技術(shù)群，即建模技術(shù)群、仿真技術(shù)群、控制技術(shù)群，虛擬制造技術(shù)研討會上將其進一步細化為13個技術(shù)領(lǐng)域和44項技術(shù)。
3.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)
“虛擬現(xiàn)實”(VR, Virtual Reality)的概念是20世紀80年代初美國VPL公司的創(chuàng)建人之一Jaron Lanier提出來的，他認為，虛擬現(xiàn)實意味著“用電子計算機合成的人工世界。”虛擬現(xiàn)實強調(diào)“身臨其境”的感覺，人們可以在虛擬環(huán)境中看、聽、觸摸、操作物體，如同在現(xiàn)實環(huán)境中一樣，希望以一種“自然”的方式與虛擬環(huán)境進行交互。虛擬現(xiàn)實覆蓋人類感知世界的多重信息通道，通過計算機把視覺、聽覺、觸覺、味覺等多種信息合成并提示給人的感覺器官，從而把人、現(xiàn)實世界和虛擬空間結(jié)合起來融為一體，相互間進行信息的交流與反饋。
各種VR裝置是人們與虛擬環(huán)境進行交互的媒介，好的VR裝置可以使用戶體驗到很高的“沉浸度”。VR裝置的發(fā)展離不開傳感器技術(shù)，視覺、聽覺、嗅覺、味覺，觸覺等都可以通過傳感器進行模擬。虛擬現(xiàn)實中經(jīng)常用到的VR裝置有數(shù)據(jù)手套、3D頭盔、六自由度鼠標、力反饋器、空間位置傳感器等。一個VR裝置上通常會有多個至數(shù)十個傳感器，以數(shù)據(jù)手套為例，它可以完成對手指關(guān)節(jié)彎曲度和手指開合情況的測量，將手的姿態(tài)和動作傳遞給計算機，讓計算機做出正確的反應(yīng)，并通過手套上的力學(xué)反饋裝置與手產(chǎn)生真實的接觸和受力感覺，使用戶在抓取、松開物體以及操縱虛擬機器等時有真實的感受。
3.2 建模技術(shù)
根據(jù)虛擬制造模型的層次不同，可將模型分為產(chǎn)品級、車間級和企業(yè)級。
(1)產(chǎn)品級模型指制造過程中各類實體對象模型的集合，包括產(chǎn)品模型和工藝模型等。產(chǎn)品模型中除了包含必備的幾何、形狀、公差等靜態(tài)信息以外，還必須能夠通過映射、抽象等方法提取出制造過程中所需的動態(tài)信息。工藝模型是將工藝參數(shù)與影響制造功能的產(chǎn)品設(shè)計屬性聯(lián)系起來，以反應(yīng)生產(chǎn)模型與產(chǎn)品模型間的交互作用。工藝模型必須包括以下功能:物理和數(shù)學(xué)模型、統(tǒng)計模型、計算機工藝仿真、制造數(shù)據(jù)表和制造規(guī)則。
(2)車間級模型車間模型包括設(shè)備模型、車間布局模型、生產(chǎn)調(diào)度模型、制造過程模型、過程監(jiān)控模型等。車間級模型中包括虛擬制造到實際制造之間的映射關(guān)系。
(3)企業(yè)級模型包括經(jīng)營決策、生產(chǎn)決策、產(chǎn)品決策，以及決策評價、市場預(yù)測、成本分析、效益/風(fēng)險評估等。
3.3 仿真技術(shù)
仿真過程是實際的物理過程在計算機中的實現(xiàn)，進行優(yōu)化。根據(jù)虛擬制造的著重點不同，可將仿真分為產(chǎn)品性能仿真，生產(chǎn)規(guī)劃仿真、實際制造過程仿真等。產(chǎn)品性能仿真包括運用各種CAE軟件對產(chǎn)品的機械性能、動力學(xué)性能、熱力學(xué)性能等進行模擬。生產(chǎn)規(guī)劃仿真可以對車間不同的生產(chǎn)規(guī)劃進行仿真。實際制造過程仿真包括數(shù)控機床的NC代碼仿真，沖壓過程、澆注過程、焊接過程、切削過程等的仿真。仿真結(jié)果可以用來優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)規(guī)劃、檢驗產(chǎn)品可制造性。
3.4 控制技術(shù)
控制技術(shù)指建模過程、仿真過程所用到的各種管理、組織與控制的技術(shù)和方法。包括模型部件的組織、調(diào)度策略及交換技術(shù)，仿真過程的工作流程與信息流程控制，成本估計技術(shù)，動態(tài)分布式協(xié)作模型的集成技術(shù);沖突求解及基于仿真的推理技術(shù)。模型及仿真結(jié)果的驗證和確認技術(shù)，面向產(chǎn)品開發(fā)過程的組織與管理等問題的研究等。
4 虛擬制造的研究與應(yīng)用
由于虛擬制造的廣闊前景，美國、歐洲及日本等國紛紛開始對其進行研究，并在虛擬原型系統(tǒng)開發(fā)、虛擬環(huán)境構(gòu)筑、虛擬裝配等方面取得了一系列的成果;除了實驗室的研究工作外，虛擬制造在工業(yè)上，尤其是汽車、飛機、軍工等領(lǐng)域也得到有效應(yīng)用并取得明顯收益。
4.1 國外的研究與應(yīng)用
美國國家標準及技術(shù)局NIST主要研究工程設(shè)計測試床的創(chuàng)建及制造工程工具軟件包，提供了開放式虛擬現(xiàn)實測試床(OVRT)和國家先進制造測試床(NAMT)。美國Michigan大學(xué)虛擬現(xiàn)實實驗室主要研究如何從CAD/CAM數(shù)據(jù)庫中快速構(gòu)筑虛擬原型以及原型的行為功能建模。美國華盛頓大學(xué)在Pro/Engineer等CAD/CAM系統(tǒng)上開發(fā)了面向設(shè)計和制造的虛擬環(huán)境VEDAM，建立起包含整個車間機床模型的虛擬環(huán)境。美國波音飛機公司采用虛擬樣機技術(shù)在計算機上建立了波音的最終模型，整機開發(fā)、部件測試、整機裝配等虛擬開發(fā)活動以及在各種條件下的試飛都是在計算機中完成的，開發(fā)周期從過去的8年縮短到5年。
英國的Bath大學(xué)用OpenInventor2.0軟件工具開發(fā)出了基于自己的Svlis建模軟件的虛擬制造系統(tǒng)，為用戶提供具有機床、成套刀具、機器人等虛擬設(shè)備的3維虛擬車間環(huán)境。英國Herriot-Watt大學(xué)的虛擬制造研究組主要從事與虛擬裝配有關(guān)的一系列研究工作，為各種工業(yè)應(yīng)用提供虛擬現(xiàn)實工具，并提出基于虛擬現(xiàn)實的裝配規(guī)劃系統(tǒng)，并使用浸人式虛擬環(huán)境完成電纜套索的設(shè)計與定位。德國寶馬汽車公司為車門裝配設(shè)計的虛擬裝配系統(tǒng)能識別語音輸入完成相應(yīng)操作，并能對干涉碰撞發(fā)聲報警。
在日本，以大阪大學(xué)為中心的研究開發(fā)力量主要進行虛擬制造系統(tǒng)的建模和仿真技術(shù)研究，并開發(fā)出了虛擬工廠的構(gòu)造環(huán)境VirtualWorks。
4.2 國內(nèi)的研究與應(yīng)用
在我國，由于受三維建模技術(shù)、仿真技術(shù)等因素的約束，對虛擬制造的研究起步較晚，但近幾年發(fā)展迅速，一批科研院校和研究所紛紛加入到虛擬制造的研究隊伍中來。國內(nèi)最早的虛擬制造研究機構(gòu)之一的清華大學(xué)CIMS工程研究中心虛擬制造研究室在綜合目前國內(nèi)外關(guān)于虛擬制造的研究成果的基礎(chǔ)上，提出了一個虛擬制造體系結(jié)構(gòu)，即基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(
PDM)集成的虛擬制造、虛擬生產(chǎn)、虛擬企業(yè)框架結(jié)構(gòu)。并就某典型產(chǎn)品在進行虛擬設(shè)計、仿真優(yōu)化、虛擬裝配及可加工性分析的基礎(chǔ)上開發(fā)研制了虛擬加工軟件系統(tǒng)VME。北京機械科學(xué)研究總院初步實現(xiàn)了立體停車庫的虛擬現(xiàn)實下的參數(shù)化設(shè)計，可以直觀地進行車庫的布局、設(shè)計、分析和運動模擬。上海交通大學(xué)等科研機構(gòu)也在從事虛擬制造方面的研究。但總體來說，國內(nèi)關(guān)于虛擬制造方面的研究還處在初期階段，且多集中于高等院校和少量的研究院所，企業(yè)和公司介人較少。