虛擬制造定義及內涵
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一、概述
自70年代以來，世界市場由過去傳統(tǒng)的相對穩(wěn)定逐步演變成動態(tài)多變的特征，由過去的局部競爭演變成全球范圍內的競爭；同行業(yè)之間、跨行業(yè)之間的相互滲透、相互競爭日益激。為了適應變化迅速的市場需求，為了提高競爭力，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(T—Time to Market)，最好的質量(Q--Quality)，最低的成本(C--Cost)，最優(yōu)的服務(S--Service)來滿足不同顧客的需求。
與此同時，信息技術取得了迅速發(fā)展，特別是計算機技術、計算機網(wǎng)絡技術、信息處理技術等取得了人們意想不到進步。二十多年來的實踐證明，將信息技術應用于制造業(yè)，進行傳統(tǒng)制造業(yè)的改造，是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的必由之路。80年代初，先進制造技術以信息集成為核心的計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS，Computer Integrated Manufacturing System)開始得到實施；80年代末，以過程集成為核心的并行工程(CE，Cocurrent Engineering)技術進一步提高了制造水平；進入90年代，先進制造技術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。
在這些諸多新概念中，“虛擬制造”引起了人們的廣泛關注，不僅在科技界，而且在企業(yè)界，成為研究的熱點之一。原因在于，盡管虛擬制造的出現(xiàn)只有短短的幾年時間，但它對制造業(yè)的革命性的影響卻很快地顯示了出來。典型的例子有波音777，其整機設計、部件測試、整機裝配以及各種環(huán)境下的試飛均是在計算機上完成的，使其開發(fā)周期從過去8年時間縮短到5年。又如Perot System Team利用Dench Robotics開發(fā)的QUEST及IGRIP設計與實施一條生產(chǎn)線，在所有設備訂貨之前，對生產(chǎn)線的運動學、動力學、加工能力等各方面進行了分析與比較，使生產(chǎn)線的實施周期從傳統(tǒng)的24個月縮短到9.5月。Chrycler公司與IBM合作開發(fā)的虛擬制造環(huán)境用于其新型車的研制，在樣車生產(chǎn)之前，發(fā)現(xiàn)其定位系統(tǒng)的控制及其他許多設計缺陷，縮短了研制周期。
因此，近幾年，工業(yè)發(fā)達國家均著力于虛擬制造的研究與應用。在美國，NIST(National Institute of Standards and Technology)正在建立虛擬制造環(huán)境(稱之為國家先進制造測試床National Advanced Manufacturing Test bed,NAMT)，波音公司與麥道公司聯(lián)手建立了MDA(Mechanical Design Automation)，在德國，Darmstatt技術大學Fraunhofer計算機圖形研究所，加拿大的Waterloo大學，比利時的虛擬現(xiàn)實協(xié)會等均先后成立了研究機構，開展虛擬制造技術的研究。
由于“虛擬制造”概念出現(xiàn)才幾年時間，目前還缺乏從產(chǎn)品生產(chǎn)全過程的高度開展虛擬制造技術的系統(tǒng)研究。例如，虛擬制造的內涵是什么？它包涵哪些關鍵技術？如何建立集產(chǎn)品研究、設計、工藝、制造、標準、資源共享、技術共享、信息傳遞、市場需求、系統(tǒng)控制于一體的虛擬制造環(huán)境？這些仍然是世界各國研究人員正在研究和探討的問題。本文就“虛擬制造”的內涵。涉及到關鍵技術進行探討，并提出支持產(chǎn)品生產(chǎn)全過程的虛擬制造平臺的框架及體系結構。
二、虛擬制造的定義
如前所述，“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(chǎn)品的功能及可制造性的潛在問題進行預測。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(chǎn)決策與控制。該定義著眼于手段。
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。”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。
綜合目前國際上有代表性的文獻，本文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(xiàn)，即采用計算機仿真與虛擬現(xiàn)實技術，在計算機上群組協(xié)同工作，實現(xiàn)產(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)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(jīng)驗的狹小天地，發(fā)展到了全方位預報的新階段。圖1簡要表示了虛擬制造與實際制造的聯(lián)系與區(qū)別。
與實際制造相比較，虛擬制造的主要特點是：
(1)產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(jù)用戶需求或市場變化快速改變設計，快速投入批量生產(chǎn)，從而能大幅度壓縮新產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品開發(fā)以快捷、優(yōu)質、低耗響應市場變化。
三、虛擬制造的內涵
如果將實際制造系統(tǒng)(RMS，RealManufacturingSystem)抽象成由實際物理系統(tǒng)(RPS)、實際信息系統(tǒng)(RIS)，實際控制系統(tǒng)(RCS)組成的，可以簡單標識為：
RMS=｛RPS，RIS，RCS｝RPS包括所有的制造物理實體，例如材料，機床，機器人，夾具，控制器等；RIS包括信息處理和決策，如調度、計劃、設計。RIS通過RCS與RPS交換信息。
那么，我們可以將實際制造系統(tǒng)映射于基到虛擬制造技術的虛擬制造系統(tǒng)，虛擬制造系統(tǒng)可以表示為：VMS=｛VPS，VIS，VCS｝，其中VPS是虛擬物理系統(tǒng)，VIS為虛擬信息系統(tǒng)，VCS是虛擬控制系統(tǒng)。
按照與生產(chǎn)各個階段的關系，有些文獻將虛擬制造分成三類，即以設計為核心的虛擬制造(DesignCenteredVM)、以生產(chǎn)為核心的虛擬制造(ProductionCenteredVM)和以控制為中心的虛擬制造(ControlCenteredVM)。這三類虛擬制造的關系可以用圖2描述。
以設計為核心的虛擬制造把制造信息引入到整個的設計過程，利用仿真來優(yōu)化產(chǎn)品設計，例如DFX技術，通過“在計算機上制造”產(chǎn)生許多“軟”樣機；以生產(chǎn)為核心的虛擬制造是在生產(chǎn)過程模型中加入仿真技術，以此來評估和優(yōu)選生產(chǎn)過程，例如組織與重組織技術；以控制為中心的虛擬制造是將仿真加到控制模型和實際處理中，可“無縫”地仿真使得實際生產(chǎn)優(yōu)化。
虛擬制造從根本上講就是要利用計算機生產(chǎn)出“虛擬產(chǎn)品”，我們不難看出，虛擬制造技術是一個跨學科的綜合性技術，它涉及到仿真、可視化、虛擬現(xiàn)實、數(shù)據(jù)繼承、優(yōu)化等領域。然而，目前還缺乏從產(chǎn)品生產(chǎn)全過程的高度開展對虛擬制造的系統(tǒng)研究。這表現(xiàn)在：
●虛擬制造的基礎是產(chǎn)品、工藝規(guī)劃及生產(chǎn)系統(tǒng)的信息模型。盡管國際標準化組織花了很大精力去開發(fā)產(chǎn)品信息模型，但CAD開發(fā)者尚未采用它們；盡管工藝規(guī)劃模型的研究已獲得了一些進展和應用，但仍然沒有一種綜合的，可以集成于虛擬制造平臺的工藝規(guī)劃模型；生產(chǎn)系統(tǒng)能力和性能模型，以及其動態(tài)模型的研究和開發(fā)需要進一步加強；
●現(xiàn)有的可制造性評價方法主要是針對零部件制造過程，因而面向產(chǎn)品生產(chǎn)過程的可制造性評價方法需要研究開發(fā)，包括各工藝步驟的處理時間，生產(chǎn)成本和質量的估計等；
●制造系統(tǒng)的布局，
生產(chǎn)計劃和調度是一個非常復雜的任務，它需要豐富的經(jīng)驗知識，支持生產(chǎn)系統(tǒng)的計劃和調度規(guī)劃的虛擬生產(chǎn)平臺需要拓展和加強；
●分布式環(huán)境，特別是適應敏捷制造的公司合作，信息共享，信息安全性等方法和技術需要研究和開發(fā)，同時經(jīng)營管理過程重構方法的研究也需加強；
●虛擬制造環(huán)境缺乏統(tǒng)一的集成框架和體系。