数字化虚拟制造在制造业的应用

作者：吴雄光 杨亮 何忆斌 阎博文

欢迎访问e展厅 展厅 8 CAD硬件/先进制造技术展厅 图形工作站, 绘图仪/大幅面打印机, 3D控制器/3D鼠标, ... 摘要：数字化虚拟制造技术是用三维的动态仿真模型模拟产品设计、制造、仿真、优化、测试、工艺、分析等相关过程。概括简介了虚拟制造技术及其在产品制造和数字化工厂两个方面的应用。 关键词：虚拟制造；制造业；数字化工厂 1 虚拟制造VM 虚拟制造是指利用信息技术，三维仿真技术，计算机技术对制造知识进行系统化组织与分析，对整个制造过程建模，在计算机上进行设计评估和制造活动仿真，强调用虚拟制造模型描述制造全过程，在实际的物理制造之前就具有了对产品性能及其可制造性的预测能力。 虚拟制造技术涉及面很广，如环境构成技术、过程特征抽取、元模型、集成基础结构的体系结构、制造特征数据集成、多学科交叉功能、决策支持工具、接口技术、虚拟现实技术、建模与仿真技术等。其中后3项是虚拟制造的核心技术。 1.1 建模技术 虚拟制造系统VMS是现实制造系统RMS在虚拟环境下的映射，是RMS的模型化、形式化和计算机化的抽象描述和表示。VMS的建模包括生产模型、产品模型和工艺模型。 (1)生产模型。可归纳为静态描述和动态描述两个方面。静态描述是指系统生产能力和生产特性的描述。动态描述是指在已知系统状态和需求特性的基础上预测产品生产的全过程。 (2)产品模型。产品模型是制造过程中，各类实体对象模型的集合。目前产品模型描述的信息有产品结构、产品形状特征等静态信息。而对VMS来说，要使产品实施过程中的全部活动集成，就必须具有完备的产品模型，所以虚拟制造下的产品模型不再是单一的静态特征模型，它能通过映射、抽象等方法提取产品实施中各活动所需的模型，包括三维动态模型，干涉检查，应力分析等。 (3)工艺模型。将工艺参数与影响制造功能的产品设计属性联系起来，以反应生产模型与产品模型之间的交互作用。工艺模型必须具备以下功能：计算机工艺仿真、制造数据表、制造规划、统计模型以及物理和数学模型。 1.2 仿真技术 仿真就是应用计算机对复杂的现实系统经过抽象和简化形成系统模型，然后在分析的基础上运行此模型，从而得到系统一系列的统计性能。由于仿真是以系统模型为对象的研究方法，不会干扰实际生产系统，同时利用计算机的快速运算能力，仿真可以用很短时间模拟实际生产中需要很长时间的生产周期，因而可以缩短决策时间，避免资金、人力和时间的浪费，并可重复仿真，优化实施方案。 仿真的基本步骤为：研究系统一收集数据、建立系统模型一确定仿真算法、建立仿真模型、运行仿真模型*输出结果并分析。 产品制造过程仿真，可归纳为制造系统仿真和加工过程仿真。虚拟制造系统中的产品开发涉及到产品建模仿真、设计过程规划仿真、设计思维过程和设计交互行为仿真等，以便对设计结果进行评价，实现设计过程早期反馈，减少或避免产品设计错误。 加工过程仿真，包括切削过程仿真、装配过程仿真、检验过程仿真以及焊接、压力加工、铸造仿真等。 1.3 虚拟现实技术VRT 虚拟现实技术是综合利用计算机图形系统、各种显示和控制等接口设备，在计算机上生成可交互的三维环境(称为虚拟环境)中提供沉浸感觉的技术。虚拟现实系统包括操作者、机器和人机接口3个基本要素。利用VRS可以对真实世界进行动态模拟，通过用户的交互输人，并及时按输出修改虚拟环境，使人产生身临其境的沉浸感觉。虚拟现实技术是VM的关键技术之一。 2 数字化虚拟制造在制造业中应用 数字化虚拟制造技术首先在飞机、汽车等工业领域获得了成功的应用。目前，虚拟制造技术的应用主要在以下几个方面。 2.1 虚拟产品制造 应用计算机仿真技术，对零件的加工方法、工序顺序、工装的选用、工艺参数的选用，加工工艺性、装配工艺性、配合件之间的配合性、连接件之间的连接性、运动构件的运动性等均可建模仿真。建立数字化虚拟样机是一种崭新的设计模式和管理体系。 虚拟样机是基于三维CAD的产物。三维CAD系统是造型工具，能支持“自顶向下”和“自底向上”等设计方法，完成结构分析、装配仿真及运动仿真等复杂设计过程，使设计更加符合实际设计过程。三维造型系统能方便地与CAE系统集成，进行仿真分析；能提供数控加工所需的信息，如NC代码，实现CAD/CAE/CAPP/CAM的集成。一个完整的虚拟样机应包含如下的内容： (1)零部件的三维CAD模型及各级装配体，三维模型应参数化、适合于变形设计和部件模块化； (2)与三维CAD模型相关联的二维工程图； (3)三维装配体适合运动结构分析、有限元分析、优化设计分析； (4)形成基于三维CAD的PDM结构体系； (5)从虚拟样机制作过程中摸索出定制产品的开发模式及所遵循的规律； (6)三维整机的检测与试验。 以CAD/CAM软件为设计平台，建立全参数化三维实体模型。在此基础上，对关键零、件进行有限元分析以及对整机或部件的运动模拟。通过数字化虚拟样机的建立、实施，帮助企业建立起一套基于三维CAD的产品开发体系，实现设计模式的转变，加快产品推向市场的周期。 2.2 虚拟企业 虚拟企业是目前国际上一种先进的产品制造方式，采用的是“两头在内，中间在外”哑铃型生产经营模式，即产品研究、开发、设计和组装、调试、销售两头在公司内部进行，而中间的机械加工部分则通过外协、外购方式进行。 虚拟企业的特征是：企业地域分散化。虚拟企业从用户订货、产品设计、零部件制造，以及总成装配、销售、经营管理都可以分别由处在不同地域的企业，按契约互惠互利联作，进行异地设计、异地制造、异地经营管理。因为虚拟企业是动态联盟形式，突破了企业的有形界限，利用外部资源加速实现企业的市场目标。企业信息共享化是构成虚拟企业的基本条件之一，企业伙伴之间通过互联网及时沟通信息，包括产品设计、制造、销售、管理等信息，这些信息是以数据形式表示，能够分布到不同的计算机环境中，以实现信息资源共享，保证虚拟企业各部门步调高度协调，在市场波动条件下，确保企业最大整体利益。 虚拟企业的主要基础是：建立在先进制造技术基础上的企业柔性化；在计算机上制造数字化产品，从概念设计到最终实现产品整个过程的虚拟制造；计算机网络技术。这3项内容是构成虚拟企业不可缺少的必要条件。 3 结论 虚拟制造技术有巨大的应用潜力。基于产品的数字化模型，实现了从产品的设计、加工、制造到检‘验全过程的动态模拟。虚拟制造的关键技术是对产品与制造过程的拟实仿真。目前软件的开发是虚拟制造的重要研究内容。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/6/2006)