虚拟制造技术及其应用综述

作者：刘美珍 刘剑雄 刘伟达

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, ... 引言 随着经济的全球化和社会的信息化，市场竞争日益激烈。制造企业为了在竞争中求得生存与发展，必须解决TQCS难题，即以最快的上市速度T、最好的质量Q、最低的成本C和最优的服务S，满足不同顾客的需求。面对不可预测、持续发展、快速多变的市场需求，企业的生产活动必须具有高度的柔性，对市场需求的变化做出快速反应。与此同时，信息技术取得了迅速发展，特别是计算机技术、计算机网络技术、信息技术等取得了人们意想不到的进步。80年代初，先进制造技术以信息集成为核心的计算机集成制造系统(CIMS)开始得到实施;80年代后期提出了虚拟制造技术(VMT)，90年代得到极大重视并得到迅速发展。 1 虚拟制造技术定义 现在对虚拟制造(Virtual Manufacturing,简称VM)的定义多种多样，美国佛罗里达大学Gloria J.Wiens等人对虚拟制造的定义侧重于虚拟制造与实际制造过程的相似性，认为虚拟制造与实际制造一样，只不过是在计算机上执行制造的全过程，其中虚拟模型是在实际制造之前，用于对产品的功能及可制造的潜在问题进行预测;而美国空军Wright实验室和马里兰大学Edward Lin的定义则侧重于虚拟制造的仿真、建模与分析技术和工具的综合应用，以增强各层的制造设计能力及生产决策与控制能力。综合以上定义，不难看到，目前，对虚拟制造技术的研究正处于不断的深入、细化之中，因此对其的定义也是在不断的完善。 当前一般的定义是:虚拟制造是实际制造过程在计算机上的映射，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在高性能计算机及高速网络的支持下，在计算机上群组协同工作，实现产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强制造过程各级的决策与控制能力。由此可见，虚拟制造通过计算机虚拟制造环境来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题，从而提高了人们的预测和决策水平，它为工程师们提供了从产品概论的形成、设计到制造全过程的三维可视及交互的环境，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。 虚拟制造以信息技术、仿真技术、虚拟现实技术为基础，借助于虚拟环境中获取的各种信息，在产品设计或制造系统的建造实现之前，就能使人体验到未来产品装配的性能或者装配系统的状态，从而可以做出预见性的决策与优化实施方案。它集成和综合了可运行制造的环境:包括各种分析工具、仿真工具、应用工具、控制工具、信息模型、设备、组织协同工作的方法等，用来改善从装配产品的概念设计到动态仿真到回收利用的各个阶段。 2 虚拟制造技术的研究内容 虚拟制造技术的研究内容是极为广泛的，除了虚拟现实技术涉及的共同性技术外，虚拟制造领域本身的主要研究内容有:虚拟制造的理论体系;设计信息和生产过程的三维可视化;虚拟环境下系统全局最优决策理论和技术;虚拟制造系统的开放式体系结构;虚拟产品的装配仿真;虚拟环境中及虚拟制造过程中的人机协同作业等。一般来说，虚拟制造的研究都与特定的应用环境和对象相联系，由于应用的不同要求而存在不同的侧重点，因此出现了三种流派，即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。 3 虚拟制造的相关技术和支持 虚拟制造系统是各制造功能的虚拟集成，其关键技术主要包括:虚拟环境下的产品主模型技术:主模型是一个核心，能以此为中心通向设计、制造和生产管理等各个环节并为其提供服务。主模型具有统一的数据结构和分布式数据管理系统，它是一个可视化的数字产品模型，具有所代表的对象所具有的各种性能和特征，并能并行地处理设计分析、加工制造、生产组织与调度等各种生产环节所面临的诸多问题。 综合可视化技术:主要包括计算机可视化技术、虚拟现实技术、多媒体技术和仿真技术。 现实制造系统与虚拟制造系统之间的映射，虚拟设备、虚拟传感器、虚拟单元、虚拟生产线、虚拟车间、和虚拟工厂的建立，以及各种虚拟设备的重用性和重组性技术。 虚拟制造系统集成开发平台的体系结构、构件库及用户开发环境。 虚拟环境下分布式并行处理的分布式智能协同求解模型。 虚拟公司的组织、调度及控制策略与技术。 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。 基本环境:增强可视化和其它虚拟制造功能的集成系统平台。 信息描述:表达各种信息，包括数据、知识和模型的统一的方法、语义、语法。 中介模型:构造、定义、开发对过程易于中断介入的模型。 基层集成组织结构:硬件与软件的基层组织结构。仿真模型:在计算机系统中设计的真实系统模型。应用方法:产品多样性与过程动态性的共同特征的抽象提取。 制造特征:各种材料在虚拟制造环境中的变化过程。虚拟制造系统评价:可制造性、工艺性、可靠性、经济性、质量、工期等等。 4 虚拟制造技术在制造业中的应用 虚拟制造技术在制造业中的应用:首先在军事、航空航天、汽车领域中获得成功的应用。例如波音飞机公司777飞机的设计，就是采用虚拟制造技术的典型范例，开发周期从通常的8年减少到5年，设计、装机、测试均在计算机中完成模拟，保证一次试制成功。虚拟制造在汽车领域的应用涉及到汽车的整个生命周期,它可以在汽车生产设备、工装和模具，甚至校车的设计之前，很容易地生产系统和工艺过程进行建模、修改、分析及优化。通用电动机车部(General Motors Electro Motive Division，EMD)1997年，利用UGII软件，建成了第一个完全数字化的机车样机模型，并围绕这个数字模型并行地进行产品设计、分析、制造、夹模具工装设计和可维修性设计。日本日产汽车公司1998年与SDRC公司签定总额超过1亿美元的特大合同，购买软件、服务与实施，主要用于面向21世纪的新车型—数字样车的开发。日产汽车公司计划在贯穿汽车生产的全过程中，利用概念设计支持工具、包装设计软件、覆盖件设计、整车仿真分析、数字样机及物理样机的生产等。欧洲空中客车一改过去传统的产品研制及开发方法，采用虚拟制造及仿真技术，把空中客车试制周期从4年缩短为2.5年，不仅提前投放市场，而且显著降低了研制费用及生产成本，大大增强了全球竞争能力。虚拟制造技术应用得比较成熟的有:产品的外形设计:采用虚拟现实技术的外形设计,可以进行复杂的造型设计，并对其参数可随时修改、评测。它可以直接用于装配、仿真和加工。 产品的布局设计:在复杂产品的布局设计中，通过虚拟现实技术可以直观地进行设计，避免可能出现的干涉和其它不合理问题。 产品的运动和动力学仿真:产品设计必须解决运动构件工作时的运动协调关系，运动范围设计，可能的运动干涉检查，产品动力学性能、强度、刚度等。 热加工工艺模拟:利用数值模拟和物理模拟方法,对金属材料热成形过程和材料成形过程进行动态仿真,预测不同条件下成形的材料的组织、性能及质量，进而实现热成形件的质量与性能的优化设计。 加工过程仿真:产品设计的合理性、可加工性、加工方法，机床和工艺参数的选用，以及加工过程中可能出现的加工缺陷等，这些问题需要经过仿真、分析与处理。 产品装配仿真:机械产品的配合性和可装配性是设计人员常易出现错误的地方，以往要到产品装配的时候才能发现，但采用虚拟制造技术可以在设计阶段就对产品进行装配，发现装配问题可进行修改，确保设计的准确。 虚拟样机与产品工作性能评测:在虚拟制造中可以模拟出产品的使用情况，对存在问题的地方进行修改,提高产品一次试验成功率。 企业生产过程的仿真与优化:产品生产过程的合理制定、工厂人力资源、制造资源的合理配置，对缩短生产周期和降低成本有更大影响。 产品的广告与漫游:用虚拟现实或三维动画技术制作的产品广告具有逼真的效果，不仅可显示产品的外形，还可显示产品的内部结构、装配和维修过程、使用方法、工作过程、工作性能等，尤其是利用网络进行的产品介绍，生动、直观，广告效果很好。网上漫游技术使人们能在城市、工厂、车间、机器内部乃至图样和零部件之间进行漫游，直观方便地获取信息。 5 虚拟制造在我国的研究及应用情况 2005年3月份，上海理工大学宣布成立虚拟制造技术研究院。这是继清华大学CIMS工程研究中心虚拟制造研究室在国内最早开展虚拟制造研究以来又一个成立的进行虚拟制造技术研究的机构。近几年来，虚拟制造技术也引起我国科技工作者的关注，据不完全统计，目前全国已有三十多家科研机构、高等院校和企业正在开展VM技术方面的研究。国家863/CIMS主题组也将“制造系统的可视化、虚拟建模与仿真”确定为研究重点。国家自然科学基金也有专门的研究课题。国内以清华大学、上海交大为主的高等院校正在开展基础技术研究，正处于理论体系初步研究阶段。国内的研究主要集中在四个方面: (1)虚拟制造基础研究。虚拟制造涉及的技术领域极其广泛，从产品建模、过程建模、可交换数据模型到分布式仿真、离散事件仿真、面向对象方法、人工智能、虚拟现实及计算机网络技术等等。这些技术构成了虚拟制造的技术基础。清华大学CIMS中心提出了支持虚拟制造的产品元建模方法，为产品生命周期的各阶段分析与评价提供了可供操作的模型支持。 (2)产品虚拟设计技术。主要包括虚拟产品开发平台、虚拟测试、虚拟装配以及机床、模具的虚拟设计实现等。其中清华大学在国家863/CIMS主题重大关键技术攻关项目的支持下，开展了剑杆织机的虚拟产品开发,进行了剑杆织机的三维数字建模及产品性能分析、加工过程仿真、虚拟装配技术等技术的研究与应用，并建立了具有相当共性的支持创新设计的虚拟产品开发环境。 (3)产品虚拟加工技术。主要包括材料热加工工艺模拟、加工过程仿真、板材成型模拟、模具制造仿真等。清华大学国家CIMS中心开发的加工过程仿真系统作为863/CIMS目标产品已在多个企业得到成功的应用;沈阳铸造研究所开发的电渣熔铸工艺模拟软件包ESRD 3D已经应用于水轮发电机变曲面过流部件生产中,其产品在刘家峡、李家峡、天生桥、太平役等7个电站中使用;合肥工业大学研制的双刀架数控车床加工过程模拟软件已经在马鞍山钢铁股份有限公司车轮轮箍厂应用，使数控程序现场调试时间由几个班缩短到几小时,并保证一次试切成功;北京机床研究所、机械科学研究院、东北大学、上海交大和长沙铁道学院等单位也研制出一些这方面的仿真软件。 (4)虚拟制造系统。主要包括虚拟制造技术的体系结构、技术支持、开发策略等。其中提出了比较成熟的思想并可能实现的是由上海同济大学张曙教授提出的分散网络化生产系统和西安交通大学谢友柏院士组建的异地网络化研究中心。清华大学CIMS工程中心提出了基于产品数据管理(PDM)集成的虚拟制造体系结构。 6 结论 虚拟制造是虚拟现实技术和计算机仿真技术在制造领域的综合发展及应用。它是产品在计算机中的虚拟实现，而且不消耗现实的资源和能量，但却能实际反映产品的有关情况。它为制造业带来全新的概念，随着虚拟制造技术的不断发展及在企业中广泛的应用，必将极大地提高企业的研发创新能力。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (11/2/2006)