虚拟制造及其关键技术

作者：西安交通大学 曹岩 王宏 袁清珂 赵汝嘉

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, ... 一、产生的背景 市场全球化使企业面临的竞争对手不断增多，面临的竞争压力日益加重，随着产品更新换代速度的加快，交货时间和产品质量较之于成本成为企业参与市场竞争更为重要的手段。与此同时，由于社会、经济和科学技术的发展而引起的对环境和社会因素的日益关注，导致了产品生命周期概念和可持 续性工业生产的出现。面对制造环境的复杂性、制造产品的复杂性以及制造本身的复杂性(包括制造系统结构的复杂性和制造过程的复杂性)[1]的不断提高，企业能否在瞬息万变的市场竞争中立于不败之地，取决于企业的整体竞争能力，即取决于其能否通过信息集成、智能集成、资源集成、技术集成、过程集成、串并行工作机制集成、组织管理集成以及人机集成实现分布式协同求解，从而使企业的运作达到全局最优，资源得到合理的配置和利用，提高市场竞争力。虚拟制造使企业的全面集成成为可能，从而作为一种21世纪的新型制造策略和方法正越来越受到工业界和学术界的重视。 二、虚拟制造的概念和功能 1．虚拟制造的概念 由于虚拟制造研究的出发点、侧重点以及应用场合等方面的不同，因此存在对虚拟制造各种不同的定义。 Kimura[2]、Onosato[3]等将虚拟制造定义为现实制造系统在虚拟环境下的映射，是针对现实制造环境的虚拟模型，该模型为生产规划、调度和管理提供测试环境。 ChetanShukla[4]等将虚拟制造定义为一个正在发展中的研究领域，其目的是通过虚拟 现实技术将各种与制造有关的技术集成起来。Hitchcock等则将其定义为一个用于提高制造企业内各级决策和控制能力的集成的、虚拟的制造环境。而 Nahavandi和Preece对虚拟制造定义则与为Kimura的定义有些相似，将其定义为已经存在或还不存在的制造系统的仿真模型，该模型具有与制造 过程、过程控制和管理以及产品有关的所有信息。Lin[5，6]等认为虚拟制造是应用计算机模型和制造过程仿真来辅助产品的设计和制造。Iwata[7]等认为虚拟制造系统是实现沟通制造工程和信息基础结构建立新型信息基础结构最有希望的方法。K．I．Lee和S．D．Noh[8]则认为虚拟制造系统是表示现实制造系统物理和逻辑结构和特性的一种集成计算机模型。 基于对当前虚拟制造研究的归纳总结和对虚拟制造的研究，我们认为对虚拟制造的定义应该分为3个层次： (1)虚拟制造作为一种哲理、一种制造策略，为制造业的发展指明了方向，在制造企业组织管理、产品开发过程、资源、工作机制等诸方面集成基础之上，使其成为一个有机整体，以达到提高整体的运作及全局最优决策的效能和市场竞争力的目的。 (2)同时，虚拟制造作为一种现代制造环境下的制造理论和方法论，为整个制造企业的产品开发过程提供一种实施虚拟制造的方法，为实现企业的全面集成提供指导原则、实施方法和途径。 (3)最后，虚拟制造是一种在计算机技术支持下的集成的、虚拟的制造环境。下面本文将对这种集成的、虚拟的制造环境的功能进行详细讨论，其集成结构如图1所示。 2．虚拟制造的功能要求 (1)通过虚拟制造系统实现制造企业产品开发过程的集成和制造企业的全面集成根据制造企业策略，基于虚拟制造系统，在信息集成和功能集成的基础上，实现产品开发过程的集成。通过对整个产品开发过程的建模、管理、控制和协调，对企业资源、技术、人员进行合理组织和配置，面向产品的整个生命周期，实现制造企业策略与企业经营、工程设计和生产活动的集成(纵向集成)以及在产品开发的各个阶段分布式并行处理虚拟环境下多学科小组的协同工作(横向集成)，快速适应市场和用户需求的变化，以最快的速度向市场和用户提供优质低价产品。 (2)实现了虚拟产品设计／虚拟制造仿真闭环产品开发模式各种建模、仿真和分析技术和工具的大量使用，实现了虚拟产品设计／虚拟制造仿真闭环产品开发模式。虚拟制造系统能够在产品开发的各个阶段，根据用户对产品的要求，对虚拟产品原型的结构、功能、性能、加工、装配、制造过程以及生产过程在虚拟环境下进行仿真，并根据产品评价体系提供的方法、规范和指标，为设计修改和优化提供指导和依据。由于以上开发过程都是在虚拟环境下针对虚拟产品原型进行的。所以大大缩短了开发时间，节约了研制经费，并且能够在产品开发的早期阶段发现可能存在的问题，使其在成为事实之前予以解决；又由于开发进程的加快，使设计——评价——修改从多次串行工作模式下的小的局部循环过渡到基于并行工作模式的整体大循环成为可能，并且能够实现对多个解决方案的比较和选择。 (3)通过多层次、分阶段、多目标的决策支持，提高产品开发过程中的决策和控制能力通过虚拟制造系统在人与系统之间、人工智能与非人工智能技术与工具之间、设计人员之间、现实世界与虚拟的计算机制造环境之间、不同的产品开发过程之间、不同的知识来源之间等建立起了连接的纽带。在分布式并行处理环境下，在对产品开发过程多层次、分阶段、多目标的智能决策支持下，通过任务规划、调度、分配和协调，在评价系统支持下，在产品开发的不同阶段，根据不同的评价体系指标及规范，实现对产品、生产制造过程在时间、质量、成本等多个目标的评价，通过协同决策，提高企业的决策和控制能力，从而实现提高运行效率以达到全局寻优的目标。这包括： (1)根据市场需求以及企业资源状况和技术条件等，进行经营决策，确定产品类型和规模，对可能取得的效益和可能遇到的风险进行评估； (2)在虚拟环境下，基于分布式并行处理技术，在对产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)进行并行地、集成地设计开发过程中，支持产品开发人员对产品方案设计、结构设计、详细设计以及工艺设计及组织生产等进行协同决策； (3)根据企业资源情况、产品类型和规模，制定生产规划，控制和协调生产活动，合理配置和利用企业的人、财、物资源。 (4)通过虚拟制造系统与现实制造系统的集成，提高企业自我调节、自我完善、自我改造和自我发展的能力基于企业建模的虚拟制造系统，通过信息集成、组织管理集成、智能集成、资源集成、技术集成、串并行工作机制集成、过程集成以及人机集成等，实现企业的全面集成，为使其能够根据复杂多变的竞争环境，监控现实制造系统的运行，不断调整组 织结构，优化运营过程，合理配置人、财、物力资源，革新技术和提高人员素质等提供了一种系统的方法和途径，使企业的自我调节、自我完善、自我改造和自我发展的能力大为提高。 (5)提供一种具有制造语义的制造信息基础结构虚拟制造系统能够在制造系统和信息基础结构之间起到桥梁作用，为整个企业的制造活动提供一个具有制造语义的制造信息基础结构，协调和加快制造活动之间各种制造信息的交换。 三、研究现状和关键技术 虚拟制造是近几年来国际上提出的，完整的理论体系还没有形成，其研究处于探索阶段。虽然某些基础单元技术已有了较深入的研究，但即使在欧美日等工业发达国家，目前也主要是分析虚拟环境下基础单元技术的要求，对其进行理论上的研究。美国自然科学基金(NSF)、美国国家标准和技术研究所(NIST)和美国国防部高级研究计划署(ARPA)资助和支持下的几所大学和企业联合研究中心正在进行虚拟制造各个领域关键技术和系统开发方面的研究。日本东京大学和大阪大学的研究人员自1993年起也在CIRP上发表论文，论述虚拟环境下产品建模的需求及其关键技术、虚拟制造系统体系结构等 方面的研究成果。 虚拟制造对于很多工业部门来说，仍处于酝酿阶段[9]，对于大多数企业还仅仅只有单元技术，目前已真正在开始从事虚拟制造的企业有波音的777部等。 我国在虚拟制造领域方面的研究基本上处于刚刚起步阶段。为适应制造技术今后的发展趋势，有必要对其进行深入研究，使我国的制造技术上一个新台阶，达到国际先进水平，并为我国制造业的发展提供一条新途径。其关键技术的研究分为以下4个层 次[10]： 1．虚拟制造哲理的研究 虚拟制造哲理的研究为制造企业实现从精良制造向敏捷制造的转变提供指导思想。在信息集成的基础上，通过组织管理、技术、资源和人机集成实现产品开发过程的集成。在整个产品开发过程中，在基于虚拟现实、科学计算可视化、多媒体等技术的虚拟使用环境、虚拟性能测试环境以及虚拟制造环境等虚拟环境下，在各种人工智能技术和方法的支持下，通过集成地应用各种建模、仿真和分析技术和工具，实现集成的、并行的产品和过程开发以及对产品设计、制造过程以及生产规划、调度和管理的测试，利用分布式协同求解，以提高制造企业内各级决策和控制能力，使企业能够实现自我调节、自我完善、自我改造和自我发展，以达到提高整体的运作效能、实现全局最优决策和提高市场竞争力的目的。 2．虚拟制造技术层 虚拟制造技术的研究为虚拟制造的实施和虚拟制造系统的建立提供理论和技术上的支持。它由3大主体技术群(建模技术群、仿真技术群、控制技术群)和一个支撑技术群(为3大主体技术群的实施提供支持)组成。 (1)建模技术群建模技术群是指用来开发虚拟制造系统中各种模型的所有技术与方法。主要包括①产品、过程及生产系统建模技术：虚拟环境下的产品模型除了要表达产品的几何／拓扑、特征、产品所具有的功能和特性等信息外，还应具有动态结构，以反映在不同开发阶段产品结构、功能等方面的变化；此外，还应能够通过调度、管理、控制和决策机制 为设计分析、加工制造、生产规划与调度等各个环节提供信息，实现对其能够进行多用户(智能主体)并行演进。通过在虚拟环境下，产品设计／制造／生产过程集成化方面的研究，综合利用虚拟产品、制造过程以及生产系统等各种模型，对整个产品开发、制造和生产过程进行仿真；②虚拟公司建模技术；②虚拟制造环境与现实制造环境之间结构、功能等映射关系的管理、维护、监控和更新问题；④基于分布式并行处理环境下的虚拟制造开放式体系结构的研究；⑤面向整个产品生命周期综合经济模型和产品评价体系：为产品研制开发过程中的经营决策、生产决策、产品设计／制造过程决策以及效益和风险评价等各个方面的评价提供方法、规范和指标等。 (2)仿真技术群仿真技术群是指运行和操作构成虚拟制造系统的各种模型的所有方法和技术。分布式交互仿真技术和虚拟现实技术在仿真中的应用是虚拟制造对仿真提出的新要求。 (3)控制技术群控制技术群是指建模过程、仿真过程所用到的各种管理、组织与控制技术与方法。①模型部件的组织、调度策略及交换技术；②仿真过程的工作流程与信息流程控制；②虚拟制造方法论；④概念设计与制造方法、加工过程、成本估计集成技术；⑤集成动态的、分布式的、协作模型的集成技术；⑥实现最佳设计的冲突求解技术；⑦基于仿真的推理技术；⑧模型及仿真结果的验证、确认技术；⑨虚拟制造环境下，产品开发过程中的调度与控制机制的研究，以及面向产品开发过程的组织与管理等问题的研究等。 (4)支撑技术群支撑技术群是指支持虚拟制造系统开发、控制与运行的基础性技术。主要包括：①数据库技术；②人工智能在制造企业各级组织、产品生命周期的各个阶段决策中应用的研究；②系统集成技术；④虚拟环境下分布式并行处理多智能主体协同求解技术与系统的研究，以及全局最优决策理论和技术的研究；⑤综合可视化技术(虚拟现实技 术、科学可视化技术、计算机仿真和多媒体技术)在虚拟制造环境构造中的应用；⑥计算机软硬件技术以及通讯技术等。 3.虚拟制造原型系统层 在虚拟制造哲理和技术研究的基础上，虚拟制造原型系统的研究和开发可以从以下3个方面进行。 （1）从产品整个生命周期的各个阶段出发，建立面向经营决策、产品决策、设计、制造，一直到产品的回收和再利用等各个阶段或整个生命周期的原型系统。 （2）从制造企业的各个组成要素出发，面向技术、组织、管理、人员等各方面建立原型系统。 （3）根据原型系统规模的不同，可划分为单元级、过程级、企业级和虚拟公司级4种规模。 4.虚拟制造集成开发平台层 在理论研究和虚拟制造原型系统的开发的基础上，从集成开发平台的要求出发，对虚拟制造的通用功能、模块以及子系统等方面进行归纳整理，构造虚拟制造集成开发平台，以适应灵活方便地建立针对不同产品和制造环境的虚拟制造系统的需求。订研究内容如下： （1）虚拟制造集成开发平台体系结构的研究； （2）构件库管理系统及构件集的建立； （3）构件重用技术的研究； （4）自适应开发界面的研究。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (12/6/2004)