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    虛擬制造技術研究概況綜述

    2006-06-20

         引言  
        從當今國際政治、經濟形勢來看,和平與發展成為當今時代的主題,經濟全球化、貿易自由化和社會信息化的潮流正滾滾而來。在新的形勢下,制造業的經營戰略發生了很大變化,在30~60年代企業追求的是規模效益,如:美國福特汽車公司、通用汽車公司相繼采用剛性流水線進行大批量生產;70年代更加重視降低生產成本,如:日本豐田公司采用準時化生產;80年代提高產品質量成為主要目標;進入90年代新產品開發及交貨期成為競爭的焦點。由此產生了多種多樣的制造哲理,如:精益生產、并行工程、敏捷制造和虛擬制造等,它們各有側重,從不同角度研究如何增強企業的競爭力。虛擬制造技術是制造技術與仿真技術相結合的產物,本文對其作一簡要介紹和分析。  
    1、虛擬制造技術  
        虛擬現實(Virtual Reality)技術是使用感官組織仿真設備和真實或虛幻環境的動態模型生成或創造出人能夠感知的環境或現實,使人能夠憑借直覺作用于計算機產生的三維仿真模型的虛擬環境。基于虛擬現實技術的虛擬制造(Virtual Manufacturing)技術是在一個統一模型之下對設計和制造等過程進行集成,它將與產品制造相關的各種過程與技術集成在三維的、動態的仿真真實過程的實體數字模型之上。其目的是在產品設計階段,借助建模與仿真技術及時地、并行地、模擬出產品未來制造過程乃至產品全生命周期的各種活動對產品設計的影響,預測、檢測、評價產品性能和產品的可制造性等等。從而更加有效的、經濟的、柔性的組織生產,增強決策與控制水平,有力地降低由于前期設計給后期制造帶來的回溯更改,達到產品的開發周期和成本最小化、產品設計質量的最優化、生產效率的最大化。虛擬制造也可以對想象中的制造活動進行仿真,它不消耗現實資源和能量,所進行的過程是虛擬過程,所生產的產品也是虛擬的。虛擬制造技術的應用將會對未來制造業的發展產生深遠影響,它的重大作用主要表現為:  
        1)運用軟件對制造系統中的五大要素(人、組織管理、物流、信息流、能量流)進行全面仿真,使之達到了前所未有的高度集成,為先進制造技術的進一步發展提供了更廣大的空間,同時也推動了相關技術的不斷發展和進步。 
        2)可加深人們對生產過程和制造系統的認識和理解,有利于對其進行理論升華,更好地指導實際生產,即對生產過程、制造系統整體進行優化配置,推動生產力的巨大躍升。  
        3)在虛擬制造與現實制造的相互影響和作用過程中,可以全面改進企業的組織管理工作,而且對正確作出決策有不可估量的影響。例如:可以對生產計劃、交貨期、生產產量等作出預測,及時發現問題并改進現實制造過程。  
       4)虛擬制造技術的應用將加快企業人才的培養速度。我們都知道模擬駕駛室對駕駛員、飛行員的培養起到了良好作用,虛擬制造也會產生類似的作用。例如:可以對生產人員進行操作訓練、異常工藝的應急處理等。  
        虛擬制造技術的廣泛應用將從根本上改變現行的制造模式,對相關行業也將產生巨大影響,可以說虛擬制造技術決定著企業的未來,也決定著制造業在競爭中能否立于不敗之地。
     2. 虛擬制造技術的研究內容及關鍵技術 
        虛擬制造技術的研究內容是極為廣泛的,除了虛擬現實技術涉及的共同性技術外,虛擬制造領域本身的主要研究內容有:虛擬制造的理論體系;設計信息和生產過程的三維可視化;虛擬環境下系統全局最優決策理論和技術;虛擬制造系統的開放式體系結構;虛擬產品的裝配仿真;虛擬環境中及虛擬制造過程中的人機協同作業等。一般來說,虛擬制造的研究都與特定的應用環境和對象相聯系,由于應用的不同要求而存在不同的側重點,因此出現了三個流派,即以設計為中心的虛擬制造、以生產為中心的虛擬制造和以控制為中心的虛擬制造。具體說明如下:  
        1)以設計為中心的虛擬制造是通過增加制造信息到集成產品開發過程中并在計算機中仿真多種制造方案,為設計者提供一個設計產品和評估產品可制造性的環境。  
        2)以生產為中心的虛擬制造是通過增加仿真能力到生產過程模型,達到方便和快捷地評價多種加工過程的目的。它為工藝計劃和生產計劃的生成、工藝資源的要求以及對這些計劃的評價提供了一個環境。  
        3)以控制為中心的虛擬制造是通過增加仿真到控制模型和實際的生產過程,模擬實際的車間生產,評估車間生產活動,達到優化制造過程的目的。 
        虛擬制造技術是多學科綜合的系統技術,需要研究開發相應的硬件集成系統與軟件,就軟件技術而言,相關的研究支持如下:  
        可視化:真實、直觀地再現主觀產品與客觀制造過程;  
        基本環境:增強可視化和其它虛擬制造功能的集成系統平臺;  
        信息描述:表達各種信息,包括數據、知識和模型的統一的方法、語義、語法;  
        中介模型:構造、定義、開發對過程易于中斷介入的模型;  
        基層集成組織結構:硬件與軟件的基層組織結構;  
        仿真模型:在計算機系統中設計的真實系統模型;  
        應用方法:產品多樣性與過程動態性的共同特征的抽象提取;  
        制造特征:各種材料在虛擬制造環境中的變化過程;  
        虛擬制造系統評價:可制造性、工藝性、可靠性、經濟性、質量、工期等等。
      輸入、輸出設備:基于CRT和LCD的頭盔顯示器(HMD)、普通計算機顯示器、投影系統、可視化眼鏡、數據手套、數據背心、蹋滾、搖桿、觸墊、耳機和音響系統等;
    信息采集、存儲設備;  
    能支持各種設備、數據存儲和高速運算的計算機系統;  
    網絡體系結構(星型、環型、總線型)、通訊硬件等。  
        以上技術仍處于發展完善之中,相比之下軟件的發展落后于硬件的發展。  
        虛擬制造系統是各制造功能的虛擬集成,其關鍵技術主要包括:  
        虛擬環境下的產品主模型技術:主模型是一個核心,能以此為中心通向設計、制造和生產管理等各個環節并為其提供服務。主模型具有統一的數據結構和分布式數據管理系統,它是一個可視化的數字產品模型,具有所代表的對象所具有的各種性能和特征,并能并行地處理設計分析、加工制造、生產組織與調度等各種生產環節所面臨的諸多問題 
    。 
        綜合可視化技術:主要包括計算機可視化技術、虛擬現實技術、多媒體技術和仿真技術。  
        現實制造系統與虛擬制造系統之間的映射,虛擬設備、虛擬傳感器、虛擬單元、虛擬生產線、虛擬車間、和虛擬工廠的建立,以及各種虛擬設備的重用性和重組性技術。  
        虛擬制造系統集成開發平臺的體系結構、構件庫及用戶開發環境。  
        虛擬環境下分布式并行處理的分布式智能協同求解模型。
        虛擬公司的組織、調度及控制策略與技術。  
        3. 虛擬制造技術國內外研究概況簡介  
        由于虛擬制造技術具有誘人的應用前景,促使發達國家對其進行深入研究。在美國已形成了由政府、產業界、大學組成的多層次、多方位的綜合研究開發力量。由政府支持的研究項目主要有:  
    TEAM(Technologies Enabling Agile Manufacturing ,Dept. of Energy)  
    NAMT(National Advanced Manufacturing Testbed)  
    SIMA(Advanced Manufacturing Systems and networking Testbed)  
    NIIIP(National Industrial Information Infrastructure Protocols ,NIST)  
    MAVE(the Metrices for the Agile Virtual Enterprise ,DARPA)  
    The JAST(Joint Advanced Strike Technology)  
    Fast Track Program(US Air Force)  
        在歐洲,許多大學和研究機構通過相互間的合作并聯合企業進行虛擬制造技術的研究工作,例如:由Bath大學進行的A virtual workshop for Design by Manufacturing研究,由Herriot-Watt大學進行的Virtual Manufacturing Group研究等。在日本,已經形成了以大阪大學為中心的研究開發力量,主要進行虛擬制造系統的建模和仿真技術的研究,并開發出了虛擬工廠的構造環境VirtualWorks。
         目前,虛擬制造技術已經在國外有所應用,例如:美國波音公司設計的一架VS-X虛擬飛機,可用頭盔顯示器和數據手套進行觀察與控制,使飛機設計人員身臨其境地觀察飛機設計的結果,并對其外觀、內部結構及使用性能進行考察;日本Matsushita公司開發的虛擬廚房設備制造系統,允許消費者在購買商品前,在虛擬的廚房環境中體驗不同設備的功能,按自己的喜好評價、選擇和重組這些設備,他們的選擇將被存儲并通過網絡送至生產部門進行生產;美國Coventry School of Art and Design開發的虛擬原型制作系統,設計者在設計的初始階段能夠在計算機中構造虛擬原型并對此原型進行評價。  
    國內的研究剛剛起步,主要集中在三個方面:  
    產品虛擬設計技術:  
        主要包括虛擬產品開發平臺、虛擬測試、虛擬裝配以及機床、模具的虛擬設計實現等。其中清華大學利用美國國家儀器公司的Labview開發平臺實現了鎖相電路的虛擬,北京機械科學研究院采用C語言和OpenGL進行編程初步實現了立體停車庫的虛擬現實下的參數化設計,可以直觀地進行車庫的布局、設計、分析和運動模擬。  
    產品虛擬制造技術  
        主要包括材料熱加工工藝模擬、加工過程仿真、板材成型模擬、模具制造仿真等。北航與一汽用OPTRIS開發的板料成型軟件已經基本能夠模擬類似車門的中等復雜程度的汽車覆蓋件和其他沖壓成型件的沖壓成型過程;沈陽鑄造研究所開發的電渣熔鑄工藝模擬軟件包ESRD3D已經應用于水輪發電機變曲面過流部件生產中,其產品在劉家峽、李家峽、天生橋、太平役等7個電站中使用;合肥工業大學研制的雙刀架數控車床加工過程模擬軟件已經在馬鞍山鋼鐵股份有限公司車輪輪箍廠應用,使數控程序現場調試時間由幾個班縮短到幾小時,并保證一次試切成功;北京機床研究所、機械科學研究院、東北大學、上海交大和長沙鐵道學院等單位也研制出一些這方面的仿真軟件。 
    虛擬制造系統  
        主要包括虛擬制造技術的體系結構、技術支持、開發策略等。其中提出了比較成熟的思想并可能實現的是由上海同濟大學張曙教授提出的分散網絡化生產系統和西安交通大學謝友柏院士組建的異地網絡化研究中心。  
    4. 結束語
        虛擬制造是虛擬現實技術和計算機仿真技術在制造領域的綜合發展及應用,是敏捷制造的核心技術,它的研究在我國剛剛起步,其內涵和研究內容在學術界還不存在統一的看法,本文對它的介紹只能是不全面的,希望能夠為我國虛擬制造的發展起到一點拋磚引玉的作用。


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