虛擬制造
時間:2011-05-20 08:45:23 來源:未知
一、概述
自70年代以來，世界市場由過去傳統的相對穩定逐步演變成動態多變的特征，由過去的局部競爭演變成全球范圍內的競爭；同行業之間、跨行業之間的相互滲透、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，現代的制造企業必須解決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展，特別是計算機技術、計算機網絡技術、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，進行傳統制造業的改造，是現代制造業發展的必由之路。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(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展，出現了虛擬制造(VM，Virtual Manufacturing)、精益生產(LP，Lean Production)、敏捷制造(AM，Agile Manufacturing)、虛擬企業(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，而且在企業界，成為研究的熱點之一。原因在于，盡管虛擬制造的出現只有短短的幾年時間，但它對制造業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境下的試飛均是在計算機上完成的，使其開發周期從過去8年時間縮短到5年。又如Perot System Team利用Dench Robotics開發的QUEST及IGRIP設計與實施一條生產線，在所有設備訂貨之前，對生產線的運動學、動力學、加工能力等各方面進行了分析與比較，使生產線的實施周期從傳統的24個月縮短到9.5月。Chrycler公司與IBM合作開發的虛擬制造環境用于其新型車的研制，在樣車生產之前，發現其定位系統的控制及其他許多設計缺陷，縮短了研制周期。
因此，近幾年，工業發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境(稱之為國家先進制造測試床National Advanced Manufacturing Testbed,NAMT)，波音公司與麥道公司聯手建立了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，比利時的虛擬現實協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”概念出現才幾年時間，目前還缺乏從產品生產全過程的高度開展虛擬制造技術的系統研究。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、系統控制于一體的虛擬制造環境？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，并提出支持產品生產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Gloria J.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行制造過程。其中虛擬模型是在實際制造之前用于對產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決策與控制。該定義著眼于手段。#p#分頁標題#e#
另一個有代表性的定義是由馬里蘭大學Edward Lin&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、綜合性的制造環境。”該定義則著眼于環境。
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，即采用計算機仿真與虛擬現實技術，在計算機上群組協同工作，實現產品的設計、工藝規劃、加工制造、性能分析、質量檢驗，以及企業各級過程的管理與控制等產品制造的本質過程，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驗的狹小天地，發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系與區別。
與實際制造相比較，虛擬制造的主要特點是：
- 產品與制造環境是虛擬模型，在計算機上對虛擬模型進行產品設計、制造、測試，甚至設計人員或用戶可“進入”虛擬的制造環境檢驗其設計、加工、裝配和操作，而不依賴于傳統的原型樣機的反復修改；還可將已開發的產品(部件)存放在計算機里，不但大大節省倉儲費用，更能根據用戶需求或市場變化快速改變設計，快速投入批量生產，從而能大幅度壓縮新產品的開發時間，提高質量、降低成本；
- 可使分布在不同地點、不同部門的不同專業人員在同一個產品模型上同時工作，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，從而使產品開發以快捷、優質、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(RMS，Real Manufacturing System)抽象成由實際物理系統(RPS)、實際信息系統(RIS)，實際控制系統(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映射于基到虛擬制造技術的虛擬制造系統，虛擬制造系統可以表示為：VMS=｛VPS，VIS，VCS｝，其中VPS是虛擬物理系統，VIS為虛擬信息系統，VCS是虛擬控制系統。
按照與生產各個階段的關系，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(Design?Centered VM)、以生產為核心的虛擬制造(Production?Centered VM)和以控制為中心的虛擬制造(Control?Centered VM)。
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，利用仿真來優化產品設計，例如DFX技術，通過“在計算機上制造”產生許多“軟”樣機；以生產為核心的虛擬制造是在生產過程模型中加入仿真技術，以此來評估和優選生產過程，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優化。
虛擬制造從根本上講就是要利用計算機生產出“虛擬產品”，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、虛擬現實、數據繼承、優化等領域。然而，目前還缺乏從產品生產全過程的高度開展對虛擬制造的系統研究。這表現在：
- 虛擬制造的基礎是產品、工藝規劃及生產系統的信息模型。盡管國際標準化組織花了很大精力去開發產品信息模型，但CAD開發者尚未采用它們；盡管工藝規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劃模型；生產系統能力和性能模型，以及其動態模型的研究和開發需要進一步加強；#p#分頁標題#e#
- 現有的可制造性評價方法主要是針對零部件制造過程，因而面向產品生產過程的可制造性評價方法需要研究開發，包括各工藝步驟的處理時間，生產成本和質量的估計等；
- 制造系統的布局，生產計劃和調度是一個非常復雜的任務，它需要豐富的經驗知識，支持生產系統的計劃和調度規劃的虛擬生產平臺需要拓展和加強；
- 分布式環境，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，同時經營管理過程重構方法的研究也需加強；
- 虛擬制造環境缺乏統一的集成框架和體系。
四、CIMSERC的虛擬制造體系結構及環境
從產品生產的全過程來看，“虛擬制造”應包括產品的“可制造性”、“可生產性”和“可合作性”。的支持”所謂“可制造性”系指所設計的產品(包括零件、部件和整機)的可加工性(鑄造、沖壓、焊接、切削等)和可裝配性；而“可生產性”系指在企業已有資源(廣義資源，如：設備、人力、原材料等)的約束條件下，如何優化生產計劃和調度，以滿足市場或顧客的要求；虛到制造技術的發展，虛擬制造還應對被喻為二十一世紀的制造模式“敏捷制造”提供支持，即為企業動態聯盟(VE，Virtual Enterprise)的“可合作性”提供支持。而且，上述三個方面對一個企業來說的相互關聯的，應該形成一個集成的環境。因此，應從三個層次，即“虛擬制造”，“虛擬生產”，“虛擬企業”開展產品全過程的虛擬制造技術及其集成的虛擬制造環境的研究，包括產品全信息模型、支持各層次虛擬制造的技術并開發相應的支撐平臺、以及支持三個平臺及其集成的產品數據管理(PDM)技術。
基于上述思想，國家CIMS工程技術研究中心根據先進制造技術發展的要求，正在著手建立虛擬制造研究基地。該基地建立了以下虛擬制造技術體系結構：
- 虛擬制造平臺
- 該平臺支持產品的并行設計、工藝規劃、加工、裝配及維修等過程，進行可制造性(Manufacturability)分析(包括性能分析、費用估計，工時估計等)。它是以全信息模型為基礎的眾多仿真分析軟件的集成，包括力學、熱力學、運動學、動力學等可制造性分析，具有以下研究環境：
- 基于產品技術復合化的產品設計與分析，除了幾何造型與特征造型等環境外，還包括運動學、動力學、熱力學模型分析環境等；
- 基于仿真的零部件制造設計與分析，包括工藝生成優化、工具設計優化、刀位軌跡優化、控制代碼優化等；
- 基于仿真的制造過程碰撞干涉檢驗及運動軌跡檢驗—虛擬加工、虛擬機器人等；
- 材料加工成形仿真，包括產品設計，加工成形過程溫度場、應力場、流動場的分析，加工工藝優化等；
- 產品虛擬裝配，根據產品設計的形狀特征，精度特征，三維真實地模擬產品的裝配過程，并允許用戶以交互方式控制產品的三維真實模擬裝配過程，以檢驗產品的可裝配性。
- 虛擬生產平臺
- 該平臺將支持生產環境的布局設計及設備集成、產品遠程虛擬測試、企業生產計劃及調度的優化，進行可生產性(Producibility)分析。
- 虛擬生產環境布局
- 根據產品的工藝特征，生產場地，加工設備等信息，三維真實地模擬生產環境，并允許用戶交互地修改有關布局，對生產動態過程進行模擬，統計相應評價參數，對生產環境的布局進行優化；
- 虛擬設備集成
- 為不同廠家制造的生產設備實現集成提供支撐環境，對不同集成方案進行比較；
- 虛擬計劃與調度
- 根據產品的工藝特征，生產環境布局，模擬產品的生產過程，并允許用戶以交互方式修改生產排程和進行動態調度，統計有關評價參數，以找出最滿意的生產作業計劃與調度方案。
- 虛擬企業平臺#p#分頁標題#e#
- 被預言為21世紀制造模式的敏捷制造，利用虛擬企業的形式，以實現勞動力、資源、資本、技術、管理和信息等的最優配置，這給企業的運行帶來了一系列新的技術要求。虛擬企業平臺為敏捷制造提供可合作性(Corporatability)分析支持。
- 虛擬企業協同工作環境
- 支持異地設計、異地裝配、異地測試的環境，特別是基于廣域網的三維圖形的異地快速傳送、過程控制、人機交互等環境。
- 虛擬企業動態組合及運行支持環境，特別是INTERNET與INTRANET下的系統集成與任務協調環境。
- 基于PDM的虛擬制造平臺集成
- 虛擬制造平臺應具有統一的框架、統一的數據模型，并具有開放的體系結構。
- 支持虛擬制造的產品數據模型
- 提供虛擬制造環境下產品全局數據模型定義的規范，多種產品信息(設計信息、幾何信息、加工信息、裝配信息等)的一致組織方式的研究環境。
- 基于產品數據管理(PDM)的虛擬制造集成技術
- 提供在PDM環境下，“零件/部件虛擬制造平臺”、“虛擬生產平臺”、“虛擬企業平臺”的集成技術研究環境；
- 基于PDM的產品開發過程集成
- 提供研究PDM應用接口技術及過程管理技術，實現虛擬制造環境下產品開發全生命周期的過程集成。
- 該虛擬制造環境分為四部分，其中虛擬制造平臺的環境分為冷加工和熱加工兩部分，熱加工部分包括支持熱加工(鑄造、沖壓)成形與分析的虛擬制造環境，為一局域網；冷加工部分包括支持異地協同設計的幾何造型設計與分析、切削加工及裝配的虛擬制造環境，是另一局域網；支持虛擬生產平臺、虛擬企業平臺的虛擬制造環境、產品數據管理(PDM)(隱含在虛擬企業平臺中，負責上述四部分公共數據管理與維護)也構成局域網，三個局域網通過校園網相連，形成以PDM為中心的客戶/服務器環，傳送速度為100兆位/秒。
五、虛擬現實技術在生產制造上的應用
一個產品從概念設計到投放市場，即產品的生產周期按時間順序可分為概念設計、詳細設計、加工制造、測試和培訓／維護，VR技術可以在產品的全部生產周期中各個階段發揮重要的作用。下面著重談其中的幾個方面：
- 基于VR技術的產品開發
- VR的沉浸性和交互性特性使得它成為用來設計新產品和開發相應生產線的得力工具。首先考慮一下設計并構造一個新產品原型所需要的時間。在設計過程中，設計師要考慮到產品的各個方面，以滿足一定的安全性、人機工程學、易維護性和裝配標準。因此，設計過程中嚴格地受到生產、時間和費用的限制。VR能完成比CAD更多的功能，CAD通常只考慮產品各個子部件的幾何特征和相互間的幾何約束。而在VR中，可以將以上提到的多種所需滿足的條件集成到設計過程中一并考慮，我們還能適當減少子部件數目，甚至可以按比例放縮部件尺寸，這大大降低了設計費用和原型構造時間，更進一步的達到產品用戶化的目標。
- 例如，在飛機制造業中，為評測某飛機設計方案的優劣，要建立一系列與真實產品同尺寸的物理模型，并在模型上進行反復修改，這要花去大量時間和費用，而在過去是不可避免的。如今美國波音公司在飛機設計中運用VR技術完全改變了這種設計方法。波音公司為設計波音777飛機，研制了一個名為“先進計算機圖形交互應用系統”的虛擬環境，用VR技術在此環境中建立一駕飛機的三維模型。這樣設計師戴上頭盔顯示器就可以在這駕虛擬飛機中遨游，檢查“飛機”的各項性能，同時，還可以檢查設備的安裝位置是否符合安裝要求等等。最終的實際飛機與設計方案相比，偏差小于千分之一寸，機翼和機身的接合一次成功，縮短了數千小時的設計工作量。
- 同樣，其它大型、復雜的產品如船舶、潛艇設計等都可以運用VR技術達到節約設計費用和時間提高設計成功率的目標。#p#分頁標題#e#
- 采用VR技術設計產品還有以下優點：產品用戶化的一個不利效應是增加了模型的變量數目，也就相應地增加了生產的復雜度。VR可在要加工的部位加上紋理和圖形信息，這對機械制造起到很好的向導作用。同樣的過程可輔助訓練和指導生產者，使他們能很快勝任新工作。虛擬環境的網絡化可對某一項目合作組的成員進行設計、生產訓練。這些合作組的成員可以在同一個或不同工廠里，或者甚至是來自院校的專家和國外顧問。
- 虛擬現實技術在制造車間設計中的作用
- 目前眾多的制造系統可按遞階控制層次分為四層：工廠層、車間層、制造單元層、設備層，其中車間層的設計與車間中設備的利用率、產品的生產效率等密切相關，如果設計不當，就會造成設備利用率低、車間產量不能滿足用戶需求、操作人員的空閑時間多。所以，如何合理地設計制造車間，保證它的高效運行是一個非常重要的問題。采用VR技術能提高設計的可行性、有效性。 車間設計的主要任務是把生產設備、刀具、夾具、工件、生產計劃、調度單等生產要素有機地組織起來。
- 在車間設計的初步階段，設計者根據用戶需求，確定車間的功能需求、車間的模式、主要加工設備、刀具和夾具的類型和數量，提出一組候選設計方案。VR的作用就是幫助設計者評測、修改設計方案，得到最佳結果。
- 在詳細設計階段，設計者完成對各個組成單元的完整描述，運用VR造型技術生成各個組成單元的虛擬表示，并進而用這些虛擬單元布置整個車間，其中還可加上自動導引小車、機器人、倉庫等車間常用設備。設計者戴上頭盔顯示器就可穿行于虛擬車間之中，他可以開啟其中的任何設備，觀測運行情況，凡是他能想到的檢測條件都立即能看到檢測結果。他還可以在視察時交互式地修改設計方案，比如移動設備的位置，增加／刪除設備的個數，這種“所想即所見”的設計方式極大地提高了設計的成功率。
- VR技術在生產計劃安排上的應用
- 生產計劃安排的可視化對于制造決策是極其有用的，但目前它還未能完全實現。使用VR技術，可將成百上千件產品、成千上萬個零部件和許多其他生產要素可視化，輔助計劃者更好地評價、選擇生產計劃。
- 計算機產生的圖像可將計劃者的大腦負擔轉移到他們的感官系統，這就加快了工作進程。生產計劃數據變成立體的或多維的圖形，可表達復雜的內部關系。
但問題并不是那么簡單，不能只簡單地用某種圖形來表示每種數據和數據之間的關系，否則只會生成一幅雜亂無章的圖像。在繪制之前，要先進行視覺抽象，在2維平面上用一種形體代表一種數據，這種形體要滿足：
（1）支持視覺感知；
（2）構造有效的視覺表示以便于各種層次的解釋；
（3）保證結果圖像要便于商業經理理解和使用。
六、采用虛擬制造技術可以給企業帶來下列效益
- 提供關鍵的設計和管理決策對生產成本、周期和能力的影響信息，以便正確處理產品性能與制造成本、生產進度和風險之間的平衡，作出正確的決策；
- 提高生產過程開發的效率，可以按照產品的特點優化生產系統的設計；
- 通過生產計劃的仿真，優化資源的利用，縮短生產周期，實現柔性制造和敏捷制造；
- 可以根據用戶的要求修改產品設計，及時作出報價和保證交貨期。