本文探討了虛擬柔性制造系統仿真技術的相關研究。

　　機械制造系統是一個復雜的系統，系統輸入的是與制造有關的物料、設備、工具、能源、人員、制造理論、制造工藝和制造信息等，輸出的是一個合格的具有一定功能的產品。制造系統的復雜性表現在：制造環境、制造產品和制造系統結構和制造過程的復雜性上。面對如此復雜的系統，要使產品達到TQCS最優，需要嚴格控制制造的各個環節，得到局部最優乃至全局最優目標。而這一切需要對整個制造過程進行建模，目前研究的熱點之一就是虛擬制造技術。

　　柔性制造系統(Flexible Manufacturing System，簡稱FMS)是由數控加工設備、物料運儲裝置和計算機控制系統等組成的自動化制造系統，它包括數控機床、加工中心、車削中心等，也可能是柔性制造單元，能根據制造任務或生產環境的變化迅速進行調整。要采用虛擬制造技術來正確模擬柔性制造系統的制造過程，主要開展兩方面的工作，一是真實模擬該制造系統中加工設備的功能：二是對整個柔性制造系統在“一”的基礎上正確規劃生產過程，以便獲得對整個產品可制造性的全面評估。

　　“虛擬柔性制造系統系統仿真研究”項目從2003年5月～2005年5月得到西南交通大學科技發展基金的支持。該項目以柔性制造系統為原型研究對象，從系統論的角度，按照復雜系統的觀點對對虛擬柔性制造系統進行理論建模，對虛擬柔性制造系統仿真的關鍵技術進行研究。重點研究加工過程的工藝信息建模，工藝系統幾何建模、運動建模和物理效應建模，并對加工過程工序進行規劃運動模擬、對NC代碼進行檢驗和刀具軌跡模擬。以此研究零件可加工性的評判因素和機理，建立工藝評價的優化模型。其最終目的是建立一個能評價工藝方案和工藝參數的基于虛擬現實的直觀制造評價體系，以解決制造系統與產品市場的矛盾關系。

　　經過兩年的研究，該項目已取得預期的成果或可以認定的技術性能指標。

　　1 提出基于組件的虛擬柔性制造系統建模理論及方法

　　柔性制造系統內部一般包括兩類不同性質的運動，一類是系統的信息流，另一類是系統的物料流，物料流受信息流的控制。FMS是在加工自動化的基礎上實現物料流和信息流的自動化。對柔性制造系統規劃，首先要按照任務的分配，或者說是信息流的流向，對各種物理設備組成進行合理的規劃和布置。由于物理設備種類的多樣性、可重用性和各物理設備間對加工信息流的交互性，使其更具有自然對象的特征，可以采用基于面向對象的組件來表達。每個組件是一個對象的實例化，它們有自己的屬性和行為，組件所能提供的與外界的交互行為過程就是各物理設備交互和傳遞信息流的過程。在典型的柔性制造系統中，這些組件有：數控車床對象、數控銑床對象、加工中心、機器人對象、堆垛機對象、立體倉庫對象、搬運小車對象、輸送裝置對象等等。每個對象按照各物理設備自身的行為和屬性進行建模，包括三維建模、運動控制建模、屬性建模等。

　　該研究采用自然的對象描述方法，從理論上規劃了虛擬FMS系統中各組件之叫的關系，為后面的功能建模提供了方法學基礎。

　　2 提出基于三維模型的組件功能和行為建模方法

　　虛擬制造環境由相應的虛擬制造設備構成，每個虛擬設備相當于一個組件，該組件應能夠較完整的反映物理設備的特性，如物理設備的幾何特征、材料特征、運動信息等。因此，必須根據真實的設備所具有的特征，對其進行數字化，建立虛擬設備模型。

　　虛擬設備模型是物理設備功能特征及形狀特征的信息在虛擬環境中的映射。物理設備的功能特殊性決定了虛擬設備模型的幾何屬性，因此在構建虛擬設備模型時，可以分別從幾何模型和運動控制兩個方而著手，對物理設備進行功能特性與幾何特征分析，將虛擬設備模型劃分為幾何模型和運動控制模型兩部分。

　　幾何模型是對物理設備形狀特征的描述，它表達了物理設備的基本形狀信息，如機床的床身，工作臺以及主軸等部件的形狀，這些幾何模型在運動控制模型的控制下，根據外部輸入的控制數據做相應的運動，這些運動可以表示為物理設備的實際行為，如工作的進給、主軸的轉動、機械手的行為以及物料小車的運動等。

　　對虛擬設備的幾何建模首先采取Pro-E、UG或Solidworks等三維造型的形式，將各物理設備分解成功能模塊部分，比如車床可分解為：床身、刀架、主軸、頂尖、機床門等，然后通過轉化成基于OPENGL的模擬環境中，獲得其在模型中的準確坐標，按照齊次坐標變換關系，獲得一臺虛擬加工車床。其他的如銑床、機器人、立體倉庫、托盤等都可以按照這種方式進行。

　　運動控制模型反映了物理設備的各種控制功能，它根據外部輸入的控制信息，進行處理，判斷，并且輸出相應的控制信息，驅動相關幾何模型的位置和運動狀態變化，實現物理模型設備行為的虛擬化。根據各物理設備的運動屬性建立相應的運動系統，每個加工設備嚴格按照數控原理進行運動規劃，確定加工坐標系統、機床原點、加工原點。按照數控插補的原理，確定走刀步長、加工終點位置，并按照不同的數控加工代碼編制圓弧、直線、拋物線插補算法。每個部件的運動則采用時鐘觸發方式，這種時鐘可以根據控制運動的個數定義多個，相互之間根據完成的功能屬性進行協調。對加工設備，可以控制主軸的快慢、正反轉，單軸運動和多軸聯動、換刀等等，對輸送設備，機器人和取物裝置、輸送裝置之間的時鐘必須按照工時規劃進行嚴格控制。

　　該研究將FMS各組件對象的功能和行為特性融合在組件模型中，采用可視的三維模型引入，利用Opengl作為模型三維驅動引擎，并結合加工過程模擬，形成了具有真正自然表現屬性的虛擬機床、虛擬工件、虛擬機器人等等。

　　3 基于工藝工程的虛擬柔性系統布局及工作過程三維可視化研究

　　針對柔性制造系統的布局柔性，規劃了一種隨意布局虛擬設備的系統，該系統中虛擬設備是按照功能和行為屬性而建模的虛擬設備組件對象，并按照這些對象的具體布局位置、方位布局相應的生產物料運輸系統，建立虛擬的物料輸送線、虛擬立體倉庫、虛擬托盤、虛擬堆垛機等。

　　為了獲得滿意的虛擬柔性制造系統加工仿真整體模型和模擬效果，采用了多時鐘綁定技術。并按照工藝過程對這些定義各個部分動作模型的時鐘進行復雜的邏輯規劃，根工藝模型的過程來觸發和停止不同的時鐘，以適應按照柔性制造系統隨息布爾過程的運動模擬效果。

　　同時每個虛擬設備可以定義自己白。工作模式、工作過程和方法。比如對于銑削中心，則可按照數控加工插補獲得刀具軌跡，形成NC代碼，然后進行加工過程模擬。所有附在虛擬設備上的工藝過程數據，比如調度指令、NC代碼等都通過自定義一定的協議，并按照這種協議進行匹配獲得指導運動模擬的控制效果。

　　該項研究，充分利用了計算機仿真、可視化、運動建模及運動模擬、數據解碼等技術，將虛擬柔性制造系統規劃的靈活性，功能模擬的有效性等結合起來，以可視化的方式形成了不同的產品在不同的柔性制造系統環境下的可制造過程，用戶可以在此基礎上評價所采用的設備、布局方式等，并進行評價和相互對比，獲得滿意的產品可制造模型，達到虛擬制造的部分目的。

　　4 基于面向對象的虛擬柔性制造系統可視化環境系統的研制

　　前面研究的基礎上，結合面向對象技術、Opengl建模、計算機仿真、多時鐘技術、數據解碼及數據協議的制定、CAD技術、計算機圖形學、數控機床及數控加工、柔性制造系統、制造工藝學等多種知識和技術，在VC++開發環境下，編制了一套虛擬柔性制造系統建模、運動模擬可視化系統，該系統能夠針對不同的工藝模型、不同的設備布局獲得不同的加工模擬效果，從而獲得同一個零件不同的加工方案.以方便獲得滿意的加工方案和模型。該系統稍加擴展。可以成為基于桌面虛擬現實的沉浸式系統，從而加大人的主觀評價力度。更深入地認識系統本身。

　　此外該項目還在數控系統的建模及可視化方面做了很多細致的工作，對虛擬樣機、虛擬制造系統、虛擬現實的部分理論都有直接或間接的指導作用。

　　總之，該項目按照任務書要求，在有限的時間內，獲得了滿意的效果，該項目的目前部分研究，研究本項目及結果具有如下意義：

　　(1)探索制造系統中的內在本質，并針對制造系統的復雜性進行理論建模，以了解影響制造系統的決定性因素;

　　(2)針對目前制造系統中存在的問題。建立一個制造方案評價體系，以對市場風險進行正確評估，并在問題出現之前，盡快通過評價體系找到問題所在，從而提高產品快速響應市場的能力;

　　采用可視化技術，并適時結合虛擬現實技術，將人考慮在整個制造系統評判體系結構中，以增加入的主觀能動性和積極性，以便在整個評判體系中增加人的智能和經驗，更快發現問題，獲得滿意的結果;

　　(4)將計算機仿真、計算機圖形學、虛擬現實等技術與制造系統結合進行學科交叉研究，更快提升本專業的研究優勢。

　　由于本項目所研究的內容較多，而且難度較大，研究的周期又較短，所需要使用的切削力學模型試驗設備部具備，為了獲得項目的整體效果，本項目弱化了加工力學模型的建立，這對虛擬柔性制造系統的整體效果沒影響，但對機床某一道工序的加工有一定的影響。因此，后面的工作將針對虛擬制造加工模型的詳細建模，綜合考慮沒計：切削深度、切削厚度、切削速度、刀具角度等切削因素以及機床本身的物理模型等進行切削力學模型，并針對切削過程的可視化進行材料切除模擬。以深入地了解虛擬制造系統的本質。