焦可如，張志軍，王曉琴

（1.沈陽理工大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，沈陽 110159；2.河南省煤田地質(zhì)局四隊(duì)，平頂山 467000）

0 引言

隨著當(dāng)今制造業(yè)不斷向自動(dòng)化、復(fù)雜化和規(guī)?；较虬l(fā)展，在實(shí)際產(chǎn)品生產(chǎn)過程實(shí)施之前，需要對(duì)實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確詳實(shí)的仿真和預(yù)測(cè)。從而按照TQCSE[1～3]現(xiàn)代企業(yè)的要求，即以最快的上市速度（T-time to market)、最好的質(zhì)量(Q-quality)、最低的成本(C-cost)、最優(yōu)的服務(wù)(S-service)和最佳的生產(chǎn)環(huán)境（Environment）來滿足不同顧客的需求，使產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)具有快速和柔性的特征。又由于近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，Agent技術(shù)和系統(tǒng)仿真技術(shù)的迅速發(fā)展，20世紀(jì)80年代首先由美國(guó)提出了虛擬制造技術(shù)這個(gè)全新的理念。因此說虛擬制造是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果，是各種現(xiàn)代制造技術(shù)與系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。主要能夠有效地解決以下問題：

1）在無法投入大量的人力物力的情況下，在制造系統(tǒng)正式建立和運(yùn)營(yíng)之前，對(duì)其進(jìn)行有效的評(píng)估和預(yù)測(cè)，從而降低制造系統(tǒng)的投資成本和風(fēng)險(xiǎn)。

2）在新產(chǎn)品開發(fā)的各個(gè)階段，把握從開發(fā)設(shè)計(jì)、加工制造、市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)、再回收等各階段實(shí)際情況，及時(shí)有效地協(xié)調(diào)各方面的關(guān)系，以達(dá)到全體最優(yōu)效益。

3）能夠?qū)崿F(xiàn)信息集成、技術(shù)集成、資源集成、智能集成、企業(yè)內(nèi)部的各個(gè)工作機(jī)制的集成，實(shí)現(xiàn)分布式智能協(xié)同求解，達(dá)到全局最優(yōu)的目的。

1 虛擬制造的內(nèi)涵

虛擬制造的基本思想是在產(chǎn)品制造過程的上游——設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行對(duì)產(chǎn)品制造全過程的虛擬集成，將全階段可能出現(xiàn)的問題解決在這一階段，通過設(shè)計(jì)的最優(yōu)化達(dá)到產(chǎn)品的一次性制造成功。

虛擬制造是利用信息技術(shù)、仿真技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)現(xiàn)實(shí)制造活動(dòng)中的人物、信息及制造過程進(jìn)行全面的仿真，以預(yù)先發(fā)現(xiàn)制造過程中的問題，在產(chǎn)品實(shí)際生產(chǎn)前就預(yù)防措施，從而達(dá)到產(chǎn)品一次性制造成功，來達(dá)到降低成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和增強(qiáng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的目的。

虛擬制造是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[4]來實(shí)現(xiàn)的。它是在一個(gè)統(tǒng)一的模型之下對(duì)設(shè)計(jì)和制造等過程集成，將與產(chǎn)品制造相關(guān)的各種過程與技術(shù)集成在三維的、動(dòng)態(tài)的仿真真實(shí)過程的實(shí)體數(shù)字模型之上，其目的是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，借助建模與仿真技術(shù)及時(shí)地、并行地模擬出產(chǎn)品未來制造過程乃至產(chǎn)品全生命周期中各種對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響、預(yù)測(cè)、檢測(cè)、評(píng)價(jià)產(chǎn)品性能和產(chǎn)品可制造性等，從而更有效的、經(jīng)濟(jì)的、柔性的來進(jìn)行生產(chǎn)，使得生產(chǎn)周期和成本最低、產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量最優(yōu)，生產(chǎn)效率最高。

它是多學(xué)科、多領(lǐng)域知識(shí)的綜合，其產(chǎn)生的虛擬產(chǎn)品和虛擬制造系統(tǒng)，要在計(jì)算機(jī)上以直覺、生動(dòng)精確的方式體現(xiàn)出來，它擁有產(chǎn)品和相關(guān)制造過程的全部信息，包括虛擬設(shè)計(jì)、制造和控制產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、相關(guān)知識(shí)和模型信息。虛擬制造系統(tǒng)按照功能歸結(jié)為三種不同類型的子環(huán)境，共同構(gòu)成中心三元耦合的、互相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)模式。它們分別是：

1）虛擬制造設(shè)計(jì)中心：給設(shè)計(jì)者提供各種工具以便虛擬設(shè)計(jì)、虛擬制造，設(shè)計(jì)出符合設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的產(chǎn)品模型。

2）虛擬制造加工中心：研究開發(fā)產(chǎn)品制造過程模型和環(huán)境模型及分析各種可行的生產(chǎn)計(jì)劃和工藝規(guī)化。

3）虛擬制造控制中心：評(píng)價(jià)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品原型、生產(chǎn)計(jì)劃、制造模擬和控制策略等。

2 虛擬制造技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)

虛擬制造技術(shù)是多學(xué)科技術(shù)的系統(tǒng)集成。其關(guān)鍵技術(shù)[5]主要包括建模技術(shù)、仿真技術(shù)、智能設(shè)計(jì)技術(shù)、可制造評(píng)價(jià)等。虛擬制造依靠建模與仿真技術(shù)來模擬制造、生產(chǎn)和裝配過程，使設(shè)計(jì)者在計(jì)算機(jī)上模擬出產(chǎn)品的整個(gè)過程。建模與仿真是虛擬制造的基礎(chǔ)，虛擬制造是建模與仿真的應(yīng)用，它拓展了傳統(tǒng)的建模與仿真。

2.1 建模技術(shù)

虛擬制造系統(tǒng)VMS是現(xiàn)實(shí)制造系統(tǒng)RMS在虛擬環(huán)境下的映射，是RMS的模型化、形式化的抽象的描述和表示。VMS的建模是生產(chǎn)模型、產(chǎn)品模型和工藝模型的信息體系。

生產(chǎn)模型歸納為靜態(tài)描述和動(dòng)態(tài)描述兩方面，靜態(tài)描述是指系統(tǒng)生產(chǎn)能力和生產(chǎn)特征的描述。動(dòng)態(tài)描述是指在已知系統(tǒng)狀態(tài)和需求特征的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)產(chǎn)品生產(chǎn)的全過程。

生產(chǎn)模型是在加工過程中，各類實(shí)體對(duì)象模型的集合。產(chǎn)品模型包括毛坯、中期產(chǎn)品模型、目標(biāo)產(chǎn)品模型。對(duì)于一個(gè)VMS來說，只有具備完備的產(chǎn)品模型，才能使產(chǎn)品實(shí)施過程中的全部活動(dòng)集成。

將工藝參數(shù)與影響制造的產(chǎn)品設(shè)計(jì)屬性聯(lián)系起來，反應(yīng)生產(chǎn)模型與產(chǎn)品模型之間的交互作用，工藝模型必須具備以下功能：計(jì)算機(jī)工藝仿真、制造數(shù)據(jù)表、制造規(guī)劃、統(tǒng)計(jì)模型以及物理和數(shù)學(xué)模型。

2.2 仿真技術(shù)

仿真就是應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)經(jīng)過抽象和簡(jiǎn)化形成系統(tǒng)模型，然后在分析的基礎(chǔ)上運(yùn)行此模型，從而得到系統(tǒng)一系列的統(tǒng)計(jì)信息。仿真的基本步驟是：研究系統(tǒng)→收集數(shù)據(jù)→建立系統(tǒng)模型→確定仿真算法→建立仿真模型→運(yùn)行仿真模型→輸出結(jié)果并分析。

產(chǎn)品制造過程仿真，可歸結(jié)為制造系統(tǒng)仿真和加工過程仿真。產(chǎn)品仿真的基本思想是：通過對(duì)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品加工過程等的仿真，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的上游，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行反饋和評(píng)估，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)。加工過程仿真包括切削過程仿真、裝配過程仿真及檢驗(yàn)過程仿真等。

2.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[6]是一種由計(jì)算機(jī)生成的動(dòng)態(tài)虛擬環(huán)境，人通過適當(dāng)?shù)慕涌谥蒙砥渲?，可以參與和操縱虛擬環(huán)境中的仿真物理模型，并且可以和過去的、現(xiàn)在的或虛擬的人物進(jìn)行交互，它通過各種虛擬設(shè)備如立體顯示系統(tǒng)、聽覺系統(tǒng)、觸覺系統(tǒng)與力反饋設(shè)備等刺激人體的各個(gè)感知器官，使人能與系統(tǒng)交互（interaction），產(chǎn)生沉浸感（immersion），對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)想（imagination）。交互、沉浸感和構(gòu)想是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本特征。在生產(chǎn)過程中通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)產(chǎn)品及其制造過程的仿真，可以實(shí)現(xiàn)在實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)開始之前完成產(chǎn)品生產(chǎn)的可行性分析，使人從主觀上產(chǎn)生虛擬產(chǎn)品及制造過程的存在感，在虛擬制造環(huán)境中通過對(duì)“產(chǎn)品生命全程的預(yù)演”加深人們對(duì)制造過程的正確理解和直觀感受。

虛擬制造是多學(xué)科、多領(lǐng)域的綜合，虛擬產(chǎn)品及整體虛擬制造系統(tǒng)需要在計(jì)算機(jī)上以直觀、生動(dòng)的精確方式顯現(xiàn)出來。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是虛擬制造的重要組成部分。

3 虛擬制造的應(yīng)用

美國(guó)波音公司運(yùn)用虛擬制造技術(shù)研制波音777噴氣式客機(jī)，投資40億美元，從1990年10月開始到1994年6月僅用了3年零8個(gè)月的時(shí)間就完成了研制。一次試飛成功，投入運(yùn)營(yíng)，其開發(fā)周期由原來的8年減至5年。

1993年初，日本大阪大學(xué)的巖田一明[7]（kazuaki Iwata）博士及其領(lǐng)導(dǎo)的研究小組應(yīng)用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的方法與計(jì)算機(jī)三維建模技術(shù)開發(fā)了名為Virtual Works 的軟件工具。

1994年，日本Matsushita公司成功開發(fā)了基于虛擬空間支持工具的快速響應(yīng)用戶和市場(chǎng)需求的廚房設(shè)備生產(chǎn)系統(tǒng)[8]。該系統(tǒng)允許消費(fèi)者在購(gòu)買商品之前，在虛擬廚房環(huán)境中體驗(yàn)不同設(shè)備的功能，可以按照自己的喜好評(píng)價(jià)、選擇和重組這些設(shè)備。用戶的這些操作信息將被存儲(chǔ)并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到生產(chǎn)部門。

德國(guó)寶馬汽車公司為車門裝配設(shè)計(jì)的虛擬裝配系統(tǒng)能識(shí)別語音輸入完成相應(yīng)操作，并能對(duì)干涉碰撞發(fā)聲報(bào)警。

美國(guó)開發(fā)的虛擬原型制作系統(tǒng)，它允許設(shè)計(jì)者對(duì)這一原型進(jìn)行評(píng)價(jià)，如對(duì)汽車的虛擬原型設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者可以走入這一原型，測(cè)試汽車在虛擬公路上的行駛性能，體驗(yàn)駕駛者駕駛時(shí)的感覺，感受視野是否開闊等等。

世界最大的挖土機(jī)和建筑設(shè)備制造業(yè)企業(yè)Caterpillar Inc[9]將虛擬制造技術(shù)用于反鏟裝載機(jī)的開發(fā)，在虛擬環(huán)境下，技術(shù)人員推翻了原構(gòu)想可行的三個(gè)方案中的兩個(gè)不合理的設(shè)計(jì)方案，不僅確立了正確的設(shè)計(jì)方案，節(jié)約了研究其他兩種機(jī)型所用的時(shí)間和費(fèi)用，而且縮短了開發(fā)周期，降低了生產(chǎn)成本。

我國(guó)三一重機(jī)公司CAE工程師采用虛擬樣機(jī)技術(shù)平臺(tái)建立了單斗反鏟液壓挖掘機(jī)整機(jī)模型，得用機(jī)械、液壓及控制系統(tǒng)模型進(jìn)行聯(lián)合仿真，在計(jì)算機(jī)上模擬挖掘、提升、轉(zhuǎn)向、卸土等作業(yè)工況，對(duì)液壓缸的摩擦力、油缸的動(dòng)作速度、結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度等級(jí)指標(biāo)進(jìn)行了仿真。通過調(diào)整液壓元件各個(gè)參數(shù)，對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，進(jìn)而提升了作業(yè)效率。該公司利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，結(jié)合Craig2Bampton模態(tài)綜合法，對(duì)挖掘機(jī)的斗桿進(jìn)行剛耦合分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決了20噸級(jí)挖掘機(jī)斗桿開裂問題，成功研發(fā)了SY235型新產(chǎn)品。圖1是20噸級(jí)新結(jié)構(gòu)斗桿薄弱處的Mises應(yīng)力的分析結(jié)果。

4 結(jié)束語

圖1 新結(jié)構(gòu)斗桿薄弱處的Mises應(yīng)力分析[10]

本文論述了虛擬制造的產(chǎn)生背景、虛擬制造的內(nèi)涵及基本思想。指出虛擬制造的關(guān)鍵技術(shù)及虛擬制造技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。它是未來制造業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，采用虛擬制造系統(tǒng)來完成產(chǎn)品的整個(gè)生命周期的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、評(píng)價(jià)、檢驗(yàn)等，達(dá)到縮短開發(fā)周期節(jié)約生產(chǎn)成本之目的。

通俗地說，虛擬制造就是在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品、生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)、制造和質(zhì)檢的全過程。也就是說它是一種通過計(jì)算機(jī)虛擬模型來模擬和預(yù)估產(chǎn)品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的問題的技術(shù)。它為工程師們提供了從產(chǎn)品概念的形成、設(shè)計(jì)到制造全過程的三維可視及交互的環(huán)境，使得制造技術(shù)走出主要依賴于經(jīng)驗(yàn)的狹小天地，發(fā)展到了全方位預(yù)報(bào)的新階段。應(yīng)用各種計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)等實(shí)現(xiàn)面對(duì)產(chǎn)品全生命周期的開發(fā)設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)的系統(tǒng)過程。包括虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、智能化設(shè)計(jì)和仿真建模技術(shù)等。其中，建模、仿真技術(shù)是虛擬制造的核心技術(shù)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)及各種智能化技術(shù)的迅猛發(fā)展，必將使虛擬制造技術(shù)得到更為廣泛的應(yīng)用，從而推動(dòng)與此項(xiàng)技術(shù)緊密相關(guān)的制造業(yè)及其它行業(yè)的飛速發(fā)展。

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