曹毅杰

（赤峰工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，赤峰 024005）

0 引言

虛擬制造在現(xiàn)代制造體系中，是一種全新的制造方式，是現(xiàn)代制造的重要標(biāo)志。它是一種廣泛的概念，自1993年出現(xiàn)以來，經(jīng)過19年的發(fā)展，取得了很大的進(jìn)展。相對(duì)于傳統(tǒng)的制造概念來講，它不是實(shí)際的制造過程，但卻從本質(zhì)和原理上實(shí)現(xiàn)了制造的全過程。虛擬制造通過使用計(jì)算機(jī)建立虛擬和仿真環(huán)境，使得制造鏈的各環(huán)節(jié)，例如設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、裝配、規(guī)劃等各方面均可以在計(jì)算機(jī)上模擬運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)，并且可以提前發(fā)現(xiàn)制造鏈中可能存在的各種問題，給決策者提供良好的指導(dǎo)性建議，不再像以往如果要取得好的產(chǎn)品，必須依賴于各個(gè)參與者的經(jīng)驗(yàn)，這種變化帶來了飛躍性的突破。

最近幾年，許多發(fā)達(dá)國(guó)家均致力于虛擬制造的應(yīng)用和研究工作，例如美國(guó)的National Institute of Standards and Technology正在建立國(guó)家虛擬制造環(huán)境，BOEING公司與麥道公司聯(lián)合建立了Mechanical Design Automation。德國(guó)的Fraunhofer研究所，加拿大的滑鐵盧大學(xué)，比利時(shí)的Virtual Reality協(xié)會(huì)等均先后深入細(xì)致的開展了虛擬制造技術(shù)的研究工作[1]。

本文首先介紹了虛擬制造技術(shù)的概念、分類、體系結(jié)構(gòu)，闡述了虛擬制造的特點(diǎn)，最后介紹了虛擬制造的進(jìn)展和應(yīng)用。

1 虛擬制造技術(shù)內(nèi)涵分析

1.1 虛擬制造概念

“虛擬制造”最早是由美國(guó)提出來的，目前國(guó)際上仍然沒有統(tǒng)一的概念。國(guó)際上有很多學(xué)者和機(jī)構(gòu)從不同的角度提出了自己的看法和定義，普遍被接受的有[2]：

美國(guó)Florida大學(xué)的Gloria J. Wiens教授認(rèn)為：虛擬制造是在進(jìn)行現(xiàn)實(shí)制造之前，提前對(duì)產(chǎn)品制造流程中存在的問題進(jìn)行啟發(fā)式的預(yù)測(cè)。主要的側(cè)重點(diǎn)在于“預(yù)測(cè)”，即用最低的成本實(shí)現(xiàn)全過程的模擬，從而實(shí)現(xiàn)高效益。

USAF萊特實(shí)驗(yàn)室認(rèn)為：虛擬制造是通過仿真軟件，利用軟件建模以及各種分析工具，來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造出最終的產(chǎn)品。主要的側(cè)重點(diǎn)在于“途徑”，即采用何種軟件，何種形式來實(shí)現(xiàn)目的。

馬里蘭大學(xué)的Edward Lin認(rèn)為：虛擬制造是一種綜合性的手段，主要用于創(chuàng)造一種浸入式的環(huán)境，來實(shí)現(xiàn)制造和控制。主要的側(cè)重點(diǎn)在于“環(huán)境”，即通過人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)最終目的。

綜上所述，虛擬制造的定義如下：

虛擬制造不是真實(shí)的制造，但它是通過計(jì)算機(jī)為載體，在虛擬和仿真的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)本質(zhì)上的制造過程，并且對(duì)產(chǎn)品鏈的研發(fā)、制造、控制、裝配、管理、物流等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行仿真，以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的質(zhì)量強(qiáng)有力的控制和決策。

1.2 虛擬制造分類

虛擬制造不僅包括產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造的過程，也包括組織管理等活動(dòng)。根據(jù)活動(dòng)類型可以講虛擬制造分成以下三類[3]：

1）設(shè)計(jì)主體式

產(chǎn)品的全生命周期包括各個(gè)階段，一個(gè)好的產(chǎn)品應(yīng)該將大部分的時(shí)間放在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，如果設(shè)計(jì)細(xì)致到位，那么就可以節(jié)省在制造以及裝配環(huán)節(jié)帶來的問題。在設(shè)計(jì)伊始采用仿真手段進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，進(jìn)行制造性分析，裝配性分析，干涉檢查，有限元分析，動(dòng)力學(xué)分析等工作，主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的全仿真和全覆蓋，并可以實(shí)現(xiàn)評(píng)估和評(píng)價(jià)。

2）生產(chǎn)主體式

在生產(chǎn)過程中大量應(yīng)用虛擬裝配工具，優(yōu)化生產(chǎn)過程，以減少材料消耗，降低生產(chǎn)成本，提高效益。主要目標(biāo)是以工藝技術(shù)流程為切入點(diǎn)，通過資源需求，生產(chǎn)調(diào)度，排產(chǎn)開工等管理流程進(jìn)行模擬仿真，對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3）控制主體式

在生產(chǎn)控制環(huán)節(jié)應(yīng)用仿真工具，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用軟件的模擬仿真環(huán)境，結(jié)合各種數(shù)字化功能，對(duì)控制器件，儀器儀表，電子電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，提前發(fā)現(xiàn)問題，主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)精益化控制。

1.3 虛擬制造體系結(jié)構(gòu)

在結(jié)合國(guó)內(nèi)外各大研究機(jī)構(gòu)研究成果的基礎(chǔ)上，國(guó)家CIMS中心提出了一套虛擬制造體系結(jié)構(gòu)，具體如下所示：

1）虛擬開發(fā)平臺(tái)

虛擬開發(fā)平臺(tái)從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)入手，聯(lián)通加工工藝，裝配工藝，重點(diǎn)進(jìn)行加工性分析和可裝配性分析，涵蓋力學(xué)分析，熱學(xué)分析，靜動(dòng)力學(xué)分析，主要包括的項(xiàng)目有：并行設(shè)計(jì)，工藝設(shè)計(jì)，工具設(shè)計(jì)，可裝配設(shè)計(jì)，加工參數(shù)設(shè)計(jì)，干涉檢查，運(yùn)動(dòng)軌跡模擬等。

2）虛擬生產(chǎn)平臺(tái)

虛擬生產(chǎn)平臺(tái)從生產(chǎn)線布局，生產(chǎn)環(huán)境模擬入手，進(jìn)行資源利用分析，生產(chǎn)計(jì)劃分析，產(chǎn)能分析，主要包括的項(xiàng)目有：廠房環(huán)境布局，生產(chǎn)線優(yōu)化，生產(chǎn)過程動(dòng)態(tài)監(jiān)視，生產(chǎn)設(shè)備集成，調(diào)度排產(chǎn)優(yōu)化等，最終得到最好的生產(chǎn)計(jì)劃。

3）虛擬企業(yè)平臺(tái)

虛擬企業(yè)平臺(tái)從管理模式入手，通過合理配置資源、資本、人員等各類條件保障，實(shí)現(xiàn)異地工作，集同工作，網(wǎng)絡(luò)工作，7×24小時(shí)全天候全世界不間斷運(yùn)行等。

1.4 虛擬制造特點(diǎn)

虛擬制造不是單純意義上仿真技術(shù)和虛擬技術(shù)的組合，是將所有理論和知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)化融合之后的先進(jìn)技術(shù)，它可以對(duì)生產(chǎn)制造對(duì)象以及企業(yè)管理過程進(jìn)行全面的模擬，是一種全方位的仿真模擬過程，特點(diǎn)如下所示[4]：

1）模型為本

由于虛擬制造從根本上來說是采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真，其對(duì)象就是模型，所以必然涉及到產(chǎn)品模型，環(huán)境模型，過程模型。產(chǎn)品模型包含全部的產(chǎn)品信息；環(huán)境模型包括各種工裝，廠房以及對(duì)產(chǎn)品起支撐及支持作用的信息；過程模型包含研發(fā)設(shè)計(jì)、工藝路徑、加工參數(shù)、裝配可行性、干涉檢查、靜動(dòng)力學(xué)分析等信息。

2）信息集成為本

由于虛擬制造技術(shù)的根基是仿真技術(shù)，所以它必須實(shí)現(xiàn)各種仿真軟件的兼容，不同模型的集成，這包括產(chǎn)品模型，環(huán)境模型，過程模型之間的信息集成。

3）高精度仿真為本

高精度的仿真需要必然要求實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度，高可信度。仿真結(jié)果的生成主要是依靠模型的VVA（Verifi cation，Validation and Accreditation）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，這種技術(shù)是人機(jī)交互技術(shù)發(fā)展的必由之路。

2 虛擬制造進(jìn)展

最近19年來，虛擬制造的在各種技術(shù)領(lǐng)域都取得了廣泛的應(yīng)用，其自身也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，在1994年的虛擬制造論壇上[5]，明確了43項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，虛擬制造技術(shù)已經(jīng)不是各種單獨(dú)技術(shù)的簡(jiǎn)單匯聚，而是系統(tǒng)化體系化的產(chǎn)物，下面從兩個(gè)方面介紹虛擬制造的進(jìn)展。

2.1 虛擬制造體系結(jié)構(gòu)

虛擬制造體系架構(gòu)具有很強(qiáng)的復(fù)雜性，最早的提出人是日本大阪大學(xué)Kazuki Iwata和Masahiko Onosato等人，這種體系結(jié)構(gòu)與具體的應(yīng)用無關(guān)，并且其結(jié)構(gòu)與真實(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類似。德國(guó)的機(jī)電一體化中心研發(fā)出帶有強(qiáng)烈沉浸感的交互式系統(tǒng)，使用數(shù)字手套和數(shù)字頭盔進(jìn)行虛擬仿真和制造。

我國(guó)高校和研究所也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，上海交通大學(xué)提出了VM體系，包括展示層、運(yùn)動(dòng)層、固定層、動(dòng)態(tài)層、數(shù)據(jù)層，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)同控制，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理。

國(guó)家CIMS中心提出了一套虛擬制造體系結(jié)構(gòu)，即基于產(chǎn)品開發(fā)管理體系，可以實(shí)現(xiàn)可合作性、可生產(chǎn)性、可制造性的集同支持。

2.2 建模方法體系

虛擬制造通過計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)來進(jìn)行復(fù)雜的模擬和演算，提高對(duì)實(shí)際制造模擬的準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)預(yù)判和有效控制。

現(xiàn)有的CAD三維建模軟件很多，例如CATIA，Pro/E，Solidworks，UG等等，但每種軟件都是用產(chǎn)品數(shù)據(jù)統(tǒng)一的交換標(biāo)準(zhǔn)和交換格式來描述模型的所有信息特征，常用的格式有STEP，X_T，UGS等，實(shí)際使用的過程中兼容性并不是十分良好，會(huì)出現(xiàn)信息丟失的現(xiàn)象，難以滿足實(shí)際需求。這主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，模型之間兼容性較差，另一方面，仿真分析結(jié)果無法進(jìn)行傳遞，無法實(shí)現(xiàn)全面的數(shù)據(jù)共享。

為了解決這種問題，廣大的研究院校和學(xué)者對(duì)虛擬制造產(chǎn)品模型信息組成和交換形式進(jìn)行了大量的研究，形成了兩種具有代表性的技術(shù)：元建模技術(shù)和功能核心建模技術(shù)，分別由日本東京大學(xué)的Yoshikawa、Tomiyama以及荷蘭F.Tolman提出[6]。

國(guó)家CIMS中心基于以上兩種技術(shù)，提出了構(gòu)建于PDU的元建模技術(shù)，以滿足日益增長(zhǎng)的實(shí)際需要。該技術(shù)具有三個(gè)特征，如圖1所示。

1）語義豐富，可以在不同層次進(jìn)行信息傳遞；

2）可以隨時(shí)根據(jù)需要提取出信息并附加到新的模型中，保證引用一致性；

3）可以適應(yīng)自上而下以及自下而上的設(shè)計(jì)。

圖1 產(chǎn)品模型主框架

3 虛擬制造應(yīng)用

虛擬制造在生產(chǎn)制造的各行各業(yè)取得了廣泛的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在以下領(lǐng)域：

1）外形設(shè)計(jì)

在汽車業(yè)，外形設(shè)計(jì)往往需要制作木?；蛘咚芰夏Ｐ停?jīng)過多次修改后定型，費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)錢。采用虛擬制造進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以隨時(shí)進(jìn)行修改，并可以進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，模擬沖壓加工，優(yōu)勢(shì)明顯。

2）布局設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)復(fù)雜產(chǎn)品，復(fù)雜系統(tǒng)，往往需要大量的人力物力來進(jìn)行設(shè)計(jì)和規(guī)劃，然而采用虛擬制造，可以在先期就發(fā)現(xiàn)不合理或者是可能產(chǎn)生干涉的地方。例如：廠房布局，生產(chǎn)線組合設(shè)計(jì)，管道布局，物流運(yùn)輸?shù)鹊取?/p>

3）運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真

在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段就必須考慮到產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析，防止產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造完成后，在試驗(yàn)階段才發(fā)現(xiàn)缺陷，這樣會(huì)造成無法挽回的損失。完善的運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)仿真分析包括力學(xué)性能分析，干涉檢查，碰撞分析等。

4）加工工藝性分析

在材料的熱力學(xué)加工方面，利用虛擬制造技術(shù)，從材料機(jī)理入手，通過對(duì)加工過程進(jìn)行仿真，比較不同參數(shù)得到的質(zhì)量、性能及晶像組織，進(jìn)而選擇最優(yōu)參數(shù)，最大限度的發(fā)揮材料的性能。

5）機(jī)械加工仿真

現(xiàn)在有很多軟件都可以對(duì)機(jī)械加工過程進(jìn)行模擬，例如Master CAM，通過仿真，可以對(duì)加工參數(shù)，加工方法，機(jī)床特性，工具選擇，NC代碼等方面進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)結(jié)果。

6）虛擬裝配

由于產(chǎn)品的集成性和復(fù)雜性，某些產(chǎn)品的裝配過程往往會(huì)出現(xiàn)問題，導(dǎo)致修改產(chǎn)品帶來工期延誤或重新設(shè)計(jì)，使用虛擬制造軟件進(jìn)行仿真，可以在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行驗(yàn)證，防止出現(xiàn)干涉，人員無法操作，操作空間狹小等缺陷，保證產(chǎn)品研制過程的正確性。

7）虛擬展示

在展會(huì)以及產(chǎn)品發(fā)布會(huì)上，越來越多的廠家應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的推廣或者是將三維動(dòng)畫技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品廣告當(dāng)中，隨著技術(shù)的發(fā)展，模型越來越精致，細(xì)節(jié)越來越完整，生動(dòng)且直觀，給人很強(qiáng)的視覺沖擊力，通過數(shù)字頭盔或者是數(shù)字手套，人們能更加沉浸在虛擬環(huán)境中，代入感更強(qiáng)。

4 結(jié)論

“虛擬制造”是一項(xiàng)蓬勃發(fā)展的技術(shù)，是新時(shí)代創(chuàng)新領(lǐng)域的代表性作品。它在本質(zhì)和原理上實(shí)現(xiàn)了制造的全過程，立足于仿真，但又不同于單項(xiàng)的仿真技術(shù)，它是多種技術(shù)的綜合產(chǎn)物。它可以從產(chǎn)品的研發(fā)端入手，貫穿設(shè)計(jì)、制造、裝配、物流等全過程，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，提升企業(yè)的效益，有效的幫助企業(yè)和個(gè)人進(jìn)行決策。通過19年的發(fā)展，虛擬制造技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，虛擬制造技術(shù)必將取得長(zhǎng)足的發(fā)展和更輝煌的成就。

參考資料：

[1] Wiens G J. An overview of virtual manufactutring[A].Proceedings of the 2nd Agile Manufacturing Conference(AMC'95), Albuquerque, New Mexico, USA: ERI Press,1995.233-243.

[2] 肖田元, 等. 虛擬制造結(jié)構(gòu)化研究[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2001(3): 36-39.

[3] VM User Workshop Rcport[R]. October 25-26 1994,Dayton Stouffer Hotel, Compiled and Edited by Lawrence Associates Inc July 8, 1996.

[4] 肖田元, 韓雪煒, 等. NC代碼模擬技術(shù)[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2005, 10(1): 3-9.

[5] 肖田元, 等. 國(guó)家CIMS工程技術(shù)研究中心基地研究進(jìn)展[J]. 高技術(shù)通訊, 2000, (2): 31-33.

[6] 張顯龍, 等. 虛擬制造產(chǎn)品建模技術(shù)研究[J].機(jī)械制造工程, 2003, 20(3): 121-125.