虚拟制造(一)

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1、虚拟制造（一）虚拟制造（一）一、概述自 70 年代以来，世界市场由过去传统的相对稳定逐步演变成动态多变的特征，由过 去的局部竞争演变成全球范围内的竞争；同行业之间、跨行业之间的相互渗透、相互竞争 日益激。为了适应变化迅速的市场需求，为了提高竞争力，现代的制造企业必须解决 TQCS 难题，即以最快的上市速度(T-Time to Market)，最好的质量(Q-Quality)，最低的 成本(C-Cost)，最优的服务(S-Service)来满足不同顾客的需求。 与此同时，信息技术取得了迅速发展，特别是计算机技术、计算机网络技术、信息处 理技术等取得了人们意想不到进步。二十多年来的实践证明，将信息

2、技术应用于制造业， 进行传统制造业的改造，是现代制造业发展的必由之路。80 年代初，先进制造技术以信息 集成为核心的计算机集成制造系统(CIMS，Computer Integrated Manufacturing System) 开始得到实施；80 年代末，以过程集成为核心的并行工程(CE，Cocurrent Engineering) 技术进一步提高了制造水平；进入 90 年代，先进制造技术进一步向更高水平发展，出现 了虚拟制造(VM，Virtual Manufacturing)、精益生产(LP，Lean Production)、敏捷制造 (AM，Agile Manufacturing)、虚拟

3、企业(VE，Virtual Enterprise)等新概念。在这些诸多新概念中，“虚拟制造”引起了人们的广泛关注，不仅在科技界，而且在 企业界，成为研究的热点之一。原因在于，尽管虚拟制造的出现只有短短的几年时间，但 它对制造业的革命性的影响却很快地显示了出来。典型的例子有波音 777，其整机设计、 部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均是在计算机上完成的，使其开发周期从过去 8 年时间缩短到 5 年。又如 Perot System Team 利用 Dench Robotics 开发的 QUEST 及 IGRIP 设计与实施一条生产线，在所有设备订货之前，对生产线的运动学、动力学、加 工能力等

4、各方面进行了分析与比较，使生产线的实施周期从传统的 24 个月缩短到 9.5 月。 Chrycler 公司与 IBM 合作开发的虚拟制造环境用于其新型车的研制，在样车生产之前，发 现其定位系统的控制及其他许多设计缺陷，缩短了研制周期。因此，近几年，工业发达国家均着力于虚拟制造的研究与应用。在美国， NIST (National Institute of Standards and Technology)正在建立虚拟制造环境(称之为 国家先进制造测试床 National Advanced Manufacturing Testbed,NAMT)，波音公司与麦 道公司联手建立了 MDA(Mechan

5、ical Design Automation)，在德国，Darmstatt 技术大学 Fraunhofer 计算机图形研究所，加拿大的 Waterloo 大学，比利时的虚拟现实协会等均先 后成立了研究机构，开展虚拟制造技术的研究。由于“虚拟制造”概念出现才几年时间，目前还缺乏从产品生产全过程的高度开展虚 拟制造技术的系统研究。例如，虚拟制造的内涵是什么？它包涵哪些关键技术？如何建立 集产品研究、设计、工艺、制造、标准、资源共享、技术共享、信息传递、市场需求、系 统控制于一体的虚拟制造环境？这些仍然是世界各国研究人员正在研究和探讨的问题。本 文就“虚拟制造”的内涵。涉及到关键技术进行探讨，并提出

6、支持产品生产全过程的虚拟 制造平台的框架及体系结构。二、虚拟制造的定义如前所述，“虚拟制造”是近几年由美国首先提出的一种全新概念。什么是虚拟制造?它 包括哪些内容？这些至今仍然是人们讨论的问题。很多人曾为虚拟制造进行定义，比较有 代表性有：佛罗里达大学 Gloria J.Wiens 的定义是：虚拟制造是这样一个概念，即与实际一样在 计算机上执行制造过程。其中虚拟模型是在实际制造之前用于对产品的功能及可制造性的 潜在问题进行预测。 (VM is a concept of executing manufacturing processes in computers as well as in th

7、e real world,where virtual modelsallow for prediction of potential probl ems for product functionality and manufacturability before real manufacturing occur s.)该定义强调 VM“与实际一样”“虚拟模型”和“预测”，即着眼于结果。美国空军 Wright 实验室的定义是“虚拟制造是仿真、建模和分析技术及工具的综合应 用，以增强各层制造设计和生产决策与控制。 (VM is the integrated application of simul

8、ation,modeling and analysis technologies and tools to enhance manufacturing design and production decisions and control at all process levels.)该定义着眼于手段。另一个有代表性的定义是由马里兰大学 Edward Lin&etc 给出的，“虚拟制造是一个 用于增强各级决策与控制的一体化的、综合性的制造环境。”(VM is an integrated, synthetic manufacturing environment exercised to enha

9、nce all levels of decision an d control.),则着眼于环境。显然，上述定义强调的方面是不同的，甚至也有人认为没有必要只有一种定义。但是 为了讨论和交流，普遍认为，对 VM 进行定义是有必要的。综合目前国际上有代表性的文献，本文对虚拟制造给出如下定义：虚拟制造是实际制 造过程在计算机上的本质实现，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在计算机上群组协同 工作，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，以及企业各级过程 的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强制造过程各级的决策与控制能力。可以看到，“虚拟制造”虽然不是实际的制造，但却实现实际制造的本质

10、过程，是一 种通过计算机虚拟模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题， 提高人们的预测和决策水平，使得制造技术走出主要依赖于经验的狭小天地，发展到了全 方位预报的新阶段。图 1 简要表示了虚拟制造与实际制造的联系与区别。与实际制造相比较，虚拟制造的主要特点是：(1)产品与制造环境是虚拟模型，在计算机上对虚拟模型进行产品设计、制造、测试，甚 至设计人员或用户可“进入”虚拟的制造环境检验其设计、加工、装配和操作，而不依赖 于传统的原型样机的反复修改；还可将已开发的产品(部件)存放在计算机里，不但大大节 省仓储费用，更能根据用户需求或市场变化快速改变设计，快速投入批量生产，从而

11、能大 幅度压缩新产品的开发时间，提高质量、降低成本；(2)可使分布在不同地点、不同部门的不同专业人员在同一个产品模型上同时工作，相互 交流，信息共享，减少大量的文档生成及其传递的时间和误差，从而使产品开发以快捷、 优质、低耗响应市场变化。三、虚拟制造的内涵如果将实际制造系统(RMS，Real Manufacturing System)抽象成由实际物理系统 (RPS)、实际信息系统(RIS)，实际控制系统(RCS)组成的，可以简单标识为：RMS=RPS，RIS，RCS RPS 包括所有的制造物理实体，例如材料，机床，机 器人，夹具，控制器等；RIS 包括信息处理和决策，如调度、计划、设计。RIS

12、 通过 RCS 与 RPS 交换信息。那么，我们可以将实际制造系统映射于基到虚拟制造技术的虚拟制造系统，虚拟制造系统可以表示为：VMS=VPS，VIS，VCS，其中 VPS 是虚拟物理系统，VIS 为虚拟 信息系统，VCS 是虚拟控制系统。按照与生产各个阶段的关系，有些文献将虚拟制造分成三类，即以设计为核心的虚拟 制造(DesignCentered VM)、以生产为核心的虚拟制造(ProductionCentered VM)和 以控制为中心的虚拟制造(ControlCentered VM)。这三类虚拟制造的关系可以用图 2 描 述。以设计为核心的虚拟制造把制造信息引入到整个的设计过程，利用仿真

13、来优化产品设 计，例如 DFX 技术，通过“在计算机上制造”产生许多“软”样机；以生产为核心的虚拟 制造是在生产过程模型中加入仿真技术，以此来评估和优选生产过程，例如组织与重组织 技术；以控制为中心的虚拟制造是将仿真加到控制模型和实际处理中，可“无缝”地仿真 使得实际生产优化。虚拟制造从根本上讲就是要利用计算机生产出“虚拟产品”，我们不难看出，虚拟制 造技术是一个跨学科的综合性技术，它涉及到仿真、可视化、虚拟现实、数据继承、优化 等领域。然而，目前还缺乏从产品生产全过程的高度开展对虚拟制造的系统研究。这表现 在： 虚拟制造的基础是产品、工艺规划及生产系统的信息模型。尽管国际标准化组织 花了很大

14、精力去开发产品信息模型，但 CAD 开发者尚未采用它们；尽管工艺规划模型的 研究已获得了一些进展和应用，但仍然没有一种综合的，可以集成于虚拟制造平台的工艺 规划模型；生产系统能力和性能模型，以及其动态模型的研究和开发需要进一步加强； 现有的可制造性评价方法主要是针对零部件制造过程，因而面向产品生产过程的 可制造性评价方法需要研究开发，包括各工艺步骤的处理时间，生产成本和质量的估计等； 制造系统的布局，生产计划和调度是一个非常复杂的任务，它需要丰富的经验知 识，支持生产系统的计划和调度规划的虚拟生产平台需要拓展和加强； 分布式环境，特别是适应敏捷制造的公司合作，信息共享，信息安全性等方法和 技术需要研究和开发，同时经营管理过程重构方法的研究也需加强； 虚拟制造环境缺乏统一的集成框架和体系。