虚拟制造体系及其关键技术

清风明月

                                      虚拟制造体系及其关键技术
$ c* L5 {5 O1 [2 m& t; S& d/ R
; L2 J% b0 }6 N4 n% ]' b引言
3 L' a2 O5 x( I5 K1 n. U. o& o# M　　当今的制造业基本技术日臻成熟，其市场处于以消费者为导向的市场环境下，产品品种、上市时间和用户满意度成为企业取得竞争优势的主要因素。制造业这种全球化的激烈竞争不断催生了各种先进制造技术和新的制造哲理，虚拟制造技术将会在下一世纪涌向潮头，其朴素的思想和高新的技术手段都为研究领域和业界所推崇。
$ ^- o3 k+ g  {  A& v) @6 W  n! O虚拟制造技术
& p; [+ A+ b  Q　　虚拟制造的基本思想是在产品制造过程的上游－设计阶段就进行对产品制造全过程的虚拟集成，将全阶段可能出现的问题解决在这一阶段，通过设计的最优化达到产品的一次性制造成功。
7 N0 }# N% \% U8 e6 V' }　　虚拟现实技术是使用感官组织仿真设备和真实或虚幻环境的动态模型生成或创造出人能够感知的环境或现实，使人能够凭借直觉作用于计算机产生的三维仿真模型的虚拟环境。基于虚拟现实技术的虚拟制造技术在一个统一模型之下对设计和制造等等过程集成，它将与产品制造相关的各种过程与技术集成在三维的、动态的仿真真实过程的实体数字模型之上。其目的是在产品设计阶段，借助建模与仿真技术及时地、并行地、模拟出产品未来制造过程乃至产品全生命周期的各种活动对产品设计的影响，预测、检测、评价产品性能和产品的可制造性等等。从而更加有效的、经济的、柔性的组织生产，增强决策与控制水平，有力地降低由于前期设计给后期制造带来的回溯更改，达到产品的开发周期和成本最小化、产品设计质量的最优化、生产效率的最大化。
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　　虚拟制造系统是各制造功能的虚拟集成，它的可视化集成范围包括与设计相关的各项子系统的功能，如用户支持、工程分析、材料选用、工艺计划、工装分析、快速原型，甚至包括制造企业全部功能（如计划、操作、控制）的集成。
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% t1 d" m1 M7 J" b9 h　　虚拟制造系统拥有产品和相关制造过程的全部信息，包括虚拟设计、制造和控制产生的数据、知识和模型信息。虚拟控制制造系统按照功能归集为三种不同类型的子环境，共同构成 中心三元耦合的系统模式如图1：
% W7 d- F9 n0 k( G( y% Z: i（1）虚拟制造设计中心：给设计者提供各种工具以便 虚拟设 虚拟制 设计出符合设计准则（如DFX）的产品模型； 计中心 造中心
（2）虚拟制造加工中心：研究开发产品制造过程模型和环境模型及其分析各种可行的生产计划和工艺规划；
) n, e/ ~* O7 t# P& X5 a3 M（3）虚拟制造控制中心：评价产品设计、产品原型、生产计划、制造模拟和控制策略等等。
) ]; [! i* `2 T; t6 Q0 B9 t' I虚拟制造技术支持
. z3 ^3 V: e$ z# r$ K虚拟制造技术是多学科综合的系统技术，需要研究开发相应的硬件集成系统与软件，就软件技术而言，相关的研究支持如下：
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7 ?( ~% k0 f1 f0 v! M（1）可视化：真实、直观地再现主观产品与客观制造过程；
（2）基本环境：增强可视化和其它虚拟制造功能的集成系统平台；
9 B3 ]+ L/ V$ o0 l$ o（3）信息描述：表达各种信息，包括数据、知识和模型的统一的方法、语义、语法；
5 p7 w" f/ U: D0 M5 c（4）中介模型：构造、定义、开发对过程易于中断介入的模型；
* v. D' Q9 B4 P+ K) j2 q3 a) o' m（5）基层集成组织结构：硬件与软件的基层组织结构；
（6）仿真模型：在计算机系统中设计的真实系统模型；
; {8 j5 Y$ q  B3 @& z+ V（7）应用方法；产品多样性与过程动态性的共同特征的抽象提取；
9 l  A6 z* P* v  Y: b/ i! y（8）制造特征：各种材料在虚拟制造环境中的变化过程；
& N6 K  M; N( K5 h, Q+ E& r0 W3 y（9）虚拟制造系统评价：可制造性、工艺性、可靠性、经济性、质量、工期等等。
: ~& n4 n1 v. ]. m6 F# Q虚拟制造系统体系结构
7 }* D# a8 k- C5 \& G! G: Z& Z　　CIM集成是通过物理的、逻辑的联系以便在制造设备之间传递信号，以庞大的信息流为“网线”粘连起企业活动的全部活动“节点”，共同浇结成一整块“企业机器”，实际上从各个方面降低了企业的柔性。而虚拟制造则完全是数字模型的集成，提供了有别于CIMS“物理集成”的虚拟集成方案，将相互孤立的制造技术如CAD、CAM、CAPP等等集成在一个虚拟产品制造环境下，以现实对制造过程的一一对应的模型化映射关系，它相对于物理世界有功能一致性、结构相似性的特点，是对实体制造企业的产品、作业、环境及其评价行为等等四个特征的虚拟实现。虚拟现实技术应用于现在的制造系统如CAD、CAPP、CAM，能够大大增强各个子系统之间的协调与并行。面向模型集成各个子系统功能是虚拟制造技术的关键之一，由于产品的多样性与制造过程的动态性，虚拟制造环境是一个动态多变的集成环境，其过程会产生大量的各种数据，虚拟过程的数据管理变得非常复杂。面向产品与过程的虚拟制造系统需要对产品、作业、环境和评价的数据、知识、模型进行共同特征抽取与异型制造过程创建。参照CIM的集成方案，扩充各个模块的内涵，增加控制评价模块，使虚拟制造系统有如下图的体系结构。
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在此模型中，各个模块之间通过模型集成。MAP/STEP是各种子系统间硬件和软件通讯的标准数据格式，它的完善是虚拟集成的基础，但障隘是管理庞大的不断快速变化着的各种数据的统一实体模型的建立，以及识别各种模型（产品、作业、环境、评价）与各个功能模块间的真实相互关系。