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虚拟制造技术在机械制造业中的应用

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专 业：机械制造及其自动化

摘要：阐述了虚拟制造的定义与特点以及虚拟制造技术与虚拟现实技术的关系，介绍了虚拟制造的分类，重点介绍了虚拟制造技术在机械制造业中的应用和典型的虚拟制造技术。
关键词：虚拟制造，虚拟现实技术，典型虚拟制造技术
一、虚拟制造的定义及特点
虚拟制造是20世纪80年代后期美国首先提出来的一种新思想，它是利用信息技术、仿真技术、计算机技术等对现实制造活动中的人、物、信息及产品设计、工艺规划、加工制造等生产过程进行全面的仿真，以发现制造中可能出现的问题，预测、检测、评价产品性能和产品的可制造性等，在产品实际生产前就采取预防措施，确保产品一次性开发成功，以达到降低成本、缩短产品开发周期、增强企业竞争力的目的【1】。
虚拟现实 ( VR, Virtual Reality) 技术【2】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从而产生三维仿真模型的虚拟环境。基于虚拟现实技术的虚拟制造 (VM,Virtual Manufacturing) 技术是在一个统一模型之下对设计和制造等过程进行集成, 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。虚拟制造强调虚拟现实在设计和制造过程仿真中的应用,强调以一种可视化的直观的方式增进技术人员对所设计的产品或过程的理解,从而发现其中的问题[3]。虚拟制造并不是真实的制造过程。它不产生真实产品，基本不消耗材料和能量，而是利用制造对象、制造资源和制造过程的模型来展现“制造”的本质过程【4】。
由于计算机软硬件技术和网络技术的广泛应用,虚拟制造具有以下几个特点[2]:
(1) 无须制造实物样机就可以预测产品性能, 节约制造成本, 缩短产品开发周期;
(2) 产品开发中可以及早发现问题, 实现及时的反馈和更正;
(3) 以软件模拟形式进行产品开发;
(4) 企业管理模式基于 Int ranet或 Interne, t 整个制造活动具有高度的并行性。
二、虚拟制造的分类
广义的制造过程不仅包括了产品的设计加工、装配，还包含了对企业生产活动的组织与控制。从这个观点出发，可以把虚拟制造划分为三类:以设计为中心的虚拟制造、以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造【5】。
1、以设计为中心的虚拟制造( Design -Centered VM) 。以设计为中心的虚拟制造包含产品异地设计、产品优化设汁和产品性能评价等内容。强调以统一制造信息模型为基础，对数字化产品模型进行仿真、分析和优化，以获得对产品的设计评估与性能预测结果，并通过对产品建模以及零件和产品的优化设计达到产品零部件及产品整体的优化，在此基础上，对产品的结构、产品制造、产品装配、产品质量、产品可制造的经济性等进行全面分析，从而为用户提供制造过程所需要的设计信息、制造信息以及修改建议。
2、以生产为中心的虚拟制造( Production-Centered VM) 。以生产为中心的虚拟制造是在企业资源的约束条件下，对企业的生产过程进行仿真，对不同的加工过程及其组合进行优化。它对产品的"可生产性"进行分析与评价，对制造资源和环境进行优化组合，通过提供精确的生产成本信息对生产计划与调度进行合理化决策。它的主要支持技术为离散事件系统(DEDS)仿真技术、虚拟现实技术和嵌入式仿真技术，其主要应用领域是工厂或产品的物理布局及生产计划的编排。
3、以控制为中心的虚拟制造(Control-Centered VM) 。以控制为中心的虚拟制造是将仿真技术加入到控制模型和实际生产过程中，从而实现虚拟制造系统的组织、调度与控制策略的优化，以及人工环境下虚拟制造过程中的人机智能交互与协作，达到优化制造过程的目的。其支持技术主要是基于仿真的实时动态调度(对离散制造而言)、基于仿真的最优控制(对连续制造而言)等。其具体实现的工具是虚拟仪器，利用计算机软硬件的强大功能，将传统的各种控制仪表、检测仪表的功能数字化，并灵活地进行各种功能的组合。
三、虚拟制造技术的应用
1、虚拟制造技术在国内外的应用情况
虚拟制造在工业发达国家, 如美国、德国、日本等已得到了不同程度的研究和应用。在这一领域, 美国处于国际研究的前沿[2]。福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司在新型汽车的开发中已经应用了虚拟制造技术, 大大缩短了产品的发布时间。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，其开发周期从过去的 8 年缩短到 5 年；Chrycler 公司与 IBM 合作开发在虚拟制造环境用于其新型车的研制，在样车生产之前，即发现其定位系统及其他许多设计有缺陷，从而缩短了研制周期。
在我国, 清华大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等科研教学单位也已经开展了这一领域的研究工作。当前我国虚拟制造应用的重点研究方向是基于我国国情, 进行产品的三维虚拟设计、加工过程仿真和产品装配仿真, 主要是研究如何生成可信度高的产品虚拟样机,在产品设计阶段能够以较高的置信度预测所设计产品的最终性能和可制造性。
2、虚拟制造技术在机械制造中的应用
（1） 虚拟企业
虚拟企业是指分布在不同地区的多个企业利用电子手段，为快速响应市场需求而组成的动态联盟，是组织、人力、技术、信息等资源在完善的网络组织结构基础上的有效集成。这种企业组织和生产模式可克服窨和时间的局限性，保持集中和分散之间稳定、合理的平衡，具备系统优化组合和有效协调的优越性。
虚拟企业的企业成员间在逻辑上是一个完整的企业实体，在组织上根据各自企业特点的经济效益而联合。联合阶段成员必须遵循一些共同的规章制度并接受统一管理，联合结束后合作关系终止。虚拟企业以高新科技作为经营基础:①建立在先进制造基础上的企业柔性化;②在计算机集成环境中完成产品从概念设计到最终实现的全过程;③计算机网络的支持。虚拟企业对企业成员有有效的吸引和约束，利益驱动是企业实体加入虚拟企业的推动力。各成员企业在追求自身最大利益的前提下，也力使自身利益、合作伙伴利益和客户利益的和谐发展以及利益的最终实现。虚拟企业对成员企业有严格的知识产权及无形资产的评估、保护、转移、归属的管理要求。在美国Ultra Comm 公司是生产电子产品的虚拟企业，在美国各地有60多家数以千计雇员组成的虚拟电子集团，公司本身只有几名雇员，该公司采用分散设计和制造方式，不同产品选用不同企业，依靠网络技术组成的经济实体，实现市场目标。
（2） 虚拟产品设计
例如飞机、汽车的外形设计，其形状是否符合空气动力学原理、运动过程的阻力、其内部结构布局的合理性等。在复杂管道系统设计中，彩虚拟技术，设计者可“进入其中”进行管道布置，并可检查是否发生干涉。这样可提高设计效率，尽早发现设计中的问题，从而优化产品设计。例如波音777飞机有300万个零件，这些零件的设计以及整体设计在一个由数百台工作站组成的虚拟环境中得以成功运行。这个VMS 是在原有的Boing-CAD 的基础上建立。 设计师戴上头盔显示器后， 能进入虚拟 “飞机”中，审视其各项设计。过去为造实体模型需60万美元，应用VMT 后，节省了经费，缩短了研制周期，使最终的实际飞机与原方案相比，偏差小于1%，且实现机翼和机身结合的一次成功，缩短数千小时的设计工作量。
（3） 虚拟产品制造
应用计算机仿真技术，对零件的加工方法、工序顺序、工装的选用、工艺参数的选用，加工工艺性、装配工艺性、配合件之间的配合性、运行物件的运动性等均可建模仿真， 提前发现加工缺陷和装配时出现的问题，从而优化制造过程、提高加工效率。
(4) 虚拟生产过程
产品生产过程的合理制定，人力资源、制造资源、物料库存、 生产调度、 生产系统的规划设计等，均可通过计算机仿真进行优化， 同时还可对生产系统进行可靠性分析，对生产过程的资金进行分析预
测，对产品市场进行分析预测等，从而对人力、制造资源的合理配置，对缩短生产周期、降低生产成本意义重大。John Deere公司运用VMT进行弧焊生产系统的安装，EDS 公司应用DENEB 软件为通用汽车公司的中、高档毫华汽车分厂进行装配生产优化设计，GM 公司也为此节省数百万美元，并提前了上市时间。
3、典型的虚拟制造技术
（1）虚拟装配
装配是产品设计开发过程中的重要环节，虚拟装配则是装配过程在计算机上的本质实现，因而是虚拟装配的重要组成部分。它能够基于产品的数字化实体模型，在计算机上分析与验证产品的装配性能及工艺过程，从而提高产品的可装配性。
虚拟装配模型是分析装配问题的基础，因此，面向装配过程的、支持虚拟装配中各种需要的产品装配模型在虚拟装配中十分重要，模型的特点和优劣在很大程度上决定了系统所能实现的功能。下图为电机三维装配模型：

（2）多学科协同仿真
多学科协同仿真就是要在系统工程理论的指导下，基于复杂产品中各个学科之间的内在交互关系，将位于不同地点、基于不同计算机平台、采用不同建模方法建立的混合异构仿真模型，在分布式环境中联合起来进行多学科协同仿真。下图为飞机涉及的多学科领域：

以美国GE公司实施多学科协同优化技术为例，GE公司用iSIGHT软件在两个月内完成对波音777引擎GE90涡扇发动机的改进，最终在保证性能的情况下减轻250磅重量，使每台GE90发动机的成本降低25万美元【6】。
（3）虚拟车间布局设计
制造系统的布局设计就是在企业经营策略的指导下, 针对生产过程, 将人员物料及所需的相关设备设施等,做最有效的组合和规划,并与其他相关设施协调, 以期获得安全、效率与经济的操作, 满足企业经营需求。运用面向对象的模拟仿真,可以帮助使用者建立用于规划、设计和流程优化的虚拟模型,依据不同决策变量之组合, 分析设备使用率、系统产能、有效产出率, 以及交货期、成本等策略, 达到产能最大化、排程最优化、半成品及库存最小化等目标[7]。
图1~ 3 分别为三一重机使用Flexsim 仿真软件[8], 对规划中的7 号厂房挖掘机装配线及高架仓库进行的模拟。

参考文献：
【1】李京平.模具现代制造技术概论[M]. 北京市：机械工业出版社 , 2008
【2】韩宝菊，王卫东.虚拟制造技术及应用[J]. 液压气动与密封. 2010, (4):4--5
【3】肖田元. 虚拟制造研究进展与展望[J].系统仿真学报.2004, 16( 9) : 1879- 1883.
【4】熊勇.虚拟制造技术及其应用[J].技术创新. 2011,(1):118
【5】邓艳平,赵江铭,孟令起.虚拟制造技术在农业机械制造的应用[J].万方数据，2008
【6】范玉顺.信息化管理战略与方法[M].北京市：清华大学出版社 , 2008:107-109
【7】戴晴华, 易迪升.虚拟制造技术及其在工程机械中的应用[J]. 中
国工程机械学报. 2010,8(2): 185-186
【8】 Flexsim Software Products, Inc. Flexsim user Guide Version 2. 5[ R] . Florida America: Flexsim Software Products Inc. , 2003.