虛擬制造技術(shù)及應(yīng)用

[摘要] 虛擬制造是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在制造領(lǐng)域的綜合發(fā)展及應(yīng)用?？梢杂行У靥岣弋a(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，有助于降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期。本文探討了計(jì)算機(jī)虛擬制造技術(shù)的含義、特點(diǎn)、分類及其在實(shí)際中的應(yīng)用等問(wèn)題。

[關(guān)鍵詞] 虛擬制造 仿真 應(yīng)用

一、引言

隨著經(jīng)濟(jì)的全球化和社會(huì)的信息化，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，制造企業(yè)為了在競(jìng)爭(zhēng)中求得生存與發(fā)展，就應(yīng)該以最快的上市速度、最好的質(zhì)量、最低的成本和最優(yōu)的服務(wù)滿足不同顧客的需求。隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展和企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需求，美國(guó)20世紀(jì)80年代后期提出了虛擬制造技術(shù)，并在20世紀(jì)90年代得到極大重視并得到迅速發(fā)展。

二、虛擬制造技術(shù)定義

虛擬制造 (Virtual Manufacturing簡(jiǎn)稱VM）是實(shí)際制造過(guò)程在計(jì)算機(jī)上的映射，即采用計(jì)算機(jī)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在高性能計(jì)算機(jī)及高速網(wǎng)絡(luò)的支持下，在計(jì)算機(jī)上群組協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗(yàn)，以及企業(yè)各級(jí)過(guò)程的管理與控制產(chǎn)品制造的本質(zhì)過(guò)程，以增強(qiáng)制造過(guò)程中各級(jí)的決策和控制能力。它為工程師們提供了從產(chǎn)品概論的形成、設(shè)計(jì)到制造全過(guò)程的三維可視及交互的環(huán)境，使得制造技術(shù)發(fā)展到了全方位預(yù)報(bào)的新階段 。

三、虛擬制造方法具有以下特點(diǎn)：

1.全新的研發(fā)模式：虛擬制造技術(shù)中，設(shè)計(jì)者采用三維方式，建立全關(guān)聯(lián)的的數(shù)字模型。當(dāng)需要繪圖數(shù)據(jù)時(shí)，可以方便地從三維模型中抽取，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字無(wú)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，同時(shí)還要求進(jìn)行產(chǎn)品總體的模型設(shè)計(jì)，而不僅限于設(shè)計(jì)單個(gè)部件或零件，設(shè)計(jì)者需要了解零件如何制造、裝配，并應(yīng)用于設(shè)計(jì)過(guò)程，各專業(yè)人員不再分開(kāi)獨(dú)立地工作，而是按照項(xiàng)目進(jìn)行組織并同時(shí)開(kāi)展工作，能夠很好地解決設(shè)計(jì)過(guò)程中的同步問(wèn)題。

2.降低研發(fā)成本、縮短研發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量：通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)建立產(chǎn)品的數(shù)字化模型，可以完成無(wú)數(shù)次物理樣機(jī)無(wú)法進(jìn)行的虛擬試驗(yàn)，從而無(wú)需制造及試驗(yàn)物理樣機(jī)就可獲得最優(yōu)方案，減少了物理樣機(jī)的數(shù)量，縮短了研發(fā)周期、提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

3.實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聯(lián)盟的重要手段：通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)和制造，具有傳遞快速、反饋及時(shí)的特點(diǎn)，進(jìn)而使動(dòng)態(tài)聯(lián)盟的活動(dòng)具有高度的并行性。

四、虛擬制造的關(guān)鍵技術(shù)

虛擬制造技術(shù)涉及面很廣，如環(huán)境構(gòu)成技術(shù)、過(guò)程特征抽取、集成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)、制造特征數(shù)據(jù)集成、多學(xué)科交叉功能、決策支持工具、接口技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、建模與仿真技術(shù)等，其中后三項(xiàng)是虛擬制造的核心技術(shù)。

1.建模技術(shù)：虛擬制造系統(tǒng)的建模包括生產(chǎn)模型、產(chǎn)品模型和工藝模型。生產(chǎn)模型可歸納為靜態(tài)描述和動(dòng)態(tài)描述兩個(gè)方面。靜態(tài)描述是指系統(tǒng)生產(chǎn)能力和生產(chǎn)特性的描述。動(dòng)態(tài)描述是指在已知系統(tǒng)狀態(tài)和需求特性的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程。虛擬制造下的產(chǎn)品模型不再是單一的靜態(tài)特征模型，它能通過(guò)映射、抽象等方法提取產(chǎn)品實(shí)施中各活動(dòng)所需的模型，包括三維動(dòng)態(tài)模型，干涉檢查，應(yīng)力分析等。工藝模型是將工藝參數(shù)與影響制造功能的產(chǎn)品設(shè)計(jì)屬性聯(lián)系起來(lái)，以反應(yīng)生產(chǎn)模型與產(chǎn)品模型之間的交互作用。

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(guò)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，從而得到一系列的統(tǒng)計(jì)性能。目前廣泛使用CAD、Solidworks、UG、PRO/E等三維軟件能較方便的構(gòu)建三維模型，虛擬樣機(jī)是基于三維模型的產(chǎn)物，能完成結(jié)構(gòu)分析、裝配仿真及運(yùn)動(dòng)仿真等復(fù)雜設(shè)計(jì)過(guò)程。

3.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)VRT（Virtual Reality Technology）是綜合利用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)、各種顯示和控制等接口設(shè)備，在計(jì)算機(jī)上生成可交互的三維環(huán)境（稱為虛擬環(huán)境）中提供沉浸感覺(jué)的技術(shù)。由圖形系統(tǒng)及各種接口設(shè)備組成。在計(jì)算機(jī)上建立起的虛擬制造環(huán)境是一種接近人們自然活動(dòng)的一種“自然”環(huán)境，可以充分發(fā)揮技術(shù)人員的想象力和創(chuàng)造能力，相互協(xié)作發(fā)揮集體智慧，提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的質(zhì)量和縮短開(kāi)發(fā)周期。

4.虛擬制造的分類。按照與生產(chǎn)各個(gè)階段的關(guān)系，虛擬制造可分成三類:(1)以設(shè)計(jì)為中心的VM，這類 VM 是將制造信息加入到產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)中，并在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)字化制造，仿真多種制造方案，評(píng)估各種生產(chǎn)情景，通過(guò)仿真制造來(lái)優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，以便作出正確決策。(2)以生產(chǎn)為中心的VM，這類 VM 是將仿真能力加到生產(chǎn)計(jì)劃模型中，以便快捷化評(píng)價(jià)生產(chǎn)計(jì)劃，檢驗(yàn)工藝流程、資源需求狀況以及生產(chǎn)效率，從而優(yōu)化制造環(huán)境和生產(chǎn)供應(yīng)計(jì)劃。(3)以控制為中心的VM，這類 VM 是將仿真能力加到控制模型中，提供對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的仿真環(huán)境，即將機(jī)器控制模型用于仿真，其目標(biāo)是實(shí)際生產(chǎn)中的過(guò)程優(yōu)化，改進(jìn)制造系統(tǒng)。

5.虛擬制造技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用。虛擬制造技術(shù)首先在軍事、航空航天、汽車領(lǐng)域中獲得成功的應(yīng)用。例如波音飛機(jī)公司777飛機(jī)的設(shè)計(jì)，就是采用虛擬制造技術(shù)的典型范例，設(shè)計(jì)、裝機(jī)、測(cè)試均在計(jì)算機(jī)中完成模擬，實(shí)時(shí)采集和處理數(shù)據(jù)并及時(shí)解決設(shè)計(jì)問(wèn)題，使得最終制造出來(lái)的波音777飛機(jī)與設(shè)計(jì)方案誤差小于0.001英寸，保證一次試制成功。

目前虛擬制造技術(shù)應(yīng)用得比較成熟的有：產(chǎn)品的外形設(shè)計(jì)、產(chǎn)品的布局設(shè)計(jì)、產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)仿真、熱加工工藝模擬、加工過(guò)程仿真、產(chǎn)品裝配仿真、虛擬樣機(jī)與產(chǎn)品工作性能評(píng)測(cè)、企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的仿真與優(yōu)化、產(chǎn)品的廣告與漫游等。

五、結(jié)語(yǔ)

采用虛擬制造技術(shù)，在三維可視化虛擬環(huán)境中，能充分發(fā)揮設(shè)計(jì)人員的想象力和創(chuàng)造力，使設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)的計(jì)算分析完美地相結(jié)合，推進(jìn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的創(chuàng)新與發(fā)展，提高了機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新開(kāi)發(fā)能力。隨著制造技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，虛擬制造技術(shù)方面的研究將會(huì)進(jìn)入一個(gè)更加嶄新的階段。

參考文獻(xiàn)：

[1]嚴(yán)雋琪等:虛擬制造的理論.技術(shù)基礎(chǔ)與實(shí)踐.上海交通大學(xué)出版社，2003：1～24

[2]王志新:虛擬技術(shù)及其應(yīng)用.上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)第20卷，第1期：49～55

[3]李瑞濤:虛擬樣機(jī)技術(shù)的概念及應(yīng)用.機(jī)電一體化，2000年第5期：17～19

[4]陶亦亦:虛擬制造的研究與發(fā)展.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2006年第1期：4～6