用于教學(xué)的虛擬數(shù)控車間的研究與實(shí)踐

呂修海

（黑龍江農(nóng)業(yè)工程職業(yè)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150088）

制造業(yè)的發(fā)展對(duì)產(chǎn)品性能、規(guī)格、品種不斷提出新的要求，產(chǎn)品的生命周期越來越短，新產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間是決定性因素。虛擬制造技術(shù)(VMT Virtual Manufacturing Technology)可以模擬由產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造到裝配的全過程，對(duì)設(shè)計(jì)與制造過程中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析與預(yù)測(cè)，提出改進(jìn)措施，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從開發(fā)到制造整個(gè)過程的優(yōu)化，達(dá)到降低產(chǎn)品生命周期、減小開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。而機(jī)械加工過程仿真在虛擬制造中占有重要地位，它通過對(duì)機(jī)床-工件-刀具構(gòu)成的工藝系統(tǒng)中的各種加工信息的有效預(yù)測(cè)與優(yōu)化，為實(shí)際加工過程的智能化實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了有利條件，同時(shí)它也是研究加工過程的重要手段。

1 虛擬制造技術(shù)

虛擬制造是利用信息技術(shù)、仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)現(xiàn)實(shí)制造活動(dòng)中的人、物、信息及制造過程進(jìn)行全面的仿真，以發(fā)現(xiàn)制造中可能出現(xiàn)的問題，在產(chǎn)品實(shí)際生產(chǎn)前就采取預(yù)防措施，從而達(dá)到產(chǎn)品一次性制造成功，來達(dá)到降低成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、增強(qiáng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的目的。它進(jìn)行的過程是虛擬過程，所生產(chǎn)的產(chǎn)品也是虛擬的。所謂"虛擬"，是相對(duì)于實(shí)物產(chǎn)品的實(shí)際制造系統(tǒng)而言的，強(qiáng)調(diào)的是制造系統(tǒng)運(yùn)行過程的計(jì)算機(jī)化。

1.1 虛擬制造與實(shí)際制造關(guān)系

一方面，虛擬制造不是無源之水、無本之木，而是實(shí)際制造過程在計(jì)算機(jī)環(huán)境下的映射;另一方面，在實(shí)際制造系統(tǒng)生產(chǎn)出適銷對(duì)路的產(chǎn)品，然后再通過對(duì)實(shí)際制造系統(tǒng)進(jìn)行抽象、分析、綜合，得到實(shí)際產(chǎn)品的全數(shù)字化模型。虛擬制造的最終目標(biāo)是反作用于實(shí)際制造過程，用來指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。因此，虛擬制造是實(shí)際制造的抽象，而實(shí)際制造又是虛擬制造的實(shí)例。

1.2 虛擬制造的分類

從廣義上講，制造過程不僅包括了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)加工、裝配，還包含了對(duì)企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的組織與控制。從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，可以把虛擬制造劃分為三類。

1.2.1 以設(shè)計(jì)為中心的虛擬制造

以設(shè)計(jì)為中心的虛擬制造是將制造信息加人到產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)過程中，并在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行"制造"，仿真多種制造方案和產(chǎn)生許多"軟"的模型，為設(shè)計(jì)者提供一個(gè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品和評(píng)估產(chǎn)品可制造性的環(huán)境。它的主要支持技術(shù)包括特征造型、面向數(shù)學(xué)的模型設(shè)計(jì)及加工過程的仿真技術(shù)。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括造型設(shè)計(jì)、熱力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、容差分析和加工過程仿真。

1.2.2 以生產(chǎn)為中心的虛擬制造

以生產(chǎn)為中心的虛擬制造是將仿真能力加人到生產(chǎn)過程模型中，其目的是方便和快捷地評(píng)價(jià)多種加工過程，檢驗(yàn)新工藝流程的可信度、產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、資源的需求狀況(包括購置新設(shè)備、征詢盟友等)，從而優(yōu)化制造環(huán)境的配置和生產(chǎn)的供給計(jì)劃。它的主要支持技術(shù)包括虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和嵌人式仿真技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域包括工廠或產(chǎn)品的物理布局及生產(chǎn)計(jì)劃的編排。

1.2.3 以控制為中心的虛擬制造

以控制為中心的虛擬制造是將仿真能力增加到控制模型和實(shí)際的生產(chǎn)過程中，模擬實(shí)際的車間生產(chǎn)，評(píng)估車間生產(chǎn)活動(dòng)，達(dá)到優(yōu)化制造過程的目的。它的主要支持技術(shù)有:對(duì)離散制造一基于仿真的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)度;對(duì)連續(xù)制造一基于仿真的最優(yōu)控制。

2 虛擬制造技術(shù)支撐系統(tǒng)

虛擬制造技術(shù)是多學(xué)科綜合的系統(tǒng)技術(shù)，需要研究開發(fā)相應(yīng)的軟件與硬件集成系統(tǒng)以及相關(guān)技術(shù)支持。

2.1 軟件配置

(1)可視化:真實(shí)、直觀地再現(xiàn)主觀產(chǎn)品與客觀制造過程;(2)環(huán)境:增強(qiáng)可視化和其它虛擬制造功能的集成系平臺(tái);(3)信息:表達(dá)各種信息，包括數(shù)據(jù)、知識(shí)和模型的統(tǒng)一方法、語義、語法;(4)中介模型:構(gòu)造、定義、開發(fā)對(duì)過程易于中斷介人的模型;(5)基層集成組織結(jié)構(gòu):硬、軟件的基層組織結(jié)構(gòu);(6)仿真模型:在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的真實(shí)系統(tǒng)模型;(7)應(yīng)用方法:產(chǎn)品多樣性與過程動(dòng)態(tài)性的共同特征的抽象提取;(8)制造特征:各種材料在虛擬制造環(huán)境中的變化過程;(9)虛擬制造系統(tǒng)評(píng)價(jià):可制造性、工藝性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、質(zhì)量、工期等。

2.2 硬件配置

(1)輸人、輸出(1可Out)設(shè)備:基于CRT和LCD的頭盔顯示器(HMD)、普通計(jì)算機(jī)顯示器、投影系統(tǒng)、可視化眼鏡、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)背心、蹋滾、搖桿、觸墊、耳機(jī)和音響系統(tǒng)等;(2)信息采集、存儲(chǔ)設(shè)備;(3)能支持各種設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和高速運(yùn)算的計(jì)算機(jī)系統(tǒng);(4)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) (星型、環(huán)型、總線型)、通訊硬件等。

2.3 關(guān)健技術(shù)

(1)主模型技術(shù):以主模型為中心通向設(shè)計(jì)、制造和生產(chǎn)管理等各個(gè)環(huán)節(jié)并為其提供服務(wù)。主模型具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和分布式數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，它是一個(gè)可視化的數(shù)字產(chǎn)品模型，具有所代表的對(duì)象具有的各種性能和特征，并能并行地處理設(shè)計(jì)分析、加工制造、生產(chǎn)組織與調(diào)度等各種生產(chǎn)環(huán)節(jié)所面臨的諸多問題;(2)可視化技術(shù):主要包括計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、多媒體技術(shù)和仿真技術(shù);(3)虛擬制造系統(tǒng)與實(shí)際制造系統(tǒng)之間的映射:虛擬設(shè)備、虛擬傳感器、虛擬單元、虛擬生產(chǎn)線、虛擬車間和虛擬工廠的建立，以及各種虛擬設(shè)備的重用性和重組性技術(shù);(4)虛擬制造系統(tǒng)集成開發(fā)平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)、構(gòu)件庫及用戶開發(fā)環(huán)境;(5)虛擬環(huán)境下分布式并行處理的分布式智能協(xié)同求解模型;(6)虛擬公司的組織、調(diào)度及控制策略與技術(shù)。

3 利用現(xiàn)有的虛擬制造的研究成果，開發(fā)教學(xué)用的虛擬數(shù)控車間。

虛擬數(shù)控車間就是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建出一個(gè)可視化的車間環(huán)境，虛擬數(shù)控車間包含技術(shù)室、調(diào)度室、資料室、工藝室、毛坯室、仿真機(jī)床、刀具室等組成（圖一）。其中每一個(gè)可視化的物體代表一種操作對(duì)象。通過鼠標(biāo)的點(diǎn)擊以及拖曳操作，用戶可以進(jìn)行虛擬加工，了解關(guān)于機(jī)械制造中的相關(guān)技術(shù)。虛擬數(shù)控車間實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和數(shù)控仿真加工軟件、自動(dòng)編程技術(shù)、多媒體計(jì)算機(jī)技術(shù)。無論是學(xué)生還是教師，都可以自由地、無顧慮地隨時(shí)進(jìn)入虛擬數(shù)控車間，進(jìn)行各種數(shù)控設(shè)備的操作，同時(shí)還可以突破地域的限制，拓展至任一地域進(jìn)行。

虛擬數(shù)控車間最大的優(yōu)點(diǎn)是成本低，效率高。因?yàn)?軟件即為車間"，這樣就可解決因?qū)嶒?yàn)經(jīng)費(fèi)不足或高檔次、高價(jià)位設(shè)備缺乏所不能購買的設(shè)備，同時(shí)也不會(huì)造成因使用不當(dāng)、管理不善等因素造成的設(shè)備損壞丟失等現(xiàn)象。同時(shí)在虛擬數(shù)控車間操作可以保護(hù)環(huán)境，防止污染。

4 結(jié)論

通過對(duì)建成的虛擬數(shù)控車間的應(yīng)用，提高教學(xué)質(zhì)量，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力，改變了學(xué)生進(jìn)行數(shù)控設(shè)備操作的環(huán)境，提高了學(xué)習(xí)效率，在教學(xué)應(yīng)用中受到了教師和學(xué)生的好評(píng)。同時(shí)將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐，是職業(yè)教育提高教學(xué)質(zhì)量，降低教學(xué)成本的一個(gè)有效途徑。以后還應(yīng)當(dāng)吸收國外的成熟經(jīng)驗(yàn)，在研究中大膽創(chuàng)新，注重企業(yè)實(shí)際，使虛擬制造技術(shù)能在教學(xué)中更加廣泛的應(yīng)用起來。

[1]張申生：擬實(shí)制造與現(xiàn)代仿真技術(shù)，系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，1995,7（3）18～22

[2]馮曉江譯，虛擬制造綜述，現(xiàn)代科技譯叢，1998,1 7～8

[3]王宏典、張友良，虛擬制造技術(shù)及其應(yīng)用，1998,17（3）477～479