虛擬制造技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用

摘 要 本文闡述了虛擬制造的定義與特點(diǎn)以及虛擬制造技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)系，介紹了虛擬制造的分類，重點(diǎn)介紹了虛擬制造技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用和典型的虛擬制造技術(shù)。

關(guān)鍵詞 虛擬制造 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 典型虛擬制造技術(shù)

一、虛擬制造的定義及特點(diǎn)

虛擬制造是20世紀(jì)80年代后期美國(guó)首先提出來的一種新思想，它是利用信息技術(shù)、仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等對(duì)現(xiàn)實(shí)制造活動(dòng)中的人、物、信息及產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、加工制造等生產(chǎn)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，預(yù)測(cè)、檢測(cè)、評(píng)價(jià)產(chǎn)品性能和產(chǎn)品的可制造性等，在產(chǎn)品實(shí)際生產(chǎn)前就采取預(yù)防措施，確保產(chǎn)品一次性開發(fā)成功，以達(dá)到降低成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的目的。

虛擬現(xiàn)實(shí) （ VR， Virtual Reality） 技術(shù)是使用感官組織仿真設(shè)備和真實(shí)或虛幻環(huán)境的動(dòng)態(tài)模型生成或創(chuàng)造出人能夠感知的環(huán)境或現(xiàn)實(shí)， 使人能夠憑借直覺作用于計(jì)算機(jī)從而產(chǎn)生三維仿真模型的虛擬環(huán)境?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬制造 （VM，Virtual Manufacturing） 技術(shù)是在一個(gè)統(tǒng)一模型之下對(duì)設(shè)計(jì)和制造等過程進(jìn)行集成， 它將與產(chǎn)品制造相關(guān)的各種過程與技術(shù)集成在三維的、動(dòng)態(tài)的仿真真實(shí)過程的實(shí)體數(shù)字模型之上。虛擬制造強(qiáng)調(diào)虛擬現(xiàn)實(shí)在設(shè)計(jì)和制造過程仿真中的應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)以一種可視化的直觀的方式增進(jìn)技術(shù)人員對(duì)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品或過程的理解，從而發(fā)現(xiàn)其中的問題。虛擬制造并不是真實(shí)的制造過程。它不產(chǎn)生真實(shí)產(chǎn)品，基本不消耗材料和能量，而是利用制造對(duì)象、制造資源和制造過程的模型來展現(xiàn)“制造”的本質(zhì)過程。

二、虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用

1.虛擬制造技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用情況

虛擬制造在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家， 如美國(guó)、德國(guó)、日本等已得到了不同程度的研究和應(yīng)用。在這一領(lǐng)域， 美國(guó)處于國(guó)際研究的前沿。福特汽車公司和克萊斯勒汽車公司在新型汽車的開發(fā)中已經(jīng)應(yīng)用了虛擬制造技術(shù)， 大大縮短了產(chǎn)品的發(fā)布時(shí)間。波音 777，其整機(jī)設(shè)計(jì)、部件測(cè)試、整機(jī)裝配以及各種環(huán)境下的試飛均是在計(jì)算機(jī)上完成的，其開發(fā)周期從過去的 8 年縮短到 5 年；Chrycler 公司與 IBM 合作開發(fā)在虛擬制造環(huán)境用于其新型車的研制，在樣車生產(chǎn)之前，即發(fā)現(xiàn)其定位系統(tǒng)及其他許多設(shè)計(jì)有缺陷，從而縮短了研制周期。

在我國(guó)， 清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等科研教學(xué)單位也已經(jīng)開展了這一領(lǐng)域的研究工作。當(dāng)前我國(guó)虛擬制造應(yīng)用的重點(diǎn)研究方向是基于我國(guó)國(guó)情， 進(jìn)行產(chǎn)品的三維虛擬設(shè)計(jì)、加工過程仿真和產(chǎn)品裝配仿真， 主要是研究如何生成可信度高的產(chǎn)品虛擬樣機(jī)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段能夠以較高的置信度預(yù)測(cè)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的最終性能和可制造性。

2.虛擬制造技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用

（1）虛擬企業(yè)。虛擬企業(yè)是指分布在不同地區(qū)的多個(gè)企業(yè)利用電子手段，為快速響應(yīng)市場(chǎng)需求而組成的動(dòng)態(tài)聯(lián)盟，是組織、人力、技術(shù)、信息等資源在完善的網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的有效集成。這種企業(yè)組織和生產(chǎn)模式可克服窨和時(shí)間的局限性，保持集中和分散之間穩(wěn)定、合理的平衡，具備系統(tǒng)優(yōu)化組合和有效協(xié)調(diào)的優(yōu)越性。

（2）虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)。例如飛機(jī)、汽車的外形設(shè)計(jì)，其形狀是否符合空氣動(dòng)力學(xué)原理、運(yùn)動(dòng)過程的阻力、其內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局的合理性等。在復(fù)雜管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，彩虛擬技術(shù)，設(shè)計(jì)者可“進(jìn)入其中”進(jìn)行管道布置，并可檢查是否發(fā)生干涉。這樣可提高設(shè)計(jì)效率，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問題，從而優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。例如波音777飛機(jī)有300萬(wàn)個(gè)零件，這些零件的設(shè)計(jì)以及整體設(shè)計(jì)在一個(gè)由數(shù)百臺(tái)工作站組成的虛擬環(huán)境中得以成功運(yùn)行。這個(gè)VMS是在原有的Boing-CAD的基礎(chǔ)上建立。設(shè)計(jì)師戴上頭盔顯示器后，能進(jìn)入虛擬“飛機(jī)”中，審視其各項(xiàng)設(shè)計(jì)。過去為造實(shí)體模型需60萬(wàn)美元，應(yīng)用VMT 后，節(jié)省了經(jīng)費(fèi)，縮短了研制周期，使最終的實(shí)際飛機(jī)與原方案相比，偏差小于1%，且實(shí)現(xiàn)機(jī)翼和機(jī)身結(jié)合的一次成功，縮短數(shù)千小時(shí)的設(shè)計(jì)工作量。

（3）虛擬產(chǎn)品制造。應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì)零件的加工方法、工序順序、工裝的選用、工藝參數(shù)的選用，加工工藝性、裝配工藝性、配合件之間的配合性、運(yùn)行物件的運(yùn)動(dòng)性等均可建模仿真， 提前發(fā)現(xiàn)加工缺陷和裝配時(shí)出現(xiàn)的問題，從而優(yōu)化制造過程、提高加工效率。

（4）虛擬生產(chǎn)過程。產(chǎn)品生產(chǎn)過程的合理制定，人力資源、制造資源、物料庫(kù)存、生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)等，均可通過計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)還可對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析，對(duì)生產(chǎn)過程的資金進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，對(duì)產(chǎn)品市場(chǎng)進(jìn)行分析預(yù)測(cè)等，從而對(duì)人力、制造資源的合理配置，對(duì)縮短生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本意義重大。John Deere公司運(yùn)用VMT進(jìn)行弧焊生產(chǎn)系統(tǒng)的安裝，EDS 公司應(yīng)用DENEB 軟件為通用汽車公司的中、高檔毫華汽車分廠進(jìn)行裝配生產(chǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，GM 公司也為此節(jié)省數(shù)百萬(wàn)美元，并提前了上市時(shí)間。

3.典型的虛擬制造技術(shù)

（1）虛擬裝配。裝配是產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)，虛擬裝配則是裝配過程在計(jì)算機(jī)上的本質(zhì)實(shí)現(xiàn)，因而是虛擬裝配的重要組成部分。它能夠基于產(chǎn)品的數(shù)字化實(shí)體模型，在計(jì)算機(jī)上分析與驗(yàn)證產(chǎn)品的裝配性能及工藝過程，從而提高產(chǎn)品的可裝配性。

虛擬裝配模型是分析裝配問題的基礎(chǔ)，因此，面向裝配過程的、支持虛擬裝配中各種需要的產(chǎn)品裝配模型在虛擬裝配中十分重要，模型的特點(diǎn)和優(yōu)劣在很大程度上決定了系統(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的功能。

（2）多學(xué)科協(xié)同仿真。多學(xué)科協(xié)同仿真就是要在系統(tǒng)工程理論的指導(dǎo)下，基于復(fù)雜產(chǎn)品中各個(gè)學(xué)科之間的內(nèi)在交互關(guān)系，將位于不同地點(diǎn)、基于不同計(jì)算機(jī)平臺(tái)、采用不同建模方法建立的混合異構(gòu)仿真模型，在分布式環(huán)境中聯(lián)合起來進(jìn)行多學(xué)科協(xié)同仿真。

（3）虛擬車間布局設(shè)計(jì)。制造系統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)就是在企業(yè)經(jīng)營(yíng)策略的指導(dǎo)下， 針對(duì)生產(chǎn)過程， 將人員物料及所需的相關(guān)設(shè)備設(shè)施等，做最有效的組合和規(guī)劃，并與其他相關(guān)設(shè)施協(xié)調(diào)， 以期獲得安全、效率與經(jīng)濟(jì)的操作， 滿足企業(yè)經(jīng)營(yíng)需求。運(yùn)用面向?qū)ο蟮哪M仿真，可以幫助使用者建立用于規(guī)劃、設(shè)計(jì)和流程優(yōu)化的虛擬模型，依據(jù)不同決策變量之組合， 分析設(shè)備使用率、系統(tǒng)產(chǎn)能、有效產(chǎn)出率， 以及交貨期、成本等策略， 達(dá)到產(chǎn)能最大化、排程最優(yōu)化、半成品及庫(kù)存最小化等目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]韓寶菊，王衛(wèi)東.虛擬制造技術(shù)及應(yīng)用[J].液壓氣動(dòng)與密封.2010

作者簡(jiǎn)介：

陳昕陽(yáng)，（1985～），男，江蘇徐州人，主要從事計(jì)算機(jī)繪圖教學(xué)研究。