虛擬制造及其關(guān)鍵技術(shù)

1、虛擬制造及其關(guān)鍵技術(shù)市場(chǎng)全球化使企業(yè)面臨的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手不斷增多，面臨的競(jìng)爭(zhēng)壓力日益加重，隨著產(chǎn)品更新 換代速度的加快，交貨時(shí)間和產(chǎn)品質(zhì)量較之于成本成為企業(yè)參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)更為重要的手 段。與此同時(shí)，由于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而引起的對(duì)環(huán)境和社會(huì)因素的日益關(guān) 注，導(dǎo)致了產(chǎn)品生命周期概念和可持 續(xù)性工業(yè)生產(chǎn)的出現(xiàn)。面對(duì)制造環(huán)境的復(fù)雜性、制 造產(chǎn)品的復(fù)雜性以及制造本身的復(fù)雜性 （包括制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和制造過程的復(fù)雜 性）1的不斷提高，企業(yè)能否在瞬息萬(wàn)變的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地，取決于企業(yè)的整體 競(jìng)爭(zhēng)能力，即取決于其能否通過信息集成、智能集成、資源集成、技術(shù)集成、過程集成、 串并行工作機(jī)制集成、組織管

2、理集成以及人機(jī)集成實(shí)現(xiàn)分布式協(xié)同求解，從而使企業(yè)的 運(yùn)作達(dá)到全局最優(yōu)，資源得到合理的配置和利用，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。虛擬制造使企業(yè)的 全面集成成為可能 ，從而作為一種 21 世紀(jì)的新型制造策略和方法正越來(lái)越受到工業(yè)界和 學(xué)術(shù)界的重視。 二、虛擬制造的概念和功能1虛擬制造的概念 由于虛擬制造研究的出發(fā)點(diǎn)、側(cè)重點(diǎn)以及應(yīng)用場(chǎng)合等方面的不同， 因此存在對(duì)虛擬制造各種不同的定義。Kimura2、Onosato3等將虛擬制造定義為現(xiàn)實(shí)制造系統(tǒng)在虛擬環(huán)境下的映射，是針對(duì)現(xiàn)實(shí)制造環(huán)境的虛擬模型，該模型為生產(chǎn)規(guī)劃、 調(diào)度和管理提供測(cè)試環(huán)境。Cheta nShukla4等將虛擬制造定義為一個(gè)正在發(fā)展中的研究 領(lǐng)域，其

3、目的是通過虛擬 現(xiàn)實(shí)技術(shù)將各種與制造有關(guān)的技術(shù)集成起來(lái)。 Hitchcock 等則將 其定義為一個(gè)用于提高制造企業(yè)內(nèi)各級(jí)決策和控制能力的集成的、虛擬的制造環(huán)境。而Nahavandi和Preece對(duì)虛擬制造定義則與為 Kimura的定義有些相似,將其定義為已經(jīng)存在或還不存在的制造系統(tǒng)的仿真模型，該模型具有與制造 過程、過程控制和管理以及 產(chǎn)品有關(guān)的所有信息。 Lin5 ， 6等認(rèn)為虛擬制造是應(yīng)用計(jì)算機(jī)模型和制造過程仿真來(lái)輔 助產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造。lwata7等認(rèn)為虛擬制造系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)溝通制造工程和信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)建立新型信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)最有希望的方法。 K. I. Lee和S. D . Noh8則認(rèn)為虛擬制

4、造系 統(tǒng)是表示現(xiàn)實(shí)制造系統(tǒng)物理和邏輯結(jié)構(gòu)和特性的一種集成計(jì)算機(jī)模型 。 基于對(duì)當(dāng)前虛擬 制造研究的歸納總結(jié)和對(duì)虛擬制造的研究，我們認(rèn)為對(duì)虛擬制造的定義應(yīng)該分為 3 個(gè)層 次：(1) 虛擬制造作為一種哲理、一種制造策略，為制造業(yè)的發(fā)展指明了方向，在制造企業(yè)組 織管理、產(chǎn)品開發(fā)過程、資源、工作機(jī)制等諸方面集成基礎(chǔ)之上，使其成為一個(gè)有機(jī)整 體，以達(dá)到提高整體的運(yùn)作及全局最優(yōu)決策的效能和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的目的。(2) 同時(shí)，虛擬制造作為一種現(xiàn)代制造環(huán)境下的制造理論和方法論，為整個(gè)制造企業(yè)的產(chǎn) 品開發(fā)過程提供一種實(shí)施虛擬制造的方法，為實(shí)現(xiàn)企業(yè)的全面集成提供指導(dǎo)原則、實(shí)施 方法和途徑。(3) 最后，虛擬制造是一

5、種在計(jì)算機(jī)技術(shù)支持下的集成的、虛擬的制造環(huán)境。下面本文將 對(duì)這種集成的、虛擬的制造環(huán)境的功能進(jìn)行詳細(xì)討論。2虛擬制造的功能要求(1) 通過虛擬制造系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)過程的集成和制造企業(yè)的全面集成根據(jù)制造 企業(yè)策略，基于虛擬制造系統(tǒng)，在信息集成和功能集成的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)過程的 集成。通過對(duì)整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過程的建模、管理、控制和協(xié)調(diào)，對(duì)企業(yè)資源、技術(shù)、人員 進(jìn)行合理組織和配置，面向產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)策略與企業(yè)經(jīng)營(yíng)、工程 設(shè)計(jì)和生產(chǎn)活動(dòng)的集成 (縱向集成 )以及在產(chǎn)品開發(fā)的各個(gè)階段分布式并行處理虛擬環(huán)境 下多學(xué)科小組的協(xié)同工作 (橫向集成 )，快速適應(yīng)市場(chǎng)和用戶需求的變化，以

6、最快的速度向 市場(chǎng)和用戶提供優(yōu)質(zhì)低價(jià)產(chǎn)品。(2) 實(shí)現(xiàn)了虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)虛擬制造仿真閉環(huán)產(chǎn)品開發(fā)模式各種建模、仿真和分析技術(shù)和 工具的大量使用，實(shí)現(xiàn)了虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)虛擬制造仿真閉環(huán)產(chǎn)品開發(fā)模式。虛擬制造系 統(tǒng)能夠在產(chǎn)品開發(fā)的各個(gè)階段，根據(jù)用戶對(duì)產(chǎn)品的要求，對(duì)虛擬產(chǎn)品原型的結(jié)構(gòu)、功能、 性能、加工、裝配、制造過程以及生產(chǎn)過程在虛擬環(huán)境下進(jìn)行仿真，并根據(jù)產(chǎn)品評(píng)價(jià)體 系提供的方法、規(guī)范和指標(biāo)，為設(shè)計(jì)修改和優(yōu)化提供指導(dǎo)和依據(jù)。由于以上開發(fā)過程都 是在虛擬環(huán)境下針對(duì)虛擬產(chǎn)品原型進(jìn)行的 。所以大大縮短了開發(fā)時(shí)間 ，節(jié)約了研制經(jīng)費(fèi)， 并且能夠在產(chǎn)品開發(fā)的早期階段發(fā)現(xiàn)可能存在的問題，使其在成為事實(shí)之前予以解決； 又

7、由于開發(fā)進(jìn)程的加快，使設(shè)計(jì) 評(píng)價(jià) 修改從多次串行工作模式下的小的局部循 環(huán)過渡到基于并行工作模式的整體大循環(huán)成為可能，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多個(gè)解決方案的比 較和選擇。(3) 通過多層次、分階段、多目標(biāo)的決策支持，提高產(chǎn)品開發(fā)過程中的決策和控制能力通 過虛擬制造系統(tǒng)在人與系統(tǒng)之間、人工智能與非人工智能技術(shù)與工具之間、設(shè)計(jì)人員之 間、現(xiàn)實(shí)世界與虛擬的計(jì)算機(jī)制造環(huán)境之間、不同的產(chǎn)品開發(fā)過程之間、不同的知識(shí)來(lái) 源之間等建立起了連接的紐帶。在分布式并行處理環(huán)境下，在對(duì)產(chǎn)品開發(fā)過程多層次、 分階段、多目標(biāo)的智能決策支持下，通過任務(wù)規(guī)劃、調(diào)度、分配和協(xié)調(diào)，在評(píng)價(jià)系統(tǒng)支 持下，在產(chǎn)品開發(fā)的不同階段，根據(jù)不同的評(píng)價(jià)體

8、系指標(biāo)及規(guī)范，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品、生產(chǎn)制 造過程在時(shí)間、質(zhì)量、成本等多個(gè)目標(biāo)的評(píng)價(jià)，通過協(xié)同決策，提高企業(yè)的決策和控制 能力，從而實(shí)現(xiàn)提高運(yùn)行效率以達(dá)到全局尋優(yōu)的目標(biāo)。這包括：(1) 根據(jù)市場(chǎng)需求以及企業(yè)資源狀況和技術(shù)條件等 ，進(jìn)行經(jīng)營(yíng)決策 ，確定產(chǎn)品類型和規(guī)模， 對(duì)可能取得的效益和可能遇到的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估；(2) 在虛擬環(huán)境下，基于分布式并行處理技術(shù)，在對(duì)產(chǎn)品及其相關(guān)過程 (包括制造過程和支 持過程 )進(jìn)行并行地、集成地設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，支持產(chǎn)品開發(fā)人員對(duì)產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)以及工藝設(shè)計(jì)及組織生產(chǎn)等進(jìn)行協(xié)同決策；(3) 根據(jù)企業(yè)資源情況、產(chǎn)品類型和規(guī)模，制定生產(chǎn)規(guī)劃，控制和協(xié)調(diào)生產(chǎn)活動(dòng)，合

9、理配 置和利用企業(yè)的人、財(cái)、物資源。(4) 通過虛擬制造系統(tǒng)與現(xiàn)實(shí)制造系統(tǒng)的集成，提高企業(yè)自我調(diào)節(jié)、自我完善、自我改造 和自我發(fā)展的能力基于企業(yè)建模的虛擬制造系統(tǒng)，通過信息集成、組織管理集成、智能 集成、資源集成、技術(shù)集成、串并行工作機(jī)制集成、過程集成以及人機(jī)集成等，實(shí)現(xiàn)企 業(yè)的全面集成，為使其能夠根據(jù)復(fù)雜多變的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，監(jiān)控現(xiàn)實(shí)制造系統(tǒng)的運(yùn)行，不斷 調(diào)整組 織結(jié)構(gòu)，優(yōu)化運(yùn)營(yíng)過程，合理配置人、財(cái)、物力資源，革新技術(shù)和提高人員素質(zhì) 等提供了一種系統(tǒng)的方法和途徑，使企業(yè)的自我調(diào)節(jié)、自我完善、自我改造和自我發(fā)展 的能力大為提高。(5) 提供一種具有制造語(yǔ)義的制造信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)虛擬制造系統(tǒng)能夠在制造系統(tǒng)

10、和信息基礎(chǔ) 結(jié)構(gòu)之間起到橋梁作用，為整個(gè)企業(yè)的制造活動(dòng)提供一個(gè)具有制造語(yǔ)義的制造信息基礎(chǔ) 結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)和加快制造活動(dòng)之間各種制造信息的交換。三、研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)虛擬制造是近幾年來(lái)國(guó)際上提出的 ，完整的理論體系還沒有形成 ，其研究處于探索階段雖然某些基礎(chǔ)單元技術(shù)已有了較深入的研究，但即使在歐美日等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，目前也 主要是分析虛擬環(huán)境下基礎(chǔ)單元技術(shù)的要求，對(duì)其進(jìn)行理論上的研究。美國(guó)自然科學(xué)基 金(NSF)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所(NIST)和美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署(ARPA)資助和 支持下的幾所大學(xué)和企業(yè)聯(lián)合研究中心正在進(jìn)行虛擬制造各個(gè)領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)開發(fā) 方面的研究。日本東京大學(xué)和大阪大

11、學(xué)的研究人員自1993 年起也在 CIRP 上發(fā)表論文，論述虛擬環(huán)境下產(chǎn)品建模的需求及其關(guān)鍵技術(shù)、虛擬制造系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)等 方面的研究成 果。虛擬制造對(duì)于很多工業(yè)部門來(lái)說(shuō)，仍處于醞釀階段 9 ，對(duì)于大多數(shù)企業(yè)還僅僅只有單 元技術(shù)，目前已真正在開始從事虛擬制造的企業(yè)有波音的 777 部等。我國(guó)在虛擬制造領(lǐng)域方面的研究基本上處于剛剛起步階段 。為適應(yīng)制造技術(shù)今后的發(fā)展 趨勢(shì)，有必要對(duì)其進(jìn)行深入研究，使我國(guó)的制造技術(shù)上一個(gè)新臺(tái)階，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平， 并為我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展提供一條新途徑。其關(guān)鍵技術(shù)的研究分為以下4個(gè)層 次10：1虛擬制造哲理的研究虛擬制造哲理的研究為制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)從精良制造向敏捷制造的轉(zhuǎn)變

12、提供指導(dǎo)思想 。在信 息集成的基礎(chǔ)上，通過組織管理、技術(shù)、資源和人機(jī)集成實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)過程的集成。在 整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過程中，在基于虛擬現(xiàn)實(shí)、科學(xué)計(jì)算可視化、多媒體等技術(shù)的虛擬使用環(huán) 境、虛擬性能測(cè)試環(huán)境以及虛擬制造環(huán)境等虛擬環(huán)境下，在各種人工智能技術(shù)和方法的 支持下，通過集成地應(yīng)用各種建模、仿真和分析技術(shù)和工具，實(shí)現(xiàn)集成的、并行的產(chǎn)品 和過程開發(fā)以及對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過程以及生產(chǎn)規(guī)劃、調(diào)度和管理的測(cè)試，利用分布式 協(xié)同求解，以提高制造企業(yè)內(nèi)各級(jí)決策和控制能力，使企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)自我調(diào)節(jié)、自我完 善、自我改造和自我發(fā)展，以達(dá)到提高整體的運(yùn)作效能、實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)決策和提高市場(chǎng) 競(jìng)爭(zhēng)力的目的。2虛擬制造技術(shù)層

13、虛擬制造技術(shù)的研究為虛擬制造的實(shí)施和虛擬制造系統(tǒng)的建立提供理論和技術(shù)上的支 持。它由3大主體技術(shù)群 （建模技術(shù)群、仿真技術(shù)群、控制技術(shù)群 ）和一個(gè)支撐技術(shù)群 （為3 大主體技術(shù)群的實(shí)施提供支持 ）組成。（1）建模技術(shù)群建模技術(shù)群是指用來(lái)開發(fā)虛擬制造系統(tǒng)中各種模型的所有技術(shù)與方法。主 要包括產(chǎn)品、過程及生產(chǎn)系統(tǒng)建模技術(shù)：虛擬環(huán)境下的產(chǎn)品模型除了要表達(dá)產(chǎn)品的幾 何拓?fù)洹⑻卣?、產(chǎn)品所具有的功能和特性等信息外，還應(yīng)具有動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，以反映在不 同開發(fā)階段產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能等方面的變化；此外，還應(yīng)能夠通過調(diào)度、管理、控制和決 策機(jī)制 為設(shè)計(jì)分析、加工制造、生產(chǎn)規(guī)劃與調(diào)度等各個(gè)環(huán)節(jié)提供信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)其能夠進(jìn) 行多用

14、戶 （智能主體 ）并行演進(jìn)。通過在虛擬環(huán)境下，產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造生產(chǎn)過程集成化方 面的研究，綜合利用虛擬產(chǎn)品、制造過程以及生產(chǎn)系統(tǒng)等各種模型，對(duì)整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)、 制造和生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真；虛擬公司建模技術(shù)；虛擬制造環(huán)境與現(xiàn)實(shí)制造環(huán)境之間 結(jié)構(gòu)、功能等映射關(guān)系的管理、維護(hù)、監(jiān)控和更新問題；基于分布式并行處理環(huán)境下 的虛擬制造開放式體系結(jié)構(gòu)的研究；面向整個(gè)產(chǎn)品生命周期綜合經(jīng)濟(jì)模型和產(chǎn)品評(píng)價(jià) 體系：為產(chǎn)品研制開發(fā)過程中的經(jīng)營(yíng)決策、生產(chǎn)決策、產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過程決策以及效 益和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等各個(gè)方面的評(píng)價(jià)提供方法、規(guī)范和指標(biāo)等。（2）仿真技術(shù)群仿真技術(shù)群是指運(yùn)行和操作構(gòu)成虛擬制造系統(tǒng)的各種模型的所有方法和技 術(shù)。分布式

15、交互仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在仿真中的應(yīng)用是虛擬制造對(duì)仿真提出的新要 求。(3) 控制技術(shù)群控制技術(shù)群是指建模過程、仿真過程所用到的各種管理、組織與控制技術(shù) 與方法。模型部件的組織、調(diào)度策略及交換技術(shù)；仿真過程的工作流程與信息流程 控制；虛擬制造方法論；概念設(shè)計(jì)與制造方法、加工過程、成本估計(jì)集成技術(shù)； 集成動(dòng)態(tài)的、分布式的、協(xié)作模型的集成技術(shù)；實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)的沖突求解技術(shù)；基 于仿真的推理技術(shù)；模型及仿真結(jié)果的驗(yàn)證、確認(rèn)技術(shù)；虛擬制造環(huán)境下，產(chǎn)品開 發(fā)過程中的調(diào)度與控制機(jī)制的研究，以及面向產(chǎn)品開發(fā)過程的組織與管理等問題的研究 等。(4) 支撐技術(shù)群支撐技術(shù)群是指支持虛擬制造系統(tǒng)開發(fā)、控制與運(yùn)行的基

16、礎(chǔ)性技術(shù)。主要 包括：數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)；人工智能在制造企業(yè)各級(jí)組織、產(chǎn)品生命周期的各個(gè)階段決策 中應(yīng)用的研究；系統(tǒng)集成技術(shù)；虛擬環(huán)境下分布式并行處理多智能主體協(xié)同求解技 術(shù)與系統(tǒng)的研究，以及全局最優(yōu)決策理論和技術(shù)的研究；綜合可視化技術(shù)(虛擬現(xiàn)實(shí)技 術(shù)、科學(xué)可視化技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真和多媒體技術(shù) )在虛擬制造環(huán)境構(gòu)造中的應(yīng)用； 計(jì) 算機(jī)軟硬件技術(shù)以及通訊技術(shù)等。3.虛擬制造原型系統(tǒng)層 在虛擬制造哲理和技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，虛擬制造原型系統(tǒng)的研究和開發(fā)可以從以下 3 個(gè)方面進(jìn)行。(1)從產(chǎn)品整個(gè)生命周期的各個(gè)階段出發(fā)，建立面向經(jīng)營(yíng)決策、產(chǎn)品決策、設(shè)計(jì)、制造， 一直到產(chǎn)品的回收和再利用等各個(gè)階段或整個(gè)生命周期的原型系統(tǒng)2）從制造企業(yè)的各個(gè)組成要素出發(fā)，面向技術(shù)、組