虛擬制造體系結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

1、虛擬制造體系結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用 一、CIMSERC的虛擬制造體系結(jié)構(gòu)及環(huán)境從產(chǎn)品生產(chǎn)的全過程來看，“虛擬制造”應(yīng)包括產(chǎn)品的“可制造性”、“可生產(chǎn)性”和“可合作性”。的支持”所謂“可制造性”系指所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品(包括零件、部件和整機(jī))的可加工性(鑄造、沖壓、焊接、切削等)和可裝配性；而“可生產(chǎn)性”系指在企業(yè)已有資源(廣義資源，如：設(shè)備、人力、原材料等)的約束條件下，如何優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃和調(diào)度，以滿足市場或顧客的要求；虛到制造技術(shù)的發(fā)展，虛擬制造還應(yīng)對被喻為二十一世紀(jì)的制造模式“敏捷制造”提供支持，即為企業(yè)動態(tài)聯(lián)盟(VE，Virtual Enterprise)的“可合作性”提供支持。而且，上述三個方面對一個企業(yè)

2、來說的相互關(guān)聯(lián)的，應(yīng)該形成一個集成的環(huán)境。因此，應(yīng)從三個層次，即“虛擬制造”，“虛擬生產(chǎn)”，“虛擬企業(yè)”開展產(chǎn)品全過程的虛擬制造技術(shù)及其集成的虛擬制造環(huán)境的研究，包括產(chǎn)品全信息模型、支持各層次虛擬制造的技術(shù)并開發(fā)相應(yīng)的支撐平臺、以及支持三個平臺及其集成的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)技術(shù)。 基于上述思想，國家CIMS工程技術(shù)研究中心根據(jù)先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的要求，正在著手建立虛擬制造研究基地。該基地建立了以下虛擬制造技術(shù)體系結(jié)構(gòu)： (1)虛擬制造平臺 該平臺支持產(chǎn)品的并行設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、加工、裝配及維修等過程，進(jìn)行可制造性(Manufacturability)分析(包括性能分析、費(fèi)用估計(jì)，工時估計(jì)等)。它

3、是以全信息模型為基礎(chǔ)的眾多仿真分析軟件的集成，包括力學(xué)、熱力學(xué)、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)等可制造性分析，具有以下研究環(huán)境： 基于產(chǎn)品技術(shù)復(fù)合化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與分析，除了幾何造型與特征造型等環(huán)境外，還包括運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、熱力學(xué)模型分析環(huán)境等； 基于仿真的零部件制造設(shè)計(jì)與分析，包括工藝生成優(yōu)化、工具設(shè)計(jì)優(yōu)化、刀位軌跡優(yōu)化、控制代碼優(yōu)化等； 基于仿真的制造過程碰撞干涉檢驗(yàn)及運(yùn)動軌跡檢驗(yàn)虛擬加工、虛擬機(jī)器人等； 材料加工成形仿真，包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)，加工成形過程溫度場、應(yīng)力場、流動場的分析，加工工藝優(yōu)化等； 產(chǎn)品虛擬裝配，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的形狀特征，精度特征，三維真實(shí)地模擬產(chǎn)品的裝配過程，并允許用戶以交互方式控制產(chǎn)品的三維真

4、實(shí)模擬裝配過程，以檢驗(yàn)產(chǎn)品的可裝配性。 (2)虛擬生產(chǎn)平臺 該平臺將支持生產(chǎn)環(huán)境的布局設(shè)計(jì)及設(shè)備集成、產(chǎn)品遠(yuǎn)程虛擬測試、企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃及調(diào)度的優(yōu)化，進(jìn)行可生產(chǎn)性(Producibility)分析。 虛擬生產(chǎn)環(huán)境布局 根據(jù)產(chǎn)品的工藝特征，生產(chǎn)場地，加工設(shè)備等信息，三維真實(shí)地模擬生產(chǎn)環(huán)境，并允許用戶交互地修改有關(guān)布局，對生產(chǎn)動態(tài)過程進(jìn)行模擬，統(tǒng)計(jì)相應(yīng)評價參數(shù)，對生產(chǎn)環(huán)境的布局進(jìn)行優(yōu)化； 虛擬設(shè)備集成 為不同廠家制造的生產(chǎn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)集成提供支撐環(huán)境，對不同集成方案進(jìn)行比較； 虛擬計(jì)劃與調(diào)度 根據(jù)產(chǎn)品的工藝特征，生產(chǎn)環(huán)境布局，模擬產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，并允許用戶以交互方式修改生產(chǎn)排程和進(jìn)行動態(tài)調(diào)度，統(tǒng)計(jì)有關(guān)評價

5、參數(shù)，以找出最滿意的生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃與調(diào)度方案。 (3)虛擬企業(yè)平臺 被預(yù)言為21世紀(jì)制造模式的敏捷制造，利用虛擬企業(yè)的形式，以實(shí)現(xiàn)勞動力、資源、資本、技術(shù)、管理和信息等的最優(yōu)配置，這給企業(yè)的運(yùn)行帶來了一系列新的技術(shù)要求。虛擬企業(yè)平臺為敏捷制造提供可合作性(Corporatability)分析支持。 虛擬企業(yè)協(xié)同工作環(huán)境 支持異地設(shè)計(jì)、異地裝配、異地測試的環(huán)境，特別是基于廣域網(wǎng)的三維圖形的異地快速傳送、過程控制、人機(jī)交互等環(huán)境。 虛擬企業(yè)動態(tài)組合及運(yùn)行支持環(huán)境，特別是INTERNET與INTRANET下的系統(tǒng)集成與任務(wù)協(xié)調(diào)環(huán)境。 (4)基于PDM的虛擬制造平臺集成 虛擬制造平臺應(yīng)具有統(tǒng)一的框架、統(tǒng)

6、一的數(shù)據(jù)模型，并具有開放的體系結(jié)構(gòu)。 支持虛擬制造的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型 提供虛擬制造環(huán)境下產(chǎn)品全局?jǐn)?shù)據(jù)模型定義的規(guī)范，多種產(chǎn)品信息(設(shè)計(jì)信息、幾何信息、加工信息、裝配信息等)的一致組織方式的研究環(huán)境。 基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)的虛擬制造集成技術(shù) 提供在PDM環(huán)境下，“零件/部件虛擬制造平臺”、“虛擬生產(chǎn)平臺”、“虛擬企業(yè)平臺”的集成技術(shù)研究環(huán)境； 基于PDM的產(chǎn)品開發(fā)過程集成 提供研究PDM應(yīng)用接口技術(shù)及過程管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)虛擬制造環(huán)境下產(chǎn)品開發(fā)全生命周期的過程集成。 圖4簡要給出了該基地的框架。該虛擬制造環(huán)境分為四部分，其中虛擬制造平臺的環(huán)境分為冷加工和熱加工兩部分，熱加工部分包括支持熱加工(鑄造

7、、沖壓)成形與分析的虛擬制造環(huán)境，為一局域網(wǎng)；冷加工部分包括支持異地協(xié)同設(shè)計(jì)的幾何造型設(shè)計(jì)與分析、切削加工及裝配的虛擬制造環(huán)境，是另一局域網(wǎng)；支持虛擬生產(chǎn)平臺、虛擬企業(yè)平臺的虛擬制造環(huán)境、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)(隱含在虛擬企業(yè)平臺中，負(fù)責(zé)上述四部分公共數(shù)據(jù)管理與維護(hù))也構(gòu)成局域網(wǎng)，三個局域網(wǎng)通過校園網(wǎng)相連，形成以PDM為中心的客戶/服務(wù)器環(huán)，傳送速度為100兆位/秒。 二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在生產(chǎn)制造上的應(yīng)用 一個產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到投放市場，即產(chǎn)品的生產(chǎn)周期按時間順序可分為概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、加工制造、測試和培訓(xùn)維護(hù)，VR技術(shù)可以在產(chǎn)品的全部生產(chǎn)周期中各個階段發(fā)揮重要的作用。下面著重談其中的幾個方面：

8、 1. 基于VR技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā) VR的沉浸性和交互性特性使得它成為用來設(shè)計(jì)新產(chǎn)品和開發(fā)相應(yīng)生產(chǎn)線的得力工具。首先考慮一下設(shè)計(jì)并構(gòu)造一個新產(chǎn)品原型所需要的時間。在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師要考慮到產(chǎn)品的各個方面，以滿足一定的安全性、人機(jī)工程學(xué)、易維護(hù)性和裝配標(biāo)準(zhǔn)。因此，設(shè)計(jì)過程中嚴(yán)格地受到生產(chǎn)、時間和費(fèi)用的限制。VR能完成比CAD更多的功能，CAD通常只考慮產(chǎn)品各個子部件的幾何特征和相互間的幾何約束。而在VR中，可以將以上提到的多種所需滿足的條件集成到設(shè)計(jì)過程中一并考慮，我們還能適當(dāng)減少子部件數(shù)目，甚至可以按比例放縮部件尺寸，這大大降低了設(shè)計(jì)費(fèi)用和原型構(gòu)造時間，更進(jìn)一步的達(dá)到產(chǎn)品用戶化的目標(biāo)。 例如，在

9、飛機(jī)制造業(yè)中，為評測某飛機(jī)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，要建立一系列與真實(shí)產(chǎn)品同尺寸的物理模型，并在模型上進(jìn)行反復(fù)修改，這要花去大量時間和費(fèi)用，而在過去是不可避免的。如今美國波音公司在飛機(jī)設(shè)計(jì)中運(yùn)用VR技術(shù)完全改變了這種設(shè)計(jì)方法。波音公司為設(shè)計(jì)波音777飛機(jī)，研制了一個名為“先進(jìn)計(jì)算機(jī)圖形交互應(yīng)用系統(tǒng)”的虛擬環(huán)境，用VR技術(shù)在此環(huán)境中建立一駕飛機(jī)的三維模型。這樣設(shè)計(jì)師戴上頭盔顯示器就可以在這駕虛擬飛機(jī)中遨游，檢查“飛機(jī)”的各項(xiàng)性能，同時，還可以檢查設(shè)備的安裝位置是否符合安裝要求等等。最終的實(shí)際飛機(jī)與設(shè)計(jì)方案相比，偏差小于千分之一寸，機(jī)翼和機(jī)身的接合一次成功，縮短了數(shù)千小時的設(shè)計(jì)工作量。 同樣，其它大型、復(fù)雜

10、的產(chǎn)品如船舶、潛艇設(shè)計(jì)等都可以運(yùn)用VR技術(shù)達(dá)到節(jié)約設(shè)計(jì)費(fèi)用和時間提高設(shè)計(jì)成功率的目標(biāo)。 采用VR技術(shù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品還有以下優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)品用戶化的一個不利效應(yīng)是增加了模型的變量數(shù)目，也就相應(yīng)地增加了生產(chǎn)的復(fù)雜度。VR可在要加工的部位加上紋理和圖形信息，這對機(jī)械制造起到很好的向?qū)ё饔?。同樣的過程可輔助訓(xùn)練和指導(dǎo)生產(chǎn)者，使他們能很快勝任新工作。虛擬環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)化可對某一項(xiàng)目合作組的成員進(jìn)行設(shè)計(jì)、生產(chǎn)訓(xùn)練。這些合作組的成員可以在同一個或不同工廠里，或者甚至是來自院校的專家和國外顧問。 2. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在制造車間設(shè)計(jì)中的作用 目前眾多的制造系統(tǒng)可按遞階控制層次分為四層：工廠層、車間層、制造單元層、設(shè)備層，其中車間

11、層的設(shè)計(jì)與車間中設(shè)備的利用率、產(chǎn)品的生產(chǎn)效率等密切相關(guān)，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，就會造成設(shè)備利用率低、車間產(chǎn)量不能滿足用戶需求、操作人員的空閑時間多。所以，如何合理地設(shè)計(jì)制造車間，保證它的高效運(yùn)行是一個非常重要的問題。采用VR技術(shù)能提高設(shè)計(jì)的可行性、有效性。 車間設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是把生產(chǎn)設(shè)備、刀具、夾具、工件、生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)度單等生產(chǎn)要素有機(jī)地組織起來。 在車間設(shè)計(jì)的初步階段，設(shè)計(jì)者根據(jù)用戶需求，確定車間的功能需求、車間的模式、主要加工設(shè)備、刀具和夾具的類型和數(shù)量，提出一組候選設(shè)計(jì)方案。VR的作用就是幫助設(shè)計(jì)者評測、修改設(shè)計(jì)方案，得到最佳結(jié)果。 在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)者完成對各個組成單元的完整描述，運(yùn)用VR造

12、型技術(shù)生成各個組成單元的虛擬表示，并進(jìn)而用這些虛擬單元布置整個車間，其中還可加上自動導(dǎo)引小車、機(jī)器人、倉庫等車間常用設(shè)備。設(shè)計(jì)者戴上頭盔顯示器就可穿行于虛擬車間之中，他可以開啟其中的任何設(shè)備，觀測運(yùn)行情況，凡是他能想到的檢測條件都立即能看到檢測結(jié)果。他還可以在視察時交互式地修改設(shè)計(jì)方案，比如移動設(shè)備的位置，增加刪除設(shè)備的個數(shù)，這種“所想即所見”的設(shè)計(jì)方式極大地提高了設(shè)計(jì)的成功率。 3. VR技術(shù)在生產(chǎn)計(jì)劃安排上的應(yīng)用 生產(chǎn)計(jì)劃安排的可視化對于制造決策是極其有用的，但目前它還未能完全實(shí)現(xiàn)。使用VR技術(shù)，可將成百上千件產(chǎn)品、成千上萬個零部件和許多其他生產(chǎn)要素可視化，輔助計(jì)劃者更好地評價、選擇生產(chǎn)計(jì)劃。 計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的圖像可將計(jì)劃者的大腦負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)移到他們的感官系統(tǒng)，這就加快了工作進(jìn)程。生產(chǎn)計(jì)劃數(shù)據(jù)變成立體的或多維的圖形，可表達(dá)復(fù)雜的內(nèi)部關(guān)系。 但問題并不是那么簡單，不能只簡單地用某種圖形來表示每種數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，否則只會生成一幅雜亂無章的圖像。在繪制之前，要先進(jìn)行視覺抽象，在2維平面上用一種形體代表一種數(shù)據(jù)，這種形體要滿足： （1）支持視覺感知； （2）構(gòu)造有效的視覺表示以便于各種層次的解釋； （3）保證結(jié)果圖像要便于商業(yè)經(jīng)理理解和使用。