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摘要：随着计算机网络和虚拟现实等先进技术的出现，虚拟制造技术应运而生，它的诞生是现代科学技术和生产技术发展的必然结果，是各种现代制造技术与系统发展的必然趋势。
关键词：计算机 虚拟制造技术 现代制造业 应用
中图分类号：G623.58 文献标识码：A 文章编号：
前言
所谓的虚拟制造,目前还没有统一的定义标准,但综合地讲,虚拟制造可定义为是利用仿真与虚拟现实技术,在高性能计算机及高速网络的支持下,采用群组协同工作,通过模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题,实现产品制造的本质过程,包括产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验,并进行过程管理与控制。
一、虚拟制造的关键技术
虚拟制造是一种新的制造技术,它以信息技术、仿真技术和虚拟现实技术为支持。虚拟制造技术涉及面很广,诸如环境构成技术、过程特征抽取、元模型、集成基础结构的体系结构、制造特征数据集成、多学科交驻功能、决策支持工具、接口技术、虚拟现实技术、建模与仿真技术等。其中后3项是虚拟制造的核心技术。
1、建模技术
虚拟制造系统VMS (VirtualManufacturing System)是现实制造系统RMS(RealManufacturing Systern)在虚拟环境下的映射,是RMS的模型化、形式化和计算机化的抽象描述和表示。VMS的建模应包括:生产模型、产品模型和工艺模型的信息体系结构。
(1) 生产模型可归纳为静态描述和动态描述2 个方面。静态描述是指系统生产能力和生产特性的描述。动态描述是指在己知系统状态和需求特性的基础上预测产品生产的全过程。
(2) 产品模型是制造过程中,各类实体对象模型的集合。目前产品模型描述的信息有产品结构明细表、产品形状特征等静态信息。而对VMS来说,要使产品实施过程中的全部活动集成,就必须具有完备的产品模型,所以虚拟制造下的产品模型不再是单一的静态特征模型,它能通过映射、抽象等方法提取产品实施中各活动所需的模型。
(3) 工艺模型将工艺参数与影响制造功能的产品设计属性联系起来。以反应生产模型与产品模型之间的交互作用。工艺模型必须具备以下功能:计算机工艺仿真、制造数据表、制造规划、统计模型以及物理和数学模型。
2、仿真技术
仿真就是应用计算机对复杂的现实系统经过抽象和简化形成系统模型,然后在分析的基础上运行此模型,从而得到系统一系列的统计性能。由于仿真是以系统模型为对象的研究方法,而不干扰实际生产系统,同时仿真可以利用计算机的快速运算能力,用很短时间模拟实际生产中需要很长时间的生产周期,因此可以缩短决策时间,避免资金、人力和时间的浪费。计算机还可以重复仿真,优化实施方案。
仿真的基本步骤为:研究系统→收集数据→建立系统模型→确定仿真算法→建立仿真模型→运行仿真模型→输出结果并分析。
产品制造过程仿真,可归纳为制造系统仿真和加工过程仿真。虚拟制造系统中的产品开发涉及到产品建模仿真、设计过程规划仿真、设计思维过程和设计交互行为仿真等,以便对设计结果进行评价,实现设计过程早期反馈,减少或避免产品设计错误。加工过程仿真,包括切削过程仿真、装配过程仿真,检验过程仿真以及焊接、压力加工、铸造仿真等。目前上述两类仿真过程是独立发展起来的,尚不能集成,而VM中应建立面向制造全过程的统一仿真。
3、虚拟现实技术VRT(Virtual Reality Technology)
虚拟现实技术是为改善人与计算机的交互万式,提高计算机可操作性中产生的,是人的想象力和电子学等相结合而产生的一项综合技术,它综合利用计算机图形系统,各种显示和控制等接口设备及多媒体计算机仿真技术,在计算机上生成一种特殊的、可交互的三维环境(称为虚拟环境) ,虚拟现实系统VRS(Virtual Reality Systern)包括操作者、机器和人机接口3个基本要素,用户可以通过各种传感系统与这种环境进行自然交互,使人产生身临其境的沉浸感觉。它不仅提高了人与计算机之间的和谐程度,也成为一种有力的仿真工具。利用VR系统可以对真实世界进行动态模拟,计算机能够跟踪用户的交互输入,并及时按输入修改虚拟环境,使人产生身临其境的感觉,充分发挥用户的想象力。交互性、沉浸性和想象力是VR系统在人—机关系上的基本特征。这3个特征充分反映了人的主导作用:从过去只能从外部观看计算机的处理结果,到能沉浸到计算机创建的环境中去;从只能通过键盘、鼠标同计算机环境中单维数字化信息发生交互作用,到有可能从定性和定量综合的环境中得到感性和理性的认识,让用户沉浸其中,以获取知识和形成新的概念。
二、虚拟制造技术在制造业中的应用
虚拟制造技术在制造业中的应用:机床是制造业的主要生产设备,制造业中许许多多产品的零件都直接或间接地经过机床加工。随着社会的进步,人们对各类产品的要求也越来越高,像汽车这样大批量生产的产品,也要求其个性化,因此不能采用传统的刚性生产线,要考虑适当的柔性。一些个批量生产的产品,其复杂度要求和精度要求也使通用机床难以胜任。相比之下数控机床恰恰满足了这些要求。基于虚拟制造技术的数控机床设计方法不仅能在各种虚拟环境中真实地模拟机床和的运动,并对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析,观察并实验机床各组成部件的相互运动情况,以此来修改设计上的缺陷,这样对整个系统进行不断改进,直至获得最优化设计方案,不但可以缩短开发周期,而且设计质量和效率得到了提高。这种设计方法将逐渐被企业所采用。
吊具在机械、有色金属、冶金行业中已得到广泛应用,但在实际开发设计中,由于不同用户根据自身需求对产品提出了不同指标、性能等诸多方面的设计要求,从而使设计单位重复工作多,工作任务量大,同时在关键结构技术及改造也有一定的难度。对于大型吊具的设计,引入虚拟制造技术,可以大大提高设计效率、优化设计质量。
三、虚拟制造技术应用现状
1、产品的外形设计:采用虚拟现实技术的外形设计,可以进行复杂的造型设计, 并对其参数可随时修改、评测。它可以直接用于装配、仿真和加工。
2、产品的布局设计:在复杂产品的布局设计中, 通过虚拟现实技术可以直观地进行设计, 避免可能出现的干涉和其它不合理问题。
3、产品的运动和动力学仿真:产品设计必须解决运动构件工作时的运动协调关系, 运动范围设计, 可能的运动干涉检查, 产品动力学性能、强度、刚度等。
4、热加工工艺模拟:利用数值模拟和物理模拟方法,对金属材料热成形过程和材料成形过程进行动态仿真,预测不同条件下成形的材料的组织、性能及质量, 进而实现热成形件的质量与性能的优化设计。
5、加工过程仿真:产品设计的合理性、可加工性、加工方法, 机床和工艺参数的选用, 以及加工过程中可能出现的加工缺陷等, 这些问题需要经过仿真、分析与处理。
6、产品装配仿真:机械产品的配合性和可装配性是设计人员常易出现错误的地方, 以往要到产品装配的时候才能发现, 但采用虚拟制造技术可以在设计阶段就对产品进行装配, 发现装配问题可进行修改,确保设计的准确。
7、虚拟样机与产品工作性能评测:在虚拟制造中可以模擬出产品的使用情况, 对存在问题的地方进行修改,提高产品一次试验成功率。
8、企业生产过程的仿真与优化:产品生产过程的合理制定、工厂人力资源、制造资源的合理配置, 对缩短生产周期和降低成本有更大影响。
结束语
虚拟制造（Virtual Manufacture) 出现于上世纪90 年代，是以计算机软硬件技术及网络技术的迅速发展为基础的一种全新的制造体系和模式。作为一种先进的制造模式，虚拟制造的应用范围必然会不断扩大，给更多的企业带来更大的收益。
参考文献
[1] 刘蓓华.虚拟制造技术在我国的发展现状及策略研究[J]. 商场现代化. 2009(04)
[2] 朱焕立,李响.虚拟制造技术的产生、应用及研究现状[J]. 科技风. 2009(06)
[3] 杨春芳,杨春来,徐巍.虚拟制造技术及应用[J]. 商场现代化. 2008(36)
[4] 于位灵,万军.虚拟制造技术(VMT)的发展与应用研究[J]. 制造业自动化. 2008(02)
关键词：计算机 虚拟制造技术 现代制造业 应用
中图分类号：G623.58 文献标识码：A 文章编号：
前言
所谓的虚拟制造,目前还没有统一的定义标准,但综合地讲,虚拟制造可定义为是利用仿真与虚拟现实技术,在高性能计算机及高速网络的支持下,采用群组协同工作,通过模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题,实现产品制造的本质过程,包括产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验,并进行过程管理与控制。
一、虚拟制造的关键技术
虚拟制造是一种新的制造技术,它以信息技术、仿真技术和虚拟现实技术为支持。虚拟制造技术涉及面很广,诸如环境构成技术、过程特征抽取、元模型、集成基础结构的体系结构、制造特征数据集成、多学科交驻功能、决策支持工具、接口技术、虚拟现实技术、建模与仿真技术等。其中后3项是虚拟制造的核心技术。
1、建模技术
虚拟制造系统VMS (VirtualManufacturing System)是现实制造系统RMS(RealManufacturing Systern)在虚拟环境下的映射,是RMS的模型化、形式化和计算机化的抽象描述和表示。VMS的建模应包括:生产模型、产品模型和工艺模型的信息体系结构。
(1) 生产模型可归纳为静态描述和动态描述2 个方面。静态描述是指系统生产能力和生产特性的描述。动态描述是指在己知系统状态和需求特性的基础上预测产品生产的全过程。
(2) 产品模型是制造过程中,各类实体对象模型的集合。目前产品模型描述的信息有产品结构明细表、产品形状特征等静态信息。而对VMS来说,要使产品实施过程中的全部活动集成,就必须具有完备的产品模型,所以虚拟制造下的产品模型不再是单一的静态特征模型,它能通过映射、抽象等方法提取产品实施中各活动所需的模型。
(3) 工艺模型将工艺参数与影响制造功能的产品设计属性联系起来。以反应生产模型与产品模型之间的交互作用。工艺模型必须具备以下功能:计算机工艺仿真、制造数据表、制造规划、统计模型以及物理和数学模型。
2、仿真技术
仿真就是应用计算机对复杂的现实系统经过抽象和简化形成系统模型,然后在分析的基础上运行此模型,从而得到系统一系列的统计性能。由于仿真是以系统模型为对象的研究方法,而不干扰实际生产系统,同时仿真可以利用计算机的快速运算能力,用很短时间模拟实际生产中需要很长时间的生产周期,因此可以缩短决策时间,避免资金、人力和时间的浪费。计算机还可以重复仿真,优化实施方案。
仿真的基本步骤为:研究系统→收集数据→建立系统模型→确定仿真算法→建立仿真模型→运行仿真模型→输出结果并分析。
产品制造过程仿真,可归纳为制造系统仿真和加工过程仿真。虚拟制造系统中的产品开发涉及到产品建模仿真、设计过程规划仿真、设计思维过程和设计交互行为仿真等,以便对设计结果进行评价,实现设计过程早期反馈,减少或避免产品设计错误。加工过程仿真,包括切削过程仿真、装配过程仿真,检验过程仿真以及焊接、压力加工、铸造仿真等。目前上述两类仿真过程是独立发展起来的,尚不能集成,而VM中应建立面向制造全过程的统一仿真。
3、虚拟现实技术VRT(Virtual Reality Technology)
虚拟现实技术是为改善人与计算机的交互万式,提高计算机可操作性中产生的,是人的想象力和电子学等相结合而产生的一项综合技术,它综合利用计算机图形系统,各种显示和控制等接口设备及多媒体计算机仿真技术,在计算机上生成一种特殊的、可交互的三维环境(称为虚拟环境) ,虚拟现实系统VRS(Virtual Reality Systern)包括操作者、机器和人机接口3个基本要素,用户可以通过各种传感系统与这种环境进行自然交互,使人产生身临其境的沉浸感觉。它不仅提高了人与计算机之间的和谐程度,也成为一种有力的仿真工具。利用VR系统可以对真实世界进行动态模拟,计算机能够跟踪用户的交互输入,并及时按输入修改虚拟环境,使人产生身临其境的感觉,充分发挥用户的想象力。交互性、沉浸性和想象力是VR系统在人—机关系上的基本特征。这3个特征充分反映了人的主导作用:从过去只能从外部观看计算机的处理结果,到能沉浸到计算机创建的环境中去;从只能通过键盘、鼠标同计算机环境中单维数字化信息发生交互作用,到有可能从定性和定量综合的环境中得到感性和理性的认识,让用户沉浸其中,以获取知识和形成新的概念。
二、虚拟制造技术在制造业中的应用
虚拟制造技术在制造业中的应用:机床是制造业的主要生产设备,制造业中许许多多产品的零件都直接或间接地经过机床加工。随着社会的进步,人们对各类产品的要求也越来越高,像汽车这样大批量生产的产品,也要求其个性化,因此不能采用传统的刚性生产线,要考虑适当的柔性。一些个批量生产的产品,其复杂度要求和精度要求也使通用机床难以胜任。相比之下数控机床恰恰满足了这些要求。基于虚拟制造技术的数控机床设计方法不仅能在各种虚拟环境中真实地模拟机床和的运动,并对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析,观察并实验机床各组成部件的相互运动情况,以此来修改设计上的缺陷,这样对整个系统进行不断改进,直至获得最优化设计方案,不但可以缩短开发周期,而且设计质量和效率得到了提高。这种设计方法将逐渐被企业所采用。
吊具在机械、有色金属、冶金行业中已得到广泛应用,但在实际开发设计中,由于不同用户根据自身需求对产品提出了不同指标、性能等诸多方面的设计要求,从而使设计单位重复工作多,工作任务量大,同时在关键结构技术及改造也有一定的难度。对于大型吊具的设计,引入虚拟制造技术,可以大大提高设计效率、优化设计质量。
三、虚拟制造技术应用现状
1、产品的外形设计:采用虚拟现实技术的外形设计,可以进行复杂的造型设计, 并对其参数可随时修改、评测。它可以直接用于装配、仿真和加工。
2、产品的布局设计:在复杂产品的布局设计中, 通过虚拟现实技术可以直观地进行设计, 避免可能出现的干涉和其它不合理问题。
3、产品的运动和动力学仿真:产品设计必须解决运动构件工作时的运动协调关系, 运动范围设计, 可能的运动干涉检查, 产品动力学性能、强度、刚度等。
4、热加工工艺模拟:利用数值模拟和物理模拟方法,对金属材料热成形过程和材料成形过程进行动态仿真,预测不同条件下成形的材料的组织、性能及质量, 进而实现热成形件的质量与性能的优化设计。
5、加工过程仿真:产品设计的合理性、可加工性、加工方法, 机床和工艺参数的选用, 以及加工过程中可能出现的加工缺陷等, 这些问题需要经过仿真、分析与处理。
6、产品装配仿真:机械产品的配合性和可装配性是设计人员常易出现错误的地方, 以往要到产品装配的时候才能发现, 但采用虚拟制造技术可以在设计阶段就对产品进行装配, 发现装配问题可进行修改,确保设计的准确。
7、虚拟样机与产品工作性能评测:在虚拟制造中可以模擬出产品的使用情况, 对存在问题的地方进行修改,提高产品一次试验成功率。
8、企业生产过程的仿真与优化:产品生产过程的合理制定、工厂人力资源、制造资源的合理配置, 对缩短生产周期和降低成本有更大影响。
结束语
虚拟制造（Virtual Manufacture) 出现于上世纪90 年代，是以计算机软硬件技术及网络技术的迅速发展为基础的一种全新的制造体系和模式。作为一种先进的制造模式，虚拟制造的应用范围必然会不断扩大，给更多的企业带来更大的收益。
参考文献
[1] 刘蓓华.虚拟制造技术在我国的发展现状及策略研究[J]. 商场现代化. 2009(04)
[2] 朱焕立,李响.虚拟制造技术的产生、应用及研究现状[J]. 科技风. 2009(06)
[3] 杨春芳,杨春来,徐巍.虚拟制造技术及应用[J]. 商场现代化. 2008(36)
[4] 于位灵,万军.虚拟制造技术(VMT)的发展与应用研究[J]. 制造业自动化. 2008(02)