淺析虛擬制造技術(shù)及其應(yīng)用

1、    淺析虛擬制造技術(shù)及其應(yīng)用    楊春紅+錢紅摘 要：制造業(yè)為了在競(jìng)爭(zhēng)激烈的全球市場(chǎng)求得生存與發(fā)展，必須能夠更好地滿足市場(chǎng)所提出的t、q、c、s要求，即要以最短的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期（time to market），最優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品質(zhì)量（quality），最低廉的制造成本（cost）和最好的技術(shù)支持與售后服務(wù)（service）來(lái)贏得市場(chǎng)與用戶。面對(duì)不可預(yù)測(cè)、持續(xù)發(fā)展、快速多變的市場(chǎng)需求，企業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)必須具有高度的柔性。關(guān)鍵詞：虛擬制造 先進(jìn)制造模式 數(shù)字化模型為了提高競(jìng)爭(zhēng)能力，企業(yè)應(yīng)當(dāng)能夠?qū)κ袌?chǎng)需求的變化做出快速敏捷的反應(yīng)，并及時(shí)地對(duì)自身的生產(chǎn)做出合理的調(diào)整

2、與重新規(guī)劃。計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)提供了強(qiáng)有力的支持?；谶@些因素，90年代中有許多新概念、新觀點(diǎn)應(yīng)運(yùn)而生，虛擬制造（virtual manufacture）就是其中之一，它代表了一種全新的制造體系和模式。一、虛擬制造的定義及特點(diǎn)虛擬制造（virtual manufacturing）是近幾年由美國(guó)首先提出的一種全新概念。什么是虛擬制造？它包括哪些內(nèi)容？這些至今仍然是人們討論的問(wèn)題。很多人曾為虛擬制造進(jìn)行定義，比較有代表性有：佛羅里達(dá)大學(xué)gloria j.wiens的定義是：虛擬制造是這樣一個(gè)概念，即與實(shí)際一樣在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行制造過(guò)程。其中虛擬模型是在實(shí)際制造之前用于對(duì)

3、產(chǎn)品的功能及可制造性的潛在問(wèn)題進(jìn)行預(yù)測(cè)。該定義強(qiáng)調(diào)vm“與實(shí)際一樣”“虛擬模型”和“預(yù)測(cè)”，即著眼于結(jié)果。美國(guó)空軍wright實(shí)驗(yàn)室的定義是：虛擬制造是仿真、建模和分析技術(shù)及工具的綜合應(yīng)用，以增強(qiáng)各層制造設(shè)計(jì)和生產(chǎn)決策與控制。該定義著眼于手段。馬里蘭大學(xué)edward lin&etc定義是：虛擬制造是一個(gè)用于增強(qiáng)各級(jí)決策與控制的一體化的、綜合性的制造環(huán)境。該定義則著眼于環(huán)境。從這些定義可以看出，虛擬制造涉及到多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，是對(duì)這些領(lǐng)域知識(shí)的綜合集成與應(yīng)用，計(jì)算機(jī)仿真、建模和優(yōu)化技術(shù)是虛擬制造的核心與關(guān)鍵技術(shù)?？梢哉J(rèn)為，虛擬制造是對(duì)制造過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)，包括產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、加工、裝配，乃至企業(yè)

4、的生產(chǎn)組織管理與調(diào)度進(jìn)行統(tǒng)一建模，形成一個(gè)可運(yùn)行的虛擬制造環(huán)境，以計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)為支撐，借助于高性能的硬件，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上，生成數(shù)字化產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、性能分析、工藝決策、制造裝配和質(zhì)量檢驗(yàn)。它是數(shù)字化形式的廣義制造系統(tǒng)，是對(duì)實(shí)際制造過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬。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(guò)程的計(jì)算機(jī)虛擬化。由于計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，虛擬制造具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）產(chǎn)品與制造環(huán)境是虛擬模型，在計(jì)算機(jī)上對(duì)虛擬模型進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試，甚至設(shè)計(jì)人員或用戶可“進(jìn)入”虛擬的制造環(huán)境檢驗(yàn)其設(shè)計(jì)、加工、裝配和操作，而不依賴于傳統(tǒng)的原型樣機(jī)的反復(fù)修改；還

5、可將已開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品（部件）存放在計(jì)算機(jī)里，不但大大節(jié)省倉(cāng)儲(chǔ)費(fèi)用，更能根據(jù)用戶需求或市場(chǎng)變化快速改變?cè)O(shè)計(jì)，快速投入批量生產(chǎn)，從而能大幅度壓縮新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高質(zhì)量、降低成本；（2）可使分布在不同地點(diǎn)、不同部門的不同專業(yè)人員在同一個(gè)產(chǎn)品模型上同時(shí)工作，相互交流，信息共享，減少大量的文檔生成及其傳遞的時(shí)間和誤差，從而使產(chǎn)品開(kāi)發(fā)以快捷、優(yōu)質(zhì)、低耗響應(yīng)市場(chǎng)變化。二、虛擬制造的種類廣義的制造過(guò)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：以設(shè)計(jì)為中心的虛擬制造、以生產(chǎn)為中心的虛擬制造和以控制為中心的虛擬制造。1.以設(shè)計(jì)為中心的虛擬制造以設(shè)

6、計(jì)為中心的虛擬制造強(qiáng)調(diào)以統(tǒng)一制造信息模型為基礎(chǔ)，對(duì)數(shù)字化產(chǎn)品模型進(jìn)行仿真與分析、優(yōu)化，進(jìn)行產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)方面的分析和可裝配性分析，以獲得對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)評(píng)估與性能預(yù)測(cè)結(jié)果.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在企業(yè)資源的約束條件下，對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行仿真，對(duì)不同的加工過(guò)程及其組合進(jìn)行優(yōu)化。它對(duì)產(chǎn)品的“可生產(chǎn)性”進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，對(duì)制造資源和環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化組合，通過(guò)提供精確的生產(chǎn)成本信息對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度進(jìn)行合理化決策。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技術(shù)引入控制模型，提供模擬實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的虛擬環(huán)境，使企業(yè)在考慮車間控制行為的基礎(chǔ)上對(duì)制造過(guò)程

7、進(jìn)行優(yōu)化控制。以上三種虛擬制造分別側(cè)重于制造過(guò)程的不同方面。但它們都以計(jì)算機(jī)建模、仿真技術(shù)為一個(gè)重要的實(shí)現(xiàn)手段，通過(guò)對(duì)制造過(guò)程進(jìn)行統(tǒng)一建模，用仿真支持設(shè)計(jì)過(guò)程、模擬制造過(guò)程，進(jìn)行成本估算和生產(chǎn)調(diào)度。三、虛擬制造的應(yīng)用虛擬制造在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，已得到了不同程度的研究和應(yīng)用，目前美國(guó)處于研究的前沿。福特汽車公司和克萊斯勒汽車公司在新型汽車的開(kāi)發(fā)中已經(jīng)應(yīng)用了虛擬制造技術(shù)，可大大縮短產(chǎn)品的發(fā)布時(shí)間。波音公司設(shè)計(jì)的777型大型客機(jī)是世界上首架無(wú)圖紙、無(wú)模型、用電子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的新型雙發(fā)動(dòng)機(jī)客機(jī)。它的設(shè)計(jì)成功已經(jīng)成為虛擬制造從理論研究轉(zhuǎn)向?qū)嵱没囊粋€(gè)里程碑。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

8、科研教學(xué)單位也已經(jīng)開(kāi)展了一系列的研究工作。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(guò)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。四、結(jié)論虛擬制造以產(chǎn)品的數(shù)字化模型取代了實(shí)物樣機(jī)，通過(guò)對(duì)數(shù)字化模型的模擬測(cè)試進(jìn)行評(píng)估，能夠以較低的生產(chǎn)成本獲得較高的設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短產(chǎn)品的發(fā)布周期，提高企業(yè)生產(chǎn)效率。企業(yè)的生產(chǎn)因?yàn)樘摂M制造技術(shù)的應(yīng)用而具有高度的柔性化和快速的市場(chǎng)反應(yīng)能力，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力大大增強(qiáng)。在高科技含量的行業(yè)中，如航空航天、軍事、精密機(jī)床、微電子等領(lǐng)域，虛擬制造必將得到日益廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1劉戰(zhàn)強(qiáng) 艾興.虛擬制造技術(shù)及其應(yīng)用的現(xiàn)狀與發(fā)展展望j.山東大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2002年2鄭太雄 何玉林 劉成俊.虛擬制造中的產(chǎn)品建模技術(shù)j.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002年 魅力中國(guó)