虛擬制造技術(shù)在家具制造業(yè)中的應(yīng)用與研究

...v.虛擬制造技術(shù)在家具制造業(yè)中的應(yīng)用與研究當(dāng)今家具制造業(yè)正朝著精細(xì)化、自動化、柔性化、集成化、信息化和智能化的方向開展。將虛擬制造技術(shù)引入到家具制造業(yè)中可以減少設(shè)計(jì)過程中的錯誤，縮短開發(fā)周期，增強(qiáng)產(chǎn)品的競爭力。通過對虛擬制造技術(shù)在家具制造業(yè)中的研究，有利于中國的家具設(shè)計(jì)與制造和世界先進(jìn)水平的接軌。1引言

為了適應(yīng)快速變化的市場需求，企業(yè)必須以最快的上市速度T(time)、最優(yōu)品質(zhì)Q(quality)、最低本錢C(cost)和最正確效勞S(service)來滿足不同顧客的需求。傳統(tǒng)的制造技術(shù)漸漸地不能滿足現(xiàn)代的制造模式，使得企業(yè)的開展面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開展，20世紀(jì)90年代美國提出了一種新的制造概念和理論——虛擬制造VM(virtualmanufacturing)，到現(xiàn)在已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，虛擬制造技術(shù)已經(jīng)在汽車、機(jī)床、飛機(jī)、工程機(jī)械以及軍事等領(lǐng)域扮演著重要角色。它成功地將現(xiàn)代的設(shè)計(jì)手段和分析方法運(yùn)用到相關(guān)的制造產(chǎn)業(yè)中，迎合了市場的運(yùn)行模式。隨著這個趨勢，當(dāng)今家具產(chǎn)業(yè)正朝著精細(xì)化、自動化、柔性化、集成化、信息化和智能化的方向開展。將虛擬制造技術(shù)引入到家具制造業(yè)中可以減少設(shè)計(jì)過程中的錯誤，縮短開發(fā)周期，增強(qiáng)產(chǎn)品的競爭力。通過對虛擬制造技術(shù)在家具制造業(yè)中的研究，有利于中國的家具設(shè)計(jì)與制造和世界先進(jìn)水平的接軌。

2虛擬制造技術(shù)

近幾年來計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用給人類社會的方方面面帶來了巨大的變化。隨著Pc平臺技術(shù)的迅速開展，微機(jī)的運(yùn)算能力有了大幅度的提高，普通PC平臺上的軟件包在很多方面已經(jīng)到達(dá)以前圖形工作站的功能，如三維實(shí)體造型技術(shù)、參數(shù)化計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等。隨著全球的網(wǎng)絡(luò)化，CAD最終走虛擬設(shè)計(jì)與制造的道路，實(shí)現(xiàn)無圖紙化，在設(shè)計(jì)、制造與裝配之間實(shí)現(xiàn)沒有誤差的柔性化生產(chǎn)技術(shù)。

2．1虛擬制造技術(shù)的定義

虛擬制造技術(shù)(VMT：VirtualManufacturingtechnology)是對真實(shí)產(chǎn)品制造的動態(tài)模擬，是一種在計(jì)算機(jī)上進(jìn)展而不消耗物理資源的模擬制造軟件技術(shù)。它具有建模和仿真環(huán)境，使產(chǎn)品從生產(chǎn)過程、工藝方案、調(diào)度方案、后勤供給以及財(cái)會、采購和管理等一種集成的、綜合的制造環(huán)境，在真實(shí)產(chǎn)品的制造活動之前，就能預(yù)測產(chǎn)品的功能以及制造系統(tǒng)狀態(tài)，從而可以作出前瞻性的決策和優(yōu)化實(shí)施方案。

為了更細(xì)致地了解VMT的含義，美國在一次專業(yè)會議上對3種類型的VMT作如下解釋：(1)以設(shè)計(jì)為中心的VMT，這類VMT是將制造信息參加到產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)中，并在計(jì)算機(jī)上進(jìn)展數(shù)字化制造，仿真多種制造方案，評估各種生產(chǎn)情景，通過仿真制造來優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，以便作出正確決策。(2)以生產(chǎn)為中心的VMT，這類VMT是將仿真能力加到生產(chǎn)方案模型中，以便快捷化評價(jià)生產(chǎn)方案，檢驗(yàn)工藝流程、資源需求狀況以及生產(chǎn)效率，從而優(yōu)化制造環(huán)境和生產(chǎn)供給方案。(3)以控制為中心的VMT，這類VMT是將仿真能力加到控制模型中，提供對實(shí)際生產(chǎn)過程的仿真環(huán)境，即將機(jī)器控制模型用于仿真，其目標(biāo)是實(shí)際生產(chǎn)中的過程優(yōu)化，改良制造系統(tǒng)。

2．2虛擬制造技術(shù)的開展?fàn)顩r

虛擬制造技術(shù)憑借其全新的制造體系和模式已成為現(xiàn)代制造技術(shù)與系統(tǒng)開展的必然趨勢。它涉及的技術(shù)面很廣，諸如環(huán)境構(gòu)成技術(shù)、過程特征抽取、元模型、集成根底構(gòu)造的體系構(gòu)造、制造特征數(shù)據(jù)集成、多學(xué)科交駐功能、決策支持工具、接口技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、建模與仿真技術(shù)等。美國波音飛機(jī)公司的777新型客機(jī)機(jī)型設(shè)計(jì)，就是采用虛擬制造技術(shù)的典型范例。它在設(shè)計(jì)過程中，利用VMT和三維模型進(jìn)展管道布線等復(fù)雜裝配過程的模擬獲得成功，開發(fā)周期從通常的8年減少到5年。

3虛擬制造技術(shù)在家具產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用

我國的家具企業(yè)經(jīng)過短短幾十年的開展，目前已經(jīng)在以高科技為依托在市場上找到了立足點(diǎn)。隨著CAD，CAM技術(shù)的廣泛應(yīng)用，大大提高了家具的設(shè)計(jì)質(zhì)量和速度，縮短了設(shè)計(jì)周期，加速了產(chǎn)品的更新?lián)Q代，從而使家具設(shè)計(jì)與制造發(fā)生了根本性的變革，給家具制造業(yè)注入了新的血液，為家具制造業(yè)實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)計(jì)與制造奠定了物質(zhì)根底，為新世紀(jì)家具制造業(yè)開展探索出了一條可持續(xù)之路。下面主要從虛擬制造技術(shù)主要應(yīng)用在家具制造業(yè)中的虛擬設(shè)計(jì)、虛擬產(chǎn)品制造以及虛擬裝配，來闡述虛擬制造技術(shù)在家具制造業(yè)的應(yīng)用。

3．1虛擬設(shè)計(jì)在家具產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用

作為面向21世紀(jì)的新技術(shù)，虛擬設(shè)計(jì)并不是生產(chǎn)實(shí)際產(chǎn)品，而是在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開發(fā)和加工過程，即完成產(chǎn)品的數(shù)字化過程，根本上不消耗資源和能量，所以與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造相比擬，它具有高度集成、快速成型和分布合作等特征。

虛擬家具設(shè)計(jì)是在專業(yè)軟件平臺上建立家具的數(shù)據(jù)模型，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和可視化技術(shù)對家具的數(shù)據(jù)模型進(jìn)展數(shù)值計(jì)算。目前由國內(nèi)一些高等院校和IT企業(yè)所開發(fā)的家具設(shè)計(jì)軟件在板式家具的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能上已較為成熟。例如，參數(shù)化計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)PCAD(PammetricputerAidedDesign)。PCAD在家具設(shè)計(jì)中是指以AutoCAD為設(shè)計(jì)平臺。通過LISP/VBA程序二次開發(fā)和指令輸入使計(jì)算機(jī)自動完成特定形式家具模型構(gòu)建的設(shè)計(jì)方法。參數(shù)化CAD系統(tǒng)(PCAD)的主要功能有：首先在設(shè)計(jì)初始階段，設(shè)計(jì)師根據(jù)勾畫的草圖，通過程序語言表達(dá)設(shè)計(jì)思想，在給出必要的數(shù)據(jù)后，PCAD將根據(jù)尺寸大小和草圖根本形狀繪制出規(guī)整的圖形。其次，在修改設(shè)計(jì)階段，只需在對話框中改變參數(shù)或修改源程序中的約束關(guān)系式即可得到新的設(shè)計(jì)圖。設(shè)計(jì)師便可對不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)展比擬。最后，只需要定義一X原型圖并提供圖中設(shè)計(jì)變量的數(shù)據(jù)，PCAD系統(tǒng)就能生成一系列構(gòu)造一樣而尺寸不同的相似零部件族，這使得創(chuàng)立標(biāo)準(zhǔn)零部件和常用零部件庫的工作變得十分容易。

3．2虛擬生產(chǎn)在家具產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用

虛擬生產(chǎn)在家具產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用主要是虛擬模具的制造。虛擬模具制造充分利用計(jì)算機(jī)提供的刀具、機(jī)床等信息，根據(jù)具體零件的加工特點(diǎn)，編制刀路文件，并對模具進(jìn)展虛擬生產(chǎn)過程仿真。在虛擬模具制造過程中，需要解決的問題是模具的各個零部件的加工方法，機(jī)床、工藝參數(shù)的選用，以及加工過程中可能出現(xiàn)的加工缺陷等，能夠得到的和傳遞的是上述問題的數(shù)據(jù)信息。

其中銑削仿真加工是目前應(yīng)用最廣泛的加工方法之一。其加工流程如圖1所示。虛擬銑削加工將對銑削加工能夠完成的各種工作，如銑削、外形銑削、挖槽、鉆孔、曲面銑削等加工形式中的幾何及物理因素的變化情況進(jìn)展模擬與預(yù)測。

圖1虛擬銑削加工流程

應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對零件的加工方法、工序順序、工裝的選用、工藝參數(shù)的選用，加工工藝性等均可建模仿真，提前發(fā)現(xiàn)加工缺陷等的問題，從而優(yōu)化制造過程、提高加工效率。

3．3虛擬裝配在家具產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用

虛擬裝配是在計(jì)算機(jī)上建立起如同真實(shí)樣機(jī)的直觀可視化的三維數(shù)學(xué)幾何模型，即虛擬樣機(jī)，然后在虛擬環(huán)境下對零件裝配情況進(jìn)展干預(yù)檢查。對家具產(chǎn)品，尤其是對實(shí)木家具而言，產(chǎn)品零部件的裝配，是家具產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。針對家具產(chǎn)品的構(gòu)造和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，為此提出基于約束的家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)思想，如圖2所示。

圖2基于蓉配約束的家具產(chǎn)品CAD設(shè)計(jì)思想

虛擬裝配不僅可以建立虛擬的真實(shí)產(chǎn)品模型，同時(shí)也可解決產(chǎn)品裝配后的零件間靜態(tài)干預(yù)的問題，裝配圖的爆炸圖表示和模擬視窗功能?；谘b配約束的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，確保在設(shè)計(jì)群體中每個成員的設(shè)計(jì)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)開場，就被有效地控制在最終產(chǎn)品可裝配范圍內(nèi)，從而減少了設(shè)計(jì)過程中的重復(fù)現(xiàn)象，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。

4完畢語

虛擬制造將是下一代生產(chǎn)制造的—個趨勢。我國虛擬制造技術(shù)在家具制造業(yè)中的應(yīng)用還剛剛起步，系統(tǒng)全面的研究尚未展開，目前仍停留在國外的理論消化與國內(nèi)環(huán)境結(jié)合上。開展我國在家具產(chǎn)業(yè)里的虛擬制造技術(shù)應(yīng)該以企業(yè)的需求為動力，通過政府的政策和方案的協(xié)調(diào)，繼續(xù)深人開展成組技術(shù)、準(zhǔn)時(shí)化生產(chǎn)技術(shù)及并行工程的研究與應(yīng)用，并利用工業(yè)工程思想和分布式網(wǎng)絡(luò)化研究中心，組織各地區(qū)的科研力量集中突破與虛擬制造技術(shù)密切相關(guān)的如遠(yuǎn)程通訊、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等，為虛擬制造功能的實(shí)現(xiàn)提供有力支撐。而且還應(yīng)當(dāng)吸收國外的