虚拟制造技术及应用

　　引言

　　制造业为了在竞争激烈的全球市场求得生存与发展，必须能够更好地满足市场所提出的T、Q、C、S要求，即要以最短的产品开发周期(Time)，最优质的产品质量(Quality)，最低廉的制造成本(Cost)和最好的技术支持与售后服务(Service)来赢得市场与用户。面对不可预测、持续发展、快速多变的市场需求，企业的生产活动必须具有高度的柔性。为了提高竞争能力，企业应当能够对市场需求的变化作出快速敏捷的反应，并及时地对自身的生产作出合理的调整与重新规划。计算机软硬件技术及网络技术的迅速发展为实现这一目标提供了强有力的支持。基于这些因素，20世纪90年代中期有许多新概念、新观点应运而生，虚拟制造(Virtual Manufacture)就是其中之一，它代表了一种全新的制造体系和模式。在虚拟制造中，产品开发是基于数字化的虚拟产品开发方式(Virtual Product Development)，以用户的需求为第一驱动，并将用户需求转化为最终产品的各种功能特征。VPD保证了产品开发的效率和质量，提高了企业的快速响应和市场开拓能力。

　　1 虚拟制造技术定义及特点

　　虚拟现实(Virtual Reality)技术是使用感官组织仿真设备和真实或虚幻环境的动态模型生成或创造出人能够感知的环境或现实，使人能够凭借直觉作用于计算机从而产生三维仿真模型的虚拟环境。

　　基于虚拟现实技术的虚拟制造(Virtual Manufacturing)技术是在一个统一模型之下对设计和制造等过程进行集成，它将与产品制造相关的各种过程与技术集成在三维的、动态的仿真真实过程的实体数字模型之上。其目的是在产品设计阶段，借助建模与仿真技术及时地、并行地模拟出产品未来制造过程乃至产品全生命周期的各种活动对产品设计的影响，预测、检测、评价产品性能和产品的可制造性等等。从而更加有效地、经济地、柔性地组织生产，增强决策与控制水平，有力地降低由于前期设计给后期制造带来的回溯更改，达到产品的开发周期和成本最小化、产品设计质量的最优化、生产效率的最大化。

　　虚拟制造的研究还处于不断的深入、细化之中，国际上尚没有对其作出一个统一的定义。不同的研究人员从不同角度出发，给出了各具特点的描述，其中有代表性的包括以下几种：

　　Kimura认为，虚拟制造是指通过对制造知识进行系统化组织与分析，对整个制造过程建模，在计算机上进行设计评估和制造活动仿真。他强调通过用虚拟制造模型对制造全过程进行描述，在实际的物理制造之前就具有了对产品性能及其可制造性的预测能力。

　　Lawrence Associates则认为，虚拟制造是一个集成的、综合的可运行制造环境，其目的是提高各个层次的决策与控制。

　　美国Wright空军实验室则对虚拟制造作出了如下定义：虚拟制造建立在计算机建模、分析和仿真技术的基础之上，它是对这些技术的综合应用。这种综合应用增强了各个层次的设计制造、生产决策与控制能力。

　　从这些定义可以看出，虚拟制造涉及到多个学科领域，是对这些领域知识的综合集成与应用.计算机仿真、建模和优化技术是虚拟制造的核心与关键技术。可以认为，虚拟制造是对制造过程中的各个环节，包括产品的设计、加工、装配，乃至企业的生产组织管理与调度进行统一建模，形成一个可运行的虚拟制造环境，以软件技术为支撑，借助于高性能的硬件，在计算机局彬广域网络上，生成数字化产品，实现产品设计、性能分析、工艺决策、制造装配和质量检验。它是数字化形式的广义制造系统，是对实际制造过程的动态模拟。所谓“虚拟”，是相对于实物产品的实际制造系统而言的，强调的是制造系统运行过程的计算机化。

　　由于计算机软硬件技术和网络技术的广泛应用，虚拟制造具有以下几个特点：

　　(1)无须制造实物样机就可以预测产品性能，节约制造成本，缩短产品开发周期。

　　(2)产品开发中可以及早发现问题，实现及时的反馈和更正。

　　(3)以软件模拟形式进行产品开发。

　　(4)企业管理模式基于Intranet或Internet，整个制造活动具有高度的并行性。

　　2虚拟制造的种类

　　广义的制造过程不仅包括了产品的设计加工、装配。还包含了对企业生产活动的组织与控制。从这个观点出发，可以把虚拟制造划分为三类：以设计为中心的虚拟制造、以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造。

　　(1)以设计为中心的虚拟制造。

　　以设计为中心的虚拟制造强调以统一制造信息模型为基础，对数字化产品模型进行仿真与分析、优化，进行产品的结构性能、运动学、动力学、热力学方面的分析和可装配性分析，以获得对产品的设计评估与性能预测结果。

　　(2)以生产为中心的虚拟制造。

　　以生产为中心的虚拟制造是在企业资源的约束条件下，对企业的生产过程进行仿真，对不同的加工过程及其组合进行优化。它对产品的“可生产性”进行分析与评价，对制造资源和环境进行优化组合，通过提供精确的生产成本信息对生产计划与调度进行合理化决策。

　　(3)以控制为中心的虚拟制造。

　　以控制为中心的虚拟制造是将仿真技术引入控制模型，提供模拟实际生产过程的虚拟环境，使企业在考虑车间控制行为的基础上对制造过程进行优化控制。以上三种虚拟制造分别侧重于制造过程的不同方面.但它们都以计算机建模、仿真技术为一个重要的实现手段，通过对制造过程进行统一建模，用仿真支持设计过程、模拟制造过程，进行成本估算和生产调度。

　　3虚拟制造关键技术

　　(1)特征建模的建立：建立包含工艺信息的特征模型，为以后的工艺分析、加工等过程创造条件。

　　(2)企业间产品数据交换：在由动态联盟共同完成新产品开发的条件下，必须以产品数据交换标准(STEP、IGES等)来保证企业间信息的集成。

　　(3)快速原型制造软硬件系统：快速原型制造系统使工程人员在制造前就能看到产品，从而改进设计。也可直接用于快速制造少量的零件或模具。改进材料、工艺及软件来提高产品的精度。

　　(4)加工能力模型/生产能力模型建立：根据企业的加工设备信息建立加工能力模型，进一步还可以根据企业的其他资源信息建立生产能力模型。生产能力模型是产品零件可制造性分析、加工单元布局以及制造成本估算、生产能力平衡、优化生产布局、优化调度方案的依据。

　　(5)产品零件的可制造性分析及计算机辅助工艺规划：根据零件的特征信息以及制造资源模型进行可制造性分析，确定加工路线、步骤和参数。

　　(6)制造过程的动态描述：根据工艺规划所确定的加工路线以及制造资源用动画形式描述制造过程，用以检查过程及物流、对环境影响的合理性。

　　(7)NC代码自动生成：根据包含特征信息的零件模型及工艺规划信息来实现零件的NC代码自动生成并提供加工时间等参数，为加工仿真，成本分析等后续过程提供依据。

　　(8)制造成本估算：根据制造过程所占用的资源、加工时间等信息进行制造成本估算。

　　(9)验证与测试系统：借助于虚拟现实及人-机工程对产品的可靠性、可操作性、可维护性等进行评估。

　　4虚拟制造技术的建模技术

　　虚拟加工是现实加工过程在计算机上的映射，与真实制造过程相比，具有虚拟性、数字化集成性、依赖性。虚拟加工系统的建立必须基于现实的制造设备及其相关活动，并且可以随着制造设备的改变对虚拟加工系统进行变更。虚拟加工环境建模是真实加工环境在数字化世界中的映射。产品的实际加工环境包括加工设备、工装夹具及其加工刀具等，因此在虚拟加工环境中需要建立相应的加工设备模型、夹具模型、刀具模型及工件模型，使得虚拟加工环境能够依据用户输入的NC代码、工艺模塑和刀具模型给出有关工件变化、刀具状况、加工效率等信息。

　　虚拟加工设备主要是指虚拟机床，用于仿真实际加工设备加工虚拟产品，机床模型包括机床的几何实体信息、运动特征信息、伺服特性信息、刚度特性信息以及热变形特性信息的影响等。

　　虚拟刀具包括镜刀、车刀、钻头等常用的加工刀具，用于仿真实际的切削过程，刀具模型包括刀具几何实体信息、切削特征信息和运动特征信息等：虚拟夹具用于仿真实际的工装夹具，夹具模型包括夹具几何实体信息、装夹特征信息等。虚拟加工设备、夹具、刀具和工件建模原理一致。

　　4.1 虚拟加工设备建模

　　虚拟机床是虚拟加工过程的具体实施者。根据机床信息的不同，机床模型分为几何模型和仿真模型，其中几何模型将虚拟机床看成是一个层次式的装配体，包含多个部件和零件，且部件之间存在着相互装配关系和约束条件，组成零部件的三维数字模型根据其实际形状和大小分别建模;机床仿真模型是在NC代码的驱动下，采用一种类似于NC加工插补算法实现各运动部件的平动与转动，以此驱动虚拟机床的运动。将仿真模型作为机床的物理属性依附在机床的几何模型上，建立虚拟加工设备模型的类结。类结构建立床身、工作台和导轨等基本类，在此基础上建立零部件几何模型类继承基本类;零部件几何模型类与零部件仿真模型类一起形成零件模型类，通过零件、部件之间的包含、聚合关系形成虚拟加工设备。

　　4.2系统实现

　　例如应用UG三维造型软件对一套加工设备进行了几何建模，通过文件输出得到零部件的VRML文件，以Visual C+6.0。为开发工具，选用OpenGL作为图形引擎开发了可重构三维虚拟加工环境建模系统，利用该系统实现了LeadWell LTC系列加工中心的快速建模。LeadWell LTC20 AP是卧式加工中心，将其简化为床身、加工舱舱门、导轨、刀座、刀盘、主轴头、尾架、顶尖、支架、控制台等。针对各模块的通用程度我们采取相应的建模策略，如床身、舱门等是该加工中心特有的异型部件，为其单独建模;导轨、刀座、刀盘等对同类机床而言，其外形结构具有很大相似性，因此通过对数据库中类似部件进行修改后重用(若数据库中已有类似);主袖头、尾架、顶尖等则属于通用部件或标准部件，可以直接重用(若数据库中已有相同)。为构建的虚拟加工环境，利用该环境可以对零件进行虚拟加工仿真。

　　虚拟加工系统是虚拟制造研究的主要内容之一，而环境建模是虚拟加工系统仿真、分析的基础。通过三维实体建模构造出一套虚拟设备，使设计人员可以借助于一定的软、硬件设备，在虚拟制造环境下对零件加工过程进行仿真，并对设备布局、加工过程等作出分析，以便对整个生产进程进行优化，从而提高生产效率和加工质量。

　　5虚拟制造的应用

　　虚拟制造在工业发达国家，如美国、德国、日本等已得到了不同程度的研究和应用。在这一领域，美国处于国际研究的前沿。福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司在新型汽车的开发中已经应用了虚拟制造技术，大大缩短了产品的发布时间。波音公司设计的777型大型客机是世界上首架以三维无纸化方式设计出的飞机.它的设计成功已经成为虚拟制造从理论研究转向实用化的一个里程碑。

　　在我国，清华大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等科研教学单位也已经开展了这一领域的研究工作。当前我国虚拟制造应用的重点研究方向是基于我国国情，进行产品的三维虚拟设计、加工过程仿真和产品装配仿真，主要是研究如何生成可信度高的产品虚拟样机，在产品设计阶段能够以较高的置信度预测所设计产品的最终性能和可制造性。在对产品性能具有高科技含量要求的行业中，如航空航天、军事、精密机床、微电子等领域，随着研究的不断深入和相关技术的发展，虚拟制造必将得到日益广泛的应用。

　　6小结

　　基于产品的数字化模型，应用先进的系统建模和仿真优化技术，虚拟制造实现了从产品的设计、加工、制造到检验全过程的动态模拟，并对企业的运作进行了合理的决策与最优控制。虚拟制造以产品的“软”模型(Soft Prototype)取代了实物样机，通过对模型的模拟测试进行产品评估，能够以较低的生产成本获得较高的设计质量，缩短了产品的发布周期，提高了企业生产效率.企业的生产因为虚拟制造技术的应用而具有了高度的柔性化和快速的市场反应能力，因而市场竞争能力大大增强.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。