浅析虚拟再制造技术

　　伴随着制造业迅猛发展而形成的生产消费模式，正过度消耗着大量不可再生的资源，破坏着人类的生存环境。因此，发展与资源、环境的和谐，以及社会经济的可持续发展，就成为全球性的产业结构调整的战略导向，即向资源利用合理化、废弃物产生少量化、环境影响无害化的方向发展。至此，运用先进技术和产业化生产，使报废产品高质量地再生，是对产品附加值(包括能量、劳动、材料)的最优化资源回收方式，即再制造就成为必然的发展趋势。而虚拟再制造技术是再制造设计发展的必要途径，也是其作为先进制造技术的重要特征。

　　1 虚拟再制造的相关定义

　　(1)虚拟制造的定义。虚拟制造是先进制造技术发展的必然结果，本质上属于仿真技术，是各种制造仿真技术的系统集成。它在CAD/CAM/CAE、CIMS、CE等技术的基础之上发展，即利用仿真与虚拟现实等技术，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种可能存在的问题，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等。

　　(2)再制造的定义。再制造(Remanufacturing)是指通过回收、拆卸、分拣、清洗、喷涂、翻修及再装配等环节，修复或改造废旧产品，恢复零部件或产品性能的技术和活动。

　　(3)虚拟再制造的定义。虚拟再制造融合了虚拟制造与再制造的特点，结合虚拟环境和过程仿真技术，是在计算机内构造虚拟的再制造系统模型，进行实际再制造过程的模拟，预估出再制造产品未来的性能、再制造全过程及其对产品设计的影响，从而作出前瞻性的决策与控制方案，实现再制造产品总体优化目标。虚拟再制造不是实际的再制造，但能实现实际再制造的本质过程。它是实际制造在计算机上的虚拟实现，依托软件，结合硬件，从旧零件到再制造品的设计，对于再制造中的产品检测、加工、控制、试验和管理等过程来进行虚拟仿真，并得出再制造品的可再制造性、加工的可行性、再制造的可靠性以及经济性。在此基础之上，作出最优决策，从而进一步降低再制造的人力、物力、财力的综合成本，节约资源，以此来提高再制造在企业中的广泛适用性，促进循环经济的发展。

　　2虚拟再制造的研究现状以及层次划分

　　2.1虚拟再制造的研究现状

　　理论方面，2003年崔培枝、姚巨坤等根据虚拟再制造的特点，并参照虚拟制造的研究内容，提出了虚拟再制造定义，并探讨了虚拟再制造研究的体系框架。2008年胡仲翔、滕家绪等对虚拟再制造工程的发展及关键技术做了研究，进一步分析了虚拟再制造的特点，阐述了虚拟再制造体系结构，并提出了实现的关键技术。

　　实践方面，日本、德国、美国等发达国家在虚拟制造技术方面的研究，为仍属于起步阶段的虚拟再制造发展奠定了基础。在再制造领域，虚拟现实技术的直观与交互性可以弥补传统设计分析工具的不足，为虚拟装配、虚拟加工提供有力的支持。在我国，随着再制造工程的发展，虚拟再制造逐步成为其研究的重点之一，并且被列为国家自然科学基金重点项目《再制造基础理论与关键技术》的子课题。清华大学国家CIMS工程技术研究中心实现了仿真虚拟装配支持系统(Virtual Assembly Support System,VASS)。浙江大学CAD&CG国家重点实验室采用CAVE系统建立了一个完全沉浸式的虚拟装配原型系统IVAS。同时，装备再制造技术国防科技重点实验室设立了虚拟检测研究室，胡仲翔等进行了设备制配零件的虚拟再制造数控加工研究，完成了数控系统几何建模、数控系统运动建模、数控车削加工过程仿真等工作，开发了基于Windows系统下的B-CNC系统的数控车削加工仿真系统。

　　综上，虚拟再制造理论和实践的日趋成熟，为其进一步的发展打下了坚实基础。

　　2.2虚拟再制造研究内容的层次划分

　　虚拟再制造包括实现再制造过程中的虚拟检测、虚拟加工、虚拟维修、虚拟装配、虚拟控制、虚拟实验、虚拟管理等再制造本质过程161。根据该过程，可以将其具体的研究内容划分为如下3个层次(如图l所示)。

　　▲图1虚拟再制造的3个层次

　　(1)宏观层是通过虚拟整个制造系统中的物流、信息流，明确各单元间的关系和约束条件等，包含了生产企业的所有活动和用户的消费过程，是在宏观上高层次系统仿真。

　　(2)中观层是指对再制造系统的仿真和再制造品的加工过程仿真。包含了再制造的工艺规程，生产系统的虚拟布局、虚拟调度以及具体加工过程的一系列仿真，它是在宏观层的基础上，对虚拟再制造过程的进一步具体细化。

　　(3)微观层是指加工过程中再制造系统的各种微观特性的变化的仿真，如铸造(锻压)成型过程中材料的微观现象仿真等。通过微观层的虚拟，预测出再制造的相关特性来有效地进行质量控制与改进。

　　3虚拟再制造关键技术及特点

　　关键技术主要包括：信息挖掘技术、再制造虚拟加工建模技术、最优决策理论与技术、虚拟环境及虚拟再制造加工过程技术、虚拟质量控制与检测技术、基于虚拟实现与多媒体的可视化技术、虚拟再制造企业的管理策略与技术等内容(如图2所示)，其特点如下。

　　▲图2虚拟再制造的关键技术

　　(1)信息挖掘技术是实现前提。虚拟再制造包含了再制造的整个过程，参与者繁多。如图3所示，每个节点代表了原制造和再制造等同类型多个企业，各节点之间进行技术、人员等信息的采集与反馈，最终构建繁复的信息网络。虚拟再制造必须建立在其之上，并在繁杂的信息中挖掘有价值的来确保虚拟再制造设计及实现的合理性。

　　(2)再制造虚拟加工建模技术是基础。虚拟再制造建立在计算机技术之上，要针对质量特性不同的原材料合理建模，统一数据结构。所建模型要包含形状、性能、特征。紧密联系各个模型之间的关系，从而为虚拟再制造的各个环节提供数据化、电子化的技术基础。

　　(3)最优决策理论与技术是关键。加工对象的特殊性决定了再制造过程中会产生多种可行方案，如何利用计算机仿真技术来虚拟实现这些方案，预估相应的结果，再根据数学模型建立的优化方法作出最优的决策，进而降低甚至免除实际加工的相应成本，提高质量可控性和缩短再制造的周期，使综合效益最大化，就成为虚拟再制造的关键所在。

　　(4)虚拟质量控制与检测技术是必要保证。再制品的质量是一个动态、变化、发展的过程，受到诸多因素的影响。如何在虚拟加工过程中根据虚拟仿真得到的几何参量、机械参量和物理参量的动态模型进行检测和控制，以及对再制造产品的虚拟实验测试，就成为虚拟再制造的必要保证。虚拟再制造的质量管理立足于整个过程的各个环节，运用全面质量管理的PDCA循环，利用虚拟仿真技术从再制造的计划到具体加工、检查、处理再到计划逐一控制，以此来调整加工工艺，减少误差，提高再制造的质量管理水平，如图4所示。

　　(5)基于虚拟实现与多媒体的可视化能较为直观地体现再制造的过程，展示出虚拟再制造的成品。采用多媒体手段，实现虚拟再制造在计算机上的仿真，将可视化、临场感、交互、激发想象结合到一起产生沉浸感，这是虚拟再制造实现直观的人机协同交互的重要方面。

　　(6)虚拟再制造企业的管理策略与技术是发展趋势。虚拟再制造企业是根据企业参与市场竞争的需要，在强调快速和柔性的前提下提出的一种先进的生产组织模式。它结合再制造工程和虚拟企业的优点，对虚拟再制造的设计、生产和管理过程的仿真，以及对再制造企业管理策略的虚拟。

　　4虚拟再制造与实际制造、虚拟制造的关系

　　虚拟再制造是将虚拟技术应用到再制造的过程之中，融合两者的优点，对废旧原材料的回收、拆卸和设计、装配工艺、再制造加工过程及质量检测的仿真，以计算机为基础来虚拟整个再制造过程，其开发运行环境，如图5所示。

　　目标系统层主要是确定虚拟再制造的设计、生产和运行环境方面的具体目标，然后通过虚拟再制造模型层的相关模型，最终构建出再制造活动模型和再制造品以及再制造过程模型。基于上述开发与运行的环境，虚拟再制造与实际再制造的生产模式的流程及关系如图6所示。虚拟再制造利用模型，计算机得到最优决策，从而指导实际再制造。实际制造的结果和暴露出来的问题又是虚拟再制造的实践，不断促进产品的设计，优化虚拟的过程。

　　表1中针对虚拟再制造、实际再制造和虚拟制造的加工方式、对象等9个方面做了对比。结果显示，虽然虚拟环境较复杂，原材料来源的不确定和质量特性的个体差异，使虚拟再制造在技术上有了更高的要求，却能够确保问题的及时发现、方案的精进优化和整个周期的压缩，在资源的使用上更加的高效，成本更低。此外，依托计算机数字化，虚拟再制造的整个过程可以实现信息的共享，相互交流促进，提高传递的速度与质量，使再制造更好地实现快捷、优质和低耗，从而适应市场需求的变化。

　　表1 虚拟再制造、虚拟制造和实际再制造对比表

　　5虚拟再制造与其他先进制造的关系

　　随着以信息集成为核心的计算机集成制造技术的发展，多种先进制造应运而生并日趋成熟。它们均以计算机网络和工程数据库等为依托，与虚拟再制造相互关联、相互促进。

　　(1)虚拟再制造与精益生产(Lean Production)。精益生产力求以最低成本生产出最高品质的产品，这里的“精益”是一种理念，也是通过持续的消除浪费向客户提供完美价值的过程。这与虚拟再制造的追求理念完全一致，实现再制造生产过程的简化，更有利于虚拟再制造建模仿真的实现，利用虚拟的技术手段使得再制造的过程不断的向“精益化”发展。

　　(2)虚拟再制造技术与并行工程(Concurrent Engineefing)。并行工程把传统的制造与计算机、自动化技术相结合，从根本上改变传统的产品开发模式。并行工程是虚拟再制造技术的基础，它的发展为虚拟再制造技术的诞生创造了条件。在实际再制造之前，虚拟再制造预计出再制品的可制造性、可装配性、可测试性等，从而优化决策，缩短周期，提高质量，降低成本。

　　(3)虚拟再制造技术与绿色制造Green Manufacture)。绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源利用效率的先进制造模式。即在满足产品功能、质量等要求的前提下，做到对环境产生的负面影响最小化，对资源利用效率最大化，并尽可能地使废弃物资源化和无害化，从而使系统经济效益和社会效益达到最优。它是可持续发展战略在制造业中的体现，代表了现代制造业的发展方向。而再制造的过程本身就是循环经济与可持续发展的体现，虚拟再制造技术更是在此基础上的一种提高。绿色制造在虚拟再制造技术中必定担当着重要的角色，是实施可持续发展战略的重要组成部分。

　　(4)虚拟制造技术与敏捷制(Agile Manufacturing)。敏捷制造理论的基本含义是以柔性生产技术和动态联盟结构的特点，以高素质、协同良好的工作人员为核心，实施企业间的网络集成，形成快速响应市场的社会化制造体系。它着眼于小规模模块化组合和企业间合作生产，发挥众多特长企业的优势来适应变化多端的市场需求，把宏观的国际市场需求与具体的企业生产密切结合，充分发挥人的因素，及时抓住机遇，快速响应市场。而这些实现的基础在于虚拟企业的建立和虚拟制造技术的应用。虚拟再制造作为现代制造业的不可或缺的方面，也是促进敏捷制造的有力途径。

　　6虚拟再制造的应用前景

　　利用关键技术的虚拟性、高效性、仿真性等特点，以虚拟再制造技术来指导实际再制造，使虚拟制造的优势在再制造工程中充分发挥，从而促进循环经济的发展，这是虚拟再制造的最终目的。与此应运而生的虚拟再制造企业，必将随着市场的发展形成虚拟的动态战略联盟，即围绕再制造品的开发与生产，利用不同地域、不同地点的现有资源、企业或工厂，以再制造为手段快速地响应市场的需求，谋求竞争优势。它是具有集成性和实效性两大特点的经济实体，能够更加突出虚拟再制造的优势。这种在地域上分散实质上高度集中的先进模式，必须以计算机网络技术为基础，进而综合先进制造技术的优势，其特点如下。

　　(1)业务功能的虚拟化。在虚拟再制造企业的组织形态下，再制造全过程的各种功能将以多种形式借助于联盟成员分工实现，最后再进行实际组合和集成。而不依靠企业内部这些功能的具体执行机构。在这种情况下，企业可以更加专注于市场目标。

　　(2)组织的虚拟化。虚拟再制造企业的结构不再是固定不变的，逐步倾向于分布化，根据目标和环境的变化进行组合，动态地调整组织结构，这也更加利于再制造资源的利用。

　　(3)地域的虚拟化。凭借信息网络，再制造的信息流和物流等可以在虚拟再制造企业联盟中流通，从而大大降低传统模式的地域障碍。

　　总之，不同的再制品选用不同的企业，发挥动态联盟的合作优势，最大限度地优化资源的整合与配置，这样可以弥补再制造企业规模较小、发展有限的劣势。利用计算机网络的连接沟通，在虚拟联盟之间实现高效的信息共享，促进虚拟再制造的发展。联盟分工合作的模式，将使再制造的生产模式更加灵活多变，适应性更强。这里需要强调的是动态联盟的核心问题是盟友选择问题，即虚拟再制造企业在实际运行之前，必须分析评估出这个联盟的组合协调性与合理性，明确投产后的风险与收益等。真正地依靠网络技术组成的经济实体的合理性，从而才能立足于多变的市场发挥优势。