论述虚拟制造技术的发展与应用

　　1 虚拟制造产生的背景

　　虚拟制造技术(VMT)正是在强调柔性和快速的前提下于20世纪80年代提出的概念，并在20世纪90年代得到重视和发展。它是以虚拟现实和仿真技术为基础，对产品的设计、生产过程统一建模，在计算机上实现产品从设计、加工、装配、检验直至整个生命周期的模拟和仿真。这里所说的制造过程，包括产品级的制造和企业级的生产管理，国际上称之为“大制造”(B-Manufacture)。目前国际上对虚拟制造并没有统一的定义，1994年7月在美国俄亥俄州举办的虚拟制造用户专题讨论会上，人们根据制造过程的侧重点不同将虚拟制造分为3类，提出了“3个中心”的分类方法，即“以产品为中心的虚拟制造”、“以生产为中心的虚拟制造”和“以控制为中心的虚拟制造”，获得国际学术界的认同。

　　“以产品为中心的虚拟制造”是将制造信息加入到产品设计与工艺设计过程中，在计算机中生成制造过程原型，对多种制造方案进行仿真，对数字化产品模型的性能、可制造性、可装配性、成本等进行分析，优化产品设计和工艺设计，以期尽早发现产品设计及工艺过程存在的问题。

　　“以生产为中心的虚拟制造”是将仿真信息加人到生产计划模型中，以便快速便捷的评价多种生产计划，优化生产计划和制造环境的配置。主要是根据企业现有资源对不同的加工过程进行评估优化，决定合理的生产组织方式。

　　“以控制为中心的虚拟制造”是将仿真能力加人到设备控制模型中，提供实际生产过程中的虚拟环境，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。

　　这三类虚拟制造的比较见表1。

　　表1 三种类型虚拟制造的比较

　　2 虚拟制造的内涵

　　虚拟制造是实际制造在计算机中的映射与本质体现，实际生产过程是实际的物质流、信息流在控制流的协调作用下，实现投入到产出的过程，而虚拟制造过程则是现实制造系统(RMS)在虚拟环境下的映射。实际制造系统和虚拟制造系统可用下式表辰

　　RMS={ RPS，RIS，RCS};

　　VMS={ VPS，VIS，VCS};

　　其中，RMS和VMS分别表示实际制造系统和虚拟制造系统，RPS, RIS, RCS分别是实际物质流、实际信息流、实际控制流;VPS, VIS, VCS分别是虚拟物质流、虚拟信息流、虚拟控制流。虚拟制造与实际制造的关系可用图1表示。

　　图1 虚拟制造与实际制造的关系

　　可见，由于虚拟制造可以在制造过程的物理实现之前预测产品性能和制造过程的细节，并通过及时的信息反馈来修改产品模型以达到整体最优，从而可以降低企业成本，增强企业竞争力。具体说来实施虚拟制造有以下4个方面的收益:

　　(1)缩短产品开发周期。传统制造遵循设计一试制一修改设计一规模化大生产的串行式结构，只有在试制出样品后才进行产品信息反馈，决定是否要修改设计。而在虚拟制造中，可以随时在设计过程中检验可制造性和可装配性，方便的修改模型，信息反馈更为及时。

　　(2)提高产品质量。虚拟制造过程通过对多种制造方案进行仿真，优化产品设计和工艺设计，弥补了传统制造业靠经验决定加工方案的不足，提高了产品质量。

　　(3)降低资源消耗。由于虚拟制造在计算机中进行，并不消耗实际生产所需的物理材料，减少了材料浪费和刀具磨损。

　　(4)提高企业柔性生产能力，增强企业决策准确性。决策者可以在虚拟制造中了解产品性能、制造成本、生产进度等信息，有助于决策者把握利润与风险之间的平衡。

　　3 虚拟制造的关键技术

　　虚拟制造涉及的技术领域十分广泛，从其软件实现和人机接口而言，虚拟制造的实现在很大程度上取决于虚拟现实技术的发展，这其中包括计算机图形学技术、传感器技术、系统集成技术等。从制造技术的角度讲可将虚拟制造技术的体系结构分为以下3大主体技术群，即建模技术群、仿真技术群、控制技术群，虚拟制造技术研讨会上将其进一步细化为13个技术领域和44项技术。

　　3.1 虚拟现实技术

　　“虚拟现实”(VR, Virtual Reality)的概念是20世纪80年代初美国VPL公司的创建人之一Jaron Lanier提出来的，他认为，虚拟现实意味着“用电子计算机合成的人工世界。”虚拟现实强调“身临其境”的感觉，人们可以在虚拟环境中看、听、触摸、操作物体，如同在现实环境中一样，希望以一种“自然”的方式与虚拟环境进行交互。虚拟现实覆盖人类感知世界的多重信息通道，通过计算机把视觉、听觉、触觉、味觉等多种信息合成并提示给人的感觉器官，从而把人、现实世界和虚拟空间结合起来融为一体，相互间进行信息的交流与反馈。

　　各种VR装置是人们与虚拟环境进行交互的媒介，好的VR装置可以使用户体验到很高的“沉浸度”。VR装置的发展离不开传感器技术，视觉、听觉、嗅觉、味觉，触觉等都可以通过传感器进行模拟。虚拟现实中经常用到的VR装置有数据手套、3D头盔、六自由度鼠标、力反馈器、空间位置传感器等。一个VR装置上通常会有多个至数十个传感器，以数据手套为例，它可以完成对手指关节弯曲度和手指开合情况的测量，将手的姿态和动作传递给计算机，让计算机做出正确的反应，并通过手套上的力学反馈装置与手产生真实的接触和受力感觉，使用户在抓取、松开物体以及操纵虚拟机器等时有真实的感受。

　　3.2 建模技术

　　根据虚拟制造模型的层次不同，可将模型分为产品级、车间级和企业级。

　　(1)产品级模型指制造过程中各类实体对象模型的集合，包括产品模型和工艺模型等。产品模型中除了包含必备的几何、形状、公差等静态信息以外，还必须能够通过映射、抽象等方法提取出制造过程中所需的动态信息。工艺模型是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间的交互作用。工艺模型必须包括以下功能:物理和数学模型、统计模型、计算机工艺仿真、制造数据表和制造规则。

　　(2)车间级模型车间模型包括设备模型、车间布局模型、生产调度模型、制造过程模型、过程监控模型等。车间级模型中包括虚拟制造到实际制造之间的映射关系。

　　(3)企业级模型包括经营决策、生产决策、产品决策，以及决策评价、市场预测、成本分析、效益/风险评估等。

　　3.3 仿真技术

　　仿真过程是实际的物理过程在计算机中的实现，进行优化。根据虚拟制造的着重点不同，可将仿真分为产品性能仿真，生产规划仿真、实际制造过程仿真等。产品性能仿真包括运用各种CAE软件对产品的机械性能、动力学性能、热力学性能等进行模拟。生产规划仿真可以对车间不同的生产规划进行仿真。实际制造过程仿真包括数控机床的NC代码仿真，冲压过程、浇注过程、焊接过程、切削过程等的仿真。仿真结果可以用来优化产品设计和生产规划、检验产品可制造性。

　　3.4 控制技术

　　控制技术指建模过程、仿真过程所用到的各种管理、组织与控制的技术和方法。包括模型部件的组织、调度策略及交换技术，仿真过程的工作流程与信息流程控制，成本估计技术，动态分布式协作模型的集成技术;冲突求解及基于仿真的推理技术。模型及仿真结果的验证和确认技术，面向产品开发过程的组织与管理等问题的研究等。

　　4 虚拟制造的研究与应用

　　由于虚拟制造的广阔前景，美国、欧洲及日本等国纷纷开始对其进行研究，并在虚拟原型系统开发、虚拟环境构筑、虚拟装配等方面取得了一系列的成果;除了实验室的研究工作外，虚拟制造在工业上，尤其是汽车、飞机、军工等领域也得到有效应用并取得明显收益。

　　4.1 国外的研究与应用

　　美国国家标准及技术局NIST主要研究工程设计测试床的创建及制造工程工具软件包，提供了开放式虚拟现实测试床(OVRT)和国家先进制造测试床(NAMT)。美国Michigan大学虚拟现实实验室主要研究如何从CAD/CAM数据库中快速构筑虚拟原型以及原型的行为功能建模。美国华盛顿大学在Pro/Engineer等CAD/CAM系统上开发了面向设计和制造的虚拟环境VEDAM，建立起包含整个车间机床模型的虚拟环境。美国波音飞机公司采用虚拟样机技术在计算机上建立了波音的最终模型，整机开发、部件测试、整机装配等虚拟开发活动以及在各种条件下的试飞都是在计算机中完成的，开发周期从过去的8年缩短到5年。

　　英国的Bath大学用OpenInventor2.0软件工具开发出了基于自己的Svlis建模软件的虚拟制造系统，为用户提供具有机床、成套刀具、机器人等虚拟设备的3维虚拟车间环境。英国Herriot-Watt大学的虚拟制造研究组主要从事与虚拟装配有关的一系列研究工作，为各种工业应用提供虚拟现实工具，并提出基于虚拟现实的装配规划系统，并使用浸人式虚拟环境完成电缆套索的设计与定位。德国宝马汽车公司为车门装配设计的虚拟装配系统能识别语音输入完成相应操作，并能对干涉碰撞发声报警。

　　在日本，以大阪大学为中心的研究开发力量主要进行虚拟制造系统的建模和仿真技术研究，并开发出了虚拟工厂的构造环境VirtualWorks。

　　4.2 国内的研究与应用

　　在我国，由于受三维建模技术、仿真技术等因素的约束，对虚拟制造的研究起步较晚，但近几年发展迅速，一批科研院校和研究所纷纷加入到虚拟制造的研究队伍中来。国内最早的虚拟制造研究机构之一的清华大学CIMS工程研究中心虚拟制造研究室在综合目前国内外关于虚拟制造的研究成果的基础上，提出了一个虚拟制造体系结构，即基于产品数据管理(PDM)集成的虚拟制造、虚拟生产、虚拟企业框架结构。并就某典型产品在进行虚拟设计、仿真优化、虚拟装配及可加工性分析的基础上开发研制了虚拟加工软件系统VME。北京机械科学研究总院初步实现了立体停车库的虚拟现实下的参数化设计，可以直观地进行车库的布局、设计、分析和运动模拟。上海交通大学等科研机构也在从事虚拟制造方面的研究。但总体来说，国内关于虚拟制造方面的研究还处在初期阶段，且多集中于高等院校和少量的研究院所，企业和公司介人较少。

　　5 结束语

　　随着Internet技术的发展和全球一体化的进一步加剧，虚拟制造将向Internet方向发展，基于Internet的虚拟制造可以通过内在的集成框架，将分布的异构系统高度集成，并在系统的不同部分之间实现透明的互操作，使各组成部分既相对独立，又可以协同工作，成为开放性的分布式虚拟制造系统。虚拟制造与Internet的结合将发展成为一项很有发展前景和应用潜力的技术。