虛擬制造系統(tǒng)技術支持與體系結構分析

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當今的制造業(yè)基本技術日臻成熟，其市場處于以消費者為導向的市場環(huán)境下，產(chǎn)品品種、上市時間和用戶滿意度成為企業(yè)取得競爭優(yōu)勢的主要因素。制造業(yè)這種全球化的激烈競爭不斷催生了各種先進制造技術和新的制造哲理，虛擬制造技術將會在下一世紀涌向潮頭，其樸素的思想和高新的技術手段都為研究領域和業(yè)界所推崇。

1、虛擬制造技術

虛擬制造的基本思想是在產(chǎn)品制造過程的上游－設計階段就進行對產(chǎn)品制造全過程的虛擬集成，將全階段可能出現(xiàn)的問題解決在這一階段，通過設計的最優(yōu)化達到產(chǎn)品的一次性制造成功。

虛擬現(xiàn)實技術是使用感官組織仿真設備和真實或虛幻環(huán)境的動態(tài)模型生成或創(chuàng)造出人能夠感知的環(huán)境或現(xiàn)實，使人能夠憑借直覺作用于計算機產(chǎn)生的三維仿真模型的虛擬環(huán)境?；谔摂M現(xiàn)實技術的虛擬制造技術在一個統(tǒng)一模型之下對設計和制造等等過程集成，它將與產(chǎn)品制造相關的各種過程與技術集成在三維的、動態(tài)的仿真真實過程的實體數(shù)字模型之上。其目的是在產(chǎn)品設計階段，借助建模與仿真技術及時地、并行地、模擬出產(chǎn)品未來制造過程乃至產(chǎn)品全生命周期的各種活動對產(chǎn)品設計的影響，預測、檢測、評價產(chǎn)品性能和產(chǎn)品的可制造性等等。從而更加有效的、經(jīng)濟的、柔性的組織生產(chǎn)，增強決策與控制水平，有力地降低由于前期設計給后期制造帶來的回溯更改，達到產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本最小化、產(chǎn)品設計質量的最優(yōu)化、生產(chǎn)效率的最大化。

虛擬制造系統(tǒng)是各制造功能的虛擬集成，它的可視化集成范圍包括與設計相關的各項子系統(tǒng)的功能，如用戶支持、工程分析、材料選用、工藝計劃、工裝分析、快速原型，甚至包括制造企業(yè)全部功能（如計劃、操作、控制）的集成。

虛擬制造系統(tǒng)擁有產(chǎn)品和相關制造過程的全部信息，包括虛擬設計、制造和控制產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、知識和模型信息。虛 虛擬控制制造系統(tǒng)按照功能歸集為三種不同類型的子環(huán)境，共同構成 中心三元耦合的系統(tǒng)模式如圖1：

（1）虛擬制造設計中心：給設計者提供各種工具以便設計出符合設計準則（如DFX）的產(chǎn)品模型；
（2）虛擬制造加工中心：研究開發(fā)產(chǎn)品制造過程模型和環(huán)境模型及其分析各種可行的生產(chǎn)計劃和工藝規(guī)劃；

（3）虛擬制造控制中心：評價產(chǎn)品設計、產(chǎn)品原型、生產(chǎn)計劃、制造模擬和控制策略等等。

圖1 

2、虛擬制造技術支持

虛擬制造技術是多學科綜合的系統(tǒng)技術，需要研究開發(fā)相應的硬件集成系統(tǒng)與軟件，就軟件技術而言，相關的研究支持如下：
（1）可視化：真實、直觀地再現(xiàn)主觀產(chǎn)品與客觀制造過程；
（2）基本環(huán)境：增強可視化和其它虛擬制造功能的集成系統(tǒng)平臺；
（3）信息描述：表達各種信息，包括數(shù)據(jù)、知識和模型的統(tǒng)一的方法、語義、語法；
（4）中介模型：構造、定義、開發(fā)對過程易于中斷介入的模型；
（5）基層集成組織結構：硬件與軟件的基層組織結構；
（6）仿真模型：在計算機系統(tǒng)中設計的真實系統(tǒng)模型；
（7）應用方法；產(chǎn)品多樣性與過程動態(tài)性的共同特征的抽象提??；
（8）制造特征：各種材料在虛擬制造環(huán)境中的變化過程；
（9）虛擬制造系統(tǒng)評價：可制造性、工藝性、可靠性、經(jīng)濟性、質量、工期等等。 

3、虛擬制造系統(tǒng)體系結構
 
CIM集成是通過物理的、邏輯的聯(lián)系以便在制造設備之間傳遞信號，以龐大的信息流為“網(wǎng)線”粘連起企業(yè)活動的全部活動“節(jié)點”，共同澆結成一整塊“企業(yè)機器”，實際上從各個方面降低了企業(yè)的柔性。而虛擬制造則完全是數(shù)字模型的集成，提供了有別于CIMS“物理集成”的虛擬集成方案，將相互孤立的制造技術如CAD、CAM、CAPP等等集成在一個虛擬產(chǎn)品制造環(huán)境下，以現(xiàn)實對制造過程的一一對應的模型化映射關系，它相對于物理世界有功能一致性、結構相似性的特點，是對實體制造企業(yè)的產(chǎn)品、作業(yè)、環(huán)境及其評價行為等等四個特征的虛擬實現(xiàn)。

虛擬現(xiàn)實技術應用于現(xiàn)在的制造系統(tǒng)如CAD、CAPP、CAM，能夠大大增強各個子系統(tǒng)之間的協(xié)調與并行。面向模型集成各個子系統(tǒng)功能是虛擬制造技術的關鍵之一，由于產(chǎn)品的多樣性與制造過程的動態(tài)性，虛擬制造環(huán)境是一個動態(tài)多變的集成環(huán)境，其過程會產(chǎn)生大量的各種數(shù)據(jù)，虛擬過程的數(shù)據(jù)管理變得非常復雜。面向產(chǎn)品與過程的虛擬制造系統(tǒng)需要對產(chǎn)品、作業(yè)、環(huán)境和評價的數(shù)據(jù)、知識、模型進行共同特征抽取與異型制造過程創(chuàng)建。參照CIM的集成方案，擴充各個模塊的內(nèi)涵，增加控制評價模塊，使虛擬制造系統(tǒng)有如圖2的體系結構。

在此模型中，各個模塊之間通過模型集成。MAP/STEP是各種子系統(tǒng)間硬件和軟件通訊的標準數(shù)據(jù)格式，它的完善是虛擬集成的基礎，但障隘是管理龐大的不斷快速變化著的各種數(shù)據(jù)的統(tǒng)一實體模型的建立，以及識別各種模型（產(chǎn)品、作業(yè)、環(huán)境、評價）與各個功能模塊間的真實相互關系。

 
圖2 基于集成概念的虛擬制造系統(tǒng)體系結構

4、結束語 

虛擬制造技術的研究與應用有巨大潛力，由于各項計算機技術的發(fā)展，如多媒體遠程通訊、網(wǎng)絡技術、靈鏡技術、信息集成、三維實體建模技術等等，為虛擬制造功能的實現(xiàn)提供了有力支撐。就現(xiàn)在研究情況來看，虛擬制造的關鍵技術是對產(chǎn)品與制造過程的擬實仿真，制造企業(yè)活動知識抽取、系統(tǒng)過程評價的中斷介入等等以及高計算能力、高速度、低成本的硬件和軟件的渴求，而軟件的發(fā)展遠遠滯后于硬件，虛擬制造技術能夠真正成為企業(yè)利器，為企業(yè)取得具體效益之前，還有許多相關技術亟待研究開發(fā)。 

來源：CAD世界