虛擬制造體系結構及其應用

1、虛擬制造體系結構及其應用 一、CIMSERC的虛擬制造體系結構及環(huán)境從產品生產的全過程來看，“虛擬制造”應包括產品的“可制造性”、“可生產性”和“可合作性”。的支持”所謂“可制造性”系指所設計的產品(包括零件、部件和整機)的可加工性(鑄造、沖壓、焊接、切削等)和可裝配性；而“可生產性”系指在企業(yè)已有資源(廣義資源，如：設備、人力、原材料等)的約束條件下，如何優(yōu)化生產計劃和調度，以滿足市場或顧客的要求；虛到制造技術的發(fā)展，虛擬制造還應對被喻為二十一世紀的制造模式“敏捷制造”提供支持，即為企業(yè)動態(tài)聯盟(VE，Virtual Enterprise)的“可合作性”提供支持。而且，上述三個方面對一個企業(yè)

2、來說的相互關聯的，應該形成一個集成的環(huán)境。因此，應從三個層次，即“虛擬制造”，“虛擬生產”，“虛擬企業(yè)”開展產品全過程的虛擬制造技術及其集成的虛擬制造環(huán)境的研究，包括產品全信息模型、支持各層次虛擬制造的技術并開發(fā)相應的支撐平臺、以及支持三個平臺及其集成的產品數據管理(PDM)技術。 基于上述思想，國家CIMS工程技術研究中心根據先進制造技術發(fā)展的要求，正在著手建立虛擬制造研究基地。該基地建立了以下虛擬制造技術體系結構： (1)虛擬制造平臺 該平臺支持產品的并行設計、工藝規(guī)劃、加工、裝配及維修等過程，進行可制造性(Manufacturability)分析(包括性能分析、費用估計，工時估計等)。它

3、是以全信息模型為基礎的眾多仿真分析軟件的集成，包括力學、熱力學、運動學、動力學等可制造性分析，具有以下研究環(huán)境： 基于產品技術復合化的產品設計與分析，除了幾何造型與特征造型等環(huán)境外，還包括運動學、動力學、熱力學模型分析環(huán)境等； 基于仿真的零部件制造設計與分析，包括工藝生成優(yōu)化、工具設計優(yōu)化、刀位軌跡優(yōu)化、控制代碼優(yōu)化等； 基于仿真的制造過程碰撞干涉檢驗及運動軌跡檢驗虛擬加工、虛擬機器人等； 材料加工成形仿真，包括產品設計，加工成形過程溫度場、應力場、流動場的分析，加工工藝優(yōu)化等； 產品虛擬裝配，根據產品設計的形狀特征，精度特征，三維真實地模擬產品的裝配過程，并允許用戶以交互方式控制產品的三維真

4、實模擬裝配過程，以檢驗產品的可裝配性。 (2)虛擬生產平臺 該平臺將支持生產環(huán)境的布局設計及設備集成、產品遠程虛擬測試、企業(yè)生產計劃及調度的優(yōu)化，進行可生產性(Producibility)分析。 虛擬生產環(huán)境布局 根據產品的工藝特征，生產場地，加工設備等信息，三維真實地模擬生產環(huán)境，并允許用戶交互地修改有關布局，對生產動態(tài)過程進行模擬，統計相應評價參數，對生產環(huán)境的布局進行優(yōu)化； 虛擬設備集成 為不同廠家制造的生產設備實現集成提供支撐環(huán)境，對不同集成方案進行比較； 虛擬計劃與調度 根據產品的工藝特征，生產環(huán)境布局，模擬產品的生產過程，并允許用戶以交互方式修改生產排程和進行動態(tài)調度，統計有關評價

5、參數，以找出最滿意的生產作業(yè)計劃與調度方案。 (3)虛擬企業(yè)平臺 被預言為21世紀制造模式的敏捷制造，利用虛擬企業(yè)的形式，以實現勞動力、資源、資本、技術、管理和信息等的最優(yōu)配置，這給企業(yè)的運行帶來了一系列新的技術要求。虛擬企業(yè)平臺為敏捷制造提供可合作性(Corporatability)分析支持。 虛擬企業(yè)協同工作環(huán)境 支持異地設計、異地裝配、異地測試的環(huán)境，特別是基于廣域網的三維圖形的異地快速傳送、過程控制、人機交互等環(huán)境。 虛擬企業(yè)動態(tài)組合及運行支持環(huán)境，特別是INTERNET與INTRANET下的系統集成與任務協調環(huán)境。 (4)基于PDM的虛擬制造平臺集成 虛擬制造平臺應具有統一的框架、統

6、一的數據模型，并具有開放的體系結構。 支持虛擬制造的產品數據模型 提供虛擬制造環(huán)境下產品全局數據模型定義的規(guī)范，多種產品信息(設計信息、幾何信息、加工信息、裝配信息等)的一致組織方式的研究環(huán)境。 基于產品數據管理(PDM)的虛擬制造集成技術 提供在PDM環(huán)境下，“零件/部件虛擬制造平臺”、“虛擬生產平臺”、“虛擬企業(yè)平臺”的集成技術研究環(huán)境； 基于PDM的產品開發(fā)過程集成 提供研究PDM應用接口技術及過程管理技術，實現虛擬制造環(huán)境下產品開發(fā)全生命周期的過程集成。 圖4簡要給出了該基地的框架。該虛擬制造環(huán)境分為四部分，其中虛擬制造平臺的環(huán)境分為冷加工和熱加工兩部分，熱加工部分包括支持熱加工(鑄造

7、、沖壓)成形與分析的虛擬制造環(huán)境，為一局域網；冷加工部分包括支持異地協同設計的幾何造型設計與分析、切削加工及裝配的虛擬制造環(huán)境，是另一局域網；支持虛擬生產平臺、虛擬企業(yè)平臺的虛擬制造環(huán)境、產品數據管理(PDM)(隱含在虛擬企業(yè)平臺中，負責上述四部分公共數據管理與維護)也構成局域網，三個局域網通過校園網相連，形成以PDM為中心的客戶/服務器環(huán)，傳送速度為100兆位/秒。 二、虛擬現實技術在生產制造上的應用 一個產品從概念設計到投放市場，即產品的生產周期按時間順序可分為概念設計、詳細設計、加工制造、測試和培訓維護，VR技術可以在產品的全部生產周期中各個階段發(fā)揮重要的作用。下面著重談其中的幾個方面：

8、 1. 基于VR技術的產品開發(fā) VR的沉浸性和交互性特性使得它成為用來設計新產品和開發(fā)相應生產線的得力工具。首先考慮一下設計并構造一個新產品原型所需要的時間。在設計過程中，設計師要考慮到產品的各個方面，以滿足一定的安全性、人機工程學、易維護性和裝配標準。因此，設計過程中嚴格地受到生產、時間和費用的限制。VR能完成比CAD更多的功能，CAD通常只考慮產品各個子部件的幾何特征和相互間的幾何約束。而在VR中，可以將以上提到的多種所需滿足的條件集成到設計過程中一并考慮，我們還能適當減少子部件數目，甚至可以按比例放縮部件尺寸，這大大降低了設計費用和原型構造時間，更進一步的達到產品用戶化的目標。 例如，在

9、飛機制造業(yè)中，為評測某飛機設計方案的優(yōu)劣，要建立一系列與真實產品同尺寸的物理模型，并在模型上進行反復修改，這要花去大量時間和費用，而在過去是不可避免的。如今美國波音公司在飛機設計中運用VR技術完全改變了這種設計方法。波音公司為設計波音777飛機，研制了一個名為“先進計算機圖形交互應用系統”的虛擬環(huán)境，用VR技術在此環(huán)境中建立一駕飛機的三維模型。這樣設計師戴上頭盔顯示器就可以在這駕虛擬飛機中遨游，檢查“飛機”的各項性能，同時，還可以檢查設備的安裝位置是否符合安裝要求等等。最終的實際飛機與設計方案相比，偏差小于千分之一寸，機翼和機身的接合一次成功，縮短了數千小時的設計工作量。 同樣，其它大型、復雜

10、的產品如船舶、潛艇設計等都可以運用VR技術達到節(jié)約設計費用和時間提高設計成功率的目標。 采用VR技術設計產品還有以下優(yōu)點：產品用戶化的一個不利效應是增加了模型的變量數目，也就相應地增加了生產的復雜度。VR可在要加工的部位加上紋理和圖形信息，這對機械制造起到很好的向導作用。同樣的過程可輔助訓練和指導生產者，使他們能很快勝任新工作。虛擬環(huán)境的網絡化可對某一項目合作組的成員進行設計、生產訓練。這些合作組的成員可以在同一個或不同工廠里，或者甚至是來自院校的專家和國外顧問。 2. 虛擬現實技術在制造車間設計中的作用 目前眾多的制造系統可按遞階控制層次分為四層：工廠層、車間層、制造單元層、設備層，其中車間

11、層的設計與車間中設備的利用率、產品的生產效率等密切相關，如果設計不當，就會造成設備利用率低、車間產量不能滿足用戶需求、操作人員的空閑時間多。所以，如何合理地設計制造車間，保證它的高效運行是一個非常重要的問題。采用VR技術能提高設計的可行性、有效性。 車間設計的主要任務是把生產設備、刀具、夾具、工件、生產計劃、調度單等生產要素有機地組織起來。 在車間設計的初步階段，設計者根據用戶需求，確定車間的功能需求、車間的模式、主要加工設備、刀具和夾具的類型和數量，提出一組候選設計方案。VR的作用就是幫助設計者評測、修改設計方案，得到最佳結果。 在詳細設計階段，設計者完成對各個組成單元的完整描述，運用VR造

12、型技術生成各個組成單元的虛擬表示，并進而用這些虛擬單元布置整個車間，其中還可加上自動導引小車、機器人、倉庫等車間常用設備。設計者戴上頭盔顯示器就可穿行于虛擬車間之中，他可以開啟其中的任何設備，觀測運行情況，凡是他能想到的檢測條件都立即能看到檢測結果。他還可以在視察時交互式地修改設計方案，比如移動設備的位置，增加刪除設備的個數，這種“所想即所見”的設計方式極大地提高了設計的成功率。 3. VR技術在生產計劃安排上的應用 生產計劃安排的可視化對于制造決策是極其有用的，但目前它還未能完全實現。使用VR技術，可將成百上千件產品、成千上萬個零部件和許多其他生產要素可視化，輔助計劃者更好地評價、選擇生產計劃。 計算機產生的圖像可將計劃者的大腦負擔轉移到他們的感官系統，這就加快了工作進程。生產計劃數據變成立體的或多維的圖形，可表達復雜的內部關系。 但問題并不是那么簡單，不能只簡單地用某種圖形來表示每種數據和數據之間的關系，否則只會生成一幅雜亂無章的圖像。在繪制之前，要先進行視覺抽象，在2維平面上用一種形體代表一種數據，這種形體要滿足： （1）支持視覺感知； （2）構造有效的視覺表示以便于各種層次的解釋； （3）保證結果圖像要便于商業(yè)經理理解和使用。