虚拟制造技术

1、虚拟制造技术摘要阐述了虚拟制造产生的背景及定义,介绍了虚拟制造的特点,技术体系及应用,并对其发展前景作了展望和探讨。关键词先进制造技术数字化模型信息化1 产生背景21世纪以来,制造业在全球市场中的竞争日趋激烈,为了适应快速变化的市场环境,各种先进的制造模式相继产生,企业的柔性与快速响应市场的能力成为竞争实力的重要标志。优秀的企业必须能够更好地满足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。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

2、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,90年代中有许多新概念、新观点应运而生,虚拟制造技术(V irtual Manufacturing Technology VMT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,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,虚拟制造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,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。保证了产品开发的效率和质量,提高了企业的快速响

3、应和市场开拓能力。2 定义及特点2.1 定义虚拟制造(VM是一个全新的概念,是由多学科先进知识形成的综合系统技术。佛罗里达大学Gloria J Wiens:虚拟制造是这样一个概念,即与实际一样在计算机上执行制造过程,其中虚拟模型是在实际制造之前,用于对产品的功能和可制造性的潜在问题进行预测。美国空军Wright实验室:虚拟制造是仿真、建模和分析技术及工具的综合应用,以增强各层制造设计和生产决策与控制。在LawrenceAssociates的V irtualManufacturingUserWorkshop报告中,虚拟制造被定义为:它是一个集成的、综合的可运行制造环境,用来提高各个层次的决策和控

4、制。各部分的语义说明如下:综合:指真实的和仿真的对象、活动和过程的混合状态。环境:通过协同地提供分析工具、仿真工具、应用工具、控制工具、模型(产品、过程和资源、设备以及组织方法的集合,用以支持构造和使用分布式制造仿真。运行:用环境来构造和操作特定的制造仿真。提高:增加它的精度和可靠性。层次:是指从产品的概念设计到回收利用、从车间到执行位置、从物质的转换到信息的传递等各个方面。决策:是指改变(可视化、组织、定义和选择后的影响。控制:预测效果的真实性。虚拟制造必须与特定用户的要求相联系,因此,虚拟制造不可能只有一种定义,对于每一个人来说,虚拟制造并不是完全相同的,所以需要了解它与其他相关概念的区别

5、。因此,为了更好地解释虚拟制造,下面对虚拟制造的内涵进行说明:通过基于建模的途径和利用仿真,虚拟制造主要是为了提高加工过程的质量。虚拟制造最重要的作用是为实施综合产品和过程研制(IntegratedProductProcessDevelopment,IPPD提供了一个工具,特别是用于预测产品成本和控制功能。虚拟制造的基本目的是基于计算机模拟产品的开发环境,使得设计者在真正的加工之前就能够模拟地制造产品。这里的“产品开发”包括了与产品相关的所有活动,不仅包括技术上的和商业上的,而且包含了产品的设计和生产。虚拟制造是基于模型的制造,使用的工具反过来影响这些模型。最初始的工具是仿真,利用仿真可以降低

6、制造成本,而且可以检查真实空间和虚拟空间的许多参数。从全局的观点来讲,在IPPD环境下,通过在计算机中完成制造,虚拟制造提供了对部分或全部设计过程的评价方法。虚拟制造不是孤立的解决方案、结构或数据库,它是许多小的、相对独立的工具集合,这些工具都利用了建模和仿真技术。综合来看,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,在计算机局域和广域网络上,

7、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。2.2 特点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虚拟制造实现实际制造中的本质过程,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和存储,节约仓储费用,能根据市场变化快速改变设计,快速投入批量生产,大副本压缩新产品的开发时间,提高质量,降低成本。(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,可使分布在不同地点,不同部门的专业人员协同工作,相互交流和

8、共享,减少大量文档的生成及传递时间和误差。3 流派和技术体系虚拟制造的研究都与特定的应用环境和对象相联系,在虚拟制造的研究过程中,由于应用对象的不同,各有不同的侧重点,因此出现了三个不同的流派即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。通过增加制造信息到IPPD的过程和在计算机中进行制造,仿真多种制造方案和产生许多软的模型。因此它的短期目标是:为了达到特殊的制造目的(例如为了装配进行设计、精良操作或柔性等,虚拟制造用以制造为基础的仿真来优化产品的设计和生产过程。它的长期目标为:虚拟制造在不同的层次上用仿真过程来评估生产情况,并且反馈给设计和生产控制。通过增加仿真能

9、力到生产过程模型,达到方便和快捷地评价多种加工过程的目的。它的短期目标是:虚拟制造是基于生产的IPPD的转换,用以优化制造过程和物理层。它的长期目标是:为了实现新工艺和流程的更高的可信度,虚拟制造是增加生产仿真到其它集成和分析技术。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。虚拟制造涉及到整个产品生命周期中的各个方面,即产品设计,制造的所有活动,

10、不仅要用到制造企业的所有传统技术,而且还需要开发特有的新技术和方法,尤其是虚拟制造环境下新的建模和仿真技术。1994年7月12日-13日在美国代顿(Dayton召开的V irtual Manufacturing User Workshop会议上提出了9个技术领域,16项技术。1994年10月25日-26日在同一地点召开的会议上有将技术领域扩展为13个,技术项目扩展为44项。虚拟制造技术由三大主体技术群(建模技术群,仿真技术群和控制技术群和一个支撑技术群(为三大主体技术群的实施提供支持组成。由于VMT是一个有机整体,所以三大技术群并不是孤立的,他们之间有大量的信息交换。3.2.1 建模技术群是指

11、用来开发虚拟制造系统(Virtual Manufacturing System,VMS中各种模型的所有技术与方法。建模问题包括:表达,表述语言,抽象,联合,标准,重用性,多用性和配置控制。根据建模对象的不同,建模技术可分为产品和过程模型的建模技术,虚拟车间的建模技术,虚拟公司的建模技术。3.2.2 仿真技术群是指运行和操作构成VMS各种模型的所有方法和技术。仿真技术是在计算机中表达一个物理系统或环境的能力,仿真是通过对系统模型的运算来表达或研究一个存在或正在设计中的系统。计算机仿真就是利用计算机运算系统的数学模型来表达对被仿真系统的分析、研究、设计,培训等。3.2.3 控制技术群是指建模,仿真

12、过程中所用到的各种管理,组织与控制技术与方法。主要包括:模型部件的组织,调度策略和交换技术,仿真过程的工作流程与信息流程控制,VMS方法论,概念设计与制造方法、加工过程、成本估计集成技术,集成动态的、分布式的、协作模型的集成技术,实现最佳设计的冲突求解技术,基于仿真的推理技术,模型及仿真结果的验证确认技术。3.2.4 支撑技术群是指支持VMS开发、控制与运行取得进步的基础性技术。主要包括:数据库技术,人工智能技术,系统集成技术,分布式并行智能协同求解技术,综合可视化技术等。虚拟制造系统的体系结构由三层构成,分别是:经营决策层,产品决策层和生产决策层。经营决策层根据用户需求和市场信息、本企业的资

13、源技术等情况,做出生产产品的种类,规模,性能,规格等决策。产品决策层根据上层所做出的生产产品的性能、规格做出产品总体方案决策,并对其性能做出初步评价,对其成本做出初步预估。生产决策层根据上层决策和企业人力,物力及技术资源与水平等情况,做出产品开发计划,生产任务规划,生产调度等决策,并在计算机上实现其制造过程。以上三个层次的决策在同一的软、硬件支持环境下,协同工作,求得全局最优的决策。4 相关技术4.1 综合产品和过程研制(IntegratedProductProcessDevelopment,IPPDIPPD是一种交错功能协调机理,它使得与设计和制造相关的信息可以在产品设计过程的各模块间流动。

14、VM仿真制造、生产和装配过程,因此它必须有与上面信息的接口,但是V M并不是各模块的集合,也不能使信息在模块间流动。按照IPPD的观点,V M增加了IPPD的过程,它提供了一种方法将制造知识综合到产品开发的早期阶段。因此,它在IPPD中的作用是重要的。首先它允许IPPD直接通过模拟加工过程来设计、分析和制造产品,而不用关心实际的加工。其次,它允许IPPD在原型系统中任意层次上增加过程。IPPD的优势并不在于过程中模块的多少,因为几个最好的单个模型组合到一起并不是最好的。利用VM, IPPD可以逆向分析加工过程,而不用重构加工过程。按照并行工程CE(ConcurrentEngineering的观

15、点,VM 除增加了上面提到的能力外,它共享的基础结构比CE所需要的更可靠。4.2建模与仿真M&S(Modelingand SimulationVM依靠M&S技术模拟制造、生产和装配过程,使设计者可以在计算机中制造产品。M&S是VM的基础。VM是M&S的应用,但是它扩展了传统的M&S技术。在传统上,M&S建模的目的仅仅是为了仿真和相关的分析。而在VM中,使用已存在的模型,而不是优化的仿真。因为在VM中,模型是动态的,随着仿真环境的改变,它是变化的。4.3虚拟企业VE(VirtualEnterprise虚拟企业是敏捷制造的基本的动态组织形态,为了赢得某一机遇性市场竞争,围绕某种新产品开发,通过选用

16、不同组织或公司的优势资源,综合成单一的靠网络通讯联系的阶段性经营实体。动态联盟具有集成性和时效性两大特点。它实质上是不同组织或企业间的动态集成,随市场机遇的存亡而聚散。在具体表现上,结盟的可以是同一个大公司的不同组织部门,也可以是不同国家的不同公司。在VE中伙伴能够共享生产、工艺和产品的信息,这些信息以数据的形式表示,能够分布到不同的计算环境中。VE与VM没有很强的相互依靠关系。在信息的集成和共享领域,VE主要强调网络,而VM主要强调产品的设计,而且在设计阶段VM的重点是仿真产品的生命周期中的各个活动。4.4虚拟原型VP(VirtualPrototyping虚拟原型是相对物理原型,具有一定功能

17、的基于计算机的仿真系统。它主要用于测试和评价多种设计的指定特性。VP是使用虚拟原型的过程。目前,它主要用于缩短产品的开发时间和降低成本。在VP中,计算机辅助设计信息直接被传送到产品模型,而不用构造物理原型来检验设计的有效性和进行优化设计。如果虚拟原型是通过模拟工艺计划来构造的,那么VP就是用VM来产生的,在大部分情况下,VP比物理原型具有更大的优点,在虚拟产品周期中,VP是一个必需的组成部分。所以,VP的发展将增强VM的能力,反过来,VM为VP提供了一个应用环境。5 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

18、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设计发动机,车体和电气线路,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300多万个零件的飞机,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。应用领域(1虚拟环境与工具(2虚拟产品建模(3动态仿真与热力学分析(4虚拟加工过程仿真(5有限元分析(6虚拟测试(7虚拟生产调度控制仿真6 前景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(SoftPrototype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。虚拟制造可以为企业带来六个方面的效果:(1提供影响产品性能,制造成本,生产周期的相关信息,以便使决策者能够正确的处理产品的性能,制造成本,生产进度和风险之间的平衡关系,做出正确的设计和管理决策。(2提高产