虚拟制造及其关键技术(doc8)

1、.：.；虚拟制造及其关键技术市场全球化使企业面临的竞争对手不断增多，面临的竞争压力日益加重，随着产品更新换代速度的加快，交货时间和产质量量较之于本钱成为企业参与市场竞争更为重要的手段。与此同时，由于社会、经济和科学技术的开展而引起的对环境和社会要素的日益关注，导致了产品生命周期概念和可持续性工业消费的出现。面对制造环境的复杂性、制造产品的复杂性以及制造本身的复杂性(包括制造系统构造的复杂性和制造过程的复杂性)1的不断提高，企业能否在瞬息万变的市场竞争中立于不败之地，取决于企业的整体竞争才干，即取决于其能否经过信息集成、智能集成、资源集成、技术集成、过程集成、串并行任务机制集成、组织管理集成以及

2、人机集成实现分布式协同求解，从而使企业的运作到达全局最优，资源得到合理的配置和利用，提高市场竞争力。虚拟制造使企业的全面集成成为能够，从而作为一种21世纪的新型制造战略和方法正越来越遭到工业界和学术界的注重。二、虚拟制造的概念和功能1虚拟制造的概念由于虚拟制造研讨的出发点、偏重点以及运用场所等方面的不同，因此存在对虚拟制造各种不同的定义。Kimura2、Onosato3等将虚拟制造定义为现实制造系统在虚拟环境下的映射，是针对现实制造环境的虚拟模型，该模型为消费规划、调度和管理提供测试环境。ChetanShukla4等将虚拟制造定义为一个正在开展中的研讨领域，其目的是经过虚拟现实技术将各种与制造

3、有关的技术集成起来。Hitchcock等那么将其定义为一个用于提高制造企业内各级决策和控制才干的集成的、虚拟的制造环境。而Nahavandi和Preece对虚拟制造定义那么与为Kimura的定义有些类似，将其定义为曾经存在或还不存在的制造系统的仿真模型，该模型具有与制造过程、过程控制和管理以及产品有关的一切信息。Lin5，6等以为虚拟制造是运用计算机模型和制造过程仿真来辅助产品的设计和制造。Iwata7等以为虚拟制造系统是实现沟通制造工程和信息根底构造建立新型信息根底构造最有希望的方法。KILee和SDNoh8那么以为虚拟制造系统是表示现实制造系统物理和逻辑构造和特性的一种集成计算机模型。基于

4、对当前虚拟制造研讨的归纳总结和对虚拟制造的研讨，我们以为对虚拟制造的定义应该分为3个层次：(1)虚拟制造作为一种哲理、一种制造战略，为制造业的开展指明了方向，在制造企业组织管理、产品开发过程、资源、任务机制等诸方面集成根底之上，使其成为一个有机整体，以到达提高整体的运作及全局最优决策的效能和市场竞争力的目的。(2)同时，虚拟制造作为一种现代制造环境下的制造实际和方法论，为整个制造企业的产品开发过程提供一种实施虚拟制造的方法，为实现企业的全面集成提供指点原那么、实施方法和途径。(3)最后，虚拟制造是一种在计算机技术支持下的集成的、虚拟的制造环境。下面本文将对这种集成的、虚拟的制造环境的功能进展详

5、细讨论。2虚拟制造的功能要求(1)经过虚拟制造系统实现制造企业产品开发过程的集成和制造企业的全面集成根据制造企业战略，基于虚拟制造系统，在信息集成和功能集成的根底上，实现产品开发过程的集成。经过对整个产品开发过程的建模、管理、控制和协调，对企业资源、技术、人员进展合理组织和配置，面向产品的整个生命周期，实现制造企业战略与企业运营、工程设计和消费活动的集成(纵向集成)以及在产品开发的各个阶段分布式并行处置虚拟环境下多学科小组的协同任务(横向集成)，快速顺应市场和用户需求的变化，以最快的速度向市场和用户提供优质低价产品。(2)实现了虚拟产品设计虚拟制造仿真闭环产品开发方式各种建模、仿真和分析技术和

6、工具的大量运用，实现了虚拟产品设计虚拟制造仿真闭环产品开发方式。虚拟制造系统可以在产品开发的各个阶段，根据用户对产品的要求，对虚拟产品原型的构造、功能、性能、加工、装配、制造过程以及消费过程在虚拟环境下进展仿真，并根据产品评价体系提供的方法、规范和目的，为设计修正和优化提供指点和根据。由于以上开发过程都是在虚拟环境下针对虚拟产品原型进展的。所以大大缩短了开发时间，节约了研制经费，并且可以在产品开发的早期阶段发现能够存在的问题，使其在成为现实之前予以处理；又由于开发进程的加快，使设计评价修正从多次串行任务方式下的小的部分循环过渡到基于并行任务方式的整体大循环成为能够，并且可以实现对多个处理方案的

7、比较和选择。(3)经过多层次、分阶段、多目的的决策支持，提高产品开发过程中的决策和控制才干经过虚拟制造系统在人与系统之间、人工智能与非人工智能技术与工具之间、设计人员之间、现实世界与虚拟的计算机制造环境之间、不同的产品开发过程之间、不同的知识来源之间等建立起了衔接的纽带。在分布式并行处置环境下，在对产品开发过程多层次、分阶段、多目的的智能决策支持下，经过义务规划、调度、分配和协调，在评价系统支持下，在产品开发的不同阶段，根据不同的评价体系目的及规范，实现对产品、消费制造过程在时间、质量、本钱等多个目的的评价，经过协同决策，提高企业的决策和控制才干，从而实现提高运转效率以到达全局寻优的目的。这包

8、括：(1)根据市场需求以及企业资源情况和技术条件等，进展运营决策，确定产品类型和规模，对能够获得的效益和能够遇到的风险进展评价；(2)在虚拟环境下，基于分布式并行处置技术，在对产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)进展并行地、集成地设计开发过程中，支持产品开发人员对产品方案设计、构造设计、详细设计以及工艺设计及组织消费等进展协同决策；(3)根据企业资源情况、产品类型和规模，制定消费规划，控制和协调消费活动，合理配置和利用企业的人、财、物资源。(4)经过虚拟制造系统与现实制造系统的集成，提高企业自我调理、自我完善、自我改造和自我开展的才干基于企业建模的虚拟制造系统，经过信息集成、组织管理集成

9、、智能集成、资源集成、技术集成、串并行任务机制集成、过程集成以及人机集成等，实现企业的全面集成，为使其可以根据复杂多变的竞争环境，监控现实制造系统的运转，不断调整组织构造，优化运营过程，合理配置人、财、物力资源，革新技术和提高人员素质等提供了一种系统的方法和途径，使企业的自我调理、自我完善、自我改造和自我开展的才干大为提高。(5)提供一种具有制造语义的制造信息根底构造虚拟制造系统可以在制造系统和信息根底构造之间起到桥梁作用，为整个企业的制造活动提供一个具有制造语义的制造信息根底构造，协调和加快制造活动之间各种制造信息的交换。三、研讨现状和关键技术虚拟制造是近几年来国际上提出的，完好的实际体系还

10、没有构成，其研讨处于探求阶段。虽然某些根底单元技术已有了较深化的研讨，但即使在欧美日等工业兴隆国家，目前也主要是分析虚拟环境下根底单元技术的要求，对其进展实际上的研讨。美国自然科学基金(NSF)、美国国家规范和技术研讨所(NIST)和美国国防部高级研讨方案署(ARPA)资助和支持下的几所大学和企业结合研讨中心正在进展虚拟制造各个领域关键技术和系统开发方面的研讨。日本东京大学和大阪大学的研讨人员自1993年起也在CIRP上发表论文，论述虚拟环境下产品建模的需求及其关键技术、虚拟制造系统体系构造等方面的研讨成果。虚拟制造对于很多工业部门来说，仍处于酝酿阶段9，对于大多数企业还仅仅只需单元技术，目前

11、已真正在开场从事虚拟制造的企业有波音的777部等。我国在虚拟制造领域方面的研讨根本上处于刚刚起步阶段。为顺应制造技术今后的开展趋势，有必要对其进展深化研讨，使我国的制造技术上一个新台阶，到达国际先进程度，并为我国制造业的开展提供一条新途径。其关键技术的研讨分为以下4个层次10：1虚拟制造哲理的研讨虚拟制造哲理的研讨为制造企业实现从精良制造向矫捷制造的转变提供指点思想。在信息集成的根底上，经过组织管理、技术、资源和人机集成实现产品开发过程的集成。在整个产品开发过程中，在基于虚拟现实、科学计算可视化、多媒体等技术的虚拟运用环境、虚拟性能测试环境以及虚拟制造环境等虚拟环境下，在各种人工智能技术和方法

12、的支持下，经过集成地运用各种建模、仿真和分析技术和工具，实现集成的、并行的产品和过程开发以及对产品设计、制造过程以及消费规划、调度和管理的测试，利用分布式协同求解，以提高制造企业内各级决策和控制才干，使企业可以实现自我调理、自我完善、自我改造和自我开展，以到达提高整体的运作效能、实现全局最优决策和提高市场竞争力的目的。2虚拟制造技术层虚拟制造技术的研讨为虚拟制造的实施和虚拟制造系统的建立提供实际和技术上的支持。它由3大主体技术群(建模技术群、仿真技术群、控制技术群)和一个支撑技术群(为3大主体技术群的实施提供支持)组成。(1)建模技术群建模技术群是指用来开发虚拟制造系统中各种模型的一切技术与方

13、法。主要包括产品、过程及消费系统建模技术：虚拟环境下的产品模型除了要表达产品的几何拓扑、特征、产品所具有的功能和特性等信息外，还应具有动态构造，以反映在不同开发阶段产品构造、功能等方面的变化；此外，还应可以经过调度、管理、控制和决策机制为设计分析、加工制造、消费规划与调度等各个环节提供信息，实现对其可以进展多用户(智能主体)并行演进。经过在虚拟环境下，产品设计制造消费过程集成化方面的研讨，综合利用虚拟产品、制造过程以及消费系统等各种模型，对整个产品开发、制造和消费过程进展仿真；虚拟公司建模技术；虚拟制造环境与现实制造环境之间构造、功能等映射关系的管理、维护、监控和更新问题；基于分布式并行处置环

14、境下的虚拟制造开放式体系构造的研讨；面向整个产品生命周期综合经济模型和产品评价体系：为产品研制开发过程中的运营决策、消费决策、产品设计制造过程决策以及效益和风险评价等各个方面的评价提供方法、规范和目的等。(2)仿真技术群仿真技术群是指运转和操作构成虚拟制造系统的各种模型的一切方法和技术。分布式交互仿真技术和虚拟现实技术在仿真中的运用是虚拟制造对仿真提出的新要求。(3)控制技术群控制技术群是指建模过程、仿真过程所用到的各种管理、组织与控制技术与方法。模型部件的组织、调度战略及交换技术；仿真过程的任务流程与信息流程控制；虚拟制造方法论；概念设计与制造方法、加工过程、本钱估计集成技术；集成动态的、分

15、布式的、协作模型的集成技术；实现最正确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；虚拟制造环境下，产品开发过程中的调度与控制机制的研讨，以及面向产品开发过程的组织与管理等问题的研讨等。(4)支撑技术群支撑技术群是指支持虚拟制造系统开发、控制与运转的根底性技术。主要包括：数据库技术；人工智能在制造企业各级组织、产品生命周期的各个阶段决策中运用的研讨；系统集成技术；虚拟环境下分布式并行处置多智能主体协同求解技术与系统的研讨，以及全局最优决策实际和技术的研讨；综合可视化技术(虚拟现实技术、科学可视化技术、计算机仿真和多媒体技术)在虚拟制造环境构造中的运用；计算机软硬件技术以及通讯技术等。3.虚拟制造原型系统层在虚拟制造哲理和技术研讨的根底上，虚拟制造原型系统的研讨和开发可以从以下3个方面进展。1从产品整个生命周期的各个阶段出发，建立面向运营决策、产品决策、设计、制造，不断到产品的回收和再利用等各个阶段或整个生命周期的原型系统。2从制造企业的各个组成要素出发，面向技术、组