虚拟制造体系结构及其应用

1、虚拟制造体系结构及其应用 一、CIMSERC的虚拟制造体系结构及环境从产品生产的全过程来看，“虚拟制造”应包括产品的“可制造性”、“可生产性”和“可合作性”。的支持”所谓“可制造性”系指所设计的产品(包括零件、部件和整机)的可加工性(铸造、冲压、焊接、切削等)和可装配性；而“可生产性”系指在企业已有资源(广义资源，如：设备、人力、原材料等)的约束条件下，如何优化生产计划和调度，以满足市场或顾客的要求；虚到制造技术的发展，虚拟制造还应对被喻为二十一世纪的制造模式“敏捷制造”提供支持，即为企业动态联盟(VE，Virtual Enterprise)的“可合作性”提供支持。而且，上述三个方面对一个企业

2、来说的相互关联的，应该形成一个集成的环境。因此，应从三个层次，即“虚拟制造”，“虚拟生产”，“虚拟企业”开展产品全过程的虚拟制造技术及其集成的虚拟制造环境的研究，包括产品全信息模型、支持各层次虚拟制造的技术并开发相应的支撑平台、以及支持三个平台及其集成的产品数据管理(PDM)技术。 基于上述思想，国家CIMS工程技术研究中心根据先进制造技术发展的要求，正在着手建立虚拟制造研究基地。该基地建立了以下虚拟制造技术体系结构： (1)虚拟制造平台 该平台支持产品的并行设计、工艺规划、加工、装配及维修等过程，进行可制造性(Manufacturability)分析(包括性能分析、费用估计，工时估计等)。它

3、是以全信息模型为基础的众多仿真分析软件的集成，包括力学、热力学、运动学、动力学等可制造性分析，具有以下研究环境： 基于产品技术复合化的产品设计与分析，除了几何造型与特征造型等环境外，还包括运动学、动力学、热力学模型分析环境等； 基于仿真的零部件制造设计与分析，包括工艺生成优化、工具设计优化、刀位轨迹优化、控制代码优化等； 基于仿真的制造过程碰撞干涉检验及运动轨迹检验虚拟加工、虚拟机器人等； 材料加工成形仿真，包括产品设计，加工成形过程温度场、应力场、流动场的分析，加工工艺优化等； 产品虚拟装配，根据产品设计的形状特征，精度特征，三维真实地模拟产品的装配过程，并允许用户以交互方式控制产品的三维真

4、实模拟装配过程，以检验产品的可装配性。 (2)虚拟生产平台 该平台将支持生产环境的布局设计及设备集成、产品远程虚拟测试、企业生产计划及调度的优化，进行可生产性(Producibility)分析。 虚拟生产环境布局 根据产品的工艺特征，生产场地，加工设备等信息，三维真实地模拟生产环境，并允许用户交互地修改有关布局，对生产动态过程进行模拟，统计相应评价参数，对生产环境的布局进行优化； 虚拟设备集成 为不同厂家制造的生产设备实现集成提供支撑环境，对不同集成方案进行比较； 虚拟计划与调度 根据产品的工艺特征，生产环境布局，模拟产品的生产过程，并允许用户以交互方式修改生产排程和进行动态调度，统计有关评价

5、参数，以找出最满意的生产作业计划与调度方案。 (3)虚拟企业平台 被预言为21世纪制造模式的敏捷制造，利用虚拟企业的形式，以实现劳动力、资源、资本、技术、管理和信息等的最优配置，这给企业的运行带来了一系列新的技术要求。虚拟企业平台为敏捷制造提供可合作性(Corporatability)分析支持。 虚拟企业协同工作环境 支持异地设计、异地装配、异地测试的环境，特别是基于广域网的三维图形的异地快速传送、过程控制、人机交互等环境。 虚拟企业动态组合及运行支持环境，特别是INTERNET与INTRANET下的系统集成与任务协调环境。 (4)基于PDM的虚拟制造平台集成 虚拟制造平台应具有统一的框架、统

6、一的数据模型，并具有开放的体系结构。 支持虚拟制造的产品数据模型 提供虚拟制造环境下产品全局数据模型定义的规范，多种产品信息(设计信息、几何信息、加工信息、装配信息等)的一致组织方式的研究环境。 基于产品数据管理(PDM)的虚拟制造集成技术 提供在PDM环境下，“零件/部件虚拟制造平台”、“虚拟生产平台”、“虚拟企业平台”的集成技术研究环境； 基于PDM的产品开发过程集成 提供研究PDM应用接口技术及过程管理技术，实现虚拟制造环境下产品开发全生命周期的过程集成。 图4简要给出了该基地的框架。该虚拟制造环境分为四部分，其中虚拟制造平台的环境分为冷加工和热加工两部分，热加工部分包括支持热加工(铸造

7、、冲压)成形与分析的虚拟制造环境，为一局域网；冷加工部分包括支持异地协同设计的几何造型设计与分析、切削加工及装配的虚拟制造环境，是另一局域网；支持虚拟生产平台、虚拟企业平台的虚拟制造环境、产品数据管理(PDM)(隐含在虚拟企业平台中，负责上述四部分公共数据管理与维护)也构成局域网，三个局域网通过校园网相连，形成以PDM为中心的客户/服务器环，传送速度为100兆位/秒。 二、虚拟现实技术在生产制造上的应用 一个产品从概念设计到投放市场，即产品的生产周期按时间顺序可分为概念设计、详细设计、加工制造、测试和培训维护，VR技术可以在产品的全部生产周期中各个阶段发挥重要的作用。下面着重谈其中的几个方面：

8、 1. 基于VR技术的产品开发 VR的沉浸性和交互性特性使得它成为用来设计新产品和开发相应生产线的得力工具。首先考虑一下设计并构造一个新产品原型所需要的时间。在设计过程中，设计师要考虑到产品的各个方面，以满足一定的安全性、人机工程学、易维护性和装配标准。因此，设计过程中严格地受到生产、时间和费用的限制。VR能完成比CAD更多的功能，CAD通常只考虑产品各个子部件的几何特征和相互间的几何约束。而在VR中，可以将以上提到的多种所需满足的条件集成到设计过程中一并考虑，我们还能适当减少子部件数目，甚至可以按比例放缩部件尺寸，这大大降低了设计费用和原型构造时间，更进一步的达到产品用户化的目标。 例如，在

9、飞机制造业中，为评测某飞机设计方案的优劣，要建立一系列与真实产品同尺寸的物理模型，并在模型上进行反复修改，这要花去大量时间和费用，而在过去是不可避免的。如今美国波音公司在飞机设计中运用VR技术完全改变了这种设计方法。波音公司为设计波音777飞机，研制了一个名为“先进计算机图形交互应用系统”的虚拟环境，用VR技术在此环境中建立一驾飞机的三维模型。这样设计师戴上头盔显示器就可以在这驾虚拟飞机中遨游，检查“飞机”的各项性能，同时，还可以检查设备的安装位置是否符合安装要求等等。最终的实际飞机与设计方案相比，偏差小于千分之一寸，机翼和机身的接合一次成功，缩短了数千小时的设计工作量。 同样，其它大型、复杂

10、的产品如船舶、潜艇设计等都可以运用VR技术达到节约设计费用和时间提高设计成功率的目标。 采用VR技术设计产品还有以下优点：产品用户化的一个不利效应是增加了模型的变量数目，也就相应地增加了生产的复杂度。VR可在要加工的部位加上纹理和图形信息，这对机械制造起到很好的向导作用。同样的过程可辅助训练和指导生产者，使他们能很快胜任新工作。虚拟环境的网络化可对某一项目合作组的成员进行设计、生产训练。这些合作组的成员可以在同一个或不同工厂里，或者甚至是来自院校的专家和国外顾问。 2. 虚拟现实技术在制造车间设计中的作用 目前众多的制造系统可按递阶控制层次分为四层：工厂层、车间层、制造单元层、设备层，其中车间

11、层的设计与车间中设备的利用率、产品的生产效率等密切相关，如果设计不当，就会造成设备利用率低、车间产量不能满足用户需求、操作人员的空闲时间多。所以，如何合理地设计制造车间，保证它的高效运行是一个非常重要的问题。采用VR技术能提高设计的可行性、有效性。 车间设计的主要任务是把生产设备、刀具、夹具、工件、生产计划、调度单等生产要素有机地组织起来。 在车间设计的初步阶段，设计者根据用户需求，确定车间的功能需求、车间的模式、主要加工设备、刀具和夹具的类型和数量，提出一组候选设计方案。VR的作用就是帮助设计者评测、修改设计方案，得到最佳结果。 在详细设计阶段，设计者完成对各个组成单元的完整描述，运用VR造

12、型技术生成各个组成单元的虚拟表示，并进而用这些虚拟单元布置整个车间，其中还可加上自动导引小车、机器人、仓库等车间常用设备。设计者戴上头盔显示器就可穿行于虚拟车间之中，他可以开启其中的任何设备，观测运行情况，凡是他能想到的检测条件都立即能看到检测结果。他还可以在视察时交互式地修改设计方案，比如移动设备的位置，增加删除设备的个数，这种“所想即所见”的设计方式极大地提高了设计的成功率。 3. VR技术在生产计划安排上的应用 生产计划安排的可视化对于制造决策是极其有用的，但目前它还未能完全实现。使用VR技术，可将成百上千件产品、成千上万个零部件和许多其他生产要素可视化，辅助计划者更好地评价、选择生产计划。 计算机产生的图像可将计划者的大脑负担转移到他们的感官系统，这就加快了工作进程。生产计划数据变成立体的或多维的图形，可表达复杂的内部关系。 但问题并不是那么简单，不能只简单地用某种图形来表示每种数据和数据之间的关系，否则只会生成一幅杂乱无章的图像。在绘制之前，要先进行视觉抽象，在2维平面上用一种形体代表一种数据，这种形体要满足： （1）支持视觉感知； （2）构造有效的视觉表示以便于各种层次的解释； （3）保证结果图像要便于商业经理理解和使用。