虚拟制造在船厂的应用

虚拟制造在船厂的应用张天霄机械电子工程2009412048引言当今制造业正朝着数字化、网络化、智能化、虚拟化的方向发展。虚拟制造是二十世纪九十年代初出现的新概念，它是采用计算机技术、虚拟现实技术与仿真技术并融入网络信息技术对传统制造业的一次大的改造，它为产品开发过程和生产人员提供了产品设计、生产与评价的有效工具与手段，从而实现在实际的物理生产活动开始之前完成在计算机支持环境下的产品制造过程预演。虚拟制造定义虚拟制造概念提出以来，关于它的本质和定义的探讨一直没有停止过，虽然普遍认可虚拟制造就是实际制造过程在计算机上的映射，但是对它应包含的内容却没有达成共识，因此虚拟制造目前仍没有统一的定义，目前在国际刊物上发表的比较有代表性的著作有以下几种：虚拟制造定义①东京大学的CRIP会员Kimura教授领导的小组于1993年在他的文章中作为并行工程的支撑技术提出了虚拟制造的概念，他们认为，对所有制造活动的全面建模与仿真就是虚拟制造。虚拟制造定义具体地说(1)在相关理论和已积累知识的基础上对制造知识进行系统化组织，使得能够以模块化的方式重新配置虚拟制造系统或对原有系统进行扩展;(2)在以上分析活动的基础上，对工程对象和制造活动进行全面建模;(3)在建立真实制造系统前，采用这些模型进行计算机仿真，根据仿真结果对设计和制造活动进行综合的精确的评价;(4)由以上评估来消除不合理结果;(5)对模型进行日常维护来实现高质量的仿真，所有这些内容就构成了虚拟制造。虚拟制造定义②大阪大学的onosato教授认为：

虚拟制造是采用模型来代替实际制造中的对象、过程和活动，与实际制造系统具有信息上的兼容性和结构上的相似性。虚拟制造定义③佛罗里达大学GIoriaJ.Wiensl等人将虚拟制造定义为:

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，其中虚拟原型能够用来在实际制造之前对产品的功能及可制造性的潜在问题进行预测。虚拟制造定义④1994年8月由LwarneceAssociates公司编辑的“虚拟制造用户研讨会”报告将虚拟制造定义为：“集成化的合成制造环境下的基于计算机建模和仿真设计和生产技术。简一言之，是在计算机中实现制造仿真的技术”。虚拟制造定义⑤马里兰大学EdwardLin&ete的定义是：

虚拟制造是一个利用计算机模型和仿真技术来增强产品与过程设计、工艺规划、生产规划和车间控制等各级决策与控制水平的一体化的、综合性的制造环境。虚拟制造定义⑥1994年6月，美国空军wright实验室汇同一些技术领域的专家以及软件商开展了有关虚拟制造的讨论，提出了虚拟制造的初步定义，认为：

虚拟制造是一个集成的、综合的建模与仿真环境，以增强各层次的决策与控制水平。虚拟制造造定义⑦清华大大学肖田田元教授授领导的的研究小小组对虚虚拟制造造的定义义为:虚拟制造造是实际际制造过过程在计计算机上上的映射射，即采采用计算算机仿真真与虚拟拟现实技技术，在在高性能能计算机机及高速速网络的的支持下下，在计计算机上上群组协协同工作作，实现现产品设设计、工工艺规划划、加工工制造、、性能分分析、质质量检验验等产品品制造的的本质过过程，以以增强制制造过程程各级的的决策与与控制能能力。虚拟制造造特征①全数字字化的产产品环境境②对制造造系统的的要素(人、技术术、管理理、环境境等)进行高度度集成。。③过程组组织方式式及生产产制造单单元的动动态可重重构虚拟制造造特征④分布式式的协同同工作环环境⑤仿真结结果的高高可信度度⑥人与虚虚拟制造造环境交交互的自自然化三类虚拟拟制造比比较船舶虚拟拟制造的的优势①在船舶舶实际生生产前，，在不消消耗资源源和能量量的情况况下，验验证生产产方案。。在虚拟拟制造环环境中，，工程技技术人员员可以直直接对船船舶进行行试装配配，进行行各项实实验，检检查船舶舶各方面面的技术术性能等等一系列列的验证证工作②由于船船舶制造造过程涉涉及到的的因素较较多，如如组织、、设备、、材料、、资金等等，一般般很难用用完整的的数学的的参数化化模型来来描述船船舶生产产过程中中各种因因素之间间的关系系。船舶舶虚拟制制造能够够通过建建模对实实际的制制造环境境进行模模拟与仿仿真船舶虚拟拟制造的的优势③建模与与仿真技技术的应应用可以以极大地地提高生生产柔性性，降低低固定成成本。④可靠地地预测成成本、风风险和进进度，大大大提高高决策水水平。虚拟制造造系统虚拟制造造系统(MVS)是实际制制造系统统在计算算机上的的映射。。人们建建造虚拟拟制造系系统的目目的是研研究和检检验实际际存在或或不存在在的制造造系统在在产品制制造过程程中各种种性能能能否满足足应用要要求，虚虚拟制造造系统不不仅是实实际制造造系统的的功能仿仿真模型型，还具具有实际际制造系系统所不不具备的的其它性性能。虚拟制造造系统虚拟制造造系统应应该满足足以下七七个方面面的需求求：①功能的的一致性性②结构的的相似性性③组织的的柔性④系统的的开放性性⑤智能化化⑥支持网网络化协协同工作作能力⑦制造环环境的虚虚拟化船舶制造造过程船舶制造造是一个个涉及面面很广、、综合性性极强的的行业。。从专业业面看，，它包括括总体、、船体、、装置、、动力、、系统、、电气、、观通、、武器系系统等200多个专业业。船舶制造造过程船舶制造造过程从设计过过程各阶阶段的功功能构成成看，船船舶设计计一般可可分为四四个阶段段：(1)方案设计计阶段是是对设计计任务的的可行性性研究。。(2)初步设计计阶段根根据批准准后的方方案设计计、舰船船战术技技术指标标书等(3)技术设计计阶段按按批准后后的初步步设计和和设计任任务书进进行(4)施工设计计阶段为为贯彻技技术设计计的内容容，进一一步收集集整理设设计资料料与调查查研究船舶设计计制造过过程虚拟设计计系统框框架虚拟设计计系统框框架界面层：：界面层是是用户和和系统交交互接口口，其接接口操作作的形式式是多样样的，包包括各种种数据采采集、CAD图形设计计、用户户与虚拟拟环境的的交互操操作及视视频与语语音操作作等。虚拟设计计系统框框架管理层:管理层是是从管理理层面上上来控制制和管理理分布协协同的虚虚拟制造造过程，，以项目目为纽带带，从任任务粒度度层次上上对虚拟拟制造过过程进行行建模、、规划、、管理和和监控，，支持制制造过程程的串并并行工作作，保证证项目的的进度、、资源、、人员的的合理配配置与调调度。虚拟设计计系统框框架功能层:功能层本本身是一一个应用用工具集集，从理理论上而而言，它它应该融融合船舶舶虚拟制制造不同同阶段的的各种关关键的单单元技术术。从船船舶制造造的步骤骤看，可可分为虚虚拟设计计、虚拟拟制造、、虚拟装装配以及及其它应应用工具具集等大大模块。。这些模模块从船船舶的设设计性能能、可加加工性、、可装配配性、过过程的协协同性等等方面进进行评价价和优化化。虚拟设计计系统构构架数据层:数据层是是记录产产品数据据和过程程数据的的载体，，它包括括产品数数据库、、模型库库、虚拟拟环境、、工程图图库等。。虚拟设计计系统构构架支撑层:支撑层包括操操作系统和网网络，它提供供各种应用软软件的运行平平台和协作企企业范围内信信息的透明共共享与管理。。功能模块本系统的核心心为两大功能能模块：(1)电子商务模块块位于虚拟专用用网(vNP)上的电子商务务模块是连接接客户和企业业的桥梁。(2)产品数据管理理模块。船舶制造不仅仅是一个图形形完成过程，，还包含大量量的数据信息息数据管理模模块可为船舶舶设计系统的的集成提供一一个产品数据据管理平台，，为船舶制造造提供统一的的数据管理。。船舶虚拟制造造流程图虚拟船厂模型型虚拟企业：所谓“虚拟企企业”实质是是向外部借力力，通过整合合外部资源，，从而拓展自自己的发展空空间，利用外外部的能力和和优势来弥补补自身的不足足和劣势。虚虚拟企业在组组织上突破有有形的界限，，各成员仅保保留最关键的的功能，而将将其它的功能能虚拟化，最最终在竞争中中最有效地发发挥有限资源源的作用。虚拟企业特点点企业地域的分分散性。企业组织的动动态性。企业功能的不不完整性。企业信息的共共享性。企业资源的互互补性。虚拟船厂模型型研究虚拟船厂是当当今船舶界研研究的一个新新热点，虚拟船厂模型型的初步设想想如下：(l)虚拟船厂的构构建信息捕捉者们们能够充分利利用信息高速速公路的优势势，各自联合合其他合作伙伙伴一同对船船东需求进行行响应，并在在竞争成功后后，快速组建建虚拟船厂。。组成虚拟船船厂的各个企企业之间通过过虚拟专用网网进行沟通与与合作，并且且共享位于虚虚拟专用网上上的工程数据据库。(2)船舶的协同设设计虚拟船厂高度度的信息处理理能力提供了了在设计过程程初期生成和和综合设计详详图的能力，，将船舶设计计建造和从初初始概念研究究到详细设计计的全寿命周周期保障概括括为船舶研制制开发过程中中一个不可分分割的部分，，使传统的船船舶设计和建建造阶段重叠叠交叉，之间间的差别进一一步模糊，总总设计建造周周期缩短。(3)通过虚拟环境境更改设计虚拟船厂提供供了可视化技技术，使设计计人员和船东东或船级社的的监督审查人人员可以看到到船舶设计过过程及在虚拟拟环境下的建建造过程，甚甚至利用虚拟拟现实技术进进入船舶的虚虚拟环境中去去，对船舶各各部件的运行行情况进行审审查，发现错错误，及时更更改。这一设设计的及时审审查可使设计计更改在其他他受影响的领领域里引起返返工量最小。。(4)协同检验传统设计阶段段结束时的阶阶段审定点代代之以由船东东、船级社实实时参与的连连续评审，它它们可作为设设计开发小组组成员的监督督者，即时提提出评估意见见和指示，并并审核设计小小组的修改方方案。(5)虚拟船厂解体体虚拟船厂一般般是为完成某某个项目所成成立，一