虛擬制造系統(tǒng)技術(shù)支持與體系結(jié)構(gòu)分析

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當(dāng)今的制造業(yè)基本技術(shù)日臻成熟，其市場處于以消費(fèi)者為導(dǎo)向的市場環(huán)境下，產(chǎn)品品種、上市時間和用戶滿意度成為企業(yè)取得競爭優(yōu)勢的主要因素。制造業(yè)這種全球化的激烈競爭不斷催生了各種先進(jìn)制造技術(shù)和新的制造哲理，虛擬制造技術(shù)將會在下一世紀(jì)涌向潮頭，其樸素的思想和高新的技術(shù)手段都為研究領(lǐng)域和業(yè)界所推崇。

1、虛擬制造技術(shù)

虛擬制造的基本思想是在產(chǎn)品制造過程的上游－設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行對產(chǎn)品制造全過程的虛擬集成，將全階段可能出現(xiàn)的問題解決在這一階段，通過設(shè)計(jì)的最優(yōu)化達(dá)到產(chǎn)品的一次性制造成功。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是使用感官組織仿真設(shè)備和真實(shí)或虛幻環(huán)境的動態(tài)模型生成或創(chuàng)造出人能夠感知的環(huán)境或現(xiàn)實(shí)，使人能夠憑借直覺作用于計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的三維仿真模型的虛擬環(huán)境。基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬制造技術(shù)在一個統(tǒng)一模型之下對設(shè)計(jì)和制造等等過程集成，它將與產(chǎn)品制造相關(guān)的各種過程與技術(shù)集成在三維的、動態(tài)的仿真真實(shí)過程的實(shí)體數(shù)字模型之上。其目的是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，借助建模與仿真技術(shù)及時地、并行地、模擬出產(chǎn)品未來制造過程乃至產(chǎn)品全生命周期的各種活動對產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響，預(yù)測、檢測、評價產(chǎn)品性能和產(chǎn)品的可制造性等等。從而更加有效的、經(jīng)濟(jì)的、柔性的組織生產(chǎn)，增強(qiáng)決策與控制水平，有力地降低由于前期設(shè)計(jì)給后期制造帶來的回溯更改，達(dá)到產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本最小化、產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的最優(yōu)化、生產(chǎn)效率的最大化。

虛擬制造系統(tǒng)是各制造功能的虛擬集成，它的可視化集成范圍包括與設(shè)計(jì)相關(guān)的各項(xiàng)子系統(tǒng)的功能，如用戶支持、工程分析、材料選用、工藝計(jì)劃、工裝分析、快速原型，甚至包括制造企業(yè)全部功能（如計(jì)劃、操作、控制）的集成。

虛擬制造系統(tǒng)擁有產(chǎn)品和相關(guān)制造過程的全部信息，包括虛擬設(shè)計(jì)、制造和控制產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、知識和模型信息。虛 虛擬控制制造系統(tǒng)按照功能歸集為三種不同類型的子環(huán)境，共同構(gòu)成 中心三元耦合的系統(tǒng)模式如圖1：

（1）虛擬制造設(shè)計(jì)中心：給設(shè)計(jì)者提供各種工具以便設(shè)計(jì)出符合設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（如DFX）的產(chǎn)品模型；
（2）虛擬制造加工中心：研究開發(fā)產(chǎn)品制造過程模型和環(huán)境模型及其分析各種可行的生產(chǎn)計(jì)劃和工藝規(guī)劃；

（3）虛擬制造控制中心：評價產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品原型、生產(chǎn)計(jì)劃、制造模擬和控制策略等等。

圖1 

2、虛擬制造技術(shù)支持

虛擬制造技術(shù)是多學(xué)科綜合的系統(tǒng)技術(shù)，需要研究開發(fā)相應(yīng)的硬件集成系統(tǒng)與軟件，就軟件技術(shù)而言，相關(guān)的研究支持如下：
（1）可視化：真實(shí)、直觀地再現(xiàn)主觀產(chǎn)品與客觀制造過程；
（2）基本環(huán)境：增強(qiáng)可視化和其它虛擬制造功能的集成系統(tǒng)平臺；
（3）信息描述：表達(dá)各種信息，包括數(shù)據(jù)、知識和模型的統(tǒng)一的方法、語義、語法；
（4）中介模型：構(gòu)造、定義、開發(fā)對過程易于中斷介入的模型；
（5）基層集成組織結(jié)構(gòu)：硬件與軟件的基層組織結(jié)構(gòu)；
（6）仿真模型：在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的真實(shí)系統(tǒng)模型；
（7）應(yīng)用方法；產(chǎn)品多樣性與過程動態(tài)性的共同特征的抽象提??；
（8）制造特征：各種材料在虛擬制造環(huán)境中的變化過程；
（9）虛擬制造系統(tǒng)評價：可制造性、工藝性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、質(zhì)量、工期等等。 

3、虛擬制造系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
 
CIM集成是通過物理的、邏輯的聯(lián)系以便在制造設(shè)備之間傳遞信號，以龐大的信息流為“網(wǎng)線”粘連起企業(yè)活動的全部活動“節(jié)點(diǎn)”，共同澆結(jié)成一整塊“企業(yè)機(jī)器”，實(shí)際上從各個方面降低了企業(yè)的柔性。而虛擬制造則完全是數(shù)字模型的集成，提供了有別于CIMS“物理集成”的虛擬集成方案，將相互孤立的制造技術(shù)如CAD、CAM、CAPP等等集成在一個虛擬產(chǎn)品制造環(huán)境下，以現(xiàn)實(shí)對制造過程的一一對應(yīng)的模型化映射關(guān)系，它相對于物理世界有功能一致性、結(jié)構(gòu)相似性的特點(diǎn)，是對實(shí)體制造企業(yè)的產(chǎn)品、作業(yè)、環(huán)境及其評價行為等等四個特征的虛擬實(shí)現(xiàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)在的制造系統(tǒng)如CAD、CAPP、CAM，能夠大大增強(qiáng)各個子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)與并行。面向模型集成各個子系統(tǒng)功能是虛擬制造技術(shù)的關(guān)鍵之一，由于產(chǎn)品的多樣性與制造過程的動態(tài)性，虛擬制造環(huán)境是一個動態(tài)多變的集成環(huán)境，其過程會產(chǎn)生大量的各種數(shù)據(jù)，虛擬過程的數(shù)據(jù)管理變得非常復(fù)雜。面向產(chǎn)品與過程的虛擬制造系統(tǒng)需要對產(chǎn)品、作業(yè)、環(huán)境和評價的數(shù)據(jù)、知識、模型進(jìn)行共同特征抽取與異型制造過程創(chuàng)建。參照CIM的集成方案，擴(kuò)充各個模塊的內(nèi)涵，增加控制評價模塊，使虛擬制造系統(tǒng)有如圖2的體系結(jié)構(gòu)。

在此模型中，各個模塊之間通過模型集成。MAP/STEP是各種子系統(tǒng)間硬件和軟件通訊的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，它的完善是虛擬集成的基礎(chǔ)，但障隘是管理龐大的不斷快速變化著的各種數(shù)據(jù)的統(tǒng)一實(shí)體模型的建立，以及識別各種模型（產(chǎn)品、作業(yè)、環(huán)境、評價）與各個功能模塊間的真實(shí)相互關(guān)系。

 
圖2 基于集成概念的虛擬制造系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

4、結(jié)束語 

虛擬制造技術(shù)的研究與應(yīng)用有巨大潛力，由于各項(xiàng)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，如多媒體遠(yuǎn)程通訊、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、靈鏡技術(shù)、信息集成、三維實(shí)體建模技術(shù)等等，為虛擬制造功能的實(shí)現(xiàn)提供了有力支撐。就現(xiàn)在研究情況來看，虛擬制造的關(guān)鍵技術(shù)是對產(chǎn)品與制造過程的擬實(shí)仿真，制造企業(yè)活動知識抽取、系統(tǒng)過程評價的中斷介入等等以及高計(jì)算能力、高速度、低成本的硬件和軟件的渴求，而軟件的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于硬件，虛擬制造技術(shù)能夠真正成為企業(yè)利器，為企業(yè)取得具體效益之前，還有許多相關(guān)技術(shù)亟待研究開發(fā)。 

來源：CAD世界