虛擬制造技術及應用研究

焦可如，張志軍，王曉琴

（1.沈陽理工大學 機械學院，沈陽 110159；2.河南省煤田地質局四隊，平頂山 467000）

0 引言

隨著當今制造業不斷向自動化、復雜化和規模化方向發展，在實際產品生產過程實施之前，需要對實際生產系統進行準確詳實的仿真和預測。從而按照TQCSE[1～3]現代企業的要求，即以最快的上市速度（T-time to market)、最好的質量(Q-quality)、最低的成本(C-cost)、最優的服務(S-service)和最佳的生產環境（Environment）來滿足不同顧客的需求，使產品的實現具有快速和柔性的特征。又由于近年來計算機技術、網絡技術、數據庫技術，Agent技術和系統仿真技術的迅速發展，20世紀80年代首先由美國提出了虛擬制造技術這個全新的理念。因此說虛擬制造是現代科學技術和生產技術發展的必然結果，是各種現代制造技術與系統發展的必然趨勢。主要能夠有效地解決以下問題：

1）在無法投入大量的人力物力的情況下，在制造系統正式建立和運營之前，對其進行有效的評估和預測，從而降低制造系統的投資成本和風險。

2）在新產品開發的各個階段，把握從開發設計、加工制造、市場運營、再回收等各階段實際情況，及時有效地協調各方面的關系，以達到全體最優效益。

3）能夠實現信息集成、技術集成、資源集成、智能集成、企業內部的各個工作機制的集成，實現分布式智能協同求解，達到全局最優的目的。

1 虛擬制造的內涵

虛擬制造的基本思想是在產品制造過程的上游——設計階段就進行對產品制造全過程的虛擬集成，將全階段可能出現的問題解決在這一階段，通過設計的最優化達到產品的一次性制造成功。

虛擬制造是利用信息技術、仿真技術和計算機技術對現實制造活動中的人物、信息及制造過程進行全面的仿真，以預先發現制造過程中的問題，在產品實際生產前就預防措施，從而達到產品一次性制造成功，來達到降低成本、縮短產品開發周期和增強產品競爭力的目的。

虛擬制造是基于虛擬現實技術[4]來實現的。它是在一個統一的模型之下對設計和制造等過程集成，將與產品制造相關的各種過程與技術集成在三維的、動態的仿真真實過程的實體數字模型之上，其目的是在產品設計階段，借助建模與仿真技術及時地、并行地模擬出產品未來制造過程乃至產品全生命周期中各種對產品設計的影響、預測、檢測、評價產品性能和產品可制造性等，從而更有效的、經濟的、柔性的來進行生產，使得生產周期和成本最低、產品設計質量最優，生產效率最高。

它是多學科、多領域知識的綜合，其產生的虛擬產品和虛擬制造系統，要在計算機上以直覺、生動精確的方式體現出來，它擁有產品和相關制造過程的全部信息，包括虛擬設計、制造和控制產生的數據、相關知識和模型信息。虛擬制造系統按照功能歸結為三種不同類型的子環境，共同構成中心三元耦合的、互相關聯的系統模式。它們分別是：

1）虛擬制造設計中心：給設計者提供各種工具以便虛擬設計、虛擬制造，設計出符合設計準則的產品模型。

2）虛擬制造加工中心：研究開發產品制造過程模型和環境模型及分析各種可行的生產計劃和工藝規化。

3）虛擬制造控制中心：評價產品設計、產品原型、生產計劃、制造模擬和控制策略等。

2 虛擬制造技術的關鍵技術

虛擬制造技術是多學科技術的系統集成。其關鍵技術[5]主要包括建模技術、仿真技術、智能設計技術、可制造評價等。虛擬制造依靠建模與仿真技術來模擬制造、生產和裝配過程，使設計者在計算機上模擬出產品的整個過程。建模與仿真是虛擬制造的基礎，虛擬制造是建模與仿真的應用，它拓展了傳統的建模與仿真。

2.1 建模技術

虛擬制造系統VMS是現實制造系統RMS在虛擬環境下的映射，是RMS的模型化、形式化的抽象的描述和表示。VMS的建模是生產模型、產品模型和工藝模型的信息體系。

生產模型歸納為靜態描述和動態描述兩方面，靜態描述是指系統生產能力和生產特征的描述。動態描述是指在已知系統狀態和需求特征的基礎上預測產品生產的全過程。

生產模型是在加工過程中，各類實體對象模型的集合。產品模型包括毛坯、中期產品模型、目標產品模型。對于一個VMS來說，只有具備完備的產品模型，才能使產品實施過程中的全部活動集成。

將工藝參數與影響制造的產品設計屬性聯系起來，反應生產模型與產品模型之間的交互作用，工藝模型必須具備以下功能：計算機工藝仿真、制造數據表、制造規劃、統計模型以及物理和數學模型。

2.2 仿真技術

仿真就是應用計算機對復雜的現實系統經過抽象和簡化形成系統模型，然后在分析的基礎上運行此模型，從而得到系統一系列的統計信息。仿真的基本步驟是：研究系統→收集數據→建立系統模型→確定仿真算法→建立仿真模型→運行仿真模型→輸出結果并分析。

產品制造過程仿真，可歸結為制造系統仿真和加工過程仿真。產品仿真的基本思想是：通過對設計和產品加工過程等的仿真，在產品設計和生產的上游，對設計結果進行反饋和評估，實現產品的優化設計。加工過程仿真包括切削過程仿真、裝配過程仿真及檢驗過程仿真等。

2.3 虛擬現實技術

虛擬現實技術[6]是一種由計算機生成的動態虛擬環境，人通過適當的接口置身其中，可以參與和操縱虛擬環境中的仿真物理模型，并且可以和過去的、現在的或虛擬的人物進行交互，它通過各種虛擬設備如立體顯示系統、聽覺系統、觸覺系統與力反饋設備等刺激人體的各個感知器官，使人能與系統交互（interaction），產生沉浸感（immersion），對系統進行構想（imagination）。交互、沉浸感和構想是虛擬現實技術的基本特征。在生產過程中通過虛擬現實技術對產品及其制造過程的仿真，可以實現在實際生產活動開始之前完成產品生產的可行性分析，使人從主觀上產生虛擬產品及制造過程的存在感，在虛擬制造環境中通過對“產品生命全程的預演”加深人們對制造過程的正確理解和直觀感受。

虛擬制造是多學科、多領域的綜合，虛擬產品及整體虛擬制造系統需要在計算機上以直觀、生動的精確方式顯現出來。因此，虛擬現實技術是虛擬制造的重要組成部分。

3 虛擬制造的應用

美國波音公司運用虛擬制造技術研制波音777噴氣式客機，投資40億美元，從1990年10月開始到1994年6月僅用了3年零8個月的時間就完成了研制。一次試飛成功，投入運營，其開發周期由原來的8年減至5年。

1993年初，日本大阪大學的巖田一明[7]（kazuaki Iwata）博士及其領導的研究小組應用面向對象程序設計的方法與計算機三維建模技術開發了名為Virtual Works 的軟件工具。

1994年，日本Matsushita公司成功開發了基于虛擬空間支持工具的快速響應用戶和市場需求的廚房設備生產系統[8]。該系統允許消費者在購買商品之前，在虛擬廚房環境中體驗不同設備的功能，可以按照自己的喜好評價、選擇和重組這些設備。用戶的這些操作信息將被存儲并通過網絡發送到生產部門。

德國寶馬汽車公司為車門裝配設計的虛擬裝配系統能識別語音輸入完成相應操作，并能對干涉碰撞發聲報警。

美國開發的虛擬原型制作系統，它允許設計者對這一原型進行評價，如對汽車的虛擬原型設計，設計者可以走入這一原型，測試汽車在虛擬公路上的行駛性能，體驗駕駛者駕駛時的感覺，感受視野是否開闊等等。

世界最大的挖土機和建筑設備制造業企業Caterpillar Inc[9]將虛擬制造技術用于反鏟裝載機的開發，在虛擬環境下，技術人員推翻了原構想可行的三個方案中的兩個不合理的設計方案，不僅確立了正確的設計方案，節約了研究其他兩種機型所用的時間和費用，而且縮短了開發周期，降低了生產成本。

我國三一重機公司CAE工程師采用虛擬樣機技術平臺建立了單斗反鏟液壓挖掘機整機模型，得用機械、液壓及控制系統模型進行聯合仿真，在計算機上模擬挖掘、提升、轉向、卸土等作業工況，對液壓缸的摩擦力、油缸的動作速度、結構件的強度等級指標進行了仿真。通過調整液壓元件各個參數，對液壓系統進行了優化，進而提升了作業效率。該公司利用虛擬樣機技術，結合Craig2Bampton模態綜合法，對挖掘機的斗桿進行剛耦合分析及結構優化設計，解決了20噸級挖掘機斗桿開裂問題，成功研發了SY235型新產品。圖1是20噸級新結構斗桿薄弱處的Mises應力的分析結果。

4 結束語

圖1 新結構斗桿薄弱處的Mises應力分析[10]

本文論述了虛擬制造的產生背景、虛擬制造的內涵及基本思想。指出虛擬制造的關鍵技術及虛擬制造技術在實際生產中的應用。它是未來制造業發展的趨勢，采用虛擬制造系統來完成產品的整個生命周期的設計、生產、評價、檢驗等，達到縮短開發周期節約生產成本之目的。

通俗地說，虛擬制造就是在計算機上實現產品、生產系統的設計、開發、制造和質檢的全過程。也就是說它是一種通過計算機虛擬模型來模擬和預估產品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的問題的技術。它為工程師們提供了從產品概念的形成、設計到制造全過程的三維可視及交互的環境，使得制造技術走出主要依賴于經驗的狹小天地，發展到了全方位預報的新階段。應用各種計算機技術、信息技術等實現面對產品全生命周期的開發設計及評價的系統過程。包括虛擬現實技術、智能化設計和仿真建模技術等。其中，建模、仿真技術是虛擬制造的核心技術。

隨著計算機技術、信息技術及各種智能化技術的迅猛發展，必將使虛擬制造技術得到更為廣泛的應用，從而推動與此項技術緊密相關的制造業及其它行業的飛速發展。

[1] 肖田元. 虛擬制造及其在轎車數字化工程中的應用[J].系統仿真學報, 2002, 14(3): 342-347.

[2] 宋天虎. 積極發展適合我國國情的虛擬制造技術[J]. 中國機械工程, 1998, 9(11): 56-59.

[3] 李志輝, 查建中, 鄂明成, 等. 虛擬制造開放式層次化體系結構的研究[J]. 北方交通大學學報, 2003, 27(1): 6-11.

[4] Kimura F. Product and Process Modeling as a Kernel for Virtual Manufacturing Environment[J]. Annual of the CIRP, 1993, 42(1): 85-93.

[5] 邵立, 鐘廷修. 虛擬制造及其應用[J]. 上海交通大學學報, 1999, 33(7): 906-911.

[6] 陳定方, 羅亞波. 虛擬設計[M]. 北京: 機械工業出版社,2002.

[7] Iwata K, Onosato M, Teramoto K, et al. A Modeling and Simulation Architecture for Virtual Manufacturing Systems[J]. Annals of the CIRP, 1995, 44(1): 399-402.

[8] Weyrich M, Drews P. An Interactive Environment for Virtual Manufacturing: the Virtual Workbench[J]. Computers in Industry, 1999, 38(1): 5-15.

[9] I wata K, Onosato M, Teramoto K, et al. Virtual Manufacturing Systems as Advanced Information Infrastructure for Integrating Manufacturing Resources and Activities[J]. Annals of the CIRP, 1997, (1): 335-338.

[10] 戴晴華, 易迪生, 田文勝, 等. 虛擬制造技術及其在工程機械中的應用[J]. 中國機械工程學報, 2010, 8(2): 184-189.