虛擬制造及其應用

曹毅杰

（赤峰工業職業技術學院，赤峰 024005）

0 引言

虛擬制造在現代制造體系中，是一種全新的制造方式，是現代制造的重要標志。它是一種廣泛的概念，自1993年出現以來，經過19年的發展，取得了很大的進展。相對于傳統的制造概念來講，它不是實際的制造過程，但卻從本質和原理上實現了制造的全過程。虛擬制造通過使用計算機建立虛擬和仿真環境，使得制造鏈的各環節，例如設計、制造、運輸、裝配、規劃等各方面均可以在計算機上模擬運行并實現，并且可以提前發現制造鏈中可能存在的各種問題，給決策者提供良好的指導性建議，不再像以往如果要取得好的產品，必須依賴于各個參與者的經驗，這種變化帶來了飛躍性的突破。

最近幾年，許多發達國家均致力于虛擬制造的應用和研究工作，例如美國的National Institute of Standards and Technology正在建立國家虛擬制造環境，BOEING公司與麥道公司聯合建立了Mechanical Design Automation。德國的Fraunhofer研究所，加拿大的滑鐵盧大學，比利時的Virtual Reality協會等均先后深入細致的開展了虛擬制造技術的研究工作[1]。

本文首先介紹了虛擬制造技術的概念、分類、體系結構，闡述了虛擬制造的特點，最后介紹了虛擬制造的進展和應用。

1 虛擬制造技術內涵分析

1.1 虛擬制造概念

“虛擬制造”最早是由美國提出來的，目前國際上仍然沒有統一的概念。國際上有很多學者和機構從不同的角度提出了自己的看法和定義，普遍被接受的有[2]：

美國Florida大學的Gloria J. Wiens教授認為：虛擬制造是在進行現實制造之前，提前對產品制造流程中存在的問題進行啟發式的預測。主要的側重點在于“預測”，即用最低的成本實現全過程的模擬，從而實現高效益。

USAF萊特實驗室認為：虛擬制造是通過仿真軟件，利用軟件建模以及各種分析工具，來實現生產制造出最終的產品。主要的側重點在于“途徑”，即采用何種軟件，何種形式來實現目的。

馬里蘭大學的Edward Lin認為：虛擬制造是一種綜合性的手段，主要用于創造一種浸入式的環境，來實現制造和控制。主要的側重點在于“環境”，即通過人機交互實現最終目的。

綜上所述，虛擬制造的定義如下：

虛擬制造不是真實的制造，但它是通過計算機為載體，在虛擬和仿真的環境中實現本質上的制造過程，并且對產品鏈的研發、制造、控制、裝配、管理、物流等關鍵環節進行仿真，以實現對產品全生命周期內的質量強有力的控制和決策。

1.2 虛擬制造分類

虛擬制造不僅包括產品研發、設計、制造的過程，也包括組織管理等活動。根據活動類型可以講虛擬制造分成以下三類[3]：

1）設計主體式

產品的全生命周期包括各個階段，一個好的產品應該將大部分的時間放在設計環節，如果設計細致到位，那么就可以節省在制造以及裝配環節帶來的問題。在設計伊始采用仿真手段進行產品設計，進行制造性分析，裝配性分析，干涉檢查，有限元分析，動力學分析等工作，主要目標是實現產品設計環節的全仿真和全覆蓋，并可以實現評估和評價。

2）生產主體式

在生產過程中大量應用虛擬裝配工具，優化生產過程，以減少材料消耗，降低生產成本，提高效益。主要目標是以工藝技術流程為切入點，通過資源需求，生產調度，排產開工等管理流程進行模擬仿真，對生產計劃調度進行評價。

3）控制主體式

在生產控制環節應用仿真工具，實現優化設計，利用軟件的模擬仿真環境，結合各種數字化功能，對控制器件，儀器儀表，電子電路進行仿真設計，提前發現問題，主要目標是實現精益化控制。

1.3 虛擬制造體系結構

在結合國內外各大研究機構研究成果的基礎上，國家CIMS中心提出了一套虛擬制造體系結構，具體如下所示：

1）虛擬開發平臺

虛擬開發平臺從產品的設計入手，聯通加工工藝，裝配工藝，重點進行加工性分析和可裝配性分析，涵蓋力學分析，熱學分析，靜動力學分析，主要包括的項目有：并行設計，工藝設計，工具設計，可裝配設計，加工參數設計，干涉檢查，運動軌跡模擬等。

2）虛擬生產平臺

虛擬生產平臺從生產線布局，生產環境模擬入手，進行資源利用分析，生產計劃分析，產能分析，主要包括的項目有：廠房環境布局，生產線優化，生產過程動態監視，生產設備集成，調度排產優化等，最終得到最好的生產計劃。

3）虛擬企業平臺

虛擬企業平臺從管理模式入手，通過合理配置資源、資本、人員等各類條件保障，實現異地工作，集同工作，網絡工作，7×24小時全天候全世界不間斷運行等。

1.4 虛擬制造特點

虛擬制造不是單純意義上仿真技術和虛擬技術的組合，是將所有理論和知識進行系統化融合之后的先進技術，它可以對生產制造對象以及企業管理過程進行全面的模擬，是一種全方位的仿真模擬過程，特點如下所示[4]：

1）模型為本

由于虛擬制造從根本上來說是采用計算機進行仿真，其對象就是模型，所以必然涉及到產品模型，環境模型，過程模型。產品模型包含全部的產品信息；環境模型包括各種工裝，廠房以及對產品起支撐及支持作用的信息；過程模型包含研發設計、工藝路徑、加工參數、裝配可行性、干涉檢查、靜動力學分析等信息。

2）信息集成為本

由于虛擬制造技術的根基是仿真技術，所以它必須實現各種仿真軟件的兼容，不同模型的集成，這包括產品模型，環境模型，過程模型之間的信息集成。

3）高精度仿真為本

高精度的仿真需要必然要求實現高準確度，高可信度。仿真結果的生成主要是依靠模型的VVA（Verifi cation，Validation and Accreditation）技術來實現，這種技術是人機交互技術發展的必由之路。

2 虛擬制造進展

最近19年來，虛擬制造的在各種技術領域都取得了廣泛的應用，其自身也得到了長足的發展，在1994年的虛擬制造論壇上[5]，明確了43項關鍵技術，虛擬制造技術已經不是各種單獨技術的簡單匯聚，而是系統化體系化的產物，下面從兩個方面介紹虛擬制造的進展。

2.1 虛擬制造體系結構

虛擬制造體系架構具有很強的復雜性，最早的提出人是日本大阪大學Kazuki Iwata和Masahiko Onosato等人，這種體系結構與具體的應用無關，并且其結構與真實系統的結構類似。德國的機電一體化中心研發出帶有強烈沉浸感的交互式系統，使用數字手套和數字頭盔進行虛擬仿真和制造。

我國高校和研究所也取得了長足的進步，上海交通大學提出了VM體系，包括展示層、運動層、固定層、動態層、數據層，通過網絡協同控制，可以實現遠程管理。

國家CIMS中心提出了一套虛擬制造體系結構，即基于產品開發管理體系，可以實現可合作性、可生產性、可制造性的集同支持。

2.2 建模方法體系

虛擬制造通過計算機輔助技術來進行復雜的模擬和演算，提高對實際制造模擬的準確度，實現預判和有效控制。

現有的CAD三維建模軟件很多，例如CATIA，Pro/E，Solidworks，UG等等，但每種軟件都是用產品數據統一的交換標準和交換格式來描述模型的所有信息特征，常用的格式有STEP，X_T，UGS等，實際使用的過程中兼容性并不是十分良好，會出現信息丟失的現象，難以滿足實際需求。這主要體現在兩個方面：一方面，模型之間兼容性較差，另一方面，仿真分析結果無法進行傳遞，無法實現全面的數據共享。

為了解決這種問題，廣大的研究院校和學者對虛擬制造產品模型信息組成和交換形式進行了大量的研究，形成了兩種具有代表性的技術：元建模技術和功能核心建模技術，分別由日本東京大學的Yoshikawa、Tomiyama以及荷蘭F.Tolman提出[6]。

國家CIMS中心基于以上兩種技術，提出了構建于PDU的元建模技術，以滿足日益增長的實際需要。該技術具有三個特征，如圖1所示。

1）語義豐富，可以在不同層次進行信息傳遞；

2）可以隨時根據需要提取出信息并附加到新的模型中，保證引用一致性；

3）可以適應自上而下以及自下而上的設計。

圖1 產品模型主框架

3 虛擬制造應用

虛擬制造在生產制造的各行各業取得了廣泛的應用，主要體現在以下領域：

1）外形設計

在汽車業，外形設計往往需要制作木模或者塑料模型，經過多次修改后定型，費時費力費錢。采用虛擬制造進行設計，可以隨時進行修改，并可以進行風洞試驗，模擬沖壓加工，優勢明顯。

2）布局設計

設計復雜產品，復雜系統，往往需要大量的人力物力來進行設計和規劃，然而采用虛擬制造，可以在先期就發現不合理或者是可能產生干涉的地方。例如：廠房布局，生產線組合設計，管道布局，物流運輸等等。

3）運動學、動力學仿真

在產品的設計階段就必須考慮到產品的運動學分析和動力學分析，防止產品設計制造完成后，在試驗階段才發現缺陷，這樣會造成無法挽回的損失。完善的運動、動力學仿真分析包括力學性能分析，干涉檢查，碰撞分析等。

4）加工工藝性分析

在材料的熱力學加工方面，利用虛擬制造技術，從材料機理入手，通過對加工過程進行仿真，比較不同參數得到的質量、性能及晶像組織，進而選擇最優參數，最大限度的發揮材料的性能。

5）機械加工仿真

現在有很多軟件都可以對機械加工過程進行模擬，例如Master CAM，通過仿真，可以對加工參數，加工方法，機床特性，工具選擇，NC代碼等方面進行優化，得到最優結果。

6）虛擬裝配

由于產品的集成性和復雜性，某些產品的裝配過程往往會出現問題，導致修改產品帶來工期延誤或重新設計，使用虛擬制造軟件進行仿真，可以在設計階段進行驗證，防止出現干涉，人員無法操作，操作空間狹小等缺陷，保證產品研制過程的正確性。

7）虛擬展示

在展會以及產品發布會上，越來越多的廠家應用虛擬現實技術進行產品的推廣或者是將三維動畫技術應用于產品廣告當中，隨著技術的發展，模型越來越精致，細節越來越完整，生動且直觀，給人很強的視覺沖擊力，通過數字頭盔或者是數字手套，人們能更加沉浸在虛擬環境中，代入感更強。

4 結論

“虛擬制造”是一項蓬勃發展的技術，是新時代創新領域的代表性作品。它在本質和原理上實現了制造的全過程，立足于仿真，但又不同于單項的仿真技術，它是多種技術的綜合產物。它可以從產品的研發端入手，貫穿設計、制造、裝配、物流等全過程，提高產品的質量，提升企業的效益，有效的幫助企業和個人進行決策。通過19年的發展，虛擬制造技術取得了巨大的進步，隨著互聯網技術的進一步發展，虛擬制造技術必將取得長足的發展和更輝煌的成就。

參考資料：

[1] Wiens G J. An overview of virtual manufactutring[A].Proceedings of the 2nd Agile Manufacturing Conference(AMC'95), Albuquerque, New Mexico, USA: ERI Press,1995.233-243.

[2] 肖田元, 等. 虛擬制造結構化研究[J]. 計算機集成制造系統, 2001(3): 36-39.

[3] VM User Workshop Rcport[R]. October 25-26 1994,Dayton Stouffer Hotel, Compiled and Edited by Lawrence Associates Inc July 8, 1996.

[4] 肖田元, 韓雪煒, 等. NC代碼模擬技術[J]. 系統仿真學報,2005, 10(1): 3-9.

[5] 肖田元, 等. 國家CIMS工程技術研究中心基地研究進展[J]. 高技術通訊, 2000, (2): 31-33.

[6] 張顯龍, 等. 虛擬制造產品建模技術研究[J].機械制造工程, 2003, 20(3): 121-125.