工业设计中的虚拟制造技术

虚拟制造技术是利用计算机技术对所要进行的生产和制造活动进行全面的建模和仿真，包括产品的设计、加工、装配、物流、资源计划和调配、组织和管理等。在产品的设计阶段就实时地模拟出产品的形状和工作状况、制造过程、检查产品的可制造性和设计合理性、预测其制造周期和使用性能，以便及时修改设计，更有效地灵活组织生产，缩短产品研制周期，获得最佳的产品质量和效益。

    近几年，工业发达国家均着力于虚拟制造的研究与应用。在美国。NIST(National Institute of Standards and Technology)正在建立虚拟制造环境(称之为国家先进制造测试床National  Advanced Manufacturing Testbed，NAMT)，波音公司与麦道公司联手建立了MDA(Mechanical Design Automation)，在德国，Darmstatt技术大学Fraunhofer计算机图形研究所，加拿大的Waterloo大学，比利时的虚拟现实协会等均先后成立了研究机构，开展虚拟制造技术的研究。

一、虚拟制造的定义

    如前所述，“虚拟制造”是近几年由美国首先提出的一种全新概念。什么是虚拟制造?它包括哪些内容?这些至今仍然是人们讨论的问题。很多人曾为虚拟制造进行定义，比较有代表性有：

    佛罗里达大学Gloria J．Wiens的定义是：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。其中虚拟模型是在实际制造之前用于对产品的功能及可制造性的潜在问题进行预测。(VM is a concept of executing manufacturing processes  in computers as well as in the real world，where virtual models allow for prediction of potential problems for product functionality and manufacturability before real  manufacturing occurs．)该定义强调VM“与实际一样”“虚拟模型”和“预测”，即着眼于结果。

    美国空军Wright实验室的定义是“虚拟制造是仿真、建模和分析技术及工具的综合应用，以增强各层制造设计和生产决策与控制。(VM is the integrated application of simulation，modeling and analysis technologies and tools to enhance  manufacturing design and production decisions and control at all process levels.)该定义着眼于手段。

    另一个有代表性的定义是由马里兰大学Edward Lin&etc给出的，“虚拟制造是一个用于增强各级决策与控制的一体化的、综合性的制造环境。”(VM is an integrated，synthetic manufacturing environment exercised to enhance all levels of decision and control.)，则着眼于环境。

    显然，上述定义强调的方面是不同的，甚至也有人认为没有必要只有一种定义。但是为了讨论和交流，普遍认为，对VM进行定义是有必要的。

    综合目前国际上有代表性的文献，对虚拟制造给出如下定义：虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本质实现，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在计算机上群组协同工作，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强制造过程各级的决策与控制能力。

    可以看到，“虚拟制造”虽然不是实际的制造，但却实现实际制造的本质过程，是一种通过计算机虚拟模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题。提高人们的预测和决策水平，使得制造技术走出主要依赖于经验的狭小天地，发展到了全方位预报的新阶段。简要表示了虚拟制造与实际制造的联系与区别。

二、虚拟制造的内涵

    如果将实际制造系统(RMS，Real Manufacturing Systerm)抽象成由实际物理系统(RPS)、实际信息系统(RIS)，实际控制系统(RCS)组成的，可以简单标识为：

    RMS={RPS，RIS，RCS}RPS包括所有的制造物理实体，例如材料，机床，机器人，夹具，控制器等；RIS包括信息处理和决策，如调度、计划、设计。RIS通过RCS与RPS交换信息。

    那么，可以将实际制造系统映射到基于虚拟制造技术的虚拟制造系统，虚拟制造系统可以表示为：VMS={VPS，VIS，VCS}，其中VPS是虚拟物理系统，VIS为虚拟信息系统，VCS是虚拟控制系统。

    按照与生产各个阶段的关系，有些文献将虚拟制造分成三类，即以设计为核心的虚拟制造(Design-Centered VM)、以生产为核心的虚拟制造(Production-Centered VM)。

    以设计为核心的虚拟制造把制造信息引人到整个的设计过程，利用仿真来优化产品设计，例如DFX技术。通过“在计算机上制造”产生许多“软”样机；以生产为核心的虚拟制造是在生产过程模型中加入仿真技术，以此来评估和优选生产过程，例如组织与重组织技术；以控制为中心的虚拟制造是将仿真加到控制模型和实际处理中，可“无缝”地仿真使得实际生产优化。

    虚拟制造从根本上讲就是要利用计算机生产出“虚拟产品”，我们不难看出，虚拟制造技术是一个跨学科的综合性技术，它涉及到仿真、可视化、虚拟现实、数据继承、优化等领域。然而，目前还缺乏从产品生产全过程的高度开展对虚拟制造的系统研究。这表现在：

    ● 虚拟制造的基础是产品、工艺规划及生产系统的信息模型。尽管国际标准化组织花了很大精力去开发产品信息模型，但CAD开发者尚未采用它们；尽管工艺规划模型的研究已获得了一些进展和应用，但仍然没有一种综合的，可以集成于虚拟制造平台的工艺规划模型；生产系统能力和性能模型，以及其动态模型的研究和开发需要进一步加强；

    ● 现有的可制造性评价方法主要是针对零部件制造过程，因而面向产品生产过程的可制造性评价方法需要研究开发，包括各工艺步骤的处理时间，生产成本和质量的估计等；

    ● 制造系统的布局，生产计划和调度是一个非常复杂的任务，它需要丰富的经验知识，支持生产系统的计划和调度规划的虚拟生产平台需要拓展和加强；

    ● 分布式环境，特别是适应敏捷制造的公司合作，信息共享，信息安全性等方法和技术需要研究和开发，同时经营管理过程重构方法的研究也需加强；

    ● 虚拟制造环境缺乏统一的集成框架和体系。

三、虚拟现实技术在车间设计中的应用

    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。采用虚拟制造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、词度单等生产要素有机地组织起来。

    在车问设计的初步阶段，设计者根据用户需求，确定车问的功能需求、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。它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。

    我国是世界上机床产量最多的国家，但在国际市场竞争中仍处于较低水平；即使国内市场也面临着严峻的形势。一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量的需求，而另一方面却有不少国产机床滞销积压，国外机床产品充斥市场。90年国外数控机床在我国市场的占有率仅达15％左右，而95年已达77％。严重影响我国数控机床自主发展的势头。

    这种现象的出现，除了有经营上、产品制造质量上和促销手段上等原因外，一个主要的原因是我国生产的数控机床品种、性能和结构不够先进，新产品(包括基型、变型和专用机床)的开发周期长，从而不能及时针对用户的需求提供满意的产品。具体地说，这个问题反映在下列五个方面：

    (1) 我国机床厂目前开发基型产品的周期约为15-18个月，其中设计时间约为5-8个月，占总周期的40％左右。而国外一些先进机床厂同类基型产品的开发周期为6-9个月，其中设计约1.5-2个月。只占25％。因此无论是产品开发的总周期还是设计所占的时间比例均与国外先进水平有很大的差距。

    (2) 我国工厂由于缺乏设计的科学分析工具(如分析和评价软件、整机结构有限元分析方法以及机床性能测试装置等)，自行开发的新产品大多基于直观经验和类比设计，使设计一次成功的把握性降低，往往需要反复试制才能定型，从而可能错过新产品推向市场的良机。

    (3) 用户根据使用需要，在订货时往往提出一些特殊要求，甚至在产品即将投产时有的用户临时提出一些要求，这就需要迅速变型设计和修改相应的图纸及技术文件。在国外，这项修改工作在计算机的辅助下一般仅需数天至一周，而在我国机床厂用手工操作就至少需1-2个月，且由于这些图纸和文件涉及多个部门，常会出现漏改和失误的现象，影响了产品的质量和交货期。

    (4) 现在我国工厂设计和工艺人员中青年占多数，他们的专业知识和实际经验不足，又担负着开发的重任。

    (5) 由于长期以来形成的设计、工艺和制造部门分立，缺乏有效的协同开发的模式，不能从制订方案开始就融入各方面的正确意见，容易造成产品的反复修改，延长了开发的周期。

    为解决这些问题，必须对产品开发的整个过程综合应用计算机技术，发展优化和仿真技术，提高产品结构性能，并建立起基于并行工程(Concurrent Engineering)的使设计、工艺和制造人员协同工作和知识共享的产品虚拟开发环境，使用相应的产品虚拟开发软件，这样才能有效地解决产品开发的落后局面，使企业取得良好的经济效益。

四、总结

    虚拟现实环境下的产品设计、制造和评价，首先是进行产品的立体建模，然后将这个模型置于虚拟环境中实施控制和分析。由于虚拟现实技术正在发展中，虚拟现实的环境软件相对较成熟，如WTK、dVISE、VRT等，而用于机械设计、制造的仿真和控制的软件功能比较分散，两者之间的连接尚不成熟，是研究和开发的热点。如机械运动仿真、薄板冲压成型分析与仿真、零件加工和装配仿真等。目前，基于特征的3D建模技术正逐渐进人实用并开始推广应用，为我们提供了坚实的基础。但这些建模软件不支持虚拟现实环境，必须进行转换和数据处理。

    要解决长期困扰机械产品设计人员的方案设计完全依靠个别有经验人员和整机结构性能优化无从下手的问题，又要为广大设计人员提供一个经过二次开发的应用软件的设计系统，还需做大量的研究开发工作。还需加大对并行工程、造型、可靠性、优化设计、报价体系、评价体系和软件一体化等方面的研究工作。

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