| 出版日期：1997-06-16 总期号：662 本年期号：22 |
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虚拟制造技术
李琪 曾芬芳 一、虚拟制造技术的必要性 当今，世界制造企业间围绕时间、质量和成本的竞争越来越激烈。企业间竞争的目标是：以最快的速度、最低的成本制造出用户满意的产品。产品及时上市已成为企业取得竞争胜利的关键。 任何一个制造企业，要想获胜，取得较大的市场占有率，必须具备以下4种能力： 1）时间竞争能力，产品上市快，生产周期短，交货及时； 2）质量竞争能力，产品不仅可靠，且使用户在各方面都满意； 3）价格竞争能力，产品的生产成本低，价格适中； 4）创新竞争能力，产品有特点，生产有柔性，竞争有策略。 缺少其中任何一个，企业就无法在市场中站稳。但是，其中最重要的能力是创新能力，企业创新不仅是指产品设计上的创新，更重要的是制造观念的更新、组织的重构。 虚拟制造技术可以通俗而形象地理解为：在计算机上模拟产品的制造和装配全过程。 虚拟制造技术是一种软、硬件结合的技术，它填补了cad／cam与生产过程和企业管理之间的技术鸿沟，把企业的生产和管理活动在产品投入生产之前就在计算机屏幕上加以显示和评价，使工程师能够预见可能发生的问题和后果。 采用虚拟制造技术可以给企业带来下列效益： 1）提供关键的设计和管理决策对生产成本、周期和能力的影响信息，以便正确处理产品性能与制造成本、生产进度和风险之间的平衡，作出正确的决策； 2）提高生产过程开发的效率，可以按照产品的特点优化生产系统的设计； 3）通过生产计划的仿真，优化资源的利用，缩短生产周期，实现柔性制造和敏捷制造； 4）可以根据用户的要求修改产品设计，及时作出报价和保证交货期。 二、虚拟现实技术与计算机仿真的区别 虚拟现实（virtualreality，简称vr）与一般的交互式三维计算机图形学不同：首先它可以从这种虚拟空间的内部向外观察，而不是象通常那样只能作为一个旁观者由外部向内观察；其次用户可以“沉浸”到虚拟空间中去，因为用户可以实时看到随视点而改变的虚拟场景；甚至可以把用户暂时与外部环境隔离开来，使他融合到虚拟现实中去，更逼真地观察所研究的对象，更自然、更真实地与它进行交互。这是计算机仿真无法实现的。 虚拟现实有仿真性虚拟现实和假想性虚拟现实两大类。前者是按照被仿真对象的模型来创建虚拟环境，以帮助用户更快、更全面、更方便地分析与研究该系统；后者则给用户以充分想象和创造的空间，以构造出现实中还不曾存在的虚拟场景。这也是虚拟现实优于计算机仿真之处，它为产品设计、建筑设计等提供了前所未有的新方法。 计算机仿真是利用计算机软件模拟真实环境进行科学实验的技术，它要求系统结构已得到足够定义，并存在描述系统预期表现的计算方法的情况下，由计算机推演分析系统运行结果。从模拟真实环境来看，计算机仿真技术与虚拟现实技术有一定的相似性，但是计算机仿真技术缺少虚拟现实技术的多感知性。 事实证明，人类对基于图像、声音等感官信息的理解能力远远大于数字和文字等抽象信息的理解能力。所以，结合虚拟现实技术的计算机仿真能极大地改善仿真的运用效果，使模型的建立与验证更加方便。还能进一步的提高传统仿真的功能，为人们的各种设想提供验证和分析的工具。所以说，虚拟现实技术在一定程度上是对计算机仿真的扩充和加强，它是计算机仿真的新的发展方向。 三、虚拟现实技术在生产制造上的应用 一个产品从概念设计到投放市场，即产品的生产周期按时间顺序可分为概念设计、详细设计、加工制造、测试和培训／维护，vr技术可以在产品的全部生产周期中各个阶段发挥重要的作用。下面着重谈其中的几个方面： 1、基于vr技术的产品开发 vr的沉浸性和交互性特性使得它成为用来设计新产品和开发相应生产线的得力工具。首先考虑一下设计并构造一个新产品原型所需要的时间。在设计过程中，设计师要考虑到产品的各个方面，以满足一定的安全性、人机工程学、易维护性和装配标准。因此，设计过程中严格地受到生产、时间和费用的限制。vr能完成比cad更多的功能，cad通常只考虑产品各个子部件的几何特征和相互间的几何约束。而在vr中，可以将以上提到的多种所需满足的条件集成到设计过程中一并考虑，我们还能适当减少子部件数目，甚至可以按比例放缩部件尺寸，这大大降低了设计费用和原型构造时间，更进一步的达到产品用户化的目标。 例如，在飞机制造业中，为评测某飞机设计方案的优劣，要建立一系列与真实产品同尺寸的物理模型，并在模型上进行反复修改，这要花去大量时间和费用，而在过去是不可避免的。如今美国波音公司在飞机设计中运用vr技术完全改变了这种设计方法。波音公司为设计波音777飞机，研制了一个名为“先进计算机图形交互应用系统”的虚拟环境，用vr技术在此环境中建立一驾飞机的三维模型。这样设计师戴上头盔显示器就可以在这驾虚拟飞机中遨游，检查“飞机”的各项性能，同时，还可以检查设备的安装位置是否符合安装要求等等。最终的实际飞机与设计方案相比，偏差小于千分之一寸，机翼和机身的接合一次成功，缩短了数千小时的设计工作量。 同样，其它大型、复杂的产品如船舶、潜艇设计等都可以运用vr技术达到节约设计费用和时间提高设计成功率的目标。 采用vr技术设计产品还有以下优点：产品用户化的一个不利效应是增加了模型的变量数目，也就相应地增加了生产的复杂度。vr可在要加工的部位加上纹理和图形信息，这对机械制造起到很好的向导作用。同样的过程可辅助训练和指导生产者，使他们能很快胜任新工作。虚拟环境的网络化可对某一项目合作组的成员进行设计、生产训练。这些合作组的成员可以在同一个或不同工厂里，或者甚至是来自院校的专家和国外顾问。 2、虚拟现实技术在制造车间设计中的作用 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vr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、调度单等生产要素有机地组织起来。 在车间设计的初步阶段，设计者根据用户需求，确定车间的功能需求、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。vr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。 3、vr技术在生产计划安排上的应用 生产计划安排的可视化对于制造决策是极其有用的，但目前它还未能完全实现。使用vr技术，可将成百上千件产品、成千上万个零部件和许多其他生产要素可视化，辅助计划者更好地评价、选择生产计划。 计算机产生的图像可将计划者的大脑负担转移到他们的感官系统，这就加快了工作进程。生产计划数据变成立体的或多维的图形，可表达复杂的内部关系。 但问题并不是那么简单，不能只简单地用某种图形来表示每种数据和数据之间的关系，否则只会生成一幅杂乱无章的图像。在绘制之前，要先进行视觉抽象，在2维平面上用一种形体代表一种数据，这种形体要满足： （1）支持视觉感知； （2）构造有效的视觉表示以便于各种层次的解释； （3）保证结果图像要便于商业经理理解和使用。 四、虚拟制造系统 以上介绍的是在生产制造的某个中间环节运用虚拟现实技术辅助决策、设计。而虚拟制造系统是利用计算机支撑技术对所有必需的生产和制造活动进行全面建模和仿真。它不仅建模和仿真现有企业的活动，而且可以建模和仿真未来企业的设备布置、物流系统等。这可以大大加强企业的生产柔性、人员组织柔性、销售和采购柔性，还能估测生产制造产生的环境负效应，这些是目前制造技术所不能做到的。构造这样的虚拟制造系统有以下步骤： ●在已有理论和知识的基础上，对制造知识进行系统化组织； ●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； ●在建立真实制造系统之前用计算机对设计和制造活动进行精确的仿真； ●根据仿真结果，修改原设计，消除不良因素，达到理想结果。 1、虚拟制造系统的建模和仿真模型分类 因为虚拟制造系统需要处理大量的不同类型产品和过程的建模和设备行为的仿真，为解决这个复杂性问题，虚拟制造系统有必要设计成开放式系统结构，由结构化建模和仿真模块组成，各模块具有细分的功能组且模块间具有柔性接口，开放式结构中的模块化有利于以小组形式并行开发对象模型类和仿真模块，也有利于仿真执行中的并行处理。在对虚拟制造系统中各类建模和仿真任务的分析基础上，将组成虚拟制造系统的建模和仿真任务分为7个模型类： ●设备模型库：根据真实设备定义开发设备模型库。面向对象建模是定义设备模型的好方法，它可确保高度的模块性； ●服务开发：处理设备模型交互和仿 |
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