虛擬制造簡介

    80年代以來，日趨激烈的全球化競爭，迫使制造企業必須通過不斷地提高生產效率，改善產品質量，降低成本，提供優良的服務，以期在市場中占有一席之地。

　　與此同時，計算機技術、計算機網絡技術和信息處理技術也得到了迅速的發展。這些條件就使得信息技術不斷地融合到傳統的制造業中，并對其進行改造，這也是現代制造業的發展趨勢。進入90年代后，先進的制造技術向著更高的水平發展，在原有的計算機集成制造(CIMS即Computer Integrated Manufacturing System)和并行工程(CE即Concurrent Engineering)的基礎上，又出現了虛擬制造(VM即Virtual Manufacturing)、虛擬企業(VE即Virtual Enterprise)等概念。其中“虛擬制造”近年來不斷引起科技界和企業界的關注，成為競相研究的熱點。

　　虛擬制造的基礎是虛擬現實技術。所謂的虛擬現實技術是指利用計算機和外圍設備，生成與真實環境相一致的三維虛擬環境，允許用戶從不同的角度和視點來觀看這個環境，并且能夠通過輔助設備與環境中的物體進行交互關聯。虛擬制造則是利用虛擬現實技術，在計算機上完成制造過程的技術。采用此技術，在實際的制造之前，可以對產品的功能和制造性、經濟性等方面的潛在問題進行分析和預測，實現產品設計、工藝規劃、加工制造、性能分析、質量檢測及企業各級的管理控制等，增強制造過程中各級的決策和控制能力。虛擬制造與實際制造系統的關系如圖1所示。

圖1 虛擬制造與實際制造系統的關系

    虛擬制造的特點

　　虛擬制造是集計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助制造(CAM)和計算機輔助工藝設計(CAPP)于一體的技術，它是在計算機中完成制造過程的。正因為如此，虛擬制造具有下述主要特點。

　　虛擬制造的制造模型是一個計算機模型，完成這一制造過程的主要工作集中在模型的建立過程上，一旦這個模型建立完成，就可以不斷與之進行交互，模擬各種情況的生產和制造過程。模型的可反復修改性是虛擬制造過程有別于實際制造過程的一個最主要的特點，也正是這一特點使得虛擬制造可以根據不同情況快速的更改設計、工藝和生產過程，從而大幅度壓縮新產品的開發時間，提高制造質量，降低成本。

　　虛擬制造的另一個特點是它可以是分布式的，完成虛擬制造的人員和設備在空間上可以是相互分離的，不同地點的技術人員可以通過網絡來協同完成同一個虛擬制造過程。

　　此外，虛擬制造還可以是一個并行的過程，產品設計、加工過程和裝配過程的仿真可以同時進行，大大加快了產品設計過程，減少新產品的試制時間。

　　虛擬制造的應用領域

　　虛擬現實技術在制造領域中的應用主要有以下幾方面：

　　(1)虛擬原型和產品設計，即在計算機中設計虛擬的產品或零部件。
　　(2)生產過程仿真(優化、調度)，即對車間或工段的生產過程進行仿真優化。
　　(3)設備仿真，即對機器人等生產設備進行離線仿真，動態特性分析和模擬。
　　(4)物流仿真，即物流規劃，對AGV(自動搬運設備)進行仿真。
　　(5)裝配過程仿真。
　　(6)復雜數據的可視化，數值模擬計算結果的可視化輸出。
　　(7)設備的遠程操作，用計算機網絡將空間上分散的設備結合起來，進行集成管理運行，遙控制造。
　　(8)增強通訊效果。
　　(9)操作培訓。

　　虛擬制造的層次

　　虛擬制造的根本目的就是利用計算機生產出虛擬產品。

　　實際的制造系統可以抽象成由物理系統、信息系統和控制系統組成的集合。物理系統包括制造中的所有資源，如材料、機床、機器人、夾具、控制器和操作工人等；信息系統包括信息的處理和決策，如生產的調度、計劃和設計等；控制系統的任務是實現信息系統和物理系統的信息交換。

　　對應于實際的制造系統，在虛擬制造系統中可以劃分出對應的層次：虛擬物理系統、虛擬信息系統和虛擬控制系統。根據不同生產階段所面對的不同對象，可以將虛擬制造分為 3類：以設計為核心的虛擬制造，以生產為核心的虛擬制造和以控制為核心的虛擬制造。以設計為核心的虛擬制造，其主要目標是優化產品設計、優選工藝和加工方案；以生產為核心的虛擬制造，其主要目標是優化資源，對選擇工藝進行評價和驗證；以控制為核心的虛擬制造，其目標為優化車間控制的制造過程。

　　虛擬制造在鑄造生產中的應用
   
　　鑄造生產中的虛擬制造技術可以稱為虛擬鑄造技術。目前虛擬鑄造技術主要應用于鑄件設計、澆注充型或造型過程的數值模擬及結果的可視化和鑄造生產過程的仿真優化3個領域。

　　1 鑄件設計

　　美國威斯康星大學的I-CARVE實驗室研制了一套虛擬鑄造平臺。該系統使用立體眼鏡來觀察三維圖象，用語言建立各種兒何模型，用數據手套來確定幾何體的尺寸和位置。目前，I-CARVE實驗室已經利用這個系統成功地完成了注塑和壓鑄零件的設計，該系統的目標是達到傳統CAD方法10～30倍的設計效率。

　　2 澆注充型或造型過程的數值模擬及結果的可視化

　　許多商品化的澆注過程模擬軟件，都具有利用二維圖像技術開發的計算結果可視化模塊，使用戶可以更直觀的觀察模擬結果，分析鑄件的成形過程。

　　3 鑄造生產過程的仿真優化

　　越來越多的公司和企業在作出重大投資決定之前都希望了解他們將購買設備的詳細情況，傳統的可行性分析往往不足以回答在規劃設計過程中有關生產率、生產周期、設備利用率以及物流等方面的問題，這些對于鑄造廠來說都是十分必要的。利用虛擬制造技術對生產過程進行仿真分析，恰恰可以幫助企業回答這些問題。

　　德國的鑄造設備制造商Laempe公司利用離散事件仿真和機器人模擬技術為Waupaca鑄造公司的制芯生產線進行了工程分析。工程技術人員首先對初步設計的布置圖進行了盡可能真實的模擬，對沖突點和機器人的運動時間進行優化，向用戶展示整個生成線每個部件的運動。每個部件的生成周期確定之后，在很早的階段就可以對生成線的生成率作出分析報告。對生產過程進行幾百操作工時的模擬，綜合考慮砂芯的破損率和設備部件的故障停機時間，確定各種布置方案每小時能生產砂芯的平均數量。在項目實施的最初階段就對各種可能的情況進行分析和評估，成為項目投資分析的重要部分。高質量的三維圖形充分演示了生產的實際情況，可以從任何角度進行三維放大，這種模擬過程可以取代復雜的圖紙與流程圖，幫助用戶和設計人員理解和分析生產過程。

　　美國的 Foundry Service公司(FSC)為了將其熔化設備的熔化能力從每爐1350kg增加到2000kg，計劃增加一個大型澆包和相應澆包運輸設備，目的是減少鐵液輸送系統對熔化能力的制約。該公司利用Witness仿真軟件包建立了一個包括給料、預熱、熔化、出鐵液、鐵液的運輸、澆注以及造型的完整工藝過程的仿真模型。這個模型還通過和AutoCAD接口獲取車間的布局信息，從而得到各種設備的位置和距離。這個模型的數據是建立在各種設備的生產報告、維修報告和生產計劃等數據統計結果上的。但是，在得到的仿真分析結果中出現了與預期相反的結論。仿真分析表明，爐料的增加與快速的出鐵液周期相抵觸，在三次快速出鐵液之后，熔化爐就只能起到鐵液容器的作用，直到下一次或兩次出鐵液后才能繼續向熔化爐中填料，這就會導致在生產周期中有一段時間生產線得不到鐵液供應。仿真分析表明，適當的減少爐料加入量并調整每次加爐料后取鐵液的量和次數，會加快鐵液供應的周期，減少熔化工段對生產效率的制約。仿真分析鐵液出爐率結果如圖2所示。由圖2可以看出，仿真分析過程中不斷調整鐵液的回爐量，當回爐量下降到改造前的58.4％時，可以使造型線的生產率提高22.1％。按照仿真結果更改設備參數后的生產實驗支持了仿真結果。FSC公司成功地利用虛擬制造技術完成了生產系統的投資改造，并避免了不必要的熔化設備的投資。

圖2 仿真分析鐵液出爐率結果

　　美國的Grede Foundries公司在1996年5月計劃改造其制芯車間，以提高福特造型線的生產能力。該公司建立了制芯車間的仿真模型，通過仿真分析確定了制芯車間的最優工人數量，并決定在制芯工部傳送帶的末端增加一臺殼型機，用來增加砂芯產量。這一虛擬仿真模型幫助Grede Foundries公司通過重新安排操作過程以及增加一臺制芯車間設備，在沒有增加一名工人的情況下提高了生產能力。采用虛擬生產分析所得到的方案，以最小的改動和成本實現了預期的目標。

　　瑞典鑄造協會也為大型企業提供鑄造虛擬生產分析，完成了一系列生產仿真工作，比較典型的有：

　　(1)新建鑄鋁熔化線的虛擬生產分析。通過仿真分析使生產能力提高了24％，節省投資10，000英鎊。
　　(2)一個完整的鑄鋁廠從熔化到產品發送的虛擬生產分析。
　　(3)一個鑄鐵缸體生產線熔化工段的虛擬仿真。通過仿真分析，修改了原有的投資方案，增加了工人數量，節約了大量時間和投資。
　　(4)一個殼型造型工段的虛擬仿真。在投資分析的后期，技術人員將關注的焦點集中于機器人是否能同時處理造型機和傳送帶上的物料以及每班的砂型產量和造型機的設備利用率等問題上。然而，仿真分析的結果卻表明，技術人員所擔心的問題都不是制約生產效率的瓶頸，真正的瓶頸在于傳送帶的輸送能力。通過仿真分析，幫助技術人員找到解決問題的關鍵，避免了盲目的投資和改造。

　　瑞典鑄造協會的4個虛擬仿真實例，都是在投資之前進行的。由于投資期間的決策錯誤可能會造成很大的損失，所以在投資前進行必要的生產過程仿真，就顯得非常必要了。這4個實例都有效的幫助投資方節省了投資。

　　目前虛擬制造技術在鑄造領域中的應用主要集中在生產過程的三維動態仿真、工藝參數優化和投資前的生產分析等方面，主要解決鑄造生產中的“如果怎樣(what if)”問題。

　　結論

　　虛擬制造技術將會對制造業中日益自動化、復雜化、大規模化的制造系統進行更為詳細的設計、仿真及評價，并能夠實現在信息空間里對大規模、復雜快速變化的生產系統給予明確的“規定”、“推斷”和“預測”。

　　鑄造行業中虛擬制造技術的應用，目前主要集中于與鑄件成形相關的模擬仿真分析和鑄造生產過程的仿真優化兩個方面。通過計算機仿真分析，可以對生產過程的各種可能情況進行虛擬運行，分析現有生產系統中制約生產率的瓶頸，預測新生產調度方案的可行性，可以幫助企業優化生產過程，減少投資的盲目性。但是必須看到，在生產過程可視化仿真過程中，仿真模型的建立是一項很費時間的工作，它需要有大量完備可靠的數據和高素質的工程技術人員。此外，國內的企業一般對虛擬制造技術的內涵和意義尚缺乏足夠的認識，這些因素是制約虛擬制造技術在國內應用的不利因素。同時也應當看到，由于我國正面臨產品結構調整和技術改造的艱巨任務，利用虛擬制造技術可以有助于找到影響生產發展的薄弱環節，減少投資的盲目性，提高生產效率，使企業潛力能充分發揮。因此，虛擬制造技術在國內鑄造行業中具有廣闊的應用前景，較高的應用價值和較大潛力。