1 虛擬制造產(chǎn)生的背景

　　虛擬制造技術(shù)(VMT)正是在強(qiáng)調(diào)柔性和快速的前提下于20世紀(jì)80年代提出的概念，并在20世紀(jì)90年代得到重視和發(fā)展。它是以虛擬現(xiàn)實(shí)和仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程統(tǒng)一建模，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、加工、裝配、檢驗(yàn)直至整個(gè)生命周期的模擬和仿真。這里所說的制造過程，包括產(chǎn)品級的制造和企業(yè)級的生產(chǎn)管理，國際上稱之為“大制造”(B-Manufacture)。目前國際上對虛擬制造并沒有統(tǒng)一的定義，1994年7月在美國俄亥俄州舉辦的虛擬制造用戶專題討論會上，人們根據(jù)制造過程的側(cè)重點(diǎn)不同將虛擬制造分為3類，提出了“3個(gè)中心”的分類方法，即“以產(chǎn)品為中心的虛擬制造”、“以生產(chǎn)為中心的虛擬制造”和“以控制為中心的虛擬制造”，獲得國際學(xué)術(shù)界的認(rèn)同。

　　“以產(chǎn)品為中心的虛擬制造”是將制造信息加入到產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)過程中，在計(jì)算機(jī)中生成制造過程原型，對多種制造方案進(jìn)行仿真，對數(shù)字化產(chǎn)品模型的性能、可制造性、可裝配性、成本等進(jìn)行分析，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，以期盡早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及工藝過程存在的問題。

　　“以生產(chǎn)為中心的虛擬制造”是將仿真信息加人到生產(chǎn)計(jì)劃模型中，以便快速便捷的評價(jià)多種生產(chǎn)計(jì)劃，優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃和制造環(huán)境的配置。主要是根據(jù)企業(yè)現(xiàn)有資源對不同的加工過程進(jìn)行評估優(yōu)化，決定合理的生產(chǎn)組織方式。

　　“以控制為中心的虛擬制造”是將仿真能力加人到設(shè)備控制模型中，提供實(shí)際生產(chǎn)過程中的虛擬環(huán)境，使企業(yè)在考慮車間控制行為的基礎(chǔ)上對制造過程進(jìn)行優(yōu)化控制。

　　這三類虛擬制造的比較見表1。

　　表1 三種類型虛擬制造的比較

　　2 虛擬制造的內(nèi)涵

　　虛擬制造是實(shí)際制造在計(jì)算機(jī)中的映射與本質(zhì)體現(xiàn)，實(shí)際生產(chǎn)過程是實(shí)際的物質(zhì)流、信息流在控制流的協(xié)調(diào)作用下，實(shí)現(xiàn)投入到產(chǎn)出的過程，而虛擬制造過程則是現(xiàn)實(shí)制造系統(tǒng)(RMS)在虛擬環(huán)境下的映射。實(shí)際制造系統(tǒng)和虛擬制造系統(tǒng)可用下式表辰

　　RMS={ RPS，RIS，RCS};

　　VMS={ VPS，VIS，VCS};

　　其中，RMS和VMS分別表示實(shí)際制造系統(tǒng)和虛擬制造系統(tǒng)，RPS, RIS, RCS分別是實(shí)際物質(zhì)流、實(shí)際信息流、實(shí)際控制流;VPS, VIS, VCS分別是虛擬物質(zhì)流、虛擬信息流、虛擬控制流。虛擬制造與實(shí)際制造的關(guān)系可用圖1表示。

　　圖1 虛擬制造與實(shí)際制造的關(guān)系

　　可見，由于虛擬制造可以在制造過程的物理實(shí)現(xiàn)之前預(yù)測產(chǎn)品性能和制造過程的細(xì)節(jié)，并通過及時(shí)的信息反饋來修改產(chǎn)品模型以達(dá)到整體最優(yōu)，從而可以降低企業(yè)成本，增強(qiáng)企業(yè)競爭力。具體說來實(shí)施虛擬制造有以下4個(gè)方面的收益:

　　(1)縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。傳統(tǒng)制造遵循設(shè)計(jì)一試制一修改設(shè)計(jì)一規(guī)模化大生產(chǎn)的串行式結(jié)構(gòu)，只有在試制出樣品后才進(jìn)行產(chǎn)品信息反饋，決定是否要修改設(shè)計(jì)。而在虛擬制造中，可以隨時(shí)在設(shè)計(jì)過程中檢驗(yàn)可制造性和可裝配性，方便的修改模型，信息反饋更為及時(shí)。

　　(2)提高產(chǎn)品質(zhì)量。虛擬制造過程通過對多種制造方案進(jìn)行仿真，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)制造業(yè)靠經(jīng)驗(yàn)決定加工方案的不足，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

　　(3)降低資源消耗。由于虛擬制造在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行，并不消耗實(shí)際生產(chǎn)所需的物理材料，減少了材料浪費(fèi)和刀具磨損。

　　(4)提高企業(yè)柔性生產(chǎn)能力，增強(qiáng)企業(yè)決策準(zhǔn)確性。決策者可以在虛擬制造中了解產(chǎn)品性能、制造成本、生產(chǎn)進(jìn)度等信息，有助于決策者把握利潤與風(fēng)險(xiǎn)之間的平衡。

　　3 虛擬制造的關(guān)鍵技術(shù)

　　虛擬制造涉及的技術(shù)領(lǐng)域十分廣泛，從其軟件實(shí)現(xiàn)和人機(jī)接口而言，虛擬制造的實(shí)現(xiàn)在很大程度上取決于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，這其中包括計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、傳感器技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)等。從制造技術(shù)的角度講可將虛擬制造技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)分為以下3大主體技術(shù)群，即建模技術(shù)群、仿真技術(shù)群、控制技術(shù)群，虛擬制造技術(shù)研討會上將其進(jìn)一步細(xì)化為13個(gè)技術(shù)領(lǐng)域和44項(xiàng)技術(shù)。

　　3.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

　　“虛擬現(xiàn)實(shí)”(VR, Virtual Reality)的概念是20世紀(jì)80年代初美國VPL公司的創(chuàng)建人之一Jaron Lanier提出來的，他認(rèn)為，虛擬現(xiàn)實(shí)意味著“用電子計(jì)算機(jī)合成的人工世界。”虛擬現(xiàn)實(shí)強(qiáng)調(diào)“身臨其境”的感覺，人們可以在虛擬環(huán)境中看、聽、觸摸、操作物體，如同在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中一樣，希望以一種“自然”的方式與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互。虛擬現(xiàn)實(shí)覆蓋人類感知世界的多重信息通道，通過計(jì)算機(jī)把視覺、聽覺、觸覺、味覺等多種信息合成并提示給人的感覺器官，從而把人、現(xiàn)實(shí)世界和虛擬空間結(jié)合起來融為一體，相互間進(jìn)行信息的交流與反饋。

　　各種VR裝置是人們與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互的媒介，好的VR裝置可以使用戶體驗(yàn)到很高的“沉浸度”。VR裝置的發(fā)展離不開傳感器技術(shù)，視覺、聽覺、嗅覺、味覺，觸覺等都可以通過傳感器進(jìn)行模擬。虛擬現(xiàn)實(shí)中經(jīng)常用到的VR裝置有數(shù)據(jù)手套、3D頭盔、六自由度鼠標(biāo)、力反饋器、空間位置傳感器等。一個(gè)VR裝置上通常會有多個(gè)至數(shù)十個(gè)傳感器，以數(shù)據(jù)手套為例，它可以完成對手指關(guān)節(jié)彎曲度和手指開合情況的測量，將手的姿態(tài)和動(dòng)作傳遞給計(jì)算機(jī)，讓計(jì)算機(jī)做出正確的反應(yīng)，并通過手套上的力學(xué)反饋裝置與手產(chǎn)生真實(shí)的接觸和受力感覺，使用戶在抓取、松開物體以及操縱虛擬機(jī)器等時(shí)有真實(shí)的感受。

　　3.2 建模技術(shù)

　　根據(jù)虛擬制造模型的層次不同，可將模型分為產(chǎn)品級、車間級和企業(yè)級。

　　(1)產(chǎn)品級模型指制造過程中各類實(shí)體對象模型的集合，包括產(chǎn)品模型和工藝模型等。產(chǎn)品模型中除了包含必備的幾何、形狀、公差等靜態(tài)信息以外，還必須能夠通過映射、抽象等方法提取出制造過程中所需的動(dòng)態(tài)信息。工藝模型是將工藝參數(shù)與影響制造功能的產(chǎn)品設(shè)計(jì)屬性聯(lián)系起來，以反應(yīng)生產(chǎn)模型與產(chǎn)品模型間的交互作用。工藝模型必須包括以下功能:物理和數(shù)學(xué)模型、統(tǒng)計(jì)模型、計(jì)算機(jī)工藝仿真、制造數(shù)據(jù)表和制造規(guī)則。

　　(2)車間級模型車間模型包括設(shè)備模型、車間布局模型、生產(chǎn)調(diào)度模型、制造過程模型、過程監(jiān)控模型等。車間級模型中包括虛擬制造到實(shí)際制造之間的映射關(guān)系。

　　(3)企業(yè)級模型包括經(jīng)營決策、生產(chǎn)決策、產(chǎn)品決策，以及決策評價(jià)、市場預(yù)測、成本分析、效益/風(fēng)險(xiǎn)評估等。

　　3.3 仿真技術(shù)

　　仿真過程是實(shí)際的物理過程在計(jì)算機(jī)中的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)虛擬制造的著重點(diǎn)不同，可將仿真分為產(chǎn)品性能仿真，生產(chǎn)規(guī)劃仿真、實(shí)際制造過程仿真等。產(chǎn)品性能仿真包括運(yùn)用各種CAE軟件對產(chǎn)品的機(jī)械性能、動(dòng)力學(xué)性能、熱力學(xué)性能等進(jìn)行模擬。生產(chǎn)規(guī)劃仿真可以對車間不同的生產(chǎn)規(guī)劃進(jìn)行仿真。實(shí)際制造過程仿真包括數(shù)控機(jī)床的NC代碼仿真，沖壓過程、澆注過程、焊接過程、切削過程等的仿真。仿真結(jié)果可以用來優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)規(guī)劃、檢驗(yàn)產(chǎn)品可制造性。

　　3.4 控制技術(shù)

　　控制技術(shù)指建模過程、仿真過程所用到的各種管理、組織與控制的技術(shù)和方法。包括模型部件的組織、調(diào)度策略及交換技術(shù)，仿真過程的工作流程與信息流程控制，成本估計(jì)技術(shù)，動(dòng)態(tài)分布式協(xié)作模型的集成技術(shù);沖突求解及基于仿真的推理技術(shù)。模型及仿真結(jié)果的驗(yàn)證和確認(rèn)技術(shù)，面向產(chǎn)品開發(fā)過程的組織與管理等問題的研究等。

　　4 虛擬制造的研究與應(yīng)用

　　由于虛擬制造的廣闊前景，美國、歐洲及日本等國紛紛開始對其進(jìn)行研究，并在虛擬原型系統(tǒng)開發(fā)、虛擬環(huán)境構(gòu)筑、虛擬裝配等方面取得了一系列的成果;除了實(shí)驗(yàn)室的研究工作外，虛擬制造在工業(yè)上，尤其是汽車、飛機(jī)、軍工等領(lǐng)域也得到有效應(yīng)用并取得明顯收益。

　　4.1 國外的研究與應(yīng)用

　　美國國家標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)局NIST主要研究工程設(shè)計(jì)測試床的創(chuàng)建及制造工程工具軟件包，提供了開放式虛擬現(xiàn)實(shí)測試床(OVRT)和國家先進(jìn)制造測試床(NAMT)。美國Michigan大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室主要研究如何從CAD/CAM數(shù)據(jù)庫中快速構(gòu)筑虛擬原型以及原型的行為功能建模。美國華盛頓大學(xué)在Pro/Engineer等CAD/CAM系統(tǒng)上開發(fā)了面向設(shè)計(jì)和制造的虛擬環(huán)境VEDAM，建立起包含整個(gè)車間機(jī)床模型的虛擬環(huán)境。美國波音飛機(jī)公司采用虛擬樣機(jī)技術(shù)在計(jì)算機(jī)上建立了波音的最終模型，整機(jī)開發(fā)、部件測試、整機(jī)裝配等虛擬開發(fā)活動(dòng)以及在各種條件下的試飛都是在計(jì)算機(jī)中完成的，開發(fā)周期從過去的8年縮短到5年。

　　英國的Bath大學(xué)用OpenInventor2.0軟件工具開發(fā)出了基于自己的Svlis建模軟件的虛擬制造系統(tǒng)，為用戶提供具有機(jī)床、成套刀具、機(jī)器人等虛擬設(shè)備的3維虛擬車間環(huán)境。英國Herriot-Watt大學(xué)的虛擬制造研究組主要從事與虛擬裝配有關(guān)的一系列研究工作，為各種工業(yè)應(yīng)用提供虛擬現(xiàn)實(shí)工具，并提出基于虛擬現(xiàn)實(shí)的裝配規(guī)劃系統(tǒng)，并使用浸人式虛擬環(huán)境完成電纜套索的設(shè)計(jì)與定位。德國寶馬汽車公司為車門裝配設(shè)計(jì)的虛擬裝配系統(tǒng)能識別語音輸入完成相應(yīng)操作，并能對干涉碰撞發(fā)聲報(bào)警。

　　在日本，以大阪大學(xué)為中心的研究開發(fā)力量主要進(jìn)行虛擬制造系統(tǒng)的建模和仿真技術(shù)研究，并開發(fā)出了虛擬工廠的構(gòu)造環(huán)境VirtualWorks。

　　4.2 國內(nèi)的研究與應(yīng)用

　　在我國，由于受三維建模技術(shù)、仿真技術(shù)等因素的約束，對虛擬制造的研究起步較晚，但近幾年發(fā)展迅速，一批科研院校和研究所紛紛加入到虛擬制造的研究隊(duì)伍中來。國內(nèi)最早的虛擬制造研究機(jī)構(gòu)之一的清華大學(xué)CIMS工程研究中心虛擬制造研究室在綜合目前國內(nèi)外關(guān)于虛擬制造的研究成果的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)虛擬制造體系結(jié)構(gòu)，即基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)集成的虛擬制造、虛擬生產(chǎn)、虛擬企業(yè)框架結(jié)構(gòu)。并就某典型產(chǎn)品在進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)、仿真優(yōu)化、虛擬裝配及可加工性分析的基礎(chǔ)上開發(fā)研制了虛擬加工軟件系統(tǒng)VME。北京機(jī)械科學(xué)研究總院初步實(shí)現(xiàn)了立體停車庫的虛擬現(xiàn)實(shí)下的參數(shù)化設(shè)計(jì)，可以直觀地進(jìn)行車庫的布局、設(shè)計(jì)、分析和運(yùn)動(dòng)模擬。上海交通大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)也在從事虛擬制造方面的研究。但總體來說，國內(nèi)關(guān)于虛擬制造方面的研究還處在初期階段，且多集中于高等院校和少量的研究院所，企業(yè)和公司介人較少。

　　5 結(jié)束語

　　隨著Internet技術(shù)的發(fā)展和全球一體化的進(jìn)一步加劇，虛擬制造將向Internet方向發(fā)展，基于Internet的虛擬制造可以通過內(nèi)在的集成框架，將分布的異構(gòu)系統(tǒng)高度集成，并在系統(tǒng)的不同部分之間實(shí)現(xiàn)透明的互操作，使各組成部分既相對獨(dú)立，又可以協(xié)同工作，成為開放性的分布式虛擬制造系統(tǒng)。虛擬制造與Internet的結(jié)合將發(fā)展成為一項(xiàng)很有發(fā)展前景和應(yīng)用潛力的技術(shù)。