本文探討了虛擬柔性制造系統(tǒng)仿真技術(shù)的相關(guān)研究。

　　機械制造系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，系統(tǒng)輸入的是與制造有關(guān)的物料、設(shè)備、工具、能源、人員、制造理論、制造工藝和制造信息等，輸出的是一個合格的具有一定功能的產(chǎn)品。制造系統(tǒng)的復(fù)雜性表現(xiàn)在：制造環(huán)境、制造產(chǎn)品和制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和制造過程的復(fù)雜性上。面對如此復(fù)雜的系統(tǒng)，要使產(chǎn)品達到TQCS最優(yōu)，需要嚴(yán)格控制制造的各個環(huán)節(jié)，得到局部最優(yōu)乃至全局最優(yōu)目標(biāo)。而這一切需要對整個制造過程進行建模，目前研究的熱點之一就是虛擬制造技術(shù)。

　　柔性制造系統(tǒng)(Flexible Manufacturing System，簡稱FMS)是由數(shù)控加工設(shè)備、物料運儲裝置和計算機控制系統(tǒng)等組成的自動化制造系統(tǒng)，它包括數(shù)控機床、加工中心、車削中心等，也可能是柔性制造單元，能根據(jù)制造任務(wù)或生產(chǎn)環(huán)境的變化迅速進行調(diào)整。要采用虛擬制造技術(shù)來正確模擬柔性制造系統(tǒng)的制造過程，主要開展兩方面的工作，一是真實模擬該制造系統(tǒng)中加工設(shè)備的功能：二是對整個柔性制造系統(tǒng)在“一”的基礎(chǔ)上正確規(guī)劃生產(chǎn)過程，以便獲得對整個產(chǎn)品可制造性的全面評估。

　　“虛擬柔性制造系統(tǒng)系統(tǒng)仿真研究”項目從2003年5月～2005年5月得到西南交通大學(xué)科技發(fā)展基金的支持。該項目以柔性制造系統(tǒng)為原型研究對象，從系統(tǒng)論的角度，按照復(fù)雜系統(tǒng)的觀點對對虛擬柔性制造系統(tǒng)進行理論建模，對虛擬柔性制造系統(tǒng)仿真的關(guān)鍵技術(shù)進行研究。重點研究加工過程的工藝信息建模，工藝系統(tǒng)幾何建模、運動建模和物理效應(yīng)建模，并對加工過程工序進行規(guī)劃運動模擬、對NC代碼進行檢驗和刀具軌跡模擬。以此研究零件可加工性的評判因素和機理，建立工藝評價的優(yōu)化模型。其最終目的是建立一個能評價工藝方案和工藝參數(shù)的基于虛擬現(xiàn)實的直觀制造評價體系，以解決制造系統(tǒng)與產(chǎn)品市場的矛盾關(guān)系。

　　經(jīng)過兩年的研究，該項目已取得預(yù)期的成果或可以認定的技術(shù)性能指標(biāo)。

　　1 提出基于組件的虛擬柔性制造系統(tǒng)建模理論及方法

　　柔性制造系統(tǒng)內(nèi)部一般包括兩類不同性質(zhì)的運動，一類是系統(tǒng)的信息流，另一類是系統(tǒng)的物料流，物料流受信息流的控制。FMS是在加工自動化的基礎(chǔ)上實現(xiàn)物料流和信息流的自動化。對柔性制造系統(tǒng)規(guī)劃，首先要按照任務(wù)的分配，或者說是信息流的流向，對各種物理設(shè)備組成進行合理的規(guī)劃和布置。由于物理設(shè)備種類的多樣性、可重用性和各物理設(shè)備間對加工信息流的交互性，使其更具有自然對象的特征，可以采用基于面向?qū)ο蟮慕M件來表達。每個組件是一個對象的實例化，它們有自己的屬性和行為，組件所能提供的與外界的交互行為過程就是各物理設(shè)備交互和傳遞信息流的過程。在典型的柔性制造系統(tǒng)中，這些組件有：數(shù)控車床對象、數(shù)控銑床對象、加工中心、機器人對象、堆垛機對象、立體倉庫對象、搬運小車對象、輸送裝置對象等等。每個對象按照各物理設(shè)備自身的行為和屬性進行建模，包括三維建模、運動控制建模、屬性建模等。

　　該研究采用自然的對象描述方法，從理論上規(guī)劃了虛擬FMS系統(tǒng)中各組件之叫的關(guān)系，為后面的功能建模提供了方法學(xué)基礎(chǔ)。

　　2 提出基于三維模型的組件功能和行為建模方法

　　虛擬制造環(huán)境由相應(yīng)的虛擬制造設(shè)備構(gòu)成，每個虛擬設(shè)備相當(dāng)于一個組件，該組件應(yīng)能夠較完整的反映物理設(shè)備的特性，如物理設(shè)備的幾何特征、材料特征、運動信息等。因此，必須根據(jù)真實的設(shè)備所具有的特征，對其進行數(shù)字化，建立虛擬設(shè)備模型。

　　虛擬設(shè)備模型是物理設(shè)備功能特征及形狀特征的信息在虛擬環(huán)境中的映射。物理設(shè)備的功能特殊性決定了虛擬設(shè)備模型的幾何屬性，因此在構(gòu)建虛擬設(shè)備模型時，可以分別從幾何模型和運動控制兩個方而著手，對物理設(shè)備進行功能特性與幾何特征分析，將虛擬設(shè)備模型劃分為幾何模型和運動控制模型兩部分。

　　幾何模型是對物理設(shè)備形狀特征的描述，它表達了物理設(shè)備的基本形狀信息，如機床的床身，工作臺以及主軸等部件的形狀，這些幾何模型在運動控制模型的控制下，根據(jù)外部輸入的控制數(shù)據(jù)做相應(yīng)的運動，這些運動可以表示為物理設(shè)備的實際行為，如工作的進給、主軸的轉(zhuǎn)動、機械手的行為以及物料小車的運動等。

　　對虛擬設(shè)備的幾何建模首先采取Pro-E、UG或Solidworks等三維造型的形式，將各物理設(shè)備分解成功能模塊部分，比如車床可分解為：床身、刀架、主軸、頂尖、機床門等，然后通過轉(zhuǎn)化成基于OPENGL的模擬環(huán)境中，獲得其在模型中的準(zhǔn)確坐標(biāo)，按照齊次坐標(biāo)變換關(guān)系，獲得一臺虛擬加工車床。其他的如銑床、機器人、立體倉庫、托盤等都可以按照這種方式進行。

　　運動控制模型反映了物理設(shè)備的各種控制功能，它根據(jù)外部輸入的控制信息，進行處理，判斷，并且輸出相應(yīng)的控制信息，驅(qū)動相關(guān)幾何模型的位置和運動狀態(tài)變化，實現(xiàn)物理模型設(shè)備行為的虛擬化。根據(jù)各物理設(shè)備的運動屬性建立相應(yīng)的運動系統(tǒng)，每個加工設(shè)備嚴(yán)格按照數(shù)控原理進行運動規(guī)劃，確定加工坐標(biāo)系統(tǒng)、機床原點、加工原點。按照數(shù)控插補的原理，確定走刀步長、加工終點位置，并按照不同的數(shù)控加工代碼編制圓弧、直線、拋物線插補算法。每個部件的運動則采用時鐘觸發(fā)方式，這種時鐘可以根據(jù)控制運動的個數(shù)定義多個，相互之間根據(jù)完成的功能屬性進行協(xié)調(diào)。對加工設(shè)備，可以控制主軸的快慢、正反轉(zhuǎn)，單軸運動和多軸聯(lián)動、換刀等等，對輸送設(shè)備，機器人和取物裝置、輸送裝置之間的時鐘必須按照工時規(guī)劃進行嚴(yán)格控制。

　　該研究將FMS各組件對象的功能和行為特性融合在組件模型中，采用可視的三維模型引入，利用Opengl作為模型三維驅(qū)動引擎，并結(jié)合加工過程模擬，形成了具有真正自然表現(xiàn)屬性的虛擬機床、虛擬工件、虛擬機器人等等。

　　3 基于工藝工程的虛擬柔性系統(tǒng)布局及工作過程三維可視化研究

　　針對柔性制造系統(tǒng)的布局柔性，規(guī)劃了一種隨意布局虛擬設(shè)備的系統(tǒng)，該系統(tǒng)中虛擬設(shè)備是按照功能和行為屬性而建模的虛擬設(shè)備組件對象，并按照這些對象的具體布局位置、方位布局相應(yīng)的生產(chǎn)物料運輸系統(tǒng)，建立虛擬的物料輸送線、虛擬立體倉庫、虛擬托盤、虛擬堆垛機等。

　　為了獲得滿意的虛擬柔性制造系統(tǒng)加工仿真整體模型和模擬效果，采用了多時鐘綁定技術(shù)。并按照工藝過程對這些定義各個部分動作模型的時鐘進行復(fù)雜的邏輯規(guī)劃，根工藝模型的過程來觸發(fā)和停止不同的時鐘，以適應(yīng)按照柔性制造系統(tǒng)隨息布爾過程的運動模擬效果。

　　同時每個虛擬設(shè)備可以定義自己白。工作模式、工作過程和方法。比如對于銑削中心，則可按照數(shù)控加工插補獲得刀具軌跡，形成NC代碼，然后進行加工過程模擬。所有附在虛擬設(shè)備上的工藝過程數(shù)據(jù)，比如調(diào)度指令、NC代碼等都通過自定義一定的協(xié)議，并按照這種協(xié)議進行匹配獲得指導(dǎo)運動模擬的控制效果。

　　該項研究，充分利用了計算機仿真、可視化、運動建模及運動模擬、數(shù)據(jù)解碼等技術(shù)，將虛擬柔性制造系統(tǒng)規(guī)劃的靈活性，功能模擬的有效性等結(jié)合起來，以可視化的方式形成了不同的產(chǎn)品在不同的柔性制造系統(tǒng)環(huán)境下的可制造過程，用戶可以在此基礎(chǔ)上評價所采用的設(shè)備、布局方式等，并進行評價和相互對比，獲得滿意的產(chǎn)品可制造模型，達到虛擬制造的部分目的。

　　4 基于面向?qū)ο蟮奶摂M柔性制造系統(tǒng)可視化環(huán)境系統(tǒng)的研制

　　前面研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合面向?qū)ο蠹夹g(shù)、Opengl建模、計算機仿真、多時鐘技術(shù)、數(shù)據(jù)解碼及數(shù)據(jù)協(xié)議的制定、CAD技術(shù)、計算機圖形學(xué)、數(shù)控機床及數(shù)控加工、柔性制造系統(tǒng)、制造工藝學(xué)等多種知識和技術(shù)，在VC++開發(fā)環(huán)境下，編制了一套虛擬柔性制造系統(tǒng)建模、運動模擬可視化系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠針對不同的工藝模型、不同的設(shè)備布局獲得不同的加工模擬效果，從而獲得同一個零件不同的加工方案.以方便獲得滿意的加工方案和模型。該系統(tǒng)稍加擴展。可以成為基于桌面虛擬現(xiàn)實的沉浸式系統(tǒng)，從而加大人的主觀評價力度。更深入地認識系統(tǒng)本身。

　　此外該項目還在數(shù)控系統(tǒng)的建模及可視化方面做了很多細致的工作，對虛擬樣機、虛擬制造系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實的部分理論都有直接或間接的指導(dǎo)作用。

　　總之，該項目按照任務(wù)書要求，在有限的時間內(nèi)，獲得了滿意的效果，該項目的目前部分研究，研究本項目及結(jié)果具有如下意義：

　　(1)探索制造系統(tǒng)中的內(nèi)在本質(zhì)，并針對制造系統(tǒng)的復(fù)雜性進行理論建模，以了解影響制造系統(tǒng)的決定性因素;

　　(2)針對目前制造系統(tǒng)中存在的問題。建立一個制造方案評價體系，以對市場風(fēng)險進行正確評估，并在問題出現(xiàn)之前，盡快通過評價體系找到問題所在，從而提高產(chǎn)品快速響應(yīng)市場的能力;

　　采用可視化技術(shù)，并適時結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)，將人考慮在整個制造系統(tǒng)評判體系結(jié)構(gòu)中，以增加入的主觀能動性和積極性，以便在整個評判體系中增加人的智能和經(jīng)驗，更快發(fā)現(xiàn)問題，獲得滿意的結(jié)果;

　　(4)將計算機仿真、計算機圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)與制造系統(tǒng)結(jié)合進行學(xué)科交叉研究，更快提升本專業(yè)的研究優(yōu)勢。

　　由于本項目所研究的內(nèi)容較多，而且難度較大，研究的周期又較短，所需要使用的切削力學(xué)模型試驗設(shè)備部具備，為了獲得項目的整體效果，本項目弱化了加工力學(xué)模型的建立，這對虛擬柔性制造系統(tǒng)的整體效果沒影響，但對機床某一道工序的加工有一定的影響。因此，后面的工作將針對虛擬制造加工模型的詳細建模，綜合考慮沒計：切削深度、切削厚度、切削速度、刀具角度等切削因素以及機床本身的物理模型等進行切削力學(xué)模型，并針對切削過程的可視化進行材料切除模擬。以深入地了解虛擬制造系統(tǒng)的本質(zhì)。