虚拟制造的关键技术优化方案

VMT的涉及面很广，如可制造性自动分析、分布式制造技术、决策支持工具、接口技术、智能设计技术、建模技术、仿真技术及虚拟现实技术等。其中，后四项是虚拟制造的核心技术。

1.智能设计技术

智能设计技术是对传统计算机设计技术（Computer Aided Design，CAD）的研究和加强，既具有传统CAD系统的数值计算和图形处理能力，又能满足设计过程自动化的要求，对设计的全过程提供智能化的计算机支持，因此又被称为智能CAD系统，简称ICAD。虚拟设计与虚拟制造流程如图4-11所示。

图4-11　虚拟设计与虚拟制造流程图

智能设计技术具有如下特点：

（1）以设计方法学为指导。设计方法学对设计本质、过程设计思维特征及其方法学的深入研究，是智能设计模拟人工设计的基本依据。

（2）以人工智能技术为实现手段。借助专家系统技术的强大知识处理功能，结合人工神经网络和机器学习技术，较好支持设计过程自动化。

（3）将传统CAD技术作为数值计算和图形处理工具，提供对设计方案优化和图形显示输出的支持。

（4）面向集成智能化。不仅支持设计的全过程，而且能为集成其他系统提供统一的数据模型及数据交换接口。

（5）提供强大的人机交互功能。使设计师对智能设计过程的干预，即人和人工智能的融合成为可能。

随着对市场及用户数据的采集、分析和挖掘，以及参与式设计支撑技术的发展，传统的设计流程已从设计师为主导的为用户设计，向着基于用户需求的智能化设计转变。

2.建模技术

虚拟制造系统（Virtual Manufactudng System，VMS）是现实制造系统（Real Manufacturing System，RMS）在虚拟环境下的映射，是RMS的模型化、形式化和计算机化的抽象描述和表示。VMS的建模包括生产模型、产品模型和工艺模型三种类型，如表4-7所示。

3.仿真技术

仿真，就是应用计算机将复杂的现实系统抽象并简化为系统模型，然后在分析的基础上运行此模型，从而获知原系统一系列的统计性能。仿真是以系统模型为对象的研究方法，不会干扰实际生产系统。而且，利用计算机的快速运算能力，仿真可以用很短时间模拟实际生产中需要很长时间的生产周期，因此可以缩短决策时间，避免资金、人力和时间的浪费，并可重复仿真，优化实施方案。

表4-7　VMS的建模

计算机仿真技术作为一门新兴的高技术，其方法学建立在计算机能力的基础之上。随着计算机技术的发展，仿真技术也得到迅速发展，其应用领域及作用也越来越大。尤其在航空、航天、国防及其他大规模复杂系统的研制开发过程中，计算机仿真一直是不可缺少的工具，它在减少损失、节约经费、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥了巨大的作用。

在从产品的设计到制造以至测试维护的整个生命周期中，计算机仿真技术应用贯穿始终。概念设计阶段，计算机仿真技术进行产品动力学分析（如应力分析、强度分析）、产品运动学仿真（如机构之间的连接与碰撞）；详细设计阶段，计算机仿真技术进行刀位轨迹仿真、加工过程的仿真（检查NC代码）、装配仿真；加工制造阶段，计算机仿真技术进行制造车间设计（布局、设备选择）、生产计划及作业调度、制定各级控制器设计、故障处理；测试阶段，用测试仿真器；培训/维护阶段，用训练仿真器；销售阶段，用供应链仿真器等。总的来说，先进制造技术的发展，为计算机仿真的应用提供了新的舞台，也提出了更高的要求。

（1）仿真技术的应用具有以下特点和趋势：

①仿真技术的应用范围空前地扩大了。在仿真的对象及目的方面，已由研究制造对象（产品）的动力学特性、运动学特性，研究产品的加工、装配过程，扩大到研究制造系统的设计和运行，并进一步扩大到后勤供应、库存管理、产品开发过程的组织、产品测试等，涉及制造企业的各个方面。

②与网络技术结合所带来的仿真的分布性。仿真的分布性是由制造的分布性决定的。敏捷制造、虚拟企业等概念本身就有基于网络实现异地协作的含义。

③与图形和传感器技术相结合，使仿真的交互性大大增强。并由此形成了虚拟制造（Virtual Manufacturing，VM）、虚拟产品开发（Virtual Product Development，VPD）、虚拟测试（Virtual Test，VT）等新概念。

④仿真技术应用的集成化。即综合运用仿真技术，形成可运行的产品开发和制造环境。

就仿真技术应用的对象来看，可将制造业中应用的仿真分为四类：面向产品的仿真、面向制造工艺和装备的仿真、面向生产管理的仿真、面向企业其他环节的仿真。

（2）计算机仿真在制造业中的具体应用。

①面向产品的仿真

面向产品的仿真主要包括以下方面：

●产品的静态、动态性能的分析。产品的静态特性主要指应力、强度等力学特性；产品的动态特性主要指产品运动时，机构之间的连接与碰撞。

●产品的可制造性分析（DFM）。DFM包括技术分析和经济分析。技术分析根据产品技术要求及实际的生产环境对可制造性进行全面分析；经济分析进行费用分析，根据反馈时间、成本等因素，对零件加工的经济性进行评价。

●产品的可装配性分析（DFA）。DFA分析装拆可能性，进行碰撞干涉检验，拟定出合理的装配工艺路线，并直观显示装配过程和装配到位后的干涉、碰撞问题。

②面向制造工艺和装备的仿真。

面向制造工艺和装备的仿真主要指对加工中心加工过程的仿真和机器人的仿真。

加工过程仿真（MPS）：由NC代码驱动，主要用于检验NC代码，并检验装夹等因素引起的碰撞干涉现象。其具体功能包括：

●仿真加工设备及加工对象在加工过程中的运动及状态。

●加工过程仿真的每一步均由NC代码驱动。

●零件加工过程具有三维实时动画功能，当发现碰撞时，会发出报警。

机器人的仿真：随着机器人技术的迅速发展，机器人在制造系统中也得到了广泛的应用。然而由于机器人是一种综合了机、电、液的复杂动态系统，使得只有通过计算机仿真来模拟系统的动态特性，才能揭示机构的合理运动方案及有效的控制算法，从而解决在机器人设计、制造及运行过程中的问题。

●针对制造系统中机器人的应用开展的研究，如柔性制造系统或计算机集成制造系统中机器人的仿真问题。

●针对机器人操作手本身的特性进行的仿真研究，如运动学仿真、动力学仿真、轨迹规划和碰撞检验等问题。

●机器人离线编程系统的研究，如利用仿真生成满意的运动方案自动转换成机器人控制程序去驱动控制器动作。

③面向生产管理的仿真。

生产管理的基本功能是计划、调度和控制。就仿真技术在生产管理中的应用来说，大致有以下三个方面：生产管理控制策略、车间层的设计和调度、库存管理。

a.计算机仿真在生产管理控制策略中的应用。

用于生产管理控制策略的仿真包括确定有关参数及用于不同控制策略之间的比较。比较常见的控制策略有：

MRP：这是一种“推”式的控制策略，通过需求预测，综合考虑生产设备能力、原材料可用量和库存量来制定生产计划；

KANBAN（看板）：这是一种“拉”式的控制策略，根据订单来制定生产计划，即通常所说的准时生产；

LOC：面向负载能力的控制策略。根据库存水平来控制生产过程；

DBR：面向瓶颈的控制策略。根据生产过程中的瓶颈环节来控制整个流程。

比较的衡量指标一般包括产量、生产率等。每种控制策略中需要确定的参数包括批量大小、看板数量、库存水平等。

b.计算机仿真在制造车间设计中的应用。

一般可以把车间的设计过程分为两个主要阶段：初步设计阶段和详细设计阶段。初步设计阶段的任务是研究用户的需求，然后由此确定初步设计方案。详细设计阶段的主要任务是在初步设计的基础上，提出对车间各个组成单元的详尽而完整的描述，使设计结果能够达到进行实验和投产决策的程度，具体来说，即确定设备、刀具、夹具、托盘、物料处理系统、车间布局等。而仿真技术则主要用于方案的评价和选择。

在初步设计阶段，可以在仿真程序中包含经济效益分析算法，运行根据初步设计方案所建立的仿真模型，给出以下评价信息：

●在新车间中生产的产品类型和数量能否满足用户要求？

●产品的质量和精度是否能够满足要求？

●新车间的效率和投资回收率是否合理？

在详细设计阶段，使用仿真技术可以对候选方案的以下方面做出评价：

●在制造主要零件时，车间中主要加工设备是否能够得到充分的利用？负载是否比较平衡？

●物料处理系统是否能够和车间的柔性程度相适应？

●新车间的整体布局是否能够满足生产调度的要求？是否具有一定的可重构能力？

●在发生故障时，车间生产系统是否能够维持一定程度的生产能力？

目前，国内外都已经开发出了一些成熟的软件可用于辅助车间生产系统的设计，如普渡大学开发的GCMS、System Modeling公司开发的SIMAN/CINEMA、Auto Simulation公司开发的AU TOMOD/AUTOGRAM、清华大学开发的IM MS等。

c.计算机仿真在制造车间运行中的应用。

FMS中的调度问题可以定义为分配和协调可获得的生产资源，如加工机器、自动引导运输工具（AGV）、机器人及加班的时间等，以满足指定的目标。这些目标可以是满足交货日期、产量达到最大，机器的利用率达到最高，或上述目标的组合。

FMS中的调度过程包括选择进入FMS的工件、为工件加工选择加工路线、选择在机器上进行加工的工作、为AGV选择派遣规则等。

目前已经有一些成熟的软件可用来解决调度问题，如Autosched，Job TimePlus，FACTOR，FACTOR/AIM，SIMNETD等。我国也已研制开发了用于车间调度层的仿真软件，如南开大学研制的Job Shop调度仿真软件，清华大学与航天部204所等单位开发的工厂仿真调度环境FASE及在此基础上开发的智能规则调度系统等。d.计算机仿真在库存管理中的应用。

在整个生产系统中，库存子系统起着重要的作用。按照库存材料在生产线中作用分，可分为在线仓库和中央仓库。按库存材料性质分，可分为原材料及外购件库、在制品库、成品库和维修备件及工具库。库存控制的目的在于，使库存投资最少，且要满足生产和销售的要求。

对于库存管理的仿真包括确定订货策略、确定订货点和订货批量、确定仓库的分布、确定安全库存水平等。

4.虚拟现实技术

虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）是采用以计算机技术为核心的现代先进技术，生成逼真的视觉、听觉、触觉一体化的虚拟环境，用户可以通过必要的输入/输出设备与虚拟环境中的物体进行交互，相互影响，进而获得身临其境的感受与体验。这种由计算机生成的虚拟环境可以是某一特定客观世界的再现，也可以是纯粹虚构的世界。

虚拟现实技术作为一种高新技术，集计算机仿真技术、计算机辅助设计与图形学、多媒体技术、人工智能、网络技术、传感技术、实时计算技术及心理行为学研究等多种先进技术为一体，为人们探索宏观世界、微观世界及由于种种原因不能直接观察的事物变化规律提供了极大的便利。在虚拟现实环境中，参与者借助数据手套、三维鼠标、方位跟踪器、操纵杆、头盔式显示器、耳机及数据服务器等虚拟现实交互设备，同虚拟环境中的对象相互作用，虚拟现实中的物体能做出实时的反馈，产生身临其境的交互式视景仿真和信息交流。

（1）虚拟现实技术最重要的特点。

①沉浸感。

虚拟环境中，设计者通过具有深度感知的立体显示、精细的三维声音及触觉反馈等多种感知途径，观察和体验设计过程与设计结果。一方面，虚拟环境中可视化的能力进一步增强，借助于新的图形显示技术，设计者可以得到实时、高质量、具有深度感知的立体视觉反馈；另一方面，虚拟环境中的三维声音使设计者能更为准确地感受物体所在的方位，触觉反馈支持设计者在虚拟环境中抓取、移动物体时直接感受到物体的反作用力。在多感知形式的综合作用下，用户能够完全“沉浸”在虚拟环境中，多途径、多角度、真实地体验与感知虚拟世界。

②交互性。

虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，就可以对虚拟环境中的对象进行操作。而计算机根据使用者的体动作及语言信息，实时调整系统呈现的图像及声音。用户可以采用不同的交互手段完成同一交互任务。例如，进行零件定位操作时，设计者可以通过语音命令给出零件的定位坐标点，或通过手势将零件拖到定位点来表达零件的定位信息。各种交互手段在信息输入方面各有优势，语音的优势在于不受空间的限制，设计者无须“触及”设计对象，就可对其进行操纵，而手势等直接三维操作的优势在于运动控制的直接性。通过多种交互手段的结合，提高了信息输入带宽，有助于交互意图的有效传达。

③实时性。

有两种重要指标来衡量虚拟现实系统的实时性：其一是动态特性，视觉上，要求每秒生成和显示30帧图形画面，否则将会产生不连续和跳动感，触觉上，要实现虚拟现实的力的感觉，必须以1 000帧/s的速度计算和更新接触力；其二是交互延迟特性，对于人产生的交互动作，系统应立即做出反应并生成相应的环境和场景，其间的时间延迟不应大于0.1 s。

（2）数字化虚拟制造在制造业中的应用。

数字化VMT首先成功应用于飞机、汽车等工业领域，未来应用前景主要集中在以下几个方面：

①虚拟产品制造。

应用计算机仿真技术，对零件的加工方法、工序顺序、工装选用、工艺参数选用，加工工艺性、装配工艺性、配合件之间的配合性、连接件之间的连接性、运动构件的运动性等均可建模仿真。建立数字化虚拟样机是一种崭新的设计模式和管理体系。

虚拟样机是基于三维计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）的产物。三维CAD系统是造型工具，能支持“自顶向下”和“自底向上”等设计方法，完成结构分析、装配仿真及运动仿真等复杂设计过程，使设计更加符合实际设计过程。三维造型系统能方便地与计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）系统集成，进行仿真分析；能提供数控加工所需的信息，如NC（Computer Number Control）代码，实现CAD/CAE/CAPP/CAM的集成。一个完整的虚拟样机应包含以下内容：

●零部件的三维CAD模型及各级装配体，三维模型应参数化、适合于变形设计和部件模块化。

●与三维CAD模型相关联的二维工程图。

●三维装配体适合运动结构分析、有限元分析、优化设计分析。

●形成基于三维CAD的产品数据管理（Product Data Managment，PDM）结构体系。

●从虚拟样机制作过程中，摸索出定制产品的开发模式及所遵循的规律。

●三维整机的检测与试验。

以CAD/CAM软件为设计平台，建立全参数化三维实体模型。在此基础上，对关键零件进行有限元分析及对整机或部件的运动模拟。通过数字化虚拟样机的建立与使用，帮助企业建立起一套基于三维CAD的产品开发体系，实现设计模式的转变，加快产品推向市场的周期。

②虚拟企业。

虚拟企业是目前国际上一种先进的产品制造方式，采用的是“两头在内，中间在外”的哑铃型生产经营模式，即“产品开发”和“销售”两头在公司内部进行，而中间的机械加工部分则通过外协、外购方式进行。

虚拟企业的特征是：企业地域分散化。虚拟企业从用户订货、产品设计、零部件制造，以及装配、销售、经营管理都可以分别由处在不同地域的企业联作，进行异地设计、异地制造、异地经营管理。虚拟企业是动态联盟形式，突破了企业的有形界限，能最大限度地利用外部资源加速实现企业的市场目标。企业信息共享化是构成虚拟企业的基本条件之一，企业伙伴之间通过互联网及时沟通信息，包括产品设计、制造、销售、管理等信息，这些信息是以数据形式表示，能够分布到不同的计算机环境中，以实现信息资源共享，保证虚拟企业各部门步调高度协调，在市场波动条件下，确保企业最大整体利益。

虚拟企业的主要基础是：建立在先进制造技术基础上的企业柔性化、在计算机上完成产品从概念设计到最终实现的全过程模拟的数字化虚拟制造和计算机网络技术。这三项内容是构成虚拟企业不可缺少的必要条件。

VMT的主要目标，是能够根据实际生产线及生产车间情况进行规模布局，以建模与仿真为核心内容，进行产品的全寿命设计，有巨大的应用潜力。基于产品的数字化模型，实现了从产品的设计、加工、制造到检验全过程的动态模拟，而生产环境、制造设备、定位工装、加工工具和工作人员等虚拟模型的建模，为虚拟环境的搭建奠定了坚实的基础。虚拟制造的关键技术是对产品与制造过程的虚拟仿真，通过仿真，可以及时发现生产问题，及时进行生产优化，从而实现提高效率、节约成本的最终目的。