虚拟制造在船厂的应用

虚拟制造在船厂的应用张天霄机械电子工程2009412048引言当今制造业正朝着数字化、网络化、智能化、虚拟化的方向发展。虚拟制造是二十世纪九十年代初出现的新概念，它是采用计算机技术、虚拟现实技术与仿真技术并融入网络信息技术对传统制造业的一次大的改造，它为产品开发过程和生产人员提供了产品设计、生产与评价的有效工具与手段，从而实现在实际的物理生产活动开始之前完成在计算机支持环境下的产品制造过程预演。虚拟制造定义虚拟制造概念提出以来，关于它的本质和定义的探讨一直没有停止过，虽然普遍认可虚拟制造就是实际制造过程在计算机上的映射，但是对它应包含的内容却没有达成共识，因此虚拟制造目前仍没有统一的定义，目前在国际刊物上发表的比较有代表性的著作有以下几种：虚拟制造定义①东京大学的CRIP会员Kimura教授领导的小组于1993年在他的文章中作为并行工程的支撑技术提出了虚拟制造的概念，他们认为，对所有制造活动的全面建模与仿真就是虚拟制造。虚拟制造定义具体地说(1)在相关理论和已积累知识的基础上对制造知识进行系统化组织，使得能够以模块化的方式重新配置虚拟制造系统或对原有系统进行扩展;(2)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;(3)在建立真实制造系统前，采用这些模型进行计算机仿真，根据仿真结果对设计和制造活动进行综合的精确的评价;(4)由以上评估来消除不合理结果;(5)对模型进行日常维护来实现高质量的仿真，所有这些内容就构成了虚拟制造。虚拟制造定义②大阪大学的onosato教授认为：虚拟制造是采用模型来代替实际制造中的对象、过程和活动，与实际制造系统具有信息上的兼容性和结构上的相似性。虚拟制造定义③佛罗里达大学GIoriaJ.Wiensl等人将虚拟制造定义为:虚拟制造是这样一个概念，即与实际一样在计算机上执行制造过程，其中虚拟原型能够用来在实际制造之前对产品的功能及可制造性的潜在问题进行预测。虚拟制造定义④1994年8月由LwarneceAssociates公司编辑的“虚拟制造用户研讨会”报告将虚拟制造定义为：“集成化的合成制造环境下的基于计算机建模和仿真设计和生产技术。简一言之，是在计算机中实现制造仿真的技术”。虚拟制造定义⑤马里兰大学EdwardLin&ete的定义是：虚拟制造是一个利用计算机模型和仿真技术来增强产品与过程设计、工艺规划、生产规划和车间控制等各级决策与控制水平的一体化的、综合性的制造环境。虚拟制造定义⑥1994年6月，美国空军wright实验室汇同一些技术领域的专家以及软件商开展了有关虚拟制造的讨论，提出了虚拟制造的初步定义，认为：虚拟制造是一个集成的、综合的建模与仿真环境，以增强各层次的决策与控制水平。虚拟制造定义⑦清华大学肖田元教授领导的研究小组对虚拟制造的定义为:虚拟制造是实际制造过程在计算机上的映射，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在高性能计算机及高速网络的支持下，在计算机上群组协同工作，实现产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验等产品制造的本质过程，以增强制造过程各级的决策与控制能力。虚拟制造特征①全数字化的产品环境②对制造系统的要素(人、技术、管理、环境等)进行高度集成。③过程组织方式及生产制造单元的动态可重构虚拟制造特征④分布式的协同工作环境⑤仿真结果的高可信度⑥人与虚拟制造环境交互的自然化三类虚拟制造比较船舶虚拟制造的优势①在船舶实际生产前，在不消耗资源和能量的情况下，验证生产方案。在虚拟制造环境中，工程技术人员可以直接对船舶进行试装配，进行各项实验，检查船舶各方面的技术性能等一系列的验证工作②由于船舶制造过程涉及到的因素较多，如组织、设备、材料、资金等，一般很难用完整的数学的参数化模型来描述船舶生产过程中各种因素之间的关系。船舶虚拟制造能够通过建模对实际的制造环境进行模拟与仿真船舶虚拟制造的优势③建模与仿真技术的应用可以极大地提高生产柔性，降低固定成本。④可靠地预测成本、风险和进度，大大提高决策水平。虚拟制造系统虚拟制造系统(MVS)是实际制造系统在计算机上的映射。人们建造虚拟制造系统的目的是研究和检验实际存在或不存在的制造系统在产品制造过程中各种性能能否满足应用要求，虚拟制造系统不仅是实际制造系统的功能仿真模型，还具有实际制造系统所不具备的其它性能。虚拟制造系统虚拟制造系统应该满足以下七个方面的需求：①功能的一致性②结构的相似性③组织的柔性④系统的开放性⑤智能化⑥支持网络化协同工作能力⑦制造环境的虚拟化船舶制造过程船舶制造是一个涉及面很广、综合性极强的行业。从专业面看，它包括总体、船体、装置、动力、系统、电气、观通、武器系统等200多个专业。船舶制造过程船舶制造过程从设计过程各阶段的功能构成看，船舶设计一般可分为四个阶段：(1)方案设计阶段是对设计任务的可行性研究。(2)初步设计阶段根据批准后的方案设计、舰船战术技术指标书等(3)技术设计阶段按批准后的初步设计和设计任务书进行(4)施工设计阶段为贯彻技术设计的内容，进一步收集整理设计资料与调查研究船舶设计制造过程虚拟设计系统框架虚拟设计系统框架界面层：界面层是用户和系统交互接口，其接口操作的形式是多样的，包括各种数据采集、CAD图形设计、用户与虚拟环境的交互操作及视频与语音操作等。虚拟设计系统框架管理层:管理层是从管理层面上来控制和管理分布协同的虚拟制造过程，以项目为纽带，从任务粒度层次上对虚拟制造过程进行建模、规划、管理和监控，支持制造过程的串并行工作，保证项目的进度、资源、人员的合理配置与调度。虚拟设计系统框架功能层:功能层本身是一个应用工具集，从理论上而言，它应该融合船舶虚拟制造不同阶段的各种关键的单元技术。从船舶制造的步骤看，可分为虚拟设计、虚拟制造、虚拟装配以及其它应用工具集等大模块。这些模块从船舶的设计性能、可加工性、可装配性、过程的协同性等方面进行评价和优化。虚拟设计系统构架数据层:数据层是记录产品数据和过程数据的载体，它包括产品数据库、模型库、虚拟环境、工程图库等。虚拟设计系统构架支撑层:支撑层包括操作系统和网络，它提供各种应用软件的运行平台和协作企业范围内信息的透明共享与管理。功能模块本系统的核心为两大功能模块：(1)电子商务模块位于虚拟专用网(vNP)上的电子商务模块是连接客户和企业的桥梁。(2)产品数据管理模块。船舶制造不仅是一个图形完成过程，还包含大量的数据信息数据管理模块可为船舶设计系统的集成提供一个产品数据管理平台，为船舶制造提供统一的数据管理。船舶虚拟制造流程图虚拟船厂模型虚拟企业：所谓“虚拟企业”实质是向外部借力，通过整合外部资源，从而拓展自己的发展空间，利用外部的能力和优势来弥补自身的不足和劣势。虚拟企业在组织上突破有形的界限，各成员仅保留最关键的功能，而将其它的功能虚拟化，最终在竞争中最有效地发挥有限资源的作用。虚拟企业特点企业地域的分散性。企业组织的动态性。企业功能的不完整性。企业信息的共享性。企业资源的互补性。虚拟船厂模型研究虚拟船厂是当今船舶界研究的一个新热点，虚拟船厂模型的初步设想如下：(l)虚拟船厂的构建信息捕捉者们能够充分利用信息高速公路的优势，各自联合其他合作伙伴一同对船东需求进行响应，并在竞争成功后，快速组建虚拟船厂。组成虚拟船厂的各个企业之间通过虚拟专用网进行沟通与合作，并且共享位于虚拟专用网上的工程数据库。(2)船舶的协同设计虚拟船厂高度的信息处理能力提供了在设计过程初期生成和综合设计详图的能力，将船舶设计建造和从初始概念研究到详细设计的全寿命周期保障概括为船舶研制开发过程中一个不可分割的部分，使传统的船舶设计和建造阶段重叠交叉，之间的差别进一步模糊，总设计建造周期缩短。(3)通过虚拟环境更改设计虚拟船厂提供了可视化技术，使设计人员和船东或船级社的监督审查人员可以看到船舶设计过程及在虚拟环境下的建造过程，甚至利用虚拟现实技术进入船舶的虚拟环境中去，对船舶各部件的运行情况进行审查，发现错误，及时更改。这一设计的及时审查可使设计更改在其他受影响的领域里引起返工量最小。(4)协同检验传统设计阶段结束时的阶段审定点代之以由船东、船级社实时参与的连续评审，它们可作为设计开发小组成员的监督者，即时提出评估意见和指示，并审核设计小组的修改方案。(5)虚拟船厂解体虚拟船厂一般是为完成某个项目所成立，一旦目标实现，随即解散虚拟企业，各个成员企业为新的目标做准备。总结通过对虚拟制造系统的分析研究，以及对船舶虚拟制造系统框架的讨论，并对系统的核心模块和关键技术进行了探讨。根据船舶工业对市场快速反映的需要，通过对虚拟企业的特点的分析，提出了虚拟船厂的模型。参考文献【1】张国忠虚拟制造在船厂的应用研究(D)大连理工大学20051-24