虚拟制造技术及国内外研发现状

虚拟制造技术及国内外研发现状虚拟制造（VM，VirtualManufacturing）是实际制造在计算机上的本质实现，是计算机仿真技术和虚拟现实技术在制造领域的综合发展及应用，是企业以信息集成为基础的一种新的制造哲理。虚拟制造技术的广泛应用将从根本上改变现行的制造模式，将带来企业组织、企业管理及生产方式等多方面的变化，对相关行业也将产生巨大影响，是下一代制造技术的重要内容之一。可以说虚拟制造技术决定着企业的未来，也决定着制造业在竞争中能否立于不败之地。一、虚拟制造产生的背景在经济全球化、贸易自由化和社会信息化的新形势下，世界市场由过去传统的相对稳定逐步演变成动态多变的特征，由过去的局部竞争演变成全球范围内的竞争；同行业之间、跨行业之间的相互渗透、相互竞争日益激烈，因此，制造业的经营战略发生了很大变化，TQCS成为现代制造企业适应市场需求、提高竞争力的关键因素。即以最快的上市速度(T—TimetoMarket)、最好的质量(Q—Quality)、最低的成本(C—Cost)、最优的服务(S—Service)来满足不同顾客的需求。与此同时，信息技术取得了迅速发展，特别是计算机技术、计算机网络技术、信息处理技术等取得了人们意想不到的进步。进入九十年代以来，技术更新的速度明显加快，新兴知识转化成生产力推动力量的时间间隔越来越短。如何利用新技术所提供的机遇，抓住用户需求，以最短的时间开发出用户能够接受的产品，已成为市场竞争的焦点。多年来的实践证明，将信息技术应用于制造业，进行传统制造业的改造，是现代制造业发展的必由之路。自70年代以来，CAD技术是众多计算机应用技术中推广应用最为深入和最为广泛的专业应用领域之一，特别在制造业中的影响力更为突出。80年代初，以信息集成为核心的计算机集成制造系统（CIMS，ComputerIntegratedManufacturingSystem）开始得到实施；80年代末，以过程集成为核心的并行工程（CE，ConcurrentEngineering）技术进一步提高了制造水平；进入90年代，先进制造技术进一步向更高水平发展，出现了虚拟制造、精益生产（LP，LeanProduction）、敏捷制造（AM，AgileManufacturing）、虚拟企业（VE，VirtualEnterprise）等新概念。尽管各种新的制造概念的侧重点不同，但都无一例外地强调了充分利用现代信息技术的成果。但是，当人们试图利用信息技术工具解决制造系统的问题时，必然会遇到制造系统和信息系统之间的“语义鸿沟”（Semanticgap）。也就是说，必须解决如何用信息工具描述制造系统、处理制造活动，如何在信息世界完整地再现真实的制造系统等等。虚拟制造是沟通信息系统与制造系统的桥梁，为沟通信息技术与制造系统间的“语义鸿沟”提供了有效的工具和环境，它能够提供给我们有效的制造系统及制造活动信息化方法，使制造系统的产品及其制造过程数字化，以便计算机系统处理。因此，在这些诸多新概念中，“虚拟制造”引起了人们的广泛关注，不仅在科技界，而且在企业界，已经成为研究和应用的热点之一。二、虚拟制造的定义及类别1.虚拟制造的定义虚拟制造是一个处于发展中的新概念。目前比较通行的说法是：虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本质实现，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，通过三维模型及动画，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，以及企业各级过程的管理与控制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。虚拟制造也可以对想象中的制造活动进行仿真，它基本不消耗现实物质资源，所进行的过程是虚拟过程，所生产的产品也是虚拟的。虚拟制造可以分为三个层次：第一层是宏观层，指能够覆盖从产品需求、产品虚拟设计、产品虚拟生产到产品虚拟消费、报废循环的整个过程，包含产品生产企业的所有活动以及用户的消费过程，这就需要表达整个制造系统中的物流、信息流、能量流，以及系统各单元间的关系、约束机制等，是指高层次大系统仿真；第二层是中观层，指对加工环境的仿真，包含生产系统的虚拟布局、虚拟调度等生产系统的仿真，也包含零件的加工过程仿真，如刀具轨迹、加工过程仿真等；第三层是微观层，指加工过程中制造系统被加工件的各种微观特性的变化，如磨削加工中工件表面状态的变化，铸造(锻压)成型过程中材料的微观现象仿真等等。2.虚拟制造及其相关概念当前，在先进制造技术的研究过程中，产生了许多新的概念。为了更详细地说明虚拟制造的内涵，需要了解虚拟制造与其它相关概念之间的关系。（1）虚拟制造和“建模与仿真(ModelingandSimulation)”虚拟制造依靠建模与仿真技术模拟制造、生产和装配过程，使设计者可以在计算机中“制造”产品。建模与仿真是虚拟制造的基础。虚拟制造是建模与仿真的应用，但是它扩展了传统的建模与仿真技术。虚拟制造环境下的仿真是先进的全方位仿真，通过虚拟现实界面，将虚拟产品及其制造、消费过程呈现于人的感官，在人的主观上产生产品的存在感。人可以与虚拟环境发生交互作用，沉浸在计算机产生的三维仿真环境中，感觉到一切都是“真实”存在的，虚拟环境可以加深人们对复杂系统的理解。（2）虚拟制造与虚拟现实(VirtualReality)技术虚拟现实是一种计算机生成的动态的虚拟环境，人通过适当的接口置身其中，可以参与和操纵虚拟环境中的仿真物理模型，并且可以和过去的、现在的或虚拟的人物进行交互。它通过各种虚拟设备如立体显示系统、听觉系统、触觉与力反馈设备等刺激人的各个感知器官，使人能够与系统交互(Interaction)，产生沉浸(Immersion)感，对系统进行构想(Imagination)。这三个I是虚拟现实的基本特征。虚拟制造可以看作是产品设计、开发、制造过程采用虚拟现实技术的实现，通过对产品及其制造过程的仿真，使人从主观上产生虚拟产品及其制造过程的存在感。人可以沉浸在虚拟制造环境中，通过对“产品生命全程”的预演，加深人们对制造过程的准确理解和直观感受。虚拟制造是多学科、多领域知识的综合，其产生的虚拟产品、虚拟制造系统，甚至虚拟企业，需要在计算机上以直觉、生动、精确的方式呈现出来，因此虚拟现实技术是其重要的组成部分。（3）虚拟制造与虚拟企业虚拟企业是指分布在不同地区的多个企业利用计算机网络及信息系统作为手段，为快速响应市场需求而组成的动态联盟。虚拟企业把不同地区的合作伙伴的现有资源（技术、信息、知识、设备等），利用网络通讯技术，迅速地组合成为一种跨行业、跨地区的统一指挥、协调工作的临时经营实体。构成虚拟企业的企业实体可以分布于不同地域，具有不同的生产规模和技术组合。在具体表现上，结盟的可以是同一个大公司的不同组织部门，也可以是不同国家的不同公司。虚拟企业与虚拟制造没有直接的相互依赖关系，虚拟企业主要强调网络，强调资源的集成和共享，而虚拟制造的重点是仿真产品的生命周期中的各个活动。在虚拟企业中伙伴能够共享生产、工艺和产品的信息，这些信息以数据的形式表示，能够分布到不同的计算环境中。虚拟制造技术可以为虚拟企业提供可合作性的分析支持，为合作伙伴提供协同工作环境和虚拟企业动态组合及运行支持环境。（4）虚拟制造与精益生产精益生产要求简化生产过程，减少信息量，消除过分臃肿的生产组织，使产品及其生产过程尽可能地简化和标准化。这样做的结果对虚拟制造的建模仿真是十分有利的，即现实生产过程越简化则虚拟制造实现起来就越容易。精益生产的核心是准时化生产和成组技术。实行精益生产为虚拟制造的实现创造了有利条件。（5）虚拟制造与并行工程（ConcurrentEngineering）并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）的系统方法。它要求产品开发人员在一开始就考虑到产品从概念设计到消亡的整个产品生命周期中所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求。为了达到并行的目的，必须实现产品开发过程集成并建立产品主模型，通过它来实现不同部门人员的协同工作；为了达到产品的一次设计成功，减少反复，它在许多部分应用了仿真技术；主模型的建立、局部仿真的应用等都包含在虚拟制造技术中，可以说并行工程的发展为虚拟制造技术的应用提供了良好的条件，虚拟制造将是以并行工程为基础的，并行工程的进一步发展就是虚拟制造。（6）虚拟制造与敏捷制造敏捷制造是以竞争力和信誉度为基础，选择合作者组成虚拟公司，分工合作，为同一目标共同努力来增强整体竞争能力，对用户需求作出快速反应，以满足用户的需要。为了达到快速应变能力，虚拟制造为虚拟企业的建立提供全方位的支持，即敏捷制造是以虚拟制造技术为基础的。（7）虚拟制造与绿色制造绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废的整个产品生命周期中，对环境的影响（负作用）最小，资源的使用效率最高。绿色制造的提出是人们日益重视环境保护的必然选择，发展不能以环境污染为代价，国际制造业的实践表明，通过改进整个制造工艺来减少废弃物，要比处理工厂已经排放的废弃物大大节省开支，因此，当虚拟制造技术发展到一定阶段时，必定要集成绿色制造并为绿色制造提供技术支持。从以上的分析中我们可以看到：各种先进制造技术是相互关联、彼此交叉的，它们都离不开计算机网络、工程数据库技术、计算机仿真技术的支持，从以技术为中心向以人为中心转变，使技术的发展更加符合人类社会的需要是它们的共同特点。3.虚拟制造的类别虚拟制造的研究都与特定的应用环境和对象相联系。在虚拟制造的研究过程中，由于应用对象的不同，各有不同的侧重点，因此出现了三个不同的类别：即以设计为中心的虚拟制造、以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造。它们分别涉及到虚拟产品生命周期中不同的方面。（1）以设计为中心的虚拟制造以设计为中心的虚拟制造是将制造信息加入到产品设计与工艺设计过程中，并在计算机中进行“制造”，仿真多种制造方案和产生许多“软”的模型，为设计者提供一个设计产品和评估产品可制造性的环境。它的主要支持技术包括特征造型、面向数学的模型设计及加工过程的仿真技术。主要应用领域包括造型设计、热力学分析、运动学分析、动力学分析、容差分析和加工过程仿真。（2）以生产为中心的虚拟制造以生产为中心的虚拟制造是将仿真能力加入到生产过程模型中，其目的是方便和快捷地评价多种加工过程，检验新工艺流程的可信度、产品的生产效率、资源的需求状况（包括购置新设备、征询盟友等），从而优化制造环境的配置和生产的供给计划。它的主要支持技术包括虚拟现实技术和嵌入式仿真技术，其主要应用领域包括工厂或产品的物理布局及生产计划的编排。（3）以控制为中心的虚拟制造以控制为中心的虚拟制造是将仿真能力增加到控制模型和实际的生产过程，模拟实际的车间生产，评估车间生产活动，达到优化制造过程的目的。它的主要支持技术有：对离散制造—基于仿真的实时动态调度；对连续制造—基于仿真的最优控制。三、虚拟制造的作用目前，虚拟制造技术已经在国外有所应用，它对未来制造业和企业的发展都将会产生深远影响。1.虚拟制造技术对未来制造业的重大作用主要表现为：（1）运用软件对制造系统中的五大要素（人、组织管理、物流、信息流、能量流）进行全面仿真，使之达到了前所未有的高度集成与优化，达到“快、好、省”的目的，为先进制造技术的进一步发展提供了更广大的空间，同时也推动了相关技术的不断发展和进步。（2）可加深人们对生产过程和制造系统的认识和理解，有利于对其进行理论升华，更好地指导实际生产，即对生产过程、制造系统整体进行优化配置，推动生产力的巨大跃升。2.虚拟制造技术对企业的作用表现在以下7个方面：(1)提供影响产品性能、影响制造成本、影响生产周期的相关信息，以便使决策者能够正确地处理产品的性能、制造成本、生产进度和风险之间的平衡关系，做出正确的设计和管理决策，使决策者能直观感受和准确理解各种分析结果，做出正确决策；(2)提高产品的设计质量，减少设计缺陷，优化产品性能