虚拟制造
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  在当今经济全球化、贸易自由化和社会信息化的形势下,制造业的经营战略发生了很大变化,在30~60年代企业追求的是规模效益,如:美国福特汽车公司、通用汽车公司相继采用刚性流水线进行大批量生产;70年代更加重视降低生产成本,如:日本丰田公司采用准时化生产;80年代提高产品质量成为主要目标;进入90年代新产品开发及交货期成为竞争的焦点。由此产生了多种多样的制造哲理,如:精益生产、并行工程、敏捷制造和虚拟制造等,它们各有侧重,从不同角度研究如何增强企业的竞争力。而虚拟制造技术是制造技术与仿真技术相结合的产物。
  虚拟现实(Virtual Reality)技术是使用感官组织仿真设备和真实或虚幻环境的动态模型生成或创造出人能够感知的环境或现实,使人能够凭借直觉作用于计算机产生的三维仿真模型的虚拟环境。基于虚拟现实技术的虚拟制造(Virtual Manufacturing)技术是在一个统一模型之下对设计和制造等过程进行集成,它将与产品制造相关的各种过程与技术集成在三维的、动态的仿真真实过程的实体数字模型之上。其目的是在产品设计阶段,借助建模与仿真技术及时地、并行地、模拟出产品未来制造过程乃至产品全生命周期的各种活动对产品设计的影响,预测、检测、评价产品性能和产品的可制造性等等。从而更加有效地、经济地、柔性地组织生产,增强决策与控制水平,有力地降低由于前期设计给后期制造带来的回溯更改,达到产品的开发周期和成本最小化、产品设计质量的最优化、生产效率的最大化。
  虚拟制造也可以对想象中的制造活动进行仿真,它不消耗现实资源和能量,所进行的过程是虚拟过程,所生产的产品也是虚拟的。虚拟制造技术的应用将会对未来制造业的发展产生深远影响,它的重大作用主要表现为:
  ●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,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。
  ●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。
  ●在虚拟制造与现实制造的相互影响和作用过程中,可以全面改进企业的组织管理工作,而且对正确作出决策有不可估量的影响。例如:可以对生产计划、交货期、生产产量等作出预测,及时发现问题并改进现实制造过程。
  ●虚拟制造技术的应用将加快企业人才的培养速度。我们都知道模拟驾驶室对驾驶员、飞行员的培养起到了良好作用,虚拟制造也会产生类似的作用。例如:可以对生产人员进行操作训练、异常工艺的应急处理等。
  虚拟制造技术的研究内容是极为广泛的,除了虚拟现实技术涉及的共同性技术外,虚拟制造领域本身的主要研究内容有:
  ●虚拟制造的理论体系;
  ●设计信息和生产过程的三维可视化;
  ●虚拟制造系统的开放式体系结构;
  ●虚拟产品的装配仿真;
  ●虚拟环境中及虚拟制造过程中的人机协同作业等。
  一般来说,虚拟制造的研究都与特定的应用环境和对象相联系,由于应用的不同要求而存在不同的侧重点,因此出现了三个流派,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。
  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,对相关行业也将产生巨大影响,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。
  虚拟制造(VM)是国际上提出的新概念。VM与AM联系密切。VM的特征是:当市场新的机遇出现时,组织几个有关公司联作,把不同的公司,不同地点的工厂或车间重新组织协调工作。在运行之前必须分析组合是否最优,能否协调运行,以及投产后的效益和风险进行评估,这种联作公司称虚拟公司。虚拟公司在一定的环境和条件下通过虚拟制造系统运行,包括物理基础、法律保障、社会环境和信息技术。因此研究开发虚拟制造技术(VMT)和虚拟制造系统(VMS)意义重大,美国称AM为21世纪制造业发展战略。
  虚拟现实技术(Virtual Reality Technology)主要包括虚拟制造技术和虚拟企业两个部分。
  虚拟制造技术将从根本上改变了设计、试制、修改设计、规模生产的传统制造模式。在产品真正制出之前,首先在虚拟制造环境中生成软产品原型(Soft Prototype)代替传统的硬样品(Hard Prototype)进行试验,对其性能和可制造性进行预测和评价,从而缩短产品的设计与制造周期,降低产品的开发成本,提高系统快速响应市场变化的能力。 虚拟企业是为了快速响应某一市场需求,通过信息高速公路,将产品涉及到的不同企业临时组建成为一个没有围墙、超越空间约束、靠计算机网络联系、统一指挥的合作经济实体。虚拟企业的特点是企业的功能上的不完整、地域上的分散性和组织结构上的非永久性,即功能的虚拟化、组织的虚拟化、地域的虚拟化。

对虚拟制造的研究还处于不断的深入、细化之中.国际上尚没有对其作出一个统一的公共定义。不同的研究人员从不同角度出发。给出了各具特点的描述,其中有代表性的包括以下几种。

(1)Kimum的定义为:虚拟制造是指通过对制造知识进行系统化组织与分析。对整个制造过程建模,在计算机上进行设计评估和制造活动仿真。他强调通过用虚拟制造模型对制造全过程进行描述,在实际的物理制造之前就具有了对产品性能及其可制造性的预测能力。bwrence Associates则认为。虚拟制造是一个集成的、综合的可运行制造环境,其目的是提高各个层次的决策与控制。

(2)美国Wright空军实验室则对虚拟制造作出了如下定义:虚拟制造建立在计算机建模、分析和仿真技术的基础之上,它是对这些技术的综合应用。这种综合应用增强了各个层次的设计制造、生产决策与控制能力。

从这些定义可以看出,虚拟制造涉及到多个学科领域,是对这些领域知识的综合集成与应用。计算机仿真、建模和优化技术是虚拟制造的核心与关键技术。可以认为,虚拟制造是对制造过程中的各个环节,包括产品的设计、加工、装配,乃至企业的生产组织管理与调度进行统一建模,形成一个可运行的虚拟制造环境,以软件技术为支撑,借助于高性能的硬件,在计算机局域/广域网络上,生成数字化产品,实现产品设计、性能分析、工艺决策、制造装配和质量检验。它是数字化形式的广义制造系统,是对实际制造过程的动态模拟。所谓"虚拟",是相对于实物产品的实际制造系统而言的,强调的是制造系统运行过程的计算机化。

由于计算机软硬件技术和网络技术的广泛应用,虚拟制造具有以下几个特点:

(1)无须制造实物样机就可以预测产品性能,节约制造成本,缩短产品开发周期;
(2)产品开发中可以及早发现问题,实现及时的反馈和更正:
(3)以软件模拟形式进行产品开发;
(4)企业管理模式基于Intranet或Internet,整个制造活动具有高度的并行性。

3虚拟制造的种类

广义的制造过程不仅包括了产品的设计加工、装配,还包含了对企业生产活动的组织与控制。从这个观点出发。可以把虚拟制造划分为三类: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。

3.1以设计为中心的虚拟制造

以设计为中心的虚拟制造强调以统一制造信息模型为基础.对数字化产品模型进行仿真与分析、优化。进行产品的结构性能、运动学、动力学、热力学方面的分析和可装配性分析,以获得对产品的设计评估与性能预测结果。

3.2以生产为中心的虚拟制造

以生产为中心的虚拟制造是在企业资源的约束条件下,对企业的生产过程进行仿真,对不同的加工过程及其组合进行优化。它对产品的"可生产性"进行分析与评价。对制造资源和环境进行优化组合,通过提供精确的生产成本信息对生产计划与调度进行合理化决策。

3.3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技术引入控制模型,提供模拟实际生产过程的虚拟环境。使企业在考虑车间控制行为的基础上对制造过程进行优化控制。以上三种虚拟制造分别侧重于制造过程的不同方面。但它们都以计算机建模、仿真技术为一个重要的实现手段,通过对制造过程进行统一建模,用仿真支持设计过程、模拟制造过程,进行成本估算和生产调度。

4虚拟制造的应用

虚拟制造在工业发达国家,如美国、德国、日本等已得到了不同程度的研究和应用。在这一领域.美国处于国际研究的前沿。福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司在新型汽车的开发中已经应用了虚拟制造技术.大大缩短了产品的发布时间。波音公司设计的777型大型客机是世界上首架以三维无纸化方式设计出的飞机。它的设计成功已经成为虚拟制造从理论研究转向实用化的一个里程碑。

在我国,清华大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等科研教学单位也已经开展了这一领域的研究工作。当前我国虚拟制造应用的重点研究方向是基于我国国情,进行产品的三维虚拟设计、加工过程仿真和产品装配仿真。主要是研究如何生成可信度高的产品虚拟样机,在产品设计阶段能够以较高的置信度预测所设计产品的最终性能和可制造性。在对产品性能具有高科技含量要求的行业中。如航空航天、军事、精密机床、微电子等领域,随着研究的不断深入和相关技术的发展。虚拟制造必将得到日益广泛的应用。

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李翔(1)jyfzjxzdc(1)
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最近更新:2008/12/3 22:01:09
创建者:李翔