虚拟制造

虚拟制造在客机开发方面的应用浦秋爽摘要：虚拟制造技术是一种软件技术，是CAD/CAE/CAM/CAPP 和仿真技术的更高阶段，它能在计算机上实现模具从设计到制造到检验的全过程，根据虚拟模型的仿真过程，可以在计算机上根据“实际”的加工情况来修改客机的设计，避免了在客机制造过程中可能出现的问题，从而达到缩短模具的开发周期、降低成本、提高生产效率的目的，因而是客机开发最有潜力最实用最有效的技术之一。

关键词：虚拟制造技术、仿真技术、CAD/CAE/CAM/CAP、虚拟模型前言：利用虚拟制造可以把客机研制可能出现的问题解决在装配前和试飞前它能够节约成本、提高设计质量、缩短生产周期、提高生产效率。

波音777客机双发动机大型客机是先进制造的典型成果，它实现了无图样生产，实现从设计到一次试飞成功的目标，给公司创造了显著经济效益和市场竞争能力。

1 虚拟制造1.1产品的虚拟制造设计技术产品的虚拟设计技术(VirtualD esignT echnology)是面向数字化产品模型的原理、结构和性能在计算机上对产品进行设计，仿真多种制造方案，分析产品的结构性能和可装配性，以获得产品的设计评估和性能预测结果，从而优化产品设计和工艺设计，减少制造过程中可能出现的问题，以到达降低成本、缩短生产周期的目的【1】。

1.2产品的虚拟制造技术产品的虚拟制造技术(VirtualM anufacturingTechnology)是利用计算机仿真技术，根据企业现有的资源、环境、生产能力等对零件的加工方法、工序顺序、工装及工艺参数进行选用，在计算机上建立虚拟模型，进行加工工艺性、装配工艺性、配合件之间的配合性、连接件之间的连接性、运动构件之间的运动性等的仿真分析。

通过分析，可以提前发现加工中的缺陷及装配时出现的问题，从而对制造工艺过程进行相应修改，直到整个制造过程完全合理，来达到优化的目的。

产品的虚拟制造技术主要包括材料热加工工艺模拟、装配工艺模拟、板材成形模拟、加工过程仿真、模具制造仿真、产品试模仿真等。

1.3虚拟制造体系结构系统投产控制工艺设计产品设计VM 的建模与仿真工具模internet 资源库Web 服务器知识库系统集成型库与数据库虚拟制造vM生产控制作业计划与调度制造单元构造虚拟企业VE 合作伙伴选择2虚拟制造在客机研发中的应用在传统的客机开发过程中，当零件设计及制造完成后，需要经过反复的调试修改，才能得到满意的零件。

在调试过程中，一些成形缺陷，如破裂、起皱、回弹、翘角等问题，主要是凭借模具钳工师的经验，通过试模、修模、再试模、再修模的循环过程才能解决。

这种方法不但降低了生产效率，而且生产出的零件精度往往达不到预期的要求，还会加长模具的开发周期。

而虚拟制造技术可以大大缩短这一周期。

因为在虚拟现实环境下，客机不需要建造实体模型，工程师可以利用虚拟的“自然”环境的可视化优势，把客机结构分析、虚拟设计、部件装配和性能优化等融合在计算机虚拟制造系统中进行，在综合考虑客机车身件的外观总体布局及零部件之间的相互衔接相互作用等因数基础上，对客机几何尺寸、技术性能、生产和制造等方面进行交互式的快速建模和仿真分析，从而避免了反复修模，保证了客机的精度要求;而且因为生成的仿真模型可被直接操纵与修改，数据可以反复利用，因而大大缩短了客机开发的周期Cs-i21虚拟制造技术与快速成形技术、反向设计、逆向工程、基于知识的工程设计等技术相比具有非常好的优势。

因为虚拟制造技术具有独特的虚拟设计制造环境，可以让模具整个开发过程完全在虚拟的“实际”环境中进行，在达到预期的性能质量等方面的要求后才开始进行实物制造，从而使制造出的模具一次性的满足用户需求，大大降低了模具的废品率，减少企业的开发成本。

2.1客机虚拟制造的开发流程客机的虚拟制造开发流程如图1所示，首先从产品需求分析开始，然后进行概念设计，再从优化设计到系统集成，通过使用相关开发软件，在虚拟环境中，构造产品的虚拟模型3.2 客机研发虚拟制造中的关键技术客机研发虚拟制造过程中，涉及的相关技术非常多，任何一项技术应用的好坏都会影响客机的最后质量，这也是虚拟制造技术应用进展缓慢的原因之一。

只有每项技术都掌握应用的很好，虚拟制造出的产品才能和实际制造出的产品达成一致，才能达到减少开发成本、缩短开发周期、提高模具质量的目的。

其中比较难于掌握而又非常关键的技术：(1) 数学模型的建立建立一个简单而又能反映动态制造过程的数学模型是虚拟制造技术在客机研发的关键。

数学模型建立的不合理，那么虚拟环境下仿真出来的制造过程就会与实际制造过程不一样，起不到客机设计的作用，从而达不到缩短开发周期和减少开发费用的目的。

因此，在使用虚拟制造技术来开发客机研发的时候，必须建立一套合理的数学模型。

在建立数学模型的时候，要认真分析客机的特征，根据客机功能和制造需求，找出其中主要的影响因数，提出合理的假设。

建立的模型必须能反映模具全部的功能和制造关系，包括工作时客机型面受力的变化关系和冲压件受力形状的变化关系等，这样才能仿真出实际的生产关系，才能预测生产中可能产生的问题，达到优化设计和制造的目的。

(2) 系统集成与方案评估这是客机研发虚拟制造中前期工作的基础。

系统集成就是一个最优化的综合统筹设计，需要诸多的技术支持，包括计算机软件、硬件、操作系统技术、数据库技术、网络信息等，需要从全局出发考虑各子系统之间的关系，研究各子系统之间的接口关系。

系统集成所要达到的目标—整体性能最优，即所有部件和成分合在一起后不但能工作，而且全系统是低成本的、高效率的、性能匀称的、可扩充和可维护的系统。

但是对于一般企业来说，购置齐全仿真分析的软件系统是一个高成本的投人，而且，没有专业的人员是无法让这些软件发挥淋漓尽致的作用的。

在计算机虚拟制造系统提供的良好的拟实环境下，工作人员可以对建立起的虚拟模型进行评价与修改。

在这个阶段，可以模拟客机模具的制造过程，解决各部件制造的可行性和难易性;可以模拟客机的装配过程，解决各部件之间的连接性和装备性及操作的难易程度;可以进行虚拟测试，通过测试检验客机的生产能力和生产质量。

在多种方案中评定各方案的执行难易度、耗费成本高低度、花费时间长短度等，选择最适合生产条件的最优生产方案。

(3) 并行工程其实质就是集成地、并行地设计产品及其零部件和相关各种过程的一种系统方法。

这种方法要求产品开发人员与其他人员一起共同工作，在设计一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户的要求等。

并行工程强调的是所有工作人员的所有工作同时进行，强调的是团队工作精神，因而工作链上的每一个人都有权利对设计的产品进行审查，力求让设计的产品更便于加工、便于装配、便于维修，制造成本更低，制造周期更短。

汽车模具的虚拟制造工程在进行初期也必须从汽车模具的总体结构和功能出发，考虑构成虚拟模型各部分之间的相互连接关系和相互作用关系，将他们看作一个有机的整体，实现内部数据和资源的共享，才能使生产出的模具达到预期的效果。

汽车模具虚拟制造过程中，每个部分的工作均由不同的工作人员并行进行，但各部分的功能活动又存在着大量的相互依赖关系，要保证各部分工作人员间的工作协同顺利的进行，实现在分布环境中群体活动的信息交换与共享，就必须对设计过程进行动态调整和监控，提供并行设计的工作环境，保证并行设计的顺利进行，这是虚拟制造模具缩短开发周期的关键。

并行工程实施的条件就是要有支持各方面人员并行工作、甚至异地工作的计算机网络系统和监控调解人员，才可以实时、在线地在各个设计人员之间沟通信息、发现并调解冲突。

一个适当的管理调解人员是并行工程中的重要软件，也是并行工程能否顺利进行的关键。

(4) 仿真分析与数据处理这是客机研发虚拟制造中一个难点，也是阻碍虚拟制造技术在企业中大规模使用的一个重要因素。

仿真分析需要多方面的技术支持，数据处理需要庞大的数据库和有专业知识的人才，需要从全局出发考虑各个子系统之间的关系，研究各个子系统之间的接口问题。

这一技术需要多领域的专业仿真软件协同工作，需要专业人员共同研究探讨，然而多数的企业难以配置齐全所需的仿真分析软件及具备所需的专业人员。

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【2】。

美国波音公司在飞机设计中运用VR技术完全改变了这种设计方法波音公司为设计波音777飞机，研制了一个名为“先进计算机图形交互应用系统”的虚拟环境，用VR技术在此环境中建立一驾飞机的三维模型。

这样设计师戴上头盔显示器就可以在这驾虚拟飞机中遨游，检查“飞机”的各项性能，同时，还可以检查设备的安装位置是否符合安装要求等等。

最终的实际飞机与设计相比，偏差小于千分之一寸，机翼和机身的结合一次成功，缩短了数千小时的设计工作量3、虚拟制造目前的发展状况我国在虚拟现实技术、建模技术、仿真技术、信息技术、应用网络技术等单元技术等方面的研究都很活跃，但研究的进展和研究的深度还属于初期阶段与国际的研究水平尚有很大的差距，多集中于高等院校和少量的研究院所，没有形成产业化【3】虚拟制造从提出到现在已历经了20多年，技术上得到了很大的发展，应用方面也得到了广泛的扩展。

在国外，有很多学校、研究所、科研单位、大型企业等都在不断的研究和应用虚拟制造技术。

近年来，虚拟现实技术已较多地应用到汽车开发工作中，已初步形成一种集专业理论、工程设计、科学试验等为一身的较为完整的应用体系。

例如国内睿联嘉业公司仿真中心为满足现代科普教育需求，特别推出国内首款高仿真模拟飞行器A380，该款专为校园、青少年宫、展览会、商场等公众场量身打造的模拟飞行器，不仅具有物美价廉、方便运输、快速拆卸（4小时搭建完毕）等特点之外，机身上所有仪表、操纵杆甚至声音都与真正的波音客机一模一样，而机舱舷窗外的大屏幕还可通过模拟软件播放逼真的风景画面，让大人孩子在驾驶舱内，就能“飞”遍全世界。

波音——西科斯基公司在设计制造RAH-66直升机时，通过使用数字样机和多种仿真技术建立vm环境，4590h仿真测试时间，却省却了11590h的飞行时间，节约经费 6.73亿美元。

我国在虚拟制造技术方面的研究只是刚刚起步，其研究也多数是在原先的CAD／CAE／CAM和仿真技术等基础上进行的，目前主要集中在虚拟制造技术的理论研究和实施技术准备阶段，系统的研究尚处于国外虚拟制造技术的消化和与国内环境的结合上【4】。

我国对vm的研究起步比国外晚，但随着863计划的CIMS主题将“制造系统可视化，虚拟建模与仿真”定位为研究重点，目前清华大学国家CIMS工程研究中心等科研单位以在vm技术方面的发展取得了一定的成就如同济大学与香港理工大学联合机械科学研究院研究的分散网络化制造、异地设计与制造等技术已经取得了不少进展;武汉理工大学智能设计与制造研究所与上海振华港机股份有限公司合作，已开发出“集装箱装卸桥计算机辅助设计和仿真系统”;清华大学在虚拟设计环境软件、虚拟现实、虚拟机床、虚拟汽车训练系统等方面的研究也取得了很大的进展。