虚拟制造

虚拟制造
1.虚拟制造的定义与特征
虚拟现实技术对身临其境的真实感和对超越现实的虚拟性以及建立个人能够沉浸其中，超越其上,自如交互的多维信息系统的追求推动了虚拟现实技术在制造业中的发展和应用。

虚拟制造技术是近年来先进制造技术领域内的一门新兴技术，由于概念出现时间比较短，目前国际上还没有对它作统一的定义，研究人员根据各自不同的研究内容和应用背景，做出各具特色的定义。

同时，由于虚拟制造技术本身的不断发展，工程技术人员对它的认识也是一个动态的过程。

综合起来说，虚拟制造技术是由许多先进学科领域知识的综合集成与应用，它以数字化建模技术，计算机仿真技术，分析优化技术为基础，在产品设计阶段或产品制造之前，实时、并行地模拟出产品的未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品的性能、成本和可制造性，以达到产品的开发周期和成本的最优化，生产效率的最高化之目的。

虚拟制造中的“虚拟”是相对于实物产品的实际制造系统而言的，它强调的是制造系统运行过程的计算机化，虚拟制造是实际制造的抽象，生产出的是全数字化的产品，是在计算机及网络系统和相关软件系统中进行的制造，所处理的对象是有关产品和制造系统的信息和数据，处理结果是全数字化产品，而不是真实的物质产品，但是它是现实物质产品的一个数字化模型，即是一个虚拟产品，是现实产品在虚拟环境下的映射，并具有现实产品所必须具有的特征和性能
2.虚拟制造的分类
根据虚拟制造应用环境和对象的侧重点不同，虚拟制造分为三类: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。

（1）设计为中心的虚拟制造为设计者提供产品设计阶段所需的制造信息，从而使设计最优。

设计部门和制造部门之间在计算机网络的支持下协同工作，以统一的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，从而在设计阶段就可以对所设计的零件甚至整机进行加工工艺分析、运动学和动力学分析、可装配性分析等可制造性分析，以获得对产品的设计评估与性能预测结果。

（2）生产为中心的虚拟制造为工艺师提供虚拟的制造车间现场环境和设备，用于分析改进生产计划和生产工艺，从而实现产品制造过程的最优。

在现有的企业资源（如设备、人力、原材料等）的条件下，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）控制为中心的虚拟制造提供从设计到制造一体化的虚拟环境，对全系统的控制模型及现实加工过程进行仿真，允许评价产品的设计、生产计划和控制策略。

以全局优化和控制为目标，对不同地域的产品设计、产品开发、市场营销、加工制造等，通过网络加以连接和控制。

3.虚拟制造体系结构
面向产品与过程的虚拟制造系统需要对产品、环境和评价的数据、知识、模型
进行共同特征抽取与异型制造过程创建。

虚拟制造完全是数字模型的集成，将相互孤立的制造技术如CAD、CAM、CAPP等集成在一个虚拟产品制造环境下，以实现对制造过程的一一对应的模型化映射关系。

面对模型集成各个子系统功能是虚拟制造技术的关键技术之一，由于产品的多样性和制造过程的动态性，虚拟制造环境是一个动态多变的集成环境，其过程会产生大量的各种数据，虚拟过程的数据管理变得非常复杂。

面向产品与过程的虚拟制造系统对产品设计的数据、知识、模型进行共同特征抽取，建立5大相关模型如下：
概念模型：从市场调研到产品功能分析和原理确定，为后续其他模型提供信息、引导完成产品方案设计，并提供产品性能参数。

评价模型: 从产品功能、质量、价格、交货期、售后服务、环境保护、营销等整个产品生命周期范围内进行评价, 确保产品品质和实用性。

装配模型: 装配模型是在概念模型的基础上对方案进行具体化, 继承概念模型性能参数和外观参数, 确定产品的装配关系和装配约束, 分解和传递概念模型的功能和结构。

特征模型: 特征模型实现零件的设计, 也称零件模型, 特征模型借助各种特征构造零件, 同时继承装配模型的参数, 是联接设计与制造的纽带。

几何模型: 几何模型是特征模型的基础, 虽然不具备工程含义, 却是产品表示的最基础的手段, 给产品最直观的描述, 也是制造加工最直接的对象。

4.虚拟制造实施的步骤
建立企业网和工程数据库，初步实现CAD、CAPP、CAM功能。

进行信息集成，推行PDM技术、特征建模技术，形成一个CAD、CAPP、CAM的集成系统。

首先在设计、工艺、制造部门建立统一的产品模型，初步实现并行工程；再将企业管理方面的MIS、MRPII与CAD/CAM系统进行集成，实现全厂范围内的信息集成，全面实现并行工程。

在上述工作的基础上，对企业内的生产、经营等多方面的活动进行建模、仿真，最终实现虚拟制造。

5.虚拟制造技术在制造业中的应用和发展现状
虚拟制造是一个处于发展中的极具应用潜力的新技术，许多国家都在进行这方面的研究与应用。

但作为一项高新技术，虚拟制造技术尚未形成完整的理论体系，还远未达到成熟。

目前，在这一领域，美国处于国际研究的前沿，许多大学和科研机构都在从事虚拟制造的研究工作，如华盛顿州立大学有一个虚拟现实和计算机集成制造实验室;密执安大学在进行虚拟加工机床的研究;爱荷华州大学在进行虚拟车间的研究;国家标准及技术局制造工程实验室系统集成部在研究开放式虚拟现实测试床（OVRT）和国家先进制造测试床（NAMT）等。

美国Boeing飞机公司设计的一架VS—X虚拟飞机，它可用头盔式显示器和数据手套来进行观察与控制，当手指指向飞机时就可以看到跑道上的飞机起飞;手指向下，飞机便停下来。

通过其它手势，还可以进入座舱，起动发动机，进行飞行试验或者打开应急门。

这种虚拟飞机可以让设计人员身临其境地观察飞机设计的结果，并对其外形、内部结构及使用性能进行考察。

Michigan大学的VR实验室采用沉浸式虚拟现实对一艘PD337 海军运输船的生产过程进行了模拟。

船的双层底模型是用AutoCad 生成，然后转换成虚拟原型。

利用沉浸式虚拟现实可以步入实物大小的船体模型中观察其特性，发现在开始的
CAD/CAM 模型中存在很多问题。

比如: 有些间隔无法进行焊接，以及很多的刚性衍架放到船的另一侧去了。

研究的第二阶段是船的装配。

通过模拟一个真实的造船厂的标准装配过程研究了装配的不同阶段的焊接操作和起吊机的运动以及其他的步骤。

德国Paperboard大学对虚拟企业中自动加工过程的构成进行了研究; 英国B a t h 大学用OpenIventor2.0软件工具开发出了基于自己的Svlis建模软件的虚拟制造系统，为用户提供具有机床、成套刀具、机器人等虚拟设备的三维虚拟车间环境。

在日本，已形成了以大阪大学为中心的研究开发力量，主要进行虚拟制造系统建模和仿真技术的研究，并开发出虚拟工厂的构造环境Virtual-works。

德国Cadform公司和英国Cosw-orth工程公司在发动机的制造中应用了虚拟装配;上海汽车齿轮总厂在变速器总成及换档机构的制造应用了虚拟装配;上海汽车工业技术中心将虚拟装配应用于轻型客车底盘的设计与制造。

图1 是开展虚拟装配研究的实例，利用CAD 软件UG 造型，然后导入ENVISION 软件。

在本例中对轿车的焊接进行模拟。

6.热点及存在问题
尽管虚拟现实技术在制造业的研究取得了巨大成就，但仍存在很多问题有待研究。

（1）各种资源的整合与协同，包括人力资源和现有的知识与技术资源的有效组织，使各方面专家利用现有条件、方法与工具有效的合作，进行VR 在制造业的研究与开发。

（2）模型数据在虚拟产品设计、虚拟工艺设计、虚拟生产加工、虚拟装配、虚拟企业与虚拟设备、原料和产品供应链等共享和继承、可重用性问题。

（3）虚拟装配中的碰撞和零件的碰撞变形以及力反馈问题。

7.结论及展望
在制造业中，从概念设计到生产加工直至装配虚拟现实技术都有着广泛的应用。

虚拟设计、虚拟装配是其具体的应用，加上虚拟企业等统称为虚拟制造。

虚拟制造是由许多先进学科、先进知识形成的综合系统技术，是一个极具潜力的前沿研究方向，由于现在多媒体技术和网络技术的迅速发展，虚拟制造将是下一代生产制造的趋势。

由于CAD/CAE /CAM 系统基本上解决了虚拟产品的概念设计和详细设计部分，目前虚拟制造主要研究的是生产制造，装配部分以及各个环节信息的综合。

在宏观上虚拟制造要仿真整个工厂，仿真工厂中的物流、信息流、能量流，这对实际生产中如何控制物料、掌握生产节拍有指导意义。

在微观上虚拟制造要细化到仿真每个细节，这为宏观虚拟制造奠定了基础。