虚拟车间三维仿真环境的构建技术
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图& 虚拟制造与其它先进制造技术的关系
并对虚拟制造资源的控制系统进行软件封装处理。 源 (1234， 由于不同的制造资源有着不同的特性， 所定义的 (1234 就 可以自主推理 有了不同的属性。由于 (1234 具有一定自治权， 和决策， 各 (1234 之 间 还 可 进 行 交 互 与 协 商 ， 利用自身所包含 的知识来独立解决整体任务中的一部分任务， 这就使得制造资 源能够在执行加工任务的同时还能与外界交流， 声明自己的状 态并招揽新的任务， 并通过它们之间的相互通信与协调来完成
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虚拟车间的运行模式
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3456 格式的三维虚拟机床
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对车间资源的三维仿真
为支持生产环境的布局设计及设备集成、 产品远程虚拟测
!$#$! 3456 与外部环境的接口——在 3456 环境中实现 AB
代码的加工仿真 虚拟 BAB 机 床 建 成 后 ， 下 一 步 则 需 将 AB 加 工 代 码 转 化 成 虚 拟 BAB 机 床 的 运 动 ， 即 将 BAB 机 床 的 加 工 命 令 转 化 到 这需要有一个将数控程序转换成 3456 语言表示的 3456 中， 转换程序。为实现这种转换， 就要充分利用 CDED 语言和 3456 计算机工程与应用
#3456 的基本特征包括它的分布处理方式、三维交互功能、
与平台无关性和多媒体集成等。 建立复杂三维模型是相当繁 另一方面， 在 3456 环 境 中 ， 杂的， 而且毫无直观性可言。现有的许多软件均能解决这一问 以弥补 3456 题。从经济角度出发， 选择 #7 8*9:-;5&< 软件， 这方面的不足。同时， 为了更好、 更 全 面 地 支 持 3456!$" ， #7
基金项目： 国家自然科学基金“ 两个基地” 项目（ 编号： ； 中国7新加坡“ 中新联合研究计划” 项目； 部委预研基金项目（ 编号： ； .%%&"6WAW&） %%X&A$&$#XR".!W） 国家教育部留学回国基金资助 作者简介： 艾武， 副教授， 博士， 主要从事网络理论、 虚拟制造、 数控技术及智能控制等领域的研究。刘家福， 硕士生， 主要从 事 虚 拟 制 造 领 域 的 研 究。王洪海， 副教授， 博士生， 主要从事虚拟制造、 机械设备状态监测与故障诊断等领域的研究。陈幼平， 教授， 博士生导师， 从事虚拟制 造、 网络制造、 数控技术、 智能制造、 制造系统的监控及故障诊断等领域的研究。
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下面是 SW9: 中对应的 789: 场景中的节点及其名称，
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! 基于多 (1234 的虚拟车间 !$& 基于多 (1234 的虚拟车间的概念
基于多 (1234 的虚拟车间是将虚拟车间的制造资源（ 包括 所形成的面向 设备资源和人的智力资源等等） (1234 化处理后， 任务的多 (1234 制造系统。这种 (1234 化的实质就是对制造资 源的状态集、 能力集、 方法集、 规则集加以定义并产生相应的资
作 为 ’() * ’(+ * ’(, * ’(-- 和 仿 真 技 术 的 更 高 阶 段 ， 虚 拟制造技术着重于生产过程的规划、组织管理、资源调度、 物 流、 信息流等的建模、 仿真与优化。 虚拟企业（ 工厂） 的研究在美 国得到政府和企业界的极大关注， 研究异常活跃， 成为敏捷制 造技术的主要支柱之一。 &%%. 年美国标准与技 术 研 究 所 的 报
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文献标识码 ( 中图分类号 I-#%&$6#
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虚拟车间三维仿真环境的构建技术
艾 武 刘家福 王洪海 陈幼平 （ 华中科技大学国家数控工程技术中心， 武汉 5#""65 ）
+789:;： <=;:>?@%AA!BC:39$DE8
摘 要 该文在虚拟制造的环境下， 对虚拟车间的制造资源进行了三维建模， 并对这些资源如何支持 F’ 代码的加工进
行了研究分析， 为实现基于多智能体的虚拟车间敏捷调度提供了三维仿真的支撑环境。 关键词 虚拟制造 资源 (1234
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虚拟车间的运行模式
虚拟车间是面向任务的。当某一车间收到工作任务后， 经
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机床资源的三维仿真 虚拟车间内的机床资源包括加工设备、传送运输设备
过决策管理系统传送到总体设计模块以得到初步加工生产方 案； 结合该车间的生产资源信息， 它只掌握核心功能， 即把车间 知识和技术依赖性强的高增值部分掌握在自己手里， 其他低增 同时分析并公布对外招标信息。 这是虚拟车间 值部分虚拟化 +!,； 的酝酿时期。 通过决策管理系统， 选择出 在 -)*(.)(* 上发布招标信息后， 所需的成员车间。理论上， 成员车间可以分布在全国各地甚至 专业化的计算 世界各地。选择过程中， 必须考虑： ! 用标准化、 机网络和信息集成基础结构， 以分布式结构接连各类车间构成 虚拟制造系统； " 以竞争合作为原则在虚拟制造环境内动态选 这就是虚拟 择成员， 组成面向任务的虚拟车间进行快速生产 +/,。 车间的组建时期。 虚拟车间组建完毕， 各车间将自己提供的资源信息发送给 决策管理系统和总体设计模块， 总体设计模块根据虚拟车间的 各种信息得到完整的生产加工设计， 最终由任务分解及调度系 统给出各成员车间的任务， 各成员车间开始面向任务的生产加 工。 决策管理系统还需要对生产中各成员车间出现各种故障时 做出即时反应。这就是虚拟车间的运作时期。 当虚拟车间的一次面向任务的工作完成之后， 虚拟车间解 散。这是虚拟车间的解体时期。 图 ! 给出了虚拟车间的基本运行模式。
一次革命都使一批滞后于模式变革的企业折戟沉沙， 使另一批 适应变革潮流的企业得到高速发展。 在信息技术和网络通信技 术的推动下， 虚拟企业这一新型生产模式正促使企业生产的组 织形式发生革命性的变革， 企业内部和企业之间将以业务为导 向组成动态联盟， 以最快的速度和最优质的产品对顾客的个性 化需求做出响应。 专家预言： 虚拟企业将是 !& 世纪信息社会的 主流生产模式。
产动态过程进行模拟， 统计相应评价参数， 对生产环境的布局 为不同厂家制造的生产设备实现 进行优化； "虚 拟 设 备 集 成 ， 集成提供支撑环境， 对不同集成方案进行比较； #虚 拟 计 划 与 调度， 根据产品的工艺特征， 生产环境布局， 模拟产品的生产过 程，并允许用户以交互方式修改生产排程和进行动态调度， 统 计有关评价参数， 以找出最满意的生产作业计划与调度方案 +0,。
试、 企业生产计划和调度的优化以及可生产性分析， 该文对一 个制造资源 &’()* 加工能力进行仿真。其中： ! 虚拟生产环境 布局 ， 根据产品的工艺特征、 生产场地、 加工设备等信息， 三维 真实地模拟生产环境， 并允许用户交互地修改有关布局， 对生
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的 &’(（ 。 &’( 是 789: 和外部环 &)*+,-./ ’0*12,3-4 (-*Fra Baidu bibliotek,5.6+ ） 境的接口。 实现转换的第一步是在程序中提供 789: 环境的变量。
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引言
经济的发展史也是一部制造模式的演化史， 制造模式的每
告“ 国家先进制造实验台的概念设计计划” ， 强调分散的、 多节 的概念； 美国国家研究委员会的 点的分布式虚拟制造（ )/,） 过程设计、 车间控 报 告 0制 造 中 的 信 息 技 术0探 讨 了 产 品 集 成 、 制、 虚拟工厂等的信息技术问题。欧洲以大学为中心也纷纷开 展了诸如虚拟车间、建模与仿真工程等虚拟制造技术的研究。 日本对虚拟制造技术的研究则秉承其重视应用的传统特点， 主 要进行虚拟制造系统的建模和虚拟工厂构造环境的研究。总 之，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， 对相关行业将产生巨大影响。 因此， 对虚拟车间的三维建模 与仿真有着重大的意义。
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8*9:-;5&< 还 提 供 了 3456!$" =(>?(.@ ， 以 帮 助 建 立 3456
世界。 当 AB 机 床 几 何 模 型 是 由 各 个 部 件 装 配 在 一 起 的 装 配 体 ， 需将这些零部件 用 #7 8*9:-;5&< 将各个零部件建模完 毕 后 ， 装配在一起， 以形成完整的 AB 机床。在装配过程中， 要确定各 零部件之间的几何约束关系， 主要有四类： 贴合、 对齐、 偏置、 同 轴。并且需要确定它们之间的相对运动关系 +#,。在装配好的 AB 机床中。给每个零部件唯一的标志符， 通过标志符来访问机床 的各个零部件 。 最 后 还 要 将 这 个 装 配 体 导 出 为 3456 文 件 格 式。图 # 给出了虚拟的 BAB 机床。
加工缓冲站和立体仓库等。 因此， 对数控机床的仿真是虚 &23、 拟车间三维仿真中最重要的工作之一， 需要借助精确的数控机 床模型和数控加工过程模型进行数控机床加工过程的仿真， 并 将该仿真结果用于产品设计的可加工性分析， 为产品设计人员 提供决策支持。 为采用一种既经济又易用的方法在可容许的真实感损失 的前提下完成 数 控 机 床 的 仿 真 ， 文 章 选 择 了 3456 技 术 作 为 用户 仿真工具。 这是因为： !3456 支持桌面式虚拟现实技术， 易于使用； 在硬件方面的投资很小； "3456 的语法结构简单，
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计算机工程与应用
系统的整体目标， 在局部自治的基础上实现全局优化。也就是 说， 虚 拟 车 间 中 的 资 源 &’()* 有 两 个 构 成 部 分 ， 一个部分是管 理设备执行加工任务； 另一个是负责信息交互， 实现调度。 在这 使 用 多 &’()* 协 作 调 度 技 术 可 以 种多 &’()* 虚拟车 间 环 境 下 ， 解决生产调度领域中的分布、 动态和柔性等技术难题并且适合 用于突发事件的处理。
并对虚拟制造资源的控制系统进行软件封装处理。 源 (1234， 由于不同的制造资源有着不同的特性， 所定义的 (1234 就 可以自主推理 有了不同的属性。由于 (1234 具有一定自治权， 和决策， 各 (1234 之 间 还 可 进 行 交 互 与 协 商 ， 利用自身所包含 的知识来独立解决整体任务中的一部分任务， 这就使得制造资 源能够在执行加工任务的同时还能与外界交流， 声明自己的状 态并招揽新的任务， 并通过它们之间的相互通信与协调来完成
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虚拟车间的运行模式
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3456 格式的三维虚拟机床
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对车间资源的三维仿真
为支持生产环境的布局设计及设备集成、 产品远程虚拟测
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代码的加工仿真 虚拟 BAB 机 床 建 成 后 ， 下 一 步 则 需 将 AB 加 工 代 码 转 化 成 虚 拟 BAB 机 床 的 运 动 ， 即 将 BAB 机 床 的 加 工 命 令 转 化 到 这需要有一个将数控程序转换成 3456 语言表示的 3456 中， 转换程序。为实现这种转换， 就要充分利用 CDED 语言和 3456 计算机工程与应用
#3456 的基本特征包括它的分布处理方式、三维交互功能、
与平台无关性和多媒体集成等。 建立复杂三维模型是相当繁 另一方面， 在 3456 环 境 中 ， 杂的， 而且毫无直观性可言。现有的许多软件均能解决这一问 以弥补 3456 题。从经济角度出发， 选择 #7 8*9:-;5&< 软件， 这方面的不足。同时， 为了更好、 更 全 面 地 支 持 3456!$" ， #7
基金项目： 国家自然科学基金“ 两个基地” 项目（ 编号： ； 中国7新加坡“ 中新联合研究计划” 项目； 部委预研基金项目（ 编号： ； .%%&"6WAW&） %%X&A$&$#XR".!W） 国家教育部留学回国基金资助 作者简介： 艾武， 副教授， 博士， 主要从事网络理论、 虚拟制造、 数控技术及智能控制等领域的研究。刘家福， 硕士生， 主要从 事 虚 拟 制 造 领 域 的 研 究。王洪海， 副教授， 博士生， 主要从事虚拟制造、 机械设备状态监测与故障诊断等领域的研究。陈幼平， 教授， 博士生导师， 从事虚拟制 造、 网络制造、 数控技术、 智能制造、 制造系统的监控及故障诊断等领域的研究。
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! 基于多 (1234 的虚拟车间 !$& 基于多 (1234 的虚拟车间的概念
基于多 (1234 的虚拟车间是将虚拟车间的制造资源（ 包括 所形成的面向 设备资源和人的智力资源等等） (1234 化处理后， 任务的多 (1234 制造系统。这种 (1234 化的实质就是对制造资 源的状态集、 能力集、 方法集、 规则集加以定义并产生相应的资
作 为 ’() * ’(+ * ’(, * ’(-- 和 仿 真 技 术 的 更 高 阶 段 ， 虚 拟制造技术着重于生产过程的规划、组织管理、资源调度、 物 流、 信息流等的建模、 仿真与优化。 虚拟企业（ 工厂） 的研究在美 国得到政府和企业界的极大关注， 研究异常活跃， 成为敏捷制 造技术的主要支柱之一。 &%%. 年美国标准与技 术 研 究 所 的 报
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摘 要 该文在虚拟制造的环境下， 对虚拟车间的制造资源进行了三维建模， 并对这些资源如何支持 F’ 代码的加工进
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虚拟车间是面向任务的。当某一车间收到工作任务后， 经
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一次革命都使一批滞后于模式变革的企业折戟沉沙， 使另一批 适应变革潮流的企业得到高速发展。 在信息技术和网络通信技 术的推动下， 虚拟企业这一新型生产模式正促使企业生产的组 织形式发生革命性的变革， 企业内部和企业之间将以业务为导 向组成动态联盟， 以最快的速度和最优质的产品对顾客的个性 化需求做出响应。 专家预言： 虚拟企业将是 !& 世纪信息社会的 主流生产模式。
产动态过程进行模拟， 统计相应评价参数， 对生产环境的布局 为不同厂家制造的生产设备实现 进行优化； "虚 拟 设 备 集 成 ， 集成提供支撑环境， 对不同集成方案进行比较； #虚 拟 计 划 与 调度， 根据产品的工艺特征， 生产环境布局， 模拟产品的生产过 程，并允许用户以交互方式修改生产排程和进行动态调度， 统 计有关评价参数， 以找出最满意的生产作业计划与调度方案 +0,。
试、 企业生产计划和调度的优化以及可生产性分析， 该文对一 个制造资源 &’()* 加工能力进行仿真。其中： ! 虚拟生产环境 布局 ， 根据产品的工艺特征、 生产场地、 加工设备等信息， 三维 真实地模拟生产环境， 并允许用户交互地修改有关布局， 对生
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经济的发展史也是一部制造模式的演化史， 制造模式的每
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世界。 当 AB 机 床 几 何 模 型 是 由 各 个 部 件 装 配 在 一 起 的 装 配 体 ， 需将这些零部件 用 #7 8*9:-;5&< 将各个零部件建模完 毕 后 ， 装配在一起， 以形成完整的 AB 机床。在装配过程中， 要确定各 零部件之间的几何约束关系， 主要有四类： 贴合、 对齐、 偏置、 同 轴。并且需要确定它们之间的相对运动关系 +#,。在装配好的 AB 机床中。给每个零部件唯一的标志符， 通过标志符来访问机床 的各个零部件 。 最 后 还 要 将 这 个 装 配 体 导 出 为 3456 文 件 格 式。图 # 给出了虚拟的 BAB 机床。
加工缓冲站和立体仓库等。 因此， 对数控机床的仿真是虚 &23、 拟车间三维仿真中最重要的工作之一， 需要借助精确的数控机 床模型和数控加工过程模型进行数控机床加工过程的仿真， 并 将该仿真结果用于产品设计的可加工性分析， 为产品设计人员 提供决策支持。 为采用一种既经济又易用的方法在可容许的真实感损失 的前提下完成 数 控 机 床 的 仿 真 ， 文 章 选 择 了 3456 技 术 作 为 用户 仿真工具。 这是因为： !3456 支持桌面式虚拟现实技术， 易于使用； 在硬件方面的投资很小； "3456 的语法结构简单，
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