虚拟制造技术

虚拟制造技术制造业的发展对产品性能、规格、品种不断提出新的要求，产品的生命周期越来越短，新产品的开发时间是决定性因素。

虚拟制造(virtual Manufacturing , VM )技术可以模拟由产品设计、制造到装配的全过程，对设计与制造过程中可能出现的问题进行分析与预测，提出改进措施，实现产品从开发到制造整个过程的优化，达到降低产品生命周期、减小开发风险、提高经济效益的目的。

而机械加工过程仿真在虚拟制造中占有重要地位，它通过对机床一工件一刀具构成的工艺系统中的各种加工信息的有效预测与优化，为实际加工过程智能化的实现创造了有利条件，同时它也是研究加工过程的重要手段。

1 .虚拟制造的提出从虚拟制造形成发展的过程来看，虚拟制造概念的最初提出与虚拟现实的出现有关。

但是随着虚拟制造被广大学者接受的同时，虚拟制造的外沿也逐渐扩大。

可以认为，虚拟制造技术就是利用计算机仿真、多媒体、传感器等技术将现实的产品设计制造过程虚拟化，其本质是以计算机仿真技术为前提，对设计、制造等生产过程进行统一建模，在产品设计阶段或产品制造之前，就能实时地并行地模拟产品的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，从而有助于更有效、更经济灵活地组织生产制造，使工厂和车间的资源得到合理配置，使生产布局更合理、更有效，以达到产品的开发周期和成本的最优化、生产效率的最高化等目的。

为了论证VM 技术在英国制造工业实现的可行性和其在制造中的技术潜力，英国Nottingham 大学的SueV · G · Cobb 等构造了一个虚拟示范工厂，包括虚拟设计一制造一检测几个环节，以便对虚拟制造技术的可行性进行演示和验证。

其演示的内容包括：l )对一个“虚拟雕塑”进行建模，即尺寸的形成、修改、调整和着色;2 )通过设计、制造和测试交互，形成快速原型;3 )在工厂车间中进行漫步;4 )视点的快速变换― 外部视点、内部视点和自主视点;5 )对设备操作控制进行训练;6 )制造过程中几个阶段的可视化;7 )对制造质量进行工程学的评估。

虚拟示范工厂的开发者们在英国工业范围内选出了23 个有代表性的企业，如机械工业、汽车发动机制造业、建筑业、信息工业、零售业等，组织相关人员参观、控制和操作虚拟系统，并自行决定如何与虚拟系统进行交互。

然后进行讨论并填写一些表格，回答对演示特征的印象、对工业领域的实用性和能否激励工程师和设计者使用VM 技术等问题。

可行性研究的综合结果表明，几乎所有的被调查对象都深刻地认识到VM 技术在他们公司的应用前景是光明的，并且希望在下一个5 年内能用上它.用VM 技术设计波音”7 获得成功，是近年来引起科技界瞩目的一件工作。

波音777 飞机由300 多万个零件组成，这些零件的设计以及飞机的整体设计是在一个有数百个工作站的虚拟环境系统上进行的，这个VM 系统建立在原有的Boe -ing CAD 的基础上。

过去为设计一架新型的飞机必须先建造两个实体模型，每个造价约60 万美元。

应用VM 技术后，不仅节省了经费，也缩短了研制周期，最终的实际飞机与设计方案相比，偏差小于千分之一英寸，且实现了机翼和机身接合的一次成功，减少了数千小时设计工作量。

利用该系统还能自动生成设计文件，从图库取出部件模型并加以注释。

从以上的实例可以看出，尽管目前VM 技术还不完善，但作为一门面向21 世纪的制造技术，它在工业领域有着潜在的应用价值和广阔的应用前景。

2 .虚拟制造系统的构成虚拟制造系统是基于虚拟制造技术实现的制造系统。

虚拟制造系统的建模分为目标系统层、虚拟制造模型层和模型构造层三个层次，其中模型构造层用于提供描述制造活动及其对象的基本模型结构，主要有两种模型：产品/过程模型和活动模型。

活动模型描述人和系统的各种活动，如生产准备、生产管理、生产过程等。

产品/过程模型则按自然规律描述可实现的每一物品(或过程)的特征、功能、属性和动作等。

从产品开发的角度讲，虚拟制造实际上就是在计算机上全面仿真产品从设计到制造、装配的全过程，贯穿着产品的整个生命周期。

虚拟制造主要由以下五个阶段组成：1)概念设计阶段包括产品的运动学分析与运动学仿真。

2 )详细设计阶段指的是对产品整个加工过程的仿真模拟，包括对工件几何参数及干涉进行校验的几何仿真过程、对加工过程中各项物理参数进行预测与分析的物理仿真过程及产品的装配过程仿真。

3 )加工制造阶段包括工厂设计、制造车间设计、生产计划与作业计划调度及各级控制器的设计。

4 )测试阶段测试仿真器的真实程度。

5 )培训与维护阶段训练用仿真器，包括对操作员的培训过程及产品的二维维护。

虚拟制造可分为以下几个工作层次：工厂级、车间级、调度级、具体的加工过程及各制造单元等层次。

因此虚拟制造技术可仿真现有企业的全部生产活动，并能够对未来企业的设备布置、物流系统进行仿真设计，从生产制造的各个层次进行工作，达到缩短产品生命周期与提高设计、制造效率的最佳目的。

3 .虚拟制造与虚拟现实虚拟现实(Virtual Reality , VR )是采用计算机技术生成的一个逼真的、具有视、听、触、嗅、味等多种感知的虚拟环境，置身于该环境中的人可以通过各种传感交互设备与这一虚构的现实进行相互作用，达到彼此交替交迭、融为一体的程度。

虚拟现实促进了仿真技术的发展。

近年来信息技术的发展，特别是高性能海量并行处理技术、可视化技术、分布处理技术、多媒体技术和虚拟现实技术的发展，使得建立人一机一环境一体化的分布的多维信息交互的仿真模型和仿真环境成为可能，仿真因此形成一些新的发展方向，如可视化仿真(Virtual Simulotion , VS )、多媒体仿真(Multimedia Simulation , MS )和虚拟现实仿真(Virtual Reality Simulation , vRS )等等。

这3 种仿真呈递进关系：可视化仿真强调可视的、灵活的仿真分析环境;多媒体仿真除可视化以外还强调多样化的多媒体集成，如音像的合成效果等;虚拟现实仿真则强调投人感、沉浸感和多维信息的人机交互性。

在从产品设计到制造以至测试维护的整个生命周期中，计算机仿真技术贯穿始终。

虚拟制造中仿真技术的应用可以分为两个层次：一般仿真层和虚拟现实层。

一般仿真层是指利用可视化仿真技术进行制造系统仿真。

虚拟现实层是指利用虚拟现实仿真技术进行制造系统仿真。

一般仿真层在制造系统中的应用如上所述5 个阶段中传统意义的仿真技术应用;虚拟现实层在制造系统中的应用主要在以下几个方面：1 )产品开发阶段的虚拟原型设计数学原型是物理原型的一种替换技术。

CAD 模型也属于数学原型。

在CAD 模型的基础上可进行有限元、运动学和动力学等工程分析，以验证并改善设计结果。

虚拟原型是在CAD 模型的基础上，利用VR 在可视化方面的优势，交互地探索虚拟物体的功能，对代表产品的虚拟原型进行几何、功能、制造等方面交互的建模与分析。

2 )工程可视化利用VR 的可视化特性，可以更直观地观察工程分析的复杂数据结果。

尽管超级计算机能够以大量的数据显示各种形式的分析结果，但这些数据往往非常烦琐，难以理解。

VR 技术能使分析人员以新的方式体验分析结果。

VR 系统可以让用户进人数据本身所在的环境，通过实时交互修改参数来观测这些参数对结果的影响。

用户还可以从不同的角度观察数据，改变自身与环境之间的大小比例，因而能获得更有价值的观察结果。

这些技术为流体力学、空气动力学以及应力分析提供了直观的手段。

3 )生产加工过程可视化及检测工艺设计人员的作用是确定加工产品的顺序以及所用的设备。

使用VR 技术作为工具，工艺设计人员可以获得非常直观的感觉，这种感觉是一般图样和三维图形所不能提供的。

在虚拟的车间环境中，操作人员可以像操作实际机床那样与虚拟设备进行交互，从而评价刀具与参数的配置，预测功率与进给需求，并检查干涉情况。

这样，工程师不必占用设备时间，也不用冒损坏刀具的风险就可测试不同的工艺过程。

金属材料热加工工艺模拟和板材冲压成形的计算机仿真成为虚拟制造领域中迅速发展并发挥重大使用价值的技术。

热加工工艺模拟就是在材料热加工理论指导下，在实验室里动态仿真热加工过程，预测实际工艺条件下材料的最后组织、性能和质量，进而实现热加工工艺的优化设计。

4 )虚拟装配仿真指用计算机仿真产品的实际装配过程，确定装配的好坏。

这要求首先进行装配建模、装配顺序与路径的规划、实况装配零部件及在装配路径各节点进行动态干涉检查，实现一定装配工具的可操作空间的动态检查和运动仿真，为装配过程提供正确、有效的装配顺序和初步装配路径描述。

在装配计划中，工艺工程师确定装配方式和装配顺序。

装配任务涉及零件操作(定向和传送)以及与其他装配件的配合。

这些决策目前可由计算机辅助装配工艺设计系统完成。

但这些系统往往只能定性地描述相关信息。

VR 技术不仅能以可视化的形式提供信息，还可以提供力的反馈，这为评价装置或拆卸任务的困难度提供了很大的可能性。

在一个特定的空间内，物体的物理位置的可视化描述可以让用户探索可用的空间，定义接近参数，并提出特别工具的需求。

5 )工厂设计和规划除了传统仿真可以有效地帮助解决许多影响生产的关键问题，如生产能力、运行模式、换班方式、人力资源优化、预防性维修方案、物流管理等，VR 还可以提供现场的感受，这为工厂设计的人机工程提供了良好的工具。

6 )设备操作及维修VR 的交互性使其成为培训的良好工具。

使用VR 进行培训，减少了实地、实物培训的要求，用户可以围绕虚拟原型进行讨论，感受虚拟原型的特征如振动、发热等。

在常规情况下，VR 可以降低培训所需的费用。

另外.VR 作为一个强有力的仿真界面，还可以模拟特殊环境下的操作，从而为特殊环境下的培训提供重要的手段。

7 )人机工程现代的设计越来越重视产品的人机工程性，对制造业来说，不仅仅是产品要符合人机工程的原理，加工设备也要适合工人使用，虚拟现实为此提供了强有力的手段。

利用虚拟现实技术，人们可以在设计出来的产品(包括设备)真正投产之前体验其人机工程性，更改不合适的设计：4 .虚拟制造中仿真技术的选择虽然希望虚拟环境应尽量忠实地再现现实世界，但并非是对现实世界的“复制”。

这种复制不仅是不可能的，更重要的是没有必要。

虚拟现实仿真的软硬件的价格是较高的。

为此，根据不同的用途和需要，可配置不同的系统(三维仿真、多媒体仿真和虚拟现实仿真)，沉浸深度适当的虚拟环境才不会使系统过于复杂、成本和维护费用的负担过重。

对于虚拟制造是否一定要采用虚拟现实仿真技术是一个争论的焦点，虚拟现实仿真是一种新兴的技术，在虚拟制造中使用的目的仍是模仿制造过程，而这种模仿是以人为中心，具有沉浸感。

虚拟制造中应根据实际需要和付出的代价决定仿真的层次，在某些方面可能需要沉浸于其中进行体验，应采用虚拟现实仿真技术。