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虚拟制造系统的研究与开发策略

本文在分析虚拟制造系统基本特性的基础上、提出了虚拟制造系统的组成概念图。并探讨了虚拟制造系统研究开发的关键技术和开发策略。最后，总结归纳了虚拟制造的有关研究课题。

引言

随着生产系统不断向自动化、复杂化、大规模化的方向发展，在实际生产实施前，对生产系统进行详细仿真以及予测的要求也越来越强烈。另一方面，随着环境破坏、资源枯竭等社会问题的日益深刻，对当今的生产技术也提出了更高的要求、即不仅要求所制造的产品及设备的功能、质量能满足使用要求，更要求考虑产品，设备从其设计、制造、使用直至报废的整个生命周期中对社会、环境带来的影响。

为了适应上述要求、近年来并行工程（Concurrent engineering）、产品生命周期工程（Life Cycle engineering）、重组工程（re-engineering）以及虚拟制造（Virtual Manufacturing）的研究引起世界各国的高度重视。特别是虚拟制造技术可以用计算机内部构造的虚拟生产系统来模拟受物理，历史及技术条件制约而难以简单变更的现实生产资源、进行虚拟的设计与制造，使得产品设计制造的柔性大大增加，并使产品的短周期、高品质、高精度、低成本制造成为可能，对生产环境的变化也能迅速适应。

1、VM系统的基本特性及组成

1.1 VM系统的基本特性及要求

VM是在计算机内部的信息空间构筑制造工厂（或工厂的一部，如生产车间），对构筑出的虚拟工厂或加间进行实际生产系统相同的操作，生成与实际生产等价的信息。因此，VM系统应具有以下基本特性。

(1) 所构造的计算机模型应如实地、详细地、多方面地表达实际生产系统所具有的结构、属性，以便于VM系统的开发、控制及修改。

(2) VM系统的仿真，要尽可能忠实地遵循实际生产系统的约束，并尽可能详细地模拟生产过程的物理现象。

(3) 系统仿真结果的比较、评价，要通过计算机图形、虚拟现实等技术以直观易懂的形式提供给使用者。

(4) 在系统功能的实现上，要能准确、近乎实时地响应实际生产系统。

(5) 在实际应用方面、所开发的VM系统不局限于某些特殊的要求，具有广泛的应用性。

(6) VM系统是一个各种各样软、硬件系统的集合体，系统应具有开放式的结构，以便于和各种软、硬件系统的连接。

1.2 VM系统组成的概念图

在上述对VM系统基本特性及要求分析的基础上、本文提出了VM等系统组成的概念图（如图1所示）。

图1 VM系统组成的概念图

如图1所示，VM系统主要由设备、产品、生产过程及管理4个主要要素组成，并需要已有CAD、CAM、CAE等软、硬件系统资源的支持。VM系统的仿真结果通过仿真界面提供给使用者。设备模型中包含虚拟生产车间的设备（如NC机床、机器人、搬送装置等）、设备布局、动作、设备间的通讯及物流计划等信息。

产品生命周期模型提供从原材料到最终产品的信息，并处理产品加工、装配后的结果信息。

生产过程模型将切削、磨削、塑性加工、装配、热处理等产品的制造过程可自动在表格上绘制标记模型化，并对生产中各种物理现象进行仿真，生产过程模型是产品模型和设备模型的橡胶加工结合点。

生产管理模型对拟实生产设备的运转、生产的进行提出计划并进行管理。

仿真服务器为VM系统提供各种仿真服务、如有限元分析、动力学分析、干涉检验等。

2、VM系统开发的关键技术及开发策略

2.1 VM系统开发的关键技术

VM是一项综合性的研究，所涉及的技术问题非常广泛、其关键技术如图2所示。

图2 VM系统研究开发的关键技术

(1) 产品建模

产品建模除了为VM系统提供从毛坯到完成品的信息，主要侧重对产品加工、装配信息及其结果信息的处理，以便于对产品生产过程进行详细仿真。

(2) 加工仿真

目前，在有关切削、塑性加工，成形、铸造，装配等生产过程的CA过门石E方面的研究及软件开发，已经作了大量工作。特别是基于有限元和边界要素法的仿真，为在计算机上仿真各种加工过程提供了强有力的手段。随着计算机速度的提高，上述方法可以作为VM系统仿真的有效手段。

(3) 物流仿真

在已有物为了满足家电的抗菌需求流仿真技@C运行距离术研究基础上，考虑与物流密切相关的设备布局，设备间距离，尺寸等几何信息的更为详细的物流仿真是VM系统物流仿真的研究重点。

(4) 机器人仿真

目前的研究已经可以实现对机器人动作的详细仿真、VM系统则需要从机器人单纯动作仿真进一步扩展到机器人生产作业仿真，如考虑机器人与其它设备的协调、控制等。

(5) 控制器开发

基于控制器间通讯协议MMS（Manufacturing Message specificaltion）的虚拟制造设备VMD（Virtual Manufacturing Device）的研究，将成为VM系统拟实设备模型化的有效手段。

(6) 计算机图形

近年来，在计算机图形领域，有关具有物理真实感的图形及动画的研究非常引入注目，如物体下落，物体碰撞时的状态模拟，以及对材料的富有真实感的表面组织结构的设定等研究，也成为VM系统实现的重要技术。

(7) 虚拟现实感

虚拟现实中的HMD（Head Mounted Display）等立体显示装置，力觉等感觉反馈机理的研究，也将成为VM系统研究的不可缺少的技术。例如，利用虚拟现实感技术，VM系统的使用者或操作者可以在拟实的车间里来回走动，而周围的景色可以实时地更新有一种亲临现场的感觉；在进行拟实装配作业时，可以实时将操作者的力觉进行反馈等。

(8) CIM系统建模

CIM的系统建模技术（例如CIM－OSA）及集成的体系结构、也将成为VM系统构造时的重要指针。

2.2 VM系统的开发策略

VM的实现非单一的研究机构所能为，需要众多的研究机构和企业之间分工协作共同完成。，因此作为VM系统的开发策略：

(1) 明确定义划分系统的各功能模块、以便于各功能模块的独立开发。例如在建立设备模型时，各设备生产厂家（如NC机床、机器人、搬运装置等）对自己的设备拥有丰富的知识和数据。设备模型可以通过对设备生产厂家各自定义的模型综合而成。

(2) 明确定义各功能模块间的相互作用关系，以便于将独立开发的功能模块集成起来构成VM系统。

VM系统可分为以下7个功能模块

设备模型生成（Device Model Preparation）

仿真服务开发（Simulation Service Development）

虚拟车间定义（Virtual Shop Floor Definition）

系统运行定义（System Operation 百色Definition）

虚拟车间仿真（Virtual Shop Floor Simulation）

仿真界面（simulation Interfaces）

(3) 在开发与应用结合上，可采用实/拟实混合型系统渐进的形式。由于VM系统具有开放性结构，当系统开发进展到一定程度时，可以构造实际设备和假想设备混合的虚拟车间，实际设备和虚拟设备之间通过传感器信号及指令相互联系。在虚拟车间里实际设备不存在的部分用虚拟设备模型代替。当进行仿真时，实际设备对虚拟设备的各种信号指令及约束，可以做为虚拟设备进一步开发的依据，而且控制程序开发，设备运转计划及操作人员的训练也可同时进行。因此，当所有虚拟设备均被实际设备代替后，实际生产系统的开发也同时完成。

3、今后的技术开发课题

VM是涉及机械制造、计算机、通信、信息处理、控制、系统分析等多种研究领域的综合性研究、除了上述提到的关键技术外，还有许多技术课题有待进一步研究。

主要参考文献

[1]. Owen,J.V.,1994,Making Virtual Manufacturing Real,Manufacturing Engineering,Vol.113, No.5,.

[2]. Report of Virtual Manufacturing User Workshop,Dayton,Ohio,,July,1994

[3]. Report of Virtual Manufacturing Technical Workshop,Dayton,Ohio,,Oct.1994

[4]. Onosato,M.,Iwata,K.,Development of a Virtual Manufacturing System by Integrating Product Models and Factory Models,Annals of the CIRP,Vol,42,No.1,(1993),.(end)

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