虛擬制造技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用

     當(dāng)今制造業(yè)正朝著精密化、自動(dòng)化、柔性化、集成化、信息化和智能化的方向發(fā)展，隨著這個(gè)趨勢，誕生了許多先進(jìn)制造技術(shù)和先進(jìn)制造模式。

　　虛擬制造就是根據(jù)企業(yè)市場競爭的需求，在強(qiáng)調(diào)柔性和快速的前提下，美國80年代提出的，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，在90年代得到人們的重視，并獲得迅速的發(fā)展。 

    一、虛擬制造VM

　　虛擬制造（VM：Virtual Manufacturing）是對真實(shí)產(chǎn)品制造的動(dòng)態(tài)模擬，是一種在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行而不消耗物理資源的模擬制造軟件技術(shù)。它具有建模和仿真環(huán)境，使產(chǎn)品從生產(chǎn)過程、工藝計(jì)劃、調(diào)度計(jì)劃、后勤供應(yīng)以及財(cái)會(huì)、采購和管理等一種集成的、綜合的制造環(huán)境，在真實(shí)產(chǎn)品的制造活動(dòng)之前，就能預(yù)測產(chǎn)品的功能以及制造系統(tǒng)狀態(tài)，從而可以作出前瞻性的決策和優(yōu)化實(shí)施方案。

　　為了更細(xì)致地了解VM的含義，美國在一次專業(yè)會(huì)議上對3種類型的VM作如下解釋［1］：①以設(shè)計(jì)為中心的VM，這類VM是將制造信息加入到產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)中，并在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)字化制造，仿真多種制造方案，評估各種生產(chǎn)情景，通過仿真制造來優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，以便作出正確決策。②以生產(chǎn)為中心的VM，這類VM是將仿真能力加到生產(chǎn)計(jì)劃模型中，以便快捷化評價(jià)生產(chǎn)計(jì)劃，檢驗(yàn)工藝流程、資源需求狀況以及生產(chǎn)效率，從而優(yōu)化制造環(huán)境和生產(chǎn)供應(yīng)計(jì)劃。③以控制為中心的VM，這類VM是將仿真能力加到控制模型中，提供對實(shí)際生產(chǎn)過程的仿真環(huán)境，即將機(jī)器控制模型用于仿真，其目標(biāo)是實(shí)際生產(chǎn)中的過程優(yōu)化，改進(jìn)制造系統(tǒng)。

　　虛擬制造是一種新的制造技術(shù)，它以信息技術(shù)、仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為支持。虛擬制造技術(shù)涉及面很廣，諸如環(huán)境構(gòu)成技術(shù)、過程特征抽取、元模型、集成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)、制造特征數(shù)據(jù)集成、多學(xué)科交駐功能、決策支持工具、接口技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、建模與仿真技術(shù)等。其中后3項(xiàng)是虛擬制造的核心技術(shù)。 

    1　建模技術(shù)

　　虛擬制造系統(tǒng)VMS（Virtual Manufacturing System)是現(xiàn)實(shí)制造系統(tǒng)RMS（Real Manufacturing System)在虛擬環(huán)境下的映射，是RMS的模型化、形式化和計(jì)算機(jī)化的抽象描述和表示。VMS的建模應(yīng)包括：生產(chǎn)模型、產(chǎn)品模型和工藝模型的信息體系結(jié)構(gòu)。

　?。?）生產(chǎn)模型　可歸納為靜態(tài)描述和動(dòng)態(tài)描述兩個(gè)方面。靜態(tài)描述是指系統(tǒng)生產(chǎn)能力和生產(chǎn)特性的描述。動(dòng)態(tài)描述是指在已知系統(tǒng)狀態(tài)和需求特性的基礎(chǔ)上預(yù)測產(chǎn)品生產(chǎn)的全過程。 
 
    （2）產(chǎn)品模型　是制造過程中，各類實(shí)體對象模型的集合。目前產(chǎn)品模型描述的信息有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)明細(xì)表、產(chǎn)品形狀特征等靜態(tài)信息。而對VMS來說，要使產(chǎn)品實(shí)施過程中的全部活動(dòng)集成，就必須具有完備的產(chǎn)品模型，所以虛擬制造下的產(chǎn)品模型不再是單一的靜態(tài)特征模型，它能通過映射、抽象等方法提取產(chǎn)品實(shí)施中各活動(dòng)所需的模型。

　?。?）工藝模型　將工藝參數(shù)與影響制造功能的產(chǎn)品設(shè)計(jì)屬性聯(lián)系起來。以反應(yīng)生產(chǎn)模型與產(chǎn)品模型之間的交互作用。工藝模型必須具備以下功能：計(jì)算機(jī)工藝仿真、制造數(shù)據(jù)表、制造規(guī)劃、統(tǒng)計(jì)模型以及物理和數(shù)學(xué)模型。 

    2　仿真技術(shù)

　　仿真就是應(yīng)用計(jì)算機(jī)對復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)經(jīng)過抽象和簡化形成系統(tǒng)模型，然后在分析的基礎(chǔ)上運(yùn)行此模型，從而得到系統(tǒng)一系列的統(tǒng)計(jì)性能。由于仿真是以系統(tǒng)模型為對象的研究方法，而不干擾實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)，同時(shí)仿真可以利用計(jì)算機(jī)的快速運(yùn)算能力，用很短時(shí)間模擬實(shí)際生產(chǎn)中需要很長時(shí)間的生產(chǎn)周期，因此可以縮短決策時(shí)間，避免資金、人力和時(shí)間的浪費(fèi)。計(jì)算機(jī)還可以重復(fù)仿真，優(yōu)化實(shí)施方案。

　　仿真的基本步驟為：研究系統(tǒng)→收集數(shù)據(jù)→建立系統(tǒng)模型→確定仿真算法→建立仿真模型→運(yùn)行仿真模型→輸出結(jié)果并分析。

　　產(chǎn)品制造過程仿真，可歸納為制造系統(tǒng)仿真和加工過程仿真。虛擬制造系統(tǒng)中的產(chǎn)品開發(fā)涉及到產(chǎn)品建模仿真、設(shè)計(jì)過程規(guī)劃仿真、設(shè)計(jì)思維過程和設(shè)計(jì)交互行為仿真等，以便對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行評價(jià)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程早期反饋，減少或避免產(chǎn)品設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。加工過程仿真，包括切削過程仿真、裝配過程仿真，檢驗(yàn)過程仿真以及焊接、壓力加工、鑄造仿真等。目前上述兩類仿真過程是獨(dú)立發(fā)展起來的，尚不能集成，而VM中應(yīng)建立面向制造全過程的統(tǒng)一仿真。 

    3　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)VRT（Virtual Reality Technology）

　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在為改善人與計(jì)算機(jī)的交互方式，提高計(jì)算機(jī)可操作性中產(chǎn)生的，它是綜合利用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)、各種顯示和控制等接口設(shè)備，在計(jì)算機(jī)上生成可交互的三維環(huán)境（稱為虛擬環(huán)境）中提供沉浸感覺的技術(shù)。

　　由圖形系統(tǒng)及各種接口設(shè)備組成，用來產(chǎn)生虛擬環(huán)境并提供沉浸感覺，以及交互性操作的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)稱為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)VRS（Virtual Reality System)。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)包括操作者、機(jī)器和人機(jī)接口3個(gè)基本要素。它不僅提高了人與計(jì)算機(jī)之間的和諧程度，也成為一種有力的仿真工具。利用VRS可以對真實(shí)世界進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，通過用戶的交互輸入，并及時(shí)按輸出修改虛擬環(huán)境，使人產(chǎn)生身臨其境的沉浸感覺。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是VM的關(guān)鍵技術(shù)之一。 

    二、VM在制造業(yè)中應(yīng)用

　　虛擬制造技術(shù)VMT（Virtual Manufacturing Technology)首先在飛機(jī)、汽車等領(lǐng)域獲得成功的應(yīng)用。美國波音（Boeing)公司在777新型客機(jī)機(jī)型設(shè)計(jì)過程中，利用VMT和三維模型進(jìn)行管道布線等復(fù)雜裝配過程的模擬獲得成功。目前VMT應(yīng)用在以下幾個(gè)方面。 

    1　虛擬企業(yè)

　　虛擬企業(yè)建立，其中有一條最重要的原因是因?yàn)楦髌髽I(yè)本身無法單獨(dú)滿足市場需求，迎接市場挑戰(zhàn)。因此，為了快速響應(yīng)市場的需求，圍繞新產(chǎn)品開發(fā)，利用不同地域的現(xiàn)有資源、不同的企業(yè)或不同地點(diǎn)的工廠，重新組織一個(gè)新公司。該公司在運(yùn)行之前，必須分析組合是否最優(yōu)，能否協(xié)調(diào)運(yùn)行，并對投產(chǎn)后的風(fēng)險(xiǎn)、利益分配等進(jìn)行評估。這種聯(lián)作公司稱為虛擬公司，或者叫作動(dòng)態(tài)聯(lián)盟，是一種虛擬企業(yè)，它具有集成性和實(shí)效性兩大特點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)實(shí)體。

　　虛擬企業(yè)的特征是：①企業(yè)地域分散化。虛擬企業(yè)從用戶訂貨、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、零部件制造，以及總成裝配、銷售、經(jīng)營管理都可以分別由處在不同地域的企業(yè)，按契約互惠互利聯(lián)作，進(jìn)行異地設(shè)計(jì)、異地制造、異地經(jīng)營管理。②企業(yè)組織臨時(shí)化。虛擬企業(yè)是市場多變的產(chǎn)物。為了適應(yīng)市場環(huán)境的變化，企業(yè)組織結(jié)構(gòu)也要及時(shí)反映市場動(dòng)態(tài)，虛擬企業(yè)注重短期利益。當(dāng)產(chǎn)品方向更換、聯(lián)盟伙伴之間利益改變或企業(yè)追求目標(biāo)變更時(shí)，企業(yè)要調(diào)整組織結(jié)構(gòu)，或者立即解散，重新再組織新的虛擬企業(yè)。③企業(yè)功能不完整化。一個(gè)完整的企業(yè)，應(yīng)具有從企業(yè)管理、設(shè)計(jì)、制造一直到市場銷售、售后服務(wù)等完整的全部功能。但在虛擬企業(yè)不需要機(jī)構(gòu)功能完整，它以各種方式借用外部力量來進(jìn)行組合和集成。因?yàn)樘摂M企業(yè)是動(dòng)態(tài)聯(lián)盟形式，突破企業(yè)的有形界限，利用外部資源加速實(shí)現(xiàn)企業(yè)的市場目標(biāo)。傳統(tǒng)的外協(xié)加工是一種原始的虛擬企業(yè)行為。④企業(yè)信息共享化。構(gòu)成虛擬企業(yè)的基本條件之一，就是組成企業(yè)伙伴之間的計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)。根據(jù)具體情況，可以是國際互聯(lián)網(wǎng)，局域網(wǎng)或企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)，及時(shí)的溝通信息，包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、銷售、管理等信息，這些信息是以數(shù)據(jù)形式表示，能夠分布到不同的計(jì)算機(jī)環(huán)境中，以實(shí)現(xiàn)信息資源共享，保證虛擬企業(yè)各部門步調(diào)高度協(xié)調(diào)，在市場波動(dòng)條件下，確保企業(yè)最大整體利益。

　　虛擬企業(yè)的主要基礎(chǔ)是：建立在先進(jìn)制造技術(shù)基礎(chǔ)上的企業(yè)柔性化；在計(jì)算機(jī)上制造數(shù)字化產(chǎn)品，從概念設(shè)計(jì)到最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品整個(gè)過程的虛擬制造；計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。上述3項(xiàng)內(nèi)容是構(gòu)成虛擬企業(yè)不可缺少的必要條件。

　　虛擬企業(yè)這種先進(jìn)制造模式，在先進(jìn)國家的部分企業(yè)已經(jīng)運(yùn)行。例如美國Ultra Comm公司是生產(chǎn)電子產(chǎn)品的虛擬企業(yè)，在美國各地有60多家，數(shù)以千計(jì)的雇員組成的虛擬電子集團(tuán)，公司本身只有幾名雇員，該公司采用分散設(shè)計(jì)和制造方式，不同的產(chǎn)品選用不同企業(yè)，依靠網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組成的經(jīng)濟(jì)實(shí)體，實(shí)現(xiàn)市場目標(biāo)。又如總部設(shè)在香港的鑫港公司，是一家國際化企業(yè)，以制造銷售電話機(jī)為主的電訊產(chǎn)品，總部從事新產(chǎn)品開發(fā)、研制、銷售和管理等，在國內(nèi)廈門經(jīng)濟(jì)特區(qū)宏泰科學(xué)工業(yè)園制造。

    在面對多變的市場需求下，虛擬企業(yè)具有加快新產(chǎn)品開發(fā)速度，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，快速響應(yīng)用戶的需求，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期等優(yōu)點(diǎn)。因此虛擬企業(yè)是快速響應(yīng)市場需求的部隊(duì)，能在商戰(zhàn)中為企業(yè)把握機(jī)遇和帶來優(yōu)勢。 

    2　虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)

　　例如飛機(jī)、汽車的外形設(shè)計(jì)，其形狀是否符合空氣動(dòng)力學(xué)原理，運(yùn)動(dòng)過程中的阻力，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局的合理性等。在復(fù)雜管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)中， 采用虛擬技術(shù)，設(shè)計(jì)者可以“進(jìn)入其中”進(jìn)行管道布置，并可檢查能否發(fā)生干涉。在計(jì)算機(jī)上的虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)，不但能提高設(shè)計(jì)效率，而且能盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問題，從而優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。例如美國波音公司投資40億美元研制波音777噴氣式客機(jī)，從1990年10月開始到1994年6月僅用了3年零8個(gè)月時(shí)間就完成了研制，一次試飛成功，投入運(yùn)營。波音公司分散在世界各地的技術(shù)人員可以從777客機(jī)數(shù)以萬計(jì)的零部件中調(diào)出任何一種在計(jì)算機(jī)上觀察、研究、討論，所有零部件均是三維實(shí)體模型。可見虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)給企業(yè)帶來的效益。 

    3　虛擬產(chǎn)品制造

　　應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對零件的加工方法、工序順序、工裝的選用、工藝參數(shù)的選用，加工工藝性、裝配工藝性、配合件之間的配合性、連接件之間的連接性、運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)性等均可建模仿真，可以提前發(fā)現(xiàn)加工缺陷，提前發(fā)現(xiàn)裝配時(shí)出現(xiàn)的問題，從而能夠優(yōu)化制造過程，提高加工效率。 

    4　虛擬生產(chǎn)過程

　　產(chǎn)品生產(chǎn)過程的合理制定、人力資源、制造資源、物料庫存、生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)等，均可通過計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)還可對生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析，對生產(chǎn)過程的資金進(jìn)行分析預(yù)測，對產(chǎn)品市場進(jìn)行分析預(yù)測等，從而對人力資源、制造資源的合理配置，對縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低成本意義重大。

　　綜上所述，虛擬制造技術(shù)在企業(yè)中的應(yīng)用可以帶來很多效益。虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、優(yōu)化產(chǎn)品性能，縮短設(shè)計(jì)周期。虛擬產(chǎn)品制造可以提高制造質(zhì)量，優(yōu)化工藝過程，縮短制造周期。虛擬生產(chǎn)過程可以優(yōu)化資源配置、物流管理、縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。虛擬企業(yè)可以增強(qiáng)企業(yè)柔性，滿足客戶的特殊要求，形成企業(yè)的市場競爭優(yōu)勢。

　　我國虛擬制造技術(shù)的研究剛剛起步，系統(tǒng)的、全面的研究尚未開展，目前仍停留在國外的理論消化與國內(nèi)環(huán)境的結(jié)合上。只要我們努力創(chuàng)造一個(gè)較好的基礎(chǔ)，虛擬制造技術(shù)在我國企業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)為期不遠(yuǎn)。