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| 虛擬制造技術(shù)概述 |
更新時(shí)間：2008-3-1 8:19:30
（ 編輯：映君 ）
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引言
隨著全球競爭的加劇，企業(yè)之間的競爭由過去的局部競爭演變成全球范圍內(nèi)的競爭;同行業(yè)與跨行業(yè)之間的相互滲透、相互競爭也日益激烈。為了適應(yīng)快速變化的市場需求，企業(yè)必須以最快的上市速度T(time)、最優(yōu)品質(zhì)Q(quality)、最低成本C(cost)和最佳服務(wù)S(service)來滿足不同顧客的需求。這給傳統(tǒng)的制造技術(shù)帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和虛擬現(xiàn)實(shí)等先進(jìn)技術(shù)的出現(xiàn)，在20世紀(jì)90年代產(chǎn)生了一種新的制造概念和理論—虛擬制造VM(virtual manufacturing)，其全新的制造體系和模式已成為現(xiàn)代制造技術(shù)與系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。
什么是VM，目前各國尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識，籠統(tǒng)的理解是:在計(jì)算機(jī)內(nèi)構(gòu)造虛擬的生產(chǎn)系統(tǒng)模型，進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)過程的模擬。現(xiàn)從信息變換等價(jià)性的觀點(diǎn)出發(fā)，分析VM系統(tǒng)與實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)的相互對應(yīng)關(guān)系，探討VM的基本概念，并介紹目前國際上VM研究的方法、手段，研究開發(fā)的動(dòng)向及VM的廣闊應(yīng)用前景。
1 VMT的研究現(xiàn)狀、存在問題與發(fā)展展望
盡管在較早的時(shí)候就提出了VMT，而且還一度得到迅猛發(fā)展，取得了很大的成功，但到目前為止還沒有完全實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)全過程的VMT，這主要表現(xiàn)在:
a)基于集成的數(shù)字化產(chǎn)品模型技術(shù)尚處于概念階段:VM要求基于集成的數(shù)字化產(chǎn)品模型開展研究工作，但是，在這方面的研究工作剛剛開始，很多有關(guān)的技術(shù)尚處于概念階段，有待于進(jìn)一步研究，具體包括:1)目前的CAD模型中的產(chǎn)品信息含量太低。VM中的模型需要從CAD模型抽取相應(yīng)的信息。可是目前CAD模型主要是從幾何實(shí)體的角度描述產(chǎn)品的，盡管一些CAD模型加人了形狀特征和材料及公差等信息，但還遠(yuǎn)不能全面地描述產(chǎn)品，能夠共享的產(chǎn)品信息還是太少，尤其是非幾何的產(chǎn)品信息;2)現(xiàn)有的CAD模型無法支持產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)，只能支持產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計(jì);3)缺乏良好的產(chǎn)品信息重用機(jī)制。目前各應(yīng)用軟件間的產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換主要是通過專用的接口來實(shí)現(xiàn)的，而這種轉(zhuǎn)換必須是同一問題域(如幾何)數(shù)據(jù)的簡單映射，這勢必增加了虛擬產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)的復(fù)雜度，而且無法實(shí)現(xiàn)模型間數(shù)據(jù)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換和衍生。事實(shí)上，由于各軟件系統(tǒng)所描述的信息所在問題域的不同，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)有時(shí)要做適當(dāng)?shù)难堇[推理，對所描述的數(shù)據(jù)對象做適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換;
b)產(chǎn)品創(chuàng)新支持工具尚不充分:目前產(chǎn)品創(chuàng)新支持技術(shù)有了一定的進(jìn)展，有了部分支持工具，例如UGII的WAVE,Pro/Engineering的layout，但是離VM對產(chǎn)品創(chuàng)新支持技術(shù)的要求還有一定的距離，主要表現(xiàn)在:1)缺少創(chuàng)新設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)。VM的環(huán)境為創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了很好的運(yùn)行機(jī)制，但如何實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，還需要組織開發(fā)創(chuàng)新設(shè)計(jì)支持系統(tǒng);2)缺乏將知識與VM結(jié)合的工具。如何將知識與VM的數(shù)字產(chǎn)品結(jié)合起來是一個(gè)巫待解決的難題;3)缺少交互式外型設(shè)計(jì)技術(shù)與VM的集成工具。如何將產(chǎn)品整體定位、外觀品質(zhì)和以工業(yè)設(shè)計(jì)為核心的產(chǎn)品交互式外型設(shè)計(jì)技術(shù)引人VM并有機(jī)地集成起來尚待研究;4)缺少支持逆向(反求)設(shè)計(jì)的工具。目前逆向設(shè)計(jì)中仍然有大量未能克服的難題，如具有隨機(jī)測量誤差的測量數(shù)據(jù)處理技術(shù)、殘缺數(shù)據(jù)的修復(fù)技術(shù)等需要進(jìn)一步改進(jìn)與完善;
c)產(chǎn)品數(shù)字化技術(shù):1)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理與其它應(yīng)用軟件的集成問題。在虛擬環(huán)境下，各專業(yè)、各部門人員于同一產(chǎn)品模型協(xié)同工作，必須解決產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理與其它應(yīng)用軟件系統(tǒng)如MRPII,CAD,WEB瀏覽器等的集成問題;2)虛擬產(chǎn)品開發(fā)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)組織體系。虛擬產(chǎn)品開發(fā)方式生成的產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹不僅要反映產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的構(gòu)造層次結(jié)構(gòu)，而且還要反映產(chǎn)品的裝配順序以及生產(chǎn)流程。所以研究適合虛擬產(chǎn)品開發(fā)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)組織體系是切實(shí)必要的;3)與數(shù)字化產(chǎn)品模型相關(guān)數(shù)據(jù)的組織和管理。如何有效解決相關(guān)數(shù)據(jù)的組織和管理使之有效適合VM的需要是目前國際研究的熱點(diǎn)。
d)制造過程仿真建模方法和技術(shù):基于物理學(xué)模型的制造過程仿真技術(shù)盡管已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但其建模方法及建模技術(shù)仍未有突破性的進(jìn)展，主要表現(xiàn)在虛擬加工、虛擬裝配、虛擬測試幾個(gè)方面:
1)虛擬加工分析工具尚不豐富。盡管目前已有不少商品化軟件可以進(jìn)行可加工性評價(jià)，但VM還需研究開發(fā)大量的虛擬加工分析工具，如具有切削力分析功能的加工過程仿真系統(tǒng)，切削工藝對產(chǎn)品品質(zhì)的影響(包括殘余應(yīng)力、切削溫度場等)以及零件制造費(fèi)用的估算方法;
2)面向?qū)ο蟮募苫b配建模的研究。國際上關(guān)于虛擬裝配的研究雖不少見，但在裝配建模方面，采用面向?qū)ο蟮难b配建模將是一種潮流，集成化是裝配建模的必然趨勢。
3)裝配工藝規(guī)劃的進(jìn)一步研究。裝配工藝規(guī)劃目前還處于研究階段，局限性主要表現(xiàn)在四個(gè)方面:組合爆炸或大量的交互問答，限制了目標(biāo)產(chǎn)品的元件個(gè)數(shù);僅考慮沿坐標(biāo)軸方向的平移，裝配運(yùn)動(dòng)方式過于簡單;偏重于幾何計(jì)算，工程語義知識的利用有待加強(qiáng);裝配順序的選擇標(biāo)準(zhǔn)不夠廣泛和統(tǒng)一;
4)虛擬裝配的基礎(chǔ)理論研究。虛擬裝配中的公差分析與綜合技術(shù)還缺乏理論基礎(chǔ)，已有的公差分析和綜合的軟件在模型的生成以及對ISO公差標(biāo)準(zhǔn)的支持、對形位公差的支持方面還有很多問題，迫切需要進(jìn)行研究;
5)虛擬測試技術(shù)研究。虛擬測試是成功運(yùn)用虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因?yàn)樵诂F(xiàn)有的技術(shù)條件下對于單元模型不論是產(chǎn)品、工藝還是系統(tǒng)，測試和校驗(yàn)環(huán)節(jié)是不可缺少的。測試和校驗(yàn)環(huán)節(jié)還會對虛擬產(chǎn)品開發(fā)的效率產(chǎn)生重要影響。VMT是 CAD/CAE/CAM技術(shù)發(fā)展的更高階段，也是計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、仿真技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，對產(chǎn)品開發(fā)具有重要的研究和應(yīng)用意義。由于目前商用VMT相關(guān)軟、硬件系統(tǒng)的功能還比較有限，且價(jià)格昂貴，因此，開發(fā)廉價(jià)而且功能較完善的虛擬制造系統(tǒng)應(yīng)成為VMT發(fā)展的重要內(nèi)容之一，開發(fā)的內(nèi)容包括擬人化的用戶界面、基于事件的實(shí)時(shí)仿真引擎、虛擬外設(shè)的硬件接口、虛擬仿真語言、與傳統(tǒng)CAD軟件的數(shù)據(jù)通用轉(zhuǎn)換接口、各種數(shù)據(jù)庫和工具庫等。
2 目前VM的研究熱點(diǎn)
盡管虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在制造業(yè)的應(yīng)用取得了巨大成就，但仍存在很多問題有待完善，當(dāng)今社會的熱點(diǎn)有:
a)各種資源的整合與協(xié)同，包括人力資源和現(xiàn)有的知識與技術(shù)資源的有效組織，使各方面專家利用現(xiàn)有條件、方法與工具有效地合作，進(jìn)行VM在制造業(yè)的研究與開發(fā);
b)模型數(shù)據(jù)在虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)、虛擬工藝設(shè)計(jì)、虛擬生產(chǎn)加工、虛擬裝配、虛擬企業(yè)與虛擬設(shè)備、原料和產(chǎn)品供應(yīng)鏈等共享和繼承、可重用性問題;
c)虛擬裝配中的碰撞和零件的碰撞變形以及力反饋問題。
3 結(jié)論
VMT是信息化制造的重要技術(shù)之一，實(shí)現(xiàn)VM需要強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。VMT的應(yīng)用應(yīng)結(jié)合我國制造業(yè)自身的特點(diǎn)。在吸收國外成熟經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上大膽創(chuàng)新，形成特色發(fā)展。可以預(yù)言，隨著我國對VMT，研究的探人。其廣泛的應(yīng)用已為期不遠(yuǎn)，終將成為一個(gè)現(xiàn)代化、信息化制造企業(yè)的必由之路。
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