數(shù)字化虛擬制造在制造業(yè)的應(yīng)用

1 虛擬制造VM
　　
　　虛擬制造是指利用信息技術(shù)，三維仿真技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)制造知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)化組織與分析，對(duì)整個(gè)制造過(guò)程建模，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)估和制造活動(dòng)仿真，強(qiáng)調(diào)用虛擬制造模型描述制造全過(guò)程，在實(shí)際的物理制造之前就具有了對(duì)產(chǎn)品性能及其可制造性的預(yù)測(cè)能力。
　　
　　虛擬制造技術(shù)涉及面很廣，如環(huán)境構(gòu)成技術(shù)、過(guò)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)科交叉功能、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)。
　　
　　1.1 建模技術(shù)
　　
　　虛擬制造系統(tǒng)VMS是現(xiàn)實(shí)制造系統(tǒng)RMS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的建模包括生產(chǎn)模型、產(chǎn)品模型和工藝模型。
　　
　　(1)生產(chǎn)模型?？蓺w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(cè)產(chǎn)品生產(chǎn)的全過(guò)程。
　　
　　(2)產(chǎn)品模型。產(chǎn)品模型是制造過(guò)程中，各類實(shí)體對(duì)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)、產(chǎn)品形狀特征等靜態(tài)信息。而對(duì)VMS來(lái)說(shuō)，要使產(chǎn)品實(shí)施過(guò)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(guò)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，包括三維動(dòng)態(tài)模型，干涉檢查，應(yīng)力分析等。
　　
　　(3)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(lái)，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。
　　
　　1.2 仿真技術(shù)
　　
　　仿真就是應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)抽象和簡(jiǎn)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(duì)象的研究方法，不會(huì)干擾實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)，同時(shí)利用計(jì)算機(jī)的快速運(yùn)算能力，仿真可以用很短時(shí)間模擬實(shí)際生產(chǎn)中需要很長(zhǎng)時(shí)間的生產(chǎn)周期，因而可以縮短決策時(shí)間，避免資金、人力和時(shí)間的浪費(fèi)，并可重復(fù)仿真，優(yōu)化實(shí)施方案。
　　
　　仿真的基本步驟為:研究系統(tǒng)一收集數(shù)據(jù)、建立系統(tǒng)模型一確定仿真算法、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(guò)程仿真，可歸納為制造系統(tǒng)仿真和加工過(guò)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(guò)程規(guī)劃仿真、設(shè)計(jì)思維過(guò)程和設(shè)計(jì)交互行為仿真等，以便對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程早期反饋，減少或避免產(chǎn)品設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。

　　加工過(guò)程仿真，包括切削過(guò)程仿真、裝配過(guò)程仿真、檢驗(yàn)過(guò)程仿真以及焊接、壓力加工、鑄造仿真等。
　　
　　1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)VRT
　　
　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)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)。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。利用VRS可以對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，通過(guò)用戶的交互輸人，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。
　　
　　2 數(shù)字化虛擬制造在制造業(yè)中應(yīng)用
　　
　　數(shù)字化虛擬制造技術(shù)首先在飛機(jī)、汽車等工業(yè)領(lǐng)域獲得了成功的應(yīng)用。目前，虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用主要在以下幾個(gè)方面。
　　
　　2.1 虛擬產(chǎn)品制造
　　
　　應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì)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。建立數(shù)字化虛擬樣機(jī)是一種嶄新的設(shè)計(jì)模式和管理體系。
　　
　　虛擬樣機(jī)是基于三維CAD的產(chǎn)物。三維CAD系統(tǒng)是造型工具，能支持“自頂向下”和“自底向上”等設(shè)計(jì)方法，完成結(jié)構(gòu)分析、裝配仿真及運(yùn)動(dòng)仿真等復(fù)雜設(shè)計(jì)過(guò)程，使設(shè)計(jì)更加符合實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程。三維造型系統(tǒng)能方便地與CAE系統(tǒng)集成，進(jìn)行仿真分析;能提供數(shù)控加工所需的信息，如NC代碼，實(shí)現(xiàn)CAD/CAE/CAPP/CAM的集成。一個(gè)完整的虛擬樣機(jī)應(yīng)包含如下的內(nèi)容:
　　
　　(1)零部件的三維CAD模型及各級(jí)裝配體，三維模型應(yīng)參數(shù)化、適合于變形設(shè)計(jì)和部件模塊化;

　　(2)與三維CAD模型相關(guān)聯(lián)的二維工程圖;
　　
　　(3)三維裝配體適合運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)分析、有限元分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)分析;
　　
　　(4)形成基于三維CAD的PDM結(jié)構(gòu)體系;
　　
　　(5)從虛擬樣機(jī)制作過(guò)程中摸索出定制產(chǎn)品的開發(fā)模式及所遵循的規(guī)律;
　　
　　(6)三維整機(jī)的檢測(cè)與試驗(yàn)。

　　以SolidEdge\'Solidworks,UG等為設(shè)計(jì)平臺(tái)，建立全參數(shù)化三維實(shí)體模型。在此基礎(chǔ)上，對(duì)關(guān)鍵零、件進(jìn)行有限元分析以及對(duì)整機(jī)或部件的運(yùn)動(dòng)模擬。通過(guò)數(shù)字化虛擬樣機(jī)的建立、實(shí)施，幫助企業(yè)建立起一套基于三維CAD的產(chǎn)品開發(fā)體系，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模式的轉(zhuǎn)變，加快產(chǎn)品推向市場(chǎng)的周期。
　　
　　2.2 虛擬企業(yè)
　　
　　虛擬企業(yè)是目前國(guó)際上一種先進(jìn)的產(chǎn)品制造方式，采用的是“兩頭在內(nèi)，中間在外”啞鈴型生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)模式，即產(chǎn)品研究、開發(fā)、設(shè)計(jì)和組裝、調(diào)試、銷售兩頭在公司內(nèi)部進(jìn)行，而中間的機(jī)械加工部分則通過(guò)外協(xié)、外購(gòu)方式進(jìn)行。
　　
　　虛擬企業(yè)的特征是: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(yíng)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(yíng)管理。因?yàn)樘摂M企業(yè)是動(dòng)態(tài)聯(lián)盟形式，突破了企業(yè)的有形界限，利用外部資源加速實(shí)現(xiàn)企業(yè)的市場(chǎng)目標(biāo)。企業(yè)信息共享化是構(gòu)成虛擬企業(yè)的基本條件之一，企業(yè)伙伴之間通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)及時(shí)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(chǎng)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(guò)程的虛擬制造;計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這3項(xiàng)內(nèi)容是構(gòu)成虛擬企業(yè)不可缺少的必要條件。
　　
　　3 結(jié)論
　　
　　虛擬制造技術(shù)有巨大的應(yīng)用潛力?；诋a(chǎn)品的數(shù)字化模型，實(shí)現(xiàn)了從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、加工、制造到檢‘驗(yàn)全過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬。虛擬制造的關(guān)鍵技術(shù)是對(duì)產(chǎn)品與制造過(guò)程的擬實(shí)仿真。目前軟件的開發(fā)是虛擬制造的重要研究?jī)?nèi)容。