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| 虛擬制造技術概述 |
更新時間：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Q(quality)、最低成本C(cost)和最佳服務S(service)來滿足不同顧客的需求。這給傳統(tǒng)的制造技術帶來嚴峻的挑戰(zhàn)。隨著計算機網(wǎng)絡和虛擬現(xiàn)實等先進技術的出現(xiàn)，在20世紀90年代產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)一的認識，籠統(tǒng)的理解是:在計算機內構造虛擬的生產系統(tǒng)模型，進行實際生產過程的模擬。現(xiàn)從信息變換等價性的觀點出發(fā)，分析VM系統(tǒng)與實際生產系統(tǒng)的相互對應關系，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)的動向及VM的廣闊應用前景。
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現(xiàn)產品設計全過程的VMT，這主要表現(xiàn)在:
a)基于集成的數(shù)字化產品模型技術尚處于概念階段:VM要求基于集成的數(shù)字化產品模型開展研究工作，但是，在這方面的研究工作剛剛開始，很多有關的技術尚處于概念階段，有待于進一步研究，具體包括:1)目前的CAD模型中的產品信息含量太低。VM中的模型需要從CAD模型抽取相應的信息。可是目前CAD模型主要是從幾何實體的角度描述產品的，盡管一些CAD模型加人了形狀特征和材料及公差等信息，但還遠不能全面地描述產品，能夠共享的產品信息還是太少，尤其是非幾何的產品信息;2)現(xiàn)有的CAD模型無法支持產品的概念設計，只能支持產品的詳細設計;3)缺乏良好的產品信息重用機制。目前各應用軟件間的產品數(shù)據(jù)交換主要是通過專用的接口來實現(xiàn)的，而這種轉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品開發(fā)系統(tǒng)的復雜度，而且無法實現(xiàn)模型間數(shù)據(jù)的自動轉換和衍生。事實上，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)轉換時有時要做適當?shù)难堇[推理，對所描述的數(shù)據(jù)對象做適當?shù)霓D換;
b)產品創(chuàng)新支持工具尚不充分:目前產品創(chuàng)新支持技術有了一定的進展，有了部分支持工具，例如UGII的WAVE,Pro/Engineering的layout，但是離VM對產品創(chuàng)新支持技術的要求還有一定的距離，主要表現(xiàn)在:1)缺少創(chuàng)新設計支持系統(tǒng)。VM的環(huán)境為創(chuàng)新設計提供了很好的運行機制，但如何實現(xiàn)創(chuàng)新設計，還需要組織開發(fā)創(chuàng)新設計支持系統(tǒng);2)缺乏將知識與VM結合的工具。如何將知識與VM的數(shù)字產品結合起來是一個巫待解決的難題;3)缺少交互式外型設計技術與VM的集成工具。如何將產品整體定位、外觀品質和以工業(yè)設計為核心的產品交互式外型設計技術引人VM并有機地集成起來尚待研究;4)缺少支持逆向(反求)設計的工具。目前逆向設計中仍然有大量未能克服的難題，如具有隨機測量誤差的測量數(shù)據(jù)處理技術、殘缺數(shù)據(jù)的修復技術等需要進一步改進與完善;
c)產品數(shù)字化技術:1)產品數(shù)據(jù)管理與其它應用軟件的集成問題。在虛擬環(huán)境下，各專業(yè)、各部門人員于同一產品模型協(xié)同工作，必須解決產品數(shù)據(jù)管理與其它應用軟件系統(tǒng)如MRPII,CAD,WEB瀏覽器等的集成問題;2)虛擬產品開發(fā)的產品數(shù)據(jù)組織體系。虛擬產品開發(fā)方式生成的產品數(shù)字樣機的產品結構樹不僅要反映產品設計階段的構造層次結構，而且還要反映產品的裝配順序以及生產流程。所以研究適合虛擬產品開發(fā)的產品數(shù)據(jù)組織體系是切實必要的;3)與數(shù)字化產品模型相關數(shù)據(jù)的組織和管理。如何有效解決相關數(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。
d)制造過程仿真建模方法和技術:基于物理學模型的制造過程仿真技術盡管已經得到了廣泛的應用，但其建模方法及建模技術仍未有突破性的進展，主要表現(xiàn)在虛擬加工、虛擬裝配、虛擬測試幾個方面:
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行可加工性評價，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)，切削工藝對產品品質的影響(包括殘余應力、切削溫度場等)以及零件制造費用的估算方法;
2)面向對象的集成化裝配建模的研究。國際上關于虛擬裝配的研究雖不少見，但在裝配建模方面，采用面向對象的裝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)在四個方面:組合爆炸或大量的交互問答，限制了目標產品的元件個數(shù);僅考慮沿坐標軸方向的平移，裝配運動方式過于簡單;偏重于幾何計算，工程語義知識的利用有待加強;裝配順序的選擇標準不夠廣泛和統(tǒng)一;
4)虛擬裝配的基礎理論研究。虛擬裝配中的公差分析與綜合技術還缺乏理論基礎，已有的公差分析和綜合的軟件在模型的生成以及對ISO公差標準的支持、對形位公差的支持方面還有很多問題，迫切需要進行研究;
5)虛擬測試技術研究。虛擬測試是成功運用虛擬產品開發(fā)技術的關鍵環(huán)節(jié)，因為在現(xiàn)有的技術條件下對于單元模型不論是產品、工藝還是系統(tǒng)，測試和校驗環(huán)節(jié)是不可缺少的。測試和校驗環(huán)節(jié)還會對虛擬產品開發(fā)的效率產生重要影響。VMT是 CAD/CAE/CAM技術發(fā)展的更高階段，也是計算機圖形技術、仿真技術發(fā)展的產物，對產品開發(fā)具有重要的研究和應用意義。由于目前商用VMT相關軟、硬件系統(tǒng)的功能還比較有限，且價格昂貴，因此，開發(fā)廉價而且功能較完善的虛擬制造系統(tǒng)應成為VMT發(fā)展的重要內容之一，開發(fā)的內容包括擬人化的用戶界面、基于事件的實時仿真引擎、虛擬外設的硬件接口、虛擬仿真語言、與傳統(tǒng)CAD軟件的數(shù)據(jù)通用轉換接口、各種數(shù)據(jù)庫和工具庫等。
2 目前VM的研究熱點
盡管虛擬現(xiàn)實技術在制造業(yè)的應用取得了巨大成就，但仍存在很多問題有待完善，當今社會的熱點有:
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)在虛擬產品設計、虛擬工藝設計、虛擬生產加工、虛擬裝配、虛擬企業(yè)與虛擬設備、原料和產品供應鏈等共享和繼承、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 結論
VMT是信息化制造的重要技術之一，實現(xiàn)VM需要強有力的技術支撐。VMT的應用應結合我國制造業(yè)自身的特點。在吸收國外成熟經驗的基礎上大膽創(chuàng)新，形成特色發(fā)展。可以預言，隨著我國對VMT，研究的探人。其廣泛的應用已為期不遠，終將成為一個現(xiàn)代化、信息化制造企業(yè)的必由之路。
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