虚拟制造 2Word格式文档下载.docx
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工厂的生产车间可被看作物理系统，而生产管理部门则可被认为是信息系统的一部分。
物理系统和信息系统又可分为真实物理系统、虚拟物理系统和真实信息系统、拟实信息系统。
如果假定虚拟的物理和信息系统存在则有：
（1）真实物理系统（RPS）＋真实信息系统（RIS）：
现实的生产系统
（2）真实物理系统（RPS）＋虚拟信息系统（VIS）：
生产计划、管理的部分为虚拟的生产系统、例如，用计算机对已建成的工厂进行动转试验。
（3）虚拟物理系统（VPS）＋真实信息系统（RIS）：
实施生产的部分为虚拟系统的生产系统、可以对新工厂的建议方案进行事先评价。
（4）虚拟物理系统（VPS）＋虚拟信息系统（VIS）：
在计算机内建立物理系统和信息系统的模型、基于模型通过仿真实现的生产系统。
虚拟制造系统必须是在上述组合系统中，至少有一个是虚拟系统。
2、虚拟制造系统的形式与研究方法
从虚拟制造系统的形式看，可分为以下两种形式：
（1）计算机仿真
构造有关生产的计算机内部模型，通过仿真实现虚拟制造。
特点：
生产设备、工厂组织、产品均是虚拟的。
（2）遥控制造
由计算机网络将载域上分散的生产设备结合起来，进行集成管理和运行。
生产设备和产品是实际存的，而工厂组织是假想（虚拟）的、从研究的方法手段来看，主要有以下六种形式：
∙产品建模
以产品模型设备模型为核心、进行产品设计、工艺设计、生产调度、设备布局、控制等的仿真。
∙生产过程仿真
对切削装配等生产过程进行仿真。
∙人工虚拟现实
特点：
用计算机图形（CG）及虚拟现实技术，使操作者身临虚拟制造系统，以进行操作训练。
3、虚拟制造的应用领域
虚拟制造的实现将会对制造业中日益自动化、复杂化、大规模化的制造系统进行更为详细的设计、仿真及评价，并能够实现在信息空间里对大规模、复杂，随时间变化的生产系统给予明确的“规定”、“推定”、“预测”，其主要应用领域有以下几方面：
（1）设计、生产规划
通过虚拟制造的应用，实现生产系统（包括系统组成、功能、动作）的更为详细的、多方位、拓整个生命周期下的设计和计划。
（2）工厂运转
未来的工厂将是一个信息化的工厂，虚拟制造系统可很方便地接受，处理工厂中的各种信息，并可做出适当的解释以及实现对工厂状态监测及异常诊断。
（3）生产预测
虚拟制造系统可以在实际生产之前、实现对生产过程的预测，包括交货期、生产产量、质量、设备状态等。
（4）生产教育
实现对工厂生产人员的操作训练，异常工艺时的应急处理训练等，另外，对于不具备大规模生产设备的大学，可以进行生产系统的设计，运转等练习。
虚拟制造系统将使设计、生产、管理、信息处理及其各自相关的领域更加紧密地结合起来，所要实现的制造系统将更具有柔性、更富有效率，同时也将会进一步促进通信、网络、数据库，人工智能等关联技术的发展。
最终实现提高制造业国际竞争力的目标。
二、虚拟制造系统的研究与开发策略
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。
1、虚拟制造系统的基本特性及组成
1.1虚拟制造系统的基本特性及要求
虚拟制造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车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，虚拟制造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，以便于虚拟制造系统的开发、控制及修改。
（2）虚拟制造系统的仿真，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、所开发的虚拟制造系统不局限于某些特殊的要求，具有广泛的应用性。
（6）虚拟制造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虚拟制造系统组成的概念图
在上述对虚拟制造系统基本特性及要求分析的基础上、本文提出了虚拟制造等系统组成的概念图（如图1所示）。
如图1所示，虚拟制造系统主要由设备、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。
虚拟制造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结合点。
图1虚拟制造系统组成的概念图
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。
仿真服务器为虚拟制造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、虚拟制造系统开发的关键技术及开发策略
2.1虚拟制造系统开发的关键技术
虚拟制造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。
（1）产品建模
产品建模除了为虚拟制造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CAE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，上述方法可以作为虚拟制造系统仿真的有效手段。
、
图2虚拟制造系统研究开发的关键技术
（3）物流仿真
在已有物流仿真技术研究基础上，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虚拟制造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、虚拟制造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（ManufacturingMessagespecificaltion）的虚拟制造设备VMD（VirtualManufacturingDevice）的研究，将成为虚拟制造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，也成为虚拟制造系统实现的重要技术。
（7）虚拟现实感
虚拟现实中的HMD（HeadMountedDisplay）等立体显示装置，力觉等感觉反馈机理的研究，也将成为虚拟制造系统研究的不可缺少的技术。
例如，利用虚拟现实感技术，虚拟制造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。
虚拟制造技术与数字化工艺
目前设计技术研究主要集中在详细设计阶段，CAD系统虽然提供了表示和操作复杂零件的方法，但是它不能表示概念设计阶段的信息。
随着全球竞争的增加，为了缩短产品的上市时间，在八十年代相继提出了FMS（FexibleManufacturingSystem）、CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem）、CE（ConturrentEngineering）等新的概念，对它们的研究与应用，提高了产品的质量和生产效率。
随着网络和生产技术的发展，在九十年代提出了敏捷制造AM（AgileManufacturing）、精良制造LM（LeanManufacturing）、分布式制造（DistributedManufacturing）和虚拟企业VE（VirtualEnterprise）等新的研究领域，在这种情况下，产生了虚拟制造VM（VirtualManufacturing）。
虚拟制造建立了计算机化的制造活动这样一个关键概念，它概括了对真实制造世界的对象和活动的建模与仿真研究的各个方面。
虚拟制造的基础是用计算机支持的技术对所有必要的制造活动进行彻底的建模与仿真，其中建立计算机化的工艺过程，即：
数字化加工过程是虚拟制造研究的核心基础工作之一。
本文详细地讨论了虚拟制造的定义、虚拟制造的流派、虚拟制造与其他相关技术的关系以及虚拟制造在数字化工艺中的研究与应用。
0、虚拟制造的定义
虚拟制造被定义为：
它是一个集成的、综合的可运行制造环境，用来提高各个层次的决策和控制。
各部分的语义说明如下：
∙综合指真实的和仿真的对象、活动和过程的混合状态。
∙环境通过协同地提供分析工具、仿真工具、应用工具、控制工具、模型（产品、过程和资源）、设备以及组织方法的集合，用以支持构造和使用分布式制造仿真。
∙运行用环境来构造和操作特定的制造仿真。
∙提高增加它的精度和可靠性。
∙层次是指从产品的概念设计到回收利用、从车间到执行位置、从物质的转换到信息的传递等各个方面。
∙决策是指改变（可视化、组织、定义和选择）后的影响。
∙控制预测效果的真实性。
通过基于建模的途径和利用仿真，虚拟制造主要是为了提高加工过程的质量。
∙虚拟制造最重要的作用是为实施IPPD（IntegratedProductProcessDevelopment）提供一个工具，特别是用于预测产品成本和控制功能。
∙虚拟制造的基本目的是基于计算机模拟产品的开发环境，使得设计者在真正的加工之前就能够模拟地制造产品。
这里的“产品开发”包括了与产品相关的所有活动，不仅包括技术上的和商业上的，而且包含了产品的设计和生产。
但是，虚拟制造并不仿真所有的这些方面。
例如，虚拟制造不仿真设计过程，但它支持设计过程。
虚拟制造不模拟可靠性或质量工程，但是在许多情况下虚拟制造的仿真需要有到设计、可靠性、质量和其他信息的接口。
∙虚拟制造是基于模型的制造，使用的工具反过来影响这些模型。
最初始的工具是仿真，利用仿真可以降低制造成本，而且可以检查真实空间和虚拟空间的许多参数。
∙从全局的观点来讲，在一个IPPD环境下，通过在计算机中完成“制造”，虚拟制造提供了对部分或全部设计过程的评价方法。
虚拟制造并不是单个的解决方案、结构或数据库，它是许多小的、相对独立的工具集合，这些工具都利用了建模和仿真技术。
1、虚拟制造的流派
虚拟制造的研究都与特定的应用环境和对象相联系，在虚拟制造的研究过程中，由于应用的不同要求，各有不同的侧重点，因此出现了三个不同的流派，它们是以设计为中心的虚拟制造、以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造。
1.1以设计为中心的虚拟制造
以设计为中心的虚拟制造是通过加制造信息到IPPD的过程和在计算机中进行“制造”，仿真多种制造方案和产生许多“软”的模型。
因此它的短期目标是：
为了达到特殊的制造目的（例如为了装配进行设计、精良操作或柔性等），虚拟制造用以制造为基础的仿真来优化产品的设计和生产过程。
它的长期目标为：
虚拟制造在不同的层次上用仿真过程来评估生产情况，并且反馈给设计和生产控制。
1.2以生产为中心的虚拟制造
以生产为中心的虚拟制造是通过加仿真能力到生产过程模型，达到方便和快捷地评价多种加工过程的目的。
它的短期目标是：
虚拟制造是基于生产的IPPD的转换，用以优化制造过程和物理层。
它的长期目标是：
为了实现新工艺和流程的更高的可信度，虚拟制造是增加生产仿真到其它集成和分析技术。
1.3以控制为中心的虚拟制造
以控制为中心的虚拟制造是通过增加仿真到控制模型和实际的生产过程，来实现优化的真实仿真。
1.4三类虚拟制造之间的关系
虽然三种虚拟制造的定义不相同，但是它们都涉及到虚拟产品生命周期中不同的方面，因此，它们具有下面的特点：
∙以设计为中心的虚拟制造为设计者提供了一个设计产品和评估可制造性的环境，它的结果包括产品建模、成本预测等，所以，在设计中的潜在问题能够被发现，同时它的一些指标（例如成本等）也能被预测。
为了生产出合格的产品而不做实际的样品，以生产为中心的虚拟制造为工艺计划和生产计划的生成、工艺资源的要求以及对这些计划的评价提供了一个环境，它能够更精确地通过提供仿真实际生产的能力，以控制为中心的虚拟制造为设计者提供了一个环境，用以评估新产品或改进的设计以及与车间生产相关的活动，它为优化制造过程和提高制造系统提供了信息。
2、虚拟制造与其它相关技术之间的区别
当前在先进制造技术的研究过程中，产生了许多新的概念，如IPPD、虚拟企业VE（VirtualEnterprise）、建模与仿真M&
S（ModelingandSimulation）等。
因此，为了更详细说明虚拟制造的内涵，需要了解虚拟制造与其它相关概念之间的关系。
2.1虚拟制造与IPPD
IPPD是一种交错功能协调机理，它使得与设计和制造相关的信息可以在产品设计过程的各模块间流动。
虚拟制造仿真制造、生产和装配过程，因此它必须有与上面信息的接口，但是虚拟制造并不是各模块的集合，也不能使信息在模块间流动。
它们的关系如图1所示。
图1产品开发过程
按照IPPD的观点，虚拟制造增加了IPPD的过程，它提供了一种方法将制造知识综合到产品开发的早期阶段。
因此，它在IPPD中的作用是重要的。
首先它允许IPPD直接通过模拟加工过程来设计、分析和制造产品，而不用关心实际的加工。
其次，它允许IPPD在原型系统中任意层次上增加过程。
IPPD的优势并不在于过程中模块的多少，因为几个最好的单个模型组合到一起并不是最好的。
利用虚拟制造，IPPD可以逆向分析加工过程，而不用重构加工过程。
按照并行工程CE（ConcurrentEngineering）的观点，虚拟制造增加了上面提到的能力外，它共享的基础结构比CE所需要的更可靠。
2.2虚拟制造与M&
S（ModelingandSimulation）
虚拟制造依靠M&
S技术模拟制造、生产和装配过程，使设计者可以在计算机中“制造”产品。
M&
S是虚拟制造的基础。
虚拟制造是M&
S的应用，但是它扩展了传统的M&
S技术。
在传统上，M&
S建模的目的仅仅是为了仿真和相关的分析。
而在虚拟制造中，使用主要部分已存在的模型，而不是优化的仿真。
因为在虚拟制造中，由于其他的原因，模型是动态的，随着仿真环境的改变，它是变化的。
2.3虚拟制造与VE（VirtualEnterprise）
虚拟企业是敏捷制造的基本的动态组织形态，是指为了赢得某一机遇性市场竞争，围绕某种新产品开发，通过选用不同组织或公司的优势资源，综合成单一的靠网络通讯联系的阶段性经营实体。
动态联盟具有集成性和时效性两大特点。
它实质上是不同组织或企业间的动态集成，随市场机遇的存亡而聚散。
在具体表现上，结盟的可以是同一个大公司的不同组织部门，也可以是不同国家的不同公司。
在VE中伙伴能够共享生产、工艺和产品的信息，这些信息以数据的形式表示，能够分布到不同的计算环境中。
VE与虚拟制造没有很强的相互依靠关系。
在信息的集成和共享领域，VE主要强调网络，而虚拟制造主要强调产品的设计，而且在设计阶段虚拟制造的重点是仿真产品的生命周期中的各个活动。
2.4
虚拟制造与VP（VirtualPrototyping）
虚拟原型（VirtualPrototype）是相对物理原型，具有一定功能的基于计算机的仿真系统。
它主要用于测试和评价多种设计的指定特性。
VP是使用虚拟原型的过程。
目前，它主要用于缩短产品的开发时间和降低成本。
在VP中，计算机辅助设计信息直接被传送到产品模型，而不用构造物理原型来检验设计的有效性和进行优化设计。
如果虚拟原型是通过模拟工艺计划来构造的，那么VP就是用虚拟制造来产生的，在大部分情况下，VP比物理原型具有更大的优点，在虚拟产品周期中，VP是一个必需的组成部分。
所以，VP的发展将增强虚拟制造的能力，反过来，虚拟制造为VP提供了一个应用环境。
2.5虚拟制造与AM（AgileManufacturing）
敏捷制造作为一个新概念，其基本思想是通过将高素质的员工、动态灵活的组织机构、企业内及企业间的灵活管理以及柔性的先进生产技术进行全面集成，使企业能够对持续变化、不可预测的市场要求作出快速反应，由此获得长期的经济效益。
由此可见，敏捷制造强调人、组织、管理和技术的高度集成，强调企业面向市场的敏捷性（Agility）。
在一个企业的组织管理中，它的敏捷性可以用四个主要变量表示，即通讯连同性（CommunicationConnectedness）、跨组织参与性（InterorganizationParticipation）、生产的灵活性（ProductionFlexibility）和雇员的使能性（EmployeeEmpowerment）。
虚拟制造是敏捷制造的一种实现手段，是制造企业增强产品开发敏捷性、快速满足市场多元化需求的有效途径。
3、虚拟制造在数字化工艺中的应用
3.1数字化工艺的概念
对切削加工而言，早在本世纪初切削的工艺模型就引起研究者的关注，但一直到本世纪4060年代，在切削机理方面的几项突破使切削研究有可能建立在材料的物理层面上，到本世纪80年代以后，随着计算技术和测量技术的进展，大量的工作集中在工艺过程的分析、建模与仿真，他们对不同的工艺过程（车、铣、钻、铸、冲压等）的不同方面（力模型、热模型、误差模型、材料变形模型等）及不同的加工材料（金属、复合材料等）做了大量的工作，取得了丰硕的成果，一些结果已应用于工业界，获得了满意的效果。
然而，这些研究成果仍未大面积的推广应用，原因在于研究的不系统性。
也就是说，各自独立的研究只是针对工艺过程的一个侧面的，而且各自采用了不同的数据结构及不同的分析处理方法，当人们想解决一个稍微不同的问题时，人们既不可能联合不同的模型，也不可能简单地修改模型本身。
虚拟制造概念的提出使我们能够总结以往的研究成果，以系统的观点来处理工艺过程模型，而不是将工艺看成是分离的不同侧面。
传统上，工艺的设计与校验典型地通过制造一个实物原型来完成，而基于工艺的可制造性评估则根据加工的成本和时间来确定加工的难度，加工时间和成本由零件材料、加工特征和加工参数的手册值决定，虚拟制造技术在多方面改进了传统的工艺设计和校验：
∙通过“数字化加工过程”，不需要制造昂贵的实物原型就可在计算机上校验工艺设计；
∙通过“数字化加工过程”不仅可精确地估计制造时间和成本，还可估计其它重要参数，如：
零件质量；
∙通过“数字化加工过程”可以更直观地“观察”加工过程，如磨削过程中单个磨粒的微观表现，切削中的应力与热流，卡具的变形。
这些有助于我们更精确和更有创造性地设计加工过程。
“数字化加工过程”包含二层含义：
一是刀具路径仿真，即建立工件/工具/机床的实体模型，刀具沿着由工艺确定的轨迹切削，一些不适当的刀具轨迹（刀具/夹具干涉）很容易地被发现；
二是评估是否在加工工艺中说明的工艺参数是合适的，如大的切深会产生颤震，毁坏刀具、工件，高的进给率导致不可接受的表面粗糙度，研究者已经在刀具路径校验方面做了大量工作，也有大量工作是有关加工过程的物理效应模型，在虚拟加工过程中将表达切削的物理效应的模型和表达切削几何的实体模形结合起来，完整地表达切削。
在虚拟制造环境下，物理模型与实体模型的规范描述和系统集成将不仅能评估现有的工艺过程，而且能为新工艺的创新与设计提供有力手段。
3.2数字化加工过程的系统结构
工艺过程数字原型是真实工艺过程在虚拟世界（计算机）的影射，模型反映的是工艺过程一个侧面的特性，因此工艺过程数字原型是反映工艺过程各个侧面特性的模型及其相互关系的集合。
一般基本工艺过程可抽象地表达如图2。
图2单元工艺
在上图，基本的加工过程可表达为：
输入为毛坯，利用设备在工艺信息的指挥下加工出产品和产生废弃物；
在右图，与加工过程相关的物理实体是工具（刀具与卡具，有时也包括机床）和工件，而所有与工艺过程相关的物理效应主要都发生在这些实体上，因此，我们可以基于工件、刀具和卡具产品模型来构造规范化的数字化加工过程结构，即将加工过程处理作为一个四维的过程，即：
空间三维和时间
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