计算机虚拟制造技术的应用

　　市场化、信息化是一个现代企业发展的必然趋势,本文结合计算机虚拟制造等新的制造技术的发展趋势,探讨了计算机虚拟制造技术在现代制造业中的应用。

　　一、引言

　　随着经济的全球化和社会的信息化,市场竞争日益激烈。制造业要在竞争激烈的全球市场求得生存与发展,必须能够更好地满足市场所提出的TQCS要求,即:要以最短的产品开发周期哪me)、最优质的产品质量(Quality)、最低廉的制造成本(Cost)和最好的技术支持与售后服务(Service)来赢得市场与用户。面对不可预测、持续发展、快速多变的市场需求,企业的生产活动必须具有高度的柔性,对市场需求的变化做出快速反应。于此同时,信息技术取得了迅速发展,从而为制造业的信息化发展提供了良好的基础。80年代,随着先进制造技术以信息集成为核心的计算机集成制造系统(CIMS)的实施,以及随后提出的计算机虚拟制造技术(VMT),到90年代时,计算机虚拟制造技术得到了极大重视并得到迅速发展。随着市场全球化的进程,信息化制造将成为现代制造企业追求的重要目标之一。

　　二、虚拟制造技术定义

　　现在对虚拟制造(VirtualManuafctuirng,简称VM)的定义多种多样。

　　当前一般的定义是:虚拟制造是实际制造过程在计算机上的映射,即采用计算机仿真与虚拟现实技术,在高性能计算机及高速网络的支持下,在计算机上群组协同工作,实现产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验,以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程,以增强制造过程各级的决策与控制能力。由此可见,虚拟制造通过计算机虚拟制造环境来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题,从而提高了人们的预测和决策水平,它为工程师们提供了从产品概论的形成、设计到制造全过程的三维可视及交互的环境,使得制造技术走出主要依赖于经验的狭小天地,发展到了全方位预报的新阶段。

　　虚拟制造以信息技术、仿真技术、虚拟现实技术为基础,借助于虚拟环境中获取的各种信息,在产品设计或制造系统的建造实现之前,就能使人体验到未来产品装配的性能或者装配系统的状态,从而可以做出预见性的决策与优化实施方案。它集成和综合了可运行制造的环境:包括各种分析工具、仿真工具、应用工具、控制工具、信息模型、设备、组织协同工作的方法等,用来改善从装配产品的概念设计到动态仿真到回收利用的各个阶段。

　　三、虚拟制造的相关技术和支持

　　虚拟制造系统是各制造功能的虚拟集成,其关键技术主要包括:虚拟环境下的产品主模型技术:主模型是一个核心,能以此为中心通向设计、制造和生产管理等各个环节并为其提供服务。主模型具有统一的数据结构和分布式数据管理系统,它是一个可视化的数字产品模型,具有所代表的对象所具有的各种性能和特征,并能并行地处理设计分析、加工制造、生产组织与调度等各种生产环节所面临的诸多问题。

　　综合可视化技术:主要包括计算机可视化技术、虚拟现实技术、多媒体技术和仿真技术。

　　现实制造系统与虚拟制造系统之间的映射,虚拟设备、虚拟传感器、虚拟单元、虚拟生产线、虚拟车间、和虚拟工厂的建立,以及各种虚拟设备的重用性和重组性技术。

　　虚拟制造系统集成开发平台的体系结构、构件库及用户开发环境。

　　虚拟环境下分布式并行处理的分布式智能协同求解模型。

　　虚拟公司的组织、调度及控制策略与技术。

　　虚拟制造技术是多学科综合的系统技术,需要研究开发相应的硬件集成系统与软件,就软件技术而言,相关的研究支持如下:可视化；真实、直观地再现主观产品与客观制造过程。

　　基本环境:增强可视化和其它虚拟制造功能的集成系统平台。

　　信息描述:表达各种信息,包括数据、知识和模型的统一的方法、语义、语法。

　　中介模型:构造、定义、开发对过程易于中断介人的模型。

　　基层集成组织结构:硬件与软件的基层组织结构。仿真模型:在计算机系统中设计的真实系统模型。应用方法:产品多样性与过程动态性的共同特征的抽象提取。

　　制造特征:各种材料在虚拟制造环境中的变化过程。虚拟制造系统评价:可制造性、工艺性、可靠性、经济性、质量、工期等等。

　　四、虚拟制造技术在制造业中的应用

　　虚拟制造技术在制造业中的应用:首先在军事、航空航天、汽车领域中获得成功的应用。例如波音飞机公司777飞机的设计,就是采用虚拟制造技术的典型范例,开发周期从通常的8年减少到5年,设计、装机、测试均在计算机中完成模拟,保证一次试制成功。虚拟制造在汽车领域的应用涉及到汽车的整个生命周期,它可以在汽车生产设备、工装和模具,甚至校车的设计之前,很容易地生产系统和工艺过程进行建模、修改、分析及优化。通用电动机车部(GeneralMotorsElectroMotiveDivision,EMD)1997年,利用UGll软件,建成了第一个完全数字化的机车样机模型,并围绕这个数字模型并行地进行产品设计、分析、制造、夹模具工装设计和可维修性设计。日本日产汽车公司年与SDRC公司签定总额超过1亿美元的特大合同,购买软件、服务与实施,主要用于面向21世纪的新车型一数字样车的开发。日产汽车公司计划在贯穿汽车生产的全过程中,利用概念设计支持工具、包装设计软件、覆盖件设计、整车仿真分析、数字样机及物理样机的生产等。欧洲空中客车一改过去传统的产品研制及开发方法,采用虚拟制造及仿真技术,把空中客车试制周期从4年缩短为2.5年,不仅提前投放市场,而且显著降低了研制费用及生产成本,大大增强了全球竞争能力。

　　虚拟制造技术应用得比较成熟的有:产品的外形设计:采用虚拟现实技术的外形设计,可以进行复杂的造型设计,并对其参数可随时修改、评测。它可以直接用于装配、仿真和加工。

　　产品的布局设计:在复杂产品的布局设计中,通过虚拟现实技术可以直观地进行设计,避免可能出现的干涉和其它不合理问题。

　　产品的运动和动力学仿真:产品设计必须解决运动构件工作时的运动协调关系,运动范围设计,可能的运动干涉检查,产品动力学性能、强度、刚度等。

　　热加工工艺模拟:利用数值模拟和物理模拟方法,对金属材料热成形过程和材料成形过程进行动态仿真,预测不同条件下成形的材料的组织、性能及质量,进而实现热成形件的质量与性能的优化设计。

　　加工过程仿真:产品设计的合理性、可加工性、加工方法,机床和工艺参数的选用,以及加工过程中可能出现的加工缺陷等,这些问题需要经过仿真、分析与处理。

　　产品装配仿真:机械产品的配合性和可装配性是设计人员常易出现错误的地方,以往要到产品装配的时候才能发现,但采用虚拟制造技术可以在设计阶段就对产品进行装配,发现装配问题可进行修改,确保设计的准确。

　　虚拟样机与产品工作性能评测:在虚拟制造中可以模拟出产品的使用情况,对存在问题的地方进行修改,提高产品一次试验成功率。

　　企业生产过程的仿真与优化:产品生产过程的合理制定、工厂人力资源、制造资源的合理配置,对缩短生产周期和降低成本有更大影响。

　　五、结论

　　虚拟制造是虚拟现实技术和计算机仿真技术在制造领域的综合发展及应用。它是产品在计算机中的虚拟实现,而且不消耗现实的资源和能量,但却能实际反映产品的有关情况。它为制造业带来全新的概念,随着虚拟制造技术的不断发展及在企业中广泛的应用,必将极大地提高企业的研发创新能力。