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虛擬制造技術(shù)概述
 更新時間:2008-3-1 8:19:30  ( 編輯:映君 )   

  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)帶來嚴峻的挑戰(zhàn)。隨著計算機網(wǎng)絡和虛擬現(xiàn)實等先進技術(shù)的出現(xiàn),在20世紀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)一的認識,籠統(tǒng)的理解是:在計算機內(nèi)構(gòu)造虛擬的生產(chǎn)系統(tǒng)模型,進行實際生產(chǎn)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(chǎn)系統(tǒng)的相互對應關(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(chǎn)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(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模型抽取相應的信息。可是目前CAD模型主要是從幾何實體的角度描述產(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)品的概念設計,只能支持產(chǎn)品的詳細設計;3)缺乏良好的產(chǎn)品信息重用機制。目前各應用軟件間的產(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)的復雜度,而且無法實現(xiàn)模型間數(shù)據(jù)的自動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(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(jié)合的工具。如何將知識與VM的數(shù)字產(chǎn)品結(jié)合起來是一個巫待解決的難題;3)缺少交互式外型設計技術(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)設計為核心的產(chǎn)品交互式外型設計技術(shù)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(shù)、殘缺數(shù)據(jù)的修復技術(shù)等需要進一步改進與完善;

  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)字樣機的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹不僅要反映產(chǎn)品設計階段的構(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。

  d)制造過程仿真建模方法和技術(shù):基于物理學模型的制造過程仿真技術(shù)盡管已經(jīng)得到了廣泛的應用,但其建模方法及建模技術(shù)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(chǎn)品品質(zhì)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?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(chǎn)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(shù)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(shù)研究。虛擬測試是成功運用虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),因為在現(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(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,也是計算機圖形技術(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(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(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
      
  盡管虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(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)品設計、虛擬工藝設計、虛擬生產(chǎn)加工、虛擬裝配、虛擬企業(yè)與虛擬設備、原料和產(chǎn)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(jié)論
              
  VMT是信息化制造的重要技術(shù)之一,實現(xiàn)VM需要強有力的技術(shù)支撐。VMT的應用應結(jié)合我國制造業(yè)自身的特點。在吸收國外成熟經(jīng)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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