虛擬制造與機械制造結(jié)合運用,加工效率可大大提高

虛擬制造在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，如美國、德國、日本等已得到了不同程度的研究和應(yīng)用。在這一領(lǐng)域，美國處于國際研究的前沿。福特汽車公司和克萊斯勒汽車公司在新型汽車的開發(fā)中已經(jīng)應(yīng)用了虛擬制造技術(shù)，大大縮短了產(chǎn)品的發(fā)布時間。

一、虛擬制造的定義及特點

虛擬制造是20世紀(jì)80年代后期美國首先提出來的一種新思想，它是利用信息技術(shù)、仿真技術(shù)、計算機技術(shù)等對現(xiàn)實制造活動中的人、物、信息及產(chǎn)品設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工制造等生產(chǎn)過程進行全面的仿真，以發(fā)現(xiàn)制造中可能出現(xiàn)的問題，預(yù)測、檢測、評價產(chǎn)品性能和產(chǎn)品的可制造性等，在產(chǎn)品實際生產(chǎn)前就采取預(yù)防措施，確保產(chǎn)品一次性開發(fā)成功，以達(dá)到降低成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、增強企業(yè)競爭力的目的。

虛擬現(xiàn)實(VR，VirtualReality)技術(shù)是使用感官組織仿真設(shè)備和真實或虛幻環(huán)境的動態(tài)模型生成或創(chuàng)造出人能夠感知的環(huán)境或現(xiàn)實，使人能夠憑借直覺作用于計算機從而產(chǎn)生三維仿真模型的虛擬環(huán)境。基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬制造(VM，VirtualManufacturing)技術(shù)是在一個統(tǒng)一模型之下對設(shè)計和制造等過程進行集成，它將與產(chǎn)品制造相關(guān)的各種過程與技術(shù)集成在三維的、動態(tài)的仿真真實過程的實體數(shù)字模型之上。虛擬制造強調(diào)虛擬現(xiàn)實在設(shè)計和制造過程仿真中的應(yīng)用，強調(diào)以一種可視化的直觀的方式增進技術(shù)人員對所設(shè)計的產(chǎn)品或過程的理解，從而發(fā)現(xiàn)其中的問題。虛擬制造并不是真實的制造過程。它不產(chǎn)生真實產(chǎn)品，基本不消耗材料和能量，而是利用制造對象、制造資源和制造過程的模型來展現(xiàn)“制造”的本質(zhì)過程。

二、虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用

1.虛擬制造技術(shù)在國內(nèi)外的應(yīng)用情況
虛擬制造在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，如美國、德國、日本等已得到了不同程度的研究和應(yīng)用。在這一領(lǐng)域，美國處于國際研究的前沿。福特汽車公司和克萊斯勒汽車公司在新型汽車的開發(fā)中已經(jīng)應(yīng)用了虛擬制造技術(shù)，大大縮短了產(chǎn)品的發(fā)布時間。波音777，其整機設(shè)計、部件測試、整機裝配以及各種環(huán)境下的試飛均是在計算機上完成的，其開發(fā)周期從過去的8年縮短到5年；Chrycler公司與IBM合作開發(fā)在虛擬制造環(huán)境用于其新型車的研制，在樣車生產(chǎn)之前，即發(fā)現(xiàn)其定位系統(tǒng)及其他許多設(shè)計有缺陷，從而縮短了研制周期。

在我國，清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等科研教學(xué)單位也已經(jīng)開展了這一領(lǐng)域的研究工作。當(dāng)前我國虛擬制造應(yīng)用的重點研究方向是基于我國國情，進行產(chǎn)品的三維虛擬設(shè)計、加工過程仿真和產(chǎn)品裝配仿真，主要是研究如何生成可信度高的產(chǎn)品虛擬樣機，在產(chǎn)品設(shè)計階段能夠以較高的置信度預(yù)測所設(shè)計產(chǎn)品的最終性能和可制造性。

2.虛擬制造技術(shù)在機械制造中的應(yīng)用

(1)虛擬企業(yè)。虛擬企業(yè)是指分布在不同地區(qū)的多個企業(yè)利用電子手段，為快速響應(yīng)市場需求而組成的動態(tài)聯(lián)盟，是組織、人力、技術(shù)、信息等資源在完善的網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的有效集成。這種企業(yè)組織和生產(chǎn)模式可克服窖和時間的局限性，保持集中和分散之間穩(wěn)定、合理的平衡，具備系統(tǒng)優(yōu)化組合和有效協(xié)調(diào)的優(yōu)越性。

(2)虛擬產(chǎn)品設(shè)計。例如飛機、汽車的外形設(shè)計，其形狀是否符合空氣動力學(xué)原理、運動過程的阻力、其內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局的合理性等。在復(fù)雜管道系統(tǒng)設(shè)計中，彩虛擬技術(shù)，設(shè)計者可“進入其中”進行管道布置，并可檢查是否發(fā)生干涉。這樣可提高設(shè)計效率，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題，從而優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計。例如波音777飛機有300萬個零件，這些零件的設(shè)計以及整體設(shè)計在一個由數(shù)百臺工作站組成的虛擬環(huán)境中得以成功運行。這個VMS是在原有的Boing-CAD的基礎(chǔ)上建立。設(shè)計師戴上頭盔顯示器后，能進入虛擬“飛機”中，審視其各項設(shè)計。過去為造實體模型需60萬美元，應(yīng)用VMT后，節(jié)省了經(jīng)費，縮短了研制周期，使最終的實際飛機與原方案相比，偏差小于1%，且實現(xiàn)機翼和機身結(jié)合的一次成功，縮短數(shù)千小時的設(shè)計工作量。

(3)虛擬產(chǎn)品制造。應(yīng)用計算機仿真技術(shù)，對零件的加工方法、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、運行物件的運動性等均可建模仿真，提前發(fā)現(xiàn)加工缺陷和裝配時出現(xiàn)的問題，從而優(yōu)化制造過程、提高加工效率。

(4)虛擬生產(chǎn)過程。產(chǎn)品生產(chǎn)過程的合理制定，人力資源、制造資源、物料庫存、生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計等，均可通過計算機仿真進行優(yōu)化，同時還可對生產(chǎn)系統(tǒng)進行可靠性分析，對生產(chǎn)過程的資金進行分析預(yù)測，對產(chǎn)品市場進行分析預(yù)測等，從而對人力、制造資源的合理配置，對縮短生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本意義重大。JohnDeere公司運用VMT進行弧焊生產(chǎn)系統(tǒng)的安裝，EDS公司應(yīng)用DENEB軟件為通用汽車公司的中、高檔豪華汽車分廠進行裝配生產(chǎn)優(yōu)化設(shè)計，GM公司也為此節(jié)省數(shù)百萬美元，并提前了上市時間。

3.典型的虛擬制造技術(shù)
(1)虛擬裝配。裝配是產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)，虛擬裝配則是裝配過程在計算機上的本質(zhì)實現(xiàn)，因而是虛擬裝配的重要組成部分。它能夠基于產(chǎn)品的數(shù)字化實體模型，在計算機上分析與驗證產(chǎn)品的裝配性能及工藝過程，從而提高產(chǎn)品的可裝配性。

虛擬裝配模型是分析裝配問題的基礎(chǔ)，因此，面向裝配過程的、支持虛擬裝配中各種需要的產(chǎn)品裝配模型在虛擬裝配中十分重要，模型的特點和優(yōu)劣在很大程度上決定了系統(tǒng)所能實現(xiàn)的功能。

(2)多學(xué)科協(xié)同仿真。多學(xué)科協(xié)同仿真就是要在系統(tǒng)工程理論的指導(dǎo)下，基于復(fù)雜產(chǎn)品中各個學(xué)科之間的內(nèi)在交互關(guān)系，將位于不同地點、基于不同計算機平臺、采用不同建模方法建立的混合異構(gòu)仿真模型，在分布式環(huán)境中聯(lián)合起來進行多學(xué)科協(xié)同仿真。

(3)虛擬車間布局設(shè)計。制造系統(tǒng)的布局設(shè)計就是在企業(yè)經(jīng)營策略的指導(dǎo)下，針對生產(chǎn)過程，將人員物料及所需的相關(guān)設(shè)備設(shè)施等，做最有效的組合和規(guī)劃，并與其他相關(guān)設(shè)施協(xié)調(diào)，以期獲得安全、效率與經(jīng)濟的操作，滿足企業(yè)經(jīng)營需求。運用面向?qū)ο蟮哪M仿真，可以幫助使用者建立用于規(guī)劃、設(shè)計和流程優(yōu)化的虛擬模型，依據(jù)不同決策變量之組合，分析設(shè)備使用率、系統(tǒng)產(chǎn)能、有效產(chǎn)出率，以及交貨期、成本等策略，達(dá)到產(chǎn)能最大化、排程最優(yōu)化、半成品及庫存最小化等目標(biāo)。