虚拟制造(ZT)

一 概述
　　自70年代以来，世界市场由过去传统的相对稳定逐步演变成动态多变的特征，由过去的局部竞争演变成全球范围内的竞争；同行业之间、跨行业之间的相互渗透、相互竞争日益激。为了适应变化迅速的市场需求，为了提高竞争力，现代的制造企业必须解决TQCS难题，即以最快的上市速度(T--Time to Market)，最好的质量(Q--Quality)，最低的成本(C--Cost)，最优的服务(S--Service)来满足不同顾客的需求。
　　与此同时，信息技术取得了迅速发展，特别是计算机技术、计算机网络技术、信息处理技术等取得了人们意想不到进步。二十多年来的实践证明，将信息技术应用于制造业，进行传统制造业的改造，是现代制造业发展的必由之路。80年代初，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，Computer Integrated Manufacturing System)开始得到实施；80年代末，以过程集成为核心的并行工程(CE，Cocurrent Engineering)技术进一步提高了制造水平；进入90年代，先进制造技术进一步向更高水平发展，出现了虚拟制造(VM，Virtual Manufacturing)、精益生产(LP，Lean Production)、敏捷制造(AM，Agile Manufacturing)、虚拟企业(VE，Virtual Enterprise)等新概念。
　　在这些诸多新概念中，"虚拟制造"引起了人们的广泛关注，不仅在科技界，而且在企业界，成为研究的热点之一。原因在于，尽管虚拟制造的出现只有短短的几年时间，但它对制造业的革命性的影响却很快地显示了出来。典型的例子有波音777，其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均是在计算机上完成的，使其开发周期从过去8年时间缩短到5年。又如Perot System Team利用Dench Robotics开发的QUEST及IGRIP设计与实施一条生产线，在所有设备订货之前，对生产线的运动学、动力学、加工能力等各方面进行了分析与比较，使生产线的实施周期从传统的24个月缩短到9.5月。Chrycler公司与IBM合作开发的虚拟制造环境用于其新型车的研制，在样车生产之前，发现其定位系统的控制及其它许多设计缺陷，缩短了研制周期。
　　因此，近几年，工业发达国家均着力于虚拟制造的研究与应用。在美国，NIST (National Institute of Standards and Technology)正在建立虚拟制造环境(称之为国家先进制造测试床National Advanced Manufacturing Testbed,NAMT)，波音公司与麦道公司联手建立了MDA(Mechanical Design Automation)，在德国，Darmstatt技术大学Fraunhofer计算机图形研究所，加拿大的Waterloo大学，比利时的虚拟现实协会等均先后成立了研究机构，开展虚拟制造技术的研究。
　　由于"虚拟制造"概念出现才几年时间，目前还缺乏从产品生产全过程的高度开展虚拟制造技术的系统研究。例如，虚拟制造的内涵是什么？它包涵哪些关键技术？如何建立集产品研究、设计、工艺、制造、标准、资源共享、技术共享、信息传递、市场需求、系统控制于一体的虚拟制造环境？这些仍然是世界各国研究人员正在研究和探讨的问题。本文就"虚拟制造"的内涵。涉及到关键技术进行探讨，并提出支持产品生产全过程的虚拟制造平台的框架及体系结构。

二 虚拟制造的定义
　　"虚拟制造"是由美国首先提出的一种全新概念。什么是虚拟制造?它包括哪些内容？这些至今仍然是人们讨论的问题。很多人曾为虚拟制造进行定义，比较有代表性有：
　　佛罗里达大学Gloria J.Wiens的定义：虚拟制造是这样一个概念，即与实际一样在计算机上执行制造过程。其中虚拟模型是在实际制造之前用于对产品的功能及可制造性的潜在问题进行预测。该定义着眼于结果。
　　美国空军Wright实验室的定义﹕虚拟制造是仿真、建模和分析技术及工具的综合应用，以增强各层制造设计和生产决策与控制。该定义着眼于手段。
　　另一个有代表性的定义是由马里兰大学Edward Lin&etc给出的﹕虚拟制造是一个用于增强各级决策与控制的一体化的、综合性的制造环境。该定义着眼于环境。　　
　　综合目前国际上有代表性的文献，本文对虚拟制造定义如下：虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本质实现，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在计算机上群组协同工作，实现产品的设计、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。
　　可以看到，"虚拟制造"虽然不是实际的制造，但却实现实际制造的本质过程，是一种通过计算机虚拟模型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，提高人们的预测和决策水平，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。
　 与实际制造相比较，虚拟制造的主要特点是：
　(1)产品与制造环境是虚拟模型，在计算机上对虚拟模型进行产品设计、制造、测试，甚至设计人员或用户可"进入"虚拟的制造环境检验其设计、加工、装配和操作，而不依赖于传统的原型样机的反复修改；还可将已开发的产品(部件)存放在计算机里，不但大大节省仓储费用，更能根据用户需求或市场变化快速改变设计，快速投入批量生产，从而能大幅度压缩新产品的开发时间，提高质量、降低成本；
　(2)可使分布在不同地点、不同部门的不同专业人员在同一个产品模型上同时工作，相互交流，信息共享，减少大量的文档生成及其传递的时间和误差，从而使产品开发以快捷、优质、低耗响应市场变化。

三 虚拟制造的内涵
　　如果将实际制造系统(RMS，Real Manufacturing System)抽象成由实际物理系统(RPS)、实际信息系统(RIS)，实际控制系统(RCS)组成的，可以简单标识为：
　 　RMS=｛RPS，RIS，RCS｝ RPS包括所有的制造物理实体，例如材料，机床，机器人，夹具，控制器等；RIS包括信息处理和决策，如调度、计画、设计。RIS通过RCS与RPS交换信息。
　　那么，我们可以将实际制造系统映像于基到虚拟制造技术的虚拟制造系统，虚拟制造系统可以表示为：VMS=｛VPS，VIS，VCS｝，其中VPS是虚拟物理系统，VIS为虚拟信息系统，VCS是虚拟控制系统。
　　按照与生产各个阶段的关系，有些文献将虚拟制造分成三类，即以设计为核心的虚拟制造(Design?Centered VM)、以生产为核心的虚拟制造(Production Centered VM)和以控制为中心的虚拟制造(Control?Centered VM)。这三类虚拟制造的关系可以用图2描述。
　　以设计为核心的虚拟制造把制造信息引入到整个的设计过程，利用仿真来优化产品设计，例如DFX技术，通过"在计算机上制造"产生许多"软"样机；以生产为核心的虚拟制造是在生产过程模型中加入仿真技术，以此来评估和优选生产过程，例如组织与重组织技术；以控制为中心的虚拟制造是将仿真加到控制模型和实际处理中，可"无缝"地仿真使得实际生产优化。
　　虚拟制造从根本上讲就是要利用计算机生产出"虚拟产品"，我们不难看出，虚拟制造技术是一个跨学科的综合性技术，它涉及到仿真、可视化、虚拟现实、资料继承、优化等领域。然而，目前还缺乏从产品生产全过程的高度开展对虚拟制造的系统研究。这表现在：
　　● 虚拟制造的基础是产品、工艺规划及生产系统的信息模型。尽管国际标准化组织花了很大精力去开发产品信息模型，但CAD开发者尚未采用它们；尽管工艺规划模型的研究已获得了一些进展和应用，但仍然没有一种综合的，可以集成于虚拟制造平台的工艺规划模型；生产系统能力和性能模型，以及其动态模型的研究和开发需要进一步加强；
　　● 现有的可制造性评价方法主要是针对零部件制造过程，因而面向产品生产过程的可制造性评价方法需要研究开发，包括各工艺步骤的处理时间，生产成本和质量的估计等；
　　● 制造系统的布局，生产计画和调度是一个非常复杂的任务，它需要丰富的经验知识，支持生产系统的计画和调度规划的虚拟生产平台需要拓展和加强；
　　● 分布式环境，特别是适应敏捷制造的公司合作，信息共享，信息安全性等方法和技术需要研究和开发，同时经营管理过程重构方法的研究也需加强；
　　● 虚拟制造环境缺乏统一的集成框架和体系。

四 CIMSERC的虚拟制造体系结构及环境
　　从产品生产的全过程来看，"虚拟制造"应包括产品的"可制造性"、"可生产性"和"可合作性"。所谓"可制造性"系指所设计的产品(包括零件、部件和整机)的可加工性(铸造、冲压、焊接、切削等)和可装配性；而"可生产性"系指在企业已有资源(广义资源，如：设备、人力、原材料等)的约束条件下，如何优化生产计画和调度，以满足市场或顾客的要求；虚到制造技术的发展还应对被喻为二十一世纪的制造模式"敏捷制造"提供支持，即为企业动态联盟(VE，Virtual Enterprise)的"可合作性"提供支持。而且，上述三个方面对一个企业来说的相互关联的，应该形成一个集成的环境。因此，应从三个层次，即"虚拟制造"，"虚拟生产"，"虚拟企业"开展产品全过程的虚拟制造技术及其集成的虚拟制造环境的研究，包括产品全信息模型、支持各层次虚拟制造的技术并开发相应的支撑平台、以及支持三个平台及其集成的产品数据管理(PDM)技术。
　　基于上述思想，国家CIMS工程技术研究中心根据先进制造技术发展的要求，正在着手建立虚拟制造研究基地。该基地建立了以下虚拟制造技术体系结构：
　　(1)虚拟制造平台
　　该平台支持产品的并行设计、工艺规划、加工、装配及维修等过程，进行可制造性(Manufacturability)分析(包括性能分析、费用估计，工时估计等)。它是以全信息模型为基础的众多仿真分析软件的集成，包括力学、热力学、运动学、动力学等可制造性分析，具有以下研究环境：
　　● 基于产品技术复合化的产品设计与分析，除了几何造型与特征造型等环境外，还包括运动学、动力学、热力学模型分析环境等；
　　● 基于仿真零部件制造设计与分析，包括工艺生成优化、工具设计优化、刀位轨迹优化、控制代码优化等；
　　● 基于仿真的制造过程碰撞干涉检验及运动轨迹检验-虚拟加工、虚拟机器人等；
　　● 材料加工成形仿真，包括产品设计，加工成形过程温度场、应力场、流动场的分析，加工工艺优化等；
　　● 产品虚拟装配，根据产品设计的形状特征，精度特征，三维真实地模拟产品的装配过程，并允许用户以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程，以检验产品的可装配性。
　　(2)虚拟生产平台
　　该平台将支持生产环境的布局设计及设备集成、产品远程虚拟测试、企业生产计画及调度的优化，进行可生产性(Producibility)分析。
　　●虚拟生产环境布局
　　根据产品的工艺特征，生产场地，加工设备等信息，三维真实地模拟生产环境，并允许用户交互地修改有关布局，对生产动态过程进行模拟，统计相应评价参数，对生产环境的布局进行优化；
　　●虚拟设备集成
　　为不同厂家制造的生产设备实现集成提供支撑环境，对不同集成方案进行比较；
　　●虚拟计画与调度
　　根据产品的工艺特征，生产环境布局，模拟产品的生产过程，并允许用户以交互方式修改生产排程和进行动态调度，统计有关评价参数，以找出最满意的生产作业计画与调度方案。
　　(3)虚拟企业平台
　　被预言为21世纪制造模式的敏捷制造，利用虚拟企业的形式，以实现劳动力、资源、资本、技术、管理和信息等的最优配置，这给企业的运行带来了一系列新的技术要求。虚拟企业平台为敏捷制造提供可合作性(Corporatability)分析支持。
　 　●虚拟企业协同工作环境
　　支持异地设计、异地装配、异地测试的环境，特别是基于广域网的三维图形的异地快速传送、过程控制、人机交互等环境。
　 　●虚拟企业动态组合及运行支持环境，特别是INTERNET与INTRANET下的系统集成与任务协调环境。
　　(4)基于PDM的虚拟制造平台集成
　　虚拟制造平台应具有统一的框架、统一的数据模型，并具有开放的体系结构。
　 　●支持虚拟制造的产品数据模型
　　提供虚拟制造环境下产品全局数据模型定义的规范，多种产品信息(设计信息、几何信息、加工信息、装配信息等)的一致组织方式的研究环境。
　 　●基于产品数据管理(PDM)的虚拟制造集成技术
　　提供在PDM环境下，"零件/部件虚拟制造平台"、"虚拟生产平台"、"虚拟企业平台"的集成技术研究环境；
　 　●基于PDM的产品开发过程集成
　　提供研究PDM应用接口技术及过程管理技术，实现虚拟制造环境下产品开发全生命周期的过程集成。
　　图4简要给出了该基地的框架。该虚拟制造环境分为四部分，其中虚拟制造平台环境分为冷加工和热加工两部分，热加工部分包括支持热加工(铸造、冲压)成形与分析的虚拟制造环境，为一局域网；冷加工部分包括支持异地协同设计的几何造型设计与分析、切削加工及装配的虚拟制造环境，是另一局域网；支持虚拟生产平台、虚拟企业平台的虚拟制造环境、产品数据管理(PDM)(隐含在虚拟企业平台中，负责上述四部分公共数据管理与维护)也构成局域网，三个局域网通过校园网相连，形成以PDM为中心的客户/服务器环，传送速度为100兆位/秒。

五 虚拟现实技术在生产制造上的应用
　　一个产品从概念设计到投放市场，即产品的生产周期按时间顺序可分为概念设计、详细设计、加工制造、测试和培训/维护，VR技术可以在产品的全部生产周期中各个阶段发挥重要的作用。下面着重谈其中的几个方面：
　　1. 基于VR技术的产品开发
　　VR的沉浸性和交互性特性使得它成为用来设计新产品和开发相应生产线的得力工具。首先考虑一下设计并构造一个新产品原型所需要的时间。在设计过程中，设计师要考虑到产品的各个方面，以满足一定的安全性、人机工程学、易维护性和装配标准。因此，设计过程中严格地受到生产、时间和费用的限制。VR能完成比CAD更多的功能，CAD通常只考虑产品各个子部件的几何特征和相互间的几何约束。而在VR中，可以将以上提到的多种所需满足的条件集成到设计过程中一并考虑，我们还能适当减少子部件数目，甚至可以按比例放缩部件尺寸，这大大降低了设计费用和原型构造时间，更进一步的达到产品用户化的目标。
　　例如，在飞机制造业中，为评测某飞机设计方案的优劣，要建立一系列与真实产品同尺寸的物理模型，并在模型上进行反复修改，这要花去大量时间和费用，而在过去是不可避免的。如今美国波音公司在飞机设计中运用VR技术完全改变了这种设计方法。波音公司为设计波音777飞机，研制了一个名为"先进计算机图形交互应用系统"的虚拟环境，用VR技术在此环境中建立一驾飞机的三维模型。这样设计师戴上头盔显示器就可以在这驾虚拟飞机中遨游，检查"飞机"的各项性能，同时，还可以检查设备的安装位置是否符合安装要求等等。最终的实际飞机与设计方案相比，偏差小于千分之一寸，机翼和机身的接合一次成功，缩短了数千小时的设计工作量。
　　同样，其它大型、复杂的产品如船舶、潜艇设计等都可以运用VR技术达到节约设计费用和时间提高设计成功率的目标。
　　采用VR技术设计产品还有以下优点：产品用户化的一个不利效应是增加了模型的变量数目，也就相应地增加了生产的复杂度。VR可在要加工的部位加上纹理和图形信息，这对机械制造起到很好的向导作用。同样的过程可辅助训练和指导生产者，使他们能很快胜任新工作。虚拟环境的网络化可对某一项目合作组的成员进行设计、生产训练。这些合作组的成员可以在同一个或不同工厂里，或者甚至是来自院校的专家和国外顾问。
　　2. 虚拟现实技术在制造车间设计中的作用
　　目前众多的制造系统可按递阶控制层次分为四层：工厂层、车间层、制造单元层、设备层，其中车间层的设计与车间中设备的利用率、产品的生产效率等密切相关，如果设计不当，就会造成设备利用率低、车间产量不能满足用户需求、操作人员的空闲时间多。所以，如何合理地设计制造车间，保证它的高效运行是一个非常重要的问题。采用VR技术能提高设计的可行性、有效性。 车间设计的主要任务是把生产设备、刀具、夹具、工件、生产计画、调度单等生产要素有机地组织起来。
　　在车间设计的初步阶段，设计者根据用户需求，确定车间的功能需求、车间的模式、主要加工设备、刀具和夹具的类型和数量，提出一组候选设计方案。VR的作用就是帮助设计者评测、修改设计方案，得到最佳结果。
　　在详细设计阶段，设计者完成对各个组成单元的完整描述，运用VR造型技术生成各个组成单元的虚拟表示，并进而用这些虚拟单元布置整个车间，其中还可加上自动导引小车、机器人、仓库等车间常用设备。设计者戴上头盔显示器就可穿行于虚拟车间之中，他可以开启其中的任何设备，观测运行情况，凡是他能想到的检测条件都立即能看到检测结果。他还可以在视察时交互式地修改设计方案，比如移动设备的位置，增加/删除设备的个数，这种"所想即所见"的设计方式极大地提高了设计的成功率。
　　3. VR技术在生产计画安排上的应用
　　生产计画安排的可视化对于制造决策是极其有用的，但目前它还未能完全实现。使用VR技术，可将成百上千件产品、成千上万个零部件和许多其它生产要素可视化，辅助计画者更好地评价、选择生产计画。
　　计算机产生的图像可将计画者的大脑负担转移到他们的感官系统，这就加快了工作进程。生产计画资料变成立体的或多维的图形，可表达复杂的内部关系。
　　但问题并不是那么简单，不能只简单地用某种图形来表示每种资料和资料之间的关系，否则只会生成一幅杂乱无章的图像。在绘制之前，要先进行视觉抽象，在2维平面上用一种形体代表一种资料，这种形体要满足：
　　●支持视觉感知；
　　●构造有效的视觉表示以便于各种层次的解释；
　　●保证结果图像要便于商业经理理解和使用。

六 采用虚拟制造技术可以给企业带来下列效益
　　1. 提供关键的设计和管理决策对生产成本、周期和能力的影响信息，以便正确处理产品性能与制造成本、生产进度和风险之间的平衡，作出正确的决策；
　　2. 提高生产过程开发的效率，可以按照产品的特点优化生产系统的设计；
　　3. 通过生产计画的仿真，优化资源的利用，缩短生产周期，实现柔性制造和敏捷制造；
　　4. 可以根据用户的要求修改产品设计，及时作出报价和保证交货期。