1、虚拟制造技术及国内外研发现状虚拟制造技术及国内外研发现状 2001-07-10 虚拟制造VM，Virtual Manufacturing是实际制造在计算机上的本质实现，是计算机仿真技术和虚拟现实技术在制造领域的综合开展及应用，是企业以信息集成为根底的一种新的制造哲理。虚拟制造技术的广泛应用将从根本上改变现行的制造模式，将带来企业组织、企业管理及生产方式等多方面的变化，对相关行业也将产生巨大影响，是下一代制造技术的重要内容之一。可以说虚拟制造技术决定着企业的未来，也决定着制造业在竞争中能否立于不败之地。 一、虚拟制造产生的背景 在经济全球化、贸易自由化和社会信息化的新形势下，世界市场由过去传统的
2、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、相互竞争日益剧烈，因此，制造业的经营战略发生了很大变化，TQCS成为现代制造企业适应市场需求、提高竞争力的关键因素。即以最快的上市速度(TTime to Market)、最好的质量 (QQuality)、最低的本钱(CCost)、最优的效劳(SService)来满足不同顾客的需求。 与此同时，信息技术取得了迅速开展，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的进步。进入九十年代以来，技术更新的速度明显加快，新兴知识转化成生产力推动力量的时间间隔越来越短。如何利用新
3、技术所提供的机遇，抓住用户需求，以最短的时间开发出用户能够接受的产品，已成为市场竞争的焦点。 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，是现代制造业开展的必由之路。自70年代以来，CAD技术是众多计算机应用技术中推广应用最为深入和最为广泛的专业应用领域之一，特别在制造业中的影响力更为突出。80年代初，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，Concurrent Engineering技术进一步提高了制造水平；进入90年代，先进制造
4、技术进一步向更高水平开展，出现了虚拟制造、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。 尽管各种新的制造概念的侧重点不同，但都无一例外地强调了充分利用现代信息技术的成果。但是，当人们试图利用信息技术工具解决制造系统的问题时，必然会遇到制造系统和信息系统之间的“语义鸿沟Semantic gap。也就是说，必须解决如何用信息工具描述制造系统、处理制造活动，如何在信息世界完整地再现真实的制造系统等等。 虚拟制造是沟通信息系统与制造系统的桥梁，为沟通信息技术与制造系统间的“语义鸿沟提供了
5、有效的工具和环境，它能够提供应我们有效的制造系统及制造活动信息化方法，使制造系统的产品及其制造过程数字化，以便计算机系统处理。 因此，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，已经成为研究和应用的热点之一。 二、虚拟制造的定义及类别 1.虚拟制造的定义 虚拟制造是一个处于开展中的新概念。目前比拟通行的说法是：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，通过三维模型及动画，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
6、质过程，以增强制造过程各级的决策与控制能力。 虚拟制造也可以对想象中的制造活动进行仿真，它根本不消耗现实物质资源，所进行的过程是虚拟过程，所生产的产品也是虚拟的。 虚拟制造可以分为三个层次： 第一层是宏观层，指能够覆盖从产品需求、产品虚拟设计、产品虚拟生产到产品虚拟消费、报废循环的整个过程，包含产品生产企业的所有活动以及用户的消费过程，这就需要表达整个制造系统中的物流、信息流、能量流，以及系统各单元间的关系、约束机制等，是指高层次大系统仿真； 第二层是中观层，指对加工环境的仿真，包含生产系统的虚拟布局、虚拟调度等生产系统的仿真，也包含零件的加工过程仿真，如刀具轨迹、加工过程仿真等； 第三层是微
7、观层，指加工过程中制造系统被加工件的各种微观特性的变化，如磨削加工中工件外表状态的变化，铸造(锻压)成型过程中材料的微观现象仿真等等。 2.虚拟制造及其相关概念 当前，在先进制造技术的研究过程中，产生了许多新的概念。为了更详细地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。 1虚拟制造和“建模与仿真(Modeling and Simulation) 虚拟制造依靠建模与仿真技术模拟制造、生产和装配过程，使设计者可以在计算机中“制造产品。建模与仿真是虚拟制造的根底。虚拟制造是建模与仿真的应用，但是它扩展了传统的建模与仿真技术。虚拟制造环境下的仿真是先进的全方位仿真，通过虚拟现实界面
8、，将虚拟产品及其制造、消费过程呈现于人的感官，在人的主观上产生产品的存在感。人可以与虚拟环境发生交互作用，沉浸在计算机产生的三维仿真环境中，感觉到一切都是“真实存在的，虚拟环境可以加深人们对复杂系统的理解。 2虚拟制造与虚拟现实(Virtual Reality)技术 虚拟现实是一种计算机生成的动态的虚拟环境，人通过适当的接口置身其中，可以参与和操纵虚拟环境中的仿真物理模型，并且可以和过去的、现在的或虚拟的人物进行交互。它通过各种虚拟设备如立体显示系统、听觉系统、触觉与力反响设备等刺激人的各个感知器官，使人能够与系统交互(Interaction)，产生沉浸(Immersion)感，对系统进行设想
9、(Imagination)。这三个I是虚拟现实的根本特征。 虚拟制造可以看作是产品设计、开发、制造过程采用虚拟现实技术的实现，通过对产品及其制造过程的仿真，使人从主观上产生虚拟产品及其制造过程的存在感。人可以沉浸在虚拟制造环境中，通过对“产品生命全程的预演，加深人们对制造过程的准确理解和直观感受。 虚拟制造是多学科、多领域知识的综合，其产生的虚拟产品、虚拟制造系统，甚至虚拟企业，需要在计算机上以直觉、生动、精确的方式呈现出来，因此虚拟现实技术是其重要的组成局部。 3虚拟制造与虚拟企业 虚拟企业是指分布在不同地区的多个企业利用计算机网络及信息系统作为手段，为快速响应市场需求而组成的动态联盟。虚拟
10、企业把不同地区的合作伙伴的现有资源技术、信息、知识、设备等，利用网络通讯技术，迅速地组合成为一种跨行业、跨地区的统一指挥、协调工作的临时经营实体。构成虚拟企业的企业实体可以分布于不同地域，具有不同的生产规模和技术组合。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。 虚拟企业与虚拟制造没有直接的相互依赖关系，虚拟企业主要强调网络，强调资源的集成和共享，而虚拟制造的重点是仿真产品的生命周期中的各个活动。在虚拟企业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。虚拟制造技术可以为虚拟企业提供可合作性的分析支持，为合作伙伴
11、提供协同工作环境和虚拟企业动态组合及运行支持环境。 4虚拟制造与精益生产 精益生产要求简化生产过程，减少信息量，消除过分臃肿的生产组织，使产品及其生产过程尽可能地简化和标准化。这样做的结果对虚拟制造的建模仿真是十分有利的，即现实生产过程越简化那么虚拟制造实现起来就越容易。精益生产的核心是准时化生产和成组技术。实行精益生产为虚拟制造的实现创造了有利条件。 5虚拟制造与并行工程Concurrent Engineering 并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关过程包括制造过程和支持过程的系统方法。它要求产品开发人员在一开始就考虑到产品从概念设计到消亡的整个产品生命周期中所有因素，包括质量、本钱、
12、进度方案和用户要求。为了到达并行的目的，必须实现产品开发过程集成并建立产品主模型，通过它来实现不同部门人员的协同工作；为了到达产品的一次设计成功，减少反复，它在许多局部应用了仿真技术；主模型的建立、局部仿真的应用等都包含在虚拟制造技术中，可以说并行工程的开展为虚拟制造技术的应用提供了良好的条件，虚拟制造将是以并行工程为根底的，并行工程的进一步开展就是虚拟制造。 6虚拟制造与敏捷制造 敏捷制造是以竞争力和信誉度为根底，选择合作者组成虚拟公司，分工合作，为同一目标共同努力来增强整体竞争能力，对用户需求作出快速反响，以满足用户的需要。为了到达快速应变能力，虚拟制造为虚拟企业的建立提供全方位的支持，即
13、敏捷制造是以虚拟制造技术为根底的。 7虚拟制造与绿色制造 绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废的整个产品生命周期中，对环境的影响负作用最小，资源的使用效率最高。绿色制造的提出是人们日益重视环境保护的必然选择，开展不能以环境污染为代价，国际制造业的实践说明，通过改良整个制造工艺来减少废弃物，要比处理工厂已经排放的废弃物大大节省开支，因此，当虚拟制造技术开展到一定阶段时，必定要集成绿色制造并为绿色制造提供技术支持。 从以上的分析中我们可以看到：各种先进制造技术是相互关联、彼此交叉的，它们都离不开计算机网络、工程数据库技术、计算
14、机仿真技术的支持，从以技术为中心向以人为中心转变，使技术的开展更加符合人类社会的需要是它们的共同特点。 3.虚拟制造的类别 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，由于应用对象的不同，各有不同的侧重点，因此出现了三个不同的类别：即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。它们分别涉及到虚拟产品生命周期中不同的方面。 1以设计为中心的虚拟制造 以设计为中心的虚拟制造是将制造信息参加到产品设计与工艺设计过程中，并在计算机中进行“制造，仿真多种制造方案和产生许多“软的模型，为设计者提供一个设计产品和评估产品可制造性的环境。它的主要支持技术包
15、括特征造型、面向数学的模型设计及加工过程的仿真技术。主要应用领域包括造型设计、热力学分析、运动学分析、动力学分析、容差分析和加工过程仿真。 2以生产为中心的虚拟制造 以生产为中心的虚拟制造是将仿真能力参加到生产过程模型中，其目的是方便和快捷地评价多种加工过程，检验新工艺流程的可信度、产品的生产效率、资源的需求状况包括购置新设备、征询盟友等，从而优化制造环境的配置和生产的供应方案。它的主要支持技术包括虚拟现实技术和嵌入式仿真技术，其主要应用领域包括工厂或产品的物理布局及生产方案的编排。 3以控制为中心的虚拟制造 以控制为中心的虚拟制造是将仿真能力增加到控制模型和实际的生产过程，模拟实际的车间生产
16、，评估车间生产活动，到达优化制造过程的目的。它的主要支持技术有：对离散制造基于仿真的实时动态调度；对连续制造基于仿真的最优控制。 三、虚拟制造的作用 目前，虚拟制造技术已经在国外有所应用，它对未来制造业和企业的开展都将会产生深远影响。 1.虚拟制造技术对未来制造业的重大作用主要表现为： 1运用软件对制造系统中的五大要素人、组织管理、物流、信息流、能量流进行全面仿真，使之到达了前所未有的高度集成与优化，到达“快、好、省的目的，为先进制造技术的进一步开展提供了更广阔的空间，同时也推动了相关技术的不断开展和进步。 2可加深人们对生产过程和制造系统的认识和理解，有利于对其进行理论升华，更好地指导实际生
17、产，即对生产过程、制造系统整体进行优化配置，推动生产力的巨大跃升。 2.虚拟制造技术对企业的作用表现在以下7个方面： (1)提供影响产品性能、影响制造本钱、影响生产周期的相关信息，以便使决策者能够正确地处理产品的性能、制造本钱、生产进度和风险之间的平衡关系，做出正确的设计和管理决策，使决策者能直观感受和准确理解各种分析结果，做出正确决策； (2)提高产品的设计质量，减少设计缺陷，优化产品性能； (3)提高工艺规划和加工过程的合理性，优化制造质量； (4)通过生产方案的仿真，可以优化资源配置和物流管理，实现柔性制造和敏捷制造，缩短制造周期，降低生产本钱； (5)通过提高产品质量、降低生产本钱和缩
18、短开发周期以及提高企业的柔性，以适应用户的特殊要求和快速响应市场的变化，形成企业的市场竞争优势； (6)虚拟制造技术的应用将加快企业人才的培养速度。就象模拟驾驶室对驾驶员、飞行员的培养所起到的良好作用一样，虚拟制造也会产生类似的作用。例如：可以对生产人员进行操作训练、异常工艺的应急处理等； (7)通过虚拟企业的概念以及具体的实践组成的快速响应部队，能在商战中为企业把握机遇和带来优势。 四、虚拟制造的研究内容及关键技术 虚拟制造技术的研究内容是极为广泛的，除了虚拟现实技术涉及的共同性技术外，虚拟制造领域本身的主要研究内容有：虚拟制造的理论体系；设计信息和生产过程的三维可视化；虚拟环境下系统全局最
19、优决策理论和技术；虚拟制造系统的开放式体系结构；虚拟产品的装配仿真；虚拟环境中及虚拟制造过程中的人机协同作业等。 根据各种相关技术在虚拟制造中的地位，可以把这些技术划分成三个级别：核心技术级，突破技术级和一般技术级。核心技术是虚拟制造的根底和关键的技术，从本质上讲，核心技术定义了虚拟制造能够做什么；突破技术是指：如果没有这些技术，虚拟制造系统就不可能建立，而一般技术那么是广泛使用的技术，在其它领域可能是必须的，但对虚拟制造是重要的，也许是关键的。下表给出了该三个级别的各种技术： 1 核心技术 过程特征的虚拟制造方法学 装配仿真技术 产品和工艺的说明性表达 虚拟制造Meta模型的自然语言 费用数
20、据库及集成 VM用户界面 VM校验与致效方法、算法和工具 工艺模型与仿真致效 使用VM系统的方法学 VM框架指南，集成标准等 设计抽象的方法学 支持概念设计工具 基于制造特征的工艺及费用估计的工具 制造工程自动化 仿真体系结构 到达“最好设计的冲突解决 STEP技术 工作流工具 决策效果的自动评价的决策支持工具 面向对象的、动态的、函数化语言和基于事件建模 2 突破技术 制造过程的计算机特征化 体素，子模型，顾客的数据交换及联接 平安性，密码技术 综合可视化技术 3 一般技术 分布式并行处理与智能协同求解 知识表示方法学、协议、语法 大型集成数据库结构 面向对象的数据库 机器智能 基于知识的系
21、统，基于规那么的系统 人工智能，神经元网络，模糊理论 软件模块化与可重构性 馄沌理论 自治代理 计算机硬件性能，高性能计算 联网/通讯 五、虚拟制造技术在制造业中的应用 目前，虚拟制造技术应用效果比拟明显的10个方面如下： 1.产品的外形设计 例如，传统汽车外形造型设计多采用塑料制作外形模型，要通过屡次评测和修改，费工费时。采用虚拟技术的外形设计，可随时修改、评测，方案确定后的建模数据可直接用于冲压模具设计、仿真和加工，甚至用于广告和宣传。在其它产品(如飞机、建筑和装修、家用电器、化装品包装等)的外形设计中同样有极大的优势。 2.产品的布局设计 在复杂产品的布局设计中，通过虚拟技术可以直观地进
22、行设计，防止可能出现的干预和其它不合理问题。例如，工厂和车间设计中的机器布置、管道铺设、物流系统等都需要该技术的支持。在复杂的管道系统设计中，采用虚拟技术，设计者可以进入其中进行管道布置，并检查可能的干预等问题。 3.产品的运动和动力学仿真 在产品设计阶段就能展示出产品的行为，动态表现产品的性能，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、可能的运动干预检查、产品动力学性能、强度、刚度等。例如，生产线上各个环节的动作协调和配合是比拟复杂的，采用仿真技术，可以直观地进行配置和设计，保证工作的协调。 4.热加工工艺模拟 针对金属材料热成形过程的技术难点(高温、动态、瞬时、难以控制质
23、量)，从材料成形理论分析入手，通过数值模拟和物理模拟方法，使得根底理论能直接定量地指导金属材料热成形过程，并对材料成形过程进行动态仿真，预测不同条件下成形后材料的组织、性能及质量，进而实现热成形件的质量与性能的优化设计，最大限度地发挥材料的性能潜力，为关键的重大装备一次制造成功提供技术支持。 5.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。 6.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，以往要到产品最后装配时才能发现，导致零件的报废和工期的延误，造成巨大的经济损失和信
24、誉损失。采用虚拟装配技术可以在设计阶段就进行验证，确保设计的正确性，防止损失。 7.虚拟样机与产品工作性能评测 首先是进行产品的立体建模，然后将这个模型置于虚拟环境中控制、仿真和分析，可以在设计阶段就对设计的方案、结构等进行仿真，解决大多数问题，提高一次试验成功率。采用虚拟现实技术，还可以方便、直观地进行工作性能检查。 8.产品的广告与漫游 用虚拟现实或三维动画技术制作的产品广告具有逼真的效果，不仅可显示产品的外形，还可显示产品的内部结构、装配和维修过程、使用方法、工作过程、工作性能等，尤其是利用网络进行的产品介绍，生动、直观，广告效果很好。网上漫游技术使人们能在城市、工厂、车间、机器内部乃至
25、图样和零部件之间进行漫游，直观方便地获取信息。 9.企业生产过程仿真与优化 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本钱有重大影响。 10. 虚拟企业的可合作性仿真与优化 虚拟制造系统可以为虚拟企业提供可合作性的分析支持，为合作伙伴提供协同工作环境和虚拟企业动态组合及运行支持环境。虚拟制造系统可以将异地的、各具优势的研究开发力量，通过网络和视像系统联系起来，进行异地开发，网上讨论。从用户订货、产品的创意、设计、零部件生产、总成装配、销售以至售后效劳这一全过程中各个环节都可以进行仿真，为虚拟企业动态组合提供支持。 六、虚拟制造技术国内外研究概况 一国外研究概
26、况 由于虚拟制造技术具有诱人的应用前景，促使兴旺国家对其进行深入研究，并已出现许多成功的应用范例。国外以美国为首的西方工业国家成立了相应的虚拟制造研究机构，在95年前已根本完成应用根底技术的研究，建立了虚拟制造技术体系，正向实际应用全面过渡。 1.主要研究机构 ( 北美 在美国已形成了由政府、产业界、大学组成的多层次、多方位的综合研究开发力量。主要研究机构有： (1)美国国家标准及技术局NIST制造工程实验室 该实验室专门设有制造系统集成部Manufacturing Systems Integration Division, MSID。该部由多个不同研究小组组成，分别负责研究和开发实现计算机辅
27、助集成制造系统所需要的各种标准和技术。它提供诸如分布式虚拟制造、柔性计算机集成制造和并行工程等领域的框架技术知识。它在这一领域的研究中比拟著名的是提供了开放式虚拟现实测试床OVRT和国家先进制造测试床NAMT。 (2)美国波音-麦道飞机制造公司 该公司不断提出新的制造理念和尝试新的制造技术。在继成功应用并行工程技术后，又采用虚拟制造技术成功地将整机产品的设计周期大大缩短。波音-麦道公司在虚拟制造方面的研究主要在应用领域。 (3)美国Maryland大学系统研究学院 CIM实验室 该实验室主要以CIM领域的最新技术为研究主题，范围覆盖工厂层和车间层问题。研究重点那么是在复杂制造系统的建模工具开发
28、和应用及用于产品开发全过程的并行工程工具的开发和应用。该室自1994年起开始虚拟制造的研究， 提出了三个中心的虚拟制造分类方法，获得国际学术界认同，其虚拟制造web站点在虚拟制造领域具有较高知名度。 4美国Michigan大学虚拟现实实验室 该实验室的研究工作主要集中于虚拟环境的工业应用方面。他们关注的是工程设计的虚拟原型构筑virtual prototyping，这方面的工作特别针对汽车和海洋工业应用；其次是制造过程的仿真以及相关的工程应用。另外，也包括虚拟现实在事故仿真、医学、建筑、考古、教育和其它领域的应用。 5美国TEXAS大学ARLINGTON分校自动化与机器人研究院 该大学研究院有
29、关虚拟制造的主要研究领域在较低层的虚拟制造环境研究上。在这方面的主要研究工作是通过为 Lockeed Martin Vought Systems和Honeywell Space Systems Division两家公司的Affordable Multi-Missile Program (AM-3)工程提供柔性制造系统的原型开发和虚拟工厂建模环境来展开的。 6华盛顿州立大学虚拟现实和计算机集成制造实验室 该实验室的工作主要也是集中在虚拟现实技术在制造领域的应用。 7Purdue大学工学院协同制造研究中心 该中心的研究工程中包含一些与虚拟制造相关的课题，如零件族的CAD方法学，应用虚拟现实接口进行
30、零件的反复性设计，基于特征的CAD,加工单元的图形仿真，产品模型和建模方法等。 8Iowa州立大学虚拟现实应用研究中心 该中心正在从事虚拟原型构造及可视化方面的研究。主要的工程有：交互式结构分析，交互式球形结构综合Isis - Interactive Synthesis of Spherical Mechanisms，与John Deere公司合作的应用虚拟现实进行产品开发工程，工程设计优化用虚拟现实环境，轴向活塞泵的动态模型，动态统计数据挖掘利用，交互式模块化建模，计算流体动力学的可视化分析，高维数据的可视化分析等。 9美国东北大学虚拟环境实验室 该实验室主要开展的是车辆驾驶员虚拟环境的研究
31、。正在从事的工程有：基于虚拟环境的驾驶仿真器，用户角度出发的道路和交通状况的动态可视化研究，恶劣环境强光、雨天和大雾适用的驾驶仿真器，高速公路驾驶仿真等一系列与驾驶有关的虚拟环境研究工程。 10美国伊利诺斯大学芝加哥分校机械系工业虚拟现实研究所 该研究所主要从事工业与制造应用相关的，尤其是与制造设计、工艺处理、后勤学、运输与出售、决策支持等相关的虚拟现实技术研究。主要工程有：工厂及工艺过程模型、远程工程和产品仿真。 加拿大WATERLOO大学的机械工程系和集成制造系统管理研究中心都有局部与虚拟制造相关的研究工程。 ( 欧洲 在欧洲，许多大学和研究机构通过相互间的合作并联合企业进行虚拟制造技术的研究工作。 1英国Bath大学机械工程系 该系的研究方向之一制造过程及系统将虚拟制造列为一项研究内容。其虚拟制造研究的主要侧重点在支持虚拟制造的CAD/CAM仿真软件的开发应用方面。主要的成就在于用 OpenInventor2.0软件工具开发出了基于自己的Svlis几何造型工具的虚拟制造系统。 2英国Leeds大学计算机研究学院 该大学的研究主要集中在虚拟原型的构造和仿真以及可视化技术方面。 3英国Loughborough大学 该大学对虚拟制造的研究主要面向建筑工业应用。主要的工程是与法国合作的ProMICEProdu
