虚拟制造技术及其应用综述

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1、虚拟制造技术及其应用综述

2、第10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。制造企业为了在竞争中求得生存与发展，必须解决TQCS难题，即以最快的上市速度T、最好的质量Q、最低的成本C和最优的服务S，满足不同顾客的需求。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。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、信息技术等取得了人们意想不到的进步。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)开始得到实施;80年代后期提出了虚拟制造技术(VMT)，

3、90年代得到极大重视并得到迅速发展。1虚拟制造技术定义现在对虚拟制造(VirtualManufacturing,简称VM)的定义多种多样，美国佛罗里达大学GloriaJ.Wiens等人对虚拟制造的定义侧重于虚拟制造与实际制造过程的相似性，认为虚拟制造与实际制造一样，只不过是在计算机上执行制造的全过程，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的潜在问题进行预测;而美国空军Wright实验室和马里兰大学EdwardLin的定义则侧重于虚拟制造的仿真、建模与分析技术和工具的综合应用，以增强各层的制造设计能力及生产决策与控制能力。综合以上定义，不难看到，目

4、前，对虚拟制造技术的研究正处于不断的深入、细化之中，因此对其的定义也是在不断的完善。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

5、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。2虚拟制造技术的研究内容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

6、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。一般来说，虚拟制造的研究都与特定的应用环境和对象相联系，由于应用的不同要求而存在不同的侧重点，因此出现了三种流派，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。3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

7、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

8、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入的模型。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

9、制造性、工艺性、可靠性、