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                           虛擬制造技術與數字化工藝

   目前設計技術研究主要集中在詳細設計階段,CAD系統雖然提供了表示和操作復雜零件 的方法,但是它不能表示概念設計階段的信息。隨著全球競爭的增加,為了縮短產品的上市時間,在八十年代相繼提出了FMS(Fexible Manufacturing System)、CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)、CE(Conturrent Engineering)等新的概念,對它們的研究與應用,提高了產品的質量和生產效率。隨著網絡和生產技術的發展,在九十年代提出了敏捷制造AM(Agile Manufacturing)、精良制造LM(Lean Manufacturing)、分布式制造(Distributed Manufacturing)和虛擬企業VE(Virtual Enterprise)等新的研究領域,在這種情況下,產生了虛擬制造VM(Virtual Manufacturing)。虛擬制造建立了計算機化的制造活動這樣一個關鍵概念,它概括了對真實制造世界的對象和活動的建模與仿真研究的各個方面。虛擬制造的基礎是用計算機支持的技術對所有必要的制造活動進行徹底的建模與仿真,其中建立計算機化的工藝過程,即:數字化加工過程是虛擬制造研究的核心基礎工作之一。本文詳細地討論了VM的定義、VM的流派、VM與其他相關技術的關系以及VM在數字化工藝中的研究與應用。

 1、虛擬制造的定義

    在Lawrence Associates的Virtual Manufacturing User Workshop報告中,VM被定義為:它是一個集成的、綜合的可運行制造環境,用來提高各個層次的決策和控制。各部分的語義說明如下:

·綜合 指真實的和仿真的對象、活動和過程的混合狀態。
·環境 通過協同地提供分析工具、仿真工具、應用工具、控制工具、模型(產品、過程和資源)、設備以及組織方法的集合,用以支持構造和使用分布式制造仿真。
·運行 用環境來構造和操作特定的制造仿真。
·提高 增加它的精度和可靠性。
·層次 是指從產品的概念設計到回收利用、從車間到執行位置、從物質的轉換到信息的傳遞等各個方面。
·決策 是指改變(可視化、組織、定義和選擇)后的影響。
·控制 預測效果的真實性。

    上述關于VM的定義沒有充分強調VM在預測過程、成本和質量方面的能力,而且它沒有說明VM預測的可靠性和精度,因此它還存在下面的缺點:

·該定義限制了它處理的范圍,并且提高了工程和制造之間的交互性。

·雖然它的最理想的定義達到了對VM最全面的描述,但是,根據不同用戶的對象、技術背景和水平,VM應該有不同的定義。

·VM的定義應與特定用戶的經驗基礎相聯系,這里的制造應該是廣義的、企業范圍的“大”制造。因為在車間之外的重要活動也包含在建模、數據和仿真中。

    VM的定義必須與特定用戶的經驗和要求相聯系,因此,VM不可能只有一種定義,對于每一個人來說,VM并不是完全相同的,所以應了解它與其他相關概念的區別。給出一個象VM這樣覆蓋面廣的定義,是非常困難的。VM的定義不可能包含它的每一個方面。因此,為了更好地解釋VM,下面對VM的內涵進行說明:

·通過基于建模的途徑和利用仿真,VM主要是為了提高加工過程的質量。

·VM最重要的作用是為實施IPPD(Integrated Product Process Development)提供一個工具,特別是用于預測產品成本和控制功能。

·VM的基本目的是基于計算機模擬產品的開發環境,使得設計者在真正的加工之前就能夠模擬地制造產品。這里的“產品開發”包括了與產品相關的所有活動,不僅包括技術上的和商業上的,而且包含了產品的設計和生產。但是,VM并不仿真所有的這些方面。例如,VM不仿真設計過程,但它支持設計過程。VM不模擬可靠性或質量工程,但是在許多情況下VM的仿真需要有到設計、可靠性、質量和其他信息的接口。

·VM是基于模型的制造,使用的工具反過來影響這些模型。最初始的工具是仿真,利用仿真可以降低制造成本,而且可以檢查真實空間和虛擬空間的許多參數。

·從全局的觀點來講,在一個IPPD環境下,通過在計算機中完成“制造”,VM提供了對部分或全部設計過程的評價方法。

·VM并不是單個的解決方案、結構或數據庫,它是許多小的、相對獨立的工具集合,這些工具都利用了建模和仿真技術。

 2、VM的流派

    VM的研究都與特定的應用環境和對象相聯系,在VM的研究過程中,由于應用的不同要求,各有不同的側重點,因此出現了三個不同的流派,它們是以設計為中心的VM、以生產為中心的VM和以控制為中心的VM。

 2.1 以設計為中心的VM

    以設計為中心的VM是通過加制造信息到IPPD的過程和在計算機中進行“制造”,仿真多種制造方案和產生許多“軟”
的模型。因此它的短期目標是:為了達到特殊的制造目的(例如為了裝配進行設計、精良操作或柔性等),VM用以制造為基礎的仿真來優化產品的設計和生產過程。它的長期目標為:VM在不同的層次上用仿真過程來評估生產情況,并且反饋給設計和生產控制。

 2.2 以生產為中心的VM

    以生產為中心的VM是通過加仿真能力到生產過程模型,達到方便和快捷地評價多種加工過程的目的。它的短期目標是:VM是基于生產的IPPD的轉換,用以優化制造過程和物理層。它的長期目標是:為了實現新工藝和流程的更高的可信度,VM是增加生產仿真到其它集成和分析技術。

 2.3 以控制為中心的VM

    以控制為中心的VM是通過增加仿真到控制模型和實際的生產過程,來實現優化的真實仿真。

 2.4 三類VM之間的關系

    雖然三種VM的定義不相同,但是它們都涉及到虛擬產品生命周期中不同的方面,因此,它們具有下面的特點:

    以設計為中心的VM為設計者提供了一個設計產品和評估可制造性的環境,它的結果包括產品建模、成本預測等,所以,在設計中的潛在問題能夠被發現,同時它的一些指標(例如成本等)也能被預測。

    為了生產出合格的產品而不做實際的樣品,以生產為中心的VM為工藝計劃和生產計劃的生成、工藝資源的要求以及對這些計劃的評價提供了一個環境,它能夠更精確地提供成本信息和產品的供給計劃。

    通過提供仿真實際生產的能力,以控制為中心的VM為設計者提供了一個環境,用以評估新產品或改進的設計以及與車間生產相關的活動,它為優化制造過程和提高制造系統提供了信息。

 3、VM與其它相關技術之間的區別

當前在先進制造技術的研究過程中,產生了許多新的概念,如IPPD、虛擬企業VE(Virtual Enterprise)、建模與仿真M&S(Modeling and Simulation)等。因此,為了更詳細說明VM的內涵,需要了解VM與其它相關概念之間的關系。

 3.1 VM與IPPD

    IPPD是一種交錯功能協調機理,它使得與設計和制造相關的信息可以在產品設計過程的各模塊間流動。VM仿真制造、生產和裝配過程,因此它必須有與上面信息的接口,但是VM并不是各模塊的集合,也不能使信息在模塊間流動。它們的關系如圖1所示。
             
                       圖1: 產品開發過程

     按照IPPD的觀點,VM增加了IPPD的過程,它提供了一種方法將制造知識綜合到產品開發的早期階段。因此,它在IPPD中的作用是重要的。首先它允許IPPD直接通過模擬加工過程來設計、分析和制造產品,而不用關心實際的加工。其次,它允許IPPD在原型系統中任意層次上增加過程。IPPD的優勢并不在于過程中模塊的多少,因為幾個最好的單個模型組合到一起并不是最好的。利用VM,IPPD可以逆向分析加工過程,而不用重構加工過程。按照并行工程CE(Concurrent Engineering)的觀點,VM增加了上面提到的能力外,它共享的基礎結構比CE所需要的更可靠。

 3.2 VM與M&S(Modeling and Simulation)

    VM依靠M&S技術模擬制造、生產和裝配過程,使設計者可以在計算機中“制造”產品。M&S是VM的基礎。VM是M&S的應用,但是它擴展了傳統的M&S技術。在傳統上,M&S建模的目的僅僅是為了仿真和相關的分析。而在VM中,使用主要部分已存在的模型,而不是優化的仿真。因為在VM中,由于其他的原因,模型是動態的,隨著仿真環境的改變,它是變化的。

 3.3 VM與VE(Virtual Enterprise)

    虛擬企業是敏捷制造的基本的動態組織形態,是指為了贏得某一機遇性市場競爭,圍繞某種新產品開發,通過選用不同組織或公司的優勢資源,綜合成單一的靠網絡通訊聯系的階段性經營實體。動態聯盟具有集成性和時效性兩大特點。它實質上是不同組織或企業間的動態集成,隨市場機遇的存亡而聚散。在具體表現上,結盟的可以是同一個大公司的不同組織部門,也可以是不同國家的不同公司。在VE中伙伴能夠共享生產、工藝和產品的信息,這些信息以數據的形式表示,能夠分布到不同的計算環境中。VE與VM沒有很強的相互依靠關系。在信息的集成和共享領域,VE主要強調網絡,而VM主要強調產品的設計,而且在設計階段VM的重點是仿真產品的生命周期中的各個活動。

 3.4 VM與VP(Virtual Prototyping)

    虛擬原型(Virtual Prototype)是相對物理原型,具有一定功能的基于計算機的仿真系統。它主要用于測試和評價多種設計的指定特性。VP是使用虛擬原型的過程。目前,它主要用于縮短產品的開發時間和降低成本。在VP中,計算機輔助設計信息直接被傳送到產品模型,而不用構造物理原型來檢驗設計的有效性和進行優化設計。如果虛擬原型是通過模擬工藝計劃來構造的,那么VP就是用VM來產生的,在大部分情況下,VP比物理原型具有更大的優點,在虛擬產品周期中,VP是一個必需的組成部分。所以,VP的發展將增強VM的能力,反過來,VM為VP提供了一個應用環境。

 3.5 VM與AM(Agile Manufacturing)

    敏捷制造作為一個新概念,其基本思想是通過將高素質的員工、動態靈活的組織機構、企業內及企業間的靈活管理以及柔性的先進生產技術進行全面集成,使企業能夠對持續變化、不可預測的市場要求作出快速反應,由此獲得長期的經濟效益。由此可見,敏捷制造強調人、組織、管理和技術的高度集成,強調企業面向市場的敏捷性(Agility)。在一個企業的組織管理中,它的敏捷性可以用四個主要變量表示,即通訊連同性(Communication Connectedness)、跨組織參與性(Interorganization Participation)、生產的靈活性(Production Flexibility)和雇員的使能性(Employee Empowerment)。VM是敏捷制造的一種實現手段,是制造企業增強產品開發敏捷性、快速滿足市場多元化需求的有效途徑。

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