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                           虛擬制造技術(shù)與數字化工藝

   目前設計技術(shù)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(zhù)全球競爭的增加,為了縮短產(chǎn)品的上市時(shí)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(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )和生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)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(yè)VE(Virtual Enterprise)等新的研究領(lǐng)域,在這種情況下,產(chǎn)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(dòng)這樣一個(gè)關(guān)鍵概念,它概括了對真實(shí)制造世界的對象和活動(dòng)的建模與仿真研究的各個(gè)方面。虛擬制造的基礎是用計算機支持的技術(shù)對所有必要的制造活動(dòng)進(jìn)行徹底的建模與仿真,其中建立計算機化的工藝過(guò)程,即:數字化加工過(guò)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(guān)技術(shù)的關(guān)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(gè)集成的、綜合的可運行制造環(huán)境,用來(lái)提高各個(gè)層次的決策和控制。各部分的語(yǔ)義說(shuō)明如下:

·綜合 指真實(shí)的和仿真的對象、活動(dòng)和過(guò)程的混合狀態(tài)。
·環(huán)境 通過(guò)協(xié)同地提供分析工具、仿真工具、應用工具、控制工具、模型(產(chǎn)品、過(guò)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(huán)境來(lái)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(chǎn)品的概念設計到回收利用、從車(chē)間到執行位置、從物質(zhì)的轉換到信息的傳遞等各個(gè)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(shí)性。

    上述關(guān)于VM的定義沒(méi)有充分強調VM在預測過(guò)程、成本和質(zhì)量方面的能力,而且它沒(méi)有說(shuō)明VM預測的可靠性和精度,因此它還存在下面的缺點(diǎn):

·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(hù)的對象、技術(shù)背景和水平,VM應該有不同的定義。

·VM的定義應與特定用戶(hù)的經(jīng)驗基礎相聯(lián)系,這里的制造應該是廣義的、企業(yè)范圍的“大”制造。因為在車(chē)間之外的重要活動(dòng)也包含在建模、數據和仿真中。

    VM的定義必須與特定用戶(hù)的經(jīng)驗和要求相聯(lián)系,因此,VM不可能只有一種定義,對于每一個(gè)人來(lái)說(shuō),VM并不是完全相同的,所以應了解它與其他相關(guān)概念的區別。給出一個(gè)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(gè)方面。因此,為了更好地解釋VM,下面對VM的內涵進(jìn)行說(shuō)明:

·通過(guò)基于建模的途徑和利用仿真,VM主要是為了提高加工過(guò)程的質(zhì)量。

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

·VM的基本目的是基于計算機模擬產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)環(huán)境,使得設計者在真正的加工之前就能夠模擬地制造產(chǎn)品。這里的“產(chǎn)品開(kāi)發(fā)”包括了與產(chǎn)品相關(guān)的所有活動(dòng),不僅包括技術(shù)上的和商業(yè)上的,而且包含了產(chǎn)品的設計和生產(chǎn)。但是,VM并不仿真所有的這些方面。例如,VM不仿真設計過(guò)程,但它支持設計過(guò)程。VM不模擬可靠性或質(zhì)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(zhì)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(guò)來(lái)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(shí)空間和虛擬空間的許多參數。

·從全局的觀(guān)點(diǎn)來(lái)講,在一個(gè)IPPD環(huán)境下,通過(guò)在計算機中完成“制造”,VM提供了對部分或全部設計過(guò)程的評價(jià)方法。

·VM并不是單個(gè)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(shù)。

 2、VM的流派

    VM的研究都與特定的應用環(huán)境和對象相聯(lián)系,在VM的研究過(guò)程中,由于應用的不同要求,各有不同的側重點(diǎn),因此出現了三個(gè)不同的流派,它們是以設計為中心的VM、以生產(chǎn)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(guò)加制造信息到IPPD的過(guò)程和在計算機中進(jìn)行“制造”,仿真多種制造方案和產(chǎn)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(jìn)行設計、精良操作或柔性等),VM用以制造為基礎的仿真來(lái)優(yōu)化產(chǎn)品的設計和生產(chǎn)過(guò)程。它的長(cháng)期目標為:VM在不同的層次上用仿真過(guò)程來(lái)評估生產(chǎn)情況,并且反饋給設計和生產(chǎn)控制。

 2.2 以生產(chǎn)為中心的VM

    以生產(chǎn)為中心的VM是通過(guò)加仿真能力到生產(chǎn)過(guò)程模型,達到方便和快捷地評價(jià)多種加工過(guò)程的目的。它的短期目標是:VM是基于生產(chǎn)的IPPD的轉換,用以?xún)?yōu)化制造過(guò)程和物理層。它的長(cháng)期目標是:為了實(shí)現新工藝和流程的更高的可信度,VM是增加生產(chǎn)仿真到其它集成和分析技術(shù)。

 2.3 以控制為中心的VM

    以控制為中心的VM是通過(guò)增加仿真到控制模型和實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程,來(lái)實(shí)現優(yōu)化的真實(shí)仿真。

 2.4 三類(lèi)VM之間的關(guān)系

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

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

    為了生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品而不做實(shí)際的樣品,以生產(chǎn)為中心的VM為工藝計劃和生產(chǎn)計劃的生成、工藝資源的要求以及對這些計劃的評價(jià)提供了一個(gè)環(huán)境,它能夠更精確地提供成本信息和產(chǎn)品的供給計劃。

    通過(guò)提供仿真實(shí)際生產(chǎn)的能力,以控制為中心的VM為設計者提供了一個(gè)環(huán)境,用以評估新產(chǎn)品或改進(jìn)的設計以及與車(chē)間生產(chǎn)相關(guān)的活動(dòng),它為優(yōu)化制造過(guò)程和提高制造系統提供了信息。

 3、VM與其它相關(guān)技術(shù)之間的區別

當前在先進(jìn)制造技術(shù)的研究過(guò)程中,產(chǎn)生了許多新的概念,如IPPD、虛擬企業(yè)VE(Virtual Enterprise)、建模與仿真M&S(Modeling and Simulation)等。因此,為了更詳細說(shuō)明VM的內涵,需要了解VM與其它相關(guān)概念之間的關(guān)系。

 3.1 VM與IPPD

    IPPD是一種交錯功能協(xié)調機理,它使得與設計和制造相關(guān)的信息可以在產(chǎn)品設計過(guò)程的各模塊間流動(dòng)。VM仿真制造、生產(chǎn)和裝配過(guò)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(dòng)。它們的關(guān)系如圖1所示。
             
                       圖1: 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程

     按照IPPD的觀(guān)點(diǎn),VM增加了IPPD的過(guò)程,它提供了一種方法將制造知識綜合到產(chǎn)品開(kāi)發(fā)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(guò)模擬加工過(guò)程來(lái)設計、分析和制造產(chǎn)品,而不用關(guān)心實(shí)際的加工。其次,它允許IPPD在原型系統中任意層次上增加過(guò)程。IPPD的優(yōu)勢并不在于過(guò)程中模塊的多少,因為幾個(gè)最好的單個(gè)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(guò)程,而不用重構加工過(guò)程。按照并行工程CE(Concurrent Engineering)的觀(guān)點(diǎn),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(shù)模擬制造、生產(chǎn)和裝配過(guò)程,使設計者可以在計算機中“制造”產(chǎn)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(shù)。在傳統上,M&S建模的目的僅僅是為了仿真和相關(guān)的分析。而在VM中,使用主要部分已存在的模型,而不是優(yōu)化的仿真。因為在VM中,由于其他的原因,模型是動(dòng)態(tài)的,隨著(zhù)仿真環(huán)境的改變,它是變化的。

 3.3 VM與VE(Virtual Enterprise)

    虛擬企業(yè)是敏捷制造的基本的動(dòng)態(tài)組織形態(tài),是指為了贏(yíng)得某一機遇性市場(chǎng)競爭,圍繞某種新產(chǎn)品開(kāi)發(fā),通過(guò)選用不同組織或公司的優(yōu)勢資源,綜合成單一的靠網(wǎng)絡(luò )通訊聯(lián)系的階段性經(jīng)營(yíng)實(shí)體。動(dòng)態(tài)聯(lián)盟具有集成性和時(shí)效性?xún)纱筇攸c(diǎn)。它實(shí)質(zhì)上是不同組織或企業(yè)間的動(dòng)態(tài)集成,隨市場(chǎng)機遇的存亡而聚散。在具體表現上,結盟的可以是同一個(gè)大公司的不同組織部門(mén),也可以是不同國家的不同公司。在VE中伙伴能夠共享生產(chǎn)、工藝和產(chǎn)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(huán)境中。VE與VM沒(méi)有很強的相互依靠關(guān)系。在信息的集成和共享領(lǐng)域,VE主要強調網(wǎng)絡(luò ),而VM主要強調產(chǎn)品的設計,而且在設計階段VM的重點(diǎn)是仿真產(chǎn)品的生命周期中的各個(gè)活動(dòng)。

 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(jià)多種設計的指定特性。VP是使用虛擬原型的過(guò)程。目前,它主要用于縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)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(chǎn)品模型,而不用構造物理原型來(lái)檢驗設計的有效性和進(jìn)行優(yōu)化設計。如果虛擬原型是通過(guò)模擬工藝計劃來(lái)構造的,那么VP就是用VM來(lái)產(chǎn)生的,在大部分情況下,VP比物理原型具有更大的優(yōu)點(diǎn),在虛擬產(chǎn)品周期中,VP是一個(gè)必需的組成部分。所以,VP的發(fā)展將增強VM的能力,反過(guò)來(lái),VM為VP提供了一個(gè)應用環(huán)境。

 3.5 VM與AM(Agile Manufacturing)

    敏捷制造作為一個(gè)新概念,其基本思想是通過(guò)將高素質(zhì)的員工、動(dòng)態(tài)靈活的組織機構、企業(yè)內及企業(yè)間的靈活管理以及柔性的先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行全面集成,使企業(yè)能夠對持續變化、不可預測的市場(chǎng)要求作出快速反應,由此獲得長(cháng)期的經(jīng)濟效益。由此可見(jiàn),敏捷制造強調人、組織、管理和技術(shù)的高度集成,強調企業(yè)面向市場(chǎng)的敏捷性(Agility)。在一個(gè)企業(yè)的組織管理中,它的敏捷性可以用四個(gè)主要變量表示,即通訊連同性(Communication Connectedness)、跨組織參與性(Interorganization Participation)、生產(chǎn)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(shí)現手段,是制造企業(yè)增強產(chǎn)品開(kāi)發(fā)敏捷性、快速滿(mǎn)足市場(chǎng)多元化需求的有效途徑。

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