虚拟制造技术与数字化工厂

     本文介绍了虚拟制造技术的背景及其定义，讨论了虚拟制造的流派、相关技术、应用领域以及在数字化工厂中的实现与应用。        随着全球化竞争的加剧，为了缩短产品的上市时间，在八十年代相继提出了FMS、CIMS、CE等新的概念，对它们的研究与应用，提高了产品的质量和生产效率。随着网络和生产技术的发展，在九十年代提出了敏捷制造(AM)、精良制造(LM)、分布式制造(DM)和虚拟企业(VE)等新的研究领域，在这种情况下，产生了虚拟制造VM（VirtualManufacturing）。虚拟制造建立了计算机化的制造活动这样一个关键概念，它概括了对真实制造世界的对象和活动的建模与仿真研究的各个方面。虚拟制造的基础是用计算机支持的技术对所有必要的制造活动进行彻底的建模与仿真，包括设计、仿真、优化、测试、工艺、分析等。本文详细地讨论了VM的定义、VM的流派、VM与其他相关技术的关系以及VM在数字化工厂中的实现与应用。    1．虚拟制造的定义    在LawrenceAssociates的VirtualManufacturingUserWorkshop报告中，VM被定义为：它是一个集成的、综合的可运行制造环境，用来提高各个层次的决策和控制。各部分的语义说明如下：    综合：指真实的和仿真的对象、活动和过程的{TodayHot}混合状态。    环境：通过协同地提供分析工具、仿真工具、应用工具、控制工具、模型（产品、过程和资源）、设备以及组织方法的集合，用以支持构造和使用分布式制造仿真。    运行：用环境来构造和操作特定的制造仿真。    提高：增加它的精度和可靠性。    层次：是指从产品的概念设计到回收利用、从车间到执行位置、从物质的转换到信息的传递等各个方面。    决策：是指改变（可视化、组织、定义和选择）后的影响。    控制：预测效果的真实性。    VM必须与特定用户的要求相联系，因此，VM不可能只有一种定义，对于每一个人来说，VM并不是完全相同的，所以需要了解它与其他相关概念的区别。因此，为了更好地解释VM，下面对VM的内涵进行说明：    通过基于建模的途径和利用仿真，VM主要是为了提高加工过程的质量。    VM最重要的作用是为实施IPPD(IntegratedProductProcessDevelopment)提供一个工具，特别是用于预测产品成本和控制功能。    VM的基本目的是基于计算机模拟产品的开发环境，使得设计者在真正的加工之前就能够模拟地制造产品。这里的"产品开发"包括了与产品相关的所有活动，不仅包括技术上的和商业上的，而且包含了产品的设计和生产。    VM是基于模型的制造，使用的工具反过来影响这些模型。最初始的工具是仿真，利用仿真可以降低制造成本，而且可以检查真实空间和虚拟空间的许多参数。    从全局的观点来讲，在IPPD环境下，通过在计算机中完成"制造"，VM提供了对部分或全部设计过程的评价方法。    VM不是孤立的解决方案、结构或数据库，它是许多小的、相对独立的工具集合，这些工具都利用了建模和仿真技术。    2．VM的流派    VM的研究都与特定的应用环境和对象相联系，在VM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流派即以设计为中心的VM、以生产为中心的VM和以控制为中心的VM。    2.1以设计为中心的VM    以设计为中心的VM是通过增加制造信息到IPPD的过程和在计算机中进行"制造"，仿真多种制造方案和产生许多"软"的模型。因此它的{HotTag}短期目标是：为了达到特殊的制造目的(例如为了装配进行设计、精良操作或柔性等)，VM用以制造为基础的仿真来优化产品的设计和生产过程。它的长期目标为：VM在不同的层次上用仿真过程来评估生产情况，并且反馈给设计和生产控制。    2.2以生产为中心的VM    以生产为中心的VM是通过增加仿真能力到生产过程模型，达到方便和快捷地评价多种加工过程的目的。它的短期目标是：VM是基于生产的IPPD的转换，用以优化制造过程和物理层。它的长期目标是：为了实现新工艺和流程的更高的可信度，VM是增加生产仿真到其它集成和分析技术。    2.3以控制为中心的VM    以控制为中心的VM是通过增加仿真到控制模型和实际的生产过程，实现优化的真实仿真。    2.4三类VM之间的关系    虽然三种VM的定义不相同，但是它们都涉及到虚拟产品生命周期中不同的方面，因此，它们具有下面的特点：    以设计为中心的VM为设计者提供了设计产品和评估可制造性的环境，它的结果包括产品建模、成本预测等，所以，设计中的潜在问题能够被发现，同时它的一些指标(例如成本等)也能被预测。    为了生产出合格的产品而不做实际的样品，以生产为中心的VM为工艺计划和生产计划的生成、工艺资源的要求以及对这些计划的评价提供了一个环境，它能够更精确地提供成本信息和产品的供给计划。    通过提供仿真实际生产的能力，以控制为中心的VM为设计者提供了一个环境，用以评估新产品或改进的设计以及与车间生产相关的活动，它为优化制造过程和提高制造系统提供了信息。    3.VM与其它相关技术之间的区别    当前在先进制造技术的研究过程中，产生了许多新的概念，如IPPD、虚拟企业VE（VirtualEnterprise）、建模与仿真M&S(ModelingandSimulation)等。因此，为了更详细说明VM的内涵，需要了解VM与其它相关概念之间的关系。    3.1VM与IPPD    IPPD是一种交错功能协调机理，它使得与设计和制造相关的信息可以在产品设计过程的各模块间流动。VM仿真制造、生产和装配过程，因此它必须有与上面信息的接口，但是VM并不是各模块的集合，也不能使信息在模块间流动。按照IPPD的观点，VM增加了IPPD的过程，它提供了一种方法将制造知识综合到产品开发的早期阶段。因此，它在IPPD中的作用是重要的。首先它允许IPPD直接通过模拟加工过程来设计、分析和制造产品，而不用关心实际的加工。其次，它允许IPPD在原型系统中任意层次上增加过程。IPPD的优势并不在于过程中模块的多少，因为几个最好的单个模型组合到一起并不是最好的。利用VM，IPPD可以逆向分析加工过程，而不用重构加工过程。按照并行工程CE(ConcurrentEngineering)的观点，VM除增加了上面提到的能力外，它共享的基础结构比CE所需要的更可靠。3.2VM与M&S(ModelingandSimulation)    VM依靠M&S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。M&S是VM的基础。VM是M&S的应用，但是它扩展了传统的M&S技术。在传统上，M&S建模的目的仅仅是为了仿真和相关的分析。而在VM中，使用已存在的模型，而不是优化的仿真。因为在VM中，模型是动态的，随着仿真环境的改变，它是变化的。    3.3VM与VE（VirtualEnterprise）    虚拟企业是敏捷制造的基本的动态组织形态，为了赢得某一机遇性市场竞争，围绕某种新产品开发，通过选用不同组织或公司的优势资源，综合成单一的靠网络通讯联系的阶段性经营实体。动态联盟具有集成性和时效性两大特点。它实质上是不同组织或企业间的动态集成，随市场机遇的存亡而聚散。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。在VE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。VE与VM没有很强的相互依靠关系。在信息的集成和共享领域，VE主要强调网络，而VM主要强调产品的设计，而且在设计阶段VM的重点是仿真产品的生命周期中的各个活动。    3.4VM与VP(VirtualPrototyping)    虚拟原型(VirtualPrototype)是相对物理原型，具有一定功能的基于计算机的仿真系统。它主要用于测试和评价多种设计的指定特性。VP是使用虚拟原型的过程。目前，它主要用于缩短产品的开发时间和降低成本。在VP中，计算机辅助设计信息直接被传送到产品模型，而不用构造物理原型来检验设计的有效性和进行优化设计。如果虚拟原型是通过模拟工艺计划来构造的，那么VP就是用VM来产生的，在大部分情况下，VP比物理原型具有更大的优点，在虚拟产品周期中，VP是一个必需的组成部分。所以，VP的发展将增强VM的能力，反过来，VM为VP提供了一个应用环境。    4．VM在数字化工厂中的实现与应用    4.1数字化工厂的概念    数字化工厂的提出是对传统制造业的革命，它是根据虚拟制造的原理，通过提供虚拟产品开发环境，利用计算机技术和网络技术，实现产品生命周期中的设计、制造、装配、质量控制和检测等各个阶段的功能，达到缩短新产品的上市时间、降低成本、优化设计、提高生产效率和产品的质量。    美国Tecnomatix技术公司(TecnomatixTechnologiesInc.)长期致力于虚拟制造的研究，开发出满足虚拟制造要求的数字化工厂软件TecnomatixDigitalFactory，它从四个不同的层次即工厂、生产线、加工单元和工步操作实现虚拟制造如图2所示。TECNOMATIX软件通过下面几个模块实现数字产品从设计到测试的过程：    (1)生产工具eMWorkplace(ROBCAD)：它具有交互设计生产线和加工单元的能力，实现设备和机器人的三维实体可视化，离线编程以及过程仿真等功能；    (2)质量控制模块eMTolmate(VALISYS)：它能够定义、预测、测量和分析制造公差；    (3)创成式工艺计划PART：该模块能够自动生成工艺计划，自动识别加工特征，选择加工方法、机床和夹具，产生NC刀具轨迹；    (4)动态设计验证模块eMAssembler(DYNAMO)：利用它可以动态地研究产品的装配过程，并能够将装配中出现的问题反馈到CAD模型；    (5)工厂及生产线管理工具eMPlant(SIMPLE++)：它用于规划、仿真和优化生产企业及其生产线。数字化工厂软件TECNOMATIX在产品数据库的基础上，生成产品模型和过程模型，实现CAD集成、过程集成和车间的集成。下面分别对构成TECNOMATIX的各个模块的功能和实现方法作详细的说明。    4.2生产工具eMWorkplace(ROBCAD)    该模块主要用于设计、仿真和离线编程，通过它可以提高产品的质量，缩短产品的开发周期，减少设计错误和提高产品的标准化水平，eMWorkplace(ROBCAD)的主要特点包括：    能够与大部分的CAD软件(例如UG、IDEAS)实现无缝集成；    实现设备、机器人和操作者的三维可视化；    制造单元、测试以及编程的仿真。    eMWorkplace(ROBCAD)的主要功能模块：    (1)eMWorkplace(ROBCAD)/Line：具有生产线的设计、管理和信息控制功能，对展板上焊接点和紧固点数据的管理，能够生成机器人、物流和加工过程的程序并能够仿真。    (2)eMWorkplace(ROBCAD)/Spot：具有电焊工艺的设计与编程，主要功能包括：机器人的自动布置、机器人与构件的建模、焊接的优化与分析和机器人的自动编程与仿真。    (3)eMWorkplace(ROBCAD)/Man：设计、仿真和分析操作人员的操作过程，其主要功能包括：人的运动建模、人类工程学分析、可达性仿真的逆向算法和单元布置的优化。    (4)eMWorkplace(ROBCAD)/Fixtures：夹具的设计、测试和仿真，其主要功能：夹具的二维和三维建模、刀具的运动仿真和夹具的快速检索。    (5)eMWorkplace(ROBCAD)/Onsite：车间的离线编程和维护，其主要功能是：三维的可视化和碰撞检测、车间布局的修改和程序的编辑、控制器程序的下载和上载。    (6)eMWorkplace(ROBCAD)/Paint：喷漆的设计、优化和离线编程，其功能包括：喷漆路线的自动生成、多种颜色喷漆厚度的仿真、喷漆过程的优化。    (7)eMWorkplace(ROBCAD)/Arc：弧焊、密封和磨削工艺的设计与离线编程，其主要功能有：自动确定焊缝和参数、可达性和碰撞检测以及机器人程序的自动编制。    (8)eMWorkplace(ROBCAD)/Drill：骨架制造中的自动钻和铆接编程，其主要特点包括：钻点和铆接点的定义、自动生成无碰撞加工程序。    (9)eMWorkplace(ROBCAD)/Laser：激光切削机离线自动编程，其主要功能包括：切割线路的定义、切割工具的可达性检验、碰撞检测和加工时间的优化。    4.3质量控制工具eMTolmate(VALISYS)    该软件主要用于产品制造过程中公差的定义、预测、测量和分析，能够进行装配过程的叠加分析，生成离线的检测程序，该模块能够与UG和CATIA软件完全集成。eMTolmate(VALISYS)的主要功能模块包括：    (1)eMTolmate(VALISYS)/Design：添加制造公差到CAD模型中，并对尺寸和公差错误进行解释。    (2)eMTolmate(VALISYS)/Assembly：可以实现三维公差的叠加分析，预测影响公差的关键尺寸。    (3)eMTolmate(VALISYS)/Reverse：通过对物理模型的测量，可以产生光滑的3D样条和几何特征。它能够调整精度级别，减少数据的收集时间。    (4)eMTolmate(VALISYS)/Programming：CMM和NC机床的离线编程，它可以利用3D图形编程并对程序进行优化。    (5)eMTolmate(VALISYS)/CMM：CMM的离线编程，其特点是通过3D图形来仿真并优化程序，具有良好的可视化效果。    (6)eMTolmate(VALISYS)/Inspection：在车间检测和分析零件，它可以对检测的数据进行修改，实时观察分析结果。    (7)eMTolmate(VALISYS)/Analyze：测量数据与CAD模型的分析比较，其分析结果与测量设备无关，而且能够用图形显示测量结果。    4.4创成式工艺计划工具PART    PART能够从实体模型中自动识别制造特征，根据用户指定的机床和刀具库，实现机床和装卡的自动布局，自动选择加工方法和生成NC刀具轨迹，并优化加工过程，该模块独立于CAD软件。    4.5动态设计与检验工具eMAssembler(DYNAMO)    eMAssembler(DYNAMO)用于动态研究产品的装配工艺，通过分析装配过程对设计提出修改意见，它可以确定需要的装配空间并进行碰撞检测。该模块可以与大部分的CAD软件集成，因此可以避免数据转换产生的错误。    4.6工厂与生产线管理工具eMPlant(SIMPLE++)    该模块用于工厂和生产线的规划、仿真和优化，采用面向对象的技术，综合考虑企业内外供给链、生产资源和商业过程，生成结构合理的企业模型。根据产品批量，eMPlant(SIMPLE++)能够分析机床、缓存和工人的工作效率，确定瓶颈可能出现的位置，优化生产线。它具有与CAD、CAPE和ERP软件的实时信息通讯和集成的能力。    5.结论    虚拟制造技术是先进制造技术的发展方向，它为企业提高其产品的竞争力提供了一种方法。数字化工厂是按照虚拟制造的原理开发的软件，它为企业的数字化产品提供了从设计、工艺、制造、装配、分析、检测以及维护的全过程的仿真，是企业实现虚拟制造的强有力的工具。    参考文献    1)VirtualManufacturingUserWorkshop,DoDJointDirectorsofLaboratories,2526October1994    2)卢继平，虚拟制造技术（一），计算机辅助设计与制造，1998年第5期,P6162    3)卢继平，虚拟制造技术（二），计算机辅助设计与制造，1998年第6期,P4849    4)卢继平，虚拟机床建模，计算机集成制造系统，1999.6

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