虛擬現(xiàn)實技術(shù)之虛擬制造的未來發(fā)展

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1、1 虛擬制造簡介  80年代以來,日趨激烈的全球化競爭,迫使制造企業(yè)必須通過不斷地提高生產(chǎn)效率,改善產(chǎn)品質(zhì)量,降低成本,提供優(yōu)良的服務(wù),以期在市場中占有一席之地。與此同時,計算機(jī)技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息處理技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展。這些條件就使得信息技術(shù)不斷地融合到傳統(tǒng)的制造業(yè)中,并對其進(jìn)行改造,這也是現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展趨勢。進(jìn)入90年代后,先進(jìn)的制造技術(shù)向著更高的水平發(fā)展,在原有的計算機(jī)集成制造(CIMS即ComputerIntegratedManufacturingSystem)和并行工程(CE即Con

2、currentEngineering)的基礎(chǔ)上,又出現(xiàn)了虛擬制造(VM即VirtualManufacturing)、虛擬企業(yè)(VE即VirtualEnterprise)等概念。其中“虛擬制造”近年來不斷引起科技界和企業(yè)界的關(guān)注,成為競相研究的熱點。  虛擬制造的基礎(chǔ)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)。所謂的虛擬現(xiàn)實技術(shù)是指利用計算機(jī)和外圍設(shè)備,生成與真實環(huán)境相一致的三維虛擬環(huán)境,允許用戶從不同的角度和視點來觀看這個環(huán)境,并且能夠通過輔助設(shè)備與環(huán)境中的物體進(jìn)行交互關(guān)聯(lián)。虛擬制造則是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù),在計算機(jī)上完成制造過程的技術(shù)

3、。采用此技術(shù),在實際的制造之前,可以對產(chǎn)品的功能和制造性、經(jīng)濟(jì)性等方面的潛在問題進(jìn)行分析和預(yù)測,實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢測及企業(yè)各級的管理控制等,增強(qiáng)制造過程中各級的決策和控制能力。虛擬制造與實際制造系統(tǒng)的關(guān)系如圖1所示。圖1 虛擬制造與實際制造系統(tǒng)的關(guān)系Fig.1 Relationbetweenvirtualmanufacturingandactualmanufacturing???1.1 虛擬制造的特點  虛擬制造是集計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)、計算機(jī)輔助制造(CAM)和計算機(jī)

4、輔助工藝設(shè)計(CAPP)于一體的技術(shù),它是在計算機(jī)中完成制造過程的。正因為如此,虛擬制造具有下述主要特點?! √摂M制造的制造模型是一個計算機(jī)模型,完成這一制造過程的主要工作集中在模型的建立過程上,一旦這個模型建立完成,就可以不斷與之進(jìn)行交互,模擬各種情況的生產(chǎn)和制造過程。模型的可反復(fù)修改性是虛擬制造過程有別于實際制造過程的一個最主要的特點,也正是這一特點使得虛擬制造可以根據(jù)不同情況快速的更改設(shè)計、工藝和生產(chǎn)過程,從而大幅度壓縮新產(chǎn)品的開發(fā)時間,提高制造質(zhì)量,降低成本。  虛擬制造的另一個特點是它可以是分布

5、式的,完成虛擬制造的人員和設(shè)備在空間上可以是相互分離的,不同地點的技術(shù)人員可以通過網(wǎng)絡(luò)來協(xié)同完成同一個虛擬制造過程。  此外,虛擬制造還可以是一個并行的過程,產(chǎn)品設(shè)計、加工過程和裝配過程的仿真可以同時進(jìn)行,大大加快了產(chǎn)品設(shè)計過程,減少新產(chǎn)品的試制時間。???1.2 虛擬制造的應(yīng)用領(lǐng)域  虛擬現(xiàn)實技術(shù)在制造領(lǐng)域中的應(yīng)用主要有以下幾方面:  (1)虛擬原型和產(chǎn)品設(shè)計,即在計算機(jī)中設(shè)計虛擬的產(chǎn)品或零部件?! ?2)生產(chǎn)過程仿真(優(yōu)化、調(diào)度),即對車間或工段的生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真優(yōu)化?! ?3)設(shè)備仿真,即對機(jī)器人等

6、生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行離線仿真,動態(tài)特性分析和模擬。  (4)物流仿真,即物流規(guī)劃,對AGV(自動搬運設(shè)備)進(jìn)行仿真?! ?5)裝配過程仿真?! ?6)復(fù)雜數(shù)據(jù)的可視化,數(shù)值模擬計算結(jié)果的可視化輸出?! ?7)設(shè)備的遠(yuǎn)程操作,用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將空間上分散的設(shè)備結(jié)合起來,進(jìn)行集成管理運行,遙控制造?! ?8)增強(qiáng)通訊效果?! ?9)操作培訓(xùn)。???1.3 虛擬制造的層次  虛擬制造的根本目的就是利用計算機(jī)生產(chǎn)出虛擬產(chǎn)品。  實際的制造系統(tǒng)可以抽象成由物理系統(tǒng)、信息系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成的集合。物理系統(tǒng)包括制造中的所有資源,如

7、材料、機(jī)床、機(jī)器人、夾具、控制器和操作工人等;信息系統(tǒng)包括信息的處理和決策,如生產(chǎn)的調(diào)度、計劃和設(shè)計等;控制系統(tǒng)的任務(wù)是實現(xiàn)信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的信息交換?! ?yīng)于實際的制造系統(tǒng),在虛擬制造系統(tǒng)中可以劃分出對應(yīng)的層次:虛擬物理系統(tǒng)、虛擬信息系統(tǒng)和虛擬控制系統(tǒng)。根據(jù)不同生產(chǎn)階段所面對的不同對象,可以將虛擬制造分為3類:以設(shè)計為核心的虛擬制造,以生產(chǎn)為核心的虛擬制造和以控制為核心的虛擬制造。以設(shè)計為核心的虛擬制造,其主要目標(biāo)是優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計、優(yōu)選工藝和加工方案;以生產(chǎn)為核心的虛擬制造,其主要目標(biāo)是優(yōu)化資源,對選

8、擇工藝進(jìn)行評價和驗證;以控制為核心的虛擬制造,其目標(biāo)為優(yōu)化車間控制的制造過程。?表1??三類虛擬制造的比較類別特點主要目標(biāo)主要支持技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域以設(shè)計為中心的虛擬制造·在設(shè)計階段為設(shè)計人員提供制造信息·使用基于制造的仿真以優(yōu)化產(chǎn)品和工藝的設(shè)計·通過“在計算機(jī)上制造”產(chǎn)生多個“軟”樣機(jī)評價可制造性·特征造型·面向數(shù)學(xué)模型設(shè)計·加工過程仿真技術(shù)·造型設(shè)計·熱力學(xué)分析·運動學(xué)分析·動力學(xué)分析·容差分析·加工過程仿真以生產(chǎn)為中心的虛擬制

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