虚拟制造技术概述、现状、存在问题与发展展望

    随着全球竞争的加剧，企业之间的竞争由过去的局部竞争演变成全球范围内的竞争；同行业与跨行业之间的相互渗透、相互竞争也日益激烈。为了适应快速变化的市场需求，企业必须以最快的上市速度T(time)、最优品质Q(quality)、最低成本C(cost)和最佳服务S(service)来满足不同顾客的需求。这给传统的制造技术带来严峻的挑战。随着计算机网络和虚拟现实等先进技术的出现，在20世纪90年代产生了一种新的制造概念和理论—虚拟制造VM(virtual manufacturing)，其全新的制造体系和模式已成为现代制造技术与系统发展的必然趋势。

    什么是VM，目前各国尚未形成统一的认识，笼统的理解是：在计算机内构造虚拟的生产系统模型，进行实际生产过程的模拟。现从信息变换等价性的观点出发，分析VM系统与实际生产系统的相互对应关系，探讨VM的基本概念，并介绍目前国际上VM研究的方法、手段，研究开发的动向及VM的广阔应用前景。

    1 VMT的研究现状、存在问题与发展展望

    尽管在较早的时候就提出了VMT，而且还一度得到迅猛发展，取得了很大的成功，但到目前为

    止还没有完全实现产品设计全过程的VMT，这主要表现在：

    a)基于集成的数字化产品模型技术尚处于概念阶段：VM要求基于集成的数字化产品模型开展研究工作，但是，在这方面的研究工作刚刚开始，很多有关的技术尚处于概念阶段，有待于进一步研究，具体包括：1)目前的CAD模型中的产品信息含量太低。VM中的模型需要从CAD模型抽取相应的信息。可是目前CAD模型主要是从几何实体的角度描述产品的，尽管一些CAD模型加人了形状特征和材料及公差等信息，但还远不能全面地描述产品，能够共享的产品信息还是太少，尤其是非几何的产品信息；2)现有的CAD模型无法支持产品的概念设计，只能支持产品的详细设计；3)缺乏良好的产品信息重用机制。目前各应用软件间的产品数据交换主要是通过专用的接口来实现的，而这种转换必须是同一问题域(如几何)数据的简单映射，这势必增加了虚拟产品开发系统的复杂度，而且无法实现模型间数据的自动转换和衍生。事实上，由于各软件系统所描述的信息所在问题域的不同，在数据转换时有时要做适当的演绎推理，对所描述的数据对象做适当的转换；

    b)产品创新支持工具尚不充分：目前产品创新支持技术有了一定的进展，有了部分支持工具，例如UGII的WAVE, Pro/Engineering的layout，但是离VM对产品创新支持技术的要求还有一定的距离，主要表现在：1)缺少创新设计支持系统。VM的环境为创新设计提供了很好的运行机制，但如何实现创新设计，还需要组织开发创新设计支持系统；2)缺乏将知识与VM结合的工具。如何将知识与VM的数字产品结合起来是一个巫待解决的难题；3)缺少交互式外型设计技术与VM的集成工具。如何将产品整体定位、外观品质和以工业设计为核心的产品交互式外型设计技术引人VM并有机地集成起来尚待研究；4)缺少支持逆向(反求)设计的工具。目前逆向设计中仍然有大量未能克服的难题，如具有随机测量误差的测量数据处理技术、残缺数据的修复技术等需要进一步改进与完善；

    c)产品数字化技术：1)产品数据管理与其它应用软件的集成问题。在虚拟环境下，各专业、各部门人员于同一产品模型协同工作，必须解决产品数据管理与其它应用软件系统如MRPII,CAD,WEB浏览器等的集成问题；2)虚拟产品开发的产品数据组织体系。虚拟产品开发方式生成的产品数字样机的产品结构树不仅要反映产品设计阶段的构造层次结构，而且还要反映产品的装配顺序以及生产流程。所以研究适合虚拟产品开发的产品数据组织体系是切实必要的；3)与数字化产品模型相关数据的组织和管理。如何有效解决相关数据的组织和管理使之有效适合VM的需要是目前国际研究的热点。

    d)制造过程仿真建模方法和技术：基于物理学模型的制造过程仿真技术尽管已经得到了广泛的应用，但其建模方法及建模技术仍未有突破性的进展，主要表现在虚拟加工、虚拟装配、虚拟测试几个方面：

    1)虚拟加工分析工具尚不丰富。尽管目前已有不少商品化软件可以进行可加工性评价，但VM还需研究开发大量的虚拟加工分析工具，如具有切削力分析功能的加工过程仿真系统，切削工艺对产品品质的影响(包括残余应力、切削温度场等)以及零件制造费用的估算方法；

    2)面向对象的集成化装配建模的研究。国际上关于虚拟装配的研究虽不少见，但在装配建模方面，采用面向对象的装配建模将是一种潮流，集成化是装配建模的必然趋势。

    3)装配工艺规划的进一步研究。装配工艺规划目前还处于研究阶段，局限性主要表现在四个方面：组合爆炸或大量的交互问答，限制了目标产品的元件个数；仅考虑沿坐标轴方向的平移，装配运动方式过于简单；偏重于几何计算，工程语义知识的利用有待加强；装配顺序的选择标准不够广泛和统一；

    4)虚拟装配的基础理论研究。虚拟装配中的公差分析与综合技术还缺乏理论基础，已有的公差分析和综合的软件在模型的生成以及对ISO公差标准的支持、对形位公差的支持方面还有很多问题，迫切需要进行研究；

    5)虚拟测试技术研究。虚拟测试是成功运用虚拟产品开发技术的关键环节，因为在现有的技术条件下对于单元模型不论是产品、工艺还是系统，测试和校验环节是不可缺少的。测试和校验环节还会对虚拟产品开发的效率产生重要影响。VMT是CAD/CAE/CAM技术发展的更高阶段，也是计算机图形技术、仿真技术发展的产物，对产品开发具有重要的研究和应用意义。由于目前商用VMT相关软、硬件系统的功能还比较有限，且价格昂贵，因此，开发廉价而且功能较完善的虚拟制造系统应成为VMT发展的重要内容之一，开发的内容包括拟人化的用户界面、基于事件的实时仿真引擎、虚拟外设的硬件接口、虚拟仿真语言、与传统CAD软件的数据通用转换接口、各种数据库和工具库等。

    2目前VM的研究热点

    尽管虚拟现实技术在制造业的应用取得了巨大成就

    但仍存在很多问题有待完善，当今社会的热点有：

    a)各种资源的整合与协同，包括人力资源和现有的知识与技术资源的有效组织，使各方面专家利用现有条件、方法与工具有效地合作，进行VM在制造业的研究与开发；

    b)模型数据在虚拟产品设计、虚拟工艺设计、虚拟生产加工、虚拟装配、虚拟企业与虚拟设备、原料和产品供应链等共享和继承、可重用性问题；

    c)虚拟装配中的碰撞和零件的碰撞变形以及力反馈问题。

    3结论

    VMT是信息化制造的重要技术之一，实现VM需要强有力的技术支撑。VMT的应用应结合我国制造业自身的特点。在吸收国外成熟经验的基础上大胆创新，形成特色发展。可以预言，随着我国对VMT，研究的探人。其广泛的应用已为期不远，终将成为一个现代化、信息化制造企业的必由之路。