虚拟制造技术在农机产品设计制造中的应用

   引言
   
    在农机设计与制造方面，由于农业机械设计生产的特点，在开发研制过程中，用计算机绘制的很多新产品和部件必须制造后才能了解产品的性能。当性能不满足要求时，需要重新修改产品的设计，这会导致产品的设计周期长、费时费力.很难适应却能够实现实际制造的本质过程。由于它发展了过程仿真技术并与拟实环境相结合，使开发人员能够通过视觉和感觉来感知拟实环境中的产品运行情况，并可进行交互作用。它可以通过计算机虚拟模型来模拟和预估农机产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题，可在产品投产之前进行综合的评价，使人们感受到未来产品的相关性能及可行性，从而提前做出决策和优化实施方案，提高人们的预测和决策水平。
   
    1虚拟制造技术内涵
   
    1.1 虚拟制造的定义
   
    虚拟制造，又称拟实制造，是实际制造过程在计算机上的本质实现。其采用计算机仿真技术与虚拟现实技术，在计算机上实现产品开发、制造，以及管理与控制等制造的本质过程，以增强制造过程中各级的决策与控制能力。虚拟制造技术不是对已有各单项技术的简单组合，而是对制造知识进行系统化组织，对工程对象和制造活动进行全面建模，在相关理论和已积累知识的基础上实现集成。在建立真实制造系统前，利用信息技术、仿真技术、计算机技术对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真，继而寻找出实际制造中可能出现的问题，在产品实际生产前就可采取相应的顶防措施，从而达到产品制造的一次性成功。
   
    1.2虚拟制造与虚拟现实
   
    虚拟现实技术是虚拟制造理念与技术的主要支撑技术之一，是具有巨大潜力和美妙前景的新技术。虚拟制造技术是虚拟现实技术的一个具体应用。它是利用计算机生成一种模拟环境，通过多种传感设备使用户"投人"到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。虚拟现实就是对真实世界的一种模拟和再现。在技术上，它是指综合利用计算机图形系统和各种显示和控制等接口设备，在计算机上生成可交互的三维环境，同时向操作者提供"沉浸"感觉。操作者感觉他自己的视点或身体的某一部分处在计算机生成的虚拟空间之中。但从本质上说它仍然是单项仿真技术，对虚拟制造所提供的支持也仅仅是在局部环节，没有反映虚拟制造是对信息、技术、智能、资源、过程、串并行工作机制以及人一机全面集成这样一个内涵。
   
    1.3虚拟制造与实际制造的关系
   
    虚拟制造是实际制造过程在计算机上的映射，是采用计算机仿真与虚拟现实技术，在高性能计算机及其高速网络的支持下的协同工作。在实际制造系统中，物质流、信息流在一定的控制机制下，生产出适销对路的产品.然后通过对实际制造系统进行抽象、分析、综合，得到实际产品的全数字化模型;虚拟制造的最终目标是反作用于实际制造过程，用来指导生产实践。因此，虚拟制造是实际制造的抽象，实际制造是虚拟制造的实例。
   
    实际制造过程流程图，如图1所示。在实际制造过程中，产品的制造要通过设计、试制、评价、再设计、再试制、再评价过程来确定制造方案，同时也要到实际制造中去验证。经过反复的实际试制、制造进行积累经验，最终确定产品的制造方案。图2所示为虚拟制造流程图。由图2可以看出，虚拟制造过程只需在计算机上仿真实际设计制造过程，在各个工序都可以进行系统的评价，继而反馈有用数据信息指导产品的设计优化、加工优化、装配优化，从而节约了大量的实际物质流通过程。
   

    2虚拟制造技术的发展概况
   
    虚拟制造是1993年出现的，经过10年多的发展，无论在基础研究，还是技术开发方面已经取得了很大的发展虚拟制造涉及的技术领域极其j一泛，在1994年的虚拟制造论坛上，提出了43项关键技术。其中，许多技术并非虚拟制造所特有，有些技术在其它领域早有研究和应用，但建模与仿真技术是虚拟制造的核心技术。
   
    美国国家标准及技术研究所制造工程实验室成功建立了国家先进制造测试床;波音公司采用虚拟制造技术完成的第一架无图纸飞机(波音777)的制造;美国北卡大学虚拟环境实验室，开展的车辆驾驶员虚拟环境的研究。欧洲及其它国外机构:英国Herriot-Watt大学机械与化学工程系，从事与虚拟装配有关的一系列研究工作，运用浸入式虚拟现实设计技术和定位电缆套索，虚拟装配规划和知识获取，进行虚拟环境中的对象形变研究和冲突检测研究等。
   
    在国内，由于虚拟制造技术出现较晚，研究机构还很少。清华大学CIMS工程研究中心虚拟制造研究室，是国内最早开展虚拟制造研究的机构之一，主要研究方向是虚拟产品开发;西安交通大学CAD/CAM研究所主要研究以网络为中心的创新设计与全球制造(包括创新技法、信息共享、知识发掘、远程设计与制造模式)。此外，仁海交通大学CIMS研究所、北京航空航天大学和浙汀大学等也进行了部分虚拟制造技术的研究。2005年3月，上海理工大学宣布成立了虚拟制造技术研究院。据不完全统计，目前全国已有30多家科研机构、高等院校和企业正在开展VM技术方面的研究。国内以清华大学、上海交大为主的高等院校正在开展基础技术研究，正处于理论体系初步研究阶段。该技术在农业机械的产品开发中的应用研究到目前只有浙江大学、吉林大学、沈阳农业大学等进行了初步的探讨。

3在农机产品设计制造中的应用
   
    应用虚拟制造技术研究开发某种农机产品，采用计算机仿真与虚拟现实乎段，用计算机对农业机械的外观、功能、行为进行建模以及生成逼真的三维虚拟环境，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、动态工作条件下的性能分析、质量检验以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程。同时，通过虚拟现实系统观察虚拟环境下虚拟农机的农业生产活动，进行虚拟环境中的农机性能实验和特性评估，并实现人与机械之间的实时的交互，这对于增强制造过程各级的决策与控制能力、减少产品开发的育目性、缩短研制周期、降低制造成本、提高机器的适应能力、增加机器的工作可靠性和延长机器的使用寿命具有非常重要的意义。
   
    3.1农机产品虚拟制造体系结构
   
    在虚拟制造出现以来，国内外学者从不同角度建立了虚拟制造系统的体系结构最早提出VM体系结构的是日本大阪大学的Kazukil马里兰大学也相继提出了自己的体系结构。我国各科研院所也开展了相应的工作，上海交通大学提出了基于"虚拟总线"的VM体系结构。国家CIMS中心提出了基于产品开发管理(PDM)集成的虚拟设汁、虚拟生产、虚拟企业柜架，认为虚拟制造的目标就是对产品的"可制造性""可生产性"和"可合作性"的决策支持。根据上海交通大学提出的"虚拟总线"的VM体系结构划分，农机产品虚拟制造体系结构可分为5层:数据层、活动层、应用层、控制层、界面层。农机虚拟制造体系的构成，如图3所示。
   

    界面层提供虚拟现实环境供操作者与系统交换信息、发出指令等。控制层根据界面层的操作指令转化为控制数据，而后激发本地服务或通过网络激发远程系统服务。应用层则由虚拟产品设计、虚拟产品制造组成。这一部分包括产品设计、实体建模、并行设计、过程管理、虚拟制造过程仿真等。虚拟产品制造过程仿真提供有用信息给产品设计模块，用于产品设计优化，继而优化产品制造过程。活动层把应用层中的各种应用过程分解，以进程的方式执行各种活动。数据层则对各种数据进行管理、处理，并对其它层的运作提供支持。
   
    3.2农机产品虚拟制造系统构成
   
    农机产品虚拟制造系统构成，如图4所示。虚拟制造系统主要由虚拟物理系统、虚拟信息系统、硬件资源3部分组成。它在CAD/cAM/CAD等软、硬件系统资源的支持下，主要由设备、产品、生产过程及生产管理4个主要要素组成。产品设计模型中要求对农机产品进行全面的技术要求分析、功能设计、成本设计、环境评价;生产过程模型中则包括产品的加工仿真、加工方法选择、控制方案制定等环节;虚拟设备模型中要对设备进行合理的布局，进行通讯网络设计、作业计划制定及控制程序开发等;在生产管理模型中，要对其进行功能结构分析、生产决策分析和信息管理。
   

    3.3虚拟制造在农机产品设计制造中的应用实例

   脱粒机械是收获过程中最重要的机具之一，在联合收获机上作为核心部件对整机的工作质量与工作效率起到了决定性的作用。脱粒机械工作时，被割谷物经脱粒机械的喂人口进人由脱粒滚筒和凹版组成的脱粒间隙进行打击和搓擦后，短脱出物通过栅格状凹版进人由清选筛和风机组成的清粮装置进行清选;长脱出物则进人分离装置进行茎秆与籽粒的分离，长茎秆被排出机外;而籽粒等短脱出物则通过分离装置上的筛孔进人下方的清粮装置进行清选;在风机和清选筛的联合作用下，颖壳等细小轻杂物被吹出机外，干净的籽粒经由籽粒收集装置进人集粮装置。
   
    对于脱粒机械的虚拟制造，首先根据实际制造经验进行整体的制造构思，建立零件的三维模型，然后进行整机的虚拟装配设计、运动仿真设计，再对比运动仿真结果与实际工作效应，如果满意则导人制造数据库，不满意则重新进行建模、仿真，直至符合要求为止。在虚拟制造过程中可以形成多个满足条件的设计方案，设计者可根据实际工作状况进行方案优化，选出最优设计制造方案，进而生成优化的设计制造参数进行指导实际制造。
   
    4结束语
   
    虚拟制造是虚拟现实技术和计算机仿真技术在制造领域的综合发展及应用。它是产品在计算机中的虚拟实现，不消耗现实的资源和能量，但却能实际反映产品的有关情况。农业机械在农业经济和农业的发展中始终处于十分重要的地位，虚拟制造技术的引人为农业机械行业带来了全新的概念。随着虚拟制造技术的不断发展及其在企业中广一泛的应用，必将极大地提高企业的研发创新能力，从而改变传统农业机械生产方式，用新技术改造传统农业，支持新兴农业技术，提高农业竞争力。