虚拟制造及其实际应用案例分析
摘要：近十几年来，随着计算机技术、信息技术、现代管理技术在社会生产、工业界、军事领域的广泛应用，以及由它们与传统技术相结合而形成的先进技术。在诸多先进技术中，虚拟制造技术（VMT）就是一门格外引人注目的新技术，它是随着高速发展的信息技术和价值观多样化，应运而生的超越时空观念的新的哲理和模式。本文介绍了虚拟制造的基本概念、分类以及系统体系结构，具体分析了建模、仿真和虚拟现实三个关键技术，并阐述了汽车工业中所应用的虚拟制造技术。
关键字：虚拟制造;概念；体系结构；关键技术；汽车工业应用
Virtual manufacturing and the practical
application case analysis
ZHANG Yi
Abstract: More than ten years, along with the computer technology, information technology, modern management technology in social production, industry, and the wide application of military field, and by their combined with the traditional technology, in the form of advanced technology. In many advanced technology, virtual manufacturing technology (VMT) is a door a dramatic introduction of new technology, it
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is with the high speed development of information technology and values diversity, arises beyond time and space of the concept of the new philosophy, and mode. This paper introduces the basic concept of virtual manufacturing, classification and structure of the system, the paper concretely analyzes the modeling, simulation and virtual reality three key technology, and expounds the automobile industry of the virtual manufacturing technology application.
Key words: virtual manufacturing; concepts; system structure; the key technology; the auto industry application
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前言
自70年代以来，世界市场由过去传统的相对稳定逐步演变成动态多变的特征，由过去的局部竞争演变成全球范围内的竞争；同行业之间、跨行业之间的相互渗透、相互竞争日益激。与此同时，信息技术取得了迅速发展，特别是计算机技术、计算机网络技术、信息处理技术等取得了人们意想不到进步。二十多年来的实践证明，将信息技术应用于制造业，进行传统制造业的改造，是现代制造业发展的必由之路。先进制造技术进一步向更高水平发展，出现了虚拟制造(VM，Virtual Manufacturing)、精益生产(LP，Lean Production)、敏捷制造(AM，Agile Manufacturing)、虚拟企业(VE，Virtual Enterprise)等新概念。在这些诸多新概念中，“虚拟制造”引起了人们的广泛关注，不仅在科技界，而且在企业界，成为研究的热点之一。
本文就虚拟制造的内涵、分类以及涉及到关键技术进行介绍，并阐述了虚拟制造技术在汽车工业中的应用。
1 虚拟制造简介
虚拟制造(Virtual Manufacturing，简称VM)是对真实产品制造的动态模拟，是一种在计算机上进行而不消耗物理资源的模拟制造软件技术。它具有建模和仿真环境，实现产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验以及企业各级管理与控制等产品的制造过程，在真实产品的制造活动之前就能预测产品的功能以及制造系统状态，从而可以增强制造过程各级的决策与控制能力，做出前瞻性的决策和优化实施方案。虚拟制造是实际制造在计算机上的本质实现，即采用计算机仿真与虚拟现实技术、实现产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验、以及生产过程的管理与控制等产品制造的本质过程、以增强制造过程的预测与决策能力。
2 虚拟制造的分类
根据虚拟制造应用环境和对象的侧重点不同，虚拟制造分为三类:以设计为中心的虚拟制造，以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造。 2.1 设计为中心的虚拟制造
为设计者提供产品设计阶段所需的制造信息，从而使设计最优。设计部门和制造部门之间在计算机网络的支持下协同工作，以统一的制造信息模型为基础，对数字化产品模型进行仿真与分析、优化，从而在设计阶段就可以对所设计的零件甚至整机进行加工工艺分析、运动学和动力学分析、可装配性分析等可制造性分析，以获得对产品的设计评估与性能预测结果。
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类别 特点 以 设 计 为 中 心
? 在设计阶段为设
计人员提供制造信息 ? 使用基于制造的
仿真以优化产品和工艺的设计 ? 通过“在计算机上
制造”产生多个“软”样机
主要目标 主要技术支持 应用领域 造型设计 热力学分析 运动学分析 动力学分析 容差分析 加工过程仿真
? 评价可? 特征造型
制造性 ? 面向数学模
型设计
? 加工过程仿
真技术
2.2 生产为中心的虚拟制造
为工艺师提供虚拟的制造车间现场环境和设备，用于分析改进生产计划和生产工艺，从而实现产品制造过程的最优。在现有的企业资源（如设备、人力、原材料等）的条件下，对产品的可生产性进行分析与评价，对制造资源和环境进行优化组合，通过提供精确的生产成本信息对生产计划与调度进行合理化决策。 类别 特点
主要目标
主要技术支持 应用领域
以 生 产 为 中 心
? 将仿真能力用于?
制造过程模型，以便低费用、快速地评价不同的工艺方案 ? 用于资源需求
规划、生产计划的产生及评价的环境
评? 虚拟现实 价? 嵌入式仿可真 生产性
工厂或产品的物理布局
传统制造：主要考虑空间
虚拟制造：总体协调、优化动态过程, 人、环境、效率 生产计划的编排 传统制造：静态、确定型
虚拟制造：动态、随机型
2.3 以控制为中心的虚拟制造
提供从设计到制造一体化的虚拟环境，对全系统的控制模型及现实加工过程进行仿真，允许评价产品的设计、生产计划和控制策略。以全局优化和控制为目标，对不同地域的产品设计、产品开发、市场营销、加工制造等，通过网络加以
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连接和控制。 类别 特点 以 设 控 制 中 心 ? 将仿真加到控制模型和实际处理中 主要目标 主要技术支持 应用领域 造型设计 热力学分析 运动学分析 传统制造：静态、确定型 虚拟制造：动态、随机型 ? 评价可? 对离散制造控制性 --基于仿真的实时动态调度 ? 可“无缝”地仿真使得实际生产周? 对连续制造期期间不间断地--基于仿真优化 的最优控制 3虚拟制造系统体系结构
虚拟设计：①产品建模 ②产品异地设计 ③产品优化设计 ④产品性能评价 ⑤ 零部件分析优化 ⑥可制造性评价 ⑦快速原型 虚拟制造：①生产工艺优化 ②工具设计优化 ③刀位控制参数优化 ④刀位轨迹
参数优化 ⑤加工方案评估 ⑥虚拟实验 ⑦虚拟检测 ⑧工艺模型验证、产品模型实验：虚拟机床 虚拟生产：①生产计划仿真优化 ②虚拟生产布局 ③虚拟设备集成 ④虚拟装配
⑤虚拟生产平台服务器 虚拟企业：①虚拟企业平台服务器 ②企业协同工作环境 ③企业虚拟运行④企业
运行仿真
4 虚拟制造的关键技术
虚拟制造是一种新的制造技术，涉及面很广，如环境构成技术、过程特征抽取、元模型、集成基础结构的体系结构、制造特征数据集成、多学科交驻功能、决策支持工具、接口技术、虚拟现实技术、建模与仿真技术等。其中后3项是虚拟制造的核心技术 4.1 虚拟现实技术
虚拟现实是指采用计算机技术为核心的现代技术生成逼真的集视、听、触觉为一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助于必要的设备，以自然方式与虚拟环境中的实体进行交互作用、相互影响，从而产生如同真实环境的感受和体验。它具有沉浸感、交互性和构想三个基本特征。
一个基本的VR系统可以分为输入处理器、仿真器、表现处理和虚拟世界数据库等部分。
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输入处理器是指向计算机输入信息的各种设备，如键盘、鼠标、跟踪球、控制杆等。仿真器是VR系统的核心，它对各种交互、脚本对象行为进行处理、仿真实际的物理过程，并确定相应虚拟世界的状态。表现处理就是生成输出给用户的各种感官刺激，包括视觉、听觉、触觉以及其它一些感官反应。每一感官表现器通过仿真处理或直接通过虚拟世界数据库从不同角度描述虚拟世界。虚拟世界数据库是VR系统的重要组成部分，它主要保存虚拟世界中有关的对象信息、描述这些对象行为或使用者的脚本信息、光效、程序控制及硬件设备的支持信息等。 4.2 仿真技术
仿真就是利用计算机对复杂的现实系统经过抽象和简化形成系统模型，然后在分析的基础上运行此模型，从而得到系统一系列的统计性能。由于仿真是以系统模型为对象的研究方法，而不干扰实际生产系统，同时仿真可以利用计算机的快速运算能力，用很短的时间模拟实际生产中需要很长时间的生产周期，因此可以缩短决策时间，避免资金、人力和时间的浪费。计算机还可以重复仿真，优化实施方案。VM依靠仿真技术来模拟制造、生产和装配过程。使设计者可以在计算机中“制造”产品。仿真的基本步骤为：研究系统一收集数据一建立系统模型一确定仿真算法一建立仿真模型一运行仿真模型一输出结果并分析。 4.3 三维建模技术
模型化处理是计算机通过抽象来表达客观事物的主要方法。因此要使系统协调工作，首先就要为系统建模，在产品设计阶段或产品制造之前，实时、并行地模拟出产品的未来制造全过程及其对产品设计的影响，并在计算机上虚拟地运行整个企业，在求得系统的最佳运行参数后，再据此实现企业的物理运行。虚拟制造模型实质上是制造系统要素的数字化表达，主要包括产品模型、过程模型和生产系统模型，又称3P模型。
①产品模型。描述产品模型的方法有产品结构明细表、产品几何外形与拓扑、产品形状特征等静态信息，它应支持制造过程中的全部活动，是一个完备的全信息模型。
②过程模型。制造过程模型包括了对产品功能有很大影响的一些关键属性信息。过程模型有多种形式，如基于理论的物理和数学模型、基于经验的统计模型、基于计算机的过程仿真模型，以及列举方法表达的图表和规则等。 ③生产系统模型。生产系统模型必须具有静态和动态描述能力。静态描述表达的生产能力和性能用于评价产品设计的可制造性或评定该生产系统的适用范围及柔性；动态描述表达系统的动态行为和实时状态，用以预测生产性能指标。
5 虚拟制造技术在汽车工业的应用
虚拟制造技术的应用范围涉及到汽车的整个生命周期，它可以在汽车生产设
备、工装和模具，甚至样车的设计之前，很容易地生产系统和工艺过程进行建模、修改、分析及优化。借助虚拟制造技术建立的三维汽车模型，可显示汽车的悬挂、底盘、内饰直至每个焊接点，设计者可确定每个部件的质量，了解各部件的运行性能，仿真非实际生产的材料和产品，同时产生有关他们的信息，也可以制定零件生产的机加工方案、拟定产品检验和实验步骤等。 5.1 虚拟技术在各汽车公司的应用现状
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美国通用公司是全球汽车界最早利用虚拟现实技术的公司之一。它采用的虚拟
现实软件具有三个图形流水线部件，可分别投影在设计师的左边、前面和地面上的大屏幕上，另外一台单独的桌面系统有时用做右面的第四面墙，设计师借助于该软件就能设计一辆惟妙惟肖的汽车。
福特汽车公司，产品设计师运用虚拟现实软件可以看到虚拟汽车车门及发动机罩的铰接，可以设想在驾驶室的座位上来解决人机工程和视野问题。同时，动力系统的工程师借助更换一个虚拟机油滤清器来模拟发动机的维护.
德国汽车业应用虚拟制造技术最快也最广泛，目前，德国所有的汽车制造企业都建成了自己的虚拟现实开发中心。奔驰、宝马、大众等大公司的报告显示，应用虚拟制造技术，以“数字汽车”模型来代替木制或铁皮的汽车模型，设计发动机、车体、电气线路等，建立了三维模型，并进行了碰撞分析和运动分析等，还进行了模拟数控加工和质量检验等，大大缩短了设计周期，降低了设计成本，可将新车型的时间从一年以上缩短带2个月左右，开发成本最多可降低到原先的1/10。
5.2 虚拟制造在汽车制造中应用
（1）汽车的外形设计。以前，汽车外形造型设计多采用泡沫塑料制作外形模型，要通过多次的修改、评测，而采用虚拟技术，可利用三维造型软件如Pro/Engineer等进行模型设计，方案确定后的建模数据可以直接用于冲压模具设计、仿真和加工，甚至用于广告和宣传。
（2）汽车的布局设计。在复杂的产品设计中，可以采用虚拟现实技术直观地进行设计，避免可能出现的干涉和其他不合理问题。如在底盘的管道设计中，可以通过虚拟技术对管道布置进行检查，及早发现可能的问题，如干涉等。 （3）汽车的模拟装配。在汽车产品设计阶段，可以对零部件的配合性和可装配性进行校核，避免零部件的报废，缩短产品研制周期，确保设计的正确性。 （4）虚拟样车与产品工作性能评测。首先对汽车进行三维建模，然后通过专用的分析软件（如ANSYS、ADAMS）将三维汽车模型放在虚拟的环境中进行动力学分析、结构分析（线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、应力分析、变形和刚度分析，虚拟在各种情况下汽车的车身变形和底盘变形等，然后解决出现的问题，提高一次试验成功率。并对汽车的整车性能及零部件可靠性能进行直观地检查，甚至可以进行模拟碰撞来验证汽车的安全性能和结构强度等。
（5）汽车产品的宣传。用虚拟现实或三维动画技术制作出来的逼真的效果，不仅可以展示汽车的优美外形，还可展示汽车的内部布置情况，内饰及座椅分布。还可对汽车的维修过程、使用方法、工作过程、工作性能等进行介绍。 （6）汽车生产过程的仿真和优化。对汽车生产过程合理规划、对工厂的人力资源、制造资源合理配置，大大缩短生产周期，降低生产成本。
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参考文献：
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