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虚拟制造系统技术支持与体系构造分析

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虚拟制造技术是由虚拟现实技术支持的新的研究领域，它是用

三维的和动态的仿真模型模拟产品设计与制造及其相关的过

程。虚拟制造系统是企业集成的一种新方案，本文给出一种基

于集成概念的虚拟制造系统的体系构造。

0、引言

当今的制造业根本技术日臻成熟，其市场处于以消费者为

导向的市场环境下，产品品种、上市时间和用户满意度成为企

业取得竞争优势的主要因素。制造业这种全球化的剧烈竞争不

断催生了各种先进制造技术和新的制造哲理，虚拟制造技术将

会在下一世纪涌向潮头，其朴素的思想和高新的技术手段都为

研究领域和业界所推崇。

1、虚拟制造技术

虚拟制造的根本思想是在产品制造过程的上游－设计阶段

就进展对产品制造全过程的虚拟集成，将全阶段可能出现的问

题解决在这一阶段，通过设计的最优化到达产品的一次性制造

成功。

虚拟现实技术是使用感官组织仿真设备和真实或虚幻环境

的动态模型生成或创造出人能够感知的环境或现实，使人能够

凭借直觉作用于计算机产生的三维仿真模型的虚拟环境。基于

虚拟现实技术的虚拟制造技术在一个统一模型之下对设计和制

造等等过程集成，它将与产品制造相关的各种过程与技术集成

在三维的、动态的仿真真实过程的实体数字模型之上。其目的

是在产品设计阶段，借助建模与仿真技术及时地、并行地、模

拟出产品未来制造过程乃至产品全生命周期的各种活动对产品

设计的影响，预测、检测、评价产品性能和产品的可制造性等

等。从而更加有效的、经济的、柔性的组织生产，增强决策与

控制水平，有力地降低由于前期设计给后期制造带来的回溯更

改，到达产品的开发周期和本钱最小化、产品设计质量的最优

化、生产效率的最大化。

虚拟制造系统是各制造功能的虚拟集成，它的可视化集成

范围包括与设计相关的各项子系统的功能，如用户支持、工程

分析、材料选用、工艺方案、工装分析、快速原型，甚至包括

制造企业全部功能〔如方案、操作、控制〕的集成。

虚拟制造系统拥有产品和相关制造过程的全部信息，包括虚拟

设计、制造和控制产生的数据、知识和模型信息。虚虚拟控制

制造系统按照功能归集为三种不同类型的子环境，共同构成中

心三元耦合的系统模式如图1：

〔1〕虚拟制造设计中心：给设计者提供各种工具以便设计出符

合设计准那么〔如DFX〕的产品模型；

〔2〕虚拟制造加工中心：研究开发产品制造过程模型和环

境模型及其分析各种可行的生产方案和工艺规划；

〔3〕虚拟制造控制中心：评价产品设计、产品原型、生产

方案、制造模拟和控制策略等等。

2、虚拟制造技术支持

虚拟制造技术是多学科综合的系统技术，需要研究开发相

应的硬件集成系统与软件，就软件技术而言，相关的研究支持

如下：

〔1〕可视化：真实、直观地再现主观产品与客观制造过程；

〔2〕根本环境：增强可视化和其它虚拟制造功能的集成系

统平台；

〔3〕信息描述：表达各种信息，包括数据、知识和模型的

统一的方法、语义、语法；

〔4〕中介模型：构造、定义、开发对过程易于中断介入的

模型；

..

〔5〕基层集成组织构造：硬件与软件的基层组织构造；

〔6〕仿真模型：在计算机系统中设计的真实系统模型；

〔7〕应用方法；产品多样性与过程动态性的共同特征的抽

象提取；

〔8〕制造特征：各种材料在虚拟制造环境中的变化过程；

〔9〕虚拟制造系统评价：可制造性、工艺性、可靠性、经

济性、质量、工期等等。

3、虚拟制造系统体系构造

CIM集成是通过物理的、逻辑的联系以便在制造设备之间

传递信号，以庞大的信息流为“网线〞粘连起企业活动的全部

活动“节点〞，共同浇结成一整块“企业机器〞，实际上从各

个方面降低了企业的柔性。而虚拟制造那么完全是数字模型的

集成，提供了有别于CIMS“物理集成〞的虚拟集成方案，将相

互孤立的制造技术如CAD、CAM、CAPP等等集成在一个虚拟产品

制造环境下，以现实对制造过程的一一对应的模型化映射关系，

它相对于物理世界有功能一致性、构造相似性的特点，是对实

体制造企业的产品、作业、环境及其评价