万方数据ｉｒ２００１年第３期李珊等：虚拟制造技术虚拟制造技术李 珊，李治郊（装备指挥技术学院，北京怀柔１０１４１６）摘要：皮拟创造技术是近几年发展起来的衡技术．通过对虚拟制速技术知识的介绍，阐明了开展皮拟制造技术研究和应用的必要性与重要性．关锐词：虑拟侧连；体系结构；研究内容；实际制造中圈分类号：ＴＰ３９文献标识码：Ａ文章编号：１００１－３６９５（２００１）０３－０００１０－３Ｖｉｒｔｕａｌ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＬＩ Ｓｈｕｎ， ＬＩ Ｚｈｉ－ｂａｎｇ（ｔｎ．ｔｌｌｎｔｅｅｆＣｏｎａｎ．ｔｓｄ＆ｒｅｎｎｅｌｏｇｙｏｆｌＩｙｎｌｐｓｉｅｎｕ， ｅｕａｉｃｒｎｅｅｉｊ吨１０１４１６， Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｖａｍａｌ Ｍａｎｏｆｉｃｔｕｏｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌ・ｎｅｗ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ血ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ． Ｔｈｅ ａｒｉｔｃｌｅ ｍａｉｎ卜４ｉ．－ ｔｈｅＶＭ（Ｖｉｒｍａｌ Ｍａｍｆａｃｔａｒｉｎｇ） ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｒｅａａａｍｈ ａｎｄ ｉｔｓ ｎｘａａａｉ勿．耐ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ｆｏｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ甸ｔｈｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ＭｔｔｈｍｌＭａｍａｃｉｍｉｎｇ ｔｅｅ加ｏｌｏｇｙｋｎｏｗｌｅｄｇｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： Ｖｎｕ ａｌ Ｍａｍｔｆｉｃｔｍｉｎｇ； Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｕｃｔｍｅ； Ｒｅａａｒｃｈｍｇ ｃｏｎｔｅｎｔ， Ｐｒａｃｔｉａｃｌ ｝ｕｆｃｂｘｉｎｇ１前言２虚拟制造的定义ｓｏ年代初，先进制造技术即以信息集成为核心的 所谓的虚拟制造，目前还没有一个统一的定义标计算机集成制造系统（ＣＭ， Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｉｎｔｅｒｇａｔｅｄ准，但综合地讲，虚拟制造可定义为：虚拟制造是利Ｍａｍｌｆ‘吐ｗｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）开始得到实施：８０年代末，以用仿真与虚拟现实技术，在高性能计算机及高速网络过程集成为核心的并行工程（ＣＥ ， Ｃｏｎｃｕｒｅｒｎｔ的支持下，采用群组协同工作，通过棋型来模拟和预Ｅｎｇｉｎｅｒｅｉｎｇ）技术进一步提高了制造水平；进入９０年估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问代，先进制造技术进一步向更高水平发展，出现了虚题，实现产品制造的本质过程，包括产品的设计、工拟制造（ＶＭ， Ｖｉｒｔｕａｌ Ｍ－ｕ＆ｃＷｎｎｇ冷新概念，虚拟制艺规划、加工制造、性能分析、质里检验，并进行过造技术可看作是ＣＡＤ／ＣＡＭＩＣＡＥ集成化发展的最高层程管理与控制１２１次。３虚拟制造的特点虚拟制造技术应该是在ＣＡＤ／ ＣＡＭＩＣＡＥ技术基础上发展起来的．一方面，ＣＡＤＩＣＡＭＩＣＡＥ技术为虚拟虚拟制造具有如下主要特点： 制造技术的实现提供了较为成熟的技术：建棋技术、 （Ｉ）高度集成分析优化技术、制造过程仿真技术、分析评价技术、产品与制造环境是虚拟模型，在计算机上对虚拟 设计分析评价技术、产品信息集成、转换、共李技术模型进行产品设计、制造、侧试，甚至设计人员或用等。特别是特征建棋技术在虚拟制造技术中占有极为户可“进入”虚拟的制造环境检验其设计、加工、装重要的地位。另一方面，虚拟制造技术超越了配和操作，而不依赖于传统的原型样机的反复修改。ＣＡＤＩＣＡＭＩＣＡＥ技术，ＣＡＤＩＣＳｔｖ１１ＣＡＥ技术主要考虑（ ２）支持敏捷制造产品本身信息的集成与建模，而虚拟制造技术还要考开发的产品（ 部件）可存放在计算机里，不但大大节省仓储费用，更能很据用户需求或市场变化快速改虑加工过程的建模等问脱川。型设计，快速投入批＞ｔ生产，从而大幅度缩短了生产准备周期，提高了产品从设计、制造到销售全过程的收藕日期：２０００－０４－２５整体性和敏捷性，增强了企业（群钧的竞争能力。目万方数据计算机应用研究２００１年前有关敏捷制造、虚拟企业的研究与实践活动已在世 事实上，由于各软件系统所描述的信息所在问题界范围内盖勃展开，现代企业向虚拟企业、敏捷制造域的不同，在数据转换时有时要做适当的演绎推理发展己是历史的必然／３１对所描述的数据对象做适当的转换（ ３汾布合作可使分布在不同地点、不同部门的不同专业人 ６．２产品创新设计支撑技术研究员在同一个产品模型上同时工作，相互交流，信息产品设计主要包括正向设计和逆向设计。目煎产 共享，减少大量的文档生成及其传递的时间和误品创新支持技术有了一定的进展，有了部分支持工差，从而使产品开发以快捷、优质、低耗响应市场具，例如ＵＧ Ｉ的ＷＡＶＥ， Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ的Ｌａｙｏｕｔ，但变化。是离ＶＭ对产品创新支持技术的要求还有一定的距４虚拟制造的分类离，主要表现在： （ｔ）缺少创新设计支持系统按照与生产各个阶段的关系，可将虚拟制造分成 ＶＭ的环境为创新设计提供了很好的运行机制， ３类，即以设计为核心的虚拟制造（介ｓｉｇｎ－Ｃｅｎｔｅｒｅｄ但如何实现创新设计，还需要组织开发创新设计支持ｖＭ）、以生产为核心的虚拟制造伊ｒｏｄｕｃｔｉｏｎ－Ｃｅｎｔｅｒｅｄ系统。例如，从市场需求综合出产品功能的需求，由ＫＶ和以控制为中心的虚拟制ｉｓ （Ｃｏｎｔｒｏｌ－Ｃｅｎｔｅｒｅｄ功能的需求产生新的结构方案，最后产生创新的解答ＶＭ）＇４１ ＾方案。这些都需要新产品设计以市场的需求为目标，５虚拟制造系统的体系结构利用新技术、新材料、新工艺的支持。产品的创新设虚拟制造系统的体系结构可用图１表示。 计是一门综合性学科，目的是综合用户需求，结合现有的资源、技术、人才寻求设计的共性规律，提高新井产品的设计质量和速度． （２）９（８乏将知识与、Ｔｄ结合的工具６ｉ１ｕ１８ａ！｝，即。计日产。工艺洲＿ＩＩ。，。一｝１创新产品更加注重知识，知识可以创造革新产 汽囚的工月翻．和口日，．品和新技术。由于知识表达与组织的重要性和它的月．的分布成．井月钾构的计，翻月由砰峨逆门翻月相伙绍口日位术 复杂性，所以受到了国内外的普遍重视，特别是在图１度拟侧造系统的体系结构信息技术、计算机技术和数据库网络技术飞速发展６虚拟制造的研究内容和涉及的主要技术问的今天，创新设计支持系统获得了新的探索空间。题如何将知识与ＶＭ的数字产品结合起来是一个巫待解决的难题。６１虚拟产品理摸技术研究（ ３）缺少交互式外型设计技术与虚拟制造的集成工 主要涉及３个棋型的建立，即生产棋型、产品模具型和工艺模型．目前，基于继承的数字化产品模型技 虚拟制造技术被证明是支持产品创新的最具有发术尚处于概念阶段。存在以下问题：展前景的技术，如何将解决产品整体定位和外观质量（ ｌ）由于原来的ＣＡＤ产品棋型，主要是从几何角度的、以工业设计为核心的产品交互式外型设计技术引出发来描述产品，而在虚拟制造系统中，除了几何信入虚拟制造并有机地集成起来尚待研究。息外，在产品的棋型中，还必须包括大量的非几何信息，为仿真、智能ＣＡＤ以及产品的评估提供数据源。（ ４准少支持逆向设计的工具（ ２）目前的ＣＡＤ模型无法支持产品的概念设计， 逆向设计办称为反求设计，在许多情况下，它也但是在虚拟制造系统中，一个产品的设计包括几个阶具有创新设计内涵，虽然它不是全新设计。目前逆向段：概念设计阶段、初步设计阶段和详细设计阶段。设计中仍然有大量未能克服的难题，如具有随机侧ｔ目前的ＣＡＤ系统只支持产品的详细设计。误差的测量数据处理技术、残缺数据的修复技术等尚 （３）目前还没有一种合适的格式来描述产品信息，需改进与完善。使得虚拟制造系统可以与其它系统，比如ＭＲＰ， ＣＡＤ，６．３产品样机数字化技术研究ＣＩＭｓ之间交换数据。目前各应用软件间的产品数据 产品数字化的核心是如何采用ＰＤＭ：产品数据管交换主要是通过专用的“接口，来实现的，而这种转理，Ｐｒｏｄｕｃｔ Ｄａｔａ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ；，但目前ＰＤＭ系统缺乏换必须是同一问题域（如几何）数据的简单映射，这势标准，这也就造成了ＰＤＭ软件与其它应用系统（例如必增加虚拟产品开发系统的复杂度，而且无法实现模ＭＲＰＩＩ， ＣＡＤ， Ｗｅｂ浏览器等）的集成问题。ＰＤＭ主要型间数据的自动转换和衍生．涉及以下两方面的内容：万方数据第３期李珊等：虚拟制造技术 （１）ａｉ拟产品开发的产品数据组织休系程在计算机环境下的映射．另一方面，在实际制造系虚拟产品开发方式生成的产品数字样机的产品结 统生产出适销对路的产品，然后再通过对实际制造系构树不仅要反映产品设计阶段的构造层次结构，而且统进行抽象、分析、综合，得到实际产品的全数字化还要反映产品的装配顺序。如果将零件、部件的加工模型：虚拟制造的最终目标是反作用于实际制造过时间、工位信息等考虑在零、部件的对象模型内部，程，用来指导生产实践．因此，虚拟制造是实际制造在产品结构树中再增加一些虚设结点，则采用虚拟产的抽象，实际制造是虚拟制造的实例。品开发方式产生的产品数字样机的产品结构树又可以反映生产流程。对于分布式虚拟制造系统，建立良好８虚拟制造的应用实例的产品数据组织体系尤为重要。 虚拟制造技术发展到今天，己经取得了不少成（ ２）－５数字化产品模型相关数据的组织和管理果。英国Ｂａｔｈ大学虚拟制造研究小组的虚拟车间演示产品的数字化不但包括建立产品数字模型，还包 系统是实际车间系统的一个部分。通过该系统首先产括对该数字模型进行分析和评估的性能指标。如何有生出虑拟产品部件，而后实际加工机床进行加工。它效解决相关数据的组织和管理，使之有效适合ＶＭ的允许用户从虚拟车间角度，完成零件的磨床加工，刀具需要是目前国际研究的热点选择，机器人和其它加工工具的选择等。通过佩截专用眼镜，用户可以获得全三维的效果，并在整个车间系统６．４虚拟产品制造过程的仿真技术研究中漫游。例如，走到某一台机床前，然后对它进行操作，目前虚拟加工分析工具尚不丰富，尽管目前已 就好象是在对一台真正的机床进行操作一样．对机床有不少商品化软件可以进行“可加工性”评价，但的控制可以通过虚拟机床上的控制面板进行，采用虚ＶＭ还需研究开发大量的虚拟加工分析工具。另外，拟制造的优点在于用户可以从任意角度观察加工过如何使用“Ｄ－０方法”建模也是目前国际上的研究程，可以很方便地修正设计中的错误，同时虚拟制造热点，国际上关于虚拟装配的研究虽不少见，但在也不受实际加工参数的，大大缩短了加工时间．装配建模方面，采用“ｏ－ｏ方法”是装配建模的一近凡年，工业发达国家均着力于虚拟制造的研究 种潮流‘先粗后精，由抽象到具体，符合人们与应用。在美国，ＮＩＳＴ（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ＂Ｔｏｐ－Ｄｏｗｎ，式的自然思维习惯。集成化是装配建ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）正在建立虚拟制造环境〔称之为国家先模的必然趋势。信息模型应能支持ＶＭ环境下与装进制造侧试床，Ｎａｔｉｏｎａｌ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｓｔ－配相关的各阶段活动。ｂｅｄ， ＮＡＭＴ），波音公司与麦道公司联手建立了６．５建立支持虚拟产品开发（ＶＰＤ， Ｖｉｔｒｕａｌ ＰｒｏｄｕｃｔＭＤＡ（Ｍｅｅｈａｎｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）：在德国，Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ）全过程的集成化系统研究Ｄａｒｎｌｓｔａｕ技术大学的Ｆｍｕｎｈｏｆｅｒ计算机图形研究所，主要包括以下几方面的内容： 加拿大的、Ｗａｔｅｒｌｏｏ大学，比利时的虚拟现实协会等均（ ｌ窿于ＰＤＭ的虚拟产品创新设计系统先后成立了研究机构，开展虚拟制造技术的研究（ ２）＇７品样机数字化支持系统由于“虚拟制造”概念出现才几年时间，目前还 缺乏从产品生产全过程的高度开展虚拟制造技术的系（ ３）集成化仿真分析平台的集成技术统研究。例如，虚拟制造的内涵是什么？它包涵哪些（ ４）ＶＰＤ系统与实际产品开发的集成化３Ｃ系统的关键技术？如何建立集产品研究、设计、工艺、制造、集成标准、资源共享、技术共享、信息传递、市场需求、６．６虚拟洲试技术研究系统控制于一体的虚拟制造环境？这些仍然是世界各虚拟侧试是成功运用“虚拟产品开发”技术的关 国研究人员正在研究和探讨的问题。键环节，因为在现有的技术条件下对于单元模型不论参考文献：是产品、工艺还是系统，测试和校验环节是不可缺少Ｉｌｌ周济应ｎ｝，ｔ７｝ｔ技术与机ＡＣＡＤ／ＣＡＭｌＣＡＥ技术Ｆｉｌ中ＩＭ的，如：波音竹７飞机作为第一架无图纸的飞机，但 械工找１９９８，（１１）：６５．几乎它的每一个关键部件和工艺都要经过严格的实验［２１应拟制透的定又ＩＥＢＭＩ．测试和校脸。侧试和校验环节还会对“虚拟产品开发”［３１褚学宁点拟企业产品设计技术研宪Ｉｈ 铆Ｊ／－ｃ４ｕ．ｃｎｌｔｎｐｉｃｌｖｉｎｔｕＬ氏刀中国机械工程，１９９９，的效率产生重要影响，因为当所有环节都计算机化（Ｉ ）： ５８－５９－后，测试和校验环节就成为影响效率的重要因素［４１严隽琪，范秀软，姚健．应拟制造系眺的林系姑构及共关健７虚拟制造与实际制造的关系技术闭．中国机械２仪１ ９９８，（１１）：６０．６３虚拟制造与实际制造有着密切的关系。一方面 作者简介：伞姗（１９６４－），女．实脸师，本料．砚从事计葬机应用和计葬机虚拟制造不是无派之水。无本之木，而是实际制造过教学工作．
