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虚拟现实制造技术体系结构研究
2010年9月11日    评论:    分享:

     来源:第三维度
     作者:未知

  概要:作者在深入的研究各种体系结构的基础上,提出了一个以产品生命周期管理PLM为基础的,集虚拟制造技术、办公自动化、网络技术、资源计划ERP、并行工程和全生命周期工程于一体的面向制造企业的实用的虚拟制造系统体系结构,并研究了其工作原理。本文提出的虚拟制造系统体系结构是一种真正面向制造企业的实用的集成的虚拟制造系统体系结构,完整清晰的描述了虚拟制造系统的整个过程,充分体现了实际制造系统和虚拟制造系统之间的映射关系,统筹兼顾了系统开放性和知识集成性,总之,与现有的系统模型相比较,具有一定的先进性,实用性和可应用性。

  1、引言

  当今世界企业间围绕时间、质量和成本的竞争越来越激烈。企业间竞争的目标是:以最快的速度、最低的成本制造出用户满意的产品。优质低价的产品及时上市已成为企业取得竞争优势的关键。为了适应这种变化,制造业于80年代中期提出了虚拟制造(Virtual Manufacturing,即VM)新概念,得到人们的极大重视而获得迅速发展。它是以虚拟现实和仿真技术为基础,对产品的设计、生产过程统一建模,在计算机上实现产品从设计、加工和装配、检验、使用整个生命周期的模拟和仿真。这样,可以在产品的设计阶段就模拟出产品及其性能和制造过程,以此来优化产品的设计质量和制造过程,优化生产管理和资源规划,以达到产品开发周期和成本的最小化,产品设计质量的最优化和生产效率最高化,从而形成企业的市场竞争优势。

  虚拟制造系统(Virtual Manufacturing system,即VMS)是在虚拟制造思想指导下的一种 基于计算机技术的集成的、虚拟的制造系统。在信息集成的基础上,通过组织管理、技术、资源和人机集成实现产品开发过程的集成。在整个产品开发过程中,在基于虚拟现实、科学可视化和多媒体等技术的虚拟使用环境、虚拟性能测试环境以及虚拟制造环境等虚拟环境下,在各种人工智能技术和方法的支持下,通过集成地应用各种建模、仿真分析技术和工具,实现集成的、并行的产品和过程开发,以及对产品设计、制造过程、生产规划、调度和管理的测试,利用分布式协同求解,以提高企业各级决策和控制能力,实现自我调节、自我完善、自我改造和自我发展,达到提高整体的动作效能、实现全局最优决策和提高市场竞争力的目的。

  由于虚拟制造系统的体系结构是整个虚拟制造系统实现的关键,因此国内外众多的研究机构针对VMS作了大量的研究,提出了不同的VMS体系结构方案。但到目前为止还没有一个完善的体系结构,无论是现有的通用体系结构还是现有的专用体系结构,都存在着一定的缺陷和局限性。其共性主要表现如下:首先,无法完整清晰的描述虚拟制造系统的整个过程,在模型建立方面存在一定的片面性:其次,实际制造系统和虚拟制造系统之间的映射关系表示不充分,是不完全映射,因此无法综合考虑真实状态、信息传递和系统控制:再次,在系统开放性和知识集成性上也有所欠缺,两者不能统筹兼顾:最后,在实用性和可应用性上有较大欠缺,缺少一种真正面向制造企业的实用的集成的虚拟制造系统体系结构。

   基于此,本文作者在深入的研究各种体系结构的基础上。提出了一个以产品生命周期管理PLM为基础的,集虚拟制造技术、办公自动化、网络技术、资源计划ERP、并行工程和全生命周期工程于一体的面向制造企业的实用的虚拟制造系统体系结构,以期能解决上述存在的问题。在这基础之上,论述了此体系结构的工作原理。

  2、虚拟制造系统体系结构

  虚拟制造系统体系结构如图I所示。

图I 虚拟制造系统体系结构
图I 虚拟制造系统体系结构

  虚拟制造系统是以产品生命周期管理PLM为基础的,产品开发过程管理平台、产品设计平台、虚拟加工平台、虚拟生产平台、虚拟测试平台、虚拟使用平台和虚拟工厂平台都是建立在包含了完整的产品全生命周期数据的PDM上,而PDM是PLM核心功能之一。这使得虚拟制造系统应用一系列的解决方案来协同的支持产品设计、分析、制造、管理和使用,从地域上横跨全企业和供应链,从时间上覆盖从产品的概念设计一直到产品结束它的使命的全生命周期。资源计划ERP强调供应链的管理,除了传统MRPII系统的制造、财务、销售等功能外,还增加了分销管理、人力资源管理、运输管理、仓库管理、质量管理、设备管理、决策支持等功能。集成了ERP的虚拟制造系统对于制造企业战略规划、经营决策和项目管理来说,既作为一个制造企业的信息系统为其提供各种所需信息,又作为一个决策支持系统以提高各级决策和控制能力。根据市场需求以及本身的资源状况和技术条件等,进行战略规划和经营决策,确定产品类型和规模,评估可能取得的效益和可能遇到的风险。

  根据制造企业产品规划和产品开发计划,管理各个产品开发项目。对于集成产品和过程开发来说,一方面,虚拟制造系统作为一个设计和决策的虚拟验证与测试集成环境和工程信息管理系统,使产品开发从经验到理性;另一方面,它提供了一个多学科小组进行并行工作的虚拟设计环境,基于分布式并行协同求解技术,对产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)进行集成地、并行地设计开发,支持产品开发人员对产品方案设计、结构设计、详细设计以及工艺设计和生产组织等进行协同求解,寻求全局最优决策。在虚拟制造系统中,产品开发人员、用户和合作伙伴之间通过CSCW系统进行分布式并行合作与协同。

  虚拟使用平台、虚拟生产平台,虚拟加工平台、虚拟测试平台解决了产品开发过程中所面临的未知因素。虚拟使用平台使用户在产品开发的早期就参加产品开发活动,这既有利于尽早地反映用户的需求情况,解决与用户需求有关的未知因素,也加强了用户对自己所提出的需求合理性的认识;虚拟测试平台采用虚拟仪器技术建立的远程产品测试平台。虚拟仪器就是在通用计算机上加上一组软件和/或硬件,使得使用者在操作这台计算机时,就像是在操作一台他自己设计的专用的传统电子仪器。在虚拟仪器系统中,硬件仅仅是为了解决信号的输入输出,软件才是整个仪器系统的关键。任何一个使用者都可以通过修改软件的方法,很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模,所以有“软件就是仪器”之说。这样通过虚拟测试平台我们就可以远程测试产品,一旦产品发生故障,可以及时快速的进行维修。虚拟加工平台使产品设计人员能够墓于虚拟产品,对产品设计进行性能分析、评价和改进,还可以加强设计人员之间、设计人员和用户之间、设计人员与合作伙伴之间的联系;虚拟生产平台和虚拟加工平台用于在产品开发过程中,为整个企业的运作提供一个基于计算机环境的具有制造语义的集成基础结构,为所设计产品的制造和生产过程提供仿真环境和验证平台,解决与制造有关的未知因素,如在产品开发的早期,发现产品和过程设计与制造和生产有关的问题,使其及早予以解决,从而大大节约开发时间和研制经费。由于产品开发进程的加快和设计一评价一修改从多次串行工作模式下的整体大循环,过渡到基于并行工作模式的局部小循环,从而能够实现对多个解决方案的快速比较和选择。

  对于生产过程来说,虚拟制造系统则是一个监视、控制、管理、维护和仿真系统,以提高制造和生产过程管理、协调和控制能力。通过将实际制造系统映射为虚拟制造系统,实现对企业制造资源的建模,以及制造过程和生产过程规划、管理、调度、控制的仿真。根据产品类型和规模以及企业资源等情况,控制和协调生产活动,合理配置和利用人、财、物资源,以提高制造企业的整体运作效率。

  虚拟制造系统管理办公平台用于系统管理人员对整个虚拟制造系统的管理、控制、维护和更新。系统管理人员通过此平台进行决策支持,经营、项目管理,办公、资料管理,IPT的组织与管理和网络与安全管理。

  虚拟制造系统自身集成了一套行之有效的评价体系用于评价自身运行的正确、高效、经济和系统的创新性。设定评价体系的评价规范、方法和评价指标,通过评价模型不仅可以定性的评价虚拟制造系统的运行有效性,而且可以定量的评价虚拟制造系统的运行情况,给出定量的指标。这样虚拟制造系统就能够根据定性和定量的评价信息调整自身的运行,实现自我调节、自我完善、自我改造和自我发展。

  虚拟产品模型库,设计知识库,制造知识库和仿真知识库是虚拟制造系统的底层支持,为虚拟制造系统提供产品设计,仿真,制造,装配,工艺知识,性能参数,产品数字模型:设计制造装配规则,经验,事实,概念组成的产品知识;原苏联的发明创造方法学TRIZ(Theory of Inventive Problem Solving)和建立在TRIZ基础之上的创新知识平台。原苏联的发明创造方法学TRIZ理论的研究始于1946年,前苏联著名发明家G.S.Altshuller领导的研究机构分析了世界近250万件高水平的发明专利,并综合多学科领域的原理和法则后,建立起TRIZ理论体系。其目的是研究人类进行发明创造、解决技术难题过程中所遵循的科学原理和法则,即任何领域的产品改进、技术的变革、创新和生物系统一样,都存在产生、生长、成熟、衰老、灭亡的过程,是有规律可循的。人们如果掌握了这些规律,就能能动地进行产品设计并能预测产品的未来发展趋势。TRIZ正是这些规律的综合。运用这一理论,可大大加快人们创造发明的进程而且能得到高质量的创新产品。鉴于知识库涉及的数据种类繁多,信息量大,必须采用当前较成熟的技术—面向对象(o-o)技术来管理。知识库以对象这种通用模型表示各种数据结构和知识。产品,零件,产品数字模型,具体产品设计,工序等都可以作为对象而存在,每个对象都拥有具体的属性和对应的实例。通过面向对象方法,可以对大量的知识及数据建立严格的管理,逻辑关系清晰,便于知识库管理和维护。

  3、虚拟制造系统工作原理
  
    虚拟制造系统的工作原理如图2所示,技术人员和用户对实际产品或产品的概要设计进行抽象和综合,利用虚拟现实技术通过计算机仿真出产品的数字化原型。技术人员和用户通过评价体系评价产品的数字化原型,根据评价结果不断的调整数字化原型,直到抽象和综合出的数字化原型符合实际产品或用户要求。虚拟设计平台、虚拟加工平台、虚拟生产平台、虚拟测试平台和虚拟使用平台通过产品开发过程管理模块管理,这五个平台并行协同的进行产品开发设计,数字化原型输入到虚拟设计平台进行虚拟设计。在进行虚拟设计时要充分考虑下游过程的支持信息,包括虚拟加工平台、虚拟生产平台、虚拟测试平台和虚拟使用平台等过程的支持信息。完成后输出到虚拟加工平台进行仿真分析(包括力学、热力学、运动学、动力学、电磁兼容性等)、工艺规划、虚拟加工、虚拟装配和可加工性分析(包括性能分析、费用估计,工时估计等)。虚拟加工平台输出的信息反馈回虚拟设计平台,对产品的虚拟设计进行修正。虚拟生产平台对产品的数字化模型进行生产环境的布局设计及设备集成、工厂生产计划及调度的优化,进行可生产性分析,同时将上述信息反馈回虚拟设计平台和虚拟加〔平台,修正这两个平台的相应输出。虚拟测试平台和虚拟使用平台接受上游过程输出的数字化模型进行虚拟测试、虚拟使用,并将信息反馈回上游过程改进产品的设计制造装配。当数字化原型经过虚拟设计平台、虚拟加工平台、虚拟生产平台、虚拟测试平台和虚拟使用平台的并行设计优化后输出产品最终数字模型。虚拟制造系统输出产品最终数字模型到实际制造系统即工程制造中心进行实际的制造。

  工程制造中心主要由最终数字模型处理单元、产品工艺、数控加工中心、生产调度和其它辅助制造单元组成。工程制造中心接收虚拟制造系统输出的最终数字模型,经过最终数字模型处理单元处理后,直接将处理数据发送到产品工艺、生产调度和或数控加「中心并行协同的进行实际产品工艺规划、生产调度和加工制造。这样不仅上一阶段的工作成果可以直接转化为现实生产力,而且缩短产品制造周期,提高产品的生产质量,减少产品的返工率和材料的浪费,降低了产品生产成本。同时,工程制造中心即实际制造系统将信息反馈到虚拟制造系统中,实现自我调节、自我完善、自我改造和自我发展。

  虚拟制造系统和工程制造中心的数据传输和共享都是通过计算机支持协同工作网络环境进行的,ERP,虚拟产品模型库,设计知识库,制造知识库和仿真知识库为其提供各种资源和数据。

虚拟现实制造技术体系结构研究
虚拟现实制造技术体系结构研究

  4、结论
   
    虚拟制造的意义在于将工业产品制造,从过去的依赖于经验的保守方法跃入到全过程预测的崭新方法,填补CAD/CAM技术与生产过程和管理之间的技术鸿沟,为设计师、工艺师们提供了从产品概念的形成、设计到制造全过程的三维可视及空间交互的环境,从而实现了制造驱动设计。虚拟制造技术是一项军民通用,符合当前知识经济发展潮流的关键共性技术。而建立在以虚拟制造技术基础之上的虚拟制造系统能为企业生存和发展提供强有力的支撑。虚拟制造系统可以使企业能够更有效、更经济、更敏捷地组织生产,缩短产品开发周期,提高产品质量,降低成本,达到获得最优效益的目的。集成PDM、ERP和并行工程后,可实现产品设计、分析和制造信息的数字化传递、统一管理和共享。

 

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