虛擬制造
時(shí)間:2011-05-20 08:45:23 來(lái)源:未知
一、概述
自70年代以來(lái)，世界市場(chǎng)由過(guò)去傳統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定逐步演變成動(dòng)態(tài)多變的特征，由過(guò)去的局部競(jìng)爭(zhēng)演變成全球范圍內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)；同行業(yè)之間、跨行業(yè)之間的相互滲透、相互競(jìng)爭(zhēng)日益激。為了適應(yīng)變化迅速的市場(chǎng)需求，為了提高競(jìng)爭(zhēng)力，現(xiàn)代的制造企業(yè)必須解決TQCS難題，即以最快的上市速度(T--Time to Market)，最好的質(zhì)量(Q--Quality)，最低的成本(C--Cost)，最優(yōu)的服務(wù)(S--Service)來(lái)滿足不同顧客的需求。
與此同時(shí)，信息技術(shù)取得了迅速發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息處理技術(shù)等取得了人們意想不到進(jìn)步。二十多年來(lái)的實(shí)踐證明，將信息技術(shù)應(yīng)用于制造業(yè)，進(jìn)行傳統(tǒng)制造業(yè)的改造，是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的必由之路。80年代初，先進(jìn)制造技術(shù)以信息集成為核心的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS，Computer Integrated Manufacturing System)開(kāi)始得到實(shí)施；80年代末，以過(guò)程集成為核心的并行工程(CE，Cocurrent Engineering)技術(shù)進(jìn)一步提高了制造水平；進(jìn)入90年代，先進(jìn)制造技術(shù)進(jìn)一步向更高水平發(fā)展，出現(xiàn)了虛擬制造(VM，Virtual Manufacturing)、精益生產(chǎn)(LP，Lean Production)、敏捷制造(AM，Agile Manufacturing)、虛擬企業(yè)(VE，Virtual Enterprise)等新概念。
在這些諸多新概念中，“虛擬制造”引起了人們的廣泛關(guān)注，不僅在科技界，而且在企業(yè)界，成為研究的熱點(diǎn)之一。原因在于，盡管虛擬制造的出現(xiàn)只有短短的幾年時(shí)間，但它對(duì)制造業(yè)的革命性的影響卻很快地顯示了出來(lái)。典型的例子有波音777，其整機(jī)設(shè)計(jì)、部件測(cè)試、整機(jī)裝配以及各種環(huán)境下的試飛均是在計(jì)算機(jī)上完成的，使其開(kāi)發(fā)周期從過(guò)去8年時(shí)間縮短到5年。又如Perot System Team利用Dench Robotics開(kāi)發(fā)的QUEST及IGRIP設(shè)計(jì)與實(shí)施一條生產(chǎn)線，在所有設(shè)備訂貨之前，對(duì)生產(chǎn)線的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、加工能力等各方面進(jìn)行了分析與比較，使生產(chǎn)線的實(shí)施周期從傳統(tǒng)的24個(gè)月縮短到9.5月。Chrycler公司與IBM合作開(kāi)發(fā)的虛擬制造環(huán)境用于其新型車(chē)的研制，在樣車(chē)生產(chǎn)之前，發(fā)現(xiàn)其定位系統(tǒng)的控制及其他許多設(shè)計(jì)缺陷，縮短了研制周期。
因此，近幾年，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家均著力于虛擬制造的研究與應(yīng)用。在美國(guó)，NIST (National Institute of Standards and Technology)正在建立虛擬制造環(huán)境(稱(chēng)之為國(guó)家先進(jìn)制造測(cè)試床National Advanced Manufacturing Testbed,NAMT)，波音公司與麥道公司聯(lián)手建立了MDA(Mechanical Design Automation)，在德國(guó)，Darmstatt技術(shù)大學(xué)Fraunhofer計(jì)算機(jī)圖形研究所，加拿大的Waterloo大學(xué)，比利時(shí)的虛擬現(xiàn)實(shí)協(xié)會(huì)等均先后成立了研究機(jī)構(gòu)，開(kāi)展虛擬制造技術(shù)的研究。
由于“虛擬制造”概念出現(xiàn)才幾年時(shí)間，目前還缺乏從產(chǎn)品生產(chǎn)全過(guò)程的高度開(kāi)展虛擬制造技術(shù)的系統(tǒng)研究。例如，虛擬制造的內(nèi)涵是什么？它包涵哪些關(guān)鍵技術(shù)？如何建立集產(chǎn)品研究、設(shè)計(jì)、工藝、制造、標(biāo)準(zhǔn)、資源共享、技術(shù)共享、信息傳遞、市場(chǎng)需求、系統(tǒng)控制于一體的虛擬制造環(huán)境？這些仍然是世界各國(guó)研究人員正在研究和探討的問(wèn)題。本文就“虛擬制造”的內(nèi)涵。涉及到關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討，并提出支持產(chǎn)品生產(chǎn)全過(guò)程的虛擬制造平臺(tái)的框架及體系結(jié)構(gòu)。
二、虛擬制造的定義
如前所述，“虛擬制造”是近幾年由美國(guó)首先提出的一種全新概念。什么是虛擬制造?它包括哪些內(nèi)容？這些至今仍然是人們討論的問(wèn)題。很多人曾為虛擬制造進(jìn)行定義，比較有代表性有：
佛羅里達(dá)大學(xué)Gloria J.Wiens的定義是：虛擬制造是這樣一個(gè)概念，即與實(shí)際一樣在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行制造過(guò)程。其中虛擬模型是在實(shí)際制造之前用于對(duì)產(chǎn)品的功能及可制造性的潛在問(wèn)題進(jìn)行預(yù)測(cè)。該定義強(qiáng)調(diào)VM“與實(shí)際一樣”“虛擬模型”和“預(yù)測(cè)”，即著眼于結(jié)果。
美國(guó)空軍Wright實(shí)驗(yàn)室的定義是“虛擬制造是仿真、建模和分析技術(shù)及工具的綜合應(yīng)用，以增強(qiáng)各層制造設(shè)計(jì)和生產(chǎn)決策與控制。該定義著眼于手段。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
另一個(gè)有代表性的定義是由馬里蘭大學(xué)Edward Lin&etc給出的，“虛擬制造是一個(gè)用于增強(qiáng)各級(jí)決策與控制的一體化的、綜合性的制造環(huán)境。”該定義則著眼于環(huán)境。
顯然，上述定義強(qiáng)調(diào)的方面是不同的，甚至也有人認(rèn)為沒(méi)有必要只有一種定義。但是為了討論和交流，普遍認(rèn)為，對(duì)VM進(jìn)行定義是有必要的。
綜合目前國(guó)際上有代表性的文獻(xiàn)，本文對(duì)虛擬制造給出如下定義：虛擬制造是實(shí)際制造過(guò)程在計(jì)算機(jī)上的本質(zhì)實(shí)現(xiàn)，即采用計(jì)算機(jī)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上群組協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗(yàn)，以及企業(yè)各級(jí)過(guò)程的管理與控制等產(chǎn)品制造的本質(zhì)過(guò)程，以增強(qiáng)制造過(guò)程各級(jí)的決策與控制能力。
可以看到，“虛擬制造”雖然不是實(shí)際的制造，但卻實(shí)現(xiàn)實(shí)際制造的本質(zhì)過(guò)程，是一種通過(guò)計(jì)算機(jī)虛擬模型來(lái)模擬和預(yù)估產(chǎn)品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的問(wèn)題，提高人們的預(yù)測(cè)和決策水平，使得制造技術(shù)走出主要依賴(lài)于經(jīng)驗(yàn)的狹小天地，發(fā)展到了全方位預(yù)報(bào)的新階段。圖1簡(jiǎn)要表示了虛擬制造與實(shí)際制造的聯(lián)系與區(qū)別。
與實(shí)際制造相比較，虛擬制造的主要特點(diǎn)是：
- 產(chǎn)品與制造環(huán)境是虛擬模型，在計(jì)算機(jī)上對(duì)虛擬模型進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試，甚至設(shè)計(jì)人員或用戶可“進(jìn)入”虛擬的制造環(huán)境檢驗(yàn)其設(shè)計(jì)、加工、裝配和操作，而不依賴(lài)于傳統(tǒng)的原型樣機(jī)的反復(fù)修改；還可將已開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品(部件)存放在計(jì)算機(jī)里，不但大大節(jié)省倉(cāng)儲(chǔ)費(fèi)用，更能根據(jù)用戶需求或市場(chǎng)變化快速改變?cè)O(shè)計(jì)，快速投入批量生產(chǎn)，從而能大幅度壓縮新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高質(zhì)量、降低成本；
- 可使分布在不同地點(diǎn)、不同部門(mén)的不同專(zhuān)業(yè)人員在同一個(gè)產(chǎn)品模型上同時(shí)工作，相互交流，信息共享，減少大量的文檔生成及其傳遞的時(shí)間和誤差，從而使產(chǎn)品開(kāi)發(fā)以快捷、優(yōu)質(zhì)、低耗響應(yīng)市場(chǎng)變化。
三、虛擬制造的內(nèi)涵
如果將實(shí)際制造系統(tǒng)(RMS，Real Manufacturing System)抽象成由實(shí)際物理系統(tǒng)(RPS)、實(shí)際信息系統(tǒng)(RIS)，實(shí)際控制系統(tǒng)(RCS)組成的，可以簡(jiǎn)單標(biāo)識(shí)為：
RMS=｛RPS，RIS，RCS｝ RPS包括所有的制造物理實(shí)體，例如材料，機(jī)床，機(jī)器人，夾具，控制器等；RIS包括信息處理和決策，如調(diào)度、計(jì)劃、設(shè)計(jì)。RIS通過(guò)RCS與RPS交換信息。
那么，我們可以將實(shí)際制造系統(tǒng)映射于基到虛擬制造技術(shù)的虛擬制造系統(tǒng)，虛擬制造系統(tǒng)可以表示為：VMS=｛VPS，VIS，VCS｝，其中VPS是虛擬物理系統(tǒng)，VIS為虛擬信息系統(tǒng)，VCS是虛擬控制系統(tǒng)。
按照與生產(chǎn)各個(gè)階段的關(guān)系，有些文獻(xiàn)將虛擬制造分成三類(lèi)，即以設(shè)計(jì)為核心的虛擬制造(Design?Centered VM)、以生產(chǎn)為核心的虛擬制造(Production?Centered VM)和以控制為中心的虛擬制造(Control?Centered VM)。
以設(shè)計(jì)為核心的虛擬制造把制造信息引入到整個(gè)的設(shè)計(jì)過(guò)程，利用仿真來(lái)優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，例如DFX技術(shù)，通過(guò)“在計(jì)算機(jī)上制造”產(chǎn)生許多“軟”樣機(jī)；以生產(chǎn)為核心的虛擬制造是在生產(chǎn)過(guò)程模型中加入仿真技術(shù)，以此來(lái)評(píng)估和優(yōu)選生產(chǎn)過(guò)程，例如組織與重組織技術(shù)；以控制為中心的虛擬制造是將仿真加到控制模型和實(shí)際處理中，可“無(wú)縫”地仿真使得實(shí)際生產(chǎn)優(yōu)化。
虛擬制造從根本上講就是要利用計(jì)算機(jī)生產(chǎn)出“虛擬產(chǎn)品”，我們不難看出，虛擬制造技術(shù)是一個(gè)跨學(xué)科的綜合性技術(shù)，它涉及到仿真、可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)據(jù)繼承、優(yōu)化等領(lǐng)域。然而，目前還缺乏從產(chǎn)品生產(chǎn)全過(guò)程的高度開(kāi)展對(duì)虛擬制造的系統(tǒng)研究。這表現(xiàn)在：
- 虛擬制造的基礎(chǔ)是產(chǎn)品、工藝規(guī)劃及生產(chǎn)系統(tǒng)的信息模型。盡管?chē)?guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織花了很大精力去開(kāi)發(fā)產(chǎn)品信息模型，但CAD開(kāi)發(fā)者尚未采用它們；盡管工藝規(guī)劃模型的研究已獲得了一些進(jìn)展和應(yīng)用，但仍然沒(méi)有一種綜合的，可以集成于虛擬制造平臺(tái)的工藝規(guī)劃模型；生產(chǎn)系統(tǒng)能力和性能模型，以及其動(dòng)態(tài)模型的研究和開(kāi)發(fā)需要進(jìn)一步加強(qiáng)；#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
- 現(xiàn)有的可制造性評(píng)價(jià)方法主要是針對(duì)零部件制造過(guò)程，因而面向產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的可制造性評(píng)價(jià)方法需要研究開(kāi)發(fā)，包括各工藝步驟的處理時(shí)間，生產(chǎn)成本和質(zhì)量的估計(jì)等；
- 制造系統(tǒng)的布局，生產(chǎn)計(jì)劃和調(diào)度是一個(gè)非常復(fù)雜的任務(wù)，它需要豐富的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，支持生產(chǎn)系統(tǒng)的計(jì)劃和調(diào)度規(guī)劃的虛擬生產(chǎn)平臺(tái)需要拓展和加強(qiáng)；
- 分布式環(huán)境，特別是適應(yīng)敏捷制造的公司合作，信息共享，信息安全性等方法和技術(shù)需要研究和開(kāi)發(fā)，同時(shí)經(jīng)營(yíng)管理過(guò)程重構(gòu)方法的研究也需加強(qiáng)；
- 虛擬制造環(huán)境缺乏統(tǒng)一的集成框架和體系。
四、CIMSERC的虛擬制造體系結(jié)構(gòu)及環(huán)境
從產(chǎn)品生產(chǎn)的全過(guò)程來(lái)看，“虛擬制造”應(yīng)包括產(chǎn)品的“可制造性”、“可生產(chǎn)性”和“可合作性”。的支持”所謂“可制造性”系指所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品(包括零件、部件和整機(jī))的可加工性(鑄造、沖壓、焊接、切削等)和可裝配性；而“可生產(chǎn)性”系指在企業(yè)已有資源(廣義資源，如：設(shè)備、人力、原材料等)的約束條件下，如何優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃和調(diào)度，以滿足市場(chǎng)或顧客的要求；虛到制造技術(shù)的發(fā)展，虛擬制造還應(yīng)對(duì)被喻為二十一世紀(jì)的制造模式“敏捷制造”提供支持，即為企業(yè)動(dòng)態(tài)聯(lián)盟(VE，Virtual Enterprise)的“可合作性”提供支持。而且，上述三個(gè)方面對(duì)一個(gè)企業(yè)來(lái)說(shuō)的相互關(guān)聯(lián)的，應(yīng)該形成一個(gè)集成的環(huán)境。因此，應(yīng)從三個(gè)層次，即“虛擬制造”，“虛擬生產(chǎn)”，“虛擬企業(yè)”開(kāi)展產(chǎn)品全過(guò)程的虛擬制造技術(shù)及其集成的虛擬制造環(huán)境的研究，包括產(chǎn)品全信息模型、支持各層次虛擬制造的技術(shù)并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的支撐平臺(tái)、以及支持三個(gè)平臺(tái)及其集成的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)技術(shù)。
基于上述思想，國(guó)家CIMS工程技術(shù)研究中心根據(jù)先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的要求，正在著手建立虛擬制造研究基地。該基地建立了以下虛擬制造技術(shù)體系結(jié)構(gòu)：
- 虛擬制造平臺(tái)
- 該平臺(tái)支持產(chǎn)品的并行設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、加工、裝配及維修等過(guò)程，進(jìn)行可制造性(Manufacturability)分析(包括性能分析、費(fèi)用估計(jì)，工時(shí)估計(jì)等)。它是以全信息模型為基礎(chǔ)的眾多仿真分析軟件的集成，包括力學(xué)、熱力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等可制造性分析，具有以下研究環(huán)境：
- 基于產(chǎn)品技術(shù)復(fù)合化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與分析，除了幾何造型與特征造型等環(huán)境外，還包括運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)模型分析環(huán)境等；
- 基于仿真的零部件制造設(shè)計(jì)與分析，包括工藝生成優(yōu)化、工具設(shè)計(jì)優(yōu)化、刀位軌跡優(yōu)化、控制代碼優(yōu)化等；
- 基于仿真的制造過(guò)程碰撞干涉檢驗(yàn)及運(yùn)動(dòng)軌跡檢驗(yàn)—虛擬加工、虛擬機(jī)器人等；
- 材料加工成形仿真，包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)，加工成形過(guò)程溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、流動(dòng)場(chǎng)的分析，加工工藝優(yōu)化等；
- 產(chǎn)品虛擬裝配，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的形狀特征，精度特征，三維真實(shí)地模擬產(chǎn)品的裝配過(guò)程，并允許用戶以交互方式控制產(chǎn)品的三維真實(shí)模擬裝配過(guò)程，以檢驗(yàn)產(chǎn)品的可裝配性。
- 虛擬生產(chǎn)平臺(tái)
- 該平臺(tái)將支持生產(chǎn)環(huán)境的布局設(shè)計(jì)及設(shè)備集成、產(chǎn)品遠(yuǎn)程虛擬測(cè)試、企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃及調(diào)度的優(yōu)化，進(jìn)行可生產(chǎn)性(Producibility)分析。
- 虛擬生產(chǎn)環(huán)境布局
- 根據(jù)產(chǎn)品的工藝特征，生產(chǎn)場(chǎng)地，加工設(shè)備等信息，三維真實(shí)地模擬生產(chǎn)環(huán)境，并允許用戶交互地修改有關(guān)布局，對(duì)生產(chǎn)動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行模擬，統(tǒng)計(jì)相應(yīng)評(píng)價(jià)參數(shù)，對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的布局進(jìn)行優(yōu)化；
- 虛擬設(shè)備集成
- 為不同廠家制造的生產(chǎn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)集成提供支撐環(huán)境，對(duì)不同集成方案進(jìn)行比較；
- 虛擬計(jì)劃與調(diào)度
- 根據(jù)產(chǎn)品的工藝特征，生產(chǎn)環(huán)境布局，模擬產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程，并允許用戶以交互方式修改生產(chǎn)排程和進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度，統(tǒng)計(jì)有關(guān)評(píng)價(jià)參數(shù)，以找出最滿意的生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃與調(diào)度方案。
- 虛擬企業(yè)平臺(tái)#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
- 被預(yù)言為21世紀(jì)制造模式的敏捷制造，利用虛擬企業(yè)的形式，以實(shí)現(xiàn)勞動(dòng)力、資源、資本、技術(shù)、管理和信息等的最優(yōu)配置，這給企業(yè)的運(yùn)行帶來(lái)了一系列新的技術(shù)要求。虛擬企業(yè)平臺(tái)為敏捷制造提供可合作性(Corporatability)分析支持。
- 虛擬企業(yè)協(xié)同工作環(huán)境
- 支持異地設(shè)計(jì)、異地裝配、異地測(cè)試的環(huán)境，特別是基于廣域網(wǎng)的三維圖形的異地快速傳送、過(guò)程控制、人機(jī)交互等環(huán)境。
- 虛擬企業(yè)動(dòng)態(tài)組合及運(yùn)行支持環(huán)境，特別是INTERNET與INTRANET下的系統(tǒng)集成與任務(wù)協(xié)調(diào)環(huán)境。
- 基于PDM的虛擬制造平臺(tái)集成
- 虛擬制造平臺(tái)應(yīng)具有統(tǒng)一的框架、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，并具有開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)。
- 支持虛擬制造的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型
- 提供虛擬制造環(huán)境下產(chǎn)品全局?jǐn)?shù)據(jù)模型定義的規(guī)范，多種產(chǎn)品信息(設(shè)計(jì)信息、幾何信息、加工信息、裝配信息等)的一致組織方式的研究環(huán)境。
- 基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)的虛擬制造集成技術(shù)
- 提供在PDM環(huán)境下，“零件/部件虛擬制造平臺(tái)”、“虛擬生產(chǎn)平臺(tái)”、“虛擬企業(yè)平臺(tái)”的集成技術(shù)研究環(huán)境；
- 基于PDM的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程集成
- 提供研究PDM應(yīng)用接口技術(shù)及過(guò)程管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)虛擬制造環(huán)境下產(chǎn)品開(kāi)發(fā)全生命周期的過(guò)程集成。
- 該虛擬制造環(huán)境分為四部分，其中虛擬制造平臺(tái)的環(huán)境分為冷加工和熱加工兩部分，熱加工部分包括支持熱加工(鑄造、沖壓)成形與分析的虛擬制造環(huán)境，為一局域網(wǎng)；冷加工部分包括支持異地協(xié)同設(shè)計(jì)的幾何造型設(shè)計(jì)與分析、切削加工及裝配的虛擬制造環(huán)境，是另一局域網(wǎng)；支持虛擬生產(chǎn)平臺(tái)、虛擬企業(yè)平臺(tái)的虛擬制造環(huán)境、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)(隱含在虛擬企業(yè)平臺(tái)中，負(fù)責(zé)上述四部分公共數(shù)據(jù)管理與維護(hù))也構(gòu)成局域網(wǎng)，三個(gè)局域網(wǎng)通過(guò)校園網(wǎng)相連，形成以PDM為中心的客戶/服務(wù)器環(huán)，傳送速度為100兆位/秒。
五、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在生產(chǎn)制造上的應(yīng)用
一個(gè)產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到投放市場(chǎng)，即產(chǎn)品的生產(chǎn)周期按時(shí)間順序可分為概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、加工制造、測(cè)試和培訓(xùn)／維護(hù)，VR技術(shù)可以在產(chǎn)品的全部生產(chǎn)周期中各個(gè)階段發(fā)揮重要的作用。下面著重談其中的幾個(gè)方面：
- 基于VR技術(shù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)
- VR的沉浸性和交互性特性使得它成為用來(lái)設(shè)計(jì)新產(chǎn)品和開(kāi)發(fā)相應(yīng)生產(chǎn)線的得力工具。首先考慮一下設(shè)計(jì)并構(gòu)造一個(gè)新產(chǎn)品原型所需要的時(shí)間。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)師要考慮到產(chǎn)品的各個(gè)方面，以滿足一定的安全性、人機(jī)工程學(xué)、易維護(hù)性和裝配標(biāo)準(zhǔn)。因此，設(shè)計(jì)過(guò)程中嚴(yán)格地受到生產(chǎn)、時(shí)間和費(fèi)用的限制。VR能完成比CAD更多的功能，CAD通常只考慮產(chǎn)品各個(gè)子部件的幾何特征和相互間的幾何約束。而在VR中，可以將以上提到的多種所需滿足的條件集成到設(shè)計(jì)過(guò)程中一并考慮，我們還能適當(dāng)減少子部件數(shù)目，甚至可以按比例放縮部件尺寸，這大大降低了設(shè)計(jì)費(fèi)用和原型構(gòu)造時(shí)間，更進(jìn)一步的達(dá)到產(chǎn)品用戶化的目標(biāo)。
- 例如，在飛機(jī)制造業(yè)中，為評(píng)測(cè)某飛機(jī)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，要建立一系列與真實(shí)產(chǎn)品同尺寸的物理模型，并在模型上進(jìn)行反復(fù)修改，這要花去大量時(shí)間和費(fèi)用，而在過(guò)去是不可避免的。如今美國(guó)波音公司在飛機(jī)設(shè)計(jì)中運(yùn)用VR技術(shù)完全改變了這種設(shè)計(jì)方法。波音公司為設(shè)計(jì)波音777飛機(jī)，研制了一個(gè)名為“先進(jìn)計(jì)算機(jī)圖形交互應(yīng)用系統(tǒng)”的虛擬環(huán)境，用VR技術(shù)在此環(huán)境中建立一駕飛機(jī)的三維模型。這樣設(shè)計(jì)師戴上頭盔顯示器就可以在這駕虛擬飛機(jī)中遨游，檢查“飛機(jī)”的各項(xiàng)性能，同時(shí)，還可以檢查設(shè)備的安裝位置是否符合安裝要求等等。最終的實(shí)際飛機(jī)與設(shè)計(jì)方案相比，偏差小于千分之一寸，機(jī)翼和機(jī)身的接合一次成功，縮短了數(shù)千小時(shí)的設(shè)計(jì)工作量。
- 同樣，其它大型、復(fù)雜的產(chǎn)品如船舶、潛艇設(shè)計(jì)等都可以運(yùn)用VR技術(shù)達(dá)到節(jié)約設(shè)計(jì)費(fèi)用和時(shí)間提高設(shè)計(jì)成功率的目標(biāo)。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
- 采用VR技術(shù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品還有以下優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)品用戶化的一個(gè)不利效應(yīng)是增加了模型的變量數(shù)目，也就相應(yīng)地增加了生產(chǎn)的復(fù)雜度。VR可在要加工的部位加上紋理和圖形信息，這對(duì)機(jī)械制造起到很好的向?qū)ё饔谩Ｍ瑯拥倪^(guò)程可輔助訓(xùn)練和指導(dǎo)生產(chǎn)者，使他們能很快勝任新工作。虛擬環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)化可對(duì)某一項(xiàng)目合作組的成員進(jìn)行設(shè)計(jì)、生產(chǎn)訓(xùn)練。這些合作組的成員可以在同一個(gè)或不同工廠里，或者甚至是來(lái)自院校的專(zhuān)家和國(guó)外顧問(wèn)。
- 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在制造車(chē)間設(shè)計(jì)中的作用
- 目前眾多的制造系統(tǒng)可按遞階控制層次分為四層：工廠層、車(chē)間層、制造單元層、設(shè)備層，其中車(chē)間層的設(shè)計(jì)與車(chē)間中設(shè)備的利用率、產(chǎn)品的生產(chǎn)效率等密切相關(guān)，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，就會(huì)造成設(shè)備利用率低、車(chē)間產(chǎn)量不能滿足用戶需求、操作人員的空閑時(shí)間多。所以，如何合理地設(shè)計(jì)制造車(chē)間，保證它的高效運(yùn)行是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。采用VR技術(shù)能提高設(shè)計(jì)的可行性、有效性。 車(chē)間設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是把生產(chǎn)設(shè)備、刀具、夾具、工件、生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)度單等生產(chǎn)要素有機(jī)地組織起來(lái)。
- 在車(chē)間設(shè)計(jì)的初步階段，設(shè)計(jì)者根據(jù)用戶需求，確定車(chē)間的功能需求、車(chē)間的模式、主要加工設(shè)備、刀具和夾具的類(lèi)型和數(shù)量，提出一組候選設(shè)計(jì)方案。VR的作用就是幫助設(shè)計(jì)者評(píng)測(cè)、修改設(shè)計(jì)方案，得到最佳結(jié)果。
- 在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)者完成對(duì)各個(gè)組成單元的完整描述，運(yùn)用VR造型技術(shù)生成各個(gè)組成單元的虛擬表示，并進(jìn)而用這些虛擬單元布置整個(gè)車(chē)間，其中還可加上自動(dòng)導(dǎo)引小車(chē)、機(jī)器人、倉(cāng)庫(kù)等車(chē)間常用設(shè)備。設(shè)計(jì)者戴上頭盔顯示器就可穿行于虛擬車(chē)間之中，他可以開(kāi)啟其中的任何設(shè)備，觀測(cè)運(yùn)行情況，凡是他能想到的檢測(cè)條件都立即能看到檢測(cè)結(jié)果。他還可以在視察時(shí)交互式地修改設(shè)計(jì)方案，比如移動(dòng)設(shè)備的位置，增加／刪除設(shè)備的個(gè)數(shù)，這種“所想即所見(jiàn)”的設(shè)計(jì)方式極大地提高了設(shè)計(jì)的成功率。
- VR技術(shù)在生產(chǎn)計(jì)劃安排上的應(yīng)用
- 生產(chǎn)計(jì)劃安排的可視化對(duì)于制造決策是極其有用的，但目前它還未能完全實(shí)現(xiàn)。使用VR技術(shù)，可將成百上千件產(chǎn)品、成千上萬(wàn)個(gè)零部件和許多其他生產(chǎn)要素可視化，輔助計(jì)劃者更好地評(píng)價(jià)、選擇生產(chǎn)計(jì)劃。
- 計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的圖像可將計(jì)劃者的大腦負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)移到他們的感官系統(tǒng)，這就加快了工作進(jìn)程。生產(chǎn)計(jì)劃數(shù)據(jù)變成立體的或多維的圖形，可表達(dá)復(fù)雜的內(nèi)部關(guān)系。
但問(wèn)題并不是那么簡(jiǎn)單，不能只簡(jiǎn)單地用某種圖形來(lái)表示每種數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，否則只會(huì)生成一幅雜亂無(wú)章的圖像。在繪制之前，要先進(jìn)行視覺(jué)抽象，在2維平面上用一種形體代表一種數(shù)據(jù)，這種形體要滿足：
（1）支持視覺(jué)感知；
（2）構(gòu)造有效的視覺(jué)表示以便于各種層次的解釋?zhuān)?BR>
（3）保證結(jié)果圖像要便于商業(yè)經(jīng)理理解和使用。
六、采用虛擬制造技術(shù)可以給企業(yè)帶來(lái)下列效益
- 提供關(guān)鍵的設(shè)計(jì)和管理決策對(duì)生產(chǎn)成本、周期和能力的影響信息，以便正確處理產(chǎn)品性能與制造成本、生產(chǎn)進(jìn)度和風(fēng)險(xiǎn)之間的平衡，作出正確的決策；
- 提高生產(chǎn)過(guò)程開(kāi)發(fā)的效率，可以按照產(chǎn)品的特點(diǎn)優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；
- 通過(guò)生產(chǎn)計(jì)劃的仿真，優(yōu)化資源的利用，縮短生產(chǎn)周期，實(shí)現(xiàn)柔性制造和敏捷制造；
- 可以根據(jù)用戶的要求修改產(chǎn)品設(shè)計(jì)，及時(shí)作出報(bào)價(jià)和保證交貨期。