基于虛擬制造技術的產(chǎn)品設計方法研究

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0 引 言

隨著經(jīng)濟的全球化與信息的社會化，市場競爭日益激烈，產(chǎn)品競爭已經(jīng)由傳統(tǒng)的價格競爭轉化為技術含量的競爭，高科技產(chǎn)品成為市場的主流，創(chuàng)新成為企業(yè)發(fā)展的靈魂。為了適應新的市場變化，企業(yè)必須以最快的上市速度、最好的質量、最低的成本和最優(yōu)的服務來滿足不同用戶的需求。面對不可預測、持續(xù)發(fā)展、快速多變的市場需求，企業(yè)的生產(chǎn)活動必須具有高度的柔性，對市場需求的變化做出快速反應。為此，探索新的設計制造方法是企業(yè)生存的最重要手段。

隨著信息技術的迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了一些先進的設計制造技術，現(xiàn)代設計制造技術的發(fā)展方向就是不斷吸收現(xiàn)代科學技術，實現(xiàn)設計制造技術的數(shù)字化、功能化、智能化和網(wǎng)絡化。虛擬技術已成為當今最活躍的制造業(yè)設計技術，它的發(fā)展，促進了虛擬制造(Vitrual Manufacturing)的形成和發(fā)展，為機械產(chǎn)品的設計、加工、分析以及生產(chǎn)的組織和管理提供了一個虛擬的仿真環(huán)境，從而在計算機上"組織"和"實現(xiàn)"生產(chǎn)，在實際投產(chǎn)前對產(chǎn)品的可制造性等方面進行評估，保證一次成功生產(chǎn)，從而降低生產(chǎn)成本，減少上市時間，快速響應市場，提高企業(yè)競爭能力。

1 虛擬制造的內(nèi)涵及其分類

1.1 虛擬制造的內(nèi)涵

隨著制造業(yè)技術的飛速發(fā)展，人們對制造的內(nèi)涵也有了全新的、更全面的認識。制造是指按照市場需求，運用知識和技能、借助工具、采用有效的方法、將原材料轉化為最終產(chǎn)品并投放市場的全過程。虛擬制造(Vitrula Manufacturing VM)是指利用計算機模型和仿真來實現(xiàn)產(chǎn)品的設計和生產(chǎn)的技術，它以信息技術、仿真技術、虛擬現(xiàn)實技術和高性能的計算機、高速網(wǎng)絡為支持，在計算機上群組協(xié)調工作，實現(xiàn)產(chǎn)品的設計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質量檢驗以及企業(yè)各級過程管理與控制等產(chǎn)品制造的本質過程。"虛擬制造"雖不是實際的制造，但卻實現(xiàn)實際制造的本質過程，它在產(chǎn)品設計或制造系統(tǒng)的物理實現(xiàn)之前，就能通過模型來模擬和預估未來產(chǎn)品的形態(tài)、功能、性能以及可加工性等方面可能存在的問題，從而可以做出前瞻性的決策和優(yōu)化實施方案，從而使制造技術發(fā)展到全方位預報階段。虛擬制造是實際制造在計算機上的本質實現(xiàn)，它是各種計算機輔助技術面向產(chǎn)品全生命周期的集成化綜合運用。

實際制造具有對物質、信息、能源進行轉換的功能，即投人原材料、生產(chǎn)、信息、電力等能源，制造出所需的產(chǎn)品及與產(chǎn)品相關的信息。虛擬制造是將實際生產(chǎn)中的"物質"和"能源"信息化，針對實際生產(chǎn)系統(tǒng)中的信息及被信息化的"物質"和"能源"實現(xiàn)與實際生產(chǎn)在信息上的等價交換，虛擬制造雖然沒有制造出實際產(chǎn)品，但卻生成了有關產(chǎn)品的信息以及制造產(chǎn)品所需的信息。

1.2 虛擬制造的分類

虛擬制造既涉及到與產(chǎn)品開發(fā)制造有關的活動，又包含與企業(yè)組織經(jīng)營有關的管理活動。根據(jù)所涉及的范圍及工程活動類型，可將虛擬制造分為三類:以設計為核心的虛擬制造;以生產(chǎn)為核心的虛擬制造;以控制為核心的虛擬制造。

1）.以設計為核心的虛擬制造。以設計為核心的虛擬制造將制造信息引人設計過程，利用仿真來優(yōu)化產(chǎn)品設計，從而在設計階段就可以對零件甚至整機進行可制造性分析，包括加工工藝分析、熱力學分析、動力學以及運動學分析等。主要解決"設計出來的產(chǎn)品是什么樣"的問題，以便對產(chǎn)品各方面性能進行仿真與評估;

2）.以生產(chǎn)為核心的虛擬制造。以生產(chǎn)為核心的虛擬制造將仿真技術溶人生產(chǎn)過程模型，以此來評估和優(yōu)化生產(chǎn)過程，以低費用快速評價不同的工藝方案、資源需求計劃、生產(chǎn)計劃等。主要解決"這樣組織生產(chǎn)是否合理"的問題，以便對生產(chǎn)過程進行仿真，對各個生產(chǎn)計劃進行評估;

3）.以控制為核心的虛擬制造。以控制為核心的虛擬制造將仿真技術加到控制模型和實際處理中，實現(xiàn)基于仿真的最優(yōu)控制。充分利用計算機的強大功能將傳統(tǒng)的各種控制儀表、檢測儀表的功能數(shù)字化，對生產(chǎn)線的優(yōu)化等生產(chǎn)組織和管理活動進行仿真。主要解決"如何去控制"的問題。

2 虛擬制造的特點

與實際制造相比，虛擬制造具有其本身的特點:

1）.虛擬性。虛擬制造不是真實的制造過程，不生產(chǎn)實際的產(chǎn)品、不消耗真實的材料與能源，是通過數(shù)字化手段來對真實制造過程進行動態(tài)模擬以實現(xiàn)制造的本質過程;

2）.基于數(shù)字化模型的集成。虛擬制造過程依賴于模型，涉及到的模型有產(chǎn)品模型、過程模型、活動模型和資源模型。通過這些數(shù)字化模型在計算機上的集成，實現(xiàn)對產(chǎn)品的設計、制造、測試、裝配等操作，而不再做對傳統(tǒng)的原型樣機的反復修改;

3）.支持敏捷制造。由于整個過程的信息存儲在計算機內(nèi)，能夠根據(jù)用戶需求或市場的變化快速改型設計，快速投人生產(chǎn)，能夠大幅度壓縮開發(fā)新產(chǎn)品的時間、提高質量、降低成本;

4）.分布合作。借助于計算機網(wǎng)絡，虛擬制造可使分不在不同地點、不同部門的不同專業(yè)人員對同一個產(chǎn)品模型同時工作，相互交流，實現(xiàn)信息共享，減少大量文檔生成及其傳遞的時間和誤差，從而使產(chǎn)品開發(fā)更快捷、優(yōu)質、低耗地響應市場變化;

5）.仿真結果的高可信度。虛擬制造就是通過模型的驗證、效驗等仿真技術來檢測設計出的產(chǎn)品或制訂出的生產(chǎn)規(guī)劃，使得產(chǎn)品開發(fā)或生產(chǎn)組織一次成功，所以它能真實地反應實際對象。