1 虛擬制造簡介

　　80年代以來浓利，日趨激烈的全球化競爭迎硼，迫使制造企業(yè)必須通過不斷地提高生產(chǎn)效率蔫狰，改善產(chǎn)品質(zhì)量猖等，降低成本歪缅，提供優(yōu)良的服務(wù)，以期在市場中占有一席之地谎秃。與此同時鼓募，計算機(jī)技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息處理技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展弱瞄。這些條件就使得信息技術(shù)不斷地融合到傳統(tǒng)的制造業(yè)中买雾，并對其進(jìn)行改造，這也是現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展趨勢杨帽。進(jìn)入90年代后漓穿，先進(jìn)的制造技術(shù)向著更高的水平發(fā)展祝迂，在原有的計算機(jī)集成制造(CIMS即Computer Integrated Manufacturing System)和并行工程(CE即Concurrent Engineering)的基礎(chǔ)上，又出現(xiàn)了虛擬制造(VM即Virtual Manufacturing)器净、虛擬企業(yè)(VE即Virtual Enterprise)等概念。其中“虛擬制造”近年來不斷引起科技界和企業(yè)界的關(guān)注当凡，成為競相研究的熱點山害。

　　虛擬制造的基礎(chǔ)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)。所謂的虛擬現(xiàn)實技術(shù)是指利用計算機(jī)和外圍設(shè)備沿量，生成與真實環(huán)境相一致的三維虛擬環(huán)境浪慌，允許用戶從不同的角度和視點來觀看這個環(huán)境，并且能夠通過輔助設(shè)備與環(huán)境中的物體進(jìn)行交互關(guān)聯(lián)朴则。虛擬制造則是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)权纤，在計算機(jī)上完成制造過程的技術(shù)。采用此技術(shù)乌妒，在實際的制造之前眉挥，可以對產(chǎn)品的功能和制造性、經(jīng)濟(jì)性等方面的潛在問題進(jìn)行分析和預(yù)測日频，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計深七、工藝規(guī)劃、加工制造浮块、性能分析粉霹、質(zhì)量檢測及企業(yè)各級的管理控制等，增強(qiáng)制造過程中各級的決策和控制能力勉瘩。

　　1.1虛擬制造的特點

　　虛擬制造是集計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)喉侨、計算機(jī)輔助制造(CAM)和計算機(jī)輔助工藝設(shè)計(CAPP)于一體的技術(shù)，它是在計算機(jī)中完成制造過程的杀坟。正因為如此青礁，虛擬制造具有下述主要特點。

　　虛擬制造的制造模型是一個計算機(jī)模型跛究，完成這一制造過程的主要工作集中在模型的建立過程上妆墩，一旦這個模型建立完成，就可以不斷與之進(jìn)行交互重虑，模擬各種情況的生產(chǎn)和制造過程践付。模型的可反復(fù)修改性是虛擬制造過程有別于實際制造過程的一個最主要的特點，也正是這一特點使得虛擬制造可以根據(jù)不同情況快速的更改設(shè)計缺厉、工藝和生產(chǎn)過程永高，從而大幅度壓縮新產(chǎn)品的開發(fā)時間，提高制造質(zhì)量提针，降低成本命爬。
　　虛擬制造的另一個特點是它可以是分布式的，完成虛擬制造的人員和設(shè)備在空間上可以是相互分離的，不同地點的技術(shù)人員可以通過網(wǎng)絡(luò)來協(xié)同完成同一個虛擬制造過程饲宛。

　　此外皆愉，虛擬制造還可以是一個并行的過程，產(chǎn)品設(shè)計艇抠、加工過程和裝配過程的仿真可以同時進(jìn)行幕庐，大大加快了產(chǎn)品設(shè)計過程，減少新產(chǎn)品的試制時間家淤。

　　1.2虛擬制造的應(yīng)用領(lǐng)域

　　虛擬現(xiàn)實技術(shù)在制造領(lǐng)域中的應(yīng)用主要有以下幾方面：

　　(1)虛擬原型和產(chǎn)品設(shè)計异剥，即在計算機(jī)中設(shè)計虛擬的產(chǎn)品或零部件。

　　(2)生產(chǎn)過程仿真(優(yōu)化总恐、調(diào)度)倚衡，即對車間或工段的生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真優(yōu)化。

　　(3)設(shè)備仿真坐默，即對機(jī)器人等生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行離線仿真神灵，動態(tài)特性分析和模擬。

　　(4)物流仿真蚜玲，即物流規(guī)劃活益，對AGV(自動搬運設(shè)備)進(jìn)行仿真。

　　(5)裝配過程仿真权惊。

　　(6)復(fù)雜數(shù)據(jù)的可視化漫窑，數(shù)值模擬計算結(jié)果的可視化輸出。

　　(7)設(shè)備的遠(yuǎn)程操作抹播，用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將空間上分散的設(shè)備結(jié)合起來榴栏，進(jìn)行集成管理運行，遙控制造痒拧。

　　(8)增強(qiáng)通訊效果泌绩。

　　(9)操作培訓(xùn)。

　　1.3虛擬制造的層次

　　虛擬制造的根本目的就是利用計算機(jī)生產(chǎn)出虛擬產(chǎn)品宵蕉。

　　實際的制造系統(tǒng)可以抽象成由物理系統(tǒng)酝静、信息系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成的集合。物理系統(tǒng)包括制造中的所有資源羡玛，如材料别智、機(jī)床、機(jī)器人稼稿、夾具薄榛、控制器和操作工人等；信息系統(tǒng)包括信息的處理和決策让歼，如生產(chǎn)的調(diào)度敞恋、計劃和設(shè)計等丽啡；控制系統(tǒng)的任務(wù)是實現(xiàn)信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的信息交換。

　　對應(yīng)于實際的制造系統(tǒng)硬猫，在虛擬制造系統(tǒng)中可以劃分出對應(yīng)的層次：虛擬物理系統(tǒng)补箍、虛擬信息系統(tǒng)和虛擬控制系統(tǒng)。根據(jù)不同生產(chǎn)階段所面對的不同對象啸蜜，可以將虛擬制造分為3類：以設(shè)計為核心的虛擬制造条嚼，以生產(chǎn)為核心的虛擬制造和以控制為核心的虛擬制造。以設(shè)計為核心的虛擬制造获隆，其主要目標(biāo)是優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計、優(yōu)選工藝和加工方案村会；以生產(chǎn)為核心的虛擬制造涌遏，其主要目標(biāo)是優(yōu)化資源，對選擇工藝進(jìn)行評價和驗證泌拐；以控制為核心的虛擬制造基差，其目標(biāo)為優(yōu)化車間控制的制造過程。

　　2虛擬制造在鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用

　　鑄造生產(chǎn)中的虛擬制造技術(shù)可以稱為虛擬鑄造技術(shù)威球。目前虛擬鑄造技術(shù)主要應(yīng)用于鑄件設(shè)計宅蜒、澆注充型或造型過程的數(shù)值模擬及結(jié)果的可視化和鑄造生產(chǎn)過程的仿真優(yōu)化3個領(lǐng)域。

　　2.1鑄件設(shè)計

　　美國Wisconsin大學(xué)的Integrated-Computer Aided Research on Virtual Engineering Design and Prototyping(I-CARVE)實驗室研制了一套虛擬鑄造平臺蜓浦。該系統(tǒng)使用立體眼鏡來觀察三維圖象捍农，用語言建立各種兒何模型，用數(shù)據(jù)手套來確定幾何體的尺寸和位置绳拧。目前壹店，I-CARVE實驗室已經(jīng)利用這個系統(tǒng)成功地完成了注塑和壓鑄零件的設(shè)計，該系統(tǒng)的目標(biāo)是達(dá)到傳統(tǒng)CAD方法10～30倍的設(shè)計效率芝加。

　　2.2澆注充型或造型過程的數(shù)值模擬及結(jié)果的可視化

　　許多商品化的澆注過程模擬軟件硅卢，都具有利用二維圖像技術(shù)開發(fā)的計算結(jié)果可視化模塊，使用戶可以更直觀的觀察模擬結(jié)果藏杖，分析鑄件的成形過程将塑。

　　2.3鑄造生產(chǎn)過程的仿真優(yōu)化

　　越來越多的公司和企業(yè)在作出重大投資決定之前都希望了解他們將購買設(shè)備的詳細(xì)情況，傳統(tǒng)的可行性分析往往不足以回答在規(guī)劃設(shè)計過程中有關(guān)生產(chǎn)率蝌麸、生產(chǎn)周期点寥、設(shè)備利用率以及物流等方面的問題，這些對于鑄造廠來說都是十分必要的来吩。利用虛擬制造技術(shù)對生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真分析开财，恰恰可以幫助企業(yè)回答這些問題。

　　德國的鑄造設(shè)備制造商Laempe公司利用離散事件仿真和機(jī)器人模擬技術(shù)為Waupaca鑄造公司的制芯生產(chǎn)線進(jìn)行了工程分析误褪。工程技術(shù)人員首先對初步設(shè)計的布置圖進(jìn)行了盡可能真實的模擬责鳍，對沖突點和機(jī)器人的運動時間進(jìn)行優(yōu)化碾褂，向用戶展示整個生成線每個部件的運動。每個部件的生成周期確定之后历葛，在很早的階段就可以對生成線的生成率作出分析報告达迁。對生產(chǎn)過程進(jìn)行幾百操作工時的模擬，綜合考慮砂芯的破損率和設(shè)備部件的故障停機(jī)時間宾哼，確定各種布置方案每小時能生產(chǎn)砂芯的平均數(shù)量仔约。在項目實施的最初階段就對各種可能的情況進(jìn)行分析和評估，成為項目投資分析的重要部分压荠。高質(zhì)量的三維圖形充分演示了生產(chǎn)的實際情況淫韧，可以從任何角度進(jìn)行三維放大，這種模擬過程可以取代復(fù)雜的圖紙與流程圖韩宦，幫助用戶和設(shè)計人員理解和分析生產(chǎn)過程嘿帆。

　　美國的Foundry Service公司(FSC)為了將其熔化設(shè)備的熔化能力從每爐1350kg增加到2000kg，計劃增加一個大型澆包和相應(yīng)澆包運輸設(shè)備计胶，目的是減少鐵液輸送系統(tǒng)對熔化能力的制約泞氯。該公司利用Witness仿真軟件包建立了一個包括給料、預(yù)熱陕射、熔化薄塘、出鐵液、鐵液的運輸棺克、澆注以及造型的完整工藝過程的仿真模型悠垛。這個模型還通過和AutoCAD接口獲取車間的布局信息，從而得到各種設(shè)備的位置和距離娜谊。這個模型的數(shù)據(jù)是建立在各種設(shè)備的生產(chǎn)報告鼎文、維修報告和生產(chǎn)計劃等數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果上的。但是因俐，在得到的仿真分析結(jié)果中出現(xiàn)了與預(yù)期相反的結(jié)論拇惋。仿真分析表明，爐料的增加與快速的出鐵液周期相抵觸抹剩，在三次快速出鐵液之后撑帖，熔化爐就只能起到鐵液容器的作用，直到下一次或兩次出鐵液后才能繼續(xù)向熔化爐中填料澳眷，這就會導(dǎo)致在生產(chǎn)周期中有一段時間生產(chǎn)線得不到鐵液供應(yīng)胡嘿。仿真分析表明，適當(dāng)?shù)臏p少爐料加入量并調(diào)整每次加爐料后取鐵液的量和次數(shù)钳踊，會加快鐵液供應(yīng)的周期衷敌，減少熔化工段對生產(chǎn)效率的制約。仿真分析鐵液出爐率結(jié)果如圖3所示拓瞪。由圖3可以看出移履，仿真分析過程中不斷調(diào)整鐵液的回爐量诫痹，當(dāng)回爐量下降到改造前的58.4％時，可以使造型線的生產(chǎn)率提高22.1％权扭。按照仿真結(jié)果更改設(shè)備參數(shù)后的生產(chǎn)實驗支持了仿真結(jié)果寨今。FSC公司成功地利用虛擬制造技術(shù)完成了生產(chǎn)系統(tǒng)的投資改造，并避免了不必要的熔化設(shè)備的投資某澡。

　　仿真分析出爐鐵液回爐率

　　美國的Grede Foundries公司在1996年5月計劃改造其制芯車間叼榄，以提高福特造型線的生產(chǎn)能力。該公司建立了制芯車間的仿真模型份览，通過仿真分析確定了制芯車間的最優(yōu)工人數(shù)量硼货，并決定在制芯工部傳送帶的末端增加一臺殼型機(jī)，用來增加砂芯產(chǎn)量晃纹。這一虛擬仿真模型幫助Grede Foundries公司通過重新安排操作過程以及增加一臺制芯車間設(shè)備钢怪，在沒有增加一名工人的情況下提高了生產(chǎn)能力。采用虛擬生產(chǎn)分析所得到的方案豆蚀，以最小的改動和成本實現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)。

　　瑞典鑄造協(xié)會也為大型企業(yè)提供鑄造虛擬生產(chǎn)分析缔御，完成了一系列生產(chǎn)仿真工作抬闷，比較典型的有：

　　(1)新建鑄鋁熔化線的虛擬生產(chǎn)分析。通過仿真分析使生產(chǎn)能力提高了24％耕突，節(jié)省投資10笤成，000英鎊。

　　(2)一個完整的鑄鋁廠從熔化到產(chǎn)品發(fā)送的虛擬生產(chǎn)分析眷茁。

　　(3)一個鑄鐵缸體生產(chǎn)線熔化工段的虛擬仿真炕泳。通過仿真分析，修改了原有的投資方案上祈，增加了工人數(shù)量培遵，節(jié)約了大量時間和投資。

　　(4)一個殼型造型工段的虛擬仿真登刺。在投資分析的后期籽腕，技術(shù)人員將關(guān)注的焦點集中于機(jī)器人是否能同時處理造型機(jī)和傳送帶上的物料以及每班的砂型產(chǎn)量和造型機(jī)的設(shè)備利用率等問題上。然而纸俭，仿真分析的結(jié)果卻表明皇耗，技術(shù)人員所擔(dān)心的問題都不是制約生產(chǎn)效率的瓶頸，真正的瓶頸在于傳送帶的輸送能力终睦。通過仿真分析碘云，幫助技術(shù)人員找到解決問題的關(guān)鍵，避免了盲目的投資和改造否抛。

　　瑞典鑄造協(xié)會的4個虛擬仿真實例拦腌，都是在投資之前進(jìn)行的吊烫。由于投資期間的決策錯誤可能會造成很大的損失，所以在投資前進(jìn)行必要的生產(chǎn)過程仿真据将，就顯得非常必要了咽露。這4個實例都有效的幫助投資方節(jié)省了投資。

　　目前虛擬制造技術(shù)在鑄造領(lǐng)域中的應(yīng)用主要集中在生產(chǎn)過程的三維動態(tài)仿真婉孙、工藝參數(shù)優(yōu)化和投資前的生產(chǎn)分析等方面者只，主要解決鑄造生產(chǎn)中的“如果…怎樣(what if)”問題。

　　3 結(jié)論

　　虛擬制造技術(shù)將會對制造業(yè)中日益自動化抓许、復(fù)雜化蔑懈、大規(guī)模化的制造系統(tǒng)進(jìn)行更為詳細(xì)的設(shè)計毛底、仿真及評價拐迁，并能夠?qū)崿F(xiàn)在信息空間里對大規(guī)模、復(fù)雜快速變化的生產(chǎn)系統(tǒng)給予明確的“規(guī)定”疗绣、“推斷”和“預(yù)測”线召。

　　鑄造行業(yè)中虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用，目前主要集中于與鑄件成形相關(guān)的模擬仿真分析和鑄造生產(chǎn)過程的仿真優(yōu)化兩個方面多矮。通過計算機(jī)仿真分析缓淹，可以對生產(chǎn)過程的各種可能情況進(jìn)行虛擬運行，分析現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)中制約生產(chǎn)率的瓶頸塔逃，預(yù)測新生產(chǎn)調(diào)度方案的可行性讯壶，可以幫助企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)過程，減少投資的盲目性湾盗。但是必須看到伏蚊，在生產(chǎn)過程可視化仿真過程中，仿真模型的建立是一項很費時間的工作格粪，它需要有大量完備可靠的數(shù)據(jù)和高素質(zhì)的工程技術(shù)人員躏吊。此外，國內(nèi)的企業(yè)一般對虛擬制造技術(shù)的內(nèi)涵和意義尚缺乏足夠的認(rèn)識帐萎，這些因素是制約虛擬制造技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用的不利因素颜阐。同時也應(yīng)當(dāng)看到，由于我國正面臨產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)改造的艱巨任務(wù)裤泄，利用虛擬制造技術(shù)可以有助于找到影響生產(chǎn)發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)攘霞，減少投資的盲目性，提高生產(chǎn)效率几崔，使企業(yè)潛力能充分發(fā)揮虽捺。因此，虛擬制造技術(shù)在國內(nèi)鑄造行業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景影塑，較高的應(yīng)用價值和較大潛力蝎蚣。

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