4.6 虚拟制造技术

4.6.1 虚拟制造的定义和特点

虚拟制造技术（virtual manufacturing, VM）是20世纪90年代发展起来的一种先进制造技术，也是支持产品创新的重要技术。

1994年6月，美国空军Wright实验室会同一些技术领域的专家以及软件商，开展了有关虚拟制造的讨论，提出了虚拟制造的初步定义，认为虚拟制造是一个集成的、综合的建模与仿真环境，以增强各层次的决策与控制水平。这里“综合”是指实际的对象、活动和过程与虚拟的对象、活动和过程共存；“环境”指能够支持分布式制造的仿真环境，以协同的方式提供用户各种模型（产品、过程、活动和资源模型）以及由分析工具、仿真工具、实现工具、控制工具等组成的工具集，用户可以选取适当的工具和模型搭建所需的仿真环境；“各层次”指从产品概念设计到产品退出使用、从车间级到企业级、从物流到信息流所涉及的各个阶段。

马里兰大学Edward Lin的定义是：虚拟制造是一个利用计算机模型和仿真技术来增强产品与过程设计、工艺规划、生产规划和车间控制等各级决策与控制水平的一体化的、综合性的制造环境。大阪大学的Onosato教授认为：虚拟制造是采用模型来代替实际制造中的对象、过程和活动，与实际制造系统具有信息上的兼容性和结构上的相似性。

综上所述，虚拟制造的主要含义是实际制造过程在计算机上的本质实现，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在计算机上通过群组协同工作，模拟产品设计制造的本质过程，包括产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验、企业各级过程的管理与控制，其目的是增强产品设计制造过程中各级的决策与控制能力。

虚拟制造有以下的突出特点[42c]：

（1）全数字化的产品

利用数字化产品模型反映产品从无到有再到消亡的整个演变过程，建立数字化的最终产品相关的全部信息，例如配置结构、零件信息、CAD/CAPP/CAM/CAE文件、材料清单、维护文件等均用电子化文档表示；采用数字样机代替传统的物理样机，具有真实产品所具有的特征，技术人员和用户能够对数字样机进行分析，使得用户在制造实物之前即可评价产品的美观度、可制造性、可装配性、可维护性、可回收性及各项技术性能等，保证产品开发的成功。

（2）基于模型的集成

通过模型集成实现制造系统的五大要素（人、组织管理、物流、信息流和能量流）的高度集成；通过产品模型、过程模型、活动模型和资源模型的组合与匹配来仿真特定制造系统中的设备布置、生产活动、经营活动等行为，从而确保产品开发的可能性、合理性、经济性和高适应性。

（3）柔性的组织模式

虚拟制造系统提供的环境，并不是针对某个特定的制造系统而建立，但能够对特定制造系统的产品开发、流程管理与控制模式、生产组织的原则等提供决策依据，因此虚拟制造系统必然具有柔性的组织模式。

（4）分布式的协同工作环境

分布在不同地点、不同部门、不同专业背景的人员可以在同一个产品模型上协同工作，交流和共享信息；与产品有关的各种设计信息、过程信息、资源信息以及各种知识均可以分布式存放和异地获取；工程人员可以使用位于不同地点的各种工具软件。

（5）仿真结果的高可信度

虚拟制造的目标是通过仿真技术来检验所设计的产品和所制定的生产规划等，使得产品开发或生产组织一次成功，这就要求模型能够真实地反映实际对象，这需要依赖模型的验证、校验和鉴定合格技术，即VVA技术（verification, validation and accreditation）来保证。

（6）人与虚拟制造环境交互的自然化

以往作为研究主体的人仅仅从模型外部去观察、感受被仿真对象的种种行为，这种单一模式的映射严重妨碍了作为研究主体的人与被仿真对象的深层交流，没有充分利用人的各种感官作用传递全方位信息。虚拟制造面向的是各个领域的工程技术人员和管理人员，而且涉及的信息繁多，如果不能够采用自然化的交互方式，必然妨碍这些人员对虚拟制造技术的利用。因此虚拟制造环境应以人为中心，使研究者能够沉浸到由模型创建的虚拟环境中去，通过多种感知渠道直接感受不同媒体映射的模型运行信息，并利用人本身的智能进行信息融合，产生综合映射，从而深刻把握事物的内在实质，目前普遍采用虚拟现实技术和可视化技术来改善人机交互的手段。

虚拟制造系统（virtual manufacturing system, VMS）是基于虚拟制造技术实现的制造系统，是现实制造系统（real manufacturing system, RMS）在虚拟环境下的映射。VMS生产的产品是可视的虚拟产品，是一个数字化产品，它具有真实产品所必须具有的特征，并具有动态结构及决策、控制、调度、管理等四种机制来保证它与实际产品在本质上的一致性。虚拟制造技术和虚拟制造系统涉及整个产品开发和制造过程的方方面面。对于产品来说，涉及整个产品生命周期的各个方面，对于制造过程来说，涉及整个工厂的各个部分。

对VMS的基本要求体现在从RMS到VMS的映射中，也就是说VMS应反映出RMS的要求，因此所实施的VMS需要满足下列要求：

（1）VMS与RMS具有功能上的一致性；

（2）VMS与RMS具有结构相似性；

（3）VMS的组织与实现具有高度的柔性；

（4）VMS应实现“全面集成”，即信息集成、串并行工作机制集成、人机集成、过程集成、资源集成及技术集成等；

（5）提供虚拟环境下分布式并行处理智能协同求解和虚拟环境下系统全局的最优决策支持；

（6）VMS在虚拟环境下实现，其工作过程及各阶段的运行状态和结果都应该具有可视性，能对整个设计制造过程进行仿真和分析。

虚拟产品开发（virtual product development, VPD）是虚拟制造研究领域中的一个重要内容，以计算机建模、仿真为基础，集计算机图形学、智能技术、并行工程、虚拟现实技术和多媒体技术为一体，是由多学科知识组成的综合系统技术。它是现实产品开发过程在计算机虚拟环境下的映射，将现实产品开发环境和全过程的一切活动及产品演变成基于数字化的模型，对产品开发的行为进行预测和评价。应用虚拟现实技术，可以达到虚拟产品开发环境的高度真实化，并使之和人有着全面的感官接触和交融。

虚拟产品开发将从根本上改变设计、试制、修改设计和规模生产、维护的传统模式。在产品真正制造和销售之前，首先在虚拟开发环境中生成数字化产品原型或软产品原型（soft prototype），以此代替传统的硬样件（hard prototype）进行测试，对产品的性能、可销售性、可维护性、成本和外观等进行预测和评价，从而缩短产品开发周期，降低开发成本，提高企业快速响应市场变化的能力。

4.6.2 典型的虚拟制造技术

1．虚拟装配

装配是产品设计开发过程中的重要环节，虚拟装配则是装配过程在计算机上的本质实现，因而是虚拟制造的重要组成部分。它能够基于产品的数字化实体模型，在计算机上分析与验证产品的装配性能及工艺过程，从而提高产品的可装配性。

虚拟装配模型是分析装配问题的基础，因此，面向装配过程的、支持虚拟装配中各种需要的产品装配模型在虚拟装配中十分重要，模型的特点和优劣在很大程度上决定了系统所能实现的功能。虚拟装配模型基本上分为两种，一种是关系型装配模型，另一种是层次型装配模型。在关系型装配模型中，认为装配体是由各个零件以及它们之间的关系组成的，装配体可以用图D来表示，其中D={P, R}, P={P1, P2, …, Pn}是零件的集合，R={R1, R2, …, Rm}是零件之间关系的集合。层次型装配模型中，认为产品由多个子装配和零件组成，而每个子装配也是由属于它的子装配和零件构成，整个装配模型呈层状分布。

但是，在虚拟装配中，仅仅有这些层次信息、零件几何信息、元件间的约束关系等是不够的，因为这些信息只描述了装配体的静态情况，而虚拟装配是一个动态过程，在虚拟装配支持系统中，必须建立支持动态装配过程的装配模型。

在所建立的虚拟装配模型的基础上，可以对装配过程进行检查，发现在装配过程中可能出现的干涉问题，在此基础上修改产品的设计，达到方便装配的目的。另外，通过计算机对产品装配过程进行可视化演示，可以指导和培训实际装配操作人员，提高装配效率和质量。图4-12是一个电机的三维装配模型。

2．多学科协同仿真

经过多年的研究，目前，单学科领域的仿真技术已经比较成熟，涌现了很多商用仿真软件，如支持动力学和运动学仿真的Ansys和Adams软件，支持电子领域仿真的Maxwell软件，支持控制领域仿真的Matlab软件，支持液压系统仿真的EASY5软件。

由于复杂产品常包含涉及不同学科的多个子系统，无法利用某一种仿真工具完成对多个学科的仿真。如图4-13所示的飞机系统包含结构、动力、电气、内装饰等多个系统，涉及机械、液压、动力学、热力学、控制、电子等多个学科。

多学科协同仿真就是要在系统工程理论的指导下，基于复杂产品中各个学科之间的内在交互关系，将位于不同地点、基于不同计算机平台、采用不同建模方法建立的混合异构仿真模型，在分布式环境中联合起来进行多学科协同仿真。根本目的就是利用多个学科模型来代替实际的多个物理子系统，通过学科模型间的并行运行、实时交互来体现物理子系统间的逻辑交互关系，从而实现对整个复杂系统的仿真分析。

以美国GE公司实施多学科协同优化技术为例，GE公司用iSIGHT软件在两个月内完成对波音777引擎GE90涡扇发动机的改进，最终在保证性能的情况下减轻250磅重量，使每台GE90发动机的成本降低25万美元。空中客车公司用iSIGHT软件将结构力学软件和空气动力软件集成后对A320机翼进行多学科优化设计，在满足结构强度和空气动力学相关性能约束的条件下，减轻了3%的机翼重量。

有多种方法可以实现多学科协同仿真，基于接口的协同仿真、基于统一建模语言的多学科协同仿真和基于仿真高层体系结构（HLA）是三种典型的方法。

（1）基于接口的协同仿真

基于接口的协同仿真通过统一的接口标准来实现不同仿真应用软件之间的信息交互。其优点是无需改动每个仿真软件内部的算法和实现机制。以仿真运行过程中实时的信息交互为出发点，体现了对现有仿真资源的继承和重用。这种方法的困难一方面在于接口的设计开发工作量巨大，而且随着学科的增加，接口的数量会迅速增加，不具有标准性、开发性，系统扩充困难。另一方面的困难是通过接口交换的主要是不同系统的输入和输出信息，需要人为地割裂不同领域子系统之间的耦合关系，需要各专用仿真软件提供相互交互的接口，难以真正实现多个系统的协同。

（2）基于统一建模语言的多学科协同仿真

统一建模语言代表性的典型语言有χ语言和Modelica语言。其中Modelica语言在近些年来日益受到重视，其主要创始人是Elmqvist博士。

Elmqvist于1978年首先提出基于方程的面向对象建模思想，并设计了Dymola语言。随着计算机硬件、软件和数值技术的快速发展，先后涌现出一批基于方程的面向对象建模语言，如Omola、ALLEN、Smile、ASCEND、gPROMS、Obj ectMath、NMF等。1996年8月欧洲仿真界的一批专家学者开始致力于物理系统建模语言的标准化工作，在归纳和统一多种建模语言的基础上，于1997年9月提出了Modelica语言，并成立了Modelica协会。

目前，Modelica已经推出了其3.0版本的标准语言，多个国际著名的软件厂商采用了Modelica作为其系统的开放性标准，如Dassault Systemes公司于2006年7月发布其三维设计软件CATIA系统战略时，宣布将嵌入式系统建模作为CATIA的中心，并选择开放标准Modelica作为Dassault Systemes开放策略的核心。

（3）基于仿真高层体系结构（HLA）的多学科协同仿真

HLA是一个开放的、支持面向对象的体系结构，通过定义对象模型和仿真应用程序（联邦成员）之间的编程接口（RTI-API）来实现构件的装配，目的是将各类异构的仿真系统集成为一个分布交互的综合仿真系统。HLA定义的软件体系结构由三个部分组成：HLA规则，HLA对象模型模板，联邦接口规范。

HLA的对象模型包括：

●基础对象模型（BOM）：描述了仿真互操作某个方面的特性，是可以重用的仿真组件。

●联邦对象模型（FOM）：用于描述某具体联邦中相互存在信息交换的那些联邦成员之间需交换哪些“有关对象的信息”及其具体特性，并将这些交换采用标准的格式对FOM进行描述。

●仿真对象模型（SOM）：用于说明每一个联邦成员在参与联邦运行过程中能给联邦提供及需要哪些“有关对象的信息”及其具体特性，它反映联邦成员的本质能力。

●管理对象模型（MOM）：由运行支撑系统（RTI）负责维护其信息，用于联邦管理、监控等功能。

国外已相继开发HLA的开发平台，仿真建模工具和系统运行平台。如澳大利亚Calytrix公司的面向工程的可视化开发平台SIMplicity；美国Aegis公司开发的仿真建模工具集Labworks，瑞典Pitch AB公司开发的运行平台pRTI1.3和pRTI1516（IEEE标准1516.3）。SIMplicity提供了一个集成化开发环境（IDE），支持HLA应用系统从设计、代码生成到模型发布的全过程的可视化操作，并可于多种运行支撑系统（RTI）实现集成，快速建立分布式协同仿真应用系统。

Labworks是用于支持HLA全生命周期的软件工具集，主要包括HLA对象建模专业工具OMDT Pro、HLA测试工具FedProxy、HLA联邦管理工具FedDirector、FOM独立接口工具Omni、HLA联邦仿真数据记录和回放工具Analysis Statio，以及分布仿真场景生成工具SGT等；pRTI是第一个通过美国国防部建模仿真办公室测试和认证的符合HLA标准的商业RTI，它实现了HLA接口规范中规定的所有服务，与Labworks相兼容。

图4-14给出了一种基于HLA的多学科协同仿真框架，包括方法层、应用层和平台层三个层次[44]。

3．虚拟加工

在实际制造系统中，经过CAD/CAM系统设计的零件，在正式加工之前，一般要进行试切这一步骤，试切的过程也就是对CAD/CAM系统生成的NC程序的检验过程。随着NC编程的复杂化，NC代码的错误率也越来越高，如果NC程序生成不正确，就会造成过切、少切，或加工出废品，也可能发生零件与刀具、刀具与夹具、刀具与工作台的干涉和碰撞，这显然是十分危险的。传统的试切是采用塑模、蜡模或木模在专用设备上进行的，不但浪费人力物力，而且延长了生产周期，增加了产品开发成本，降低了生产效率，极大地影响系统性能。

由于计算机性能的不断改善以及计算机图形学技术的飞速发展，计算机仿真技术在制造系统中得到了广泛的应用。如果采用仿真加工来替代或减少实际的试切工作，就可以大大降低产品的研制成本，增加整个产品的竞争能力。

虚拟加工仿真系统完成的功能包括加工刀具轨迹检查、刀具与工件碰撞检测、加工路径优化、切削过程仿真以及对加工精度、时间、成本的估算。图4-15给出了一个加工过程仿真器的结构。

加工过程仿真器包括的主要模块如下。

（1）总控模块：对整个加工过程仿真器的运行过程进行管理和控制。

（2）CAD接口模块和NC代码翻译模块：这是两个从CAD和CAM系统接受数据的功能模块。CAD接口模块负责翻译接受来自CAD系统的产品定义；NC代码翻译模块可支持多种控制器的NC代码解释，不仅提取出驱动加工中心设备模型运动的数据，而且提取各种加工状态信息和工步信息，以支持工件材料切除的计算。

（3）造型模块：可进行加工中心设备的几何建模，包括简单体素定义和装配以形成构成加工中心设备的主轴（箱）、工作台、换刀机械手、导轨及其他部分几何模型定义。

（4）机床模型库：对机床几何模型进行加工轴、刀库、主轴、工作台等逻辑定义。

（5）刀具库：对镗、铣、钻、车、削等使用的各类刀具参数进行定义和管理。

（6）夹具库、零件库、毛坯库：对简单零件和毛坯进行几何建模或从其他CAD/CAPP/CAM系统获得零件的几何模型，管理工件毛坯及夹具在托盘上的装夹定义。

（7）动画模块：用动画展现加工过程中材料切除的过程和设备的工作状态，检查材料过切、少切现象，检查无效的NC代码动作，检查进给和切削用量的合理性。

（8）碰撞干涉检验模块：检查加工过程中产生的干涉现象，检查刀具与夹具和工作台的碰撞，支持加工路径修改和NC代码的优化。

4．虚拟车间

虚拟车间是进行产品生产可行性分析的技术，产品生产可行性分析是指所设计产品的“可生产性”，即在企业已有资源（广义资源，如设备、人力、原材料等）的约束下，如何优化生产计划和调度，以满足市场或顾客的需求。生产可行性分析包括进行生产环境的布局及设备集成、企业生产计划及调度的优化、基于虚拟样机的工艺规划及生产过程仿真等。相关技术包括虚拟生产环境设计、生产过程分析、拟实仿真技术、虚拟计划与调度技术等。生产可行性分析技术是实现生产制造过程高效率、高柔性和高可靠性的保证。

虚拟车间技术允许车间设计工程师在生产车间设计生产的全过程（从全局的虚拟生产车间可以逐层细化到虚拟生产线，到虚拟加工单元，到具体操作），从中对工厂布局和物流进行设计、生产过程运行仿真、生产性能分析及对生产过程进行可视化展示，在企业多种产品的生产过程中重用生产设施，如生产线、设备和加工方法，设计、编程和修改制造工具和过程，达到减少产品制造时间和节省成本的目的。

虚拟车间的布局设计和虚拟车间的作业调度是虚拟车间的两个主要应用技术。

（1）虚拟车间的布局设计与优化

虚拟车间的布局设计与优化主要研究工作空间和生产线的三维布局设计问题。仿真软件可以提供工作空间和标准元件库，包括物流元素、桌子、椅子及运料箱等，还提供建立特殊设备模型的工具并可把用户生成的模型存储在库中。每个元素都要求有尺寸、空间需求、成本和序列号，带有可到达空间的人头模型被用于规划人的操作，先进的运动学分析、运动特征和逆算法技术用于保证人体运动的拟实仿真，包括走、手的运动和抓握，允许可视化人的各种操作，包括最终装配、服务和维修、材料处理、点焊、上载和下载工件等。图4-16给出了两个虚拟车间布局设计的示例图。

（2）虚拟车间作业调度与优化

虚拟车间作业调度与控制是在研究尽可能满足约束条件（如交货期、工艺路线、资源情况）的前提下，通过对生产过程及物流的分析，按调度与控制的原则有效安排生产，协调多目标的实现，通过仿真加工作业的过程，在实际车间建设实施之前验证并修改方案，以获得产品制造时间或成本的最优化。