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发信人: martianwang (活着), 信区: SME
标  题: 拟实制造
发信站: 哈工大紫丁香 (2004年03月21日18:57:57 星期天), 站内信件

拟实制造
　

蒋新松

　

摘自：计算机世界

一、拟实制造概述
    拟实制造(VirtualManufacturing)是CIMS领域近年来提出的一个新概念，是指运用计
算机，应用拟实模型，而不是通过真实的加工过程，在计算机上预估产品的功能及可加工
性等可能存在的问题。

1.拟实制造的定义

    对于拟实制造有多种理解和定义：

    (1)字典中将拟实制造定义为：以非真实的形式揭示把原材料制成最终产品过程中的一
切本质问题及其影响。

    (2)在某些文献中把拟实制造定义为：在计算机中，像在真实世界中一样，用拟实模型
描述拟执行的制造全过程，以期在真实执行制造之前，预测产品的功能及可制造性等可能
的问题。

    (3)有些人认为拟实制造是获取产品实现的方法，即从产品的概念一直到实现过程中的
重要问题的解决办法，如切削时间等。

    (4)又有些人把拟实制造纳入敏捷制造中，敏捷制造中的一个焦点是指如何按用户要求
快速设计产品的能力，而拟实制造在技术上为此提供了方法；把制造业中很多实现产品制
造的新技术和现有技术，无论是拟实抑或实体，都包含于拟实制造技术中，如：并行工程
、快速原型、实验验证、试验分析、参数的规定、设计匹配的方法和通过电子原型创造机
器等。拟实制造将在制造业进化的第四阶段内完成。1990年DustyRhod将所谓的第四阶段定
义为是全功能分布的计算机环境(微型、小型和主机)，按整个组织产品设计和开发的需要
，实行全面集成的阶段。计算机集成(CIM)是拟实制造的基础。拟实制造将把工业从过去的
经验方法跨到预测方法，实现制造驱动设计。因此，最终的验证及参数的核定将是关键。
另外，新的方法要求设计者从如何构思、设计到制造产品，都在设计阶段就考虑好。

2.拟实制造的进展

(1)拟实制造的现状、优点及可能存在的问题

    目前只有很少企业已真正开始从事拟实制造，如：波音777部(它的全部设计由计算机
完成)、福特发动机厂(机械设计自动化)和泰拉基集团(980松土除草机)等。对大多数企业
来说，还仅只有单元技术，没有达到实现阶段。因此，拟实制造对很多工业部门来说仍处
于酝酿阶段。美国Sandia国家实验室、国家标准和技术研究所(NIST)及美国自然科学基金
会支持的几个大学和企业联合研究中心正在进行拟实制造的各种单元技术及开发方面的高
级研究工作。

    拟实制造在改变制造设施中既有很多优点，也有危险与挑战，必须谨慎从事。

    拟实制造的优点有：

节省成本。

在设计中可实现及时反馈。

以软件方式进行产品和制造过程的设计及测试。

缩短产品的上市时间。缩短一年将降低开发成本25%、投资成本20%和产品直接成本2%。

实现无纸加工及过程的全程追踪，并可实现自动建档。

可在计算机屏幕上进行修改及复制。

可模仿进入车间加工过程的一切事情，从单元模型到物料运输系统的建立、测试及修改。

增进对制造过程及系统的进一步了解。拟实制造的危险及挑战，诸如：

软件工程师不懂系统的机械和物理性质以及系统的限制。

软件工程师不懂他们所规划或优化的真实过程中的困难及特定装置的操作方法。

程序员或用户不懂得软件的限制或术语。

装置工程师们处于上述二者之间，试图搞懂在拟实制造方面合作者的语言、假设及逻辑。

压缩制造过程的开发时间是特别难处理的事情。

对软件需要开发测试、验证算法及其过程，目前对电子原型系统的鲁棒性还一无所知。

由于产品实现过程的并行性质，可能损失掉原先采用传统方法得到的原型机的知识。

其它来自拟实合作方面的。

    通过虚拟现实技术可以进入其它合作者的实验室和工厂。一个担心是通过拟实联结打
破了合作之间的障碍，有可能使企业间不能形成竞争。此外，从全球经济来看，跨地区组
成新的合作者已不再是问题，因而，拟实制造有可能把制造商们的合作利益推动到相互竞
争之前。例如：波音公司和道格拉斯公司在设计波音777和MD-12方面相互利用彼此的设计
工具及并行工程环境而进行的合作。

(2)设计者之间的拟实联结

    设计工程师及车间工程师通过拟实联结可以分别在各自办公室的终端前同时进行工作
，不必面对面或通过图纸进行合作，因为最终设计将是数字模型，其在热效应、结构、可
加工性及其它分析等数学上将是正确无误的。技术实现的主要工具有：波尔及三维立体建
模、特征建模、基于数学分析的各种软件工具、过程仿真及过程数字建模(可直接下装到快
速原型系统)等。

(3)制造层的拟实联结

    为了避免拟实制造可能形成的困难，能全面表示系统动态特性的仿真工具是至关重要
的。对拟实工厂来说，以动画形式表示传送带、机器、工人等的各种单元图(Icon)大大扩
大了仿真的能力。但目前单元图提供的参数对话功能仅限于下装时间、利用因子等，此外
，系统提供的能力只限于和机器及操作信息数据库相连的工厂设施。条码系统已广泛应用
于工厂的产品追踪及工作站产品加工信息的检索。为了采集加工过程的数据及控制加工过
程，美国国家仪表所开发了一种称为LabViewd的软件，它能以拟实形式对采集卡的数据进
行仿真，向用户提供了构造与设计控制器、测量仪表的可能，而不需要物理地制作整个装
置。美国加州斯坦福研究所国际商务智能中心的B.Hinzmann预言，机械—电子(Mechantron
ic)技术将极大地改变产品的设计和开发，并进一步改进精度、性能、效率及应用，这种机
械—电子系统将是一个由传感器、驱动器及控制器集成的智能系统。

    目前，一部分研究工作正致力于设计和产品加工阶段的集成。加工单元布局的设计和
开发仿真软件已用于校验机器人的应用程序，把从仿真得到的反馈信息作为机器人编程的
基础。ABB机器人公司应用基于几何体的仿真软件，设计机器人单元及校验机器人轨迹的碰
撞。Irani等人提出了一种形成单元的新方法，它首先不考虑零件族组成，将机器的分组、
布局设计及相邻单元之间的物流运输系统等集成起来，机床可由邻近几个单元共享，对零
件族来说，机床是虚拟的，不需在物理位置上重新布置。Schofield等人提出了用普通铣床
技术在CADCAM集成的环境中快速制造产品的方法。其中包括普通特征造型的详细设计、
简化了的工艺规划及加工设计等。当最后的零件经过一系列可加工性的测试后，确认是可
加工的，通过双向Internet网传到MOSAIC-PM(Machine-toolOpenSystemAdvancedIntellige
ntControllerforPrecisionMachining)进行加工，同时微规划器可通过MOSAIC-PM对加工的
零件进行监视。

(4)虚拟现实技术的应用

    1991年Northrop公司研究与开发部试验了一个装配建模系统。原型系统采用三维立体
显示和仿真装配的输入装置，而不需建造全尺寸模型。通过装在三维玻璃中的“临境”屏
幕给工程师们提供了一个环境，可以真实地模仿进行加工设定及相应的一切可能的操作情
况。立体视觉的三个主要用途为：

作为生产工具，它能缩短设计周期、改善精度、减轻工人远距离操作的疲劳及实现自动化
装配及测量。

作为仿真来说，它是作为生动显示想象物的有效媒体。

作为直觉信息通信。

(5)快速原型

    快速原型可使工程师们在没有正式加工前就能看到产品，对改进设计质量，缩短设计
周期将发挥重要作用。小范围的快速生产可分为直接和间接两种，快速原型技术是一种直
接生产零件的方法，而间接方法是用快速原型技术制造模具或工具，然后用通常的铸造或
压模的方法生产零件。

(6)验证和测试

    波音777部在设计波音777飞机中全部采用了拟实制造技术。他们采用并行工程方法把
系统开发和测试设施与飞机测试集成起来。所有部件的测试都是实时地、远距离地、全集
成地进行。应用飞行仿真器及虚拟现实技术在各种各样模拟的条件下，对飞机进行飞行试
验，工程师们可以在工作站上实时地获取各种数据，并同时进行工作，解决设计中的问题
。利用这一设施对波音777各个方面进行了测试，最终没有进行一次真正的试飞，一次上天
即获得成功。随着计算机硬件和软件的发展和全球竞争的加剧，拟实制造作为加速新产品
开发的有效手段，发展非常快。从以上内容看，它几乎包括产品设计、开发及制造的各个
阶段，因此，涉及的范围相当广，特别是各个阶段的建模还有相当的难度，但这无疑代表
制造技术新的革命，值得我们高度重视。

　

二、基于模型设计产品的实现过程及仿真在设计中的应用
1.基于模型设计的产品实现过程

    美国Sandia国家实验室电子系统中心RonaldD.Andreas将产品的实现过程定义为：从一
个新产品的提出、概念的确定、功能取舍、设计、开发和生产，一直到储存中的维修及处
置。当前，产品实现过程面临的主要问题为：如何进一步降低成本，缩短采用最新技术实
现产品的时间，以及预见改进产品制造过程中可能出现的各种问题。而在这些方面，能测
试的快速原型、经验证的软硬件及以物理形式或拟实形式的制造过程将起主要的作用。为
此，提出了四大措施：基于模型的设计；智能制造；快速制作拟实和真实的原型；敏捷制
造。下面我们着重讨论基于模型的设计及仿真在设计中的应用。

    基于模型设计的基本方法，是从过去经过验证的有关产品和加工过程的参数化计算机
模型中投抽取出知识模型，然后把这些模型用到基础设计环境中。在这个环境中，产品实
现小组(PRT)利用模型和仿真技术在计算机上用快速反复叠代的方法来完成设计和制作原理
性样机，减少叠代周期和原来要求建造样机及测试的次数。在这种环境中，设计方面考虑
的问题可大大扩宽，诸如：可加工性、可靠性、可维护性、成本计算、经营实践和废物处
理等。它的最大好处是支持实现快速叠代，达到均衡设计。所谓均衡设计是指从设计的大
部分方面达到优化而不是像目前的为实现一方面的优化，而牺牲了其它方面。

    上述环境实质上构成了一个计算机“智能代理”，PRT利用它来进行产品实现的全过程
，而在整个实现过程中不断地总结经验和教训，使其越来越完善、聪明。这个概念的一个
关键特征是每一部分都可单独应用，既可应用于系统、子系统、装配或装置，也可应用于
产品的设计、制造，或者是二者的集成。当用于一个特定的产品族时，上述包含经过验证
模型的环境构成了父子空间。该空间包含了产品实现过程的所有基本特征、统计性的变型
及他们之间的关系。利用这一空间进行变形设计称为子设计。一旦父空间建立后，子设计
可以进行得很快，在某种情形下甚至可自动地进行。

2.高级工程仿真在以模型为基础的设计中的应用

    虽然大家都认识到，在产品开发过程中应用建模和仿真可以大大缩短开发周期，改进
产品的性能和可靠性，但在工业界的设计过程中实际应用并不多。问题在于，目前的仿真
系统还不能适应工业界在设计过程中进行分析和验证等的要求。美国Sandia国家实验室开
发高级过程仿真系统已多年，近年来，将其集中用于武器制造过程。针对一些加工过程研
究的结果，如铸造、涂层(连续和喷涂)、聚合物加工、感应表面硬化、等离子及化学蒸汽
喷溅涂层、发泡加工、金属成形(拉延、冲压、切削)、连结(焊接、铜焊…)等加工过程，
认为高级工程仿真系统应具有下列特点：

三维的复杂零件/零件接口；

本质上不同响应特性的多元材料；

材料重要的非线性性质，诸如：非牛顿行为、塑料变形、断裂…；

多相现象；

带有化学反应的多相能量转移；

移动或自由边界；

非线性动力学。

    当然这并不完整，仅仅指出了把仿真应用于加工及各种各样场合的复杂性。在以模型
为基础的设计中，实现高级工程仿真的关键技术可归纳如下：

用户接口；

分析式立体造型；

对壳体和实体的先进网格生成算法(有限元分析用)；

解的误差分析和改进；

材料模型；

优化目标函数的设计；

面向对象的软件工程；

海量并行计算；

可视化。

    把这些技术集成起来，可以帮助设计者进行设计，了解设计出来的产品的性能。应用
上述先进的网格生成算法、误差分析及计算，可组成自适应算法，使仅懂得机构、不懂得
分析的设计者也能设计产品及设计这一产品的制造过程。自适应能力可以保证分析的精度
。由于重要的几何性质可以参数化，因此可以进行形状的优化等。

　

三、虚拟现实及增扩现实技术在拟实制造中的应用
1.虚拟现实技术的应用

    在拟实制造中，虚拟现实技术已成为仿真系统发展中的一个新方向。所谓虚拟现实是
指在计算机数据库基础上建造一个能精确反应真实的物理性质及动态行为的人造环境，在
这个环境中用户及制造工程师们通过各种虚拟现实工具可以实时地与对象进行各种交互。

    Deneb机器人公司的总裁RobertBrown认为，今天美国制造业之所以应用虚拟现实技术
工具，主要是为了实现下列需求：

基于仿真的设计在前面基于模型的设计中，我们已进行了讨论。应用虚拟现实技术可以在
计算机上考核一个产品在各种场合中应用的性能，并考核系统之间的相互依赖性，例如：
基于空气动力学，是在计算机上研究飞机在各种条件下的飞行性能；基于水动力学，是在
计算机上研究设计好的潜艇的性能等。

拟实原型在一个产品的实现过程中，做原型是一个必经的阶段，而不做原型或少做原型，
将是大大加快这一过程及减少开发费用的有力措施。利用虚拟现实技术，在计算机上“制
造”原型，我们称之为拟实原型。利用拟实原型我们可以对复杂系统在三维环境中进行考
核与验证，可以对各种不同方案的原型进行试验、比较。

并行工程利用虚拟现实可在设计完成前，同时完成对不同的加工方案的筛选、比较。并可
在设计完成前，确定车间的布置、物流及成本、周转时间、单元成本、所需资金及安装场
所等。

任务规划可以实现快速原型及考核概念设计，机器人的离线编程等。

训练可以进行设备的操作训练，各种运载设备投放前的预先训练及维修训练等。

人—机工程分析可以使用户预先考核设计，确定运转周期和概念的可行性，考核提升能力
、每小时产生的热量及姿态问题等。

    综上所述，采用虚拟现实能增强企业的设计、分析、制造、训练及适应市场的能力，
从而可以增加生产率，改进产品及加工过程的质量，降低成本，改进可靠性及快速投放市
场等。因此，今天虚拟现实已成为一个企业的战略性工具，各种公司纷纷采用虚拟现实来
增加其竞争力。

2.增扩现实

    制造、安装、测试及维修组成了工业任务中的四大类。在这当中，至今仍然需要大量
的劳动力。自动化虽然可以大大减轻人的劳动，但在有些场合下，由于工人工作过于复杂
或采用自动化的费用过于昂贵，仍要采用人工。即使从长远来看，在很多工业环境中，人
工仍然是一种唯一可行的或经济的方案。如何使工人能充分利用CAD/CAM及仿真系统的数据
，改进工作，增加效率，美国新墨西哥州大学的T.P.Caudell及M.U.Rashid提出了利用“增
扩现实”(AugmentedReality,AR)来提高工人的工作效率及质量。

    什么是增扩现实，可从下例中了解。例如，工人戴着头盔进行安装工作，头盔上带有
工人头部运动传感器及工作场所测定系统。当头盔移动到新的工作位置时，头盔的液晶显
示屏立即出现该工位的加工要求。显然，增扩现实(AR)比虚拟现实(VR)简单得多，用PC机
就能实现。但AR对工作场所的记载，需要一定的精度。头盔相对于人的眼睛和工位，在进
行作业前，必须做好标定。当头盔围绕着头运动时，必须有一种方法来确定相应的没有事
先记载的工作场所部分，在工作时能随时跟踪记载，这些要求在VR中是没有的。跟踪的区
域，随着不同的工作而不同，当工作场所仅为一个桌面大小时，只需简单的跟踪设备，如
磁场跟踪仪或摄像机，而当工作场所像飞机机叶时，就必须用多种跟踪手段相配合。

    头盔显示技术(HUD)已经有二十多年的历史了，过去主要为军用。可用于AR的主要有两
种：

光学直阅式计算机产生的图像通过一套光学装置叠加在真实的物体上。

视像融合式由计算机产生的图像与摄像机获取的图像叠加，显示在前方的屏幕上。

    HUD装置在工作开始时，首先将CAD/CAM的数据下装到安装在腰部的计算机中，操作者
用口呼命令或安装在臀部的跟踪球来操作。这种HUD目前还有很多问题，有待进一步完善，
至今还没有商品出现。

    从VR发展到AR，有待研究的问题很多，诸如：

    (1)高精度、大范围跟踪系统技术

    目前，VR位置跟踪系统的范围大致与一个房间相当，而且需要洁净的环境。AR应用于
工厂和建筑场合，需要大范围、高精度跟踪系统，且不应采用电缆连接。

    (2)标定和重新登录技术

    有关显示/传感系统的内部标定和用户工作场所坐标体系的重新登录，还有待于进一步
研究和开发。

    (3)CAD/CAM数据库接口及翻译

    如何把CAD/CAM数据库中的数据，转换成用户容易接受与理解的方式，即用基于知识的
方法把三维几何信息转换成工人容易理解的方式，叠加到工作场所。这是一个和应用领域
高度相关的问题，但必须发展一种较通用的技术。

    (4)三维识别和推理

    这里指怎样在AR的显示屏上，把光学和人视觉的特性获得最佳的匹配，如聚焦的深度
、光学瞳孔的大小、眼睛的疲劳程度等；对空间的理解是否必须采用三维AR显示；在显示
简单的信息中，色彩的作用是什么；系统特性参数怎样影响视觉的融合或识别，如何使虚
拟图像变成真实图像的一部分等。

    (5)工作指标的评价

    AR技术对人完成任务的能力的影响；AR起帮助或相反作用的任务是什么；系统参数，
如计算时延、位置误差，对人完成工作有什么影响，如何优化等。

    (6)性能满意程度的度量

    工人在工作场所是怎样对待AR的；如果允许选择，他们将选择AR还是采用老方法；它
怎样影响工人的满意程度；这些因素怎样影响他们工作的质量和数量；最后，如何定量度
量这些因素。

    总之，AR必须对以人为中心的作业及技术有深刻的了解，这种技术是不可能强制性地
在不适宜的环境中应用的，否则将导致浪费资源和降低劳动生产率。

    拟实制造的基础是对制造过程(即把各种材料变成产品的过程)的理论和方法进行深入
的了解。有了这些了解，才有可能在计算机上进行拟实制造，从而揭示一个产品制造全过
程的种种复杂问题。随着拟实制造的发展，它将为工程师们提供一个从产品的概念形成、
设计、制造到实现的全过程三维可视及交互的环境；它将促使实现制造驱动设计，要求设
计者在设计阶段把一个产品的构思、设计、制造统统考虑好。目前，电子类产品，特别是
大规模集成电路，相对地比机械类产品简单，制造过程具有通用性，发展得较成熟；机械
类产品相对较复杂，进展得较慢。另外，拟实制造的实现是建筑在一个企业内外实行计算
机集成基础上的，只有在大范围采用计算机集成后，才能有效地实行拟实制造，并在这基
础上过渡到敏捷制造时代。因此，今天我们在大范围内推广CIMS的应用，是有很深远的历
史意义的。它将为我国实现跳跃式发展，打下坚实的基础。

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