虚拟制造及其关键技术(上)

　　一、产生的背景 

　　市场全球化使企业面临的竞争对手不断增多，面临的竞争压力日益加重，随着产品更新换代速度的加快，交货时间和产品质量较之于成本成为企业参与市场竞争更为重要的手段。与此同时，由于社会、经济和科学技术的发展而引起的对环境和社会因素的日益关注，导致了产品生命周期概念和可持 续性工业生产的出现。面对制造环境的复杂性、制造产品的复杂性以及制造本身的复杂性(包括制造系统结构的复杂性和制造过程的复杂性)的不断提高，企业能否在瞬息万变的市场竞争中立于不败之地，取决于企业的整体竞争能力，即取决于其能否通过信息集成、智能集成、资源集成、技术集成、过程集成、串并行工作机制集成、组织管理集成以及人机集成实现分布式协同求解，从而使企业的运作达到全局最优，资源得到合理的配置和利用，提高市场竞争力。虚拟制造使企业的全面集成成为可能，从而作为一种21世纪的新型制造策略和方法正越来越受到工业界和学术界的重视。 

　　二、虚拟制造的概念和功能 

　　1．虚拟制造的概念 

　　由于虚拟制造研究的出发点、侧重点以及应用场合等方面的不同，因此存在对虚拟制造各种不同的定义。 Kimura、Onosato等将虚拟制造定义为现实制造系统在虚拟环境下的映射，是针对现实制造环境的虚拟模型，该模型为生产规划、调度和管理提供测试环境。 ChetanShukla等将虚拟制造定义为一个正在发展中的研究领域，其目的是通过虚拟 现实技术将各种与制造有关的技术集成起来。Hitchcock等则将其定义为一个用于提高制造企业内各级决策和控制能力的集成的、虚拟的制造环境。而 Nahavandi和Preece对虚拟制造定义则与为Kimura的定义有些相似，将其定义为已经存在或还不存在的制造系统的仿真模型，该模型具有与制造 过程、过程控制和管理以及产品有关的所有信息。Lin等认为虚拟制造是应用计算机模型和制造过程仿真来辅助产品的设计和制造。Iwata等认为虚拟制造系统是实现沟通制造工程和信息基础结构建立新型信息基础结构最有希望的方法。K．I．Lee和S．D．Noh则认为虚拟制造系统是表示现实制造系统物理和逻辑结构和特性的一种集成计算机模型。

　　基于对当前虚拟制造研究的归纳总结和对虚拟制造的研究，我们认为对虚拟制造的定义应该分为3个层次： 

　　(1)虚拟制造作为一种哲理、一种制造策略，为制造业的发展指明了方向，在制造企业组织管理、产品开发过程、资源、工作机制等诸方面集成基础之上，使其成为一个有机整体，以达到提高整体的运作及全局最优决策的效能和市场竞争力的目的。 

　　(2)同时，虚拟制造作为一种现代制造环境下的制造理论和方法论，为整个制造企业的产品开发过程提供一种实施虚拟制造的方法，为实现企业的全面集成提供指导原则、实施方法和途径。 

　　(3)最后，虚拟制造是一种在计算机技术支持下的集成的、虚拟的制造环境。下面本文将对这种集成的、虚拟的制造环境的功能进行详细讨论。

　　2．虚拟制造的功能要求 

　　(1)通过虚拟制造系统实现制造企业产品开发过程的集成和制造企业的全面集成根据制造企业策略，基于虚拟制造系统，在信息集成和功能集成的基础上，实现产品开发过程的集成。通过对整个产品开发过程的建模、管理、控制和协调，对企业资源、技术、人员进行合理组织和配置，面向产品的整个生命周期，实现制造企业策略与企业经营、工程设计和生产活动的集成(纵向集成)以及在产品开发的各个阶段分布式并行处理虚拟环境下多学科小组的协同工作(横向集成)，快速适应市场和用户需求的变化，以最快的速度向市场和用户提供优质低价产品。 

　　(2)实现了虚拟产品设计／虚拟制造仿真闭环产品开发模式各种建模、仿真和分析技术和工具的大量使用，实现了虚拟产品设计／虚拟制造仿真闭环产品开发模式。虚拟制造系统能够在产品开发的各个阶段，根据用户对产品的要求，对虚拟产品原型的结构、功能、性能、加工、装配、制造过程以及生产过程在虚拟环境下进行仿真，并根据产品评价体系提供的方法、规范和指标，为设计修改和优化提供指导和依据。由于以上开发过程都是在虚拟环境下针对虚拟产品原型进行的。所以大大缩短了开发时间，节约了研制经费，并且能够在产品开发的早期阶段发现可能存在的问题，使其在成为事实之前予以解决；又由于开发进程的加快，使设计——评价——修改从多次串行工作模式下的小的局部循环过渡到基于并行工作模式的整体大循环成为可能，并且能够实现对多个解决方案的比较和选择。 

　　(3)通过多层次、分阶段、多目标的决策支持，提高产品开发过程中的决策和控制能力通过虚拟制造系统在人与系统之间、人工智能与非人工智能技术与工具之间、设计人员之间、现实世界与虚拟的计算机制造环境之间、不同的产品开发过程之间、不同的知识来源之间等建立起了连接的纽带。在分布式并行处理环境下，在对产品开发过程多层次、分阶段、多目标的智能决策支持下，通过任务规划、调度、分配和协调，在评价系统支持下，在产品开发的不同阶段，根据不同的评价体系指标及规范，实现对产品、生产制造过程在时间、质量、成本等多个目标的评价，通过协同决策，提高企业的决策和控制能力，从而实现提高运行效率以达到全局寻优的目标。这包括：

　　(1)根据市场需求以及企业资源状况和技术条件等，进行经营决策，确定产品类型和规模，对可能取得的效益和可能遇到的风险进行评估； 

　　(2)在虚拟环境下，基于分布式并行处理技术，在对产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)进行并行地、集成地设计开发过程中，支持产品开发人员对产品方案设计、结构设计、详细设计以及工艺设计及组织生产等进行协同决策； 

　　(3)根据企业资源情况、产品类型和规模，制定生产规划，控制和协调生产活动，合理配置和利用企业的人、财、物资源。 

　　(4)通过虚拟制造系统与现实制造系统的集成，提高企业自我调节、自我完善、自我改造和自我发展的能力基于企业建模的虚拟制造系统，通过信息集成、组织管理集成、智能集成、资源集成、技术集成、串并行工作机制集成、过程集成以及人机集成等，实现企业的全面集成，为使其能够根据复杂多变的竞争环境，监控现实制造系统的运行，不断调整组 织结构，优化运营过程，合理配置人、财、物力资源，革新技术和提高人员素质等提供了一种系统的方法和途径，使企业的自我调节、自我完善、自我改造和自我发展的能力大为提高。 

　　(5)提供一种具有制造语义的制造信息基础结构虚拟制造系统能够在制造系统和信息基础结构之间起到桥梁作用，为整个企业的制造活动提供一个具有制造语义的制造信息基础结构，协调和加快制造活动之间各种制造信息的交换。

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