虚拟制造的基本概念及研究开发动向

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1、虚拟制造的基本概念及研究开发动向发表时间：2006-2-8牛占文，徐燕申，岩田一明，小野里雅彦来源：中国机械网虚拟制造作为21世纪制造技术的核心，已受到了世界各国的高度重视。本文从信息变换等价性的观点、分析了虚拟制造系统与真实生产系统的相互对应关系，探讨了虚拟制造的基本概念，介绍了国际主要研究动向及应用领域。 1、虚拟制造的基本概念 虚拟制造（Virtual Manufacturing:VM）的研究与开发利用已引起各国的高度重视，尤其是欧美、日本等工业发达国家，竟相投入大量人力，物力进行VM的研究与开发。 什么是虚拟制造，目前各国学术者尚未形成统一的认识，笼统的理解是：在计算机内构造虚拟的生产

2、系统模型，进行实际生产过程的模拟。本文将从信息变换等价性的观点出发，分析VM系统与实际生产系统的相互对应关系，探讨VM的基本概念，并介绍目前国际上虚拟制造研究的方法、手段、研究开发的动向及VM的广阔应用前景。 1.1 实际制造与虚拟制造 如图1（a）所示，实际生产系统具有对“物质”、“信息”、“能源”进行转换的功能，即投入原材料、生产、信息电力等能源，制造出所需要的产品及与产品相关的信息，并排放出作为副产品的余热等能源。通常把在生产系统内进行的上述转换活动称为制造。由此，VM可以理解为：将实际生产中的“物质”和“能源”信息化，针对实际生产系统中的信息及被信息化的“物质”和“能源”实现与实际生产

3、在信息上的等价转换，这样的转换形式称为虚拟制造（如图1（b），即VM过程虽然没有制造出实际产品，但却生成了有关产品的信息及制造产品所需的信息。 图2进一步表明了实际生产与虚拟制造的关系。R1、R2表示真实生产实施前后的状态，V1是将R1信息化处理后的模型，V2是拟实制造系统信真后的结果。R2与V2在信息上应是等价的。图1 实际生产与虚拟制造的定义 图2 实际生产的信息化与仿真 1.2 虚拟制造系统 基于信息变换等价性的实际生产系统和虚拟制造系统，在概念上也可进一步被看成是由“物理系统”和“信息系统”组成的，即生产系统内部存在着设备原材料、产品等物理实体和生产计划、任务书、产品性能要求等信息实体

4、。由物理实体构成的部分称为“物理系统”（Physical System）；由信息实体构成的部分称为“信息系统（Information system）”、即生产系统由实施制造的物理系统和对物理系统进行管理（包括计划、控制）的信息系统构成。工厂的生产车间可被看作物理系统，而生产管理部门则可被认为是信息系统的一部分。 物理系统和信息系统又可分为真实物理系统（Real Physical System:RPS）、虚拟物理系统（Virtual Physical System:VPS）和真实信息系统（Real Information System:RIS）、拟实信息系统（Virtual Informatio

5、n System:VIS）。如果假定虚拟的物理和信息系统存在则有： (1) 真实物理系统（RPS）真实信息系统（RIS）：现实的生产系统 (2) 真实物理系统（RPS）虚拟信息系统（VIS）：生产计划、管理的部分为虚拟的生产系统、例如，用计算机对已建成的工厂进行动转试验。 (3) 虚拟物理系统（VPS）真实信息系统（RIS）：实施生产的部分为虚拟系统的生产系统、可以对新工厂的建议方案进行事先评价。 (4) 虚拟物理系统（VPS）虚拟信息系统（VIS）：在计算机内建立物理系统和信息系统的模型、基于模型通过仿真实现的生产系统。 虚拟制造系统必须是在上述组合系统中，至少有一个是虚拟系统。 2、虚拟制

6、造系统的形式与研究方法 从虚拟制造系统的形式看，可分为以下两种形式： (1) 计算机仿真 构造有关生产的计算机内部模型，通过仿真实现虚拟制造。 特点：生产设备、工厂组织、产品均是虚拟的。 (2) 遥控制造 由计算机网络将载域上分散的生产设备结合起来，进行集成管理和运行。 特点：生产设备和产品是实际存的，而工厂组织是假想（虚拟）的、从研究的方法手段来看，主要有以下六种形式： 产品建模 特点：以产品模型设备模型为核心、进行产品设计、工艺设计、生产调度、设备布局、控制等的仿真。 生产过程仿真 特点：对切削装配等生产过程进行仿真。 设备仿真 特点：机器人等生产设备离线仿真、动态特性分析和模拟。 物流仿

7、真 特点：物流规划、AGV（自动般运等）仿真等。 机器控制 特点：遥控操作，虚拟制造设备（Virtual Manufacturing Device:VMD）开放式系统控制器（Open System Controller）等。 人工虚拟现实 特点：用计算机图形（CG）及虚拟现实技术，使操作者身临虚拟制造系统，以进行操作训练。 3、虚拟制造的研究开发动向 在美国、目前已形成了由政府、产业界、大学组成的多层次，多方位的综合研究开发力量。VM已被作为增强产业的国际竞争力的重要手段，由政府支持的研究，开发及商品化正在加紧进行。主要项目有：TEAM (Technologies Enabling Agile

8、 Manufacturing,Dept.of Energy). NAMT (National Advanced Manufacturing Testbed). SIMA (Advanced Manufacturing Systems and Networking Testbed). NIIIP (National Industrial Information Infrastrclcture Protocols,NIST). MAVE(the Metrices for the Agile Virtual Enterprise,DARPA). Man Tech(DoD Manufacturing

9、Technology Program,Dept.of Defense). The JAST(Joint Advanced strike Technology). Fast Track Program(US Air Force). 以产业界团体为中心进行的作为VM基础的VM系统建模及标准经项目主要有：SEMI(Semiconductor Equipment and Materials International) SECS I/II(SEMI Equipment Communication Standard I/II) HSMS(High-speed SECS Message) GEM(Gene

10、ric Equipment Moldel) VFEI(Virtual Factory Equipment Interface) OMG(Object Managment Group) CORBA(Common Object Request Broker Architecture) ATARI(Agile Textile-Apprale Research Initiative) SME(Society of Manufacturing Engineers) CONDUIT(Cooperative Network for Dual-use Information Tedinology) 美国的众多

11、大学及研究机构、则把VM看作21世纪生产的核心，纷纷从不同方面对VM进行研究。Purdue University:project SONOMA(WWW based Virtual Factory) Iowa State University:Virtual Factory Project Lehigh University:MAVE Project (With DARPA) Washington state University:Virtual Environment for Design and Manufacturing MIT:Leaders for Manufacturing proj

12、ect Maryland University:Database of Wirtual Manufacturing projects University of Illinois at Chicago:Factory Models Using VR(With NIST) 在欧洲、许多大学及研究机构通过相互间的合作，并联合企业共同进行VM的研究。A virtual workshop for Design by Manufacturing (University of Bath,OK) MOSES(Model Oriented Simultaneous Engineering System,Uni

13、v.of Leeds and Loughborough University of Technology,OK) Virtual Manufacturing Group(Herriot-Watt University,OK) Virtual Factory for Education (Pohjois-savo polytechnic,Finland) 在日本、目前也已形成了以大阪大学为中心的研究开发力量，主要正在进行VM系统的建模和仿真技术的研究，并开发出了虚拟工厂的构造环境VirtualWorks。 4、VM的应用领域 VM的实现将会对制造业中日益自动化、复杂化、大规模化的制造系统进行更为

14、详细的设计、仿真及评价，并能够实现在信息空间里对大规模、复杂，随时间变化的生产系统给予明确的“规定”、“推定”、“预测”，其主要应用领域有以下几方面： (1) 设计、生产规划 通过VM的应用，实现生产系统（包括系统组成、功能、动作）的更为详细的、多方位、拓整个生命周期下的设计和计划。 (2) 工厂运转 未来的工厂将是一个信息化的工厂，VM系统可很方便地接受，处理工厂中的各种信息，并可做出适当的解释以及实现对工厂状态监测及异常诊断。 (3) 生产预测 VM系统可以在实际生产之前、实现对生产过程的预测，包括交货期、生产产量、质量、设备状态等。 (4) 生产教育 实现对工厂生产人员的操作训练，异常工

15、艺时的应急处理训练等，另外，对于不具备大规模生产设备的大学，可以进行生产系统的设计，运转等练习。 虚拟制造系统将使设计、生产、管理、信息处理及其各自相关的领域更加紧密地结合起来，所要实现的制造系统将更具有柔性、更富有效率，同时也将会进一步促进通信、网络、数据库，人工智能等关联技术的发展。最终实现提高制造业国际竞争力的目标。 主要参考文献 1.Owen,J.V.,1994,Making Virtual Manufacturing Real,Manufacturing Engineering,Vol.113, No.5,33-37. 2.Technical Report of Virtual Ma

16、nufacturing User Workshop,Dayton,Ohio,12-13,July,1994 3.Onosato,M.,Iwata,K.,Development of a Virtual Manufacturing System by Integrating Product Models and Factory Models,Annals of the CIRP,Vol,42,No.1,(1993),475-478. 4.Iwata,K.,Onosato,M., osaki,s.,A modelling and simulation architecture for Virtua

17、l manufacturing systems.Annals of the CIRP,Vol,44,(1995),399-402. 5.Kimura,F.,Product and process Modelling as a kernel for Virtual Manufacturing Environment,Annals of CIRP,Vol,42,No.1(1993),147-150 6.Onosato,M.,Iwatu,K.,1992,”Virtual Works:building a Virtual Factory with 3-D Modelling and object oriented programming Tchniques”,Proc.IFAC-INCOM92,281-286.