用于教學的虛擬數控車間的研究與實踐

呂修海

（黑龍江農業工程職業學院，黑龍江 哈爾濱 150088）

制造業的發展對產品性能、規格、品種不斷提出新的要求，產品的生命周期越來越短，新產品的開發時間是決定性因素。虛擬制造技術(VMT Virtual Manufacturing Technology)可以模擬由產品設計、制造到裝配的全過程，對設計與制造過程中可能出現的問題進行分析與預測，提出改進措施，實現產品從開發到制造整個過程的優化，達到降低產品生命周期、減小開發風險、提高經濟效益的目的。而機械加工過程仿真在虛擬制造中占有重要地位，它通過對機床-工件-刀具構成的工藝系統中的各種加工信息的有效預測與優化，為實際加工過程的智能化實現創造了有利條件，同時它也是研究加工過程的重要手段。

1 虛擬制造技術

虛擬制造是利用信息技術、仿真技術、計算機技術對現實制造活動中的人、物、信息及制造過程進行全面的仿真，以發現制造中可能出現的問題，在產品實際生產前就采取預防措施，從而達到產品一次性制造成功，來達到降低成本、縮短產品開發周期、增強產品競爭力的目的。它進行的過程是虛擬過程，所生產的產品也是虛擬的。所謂"虛擬"，是相對于實物產品的實際制造系統而言的，強調的是制造系統運行過程的計算機化。

1.1 虛擬制造與實際制造關系

一方面，虛擬制造不是無源之水、無本之木，而是實際制造過程在計算機環境下的映射;另一方面，在實際制造系統生產出適銷對路的產品，然后再通過對實際制造系統進行抽象、分析、綜合，得到實際產品的全數字化模型。虛擬制造的最終目標是反作用于實際制造過程，用來指導生產實踐。因此，虛擬制造是實際制造的抽象，而實際制造又是虛擬制造的實例。

1.2 虛擬制造的分類

從廣義上講，制造過程不僅包括了產品的設計加工、裝配，還包含了對企業生產活動的組織與控制。從這個觀點出發，可以把虛擬制造劃分為三類。

1.2.1 以設計為中心的虛擬制造

以設計為中心的虛擬制造是將制造信息加人到產品設計與工藝設計過程中，并在計算機中進行"制造"，仿真多種制造方案和產生許多"軟"的模型，為設計者提供一個設計產品和評估產品可制造性的環境。它的主要支持技術包括特征造型、面向數學的模型設計及加工過程的仿真技術。主要應用領域包括造型設計、熱力學分析、運動學分析、動力學分析、容差分析和加工過程仿真。

1.2.2 以生產為中心的虛擬制造

以生產為中心的虛擬制造是將仿真能力加人到生產過程模型中，其目的是方便和快捷地評價多種加工過程，檢驗新工藝流程的可信度、產品的生產效率、資源的需求狀況(包括購置新設備、征詢盟友等)，從而優化制造環境的配置和生產的供給計劃。它的主要支持技術包括虛擬現實技術和嵌人式仿真技術，其應用領域包括工廠或產品的物理布局及生產計劃的編排。

1.2.3 以控制為中心的虛擬制造

以控制為中心的虛擬制造是將仿真能力增加到控制模型和實際的生產過程中，模擬實際的車間生產，評估車間生產活動，達到優化制造過程的目的。它的主要支持技術有:對離散制造一基于仿真的實時動態調度;對連續制造一基于仿真的最優控制。

2 虛擬制造技術支撐系統

虛擬制造技術是多學科綜合的系統技術，需要研究開發相應的軟件與硬件集成系統以及相關技術支持。

2.1 軟件配置

(1)可視化:真實、直觀地再現主觀產品與客觀制造過程;(2)環境:增強可視化和其它虛擬制造功能的集成系平臺;(3)信息:表達各種信息，包括數據、知識和模型的統一方法、語義、語法;(4)中介模型:構造、定義、開發對過程易于中斷介人的模型;(5)基層集成組織結構:硬、軟件的基層組織結構;(6)仿真模型:在計算機系統中設計的真實系統模型;(7)應用方法:產品多樣性與過程動態性的共同特征的抽象提取;(8)制造特征:各種材料在虛擬制造環境中的變化過程;(9)虛擬制造系統評價:可制造性、工藝性、可靠性、經濟性、質量、工期等。

2.2 硬件配置

(1)輸人、輸出(1可Out)設備:基于CRT和LCD的頭盔顯示器(HMD)、普通計算機顯示器、投影系統、可視化眼鏡、數據手套、數據背心、蹋滾、搖桿、觸墊、耳機和音響系統等;(2)信息采集、存儲設備;(3)能支持各種設備、數據存儲和高速運算的計算機系統;(4)網絡體系結構 (星型、環型、總線型)、通訊硬件等。

2.3 關健技術

(1)主模型技術:以主模型為中心通向設計、制造和生產管理等各個環節并為其提供服務。主模型具有統一的數據結構和分布式數據管理系統，它是一個可視化的數字產品模型，具有所代表的對象具有的各種性能和特征，并能并行地處理設計分析、加工制造、生產組織與調度等各種生產環節所面臨的諸多問題;(2)可視化技術:主要包括計算機可視化技術、虛擬現實技術、多媒體技術和仿真技術;(3)虛擬制造系統與實際制造系統之間的映射:虛擬設備、虛擬傳感器、虛擬單元、虛擬生產線、虛擬車間和虛擬工廠的建立，以及各種虛擬設備的重用性和重組性技術;(4)虛擬制造系統集成開發平臺的體系結構、構件庫及用戶開發環境;(5)虛擬環境下分布式并行處理的分布式智能協同求解模型;(6)虛擬公司的組織、調度及控制策略與技術。

3 利用現有的虛擬制造的研究成果，開發教學用的虛擬數控車間。

虛擬數控車間就是利用虛擬現實技術創建出一個可視化的車間環境，虛擬數控車間包含技術室、調度室、資料室、工藝室、毛坯室、仿真機床、刀具室等組成（圖一）。其中每一個可視化的物體代表一種操作對象。通過鼠標的點擊以及拖曳操作，用戶可以進行虛擬加工，了解關于機械制造中的相關技術。虛擬數控車間實現的基礎是虛擬現實技術和數控仿真加工軟件、自動編程技術、多媒體計算機技術。無論是學生還是教師，都可以自由地、無顧慮地隨時進入虛擬數控車間，進行各種數控設備的操作，同時還可以突破地域的限制，拓展至任一地域進行。

虛擬數控車間最大的優點是成本低，效率高。因為"軟件即為車間"，這樣就可解決因實驗經費不足或高檔次、高價位設備缺乏所不能購買的設備，同時也不會造成因使用不當、管理不善等因素造成的設備損壞丟失等現象。同時在虛擬數控車間操作可以保護環境，防止污染。

4 結論

通過對建成的虛擬數控車間的應用，提高教學質量，提高了學生的動手能力，改變了學生進行數控設備操作的環境，提高了學習效率，在教學應用中受到了教師和學生的好評。同時將虛擬仿真技術應用于教學實踐，是職業教育提高教學質量，降低教學成本的一個有效途徑。以后還應當吸收國外的成熟經驗，在研究中大膽創新，注重企業實際，使虛擬制造技術能在教學中更加廣泛的應用起來。

[1]張申生：擬實制造與現代仿真技術，系統仿真學報，1995,7（3）18～22

[2]馮曉江譯，虛擬制造綜述，現代科技譯叢，1998,1 7～8

[3]王宏典、張友良，虛擬制造技術及其應用，1998,17（3）477～479