虛擬制造在服裝生產系統(tǒng)上的應用

張?zhí)K寧，馬大力

(天津工業(yè)大學 紡織科學與工程學院,天津 300387)

隨著計算機、自動化及網絡技術在制造系統(tǒng)中的應用,產品制造過程中的信息化投入,已成為決定效益的主要因素[1]。虛擬制造是信息化的一個重要標志, 其本質是對實際制造進行抽象、分析、綜合后得到產品全數字化模型來指導制造實踐[2],是建模與仿真技術對制造業(yè)的全方位改造,使制造技術發(fā)展到基于信息知識的全方位預報新階段[3-4]。目前,國內外對虛擬制造技術的研究主要集中在對工藝中某一流程與形變進行仿真、工藝知識庫開發(fā)[5-6]，其次應用在不同企業(yè)制造中的設計、控制與生產三方面[7],多為汽車、航空企業(yè)的裝配過程模擬[8]。在服裝上目前的研究都是從制造策略宏觀角度出發(fā),分析虛擬制造技術概念及其應用前景。虛擬制造技術應用在服裝生產系統(tǒng)上的具體方法正處于研究探索階段,理論基礎和體系尚未形成。

當下傳統(tǒng)服裝制造業(yè)要想與現代信息產業(yè)聯(lián)合進行信息化升級,虛擬制造技術就是交匯點。服裝生產系統(tǒng)通過增加仿真模擬功能,為生產流程的各環(huán)節(jié)提供了支持與預判機制,從而縮短服裝新產品的開發(fā)周期、改善傳統(tǒng)生產效率、增強企業(yè)的實力,最終帶動服裝生產領域數字信息化改造。本文基于虛擬制造相關技術,采用IWATA架構,對涉及服裝生產全流程的虛擬系統(tǒng)構建進行分析和研究,建立了系統(tǒng)體系結構與數據模型,健全了服裝虛擬生產系統(tǒng)構造理論,對虛擬制造技術與服裝生產制造的結合與發(fā)展具有一定參考意義。

1 虛擬制造技術建設生產系統(tǒng)需求

1.1 工廠全部活動集成

利用虛擬制造技術建立的服裝生產系統(tǒng)應該提供一個服裝廠車間的公共數據庫,其中存有工廠從設計到關閉的整生命周期中各種活動數據。其中工廠生命周期包括：工廠規(guī)劃與建設,工廠服役運行,工廠退役。產品生命周期包括：產品設計、工藝設計、物料配套、生產制造、產品試驗[9]。

全生命周期活動的集成是基于虛擬制造和真實制造的連續(xù)性與虛擬生產系統(tǒng)活動時間的正向或反向流動性。

1.2 硬件、軟件、標準及人員信息的集成

在服裝虛擬生產系統(tǒng)中,仿真的輸入數據由其他軟件和數據庫提供,虛擬制造系統(tǒng)只起了橋梁的作用,是信息互通的公有平臺,因此需要為各種信息資源提供語義水平的端口集成,服裝生產制造資源集成如圖1所示。

圖1 服裝生產制造資源集成

1.3 現實資源與虛擬資源的集成

虛擬世界與現實世界各自的信息資源是同源的,可以通過多種方式連接2種系統(tǒng),實現虛擬制造系統(tǒng)與真實制造系統(tǒng)間的信息交換。

在服裝設計及生產時,可以將虛擬設備與真實存在的設備結合起來,接受車間的數據,并對其進行翻譯解釋,隨時展現車間的實時狀態(tài)并向操作者和管理人員提供車間的集成映像,作為對已有真實制造設備的信息補充。虛擬制造技術利用集成功能與生產系統(tǒng)掛接,使制造和信息技術相互溝通。

2 服裝虛擬生產系統(tǒng)結構

2.1 結構功能等價性

控制機制與響應機制在服裝虛擬生產系統(tǒng)與真實生產系統(tǒng)間是功能同一的。服裝虛擬生產系統(tǒng)應具有語義統(tǒng)一性、數據準確性和響應迅速性。但這3個屬性通常是彼此制約的關系:因為數據越準確,虛擬系統(tǒng)才能與真實系統(tǒng)更吻合，以達到準確地指導現實生產的目的,所以需要數據精度不斷提高,進而對系統(tǒng)的仿真要求就更加嚴格,但越高精度的語義表達才能讓系統(tǒng)仿真運作越行之有效,這些無疑又增加了系統(tǒng)的響應時間。

在特定環(huán)境中想要達到準確與效率的平衡需要一個合適的接洽點。

2.2 結構類似性

當使用對象和開發(fā)人員對系統(tǒng)進行定義、修改或操作時,虛擬系統(tǒng)的結構與真實系統(tǒng)相似則會為操作過程帶來便利。但同時虛擬系統(tǒng)又是真實系統(tǒng)的抽象概括,用以簡化系統(tǒng)的結構,使系統(tǒng)具有較大的應用空間,因此系統(tǒng)具有與實際環(huán)境的無關性。

2.3 結構重用性與自由度

服裝虛擬生產系統(tǒng)并不是單一的應用系統(tǒng),而是為開發(fā)集成綜合應用提供的平臺,應該和服裝CAD、CAM、虛擬仿真、虛擬現實、信息網絡、人工智能等服裝生產先進技術進行數據逐步擴展互通,同時系統(tǒng)軟硬件也具有很高的拆組自由度。因此服裝虛擬生產結構模塊和系統(tǒng)內模型應具有高重用性與可編輯性,以提高系統(tǒng)的自由度和生產柔性。

2.4 動態(tài)工作開發(fā)協(xié)同性

服裝虛擬生產系統(tǒng)常常要處理大量的實體仿真,使用不同網址上的大量數據、知識和資源信息。因此在分布式環(huán)境下進行虛擬并行運作,已成為虛擬生產系統(tǒng)的必備條件。

虛擬生產系統(tǒng)用于不同工作地的體系結構各不相同,虛擬服裝生產系統(tǒng)要想達到全流程活動集成目的,包括設計、縫制加工、整燙、車間調度、成品檢驗等環(huán)節(jié)的并行運作,則必須有一個合理的體系結構。結構需符合服裝生產離散分布特性下的協(xié)同工作方式,體現制造活動中的資源與活動的層次化傳遞過程和“即插即用”的開放式端口。

2.5 體系結構模型

基于虛擬制造技術的服裝生產系統(tǒng)需要各種信息與活動的集成,因此在服裝虛擬生產系統(tǒng)中,服裝制造車間現場制造設備、虛擬制造系統(tǒng)縱向各系統(tǒng)層級與現實設備使用者采用IWATA[10]結構進行集成。IWATA體系比較全面地分析了一個企業(yè)或車間內的制造活動和數據模型,其集成性較強[11],可以集成多種內部及外部系統(tǒng),IWATA體系結構模型如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)IWATA體系結構模型

系統(tǒng)由時間控制器實現同步,VIS(虛擬信息系統(tǒng))和VPS(虛擬物理系統(tǒng))通過通信端口進行通信活動。系統(tǒng)通過瀏覽器和虛擬現實設備向用戶提供輸入、輸出接口。VPS里的服裝產品模型是生產過程中成品和階段性半成品模型,工廠模型是生產活動中的階段性生產資源與設備層次模型[12],服裝產品模型與工廠模型相互作用組合成生產過程模型。

3 服裝虛擬生產系統(tǒng)數據庫技術

3.1 建立數據庫

數據庫是“按照數據結構來組織、存儲和管理數據的倉庫”[13]。服裝虛擬生產數據庫主要錄入服裝的加工工藝,對服裝的工藝結構進行分類定義,分為款式類、資源類和工藝類。款式類錄入衣片、輔料、衣身的數據等服裝自身屬性信息；資源類錄入生產設備、作業(yè)人員、作業(yè)車間、作業(yè)調度等加工特定款式服裝的制造資源數據；工藝類錄入工藝步驟、問題反饋、產品檢驗等具體加工方法和產品質量控制的數據。數據庫應根據服裝企業(yè)實際需求與生產標準,對服裝數據結構模板按照一定標準進行結構定義。款式定義服裝產品自有屬性,資源定義服裝企業(yè)現有資源數種和資源結構,工藝定義特定款式類所屬工藝規(guī)程的操縱對象。

在服裝虛擬生產數據庫中導入多種類3D模型有助于快速進行流水線的虛擬仿真。

3.2 數據庫的錄入

數據的錄入方式是通過信息資源模型或數據庫表[14]通過腳本程序寫入。款式類信息通過PLM(產品生命周期軟件)的數據信息導入信息建模軟件,進而通過對應接口利用腳本程序寫入數據庫對應模塊中；資源和工藝數據按照規(guī)定標準構建服裝資源工藝信息模板,通過腳本程序寫入數據庫中。服裝工藝資源模板可作為開發(fā)新產品的開放式原型,基于原型進行二次設計可以更加高效地開發(fā)新的服裝產品,同時新產品的數據符合原有規(guī)則，即可快速地寫入數據庫中。

4 服裝虛擬生產系統(tǒng)模型

4.1 IWATA建模仿真結構

建立模型進行虛擬仿真是實現服裝虛擬生產的關鍵,除了要對產品開發(fā)制造過程進行建模與仿真外,還要根據產品的變化對生產系統(tǒng)的重組和運行進行仿真[15]。系統(tǒng)主要對服裝產品、過程和設備資源3部分進行建模。

生產設備的建模與仿真問題屬多物理域的建模與仿真[16]。服裝生產設備模型準備,根據真實設備的規(guī)格和參數建立設備模型庫。面向對象建模方法是定義高度模塊化生產模型最有效的方法。設備模型定義中還要用到仿真服務模塊,用以定義設備行為；服務開發(fā)模塊定義設備模型間的相互作用以及仿真過程的基本功能。其對于有效地開發(fā)虛擬系統(tǒng)是十分重要的；虛擬車間運用三維建模軟件對車間設備、物料等生產要素進行三維建模,采用虛擬現實引擎進行虛擬車間的渲染與交互動作建模,最后運用數據交互技術實現虛擬場景與生產現場的實時同步[17],可以用設備庫和服務開發(fā)模塊進行定義,首先用設備模型庫中的對象類定義創(chuàng)建車間對象模型,并制定對象的位置,然后與響應的仿真服務建立關聯(lián)；操作定義模塊用以確定車間資源的流水線調度規(guī)劃,并產生響應控制命令和控制程序；產品模型模塊可提供產品數據；虛擬車間仿真功能模塊執(zhí)行服裝流水線仿真任務,其是上述設備模型、仿真服務模型、操作程序和服裝產品信息的集成。仿真模塊是虛擬制造系統(tǒng)與用戶連接系統(tǒng)及真實設備的接口,用以進行生產過程柔性仿真,服裝虛擬生產系統(tǒng)建模與仿真結構模型見圖3。

圖3 IWATA建模與仿真體系結構

4.2 系統(tǒng)模型建立層級

在服裝生產中,每種款式都具有其各自的工序,各自的制造單元(流水線)編排。對服裝虛擬生產系統(tǒng)中不同款式服裝的全部信息進行逐級拆解,找到有基礎屬性的信息模型,利用信息模型構成一級知識單元,由基礎模型逐級成立建模層級結構。

服裝虛擬生產系統(tǒng)模型可以分為3層：基礎結構模型、過程模型和生產環(huán)境模型。基礎模型構造用以描述制造過程及服裝的基礎模型構造方法,代表生產線中的物理實體,包括裁片模型、服裝部件模型和生產設備模型。

過程模型是活動關系的集合,服裝生產制造過程是由各種活動描述的,活動模型代表人及真實系統(tǒng)的活動,這些活動模型有逐級分解,逐步求精的特點,單元活動模型為構建制造單元模型(生產線)提供基礎。

環(huán)境模型是配置和控制的組合,虛擬車間的設備布局由設備配置模型組成,其中具體進行的工序調度與作業(yè)過程由行為控制模型決定。虛擬環(huán)境模型采用層次樹結構搭建,利用包圍體層次樹算法進行組織[18],以虛擬工廠和車間包括墻壁地板等環(huán)境為基底,其他設備均為層次樹上的支節(jié)點。環(huán)境模型具有重構性,基于已定標準的定量評價,可以對布局模型進行優(yōu)化重組以達到合理布局的目的。

虛擬制造過程模型通過基礎模型構建各種生產環(huán)境活動模塊,實現制造活動的柔性化,柔性生產是服裝制造業(yè)創(chuàng)新轉型的必要方向[19]。服裝虛擬生產系統(tǒng)建模層次結構見圖4。

圖4 服裝虛擬生產系統(tǒng)建模層級結構

4.3 面向對象的服裝信息建模

面向對象的產品建模是目前虛擬制造系統(tǒng)中主要采用的建模方法，其中服裝信息模型用來進行半成品及成品服裝的描述。服裝信息建模就是要確定服裝的定義和表達方式,是進行虛擬制造建模的前提[20]。

4.3.1 產品類關聯(lián)模型

采用面向對象技術建立以服裝產品為中心的類關聯(lián)模型從而建立服裝信息間的邏輯關系,這是構成產品信息模型的基礎,產品類關聯(lián)模型見圖5。

圖5 產品類關聯(lián)模型

產品類關聯(lián)模型包括裁片類、部件類和成衣類依次組成遞階式的整體與部分類多對一的關聯(lián)關系；工藝規(guī)程類和工序類組成一對多的整體與部分類的關系；工序類中的設備類通過“使用”與工序組成實例連接關系；零件類和工藝規(guī)程類,特征類之間由“具有”組成實例關系。

4.3.2 產品信息模型

產品類和部件類的屬性主要是靜態(tài)屬性。零件類是部件類的子類,作為貫穿生命周期全過程的信息數據模型,其不僅包括靜態(tài)信息,還包括動態(tài)信息。靜態(tài)信息可以用管理信息、款式信息、結構信息、面料信息、工藝信息5類進行分析和推理,進而得出服裝加工工藝方案。零件類的動態(tài)信息應包括制造過程中的半成品形狀,IWATA體系中的狀態(tài)建模子系統(tǒng)用思維對象描述加工過程中的裁片屬性,包括：三維實體模型、時間2組屬性值,服裝產品信息模型見圖6。

圖6 產品信息模型

5 系統(tǒng)的仿真方法

服裝生產虛擬系統(tǒng)可以利用3DMAX作為建模工具,建立系統(tǒng)所需模型,選用DirectX作為圖形庫進行服裝虛擬生產系統(tǒng)加工環(huán)境建模,進一步輸出得到模型的VRML格式文件,以VC為開發(fā)工具,利用不同模型導入FlexSim(數字虛擬仿真系統(tǒng))實現系列生產單元的快速仿真。

6 結束語

虛擬制造技術在服裝生產系統(tǒng)上的應用是一個多學科交叉應用的過程,是一種全部生產信息的數字化集成手段,具有從服裝設計到制造全過程的可視化、交互式仿真環(huán)境,是建模與仿真技術對服裝制造業(yè)的全方位改造。本文研究了系統(tǒng)的功能需求,建立了虛擬生產系統(tǒng)體系結構與建模仿真體系結構,設計了服裝產品信息模型,提出一套虛擬產品、設備與環(huán)境的建模方法和生產線仿真方式,同時研究了系統(tǒng)數據庫技術,對服裝虛擬生產系統(tǒng)整體搭建的關鍵技術進行分析,為服裝虛擬制造的發(fā)展提供了參考模式。