虛擬制造在鑄造的應(yīng)用

虛擬制造簡(jiǎn)介
　　80年代以來(lái)，日趨激烈的全球化競(jìng)爭(zhēng)，迫使制造企業(yè)必須通過(guò)不斷地提高生產(chǎn)效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，提供優(yōu)良的服務(wù)，以期在市場(chǎng)中占有一席之地。
　　與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息處理技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展。這些條件就使得信息技術(shù)不斷地融合到傳統(tǒng)的制造業(yè)中，并對(duì)其進(jìn)行改造，這也是現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。進(jìn)入90年代后，先進(jìn)的制造技術(shù)向著更高的水平發(fā)展，在原有的計(jì)算機(jī)集成制造(CIMS即Computer Integrated Manufacturing System)和并行工程(CE即Concurrent Engineering)的基礎(chǔ)上，又出現(xiàn)了虛擬制造(VM即Virtual Manufacturing)、虛擬企業(yè)(VE即Virtual Enterprise)等概念。其中“虛擬制造”近年來(lái)不斷引起科技界和企業(yè)界的關(guān)注，成為競(jìng)相研究的熱點(diǎn)。
　　虛擬制造的基礎(chǔ)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。所謂的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備，生成與真實(shí)環(huán)境相一致的三維虛擬環(huán)境，允許用戶從不同的角度和視點(diǎn)來(lái)觀看這個(gè)環(huán)境，并且能夠通過(guò)輔助設(shè)備與環(huán)境中的物體進(jìn)行交互關(guān)聯(lián)。虛擬制造則是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上完成制造過(guò)程的技術(shù)。采用此技術(shù)，在實(shí)際的制造之前，可以對(duì)產(chǎn)品的功能和制造性、經(jīng)濟(jì)性等方面的潛在問(wèn)題進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、機(jī)械加工產(chǎn)品庫(kù)">加工制造、性能分析、質(zhì)量檢測(cè)及企業(yè)各級(jí)的管理控制等，增強(qiáng)制造過(guò)程中各級(jí)的決策和控制能力。
　　虛擬制造的特點(diǎn)
　　虛擬制造是集計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)和計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)(CAPP)于一體的技術(shù)，它是在計(jì)算機(jī)中完成制造過(guò)程的。正因?yàn)槿绱耍�虛擬制造具有下述主要特點(diǎn)。
　　虛擬制造的制造模型是一個(gè)計(jì)算機(jī)模型，完成這一制造過(guò)程的主要工作集中在模型的建立過(guò)程上，一旦這個(gè)模型建立完成，就可以不斷與之進(jìn)行交互，模擬各種情況的生產(chǎn)和制造過(guò)程。模型的可反復(fù)修改性是虛擬制造過(guò)程有別于實(shí)際制造過(guò)程的一個(gè)最主要的特點(diǎn)，也正是這一特點(diǎn)使得虛擬制造可以根據(jù)不同情況快速的更改設(shè)計(jì)、工藝和生產(chǎn)過(guò)程，從而大幅度壓縮新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高制造質(zhì)量，降低成本。
　　虛擬制造的另一個(gè)特點(diǎn)是它可以是分布式的，完成虛擬制造的人員和設(shè)備在空間上可以是相互分離的，不同地點(diǎn)的技術(shù)人員可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)協(xié)同完成同一個(gè)虛擬制造過(guò)程。
　　此外，虛擬制造還可以是一個(gè)并行的過(guò)程，產(chǎn)品設(shè)計(jì)、機(jī)械加工產(chǎn)品庫(kù)">加工過(guò)程和裝配過(guò)程的仿真可以同時(shí)進(jìn)行，大大加快了產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程，減少新產(chǎn)品的試制時(shí)間。
　　虛擬制造的應(yīng)用領(lǐng)域
　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在制造領(lǐng)域中的應(yīng)用主要有以下幾方面：
　　(1)虛擬原型和產(chǎn)品設(shè)計(jì)，即在計(jì)算機(jī)中設(shè)計(jì)虛擬的產(chǎn)品或零部件。
　　(2)生產(chǎn)過(guò)程仿真(優(yōu)化、調(diào)度)，即對(duì)車間或工段的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行仿真優(yōu)化。
　　(3)設(shè)備仿真，即對(duì)機(jī)器人等生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行離線仿真，動(dòng)態(tài)特性分析和模擬。
　　(4)物流仿真，即物流規(guī)劃，對(duì)AGV(自動(dòng)搬運(yùn)設(shè)備)進(jìn)行仿真。
　　(5)裝配過(guò)程仿真。
　　(6)復(fù)雜數(shù)據(jù)的可視化，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的可視化輸出。
　　(7)設(shè)備的遠(yuǎn)程操作，用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將空間上分散的設(shè)備結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行集成管理運(yùn)行，遙控制造。
　　(8)增強(qiáng)通訊效果。
　　(9)操作培訓(xùn)。
　　虛擬制造的層次
　　虛擬制造的根本目的就是利用計(jì)算機(jī)生產(chǎn)出虛擬產(chǎn)品。
　　實(shí)際的制造系統(tǒng)可以抽象成由物理系統(tǒng)、信息系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成的集合。物理系統(tǒng)包括制造中的所有資源，如材料、機(jī)床、機(jī)器人、夾具、控制器和操作工人等；信息系統(tǒng)包括信息的處理和決策，如生產(chǎn)的調(diào)度、計(jì)劃和設(shè)計(jì)等；控制系統(tǒng)的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的信息交換。
　　對(duì)應(yīng)于實(shí)際的制造系統(tǒng)，在虛擬制造系統(tǒng)中可以劃分出對(duì)應(yīng)的層次：虛擬物理系統(tǒng)、虛擬信息系統(tǒng)和虛擬控制系統(tǒng)。根據(jù)不同生產(chǎn)階段所面對(duì)的不同對(duì)象，可以將虛擬制造分為3類：以設(shè)計(jì)為核心的虛擬制造，以生產(chǎn)為核心的虛擬制造和以控制為核心的虛擬制造。以設(shè)計(jì)為核心的虛擬制造，其主要目標(biāo)是優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、優(yōu)選工藝和機(jī)械加工產(chǎn)品庫(kù)">加工方案；以生產(chǎn)為核心的虛擬制造，其主要目標(biāo)是優(yōu)化資源，對(duì)選擇工藝進(jìn)行評(píng)價(jià)和驗(yàn)證；以控制為核心的虛擬制造，其目標(biāo)為優(yōu)化車間控制的制造過(guò)程。
　　虛擬制造在鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用
　　鑄造生產(chǎn)中的虛擬制造技術(shù)可以稱為虛擬鑄造技術(shù)。目前虛擬鑄造技術(shù)主要應(yīng)用于鑄件設(shè)計(jì)、澆注充型或造型過(guò)程的數(shù)值模擬及結(jié)果的可視化和鑄造生產(chǎn)過(guò)程的仿真優(yōu)化3個(gè)領(lǐng)域。
　　1鑄件設(shè)計(jì)
　　美國(guó)威斯康星大學(xué)的I-CARVE實(shí)驗(yàn)室研制了一套虛擬鑄造平臺(tái)。該系統(tǒng)使用立體眼鏡來(lái)觀察三維圖象，用語(yǔ)言建立各種兒何模型，用數(shù)據(jù)手套來(lái)確定幾何體的尺寸和位置。目前，I-CARVE實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)利用這個(gè)系統(tǒng)成功地完成了注塑和壓鑄零件的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)的目標(biāo)是達(dá)到傳統(tǒng)CAD方法10～30倍的設(shè)計(jì)效率。