虚拟制造及其关键技术(下)

　　三、研究现状和关键技术 

　　虚拟制造是近几年来国际上提出的，完整的理论体系还没有形成，其研究处于探索阶段。虽然某些基础单元技术已有了较深入的研究，但即使在欧美日等工业发达国家，目前也主要是分析虚拟环境下基础单元技术的要求，对其进行理论上的研究。美国自然科学基金(NSF)、美国国家标准和技术研究所(NIST)和美国国防部高级研究计划署(ARPA)资助和支持下的几所大学和企业联合研究中心正在进行虚拟制造各个领域关键技术和系统开发方面的研究。日本东京大学和大阪大学的研究人员自1993年起也在CIRP上发表论文，论述虚拟环境下产品建模的需求及其关键技术、虚拟制造系统体系结构等 方面的研究成果。 

　　虚拟制造对于很多工业部门来说，仍处于酝酿阶段，对于大多数企业还仅仅只有单元技术，目前已真正在开始从事虚拟制造的企业有波音的777部等。 

　　我国在虚拟制造领域方面的研究基本上处于刚刚起步阶段。为适应制造技术今后的发展趋势，有必要对其进行深入研究，使我国的制造技术上一个新台阶，达到国际先进水平，并为我国制造业的发展提供一条新途径。其关键技术的研究分为以下4个层次：

　　1．虚拟制造哲理的研究 

　　虚拟制造哲理的研究为制造企业实现从精良制造向敏捷制造的转变提供指导思想。在信息集成的基础上，通过组织管理、技术、资源和人机集成实现产品开发过程的集成。在整个产品开发过程中，在基于虚拟现实、科学计算可视化、多媒体等技术的虚拟使用环境、虚拟性能测试环境以及虚拟制造环境等虚拟环境下，在各种人工智能技术和方法的支持下，通过集成地应用各种建模、仿真和分析技术和工具，实现集成的、并行的产品和过程开发以及对产品设计、制造过程以及生产规划、调度和管理的测试，利用分布式协同求解，以提高制造企业内各级决策和控制能力，使企业能够实现自我调节、自我完善、自我改造和自我发展，以达到提高整体的运作效能、实现全局最优决策和提高市场竞争力的目的。 

　　2．虚拟制造技术层 

　　虚拟制造技术的研究为虚拟制造的实施和虚拟制造系统的建立提供理论和技术上的支持。它由3大主体技术群(建模技术群、仿真技术群、控制技术群)和一个支撑技术群(为3大主体技术群的实施提供支持)组成。

　　(1)建模技术群建模技术群是指用来开发虚拟制造系统中各种模型的所有技术与方法。主要包括①产品、过程及生产系统建模技术：虚拟环境下的产品模型除了要表达产品的几何／拓扑、特征、产品所具有的功能和特性等信息外，还应具有动态结构，以反映在不同开发阶段产品结构、功能等方面的变化；此外，还应能够通过调度、管理、控制和决策机制 为设计分析、加工制造、生产规划与调度等各个环节提供信息，实现对其能够进行多用户(智能主体)并行演进。通过在虚拟环境下，产品设计／制造／生产过程集成化方面的研究，综合利用虚拟产品、制造过程以及生产系统等各种模型，对整个产品开发、制造和生产过程进行仿真；②虚拟公司建模技术；②虚拟制造环境与现实制造环境之间结构、功能等映射关系的管理、维护、监控和更新问题；④基于分布式并行处理环境下的虚拟制造开放式体系结构的研究；⑤面向整个产品生命周期综合经济模型和产品评价体系：为产品研制开发过程中的经营决策、生产决策、产品设计／制造过程决策以及效益和风险评价等各个方面的评价提供方法、规范和指标等。 

　　(2)仿真技术群仿真技术群是指运行和操作构成虚拟制造系统的各种模型的所有方法和技术。分布式交互仿真技术和虚拟现实技术在仿真中的应用是虚拟制造对仿真提出的新要求。 

　　(3)控制技术群控制技术群是指建模过程、仿真过程所用到的各种管理、组织与控制技术与方法。①模型部件的组织、调度策略及交换技术；②仿真过程的工作流程与信息流程控制；②虚拟制造方法论；④概念设计与制造方法、加工过程、成本估计集成技术；⑤集成动态的、分布式的、协作模型的集成技术；⑥实现最佳设计的冲突求解技术；⑦基于仿真的推理技术；⑧模型及仿真结果的验证、确认技术；⑨虚拟制造环境下，产品开发过程中的调度与控制机制的研究，以及面向产品开发过程的组织与管理等问题的研究等。

　　(4)支撑技术群支撑技术群是指支持虚拟制造系统开发、控制与运行的基础性技术。主要包括：①数据库技术；②人工智能在制造企业各级组织、产品生命周期的各个阶段决策中应用的研究；②系统集成技术；④虚拟环境下分布式并行处理多智能主体协同求解技术与系统的研究，以及全局最优决策理论和技术的研究；⑤综合可视化技术(虚拟现实技 术、科学可视化技术、计算机仿真和多媒体技术)在虚拟制造环境构造中的应用；⑥计算机软硬件技术以及通讯技术等。 

　　3.虚拟制造原型系统层 

　　在虚拟制造哲理和技术研究的基础上，虚拟制造原型系统的研究和开发可以从以下3个方面进行。 

　　（1）从产品整个生命周期的各个阶段出发，建立面向经营决策、产品决策、设计、制造，一直到产品的回收和再利用等各个阶段或整个生命周期的原型系统。 

　　（2）从制造企业的各个组成要素出发，面向技术、组织、管理、人员等各方面建立原型系统。 

　　（3）根据原型系统规模的不同，可划分为单元级、过程级、企业级和虚拟公司级4种规模。 

　　4.虚拟制造集成开发平台层

　　在理论研究和虚拟制造原型系统的开发的基础上，从集成开发平台的要求出发，对虚拟制造的通用功能、模块以及子系统等方面进行归纳整理，构造虚拟制造集成开发平台，以适应灵活方便地建立针对不同产品和制造环境的虚拟制造系统的需求。订研究内容如下： 

　　（1）虚拟制造集成开发平台体系结构的研究； 

　　（2）构件库管理系统及构件集的建立； 

　　（3）构件重用技术的研究； 

　　（4）自适应开发界面的研究。

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