制造业中虚拟仿真技术的发展研究

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近年来 ，我国的生产制造业发展迅猛 ，但 由于部分技术由消化引进产生 ，部分技术 尚在不成熟 阶段 ，生产 中难免存在工艺欠佳而导致 的装 配干涉 ，产 品返工等问题 ，从而严重制约 了生产效率的进-步提高 。虚拟现实技术与虚拟仿真技术 的发 展 ，为生产制造问题带来了新的解决方案 。

伴随着信息 时代 的到来 ，3C(Computer、Commu-nication、Contro1)技术在制造 业不断被广泛 应用 ，传统的制造方式正在不断 的变革 ，工业界正在逐 渐发生深刻的变化。生产线建模 与仿真技术 的出现使得生产组织模式得 到了彻底 改变 。 。制造业 的竞争优势已经从大规模生产模式转 向以快速反应和灵活多变为基础的生产模式 。在快速多变的市场需求下 ，快速响应 ，迅速配置制造资源，规划产线布局 ，适应瞬息万 变 的市 场 需求 企 业 生 产 的必 然 发展 趋势 。当企业在生产设备 、加 工设备等制造 资源恒定的情况下，可以通过优化生产线调度，改变加工工艺顺序，重新进行生产线布局规划，极大程度地提高设备利用率，从而实现生产能力的提高。

本文总结 了制造业 中虚拟 仿真技 术 的发展情况，介绍了虚拟现实、虚拟制造及虚拟仿真等关键技术及应用于制造业 中所带来 的优势 ，并展望了制造业中虚拟仿真技术 的研究趋势及方向。

1 关键技术虚拟现实(Virtual Reality，简称 VR)技术与虚拟仿真(Virtual Simulation，简称 VS)技术的发展为生产制造过程 中出现 的上述 问题带 来 了崭 新 的解决 方收稿日期：2012-11-24；修回日期：2013-O1-11基金项目：十-五”国家科技支撑计划(2009BAG12A01-G01-3)作者简介：王伟(1985-)，男，天津人，中国汽车技术研究中心数据资源中心行业分析师，华中科技大学机械科学与工程学院硕士研究生，主要从事虚拟仿真制造及汽车行业分析等方面的研究，(E-mail)wilJiamwagHusT###gmail.eom；通讯作者：刘庆云(1985-)，女，天津人，华中科技大学机械科学与工程学院硕士研究生，主要研究方向为计算机交互设计技术，E-mail：liqigyun1985###126.eom。

· 2· 组合机床与 自动化加工技术 第 7期式 。用户通过虚拟现实技术可以由电脑屏幕进入-个三 维 (Three-dimensional，简 称 3D)的虚 拟 世界 j。虚拟现实 技术不 仅能够 提供 三维 可视化环境，而且可以对物体进行交互操作 ，从而能够综合质量与数量双层面因素提高解决策略的先进性。这是- 种崭新的进行概念描述及获取信息与知识的媒体。基于常识经验与事实依据 的可视化解决策略有利于快速化生产和批量化制造 。

虚拟制造(Virtual Manufacturing，简称 VM)集成了三维模型与虚拟仿真的制造活动，从而替代了实际世界中的物体与操作，是-种知识与计算机辅助系统技术 ，是虚拟现实技术在生产制造过程 中的-种应用技术 。虚拟制造技术可 以通过让人们了解仿真工具 ，明白仿真能力 ，辅助验证虚拟仿真的模型逻辑与实际世界 中的产品逻辑 ，从而取得人们 的信赖 。它的主要 目标是能够根据实际生产线及生产车间情况进行规模布局，进行短时间，少人力、物力及财力的设计验证。 。生产环境、制造设备 、定位工装、加工工具和工作人员等虚拟模型的建模为虚拟环境 的搭建 奠定 了坚实 的基矗通过虚 拟仿真 ，我们可 以及 时发 现生产 问题 ，及 时进行生 产优化 ，从而提高效率以及节约成本 的最终 目的 。

生产线规划设计是根据产品类型、生产纲领、工艺规程等特性选择加工设备、输送设备，并在充分考虑设备协调性 的前提下，结合车问场地 、空间结构及工艺约束对设 备进行合理配置，确保生产系统物流畅，设备得意充分利用的规划过程 。在此过程 中，系统仿真充当着进行动态试验 的理论与可视化系统建模 的作用 。

在计算机技术和仿真技术 的支持下 ，生产线的虚拟建模利用工艺数据、图形设计及多媒体技术拟合生产线实际生产状 况及 制造过程 ，在生产线设计初期进行实际产况模拟，从而输出仿真数据 ，对生产线设计起到指导与决策作用。 ，从而大幅度缩短生产线布局规划及生产工艺规划准备时间。这个系统试验的研 究过程，即为系统建模仿真 。它可以在虚拟环境 下进行 生产制 造并加 以验证 ，输出并统计仿真数据 ，评估车间产能及生产瓶颈，为企业进行生产组 织，资源配 置，设备 布局等提 出合理化 建议 ，提高实际生产系统实施 的可靠性 ，大大缩短从设计到生产的转化时间 。。 。

生产线系统生命周期撒于市场需求，并随着市场需求的变 化快速组建 与即时撤 销，在市场需求快速多变与不确定性的共同存在下，全新的、有效的组织与控制决策策略得以出现，用 以通过简单 的控制规则来实现复杂生产系统的动态重组与运行控制 ，并对新的生产系统进行评估 、验证与分析 。

然而 ，虚拟仿真仅是对问题直观描述的试验手段 ，仿真运行可以获得某特定条件下的实施方案，但其本身并不包含决策方法 ，不能给出方案实施的最优结论。

所以，在仿真过程中，需要嵌入-定的优化理论 ，从而使输出响应能够不断的进行改进 ，形成多种仿真优化结构 ，进而实现系统仿真的整体优化 。

2 发展现状制造业产 品竞争力 五要素 ：Time、Quality、Cost、Service及 Environment，简称 TQCSE，是衡量制造型企业生产力及核心竞争力的根本依据 。虚拟仿真技术恰巧以从以上五个层面对企业的竞争力进行显著提升。它是-门综合了三维建模、系统集成、优化设计、动态测试、信息管理、网络通信等多学科的综合技术。在建造生产车间前 ，从工艺规划、设备布局 、年度产能、配送路径等多角度、多需求出发 ，进行静态建模 、装配仿真和物流仿真，以便及时发现实际生产过程 中可能存在的问题，从而在实际生产前进行方案修正及设计优化，节约成本的同时，缩短了投产时间。

40多年来，我国在建模仿真技术的应用得到的快速发展 ，并已扩展到产品全生命周期 ：方案论证 、设计、制造、试验、使用、维护和训练 。许立等给出了利用关系数据库驱动三维仿真模型 的设计思想 和实现方法 ，将其应用于制造车间的布局的设计 和分析 ，并最终实现了-种开放式 ，可视化的制造车间布局设计系统，也为 旧车间的布局改造提供 了-种解决办法 。艾武等在虚拟制造的环境下，对虚拟车间的制造资源进行 了三维建模 ，并对这些 资源进行了研究分析，为实现基于多智能体的虚拟车 间敏捷调度提供了三维仿真的支撑环境 -立军等通过对装配型制造业生产制造系统结构特点及运行方式的研究，结合面向对象的设计方法和虚拟仿真技术 ，给出了面向生产制造过程的三维图形仿真建模机制及实 现 方 法 。马 健 萍 等 研 究 了基 于 Delmia/QUEST的数字化装配线仿真应用 ，通过生产装 配线虚拟规划仿真研究，为实际装配线的改造扩建和调整提供了有实际参考价值的仿真数据 。齐继阳等介绍了制造系统仿真模型的特性，阐述了制造系统仿真模型的设计方法 ，最后设计 了-个生产T段 的制造系统仿真模型 ，证明了在制造 系统设计过程 引入仿真模型是-种十分有效的方法 。何丽琴等对离散事件动态系统的仿真技术研究进展分为连续参数方法和离散参数方法进行了概括和总结 。刘勇等比较详细地探讨了离散事件系统仿真建模的核心--仿真流程管理、离散事件系统的三种仿真建模策略，即：事件调度法 、活动扫描法、进程交互法 ” 。

w.B.Lee等对虚拟制造 技术进行 了定义与描述后 ，通过-个典型生产车间的实例应用 ，证明了虚拟制造在企业生产过程 中可以减少投入成本及缩短规划时间 。Y.Zhong等提出了-种在虚拟现实环境 中，基于约束的、高效的、直观的、精确的实体建模方法，这种基于约束的层次结构数据模型不仅通过多层次的数据结构集成了 VR与 CAD技术 ，而