在當(dāng)今經(jīng)濟(jì)全球化、貿(mào)易自由化和社會信息化的趨勢發(fā)展下，制造業(yè)正面臨十分嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，必須要透過不斷地提高生產(chǎn)效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，提供優(yōu)良服務(wù)，才能在市場中占有一席之地。

    隨著科技發(fā)展，各種信息科技也正不斷地融合到制造流程之中，在計(jì)算機(jī)整合制造（Computer Integrated Manufacturing System；CIMS）及同步工程（Concurrent Engineering；CE）的基礎(chǔ)上，如今已又出現(xiàn)了虛擬制造，透過虛擬真實(shí)技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)和周邊設(shè)備，生成與真實(shí)環(huán)境幾乎一致的3D虛擬環(huán)境，讓用戶可以從不同的角度和視點(diǎn)來觀看，并透過輔助設(shè)備與虛擬環(huán)境中的物體進(jìn)行交互關(guān)聯(lián)，模擬完成制造過程。

圖1 3D虛擬環(huán)境

    虛擬制造的最大優(yōu)點(diǎn)，就是可以在產(chǎn)品在實(shí)際生產(chǎn)前，可以讓使用者事先針對產(chǎn)品和制造相關(guān)方面的潛在問題，進(jìn)行分析和預(yù)測，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢測及企業(yè)各級的管理控制等，以加強(qiáng)制造過程中的決策和控制能力。

縮短工期的PLM解決方案

    虛擬制造除了需要計(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）等技術(shù)外，為了能夠讓產(chǎn)品制作過程，從規(guī)劃到執(zhí)行所涉及的各種復(fù)雜而相互聯(lián)絡(luò)的活動，都能夠加以管理，透過產(chǎn)品生命周期管理（Product Lifecycle Management；PLM）縮短工作周期，改善協(xié)同并促進(jìn)整個制造過程的知識和資源使用，更是虛擬制造用來支援及簡化制造活動，提升制造質(zhì)量及效率的重要武器。

    在PLM環(huán)境下，來自CAD的大量產(chǎn)品信息，包括描述零部件幾何形狀的數(shù)模和圖紙、記載技術(shù)條件和標(biāo)準(zhǔn)的文字檔案、相關(guān)的動畫或影視檔案等，都可整合在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹中，并透過物料清單（BOM）信息與制造過程清單（BOP）之間的關(guān)聯(lián)，確保在正確的工作環(huán)境中，使用正確的產(chǎn)品配置。

    目前與虛擬制造有關(guān)PLM解決方案，如發(fā)源于航空制造企業(yè)的Siemens PLM，已是全球虛擬制造領(lǐng)域公認(rèn)的領(lǐng)導(dǎo)廠商，所推出的Tecnomatix虛擬制造解決方案，可透過改進(jìn)產(chǎn)品的制造過程，讓企業(yè)可以快速應(yīng)對產(chǎn)品設(shè)計(jì)變化，有助于共享產(chǎn)品制造過程及生產(chǎn)設(shè)計(jì)最佳經(jīng)驗(yàn)，并可在使用實(shí)際資源的決策前，以數(shù)據(jù)方式展示應(yīng)用效果，確保實(shí)際工作過程達(dá)到預(yù)期的商業(yè)成果。

    Dassault Systems的PLM虛擬制造解決方案DELMIA，可以幫助制造部門用設(shè)計(jì)出產(chǎn)品的全部生產(chǎn)流程，并在部署任何實(shí)際材料和機(jī)器之前進(jìn)行虛擬展示。DELMIA將制造過程分為三個不同的領(lǐng)域，首先是工藝規(guī)劃，包括布局規(guī)劃、時間安排、工藝與資源規(guī)劃、產(chǎn)品評估和成本分析；其次是工藝細(xì)化與驗(yàn)證，包括制造與維護(hù)、焊點(diǎn)布局、裝配序列、制造車間與單元布局、加工操作和勞動力配置與互動；最后是資源建模與模擬，包括工廠流程模擬、機(jī)器人工作單元的配置與離線程序設(shè)計(jì)、數(shù)控加工、虛擬現(xiàn)實(shí)場景和人機(jī)工程分析。

有助改善產(chǎn)品可裝配性的虛擬裝配

    另一個與虛擬制造關(guān)系密切的技術(shù)，則是虛擬裝配技術(shù)。在交互式虛擬裝配環(huán)境中，使用者可以使用各類交互設(shè)備，包括資料手套、位置跟蹤器、鼠標(biāo)、鍵盤、力反饋操作設(shè)備等，像在真實(shí)環(huán)境中一樣對產(chǎn)品的零組件進(jìn)行裝配操作。

    在虛擬裝配的操作過程中，系統(tǒng)會提供實(shí)時的碰撞檢測、裝配約束處理、裝配路徑與序列處理等功能，進(jìn)而讓使用者能夠?qū)Ξa(chǎn)品的可裝配性進(jìn)行分析、對產(chǎn)品零組件裝配序列進(jìn)行驗(yàn)證和規(guī)劃。在裝配（或拆卸）結(jié)束后，系統(tǒng)還會記錄裝配過程的所有信息，并生成評估報(bào)告、影片記錄等供分析參考，或是用來培訓(xùn)裝配操作人員。善用虛擬裝配，可以驗(yàn)證裝配設(shè)計(jì)和操作的正確與否，及早發(fā)現(xiàn)裝配中的問題，對模型進(jìn)行修改，堪稱是虛擬制造技術(shù)的關(guān)鍵部分。

    目前針對虛擬裝配的研究可以分為三類。首先是以產(chǎn)品設(shè)計(jì)為中心的虛擬裝配，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，為了有效協(xié)助制訂與裝配有關(guān)的設(shè)計(jì)決策，于是在虛擬環(huán)境下，針對對計(jì)算機(jī)資料模型進(jìn)行裝配關(guān)系分析，其中結(jié)合了裝配設(shè)計(jì)（Design For Assembly；DFA）的理論和方法，基本任務(wù)就是從設(shè)計(jì)原理方案出發(fā)，然后在各種因素制約下，尋求裝配結(jié)構(gòu)的最佳解決方案，由此擬定裝配草圖，以全面改善產(chǎn)品的可裝配性，如透過類比試裝和定量分析，找出零組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不適合裝配或裝配性能不好的結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)行設(shè)計(jì)修改。

    其次是以工藝規(guī)劃為中心的虛擬裝配，是以產(chǎn)品信息模型和裝配資源模型為基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)模擬和虛擬實(shí)境技術(shù)，進(jìn)行產(chǎn)品的裝配工藝設(shè)計(jì)。由于以工藝規(guī)劃為中心的虛擬裝配，以操作模擬的高逼真度為特色，包括虛擬裝配實(shí)施對象、操作過程以及所用的工具，均與生產(chǎn)實(shí)際情況高度吻合，因而可以生動直觀地反映產(chǎn)品裝配的真實(shí)過程，使模擬結(jié)果具有高可信度，進(jìn)而獲得可行且較優(yōu)的裝配工藝方案后，再用來指導(dǎo)實(shí)際裝配生產(chǎn)。

    根據(jù)涉及范圍和層次的不同，又可分為系統(tǒng)級裝配規(guī)劃和作業(yè)級裝配規(guī)劃。前者是裝配生產(chǎn)的總體規(guī)劃，包括市場需求、投資狀況、生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)周期、資源配置、裝配車間布置、裝配生產(chǎn)線平衡等內(nèi)容；后者則是以裝配作業(yè)與過程規(guī)劃為主，包括裝配順序的規(guī)劃、裝配路徑的規(guī)劃、工藝路線的制定、操作空間的干涉驗(yàn)證、工藝文件生成等內(nèi)容為主。

    最后則是以虛擬原型為中心的虛擬裝配，是利用計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)設(shè)法實(shí)現(xiàn)一定程度的產(chǎn)品外形、功能和性能類比，以有效分析零件制造和裝配過程中的受力變形，對產(chǎn)品裝配性能的影響，為產(chǎn)品形狀精度分析、公差優(yōu)化設(shè)計(jì)，提供可視化的結(jié)果，包括切削力、變形和殘余應(yīng)力的零件制造過程建模、有限元分析與模擬、配合公差與零件變形等，以產(chǎn)生與真實(shí)機(jī)具有可比性的效果。

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本文標(biāo)題：PLM及虛擬裝配

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