虛擬制造及其在鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用

    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、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。虛擬制造與實(shí)際制造系統(tǒng)的關(guān)系如圖1所示。

圖1 虛擬制造與實(shí)際制造系統(tǒng)的關(guān)系

    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�，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)、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(chē)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(lèi)：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(chē)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(chēng)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。

　　2 澆注充型或造型過(guò)程的數(shù)值模擬及結(jié)果的可視化

　　許多商品化的澆注過(guò)程模擬軟件，都具有利用二維圖像技術(shù)開(kāi)發(fā)的計(jì)算結(jié)果可視化模塊，使用戶可以更直觀的觀察模擬結(jié)果，分析鑄件的成形過(guò)程。

　　3 鑄造生產(chǎn)過(guò)程的仿真優(yōu)化

　　越來(lái)越多的公司和企業(yè)在作出重大投資決定之前都希望了解他們將購(gòu)買(mǎi)設(shè)備的詳細(xì)情況，傳統(tǒng)的可行性分析往往不足以回答在規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中有關(guān)生產(chǎn)率、生產(chǎn)周期、設(shè)備利用率以及物流等方面的問(wèn)題，這些對(duì)于鑄造廠來(lái)說(shuō)都是十分必要的。利用虛擬制造技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行仿真分析，恰恰可以幫助企業(yè)回答這些問(wèn)題。

　　德國(guó)的鑄造設(shè)備制造商Laempe公司利用離散事件仿真和機(jī)器人模擬技術(shù)為Waupaca鑄造公司的制芯生產(chǎn)線進(jìn)行了工程分析。工程技術(shù)人員首先對(duì)初步設(shè)計(jì)的布置圖進(jìn)行了盡可能真實(shí)的模擬，對(duì)沖突點(diǎn)和機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，向用戶展示整個(gè)生成線每個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)。每個(gè)部件的生成周期確定之后，在很早的階段就可以對(duì)生成線的生成率作出分析報(bào)告。對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行幾百操作工時(shí)的模擬，綜合考慮砂芯的破損率和設(shè)備部件的故障停機(jī)時(shí)間，確定各種布置方案每小時(shí)能生產(chǎn)砂芯的平均數(shù)量。在項(xiàng)目實(shí)施的最初階段就對(duì)各種可能的情況進(jìn)行分析和評(píng)估，成為項(xiàng)目投資分析的重要部分。高質(zhì)量的三維圖形充分演示了生產(chǎn)的實(shí)際情況，可以從任何角度進(jìn)行三維放大，這種模擬過(guò)程可以取代復(fù)雜的圖紙與流程圖，幫助用戶和設(shè)計(jì)人員理解和分析生產(chǎn)過(guò)程。

　　美國(guó)的 Foundry Service公司(FSC)為了將其熔化設(shè)備的熔化能力從每爐1350kg增加到2000kg，計(jì)劃增加一個(gè)大型澆包和相應(yīng)澆包運(yùn)輸設(shè)備，目的是減少鐵液輸送系統(tǒng)對(duì)熔化能力的制約。該公司利用Witness仿真軟件包建立了一個(gè)包括給料、預(yù)熱、熔化、出鐵液、鐵液的運(yùn)輸、澆注以及造型的完整工藝過(guò)程的仿真模型。這個(gè)模型還通過(guò)和AutoCAD接口獲取車(chē)間的布局信息，從而得到各種設(shè)備的位置和距離。這個(gè)模型的數(shù)據(jù)是建立在各種設(shè)備的生產(chǎn)報(bào)告、維修報(bào)告和生產(chǎn)計(jì)劃等數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果上的。但是，在得到的仿真分析結(jié)果中出現(xiàn)了與預(yù)期相反的結(jié)論。仿真分析表明，爐料的增加與快速的出鐵液周期相抵觸，在三次快速出鐵液之后，熔化爐就只能起到鐵液容器的作用，直到下一次或兩次出鐵液后才能繼續(xù)向熔化爐中填料，這就會(huì)導(dǎo)致在生產(chǎn)周期中有一段時(shí)間生產(chǎn)線得不到鐵液供應(yīng)。仿真分析表明，適當(dāng)?shù)臏p少爐料加入量并調(diào)整每次加爐料后取鐵液的量和次數(shù)，會(huì)加快鐵液供應(yīng)的周期，減少熔化工段對(duì)生產(chǎn)效率的制約。仿真分析鐵液出爐率結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，仿真分析過(guò)程中不斷調(diào)整鐵液的回爐量，當(dāng)回爐量下降到改造前的58.4％時(shí)，可以使造型線的生產(chǎn)率提高22.1％。按照仿真結(jié)果更改設(shè)備參數(shù)后的生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)支持了仿真結(jié)果。FSC公司成功地利用虛擬制造技術(shù)完成了生產(chǎn)系統(tǒng)的投資改造，并避免了不必要的熔化設(shè)備的投資。

 

圖2 仿真分析鐵液出爐率結(jié)果

　　美國(guó)的Grede Foundries公司在1996年5月計(jì)劃改造其制芯車(chē)間，以提高福特造型線的生產(chǎn)能力。該公司建立了制芯車(chē)間的仿真模型，通過(guò)仿真分析確定了制芯車(chē)間的最優(yōu)工人數(shù)量，并決定在制芯工部傳送帶的末端增加一臺(tái)殼型機(jī)，用來(lái)增加砂芯產(chǎn)量。這一虛擬仿真模型幫助Grede Foundries公司通過(guò)重新安排操作過(guò)程以及增加一臺(tái)制芯車(chē)間設(shè)備，在沒(méi)有增加一名工人的情況下提高了生產(chǎn)能力。采用虛擬生產(chǎn)分析所得到的方案，以最小的改動(dòng)和成本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)。

　　瑞典鑄造協(xié)會(huì)也為大型企業(yè)提供鑄造虛擬生產(chǎn)分析，完成了一系列生產(chǎn)仿真工作，比較典型的有：

　　(1)新建鑄鋁熔化線的虛擬生產(chǎn)分析。通過(guò)仿真分析使生產(chǎn)能力提高了24％，節(jié)省投資10，000英鎊。
　　(2)一個(gè)完整的鑄鋁廠從熔化到產(chǎn)品發(fā)送的虛擬生產(chǎn)分析。
　　(3)一個(gè)鑄鐵缸體生產(chǎn)線熔化工段的虛擬仿真。通過(guò)仿真分析，修改了原有的投資方案，增加了工人數(shù)量，節(jié)約了大量時(shí)間和投資。
　　(4)一個(gè)殼型造型工段的虛擬仿真。在投資分析的后期，技術(shù)人員將關(guān)注的焦點(diǎn)集中于機(jī)器人是否能同時(shí)處理造型機(jī)和傳送帶上的物料以及每班的砂型產(chǎn)量和造型機(jī)的設(shè)備利用率等問(wèn)題上。然而，仿真分析的結(jié)果卻表明，技術(shù)人員所擔(dān)心的問(wèn)題都不是制約生產(chǎn)效率的瓶頸，真正的瓶頸在于傳送帶的輸送能力。通過(guò)仿真分析，幫助技術(shù)人員找到解決問(wèn)題的關(guān)鍵，避免了盲目的投資和改造。

　　瑞典鑄造協(xié)會(huì)的4個(gè)虛擬仿真實(shí)例，都是在投資之前進(jìn)行的。由于投資期間的決策錯(cuò)誤可能會(huì)造成很大的損失，所以在投資前進(jìn)行必要的生產(chǎn)過(guò)程仿真，就顯得非常必要了。這4個(gè)實(shí)例都有效的幫助投資方節(jié)省了投資。

　　目前虛擬制造技術(shù)在鑄造領(lǐng)域中的應(yīng)用主要集中在生產(chǎn)過(guò)程的三維動(dòng)態(tài)仿真、工藝參數(shù)優(yōu)化和投資前的生產(chǎn)分析等方面，主要解決鑄造生產(chǎn)中的“如果怎樣(what if)”問(wèn)題。

　　結(jié)論

　　虛擬制造技術(shù)將會(huì)對(duì)制造業(yè)中日益自動(dòng)化、復(fù)雜化、大規(guī)�；�的制造系統(tǒng)進(jìn)行更為詳細(xì)的設(shè)計(jì)、仿真及評(píng)價(jià)，并能夠?qū)崿F(xiàn)在信息空間里對(duì)大規(guī)模、復(fù)雜快速變化的生產(chǎn)系統(tǒng)給予明確的“規(guī)定”、“推斷”和“預(yù)測(cè)”。

　　鑄造行業(yè)中虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用，目前主要集中于與鑄件成形相關(guān)的模擬仿真分析和鑄造生產(chǎn)過(guò)程的仿真優(yōu)化兩個(gè)方面。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真分析，可以對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的各種可能情況進(jìn)行虛擬運(yùn)行，分析現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)中制約生產(chǎn)率的瓶頸，預(yù)測(cè)新生產(chǎn)調(diào)度方案的可行性，可以幫助企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程，減少投資的盲目性。但是必須看到，在生產(chǎn)過(guò)程可視化仿真過(guò)程中，仿真模型的建立是一項(xiàng)很費(fèi)時(shí)間的工作，它需要有大量完備可靠的數(shù)據(jù)和高素質(zhì)的工程技術(shù)人員。此外，國(guó)內(nèi)的企業(yè)一般對(duì)虛擬制造技術(shù)的內(nèi)涵和意義尚缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，這些因素是制約虛擬制造技術(shù)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的不利因素。同時(shí)也應(yīng)當(dāng)看到，由于我國(guó)正面臨產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)改造的艱巨任務(wù)，利用虛擬制造技術(shù)可以有助于找到影響生產(chǎn)發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)，減少投資的盲目性，提高生產(chǎn)效率，使企業(yè)潛力能充分發(fā)揮。因此，虛擬制造技術(shù)在國(guó)內(nèi)鑄造行業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景，較高的應(yīng)用價(jià)值和較大潛力。