虛擬制造技術(shù)在農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計制造中的應(yīng)用

   引言
   
    在農(nóng)機(jī)設(shè)計與制造方面，由于農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計生產(chǎn)的特點，在開發(fā)研制過程中，用計算機(jī)繪制的很多新產(chǎn)品和部件必須制造后才能了解產(chǎn)品的性能。當(dāng)性能不滿足要求時，需要重新修改產(chǎn)品的設(shè)計，這會導(dǎo)致產(chǎn)品的設(shè)計周期長、費時費力.很難適應(yīng)卻能夠?qū)崿F(xiàn)實際制造的本質(zhì)過程。由于它發(fā)展了過程仿真技術(shù)并與擬實環(huán)境相結(jié)合，使開發(fā)人員能夠通過視覺和感覺來感知擬實環(huán)境中的產(chǎn)品運行情況，并可進(jìn)行交互作用。它可以通過計算機(jī)虛擬模型來模擬和預(yù)估農(nóng)機(jī)產(chǎn)品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的問題，可在產(chǎn)品投產(chǎn)之前進(jìn)行綜合的評價，使人們感受到未來產(chǎn)品的相關(guān)性能及可行性，從而提前做出決策和優(yōu)化實施方案，提高人們的預(yù)測和決策水平。
   
    1虛擬制造技術(shù)內(nèi)涵
   
    1.1 虛擬制造的定義
   
    虛擬制造，又稱擬實制造，是實際制造過程在計算機(jī)上的本質(zhì)實現(xiàn)。其采用計算機(jī)仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在計算機(jī)上實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)、制造，以及管理與控制等制造的本質(zhì)過程，以增強(qiáng)制造過程中各級的決策與控制能力。虛擬制造技術(shù)不是對已有各單項技術(shù)的簡單組合，而是對制造知識進(jìn)行系統(tǒng)化組織，對工程對象和制造活動進(jìn)行全面建模，在相關(guān)理論和已積累知識的基礎(chǔ)上實現(xiàn)集成。在建立真實制造系統(tǒng)前，利用信息技術(shù)、仿真技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)對現(xiàn)實制造活動中的人、物、信息及制造過程進(jìn)行全面的仿真，繼而尋找出實際制造中可能出現(xiàn)的問題，在產(chǎn)品實際生產(chǎn)前就可采取相應(yīng)的頂防措施，從而達(dá)到產(chǎn)品制造的一次性成功。
   
    1.2虛擬制造與虛擬現(xiàn)實
   
    虛擬現(xiàn)實技術(shù)是虛擬制造理念與技術(shù)的主要支撐技術(shù)之一，是具有巨大潛力和美妙前景的新技術(shù)。虛擬制造技術(shù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一個具體應(yīng)用。它是利用計算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，通過多種傳感設(shè)備使用戶"投人"到該環(huán)境中，實現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進(jìn)行自然交互的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實就是對真實世界的一種模擬和再現(xiàn)。在技術(shù)上，它是指綜合利用計算機(jī)圖形系統(tǒng)和各種顯示和控制等接口設(shè)備，在計算機(jī)上生成可交互的三維環(huán)境，同時向操作者提供"沉浸"感覺。操作者感覺他自己的視點或身體的某一部分處在計算機(jī)生成的虛擬空間之中。但從本質(zhì)上說它仍然是單項仿真技術(shù)，對虛擬制造所提供的支持也僅僅是在局部環(huán)節(jié)，沒有反映虛擬制造是對信息、技術(shù)、智能、資源、過程、串并行工作機(jī)制以及人一機(jī)全面集成這樣一個內(nèi)涵。
   
    1.3虛擬制造與實際制造的關(guān)系
   
    虛擬制造是實際制造過程在計算機(jī)上的映射，是采用計算機(jī)仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在高性能計算機(jī)及其高速網(wǎng)絡(luò)的支持下的協(xié)同工作。在實際制造系統(tǒng)中，物質(zhì)流、信息流在一定的控制機(jī)制下，生產(chǎn)出適銷對路的產(chǎn)品.然后通過對實際制造系統(tǒng)進(jìn)行抽象、分析、綜合，得到實際產(chǎn)品的全數(shù)字化模型;虛擬制造的最終目標(biāo)是反作用于實際制造過程，用來指導(dǎo)生產(chǎn)實踐。因此，虛擬制造是實際制造的抽象，實際制造是虛擬制造的實例。
   
    實際制造過程流程圖，如圖1所示。在實際制造過程中，產(chǎn)品的制造要通過設(shè)計、試制、評價、再設(shè)計、再試制、再評價過程來確定制造方案，同時也要到實際制造中去驗證。經(jīng)過反復(fù)的實際試制、制造進(jìn)行積累經(jīng)驗，最終確定產(chǎn)品的制造方案。圖2所示為虛擬制造流程圖。由圖2可以看出，虛擬制造過程只需在計算機(jī)上仿真實際設(shè)計制造過程，在各個工序都可以進(jìn)行系統(tǒng)的評價，繼而反饋有用數(shù)據(jù)信息指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計優(yōu)化、加工優(yōu)化、裝配優(yōu)化，從而節(jié)約了大量的實際物質(zhì)流通過程。
   

    2虛擬制造技術(shù)的發(fā)展概況
   
    虛擬制造是1993年出現(xiàn)的，經(jīng)過10年多的發(fā)展，無論在基礎(chǔ)研究，還是技術(shù)開發(fā)方面已經(jīng)取得了很大的發(fā)展虛擬制造涉及的技術(shù)領(lǐng)域極其j一泛，在1994年的虛擬制造論壇上，提出了43項關(guān)鍵技術(shù)。其中，許多技術(shù)并非虛擬制造所特有，有些技術(shù)在其它領(lǐng)域早有研究和應(yīng)用，但建模與仿真技術(shù)是虛擬制造的核心技術(shù)。
   
    美國國家標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)研究所制造工程實驗室成功建立了國家先進(jìn)制造測試床;波音公司采用虛擬制造技術(shù)完成的第一架無圖紙飛機(jī)(波音777)的制造;美國北卡大學(xué)虛擬環(huán)境實驗室，開展的車輛駕駛員虛擬環(huán)境的研究。歐洲及其它國外機(jī)構(gòu):英國Herriot-Watt大學(xué)機(jī)械與化學(xué)工程系，從事與虛擬裝配有關(guān)的一系列研究工作，運用浸入式虛擬現(xiàn)實設(shè)計技術(shù)和定位電纜套索，虛擬裝配規(guī)劃和知識獲取，進(jìn)行虛擬環(huán)境中的對象形變研究和沖突檢測研究等。
   
    在國內(nèi)，由于虛擬制造技術(shù)出現(xiàn)較晚，研究機(jī)構(gòu)還很少。清華大學(xué)CIMS工程研究中心虛擬制造研究室，是國內(nèi)最早開展虛擬制造研究的機(jī)構(gòu)之一，主要研究方向是虛擬產(chǎn)品開發(fā);西安交通大學(xué)CAD/CAM研究所主要研究以網(wǎng)絡(luò)為中心的創(chuàng)新設(shè)計與全球制造(包括創(chuàng)新技法、信息共享、知識發(fā)掘、遠(yuǎn)程設(shè)計與制造模式)。此外，仁海交通大學(xué)CIMS研究所、北京航空航天大學(xué)和浙汀大學(xué)等也進(jìn)行了部分虛擬制造技術(shù)的研究。2005年3月，上海理工大學(xué)宣布成立了虛擬制造技術(shù)研究院。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全國已有30多家科研機(jī)構(gòu)、高等院校和企業(yè)正在開展VM技術(shù)方面的研究。國內(nèi)以清華大學(xué)、上海交大為主的高等院校正在開展基礎(chǔ)技術(shù)研究，正處于理論體系初步研究階段。該技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械的產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用研究到目前只有浙江大學(xué)、吉林大學(xué)、沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)等進(jìn)行了初步的探討。

3在農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計制造中的應(yīng)用
   
    應(yīng)用虛擬制造技術(shù)研究開發(fā)某種農(nóng)機(jī)產(chǎn)品，采用計算機(jī)仿真與虛擬現(xiàn)實乎段，用計算機(jī)對農(nóng)業(yè)機(jī)械的外觀、功能、行為進(jìn)行建模以及生成逼真的三維虛擬環(huán)境，實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工制造、動態(tài)工作條件下的性能分析、質(zhì)量檢驗以及企業(yè)各級過程的管理與控制等產(chǎn)品制造的本質(zhì)過程。同時，通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)觀察虛擬環(huán)境下虛擬農(nóng)機(jī)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，進(jìn)行虛擬環(huán)境中的農(nóng)機(jī)性能實驗和特性評估，并實現(xiàn)人與機(jī)械之間的實時的交互，這對于增強(qiáng)制造過程各級的決策與控制能力、減少產(chǎn)品開發(fā)的育目性、縮短研制周期、降低制造成本、提高機(jī)器的適應(yīng)能力、增加機(jī)器的工作可靠性和延長機(jī)器的使用壽命具有非常重要的意義。
   
    3.1農(nóng)機(jī)產(chǎn)品虛擬制造體系結(jié)構(gòu)
   
    在虛擬制造出現(xiàn)以來，國內(nèi)外學(xué)者從不同角度建立了虛擬制造系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)最早提出VM體系結(jié)構(gòu)的是日本大阪大學(xué)的Kazukil馬里蘭大學(xué)也相繼提出了自己的體系結(jié)構(gòu)。我國各科研院所也開展了相應(yīng)的工作，上海交通大學(xué)提出了基于"虛擬總線"的VM體系結(jié)構(gòu)。國家CIMS中心提出了基于產(chǎn)品開發(fā)管理(PDM)集成的虛擬設(shè)汁、虛擬生產(chǎn)、虛擬企業(yè)柜架，認(rèn)為虛擬制造的目標(biāo)就是對產(chǎn)品的"可制造性""可生產(chǎn)性"和"可合作性"的決策支持。根據(jù)上海交通大學(xué)提出的"虛擬總線"的VM體系結(jié)構(gòu)劃分，農(nóng)機(jī)產(chǎn)品虛擬制造體系結(jié)構(gòu)可分為5層:數(shù)據(jù)層、活動層、應(yīng)用層、控制層、界面層。農(nóng)機(jī)虛擬制造體系的構(gòu)成，如圖3所示。
   

    界面層提供虛擬現(xiàn)實環(huán)境供操作者與系統(tǒng)交換信息、發(fā)出指令等�？刂茖痈鶕�(jù)界面層的操作指令轉(zhuǎn)化為控制數(shù)據(jù)，而后激發(fā)本地服務(wù)或通過網(wǎng)絡(luò)激發(fā)遠(yuǎn)程系統(tǒng)服務(wù)。應(yīng)用層則由虛擬產(chǎn)品設(shè)計、虛擬產(chǎn)品制造組成。這一部分包括產(chǎn)品設(shè)計、實體建模、并行設(shè)計、過程管理、虛擬制造過程仿真等。虛擬產(chǎn)品制造過程仿真提供有用信息給產(chǎn)品設(shè)計模塊，用于產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化，繼而優(yōu)化產(chǎn)品制造過程�；顒訉影褢�(yīng)用層中的各種應(yīng)用過程分解，以進(jìn)程的方式執(zhí)行各種活動。數(shù)據(jù)層則對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、處理，并對其它層的運作提供支持。
   
    3.2農(nóng)機(jī)產(chǎn)品虛擬制造系統(tǒng)構(gòu)成
   
    農(nóng)機(jī)產(chǎn)品虛擬制造系統(tǒng)構(gòu)成，如圖4所示。虛擬制造系統(tǒng)主要由虛擬物理系統(tǒng)、虛擬信息系統(tǒng)、硬件資源3部分組成。它在CAD/cAM/CAD等軟、硬件系統(tǒng)資源的支持下，主要由設(shè)備、產(chǎn)品、生產(chǎn)過程及生產(chǎn)管理4個主要要素組成。產(chǎn)品設(shè)計模型中要求對農(nóng)機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行全面的技術(shù)要求分析、功能設(shè)計、成本設(shè)計、環(huán)境評價;生產(chǎn)過程模型中則包括產(chǎn)品的加工仿真、加工方法選擇、控制方案制定等環(huán)節(jié);虛擬設(shè)備模型中要對設(shè)備進(jìn)行合理的布局，進(jìn)行通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、作業(yè)計劃制定及控制程序開發(fā)等;在生產(chǎn)管理模型中，要對其進(jìn)行功能結(jié)構(gòu)分析、生產(chǎn)決策分析和信息管理。
   

    3.3虛擬制造在農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計制造中的應(yīng)用實例

   脫粒機(jī)械是收獲過程中最重要的機(jī)具之一，在聯(lián)合收獲機(jī)上作為核心部件對整機(jī)的工作質(zhì)量與工作效率起到了決定性的作用。脫粒機(jī)械工作時，被割谷物經(jīng)脫粒機(jī)械的喂人口進(jìn)人由脫粒滾筒和凹版組成的脫粒間隙進(jìn)行打擊和搓擦后，短脫出物通過柵格狀凹版進(jìn)人由清選篩和風(fēng)機(jī)組成的清糧裝置進(jìn)行清選;長脫出物則進(jìn)人分離裝置進(jìn)行莖稈與籽粒的分離，長莖稈被排出機(jī)外;而籽粒等短脫出物則通過分離裝置上的篩孔進(jìn)人下方的清糧裝置進(jìn)行清選;在風(fēng)機(jī)和清選篩的聯(lián)合作用下，穎殼等細(xì)小輕雜物被吹出機(jī)外，干凈的籽粒經(jīng)由籽粒收集裝置進(jìn)人集糧裝置。
   
    對于脫粒機(jī)械的虛擬制造，首先根據(jù)實際制造經(jīng)驗進(jìn)行整體的制造構(gòu)思，建立零件的三維模型，然后進(jìn)行整機(jī)的虛擬裝配設(shè)計、運動仿真設(shè)計，再對比運動仿真結(jié)果與實際工作效應(yīng)，如果滿意則導(dǎo)人制造數(shù)據(jù)庫，不滿意則重新進(jìn)行建模、仿真，直至符合要求為止。在虛擬制造過程中可以形成多個滿足條件的設(shè)計方案，設(shè)計者可根據(jù)實際工作狀況進(jìn)行方案優(yōu)化，選出最優(yōu)設(shè)計制造方案，進(jìn)而生成優(yōu)化的設(shè)計制造參數(shù)進(jìn)行指導(dǎo)實際制造。
   
    4結(jié)束語
   
    虛擬制造是虛擬現(xiàn)實技術(shù)和計算機(jī)仿真技術(shù)在制造領(lǐng)域的綜合發(fā)展及應(yīng)用。它是產(chǎn)品在計算機(jī)中的虛擬實現(xiàn)，不消耗現(xiàn)實的資源和能量，但卻能實際反映產(chǎn)品的有關(guān)情況。農(nóng)業(yè)機(jī)械在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)的發(fā)展中始終處于十分重要的地位，虛擬制造技術(shù)的引人為農(nóng)業(yè)機(jī)械行業(yè)帶來了全新的概念。隨著虛擬制造技術(shù)的不斷發(fā)展及其在企業(yè)中廣一泛的應(yīng)用，必將極大地提高企業(yè)的研發(fā)創(chuàng)新能力，從而改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)方式，用新技術(shù)改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，支持新興農(nóng)業(yè)技術(shù)，提高農(nóng)業(yè)競爭力。