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我國虛擬制造技術發展策略淺析

注意:本文已經在《機械設計與研究》(1999,1:1214)雜志發表
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陳曉川 張暴暴 馮辛安 劉曉冰
(大連理工大學CIMS中心,大連,116023

內容提要虛擬制造技術是近幾年出現的先進制造技術之一,是企業以信息集成為基礎的一種新的制造哲理,本文結合我國國情,通過分析虛擬制造技術的重大作用與其它先進制造技術的關系,從多方面論述了我國發展虛擬制造技術的策略及途徑,希望為我國制造業的發展做些有益的探索。

主題詞虛擬制造技術,并行工程,工業工程,分布式網絡化研究中心

  1. 虛擬制造技術

虛擬制造(Virtual Manufacturing)又叫擬實制造,它利用信息技術、仿真技術、計算機技術對現實制造活動中的人、物、信息及制造過程進行全面的仿真,以發現制造中可能出現的問題,在產品實際生產前就采取預防措施,從而達到產品一次性制造成功,來達到降低成本、縮短產品開發周期,增強產品競爭力的目的。當然,虛擬制造也可以對想象中的制造活動進行仿真,它不消耗現實資源和能量,所進行的過程是虛擬過程,所生產的產品也是虛擬的。

目前,虛擬制造技術已經在國外有所應用,例如:美國Boneing公司設計的一架VS?/FONT>X虛擬飛機,可用頭盔顯示器和數據手套進行觀察與控制,使飛機設計人員身臨其境地觀察飛機設計的結果,并對其外觀、內部結構及使用性能進行考察;日本Matsushita公司開發的虛擬廚房設備制造系統,允許消費者在購買商品前,在虛擬的廚房環境中體驗不同設備的功能,按自己的喜好評價、選擇和重組這些設備,他們的選擇將被存儲并通過網絡送至生產部門進行生產;美國Coventry School of Art and Design開發的虛擬原型制作系統,設計者在設計的初始階段能夠在計算機中構造虛擬原型并對此原型進行評價【7】。虛擬制造技術的應用將會對未來制造業的發展產生深遠影響,它的重大作用主要表現為:

  1. 運用軟件對制造系統中的五大要素(人、組織管理、物流、信息流、能量流)進行全面仿真,使之達到了前所未有的高度集成,為先進制造技術的進一步發展提供了更廣大的空間,同時也推動了相關技術的不斷發展和進步。
  2. 可加深人們對生產過程和制造系統的認識和理解,有利于對其進行理論升華,更好地指導實際生產,即對生產過程、制造系統整體進行優化配置,推動生產力的巨大躍升。
  3. 在虛擬制造與現實制造的相互影響和作用過程中,可以全面改進企業的組織管理工作,而且對正確作出決策有不可估量的影響。
  4. 虛擬制造技術的應用將加快企業人才的培養速度。我們都知道模擬駕駛室對駕駛員、飛行員的培養起到了良好作用,虛擬制造也會產生類似的作用。

 

虛擬制造技術的廣泛應用將從根本上改變現行的制造模式,對相關行業也將產生巨大影響,可以說虛擬制造技術決定著企業的未來,也決定著制造業在競爭中能否立于不敗之地。對此我們必須引起高度重視,加緊開展虛擬制造技術的研究及發展策略的制定。

  1. 虛擬制造技術與其它先進制造技術的關系

 

1)精益生產(Lean Production)與虛擬制造技術:精益生產要求簡化生產過程,減少信息量,消除過分臃腫的生產組織,使產品及其生產過程盡可能地簡化和標準化。這樣做的結果對虛擬制造的建模仿真是十分有利的,即現實生產過程越簡化則虛擬制造實現起來就越容易。精益生產的核心是準時化生產和成組技術。實行精益生產為虛擬制造的實現創造了有利條件,長春一汽在這方面走在了前面。

2)并行工程(Concurrent Engineering)與虛擬制造技術:并行工程是集成地、并行地設計產品及其相關過程(包括制造過程和支持過程)的系統方法。它要求產品開發人員在一開始就考慮產品整個生命周期中從概念形成到產品報廢的所有因素,包括質量、成本、進度計劃和用戶要求。為了達到并行的目的,必須建立高度集成的主模型,通過它來實現不同部門人員的協同工作;為了達到產品的一次設計成功,減少反復,它在許多部分應用了仿真技術;主模型的建立、局部仿真的應用等都包含在虛擬制造技術中,可以說并行工程的發展為虛擬制造技術的誕生創造了條件,虛擬制造技術將是以并行工程為基礎的,并行工程的進一步發展就是虛擬制造技術。

3)敏捷制造(Agile Manufacturing)與虛擬制造技術:敏捷制造是以競爭力和信譽度為基礎,選擇合作者組成虛擬公司,分工合作,為同一目標共同努力來增強整體競爭能力,對用戶需求作出快速反應,以滿足用戶的需要。為了達到快速應變能力,虛擬企業的建立是關鍵技術,其核心是虛擬制造技術,即敏捷制造是以虛擬制造技術為基礎的。

4)綠色制造與虛擬制造技術:綠色制造是一個綜合考慮環境影響和資源效率的現代制造模式,其目標是使得產品從設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢的整個產品生命周期中,對環境的影響(負作用)最小,資源的使用效率最高。綠色制造的提出是人們日益重視環境保護的必然選擇,發展不能以環境污染為代價,國際制造業的實踐表明,通過改進整個制造工藝來減少廢棄物,要比處理工廠處理已經排放的廢棄物大大節省開支,因此,當綠色制造發展到一定階段時,在虛擬制造技術中必定要集成綠色制造這一部分。

從以上的分析中我們可以看到:各種先進制造技術是相互關聯、彼此交叉的,它們都離不開計算機網絡、工程數據庫技術的支持,從以技術為中心向以人為中心轉變,使技術的發展更加符合人類社會的需要是它們的共同特點。它們之間的關系可以簡單地如圖1所示。

  1. 我國虛擬制造技術的發展策略

 

在市場競爭的推動下,先進制造技術發展十分迅速,新思想、新概念層出不窮,通過對虛擬制造技術與其它先進制造技術關系的分析,從純技術的角度上看,在制定我國虛擬制造技術發展策略時,應該注重以人為本的思想,運用并行工程的哲理,使各種先進制造技術相互銜接、協調發展,最終實現虛擬制造技術在我國的廣泛應用。但是,虛擬制造技術所包括的內容并不是純技術范圍內的事,它是對傳統制造方式的全面變革,帶來了企業組織、企業管理及生產方式等多方面的變化,對此我們也要有足夠的重視。

目前,在美國并行工程已到了推廣應用階段,其虛擬制造研究方面也有試驗性系統投入使用,在這方面我們存在巨大的差距,主要表現在:從研究工作方面看,科研經費緊缺,科研力量分散,科研成果難以推廣應用,人才流失嚴重;從企業方面看,企業的整體素質不高,管理工作落后,科研能力薄弱,當面臨國際競爭時大多難以為繼,很難在先進制造技術方面花費過多,而且受企業人員素質的制約,一些先進的技術還不易取得立竿見影的實際效果,這些都影響了企業應用先進制造技術的熱情;從國家政策方面看,雖然國家對制造業十分重視,但是,由于我國當前正處在改革過程中,多種機制同時運行,多方利益難以協調,在資金使用上往往顧此失彼,而且國家財政困難,也難以使用重金支持虛擬制造技術的研究。針對上述實際情況,我們提出下列解決方案:

1) 以企業需求為出發點,以“甩圖板”工程為契機,大力普及CAD技術,幫助企業進行人員培訓,提高企業人員的素質(其中包括技術水平、勞動態度、道德水平等),在CIMS成功示范企業中及時推廣并行工程、敏捷制造等思想和技術,為虛擬制造技術的實現提供堅實的基礎,在個別企業或部門首先實現虛擬制造。

2)在政府方面,應發揮政府的協調職能,組織企業和科研部門進行多方面、多層次的合作,加強科研成果的應用推廣,而且應組織多學科、跨地區的科研力量共同攻關;從宏觀上加強對虛擬制造技術的指導,盡早制定符合我國國情的發展計劃。

3)在技術的先進性方面,不要過度追求世界領先,應該根據企業實際要求,解決實際問題,力爭盡快創造效益,以此取得企業的支持并獲得資金上的幫助,以便形成良性循環,促進研究工作的進一步開展。

4)從企業方面看,要注重工業工程的推廣應用,從管理中要效益;在行業內部,應按具有一定通用性和行業特色進行虛擬制造技術的研究,推動整個行業的發展;在整個制造業中,應抓住共性對普遍采用的技術、人員組織和生產管理等方面開展虛擬制造技術的研究,加強整個制造業的競爭力。

5)針對我國科研力量分散的弱點,仿照分散網絡化生產的思想,利用計算機網絡,開展合作研究,建立分布式網絡化研究中心,協調一致進行科技攻關。所謂分布式網絡化研究中心就是利用信息技術、網絡技術、計算機技術對現實研究活動中的人、物、信息及研究過程進行全面的集成,在一定時期內為了共同的目標以最佳的人員和單位組合來開展科學研究工作,調動各方面的積極性通過協同工作達到研究工作的廣泛開展和深入進行,縮短科研周期,增強科技成果的競爭力,也可以說分布式網絡化研究中心是將現實的研究機構的職能在網絡中的映射,是一種“虛擬”的工作模式。

    從單純的技術角度看,在一個企業要實現虛擬制造,應分階段逐步進行,不能隨便超越階段,一般可以從以下幾個階段開始:
            (1)建立企業網和工程數據庫,初步實現CAD、CAPP、CAM功能。
            (2)進行信息集成,推行PDM技術、特征建模技術,形成一個CAD、CAPP、CAM的集成系統。
            (3)首先在設計、工藝、制造部門建立統一的產品模型,初步實現并行工程;進一步將企業管理方面的MIS、MRPII與CAD/CAM系統進行集成,實現全廠范圍內的信息集成,全面實現并行工程。
            (4)在上述工作的基礎上,對企業內的生產、經營等多方面的活動進行建模、仿真,實現虛擬制造。

綜上所述,發展我國的虛擬制造技術應該以企業的需求為動力,通過政府的政策和計劃的協調,繼續深入開展成組技術、準時化生產技術及并行工程的研究與應用,并利用工業工程思想和分布式網絡化研究中心,組織各地區的科研力量集中突破與虛擬制造技術密切相關的如多媒體遠程通訊、網絡技術、工程數據庫技術、靈境技術等,為虛擬制造功能的實現提供有力支撐。就現在研究情況來看,虛擬制造技術在國外發展很快,我們應適當吸收國外的成熟經驗,在研究中大膽創新,在應用時要注意人與技術的協調,注重企業實際,達到事半功倍的效果。

 

主要參考文獻

  1. IKimura F.: Product and Process Modeling as a Kernel for Virtual Manufacturing Environment. Annals of the CIRP,1993,42(1):147150
  2. Onosato M, Iwata K.: Development of a Virtual Manufacturing System by Integrating Product Models and Factory Models. Annals of the CIRP,1993,42,475478
  3. Iwata K.A.: Modeling and Simulation Architecture for Virtual Manufacturing Systems, Annals of the CIRP,1995,44(1):399402
  4. Wiens G.J. : Overview of Virtual Manufacturing, Proceedings of 2nd Agile Manufacturing Conference: Albuquerque, New Mexico, USA, March 1617,1995
  5. 張申生:擬實制造與現代仿真技術,系統仿真學報,1995,731822
  6. 馮曉江譯,虛擬制造綜述,現代科技譯叢,1998,1 78
  7. 王宏典、張友良,虛擬制造技術及其應用,1998,173477479
  8. Jose Miguel Salles Dias,Ricardo Galli:mWorld: A Multiuser 3D Virtual Environment. Computer Graphics and Applications. Vol. 17,No.2 Mar/April 1997

 

 

ANALYSIS OF THE STRATEGY OF VIRTUAL MANUFACTURING TECHNOLOGY IN CHINA

Chen Xiao-Chuan, Zhang Bao-Bao, Feng Xin-An, Liu Xiao-Bing
(Dalian University of Technology, CIMS Centre,Dalian,116023)

Abstract: Virtual Manufacturing Technology(VMT) is one of the Advanced Manufacturing Technologies(AMTs) and is a new manufacturing methodology based on information integration in an enterprise. In this paper, we analyzed VMTs role and the relation between VMT and the other AMTs. According to Chinese conditions, we proposed some strategies that will be beneficial to our manufacturing sector in order to develop VMT in China.

Keywords: Virtual Manufacturing Technology, Concurrent Engineering, Industrial Engineering, Distributed Networked Research Centre


此文被引用的不完全統計情況:
1、論機電一體化的現狀及發展 (論文摘要及參考文獻)
2、CAD/CAM最新技術淺析 (論文摘要及參考文獻)
3、21世紀仿真技術在制造業中的應用 (論文摘要及參考文獻)
4、虛擬制造技術與機床CAD/CAM (論文摘要及參考文獻)
5、 )

作者點評:

本文通過對虛擬制造與其他先進制造技術的關系的分析,提出了適合我國國情的發展策略。2000.5


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