[科普中國(guó)]-虛擬制造系統(tǒng)

虛擬制造系統(tǒng)(Virtual Manufacturing System，VMS)是基于虛擬制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)的制造系統(tǒng)，是現(xiàn)實(shí)制造系統(tǒng) RMS(Real Manufacturing System)在虛擬環(huán)境下的映射。VMS 生產(chǎn)的產(chǎn)品是可視的虛擬產(chǎn)品，是一個(gè)數(shù)字化產(chǎn)品，它具有真實(shí)產(chǎn)品所必須具有的特征，并具有動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)及決策、控制、調(diào)度、管理等四個(gè)機(jī)制。VMT 和 VMS 涉及整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)和制造過(guò)程的方方面面，對(duì)于產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，涉及整個(gè)產(chǎn)品生命周期的各個(gè)方面，對(duì)于制造過(guò)程來(lái)說(shuō)，涉及整個(gè)工廠的各個(gè)方面。1

定義虛擬制造系統(tǒng)是現(xiàn)實(shí)制造系統(tǒng)(Real Manufacturing System)在虛擬環(huán)境下的映射。它由虛擬信息系統(tǒng)(Virtual Information System，VIS)和虛擬物理系統(tǒng)(Virtual Physical System，VPS)構(gòu)成。虛擬信息系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)模擬現(xiàn)實(shí)信息系統(tǒng)(Real Information System，RIS)的設(shè)計(jì)、規(guī)劃、調(diào)度、控制、評(píng)估等活動(dòng)。虛擬物理系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)模擬現(xiàn)實(shí)物理系統(tǒng)(Real Physical System，RPS)的制造過(guò)程和制造活動(dòng)。

真實(shí)制造系統(tǒng)可以分解為真實(shí)物理系統(tǒng)(RPS，Real Physical System)和真實(shí)信息系統(tǒng)(RIS，ReallnformationSystem)兩部分。

真實(shí)物理系統(tǒng)由實(shí)際存在的實(shí)體組成，例如材料、機(jī)床、工具、機(jī)器人、夾具、工作、產(chǎn)品、控制器、傳感器等。真實(shí)信息系統(tǒng)包括有關(guān)信息處理和決策的全部活動(dòng)，例如設(shè)計(jì)、規(guī)劃、調(diào)度、控制、評(píng)價(jià)等，它不僅包括計(jì)算機(jī)，還包括制造系統(tǒng)中的人員。

假如有一臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以翻譯解釋來(lái)自真實(shí)信息系統(tǒng)的控制命令，并可以返回狀態(tài)報(bào)告，其響應(yīng)完全與真實(shí)物理系統(tǒng)的響應(yīng)等價(jià)，那么，這臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就可稱為虛擬物理系統(tǒng)(VPS，VirtualPhysicalSystem)。

同樣，如果一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以模擬真實(shí)信息系統(tǒng)的功能，而真實(shí)物理系統(tǒng)中的機(jī)器甚至無(wú)法區(qū)分控制命令是來(lái)自真實(shí)信息系統(tǒng)還是來(lái)自計(jì)算機(jī)，那么該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可稱為虛擬信息系統(tǒng)(VIS，Virtual lnformationSystem)。

通過(guò)選擇不同的物理系統(tǒng)和不同的信息系統(tǒng)，就可以得到以下4種類型的制造系統(tǒng)：

(1)RPS+RIS=真實(shí)制造系統(tǒng)；

(2)RPS+VIS=自動(dòng)化制造系統(tǒng)；

(3)VPS+RIS=虛擬制造系統(tǒng)(物理的)；

(4)VPS+VIS=虛擬制造系統(tǒng)(虛擬的)。

上述(3)、(4)種類型的系統(tǒng)稱為虛擬制造系統(tǒng)，其共同特征是物理系統(tǒng)并非真實(shí)存在，而是一種虛擬模型。因此，虛擬制造系統(tǒng)是一種不消耗物質(zhì)和能量，不產(chǎn)生真實(shí)產(chǎn)品，只產(chǎn)生信息的系統(tǒng)。虛擬制造系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是與真實(shí)制造系統(tǒng)等價(jià)的系統(tǒng)，虛擬物理系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)虛擬制造系統(tǒng)的關(guān)鍵。2

特點(diǎn)①在不消耗系統(tǒng)實(shí)際資源的情況下,可以改進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程、充分利用資源、發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題。通過(guò)運(yùn)行虛擬制造系統(tǒng),可以提前消除實(shí)際制造系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題,提高了實(shí)際制造系統(tǒng)的輸出質(zhì)量,因此,可以縮短產(chǎn)品的制造周期,降低產(chǎn)品成本,提高產(chǎn)品質(zhì)量。

②通過(guò)在虛擬制造系統(tǒng)中仿真一些新的或關(guān)鍵制造技術(shù)(如新技術(shù)、新工藝),來(lái)評(píng)價(jià)和驗(yàn)證新技術(shù)或關(guān)鍵技術(shù)對(duì)生產(chǎn)所帶來(lái)的結(jié)果(效益和風(fēng)險(xiǎn)),幫助企業(yè)做出正確的規(guī)劃和決策,以及在學(xué)術(shù)方面進(jìn)行有價(jià)值的科學(xué)研究。

③可使分布在不同地點(diǎn)、不同部門的不同專業(yè)人員在同一個(gè)產(chǎn)品模型上同時(shí)工作,相互交流,信息共享,減少大量的文檔生成及其傳遞的時(shí)間和誤差,從而使產(chǎn)品開發(fā)快捷、優(yōu)質(zhì)和低耗,適應(yīng)市場(chǎng)需求變化。

由此可見,虛擬制造系統(tǒng)是使企業(yè)快速滿足市場(chǎng)的需求,提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的一種新型現(xiàn)代制造模式。3

體系結(jié)構(gòu)由于虛擬制造系統(tǒng)的復(fù)雜性,人們從不同的角度構(gòu)建了很多不同的虛擬制造系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。圖6-9為一個(gè)虛擬制造系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),其由三個(gè)層次構(gòu)成,即經(jīng)營(yíng)決策層、產(chǎn)品決策層和生產(chǎn)決策層。

(1)經(jīng)營(yíng)決策層。根據(jù)用戶的需求和市場(chǎng)信息、自身企業(yè)資源及技術(shù)條件等，做出生產(chǎn)產(chǎn)品的種類、規(guī)模、性能、規(guī)格等決策。
(2)產(chǎn)品決策層。根據(jù)上層做出產(chǎn)品總體方案決策，并對(duì)其性能做出初步評(píng)價(jià)，對(duì)其生產(chǎn)成本做出初步預(yù)估。
(3)生產(chǎn)決策層。根據(jù)上層的決策和企業(yè)人力、物力及技術(shù)資源與水平等情況，做出產(chǎn)品開發(fā)計(jì)劃、生產(chǎn)任務(wù)規(guī)劃、生產(chǎn)調(diào)度計(jì)劃等決策，并在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)其制造過(guò)程，生產(chǎn)出數(shù)字化模型產(chǎn)品。通過(guò)對(duì)數(shù)字化模型產(chǎn)品的工作過(guò)程進(jìn)行仿真，對(duì)產(chǎn)品性能做出合理的評(píng)價(jià)。通過(guò)對(duì)數(shù)字化模型產(chǎn)品的構(gòu)成和形成過(guò)程進(jìn)行分析，做出產(chǎn)品成本的分析報(bào)告。綜合各方面的因素，對(duì)產(chǎn)品投產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)和效益做出評(píng)價(jià)。
以上3個(gè)層次的決策是在統(tǒng)一的硬件、軟件支持環(huán)境下協(xié)同工作，求得全局最優(yōu)的決策。4

功能虛擬制造系統(tǒng)能夠完成多方面的功能,主要包括虛擬設(shè)計(jì)、虛擬制造、虛擬生產(chǎn)和面向虛擬企業(yè)等功能。

(1)虛擬設(shè)計(jì)功能。虛擬設(shè)計(jì)是在虛擬現(xiàn)實(shí)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,群組協(xié)同工作,對(duì)未來(lái)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),完成產(chǎn)品的性能評(píng)價(jià)、可制造性評(píng)價(jià)等工作,從而最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的虛擬原型等功能。

(2)虛擬制造功能。該功能主要包括生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)、加工過(guò)程切削參數(shù)優(yōu)化、材料加工成形仿真、數(shù)控設(shè)備軟件的編制與驗(yàn)證等。它是以全信息模型為基礎(chǔ)的眾多仿真分析軟件的集成,包括力學(xué)、熱力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等分析。

(3)虛擬生產(chǎn)功能。該功能包括生產(chǎn)環(huán)境的布局設(shè)計(jì)、設(shè)備集成產(chǎn)品遠(yuǎn)程虛擬測(cè)試、企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度的優(yōu)化等。

(4)虛擬企業(yè)功能。利用虛擬企業(yè)的形式以實(shí)現(xiàn)勞動(dòng)力、資本和信息等資源的最優(yōu)配置,該功能為敏捷制造提供合作性支持。5

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

黃倫先 - 副教授 - 西南大學(xué)