国家CIMS工程技术研究中心的虚拟制造基地及研究进展

1、肖田元等: 国家 CIM S 工程技术研究中心的虚拟制造基地及研究进展国家 CIM S 工程技术研究中心的虚拟制造基地及研究进展肖田元韩向利 王新龙 郑会永( 清华大学国家 CIM S 工程研究中心北京 100084)摘 要 介绍了国家 CIM S 中心开展虚拟制造研究的最近进展, 包括所建立的虚拟制造基地的体系结构, 解决的关键技术, 以及结合典型产品进行虚拟制造研究所取得的初步成果。关键词虚拟制造, 体系结构, CIM S0 引言90 年代出现的虚拟制造技术, 在不长的时间里, 已成为科技界和企业界的研究热点之一, 而且它对制造业的革命性的影响也已经显现出来。虚拟制造是实际制造过程在计算机

2、上的本质实现,即采用计算机仿真与虚拟现实技术, 在高性能计算机及高速网络的支持下, 在计算机上群组协同工作, 实现产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程, 以增强制造过程各级的决策与控制能力。1 国家 CIM S 中心虚拟制造的体系结构虚拟制造本质上就是要利用计算机生产出 “虚拟产品”。不难看出, 虚拟制造技术是一种跨学科的综合性技术, 它包括产品数字化定义、仿真、可视化、虚拟现实、数据集成、优化等。国家CIM S 中心在综合目前国内外关于虚拟制造的研究成果的基础上, 提出了一个虚拟制造体系结构, 即基于产品数据管理 ( PDM ) 集

3、成的虚拟制造、虚拟生产、虚拟企业框架结构, 归纳出虚拟制造的目标是对产品的 “可制造性”、“可生产性”和 “可合作性”的决策支持。所谓 “可制造性”是指所设计的产品 ( 包括零件、部件和整机) 的可加工性 ( 铸造、冲压、焊接、切削等) 和可装配性; 而 “可生产性”是指企业在已有资源 ( 广义资源, 如: 设备、人力、原材料等) 的约束条件下, 如何优化生产计划和调度, 以满足市场或顾客的要求; 考虑到制造技术的发展, 虚拟制造还应对被喻为 21 世纪的制造模式 “敏捷制造”提供支持, 即为企业动态联盟的“可合作性”提供支持。而且, 上述三个方面对一个企业来说是相互关联的, 应该形成一个集成

4、的环境。因此, 应从三个层次 ( 即虚拟制造、虚拟生产及虚拟企业) 开展产品全过程的虚拟制造技术及其集成的虚拟制造环境的研究, 包括产品全信息模型、支持各层次虚拟制造的技术并开发相应的支撑平台以及支持三个平台及其集成的产品数据集管理技术。基于上述思想, 建立了如图 1 所示的虚拟制造研究环境。1. 1 虚拟制造平台该平台支持产品的并行设计、工艺规划、加工、装配及维修等过程, 进行可加工性分析 ( 包括性能分析、费用估计、工时估计等) 和可装配性分析。它是以全信息模型为基础的众多仿真分析软件的集成, 包括力学、热力学、运动学、动力学等可制造性分析, 具有以下研究环境: ( 1) 基863 计划资

5、助项目 ( 863-511-9606-003) 。 1998 年 12 月 20 日收稿。男, 1947 年生, 清华大学教授, 博士生导师; 联系人。1 高技术通讯1999. 1.于产品技术复合化的产品设计与分析, 除了几何造型与特征造型等环境外, 还包括运动学、动力学、热力学模型分析环境等; ( 2) 基于仿真的零部件制造设计与分析, 包括工艺生成优化、工具设计优化、刀位轨迹优化、控制代码优化等; ( 3) 基于仿真的制造过程碰撞干涉检验及运动轨迹检验虚拟加工、虚拟机器人等; ( 4) 材料加工成形仿真, 包括产品设计、加工成形过程温度场、应力场、流动场的分析以及加工工艺优化等; ( 5)

6、 产品虚拟装配, 根据产品设计的形状特征及精度特征, 三维真实地模拟产品的装配过程, 并允许用户以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程, 以检验产品的可装配性。图 1虚拟制造基地的结构1. 2 虚拟生产平台该平台将支持生产环境的布局设计及设备集成、产品远程虚拟测试、企业生产计划及调度的优化, 进行可生产性分析: ( 1) 虚拟生产环境布局, 根据产品的工艺特征、生产场地、加工设备等信息, 三维真实地模拟生产环境, 并允许用户交互地修改有关布局, 对生产动态过程进行模拟,统计相应评价参数, 对生产环境的布局进行优化; ( 2) 虚拟设备集成, 为不同厂家制造的生产设备实现集成提供支撑环境, 对

7、不同集成方案进行比较; ( 3) 虚拟计划与调度, 根据产品的工艺特征和生产环境布局, 模拟产品的生产过程, 并允许用户以交互方式修改生产排程和进行运态调度,统计有关评价参数, 以找出最满意的生产作业计划与调度方案。1. 3 虚拟企业平台被预言为 21 世纪制造模式的敏捷制造, 利用虚拟企业的形式, 以实现劳动力、资源、资本、技术、管理和信息等的最优配置, 这就给企业的运行带来了一系列新的技术要求。虚拟企业平台为敏捷制造提供这种可合作性分析支持: ( 1) 虚拟企业协同工作环境, 支持异地设计、装配、测试的环境, 特别是基于广域网的三维图形的异地快速传送、过程控制、人机交互等环境。( 2) 虚

8、拟企业动态组合及运行支持环境, 特别是 INT ERNET 与 INT RANET 下的系统集成与任务协调环境。1. 4 基于 PDM 的虚拟制造集成平台虚拟制造平台应具有统一的框架、统一的数据模型, 并具有开放的体系结构: ( 1) 支持虚拟制造的产品数据模型, 包括虚拟制造环境下产品全局数据模型定义的规范, 多种产品信息 ( 设计信息、几何信息、加工信息、装配信息等) 的一致组织方式; ( 2) 基于PDM 的虚拟制造集成技术, 2肖田元等: 国家 CIM S 工程技术研究中心的虚拟制造基地及研究进展提供在 PDM 环境下, “零件/ 部件虚拟制造平台”、“虚拟生产平台”、“虚拟企业平台”

9、的集成技术研究环境; ( 3) 基于PDM 的产品开发过程集成, 提供研究PDM 应用接口技术及过程管理技术, 实现虚拟制造环境下产品开发全生命周期的过程集成。2 虚拟制造建模方法学仿真技术应用于制造已有多年的历史, 那么虚拟制造与传统的制造仿真有何联系又有何区别呢 ? 如前所述, 虚拟制造需要仿真技术, 而且广泛地采用了仿真技术, 但是, 虚拟制造是制造仿真技术的进一步发展, 它特别强调产品在计算机上的木质实现, 强调对产品开发全过程的支持, 这就要求: ( 1) 产品模型具有可重用性, 因此必须建立产品主模型描述框架, 随着产品开发的推进,模型描述日益详细, 但始终可保持模型的一致性及模型

10、信息的可继承性; ( 2) 实现虚拟制造过程各阶段和各方面的有效集成, 因此, 要求实现产品模型数据的组织与管理。2. 1 产品建模方法虚拟制造的核心问题之一是产品建模问题。从本质上说, 虚拟制造是多学科无缝集成仿真, 而各应用领域的仿真模型是从不同的视角以及不同的抽象程度上对产品信息进行描述和表示, 它们之间难以进行真正的数据共享和重用,因此需要一个集成的产品模型对产品相关的信息进行组织和描述。适用于虚拟制造的集成产品模型必须满足以下三个要求: 第一, 它应该保证产品信息的完整性, 能够对不同的抽象层次上的产品信息进行描述和组织; 第二, 不同的应用能够根据它提取所需的信息, 衍生出自身所需

11、的模型, 并且能够添加新的信息到产品模型, 保证产品信息的可重用性和一致性; 第三, 它应该支持自顶向下设计, 特别是概念设计和改型设计。根据虚拟制造中对产品模型的需求 , 整个模型可分为核心模型和各种分析模型。核心模型在产品的设计过程中交互式建立, 主要由功能描述模型和实体模型组成。功能模型用产品定义单元图 2基于 P DU 的功能模型最小粒度的 PDU ; 其它粒度的PDU ; 接口; PDU 间关系定义; PDU 不同粒度间接口的继承关系图 3基于 P DM 的产品模型组织及管理( PDU ) 及其相互关系来描述产品的结构和功能, 它建立在CAD 实体模型基础之上。其他模型可以从核心模型

12、衍生出来。我们把 PDU 定义为具有确定工程语义的产品结构单元。根据机械产品具有层次结构的特点,把 PDU 的最小粒度定义在特征级, 最高粒度则是装配级, 中间为零件级。并不是所有的形状特征都被定义为 PDU, 只有那些具有确定工程语义、和产品结构功能密切相关的形状特征才被定义为PDU, 比如键槽、销孔和齿轮啮合面等。所有的零件都被定义为PDU , 因为它们几乎都能独立地3 高技术通讯1999. 1.完成某种确定的功能, 而且很大一部分零件已经被标准化了。一般的零件可能还要分成几个重要的特征级 PDU , 以便更进一步确定结构和功能的关系。对于一些复合零件, 这种划分就更有意义了。另外, 装配

13、中的接口都是零件的一部分特征, 也要在零件的下一级 PDU 中进行定义。有一类零件是不必要再细分的, 就是在装配时起连接作用的连接件, 如螺栓和销。PDU 的粒度以及它们之间的相互关系可以描述为图 2。最底粒度的 PDU 可以为其上一级粒度 PDU 提供接口。如果这些接口未被使用, 它则成为自由端, 并作为接口传递到比它更高一级的 PDU 。这些接口的定义对于实现自动和导航装配以及确定零部件之间的连接位置有着十分重要的意义。可以看出, 这种定义并不要求具有同样粒度的PDU 才具有连接关系, 这大大提高了模型描述的灵活性。例如, 当需要描述一个装配体与一个零件的连接关系时, 尽管装配体属于高粒度

14、的 PDU, 而零件属于底粒度的 PDU , 我们不必担心其层次关系。2. 2 数字化产品组织与管理产品的虚拟制造意味着对产品数据模型操作、处理, 包括了各种工程分析 ( 如有限元分析、运动学分析、动力学分析、可装配性分析、可加工性分析等) 信息的添加、修改。基于 PDU 定义的产品核心模型是支持虚拟制造的基础模型。为实现产品模型信息的添加和修改, 产品模型信息的一致和可重用, 必须解决产品模型信息的有效组织与管理。PDM 技术可用于虚拟制造环境下产品模型信息的组织。PDM 是用来管理所有与产品相关的信息和过程的技术, 与产品相关的信息包括零部件信息、产品结构配置信息、文档、CAD 文件、审批

15、信息等; 与产品相关过程管理, 即对过程的定义和管理, 包括信息的授权、审批和分配等。PDM系统为企业提供了一种管理和控制所有与产品相关的信息和过程的机制。从产品开发的角度来看, 可以将产品模型分为三类, 即基础模型、设计模型及制造模型。基于 PDM 管理, 可以从 “三棵树”来实现三类模型的组织与管理, 分别称之为中性树、设计树及制造树, 其中中性树对应于由 PDU 定义的基础模型, 设计树对应于设计模型, 包括在基础模型基础上添加的工程分析模型、运动学分析模型、动力学分析模型、装配分析模型等。制造树对应于制造模型。这三棵树的层次结构相同, 只是树的结点上包括的信息不同。这样就较好地解决了虚

16、拟产品开发模型信息的组织和管理。3 典型产品虚拟制造应用基于上述虚拟产品建模方法学,国家 CIMS 工程技术研究中心目前正在结合企业产品结构调整 , 针对实际产品开展虚拟制造技术的研究工作。典型产品为高速剑杆织机, 是某企业更新换代产品。为了缩短该产品的研制开发周期, 对产品进行了关键件虚拟设计、结构有限元分析与优化、运动机构的运动学与动力学分析、整机的虚拟装配及关键件的可加工性分析等, 较系统地解决了该产品关键件的设计、加工与整机装配问题, 大大缩短了产品开发周期。3. 1 虚拟设计产品的外观装饰及色彩搭配等是产品设计的主要内容之一, 成功的产品首先要有良好的人机环境和舒适的色彩。在 CAD

17、 软件进行三维设计之后, 虚拟样机的可视化 ( 图 4) 工作在虚拟设计中是很有意义的。从设计方法上来讲, 产品创新的途径有三种: 模仿创新、自主创新、合作创新。反求设计是创新设计的一种特殊情况, 也是现阶段应用最广、效益最好、最实用的一种设计方法。剑杆织机的核心部件共轭凸轮( 图5) 决定了整个织机的质量和性能。凸轮廓线的设计既要考虑结构的因素,又要考虑织机运动学和动力学方面的要求, 如果完全重新设计, 必然要耗费大量的时间和人力。因 4肖田元等: 国家 CIM S 工程技术研究中心的虚拟制造基地及研究进展此 , 为了加快产品的开发进程, 采用了逆向工程的思想, 即通过测量国外成型产品数据,

18、 再进行必要的分析处理, 然后进行有关的性能分析如运动学和动力学分析, 分析设计机理, 为指导设计提供技术支持。图 4剑杆织机虚拟产品可视化图 5 核心零件共轭凸轮3. 2 工程分析我们采用了ADAMS 软件进行运动和动力学性能分析。利用基本模型, 可以直接通过PDM 生成所需的运动学、动力学分析模型, 所以既节约了时间, 又提高了模型的可靠性。图 6 给出了关键部件的运动关系。从图中可以看出, 所设计的共轭凸轮能够实现引纬打纬的配合关系, 而且从加速度曲线还能看出该凸轮有着良好的动态特性。图 6运动配合关系图 7 关键部件虚拟接配由于打纬力的作用, 剑杆织机的两个关键部件: 筘座支座和打纬滚

19、轮座是易损件, 有必要进行结构有限元分析。选用 Pr o/ M echanica 软件对筘座支座进行有限元分析及结构优化, 根据应力、应变状况优化零件结构, 使剑杆织机关键件的结构更合理, 达到降低生产成本, 提高产品质量的目的。结果显示, 筘座支座最容易损坏的地方是: 直径为13 毫米的圆孔处和截面交接的应力集中处。通过灵敏度分析发现, 筘座支座原先选取的宽度W = 31 毫米和长度 L= 79 毫米不合理。宽度W 选择37 毫米至 40 毫米比较合理, 考虑到增加宽度将增加重量, 因此选取宽度W = 37 毫米最合理。长度L 选择 81 毫米至 82 毫米最合理。3. 3 虚拟装配虚拟装配

20、主要包括以下几个内容: 装配过程仿真, 公差分析, 装配工艺规划。装配过程仿真采用EAI 公司的工程数据可视化软件, 动态地仿真实际零件的装配过程, 并可以进行大装配漫游, 从而发现干涉等装配问题。精度设计是产品设计的重要环节, 它涉及到产品的质量和成本。采用公差分析软件 VSA 在批量生产的条件下对剑杆织机关键部件的公差进行分析, 发现问题, 并及时进行调整。比如, 剑杆5 高技术通讯1999. 1.织机凸轮箱的装配要求滚轮和凸轮之间有一定的过盈量, 这就涉及到凸轮、滚轮及箱体轴孔等多项形位公差。通过公差分析, 我们找到了各自合理的公差和公差分配方式。装配工艺文件是指导实际装配过程的技术文件

21、, 包括装配顺序、设备工装和工时定额等。为了增加实用性, 我们在微机上开发了一个产品装配工艺文件编辑系统。该系统既能交互式编辑工艺文件, 又能和PDM 系统连接, 还可以从三维图 8虚拟机床模型实体中读取产品装配关系。3. 4虚拟加工根据虚拟制造对虚拟加工环境的需求, 我们开发研制了虚拟加工软件系统W ME, 主要功能模块有 CAD 接口模块、NC 代码翻译模块、毛坯准备模块、机床配置模块、碰撞干涉检验模块及材料切除仿真模块。造型核心和CAD 接口模块可以构造简单实体及通过数据文件读取复杂实体, 用来定义各种加工中心设备的几何模型和夹具、零件、毛坯模型等。图 8 所示为虚拟加工环境构造的虚拟机

22、床模型。4 结论与展望世界知识经济的兴起和快速变化的现代市场对制造业提出了更为苛刻的T QCS 要求, 同时可持续发展战略也要求制造业对环境的负面影响减至最小。面临着这些严峻的挑战和前所未有的发展机遇, 我们不仅要密切跟踪国际上先进制造技术的发展趋势,而且更要提出和实践适合我国国情的先进制造模式。作为一种新的制造模式, 希望能起到一个抛砖引玉的作用。参考文献: 1W iensG J.A n o ver view o fvir tual manufactur ing.:-2nd A gileInV ir tual M anufacturing P ro ceeding ofM anufactur

23、ing conference ( A M C 95) ,Albuquerque , N ew M exico , U SA1995. ERI P ress: 233243 2K imur a F .A nnual ofT he CI R P,1993, 42( 1) : 85 3W hite J A,P ence I W.eds.P ro gr ess in M ater ial Handling and L o gist ics.U SA:-. 1991Spr ing Ver lag 4Shah J,M antyla M,N au D,eds.Adva nces in Featur e Based M anufactur ing.:,Ho lland Elsev