虚拟制造的基本概念及研究开发动向

1、虚拟制造的基本概念

    虚拟制造（Virtual Manufacturing:VM）的研究与开发利用已引起各国的高度重视，尤其是欧美、日本等工业发达国家，竟相投入大量人力，物力进行VM的研究与开发。

    什么是虚拟制造，目前各国学术者尚未形成统一的认识，笼统的理解是：在计算机内构造虚拟的生产系统模型，进行实际生产过程的模拟。本文将从信息变换等价性 的观点出发，分析VM系统与实际生产系统的相互对应关系，探讨VM的基本概念，并介绍目前国际上虚拟制造研究的方法、手段、研究开发的动向及VM的广阔应 用前景。 

    1.1 实际制造与虚拟制造

    如图1（a）所示，实际生产系统具有对“物质”、“信息”、“能源”进行转换的功能，即投入原材料、生产、信息电力等能源，制造出所需要的产品及与产品相 关的信息，并排放出作为副产品的余热等能源。通常把在生产系统内进行的上述转换活动称为制造。由此，VM可以理解为：将实际生产中的“物质”和“能源”信 息化，针对实际生产系统中的信息及被信息化的“物质”和“能源”实现与实际生产在信息上的等价转换，这样的转换形式称为虚拟制造（如图1（b）），即VM 过程虽然没有制造出实际产品，但却生成了有关产品的信息及制造产品所需的信息。

    图2进一步表明了实际生产与虚拟制造的关系。R1、R2表示真实生产实施前后的状态，V1是将R1信息化处理后的模型，V2是拟实制造系统信真后的结果。R2与V2在信息上应是等价的。

图1 实际生产与虚拟制造的定义        图2 实际生产的信息化与仿真

    1.2 虚拟制造系统
   
    基于信息变换等价性的实际生产系统和虚拟制造系统，在概念上也可进一步被看成是由“物理系统”和“信息系统”组成的，即生产系统内部存在着设备原材料、产 品等物理实体和生产计划、任务书、产品性能要求等信息实体。由物理实体构成的部分称为“物理系统”（Physical System）；由信息实体构成的部分称为“信息系统（Information system）”、即生产系统由实施制造的物理系统和对物理系统进行管理（包括计划、控制）的信息系统构成。工厂的生产车间可被看作物理系统，而生产管理 部门则可被认为是信息系统的一部分。

    物理系统和信息系统又可分为真实物理系统（Real Physical System:RPS）、虚拟物理系统（Virtual Physical System:VPS）和真实信息系统（Real Information System:RIS）、拟实信息系统（Virtual Information System:VIS）。如果假定虚拟的物理和信息系统存在则有：

    (1) 真实物理系统（RPS）＋真实信息系统（RIS）：现实的生产系统

    (2) 真实物理系统（RPS）＋虚拟信息系统（VIS）：生产计划、管理的部分为虚拟的生产系统、例如，用计算机对已建成的工厂进行动转试验。

    (3) 虚拟物理系统（VPS）＋真实信息系统（RIS）：实施生产的部分为虚拟系统的生产系统、可以对新工厂的建议方案进行事先评价。

    (4) 虚拟物理系统（VPS）＋虚拟信息系统（VIS）：在计算机内建立物理系统和信息系统的模型、基于模型通过仿真实现的生产系统。

    虚拟制造系统必须是在上述组合系统中，至少有一个是虚拟系统。 

    2、虚拟制造系统的形式与研究方法
   
    从虚拟制造系统的形式看，可分为以下两种形式：

    (1) 计算机仿真

    构造有关生产的计算机内部模型，通过仿真实现虚拟制造。

    特点：生产设备、工厂组织、产品均是虚拟的。

    (2) 遥控制造

    由计算机网络将载域上分散的生产设备结合起来，进行集成管理和运行。

    特点：生产设备和产品是实际存的，而工厂组织是假想（虚拟）的、从研究的方法手段来看，主要有以下六种形式：

* 产品建模

    特点：以产品模型设备模型为核心、进行产品设计、工艺设计、生产调度、设备布局、控制等的仿真。

* 生产过程仿真

    特点：对切削装配等生产过程进行仿真。

* 设备仿真

    特点：机器人等生产设备离线仿真、动态特性分析和模拟。

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