第4章 先进制造模式

第4章 先进制造模式

第4章 先进制造模式4.1 虚拟制造 4.2 计算机集成制造 4.3 绿色制造

4.4 敏捷制造4.5 生物制造 4.6 精益生产 4.7 智能制造 4.8 制造全球化和网络化

第4章 先进制造模式

4.1 虚 拟 制 造4.1.1 虚拟现实

虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)或称虚拟环境(Virtual Environment,简称VE)技术是由应用驱动的涉及众多学科的高 新实用技术，是在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口 技术、多媒体技术以及传感器技术的基础上发展起来的一门交 叉技术。它利用计算机生成一种模拟环境，并通过多种传感设 备使用户沉浸到该环境中去。虚拟现实系统旨在突破系统和用 户环境之间的界限，突破用传统方法表达事物的局限，使人们 不仅可以将任何想象的环境虚拟实现，并且可以在其中以自然 的行为与这种虚拟现实进行交流。虚拟现实又被称为幻境或灵 境技术。

第4章 先进制造模式虚拟现实技术具有以下特征： (1) 多感知性。多感知性就是说除了一般计算机所具有的

视觉感知外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实就是 应该具有人所具有的几乎所有的感知功能。

第4章 先进制造模式 (2) 沉浸感。沉浸感又称临场感、存在感，是指用户感到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该 达到使用户难以分辨真假的程度。这种沉浸感的实现是根据 人类的视觉、听觉的生理心理特点，由计算机产生逼真的三 维立体图像。用户戴上头盔显示器和数据手套等交互设备， 便可将自己置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一部分。 用户与虚拟环境中的各种对象的相互作用，就如同在现实世 界中一样。当用户移动头部时，虚拟环境中的图像也实时地 发生变化，拿起物体可使物体随着手的移动而运动，而且还 可以听到三维仿真声音。用户在虚拟环境中，一切感觉都是 那么逼真，有一种身临其境的感觉。

第4章 先进制造模式(3) 交互性。交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作 程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。例如，用户 可以用手去直接抓取环境中的物体，这时手有握着东西的感 觉，并可以感觉物体的重量，视场中的物体也随着手的移动 而移动。虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互， 用户不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互，而且能够通过 特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。计算机能根据用 户的头、手、眼、语言及身体的运动，来调整系统呈现的图

像及声音。用户通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，就能对虚

拟环境中的对象进行考察或操作。

第4章 先进制造模式(4) 自主性。自主性是指虚拟环境中的物体反映一般规律 的真实程度。例如，当受到力的推动时，物体会向施加力的

方向移动，或翻倒，或从桌面落到地面等。

第4章 先进制造模式4.1.2 虚拟制造的概念及分类 1.虚拟制造的概念

制造技术发展到今天，尽管比较成熟，但仍面临着许多新的需求，主要体现在如下方面：

(1) 人的需求、社会环境、生产竞争及生产技术的快速多变等令人无法预测，因此可以说制造业本身就处在一个湍流、 混沌多变的环境中，要求以高的柔性与之相适应。

第4章 先进制造模式(2) 发展以人为中心的组织模式，通过人机高度集成来提高 产品质量。制造活动对人类生存环境不可避免地会产生负面影 响，从可持续发展战略出发，发展绿色清洁制造以控制这些负 面影响是制造业发展的必然。 为了适应这些要求，自20世纪90年代以来，在制造领域产

生了许多新概念、新思路、新理论，虚拟制造技术就是其中之一。许多学者从不同侧面对虚拟制造进行了探讨性研究，并提 出了一系列相关定义。

第4章 先进制造模式例如，Kimura提出的虚拟制造的定义是：① 在相关理论和 已积累的知识的基础上对制造知识进行系统化组织；② 在此 基础上，对工程对象和制造活动进行全面建模；③ 在建立真 实制造系统前，采用计算机仿真来评估整个设计与制造活动； ④ 由评估来消除不合理结果；⑤ 对模型进行日常维护来实现

高质量的仿真。美国佛罗里达大学G.J.Wiens将虚拟制造定义为：虚拟制 造是这样一个概念，即与实际制造一样，只是在计算机上执 行制造全过程，其中虚拟模型是在实际制造之前用于对产品 的功能及可制造性的潜在问题的预测。

第4章 先进制造模式美国空军Wright实验室对虚拟制造的定义是：虚拟制造是仿 真、建模与分析技术及工具的综合应用，以增加各层次制造设 计和生产的决策与控制。 不难看出，虚拟制造技术可以理解为，借助计算机及相关 环境模拟产品的制造和装配过程。换句话说，虚拟制造就是把

实际制造过程，通过建模、仿真及虚拟现实技术映射到以计算机为手段的虚拟制造空间，实现产品设计、工艺规划、生产计 划与调度、加工制造、性能分析与评价、质量检验以及企业各

级的管理与控制等涉及产品制造本质的全部过程，以确定产品设计及生产的合理性，增强实际制造时各级的决策和控制能力。

第4章 先进制造模式由此可见，虚拟制造通过计算机提供的虚拟制造环境来 模拟和预测评估产品的功能和性能，可制造性等方面可

能存 在的问题，从而提高了人们的预测和决策水平。它为设计师 及制造工程师提供了从产品概念形成、结构设计到制造全过 程的三维可视和交互的环境，使制造技术走出了主要凭经验

的狭小天地，发展到了全方位预报的新阶段。

第4章 先进制造模式2.虚拟制造的分类 虚拟制造既涉及到与产品设计及制造有关的工程活动，

又包含与企业经营有关的管理活动，因此虚拟设计、生产和生产控制机制是虚拟制造的有机组成部分。按照这种思想， 虚拟制造可以分成三类，即以设计为中心的虚拟制造，以生 产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造。

第4章 先进制造模式(1) 以设计为中心的虚拟制造就是把制造信息引入到设计过程， 利用仿真技术来优化产品设计，从而在设计阶段就可以对所设 计的零件甚至整机进行可制造性分析，包括加工过程工艺分析， 铸造过程的热力学分析，运动部件的运动分析，数控加工的轨 迹分析，以及加工时间、费用和加工精度分析等。它主要解决 的是该产品的性能、质量、加工性以及经济性的问题。 (2) 以生产为中心的虚拟制造是在制造过程中融入仿真技术， 以评估和优化生产过程，快速地对不同工艺方案、资源计划、

生产计划及调度结果作出评价，其目标是产品的可生产性，主要要解决“这样组织和实施生产是否合理”的问题。

第4章 先进制造模式(3) 以控制为中心的虚拟制造是将仿真加到控制模型和实 际处理中，实现基于仿真的最优控制。其中虚拟仪器是当前的 热点问题之一，它是利用计算机软硬件的强大功能，将传统的 各种控制仪表、检测仪表的功能数字化，并可以灵活地进行各 种功能的组合，形成不同的控制方案和模块。它主要解决“如 何实现控制”的问题。

第4章 先进制造模式4.1.3 虚拟制造的体系结构 虚拟制造与其他制造概念有许多重叠之处，大体来看，主

要包括虚拟制造技术VMT(Virtual Manufacturing Technologe)和虚拟企业VE(Virtual Enterprise)两个部分。因此，在这里提出 了一个虚拟制造体系结构，如图4-1所示。它主要由三大部分

组成：VMT、VE和系统集成。

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图4-1 虚拟制造体系结构

第4章 先进制造模式1.虚拟制造技术VMT

VMT是由多学科知识形成的综合系统技术，其本质是以计 算机支持的仿真技术为前提，对设计、制造等生产过程进行统一 建模，在产品设计阶段，适时地、并行地模拟出产品未来制造全 过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、产品制造技术、产 品的可制造性、产品的可装配性，从而更有效、更经济、柔性灵 活地组织生产，使工厂和车间

的设计与布局更合理、更有效，以 达到产品的开发周期和成本的最小化，产品设计质量的最优化， 生产率的最高化。因此，虚拟制造技术可以通俗而形象地理解为： 在计算机上模拟产品的制造和装配过程。借助于建模和仿真技术， 在产品设计时就可以把产品的制造过程、工艺设计、作业计划、 生产调度、库存管理以及成本核算和零部件采购等生产活动在计 算机屏幕上显示出来，以便全面确定产品设计和生产的合理性。

第4章 先进制造模式虚拟制造技术是一种软件技术，它填补了CAD/CAM技术 与生产过程和企业管理之间的技术鸿沟，把企业的生产和管理 活动在产品投入生产之前就在计算机屏幕上加以显示和评价， 使设计员和工程师能够预见可能发生的问题和后果。基于计算 机模拟的产品开发环境使得人们能够在“真实地生产产品”之

前“虚拟地生产产品”。零件生存周期的模拟将提供精确的数据，这些数据将排除开发难制造的或不能制造的产品设计。 AM被称为21世纪美国制造业的发展战略，而其关键技术之一

就是虚拟制造技术。

第4章 先进制造模式 2.虚拟企业VE虚拟企业也称虚拟公司，是虚拟制造环境下的一种企业生 产模式和组织模式，是一种企业的合作伙伴关系。这些企业以 快速响应市场机遇的快速配套、多重关系的网络形式所组成。 合作伙伴在地域上可能是分布在不同地方，具有不同的规模和 技术组合，对虚拟企业贡献其核心的能力，提高以准时方式提 供价廉质优的产品的能力。它把不同地区的合作伙伴的现有资 源，利用网络通信技术迅速组合成为一种跨企业、跨地区的统 一指挥、协调工作的经营实体。有些学者把它看成是AM的核 心，因为AM的主要思想是充分意识到小规模、模块化的生产 方式。一个公司不追求全能，而应追求很有特色的、很先进的 局部优势，当市场上新的机遇出现时，组织几个有关公司合作， 各自贡献特长，以最快的速度、最优的组合赢得这一机遇，完 成之后又独自经营。

第4章 先进制造模式3.系统集成 系统集成是综合建模和仿真、虚拟企业中产生的信息，并以 数据、知识和模型的形式，通过建立交互通信的网络体系，支 持分布式的、不同计算机平台的和开放式的虚拟制造环境。其 目标是为合作伙伴制造企业的活动提供一个紧密集成的健壮结

构和工具，并使虚拟企业共享合作伙伴企业的技术、资源和利益，以达到最大的敏捷性，即“在连续变化的、不可预见的环 境里茁壮成长的能力”。通过国际互联网络交换合作伙伴之间

的信息，是虚拟企业成功的关键问题。在这样一个虚拟企

业里的合作伙伴通过建立基于Internet的Web服务器，共享产品、工 艺过程、生产管理、零部件供应和产品销售和服务等信息。

第4章 先进制造模式4.1.4 虚拟制造的关键技术 1. 软件方面的关键技术

● 可视化技术：以一种易理解的、有意义的虚拟方式向用户显示不同信息。 ● 环境构造技术：开发一种像通用操作系统那样的环境，以 便于促进可视化和其他VM功能。 ● 信息描述技术：采用不同的方法、不同的语义或浯法表达 不同的信息。 ● 集成结构技术：定义、开发和建立位于模型交互基础上

的模型。

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