VM技术在制造业中的应用

2015-4-1 07:52| 编辑:电工学习网| 查看: 5959| 评论: 0

一个产品从概念设计到投放市场，即产品的生产周期按时间顺序可分为概念设计、详细设计、加工制造、测试和培训／维护，VM技术可以在产品的全部生产周期中各个阶段发挥重要的作用。VM技术（Virtual Manufacturing Technology）首先在飞机、汽车等领域获得成功的应用。目前VM技术主要应用在以下几个方面。
    1、虚拟企业
    虚拟企业建立，其中有一条最重要的原因是因为各企业本身无法单独满足市场需求，迎接市场挑战。因此，为了快速响应市场的需求，围绕新产品开发，利用不同地域的现有资源、不同的企业或不同地点的工厂，重新组织一个新公司。该公司在运行之前，必须分析组合是否最优，能否协调运行，并对投产后的风险、利益分配等进行评估。这种协作公司称为虚拟公司，或者叫动态联盟，是一种虚拟企业，它具有集成性和实效性两大特点的经济实体。
    虚拟企业的特征是：①企业地域分散化。虚拟企业从用户订货、产品设计、零部件制造，以及总成装配、销售、经营管理都可以分别由处在不同地域的企业，按契约互惠互利协作，进行异地设计、异地制造、异地经营管理。②企业组织临时化。虚拟企业是市场多变的产物。为了适应市场环境的变化，企业组织结构也要及时反映市场动态，虚拟企业注重短期利益。当产品方向更换、联盟伙伴之间利益改变或企业追求目标变更时，企业要调整组织结构，或者立即解散，重新再组织新的虚拟企业。③企业功能不完整化。一个完整的企业，应具有从企业管理、设计、制造一直到市场销售、售后服务等完整的全部功能。但在虚拟企业不需要机构功能完整，它以各种方式借用外部力量来进行组合和集成。因为虚拟企业是动态联盟形式，突破企业的有形界限，利用外部资源加速实现企业的市场目标。传统的外协加工是一种原始的虚拟企业行为。④企业信息共享化。构成虚拟企业的基本条件之一，就是组成企业伙伴之间的计算机互联网。根据具体情况，可以是国际互联网，局域网或企业内部网，及时的沟通信息，包括产品设计、制造、销售、管理等信息，这些信息是以数据形式表示，能够分布到不同的计算机环境中，以实现信息资源共享，保证虚拟企业各部门步调高度协调，在市场波动条件下，确保企业最大整体利益。
    虚拟企业的主要基础是：建立在先进制造技术基础上的企业柔性化；在计算机上制造数字化产品，从概念设计到最终实现产品整个过程的虚拟制造；计算机网络技术。上述3项内容是构成虚拟企业不可缺少的必要条件。
    虚拟企业这种先进制造模式，在先进国家的部分企业已经运行。例如美国Ultra Comm公司是生产电子产品的虚拟企业，在美国各地有60多家，数以千计的雇员组成的虚拟电子集团，公司本身只有几名雇员，该公司采用分散设计和制造方式，不同的产品选用不同企业，依靠网络技术组成的经济实体，实现市场目标。又如总部设在香港的鑫港公司，是一家国际化企业，以制造销售电话机为主的电讯产品，总部从事新产品开发、研制、销售和管理等，在国内厦门经济特区宏泰科学工业园制造。
    在面对多变的市场需求下，虚拟企业具有加快新产品开发速度，提高产品质量，降低生产成本，快速响应用户的需求，缩短产品生产周期等优点。因此虚拟企业是快速响应市场需求的部队，能在商战中为企业把握机遇和带来优势。
    2. 基于VM技术的产品开发
    VM的沉浸性和交互性特性使得它成为用来设计新产品和开发相应生产线的得力工具。首先考虑一下设计并构造一个新产品原型所需要的时间。在设计过程中，设计师要考虑到产品的各个方面，以满足一定的安全性、人机工程学、易维护性和装配标准。因此，设计过程中严格地受到生产、时间和费用的限制。VM能完成比CAD更多的功能，CAD通常只考虑产品各个子部件的几何特征和相互间的几何约束。而在VM中，可以将以上提到的多种所需满足的条件集成到设计过程中一并考虑，我们还能适当减少子部件数目，甚至可以按比例放缩部件尺寸，这大大降低了设计费用和原型构造时间，更进一步的达到产品用户化的目标。
    例如，在飞机制造业中，为评测某飞机设计方案的优劣，要建立一系列与真实产品同尺寸的物理模型，并在模型上进行反复修改，这要花去大量时间和费用，而在过去是不可避免的。如今美国波音公司在飞机设计中运用VM技术完全改变了这种设计方法。波音公司为设计波音777飞机，研制了一个名为“先进计算机图形交互应用系统”的虚拟环境，用VM技术在此环境中建立一驾飞机的三维模型。这样设计师戴上头盔显示器就可以在这驾虚拟飞机中遨游，检查“飞机”的各项性能，同时，还可以检查设备的安装位置是否符合安装要求等等。最终的实际飞机与设计方案相比，偏差小于千分之一寸，机翼和机身的接合一次成功，缩短了数千小时的设计工作量。
    同样，其它大型、复杂的产品如船舶、潜艇设计等都可以运用VM技术达到节约设计费用和时间提高设计成功率的目标。
    采用VM技术设计产品还有以下优点：产品用户化的一个不利效应是增加了模型的变量数目，也就相应地增加了生产的复杂度。VM可在要加工的部位加上纹理和图形信息，这对机械制造起到很好的向导作用。同样的过程可辅助训练和指导生产者，使他们能很快胜任新工作。虚拟环境的网络化可对某一项目合作组的成员进行设计、生产训练。这些合作组的成员可以在同一个或不同工厂里，甚至是来自院校的专家和国外顾问。
    3、虚拟产品制造
    应用计算机仿真技术，对零件的加工方法、工序顺序、工装的选用、工艺参数的选用，加工工艺性、装配工艺性、配合件之间的配合性、连接件之间的连接性、运动构件的运动性等均可建模仿真，可以提前发现加工缺陷，提前发现装配时出现的问题，从而能够优化制造过程，提高加工效率。
    4. VM技术在制造车间设计中的作用
    目前众多的制造系统可按递阶控制层次分为四层：工厂层、车间层、制造单元层、设备层，其中车间层的设计与车间中设备的利用率、产品的生产效率等密切相关，如果设计不当，就会造成设备利用率低、车间产量不能满足用户需求、操作人员的空闲时间多。所以，如何合理地设计制造车间，保证它的高效运行是一个非常重要的问题。采用VM技术能提高设计的可行性、有效性。车间设计的主要任务是把生产设备、刀具、夹具、工件、生产计划、调度单等生产要素有机地组织起来。
    在车间设计的初步阶段，设计者根据用户需求，确定车间的功能需求、车间的模式、主要加工设备、刀具和夹具的类型和数量，提出一组候选设计方案。VM的作用就是帮助设计者评测、修改设计方案，得到最佳结果。
    在详细设计阶段，设计者完成对各个组成单元的完整描述，运用VM造型技术生成各个组成单元的虚拟表示，并进而用这些虚拟单元布置整个车间，其中还可加上自动导引小车、机器人、仓库等车间常用设备。设计者戴上头盔显示器就可穿行于虚拟车间之中，他可以开启其中的任何设备，观测运行情况，凡是他能想到的检测条件都立即能看到检测结果。（http://www.diangon.com/版权所有）他还可以在视察时交互式地修改设计方案，比如移动设备的位置，增加／删除设备的个数，这种“所想即所见”的设计方式极大地提高了设计的成功率。
    5. VM技术在生产计划安排上的应用
    生产计划安排的可视化对于制造决策是极其有用的，但目前它还未能完全实现。使用VM技术，可将成百上千件产品、成千上万个零部件和许多其他生产要素可视化，辅助计划者更好地评价、选择生产计划。
    计算机产生的图像可将计划者的大脑负担转移到他们的感官系统，这就加快了工作进程。生产计划数据变成立体的或多维的图形，可表达复杂的内部关系。
    但问题并不是那么简单，不能只简单地用某种图形来表示每种数据和数据之间的关系，否则只会生成一幅杂乱无章的图像。在绘制之前，要先进行视觉抽象，在2维平面上用一种形体代表一种数据，这种形体要满足：
    ⑴ 支持视觉感知；
    ⑵ 构造有效的视觉表示以便于各种层次的解释；
    ⑶ 保证结果图像要便于商业经理理解和使用。
    综上所述，虚拟制造技术在企业中的应用可以带来很多效益。虚拟企业可以增强企业柔性，满足客户的特殊要求，形成企业的市场竞争优势。虚拟产品设计可以提高设计质量、优化产品性能，缩短设计周期。虚拟产品制造可以提高制造质量，优化工艺过程，缩短制造周期。虚拟生产过程可以优化资源配置、物流管理、缩短生产周期，降低生产成本。

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