（机械制造及其自动化专业论文）虚拟加工系统可重构建模研究.pdf

中文摘要 虚拟加工是虚拟制造技术体系的重要组成部分，它要求有一个具有三维可 视化虚拟加工环境，并能对产品加工提供全方位的、集成的仿真分析，以对工 艺参数的合理性、产品的加工质量等做出评价。 本文在详细分析了虚拟制造对虚拟加工的技术要求基础上，提出了可重构、 可扩展的虚拟加工系统模型结构，并分析讨论了实现虚拟加工的关键技术，指 出可重构的虚拟加工环境的建立是实现虚拟加工系统的基础和难点。论文主要 工作如下： 为解决可重构虚拟加工环境的建模问题，本文在全面分析可重构虚拟加工 环境的建模需求和建模特点基础上，提出了可重构虚拟加工环境层次建模方法， 将可重构虚拟加工环境的建模分解成为三个子专题：一、可重用的零部件几何 模型的建立，二、虚拟加工设备的建模，三、支持重构的虚拟加工环境模型数 据库的设计，并分别对之进行了详细的分析设计。运用v i s u a lb a s i c6 0 与最广 泛使用的三维设计软件s o l i d w o r k s 应用程序接口相结合，建立了一个可重构的 加工中心虚拟装配零件库，用于对加工中心虚拟装配零部件信息进行查询和对 虚拟装配零部件进行重构。经过修改的模型，还运用s o l i d w o r k sa p i 和v b 语言， 在s o l i d w o r k s 中重新生成装配零部件模型。 以上述研究为基础，我们开发的可重构虚拟加工环境建模系统，并给出了 该建模系统的运行实例。 关键词：虚拟制造；虚拟加工环境；虚拟加工设备；几何建模；层次建模； 可重构 a b s t r a c t v i r t u a lm a c h i n i n gi sav e r yi m p o r t a n tp a r ti ns y s t m a t i z e dt e c h n i q u e sa b o u t v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g i tr e q u e s t sa3 dv i r t u a lm a c h i n i n ge n v i r o n m e n tw h i c hs u p p l i e s p a n o r a m i c ，i n t e g r a t e ds i m u l a t i o na n da n a l y s i sf o rt h ep r o c e s s i n go fp r o d u c ts o 髂t o e v a l u a t et h er a t i o n a l i t yo fm a c h i n i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sa n dt h em a c h i n i n gq u a l i t yo f p r o d u c t i nt h i sp a p e r , ar e c o n f i g u r a b l ea n de x t e n d a b l ev i r t u a lm a c h i n i n ga r c h i t e c t u r ei s p u tf o r w a r db a s e do nt h ed e t a i la n a l y s i so ft h er e q u e s tf o rv i r t u a lm a c h i n i n gm a d eb y v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g n ek e yt e c h n o l o g i e sr e l a t e dt or e a l i z ev i r t u a lm a c h i n i n ga r e a l s od i s c u s s e d ，a m o n gw h i c ht h em o d e l i n go fr e c o n f i g u r a b l ev i r t u a lm a c h i n i n g e n v i r o n m e n ti st h eb a s ea n dt h ed i f f i c u l tp o i n t n ee m b o d i m e n to ft h ec o n t r i b u t i o n s m a yb es u m m a r i z e da sf o l l o w s i no r d e rt o i m p l e m e n tt h em o d e l i n go fr e c o n f i g u r a b l e v i r t u a lm a c h i n i n g e n v i r o n m e n t ，a ne f f i c i e n tv i r t u a lm a c h i n i n ge n v i r o n m e n th i e r a r c h i c a lm o d e l i n g m e t h o ds u p p o r t i n gr e c o n f i g u r a t i o ni sp u tf o r w a r db a s e do na n a l y s i so fr e q u i r e m e n t s a n dc h a r a c t e r i s t i c so fr e c o n f i g u r a b l e3 dv i r t u a lm a c h i n i n ge n v i r o n m e n t m o d e l i n g t h r e es u b j e c t so ft h em o d e l i n go fr e c o n f i g u r a b l ev i r t u a lm a c h i n i n g e n v i r o n m e n ti n c l u d i n g ：f i r s t l y , g e o m e t r ym o d e l i n go fr e u s a b l ep a r ta n dc o m p o n e n t ： s e c o n d l y , m o d e l i n go fv i r t u a lm a c h i n i n gd e v i c e ；t h i r d l y , d e s i g no fd a t am a n a g e m e n t s y s t e mi nr e c o n f i g u r a b l ev i r t u a lm a c h i n i n ge n v i r o n m e n t , a r es t u d i e da n dc o n f i g u r e d b yo b j e c t - o r i e n t e dm e t h o di nd e t a i l u s i n gp r o g r a mw i t hv i s u a lb a s i c6 0l a n g u a g e a n ds o f t w a r es o l i d w o r k sw h i c hw i d e l yu s e di nt h r e e - d i m e n s i o n a ld e s i g na n d s i m u l a t i o n ，t oa b s t r a c ta n dt r a n s f e rt h ea s s e m b l ym o d e li n f o r m a t i o n ，c r e a t ea r e c o n f i g u r a b l ev i r t u a la s s e m b l ys y s t e mp a r td a t a b a s et oi n q u i r ea n dr e c o n f i g u r et h e v i r t u a la s s e m b l yp a r t a f t e rt h er e v i s i o n ，w ea l s oc a nr e a s s e m b l et h e mi nt h e s o l i d w o r k se n v i r o n m e n tb ys o l i d w o r k sa p ia n dv bp r o g r a m a c c o r d i n gt ot h e s e t h e o r i e sw eh a v ed e v e l o p e dar e c o n f i g u r a b l ev i r t u a lm a c h i n i n ge n v i r o n m e n ts y s t e m o fm a c h i n i n gc e n t e ri no u rl a b b a s eo nt h ea b o v es t u d y , u n i v e r s a lv i r t u a lm a c h i n i n gs i m u l a t i o na n da n a l y s i s w e r es e tu pi nt h i sp a p e ra n dac a s ea l s oi n t r o d u c e di ni t k e yw o r d s ： v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ：v i r t u a lm a c h i n i n ge n v i r o n m e n t ；v i r t u a l m a c h i n i n gd e v i c e ；g e o m e t r ym o d e l i n g ：h i e r a r c h i c a lm o d e l i n ；r e c o n f i g u r a b l e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞苤鲎或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：妻名叁超l 签字日期：j 彩年厂多月易日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留i 使用学位论文的规定。 特授权苤盗蠢堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 虢绷 翩签名磁 签字日期：缉2 - 月6 日 7 签字日期2 秽母，明“日 第一章绪论 1 1 虚拟制造技术 第一章绪论 制造业是一个国家国民经济的支柱，对发展经济、社会以及文化诸方面有 着十分巨大的和深刻的影响n 2 1 。从各种传统产业到新兴产业如信息产业、生物 产业、航天产业等的进步，都离不开制造技术的进步。为此，世界各国都对制 造业的发展以及制造技术水平的提高非常重视，投入了相当多的人力物力。 随着社会经济的发展科技的进步，制造业的经营策略发生了很大的变化， 先后经历了2 0 世纪3 0 一6 0 年代的“规模效益第一一、7 0 年代的“价格成本第一 、 8 0 年代的“制造质量第一一以及2 0 世纪9 0 年代以来的“时间、个性化第一一 各个阶段。现在，多品种、小批量、定制型的生产成了制造生产模式的主导形 式，而快速变化、日益激烈的市场竞争对制造业提出了更为苛刻的t q c s e ( t 时 间、q 质量、c 成本、s 服务、e 环境) 要求，即以最快的上市速度( t i m e t o m a r k e t ) ， 最好的质量( q q u a l i t y ) 、最低的成本( c c o s t ) ，最优的服务( s s e r v i c e ) 来满足 不同顾客的需求，同时不对环境( e e n v i r o n m e n o 产生不良影响。为了适应制造 生产模式的发展，制造技术必须不断吸收着计算机、信息、自动化、新材料、 新能源和现代系统管理技术的最新成果乜3 】。 信息技术的发展为各行各业产生了革命性的推动作用。信息技术对制造技 术的进步同样起着巨大的推动作用，多年来的实践证明，将信息技术应用于制 造业，进行传统制造业的改造，是现代制造业发展的必由之路。 自7 0 年代以来，c a d 技术是众多计算机应用技术中推广应用最为深入和最 为广泛的专业应用领域之一，特别在制造业中的影响力更为突出。8 0 年代初， 以信息集成为核心的计算机集成制造系统( c i m s ，c o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 开始得到实施；8 0 年代末，以过程集成为核心的并行工程 ( c e ，c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 技术进一步提高了制造水平；进入9 0 年代，先进 制造技术进一步向更高水平发展，出现了虚拟制造、精益生产( l p ，l e a n p r o d u c t i o n ) ，敏捷制造( a m ，a g i l em a n u f a c t u r i n g ) ，虚拟企业( v e ，v i r t u a l e n t e r p r i s e ) 等新概念。 尽管各种新的制造概念的侧重点不同，但都无一例外地强调了充分利用现 代信息技术的成果。但是，当人们试图利用信息技术工具解决制造系统的问题 第一章绪论 时，必然会遇到制造系统和信息系统之间的“语义鸿沟刀( s e m a n t i cg a p ) h 1 。也 就是说，必须解决如何用信息工具描述制造系统、处理制造活动，如何在信息 世界完整地再现真实的制造系统等等。 虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本质映射，是沟通信息系统与制造 系统的桥梁，为沟通信息技术与制造系统间的“语义鸿沟 提供了有效的工具 和环境，它能够提供给我们有效的制造系统及制造活动信息化方法，使制造系 统的产品及其制造过程数字化，以便计算机系统处理。 因此，在这些诸多新概念中，“虚拟制造 引起了人们的广泛关注，不仅在 科技界，而且在企业界，已经成为研究和应用的热点之一睁1 5 】。 1 1 1 虚拟制造技术的定义 虚拟制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ，v m ) 是一个新兴事物，现在对虚拟制造的 定义多种多样n 盯：美国佛罗里达大学g l o r i aj w i e n s 等人对虚拟制造的定义侧重 于虚拟制造与实际制造过程的相似性，认为虚拟制造与实际制造一样，只不过 是在计算机上执行制造的全过程，其中虚拟模型是在实际制造之前用于对产品 的功能及可制造的潜在问题进行预测；而美国空军w r i g h t 实验室和马里兰大学 e d w a r dl i n 的定义则侧重于虚拟制造的仿真、建模与分析技术和工具的综合应 用，以增强各层的制造设计能力及生产决策与控制能力。 综合以上定义，不难看到：虚拟制造是实际制造过程在计算机上的映射， 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，利 用计算机群组协同的工作，实现装配零部件设计、工艺规划、生产加工、装配 性能分析、装配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n 刀。 由此可见，虚拟制造是通过计算机虚拟制造环境来模拟和预估产品功能、 性能、可加工性及可装配性等各方面可能存在的问题，从而提高了人们的预测 和决策水平，它为工程师们提供了从产品的概念形成、设计到制造全过程的三 维可视及交互的环境，使得制造技术走出主要依赖于经验的狭小天地，发展到 了全方位预报的新阶段。 v m 以信息技术、仿真技术、虚拟现实技术为基础，借助于虚拟环境中获取 的各种信息，在产品设计或制造系统的建造实现之前，就能使人体验到未来产 品装配的性能或者装配系统的状态，从而可以做出预见性的决策与优化实施方 案。它集成和综合了可运行制造的环境：包括各种分析工具、仿真工具、应用 工具、控制工具、信息模型、设备、组织协同工作的方法等，用来改善从装配 2 第一章绪论 产品的概念设计到动态仿真到回收利用的各个阶段。 1 1 2 虚拟制造技术的产生背景和发展现状 虚拟制造出现的经济背景是产品开发对市场的快速响应的需求，这已成为 9 0 年代以来的竞争焦点，并使虚拟制造在9 0 年代受到极大重视并获得迅速发展。 w 出现的技术背景，是计算机技术和信息技术的迅速发展。因此近几年来，工 业发达国家均致力于虚拟制造的研究与应用。 国外研究情况：由于虚拟制造技术具有诱人的应用前景，促使发达国家对 其进行深入研究，并已经出现许多成功的应用范例。国外以美国为首的西方工 业国家成立了相应的虚拟制造研究机构，在9 5 年前已经基本完成应用基础技术 的研究，建立了虚拟制造技术体系，正向实际应用全面过渡。 1 、美国对虚拟制造技术的研究n 盯 虚拟制造的概念最早由美国在九十年代初提出，一问世就立即引起了大学 科研机构以及企业界的高度重视，将其视为2 1 世纪的先进制造模式，在其后的 几年中，一些主要的科研机构和知名企业纷纷组织人力物力开始关键技术的攻 关，取得了一些初步成果，尤以n i s t ( n a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n d t e c h n o l o g y ) 的研究最具代表性。 n i s t 于1 9 9 4 年开始着手与大学科研机构、知名企业以及政府部门合作进行 虚拟制造方面的研究，启动了一个长期项目s i m a ( s y s t e mi n t e g r a t i o no f m a n u f a c t u r i n ga p p l i c a t i o n s ) 希望通过此项目建立虚拟制造系统的信息基础结构。 s i m a 覆盖了设计、加工、装配、过程建模、车间控制和调度等与制造有关的方 方面面的活动，着重进行制造信息描述、系统接口规范的研究和相应测试床的 开发典型子项目有：计算机支持的协同设计( c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ) 、设计实例 库( d e s i g nd e p o s i t o r y ) ，制造资源的数据表示( m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e sd a t a r e p r e s e n t a t i o n ) 、以网络为中心的计算机辅助设计与制造( n e t w o r k c e n t r i c c o m p u t e ra i d e dd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g ) 、开放式的装配设计环境( o p e na s s e m b l y d e s i g ne n v i r o n m e n t ) 、工程设计测试床( e n g i n e e r i n gd e s i g nt e s tb e d ) 等。 另外，n i s t 还进行了以控制为中心的虚拟制造的研究，建立了虚拟的制造 单元和虚拟制造测试床，对各种制造单元的控制策略和制造设备的控制策略进 行评估。s a n d i a 实验室也进行了类以的研究，只是他们通过将同一种控制策略分 别用于实际制造单元和虚拟制造单元，通过结果分析来判断虚拟制造单元的有 效性。 2 、日本对虚拟制造技术的研究 3 第一章绪论 日本的虚拟制造研究主要在两个大学中进行：东京大学和大阪大学，他们 的研究主要集中在虚拟制造环境的构造上，其中以东京大学k i m u r a 教授领导的 小组和大阪大学的o n o s a t o 教授领导的小组为代表。 k i m u r a 教授领导的小组认为以模型驱动的系统和模块化配置系统是虚拟制 造的关键内涵。其中的关键问题不是针对某个分析或制造系统建立的专用模型， 而是集成建模问题，因此建立一个综合的模型表示框架实现各种模型的集成与 互操作就成为他们的研究重点之一。大阪大学的o n o s a t o 教授领导的小组从1 9 9 1 开始用了一年时间于1 9 9 2 年建立了v i r t u a l w o r k s ，它是一个构建工厂模型的建 模与仿真工具。目前仍然主要集中于车间层的虚拟制造系统的研制与开发，着 力于提高v i r t u a l w o r k s 的人机交互的自然性、改善接口的开放性和仿真的并行性 与分布性。 3 、欧洲国家对虚拟制造技术的研究 在欧洲，许多大学和研究机构通过相互间的合作并联合企业进行虚拟制造 技术的研究工作。英国b a t h 大学机械工程系的研究方向之一制造过程及系统将 虚拟制造列为一项研究内容。其虚拟制造研究的主要侧重点在支持虚拟制造的 c a d c a m 仿真软件的开发应用方面。主要的成就在于用o p e ni n v e n t o r2 0 软件 工具开发出了基于自己的s v l i s 几何造型工具的虚拟制造系统；英国l e e d s 大学 计算机研究学院的研究主要集中在虚拟原型的构造和仿真以及可视化技术方 面；英国h e r r i o t w 撕大学机械与化学工程系的虚拟制造研究小组从1 9 9 3 年开 始虚拟现实技术的研究，目前正从事与虚拟装配有关的一系列研究工作，他们 的目标是为工业应用提供各种虚拟现实工具，最终实现虚拟原型。有关的项目 有运用浸入式虚拟现实技术设计和定位电缆套索，虚拟装配规划和知识获取， 虚拟环境中的对象形变研究，虚拟环境中的冲突检测研究，基于特征识别的n c 零件编程，基于特征的设计，虚拟测试等；芬兰p o h j o i s s a v o 理工学院正在从事 虚拟工厂项目的研究等。 国外，一些企业如波音公司、空中客车、福特和克莱斯勒公可等己经初步 实施虚拟制造技术，并已取得了显著成效。其中最著名的案例是波音7 7 7 的研 制，其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均在高性能工作 站上通过数字样机完成的，偏差小于千分之一英寸，整个开发周期从传统的8 年时间缩短到5 年，在一架样机未生产的情况下就获得了订单。其研究过程的 成功震动了全球，成为制造业发展的一个新的里程碑。 国内研究状况n 蚴】：近几年来，虚拟制造已经引起我国科技工作者的注意， 据资料表明，目前全国已经有3 0 多家科研机构、高等院校和企业从事这方面的 研究。国家8 6 3 c i m s 主题组也将“制造系统的可视化、虚拟建模与仿真刀确定 4 第一章绪论 为研究重点；国家自然科学基金也有专门的研究课题。1 9 9 8 年8 月，“虚拟制造 技术研讨与演示会刀在北京举行，标志着该领域的研究己经初具规模。但总体 而言，有关虚拟制造技术的研究还处在技术跟踪阶段，主要集中在以下四方面。 1 ) 虚拟制造基础研究 虚拟制造涉及的技术领域极其广泛，从产品建模、过程建模、可交换数据 模型到分布式仿真、离散事件仿真、面向对象方法、人工智能、虚拟现实及计 算机网络技术等等。这些技术构成了虚拟制造的技术基础。当然，有些技术并 非虚拟制造所特有，相关研究已经展开和应用。在虚拟制造概念下，这些技术 也具有了新的内涵，虚拟制造技术也不是各单项技术的简单组合，而是在相关 理论和已积累知识的基础上对制造知识的系统化组织，需要进一步深化。 2 ) 产品虚拟设计技术 主要包括虚拟产品开发平台、虚拟测试、虚拟装配以及机床、模具的虚拟 设计实现等。其中清华大学在国家8 6 3 c i m s 主题重大关键技术攻关项目的支持 下，开展了剑杆织机的虚拟产品开发，进行了剑杆织机的三维数字建模及产品 性能分析、加工过程仿真、虚拟装配技术等方面的研究与应用，并建立了具有 相当共性的支持创新设计的虚拟产品开发环境。 3 ) 产品虚拟加工技术 主要包括加工过程仿真、材料热加工工艺模拟、板材成型模拟、模具制造 仿真等。清华大学国家c i m s 中心、哈尔滨工业大学、华中科技大学、西北工业 大学、上海交通大学等都研制出一些这方面的仿真软件，有的已在工程项目中 的得到应用，取得了良好的效果。 4 ) 虚拟制造系统 主要包括虚拟制造技术的体系结构、技术支持、开发策略等。其中提出了 比较成熟的思想并可能实现的是由上海同济大学张曙教授提出的分散网络化生 产系统和西安交通大学谢友柏院士组建的异地网络化研究中心。清华大学、上 海交通大学等分别提出了各具特色的虚拟制造体系结构。 1 1 3 虚拟制造的层次、体系结构及特点 虚拟加工的内涵和外延在经过全面扩展之后已经成为虚拟制造技术中非常 重要的组成部分，下面将从三个不同侧面论述虚拟加工在虚拟制造技术中的地 位。 一、虚拟制造的层次 虚拟制造可以分为三个层次：宏观层、中观层、微观层 第一章绪论 1 ) 宏观层 指能够覆盖从产品需求、产品虚拟设计、产品虚拟生产到产品虚拟消费、 报废循环的整个过程，包含产品生产企业的所有活动以及用户的消费过程，这 就需要表达整个制造系统中的物流、信息流、能量流，以及系统各单元间的关 系、约束机制等，是指高层次大系统仿真。 2 ) 中观层 指对加工环境的仿真，包含生产系统的虚拟布局、虚拟调度等生产系统的 仿真，也包含零件的加工过程仿真，如刀具轨迹、加工过程仿真等； 3 ) 微观层 指加工过程中制造系统被加工件的各种微观特性的变化，如磨削加工中工 件表面状态的变化，铸造( 锻压) 成型过程中材料的微观现象仿真等等。 由此可见虚拟制造的中观层和微观层都属于或部分属于虚拟加工技术的范 畴。 二、虚拟制造的体系结构 虚拟制造是一个尚在发展中的极其复杂的系统，国内外先后出现了多种各 具特色的体系结构。但无论哪一种体系机构都无一例外的把虚拟加工摆在了重 要的位置。 根据虚拟加工在虚拟制造技术体系中的地位，以及虚拟制造对虚拟加工技 术的要求，我们提出了虚拟制造系统的体系结构如图1 - 1 所示。该体系结构具 有可重构性和可扩展性，并且能很好反映虚拟制造体系中其它部分如虚拟产品 设计等的联系。该体系结构分为三层：界面层、功能层和数层。各层的内容说 明如下： 1 ) 界面层： 界面层是用户和系统交互的接口，用户可以根据设计出的虚拟产品及加工 工艺交互式地去查询各类模型库，去建立所需的零件模型、虚拟加工设备及虚 拟加工环境，还可以获取仿真分析的结果等。 2 ) 功能层： 功能层是一个应用工具集，从右至左的三大工具集模块分别用于：获取虚 拟制造中产品设计模块的设计成果( 产品模型及工艺) ，这是虚拟加工环境建立 的依据；根据设计出的产品模型和工艺建立所需要的零部件模型、加工设备模 型以及加工环境模型，该建模工具集支持模型的重用及重构；在建立的虚拟加 工环境基础上进行仿真分析，以对产品可加工性及工艺参数的合理性做出评价。 6 第一章绪论 界面层： 功能层： 数据层： 图i - i 虚拟制造系统的体系结构图 3 ) 数据层： 数据层用于记录产品数据、构成加工环境的各种模型数据以及加工仿真分 析的过程数据等。数据层是功能层的支撑。 三、虚拟制造技术的特点 由于虚拟制造系统是一个虚拟的产品设计、开发与实现过程，因而与实际 制造过程相比，它具有如下主要特征： 1 集成度高在计算机虚拟制造环境中，可进行产品的设计、制造、测试， 甚至设计人员或用户可“进入 虚拟制造环境中检验其设计、加工、装配等操 作。 2 ，灵活敏捷开发的产品( 部件) 可存放在计算机里，不但可以大大节省仓 储费用，更能根据用户需求或市场变化快速改型设计，投入批量生产，从而缩 短新产品的开发时间，提高质量，降低成本； 3 分布合作可使分布在不同地点、不同部门、不同专业的人员在同一个产 品模型上同时工作，相互交流，信息共享，减少大量的文档生成及其传递的时 间和误差，从而使产品开发能够快捷、优质、低耗的响应市场变化 1 2 可重构制造系统 对于什么是可重构制造系统，至今学术界没有其明确的定义。并且随着可 重构制造系统研究的深入，这一概念的内涵与外延仍在不断的扩展。在1 9 9 9 年 的c i r p 年会上，美国m i c h g o n 大学的k o r e n 教授等给出可重构制造系统定义： 第一章绪论 为响应市场或不规则需求的突然变化，迅速调整在一个零件族内的生产能力和 功能性，首先为快速改变结构以及硬件与软件组元而设计的一种可重构制造系 统。将可重构制造系统定义为“能适应市场需求的产品变化，按系统规划的要 求，以重排、重复利用、更新组元或子系统的方式，快速调整制造过程、制造 功能和制造生产能力的一类新型可变制造系统。它是基于可利用的现有的或可 获得的新机床设备和其它组元，可动态组态的新一代制造系统。一般一条可重 构制造系统相当于几条传统的制造系统。一 对可重构制造系统这一概念的内涵与外延还有一些不同的说法。一种说法 认为可重构制造系统是适应今天和明天先进制造发展的新一代技术群体中一种 重要而适用的技术。它与传统的制造系统规划、设计和建造的区别在于：企业随 时根据产品变化，由产品工艺过程变化驱动的快速组态规划和设计，在专门的 多功能小组( t e a m ) 支持下快速实施的、系统的动态组态( 重构) 是建立在公共地 基、可随时移动又保证组态后性能的机床设备和组元基础上的，是少投资、可 重复利用的，是最优化布置和物流合理的，是保证质量、设备运行可靠、短交 货期和较低成本的，是可改进与更新的开放系统，其存在寿命期由产品状况决 定的一种新的可变制造系统。另一种说法认为可重构制造系统首先体现的是一 种制造哲理，它首先提供了一种制造系统如何组织、控制、管理和运作的指导 性框架。可重构制造系统的体系结构涉及可重构制造策略、组织可重构能力、 业务过程重构、产品的可重构性与可重构信息平台等多个方面。还有一种说法 认为可重构的复杂生产制造系统是一类包含若干功能可重组的智能制造单元的 复杂生产制造系统，其内部具有功能分散、逻辑关系复杂、工作区间重叠、并 发性强、多目标、约束复杂、连续和离散过程并存等特点。它通过优化生产制 造过程中设备单元之间的协调方式，调整产品的制造流程，从而保证生产制造 过程迅速适应不同产品的生产需要，实现敏捷化生产。 尽管存在着对可重构制造系统的不同定义，可重构制造系统具有以下几个 主要特征： 1 、制造系统的快速构造能力。提出制造系统可重构思想的一个基本依据是 期望制造系统能够具有对激烈变化的市场需求做出及时准确的响应的能力，因 此要求制造系统本身的构造能够在短时期内完成。如果一个制造系统可以被快 速地构造出来，产品上市的时间必将大大的缩短，企业也能够获得更大的市场 竞争能力。相反，如果一个制造系统不能被迅速的建立起来，那么当该制造系 统具备生产能力时，它所生产的产品也许几经无法获取合适的商业利润，甚至 该产品己经被市场所淘汰。 2 、制造系统的模块化。由于加工机器设备正在变得愈来愈贵重，其投资决 8 第一章绪论 策也愈来愈难。因此，模块化可重构的硬件插件兼容式技术必然会降低制造系 统的投资成本，提高柔性，缩短生产准备周期。采用模块化部件构造机器设备， 以便按照生产要求的变化可以通过重构使用这些模块化部件使生产系统升级、 机器重新配置，而不必重新制造和购买机器。例如，将加工中心设计成标准模 块一工作台、电机、控制器、换刀装置等多种模块化兼容性部件。采用这种设 计方法的直接结果是节约制造资源与生产成本，提高了系统运行的可靠性。当 生产任务改变时，首先立足现有资源，通过优化与配置现有的各种制造资源模 块来解决不确定性问题。当现有加工设备无法满足生产需要时，则采购、定制、 新模块，升级、扩充旧有的资源模块，快速的集成各种生产模块来获取新的加 工能力。 3 、统一的集成环境。随着生产系统规模越来越大，不同部件间的偶合也越 来越紧密，对整体管理系统的方法的需求也越来越明显。目前的部件控制方法 是单独处理每一个单元，然后用一些并不妥当的方法将所有的单元紧紧地联系 在一起，使之成为一体。这样做的结果必然是设计、运行和集成导致了一个庞 大的软件控制系统，而且该控制系统在资源消耗和时间响应方面具有很大的不 可预见性。目前的设计方法是将系统集成当作一次性的工作，而不是按任务的 变化不断改变的集成过程。因此，它一旦建成则很难对其进行必要的修改与扩 充。为适应激烈变化的市场需求有必要建立一个统一的系统集成环境。系统的 控制被设计成与每个元素无关，每个模块都避免受到其他模块的影响，而系统 的总体则是协同一致的。 1 3 课题研究目的及论文结构 1 3 1 课题研究目的 本文主要研究虚拟制造系统中的虚拟加工装配技术，要开发一个可重构、 可重用和可扩展的虚拟加工环境建模系统。该系统可使操作者根据需要快速构 建出所期望的虚拟加工设备并组成虚拟加工环境，从而达到降低新产品开发成 本、缩短开发周期等目的。由于该系统是可重构、可重用和可扩展的，因此将 是一个通用的加工仿真工具系统，能提供一个三维的可定制的虚拟加工环境。 1 3 2 本论文主要工作和内容结构 在虚拟制造技术的基础上，对可重构的虚拟加工环境建模系统的装配加工 进行了较为系统的研究，主要完成了下述工作： 9 第一章绪论 一、建立一个具有可重构性、可扩展性的虚拟加工系统模型结构，并分析 讨论实现虚拟加工的关键技术。 二、分析虚拟加工系统零件库的建立与管理，基于s o l i d w o r k s 特征建模技 术构建零件库，并运用a c c e s s 管理零部件库。 三、通过对装配技术的研究，得出基于装配特征的虚拟加工设备的建模方 法，构建出可重构的虚拟加工设备。 四、结合f a d a l 公司的v m c4 0 2 0 c 型加工中心为蓝本开发了虚拟加工环境 建模系统，并展示说明所编制的虚拟加工建模系统软件。 1 0 第二章可重构虚拟加工环境及其层次建模方法 第二章可重构虚拟加工环境及其层次建模方法 2 1 虚拟加工系统实现的关键技术 虚拟加工系统的实现涉及到的关键技术主要有： 1 可重构虚拟加工环境的建模技术 虚拟加工环境要具有可重构性，是虚拟制造对虚拟加工的要求。虚拟制造 从根本上讲就是在计算机上制造生产出“虚拟产品 ，以全面提高企业的t q c s e 指标。在设计出“虚拟产品 后就迫切根据虚拟产品及其工艺数据快速地构造 出所需的虚拟加工设备及虚拟加工环境以进行仿真分析。而要达到此目的，虚 拟加工环境就必须可以重构。可重构虚拟加工环境的建模技术是实现可重构虚 拟加工系统的基础和关键。 2 n c 代码的解析技术 n c 代码是驱动整个加工环境运作的执行依据。实际的加工中心是靠数控装 置来接收n c 代码，并对之加以识别、储存、运算，最后输出相应的指令脉冲以 驱动伺服系统，进而控制机床动作。与之相对应，在虚拟的加工环境中，一般 采用将n c 代码解析成表征加工中心运动部件和刀具轨迹的内部数据，并用相应 的数据结构来记录这些数据一1 。 n c 代码涉及到操作方式、坐标定义格式、坐标轴、补偿方式、固定循环、 定义工作面等，其要解析的内容是多方面的嘛2 7 】，但n c 代码解析的难点在于对 不同的数控系统而言，虽然大部分依据i s o 标准，但一般都有扩充，如果对每个 系统都设计一个解析模块，运行时再切入相应的模块，显得冗余、繁琐。一种 较好的解决方来是建立两个知识库( k b ) ，一个通用知识库( g k b ) 记录和识别标 准功能n c 代码规则，一个专用知识库( s k b ) 记录和识别不同数控系统扩展的功 能n c 代码规则，该方法的优点是解析器具有开放性，同时维护比较方便，在对 n c 代码进行解析之前，必须对数控系统的类型进行配置。 3 材料切除过程仿真技术 虚拟加工环境中，毛坯( 工件) 是最活跃的部分，因为硬件环境中只有毛坯 是变化的，并随加工过程不断改变形状，即其特征数据是变量嗡别。在虚拟加 工系统中，毛坯材料的切除过程仿真是一项关键技术。它主要包含两个功能： 一是检测是否过切、干涉、碰撞，用以检测n c 代码和刀位文件的正确性；二是 第二章可重构虚拟加工环境及其层次建模方法 通过逼真的三维动画实现可视化仿真，为虚拟制造提供支撑环境。目前材料切 除仿真技术的研究内容主要集中在三维仿真过程的算法效率和数据结构的表 示，以及仿真过程实时性和图形真实感效果方面。目前的仿真方法主要有视向 离散法和z b u f f c r 蔓y 法，采用的数据结构主要是八叉树或扩展的八叉树啪1 。 4 物理仿真技术 虚拟制造中的仿真要求是集成的仿真，即为了全方位地、真实地反映虚拟 加工过程，还必须在材料切除仿真过程中集成其他的物理仿真，如机床夹具等 的误差对加工质量的影响模型、机床夹具、刀具、工件在加工过程中的受热受 力的形变模型等口。物理仿真技术需要充分考虑各加工设备的结构、材料等物 理属性以及加工设备在加工过程的动态热力学特性。目前对该技术的研究还在 起步阶段。 可重构的虚拟加工环境的建立是实现虚拟加工系统的基础和难点。本文将 围绕对可重构的虚拟加工环境建模方法的研究这一中心目标展开。 2 2 虚拟加工环境的建模需求分析 虚拟加工环境( 其系统结构如图2 - 1 ) 是实现虚拟加工系统的基础船删。它 的建立必须以能够支持加工仿真分析为前提。虚拟加工环境是实际的加工系统 中的本质映射，它必须与实际的加工系统在结构上具有相似性，在功能和行为 上具有一致性，而且还必须具备相当的柔性以支持快速的重构和重组。 综合而言，主要的需求如下： 1 ) 整个虚拟加工环境所包含的信息必须完整，主要体现在： a ) 不仅要有足够的支持三维实体显示的几何数据，如构成显示实体的各三 角面片的顶点、法线等数据，还要有足够的支持装配和仿真的几何数据，如实 体的参考点位置、坐标系方向及描述形状特征的数据等； b ) 不仅要有几何实体模型，还要有描述加工过程的仿真模型，如加工设备 的运动仿真模型、热变形模型，工件的切削变形模型等。只有将这些信息完整 包含才能反映实际的加工环境的本质，也只有将这些信息完整包含才有可能有 利地对加工过程行各种分析。 2 ) 整个虚拟加工环境必须具有开放性，主要体现在： a ) 设备模型库开放，即用户可以根据需要创建新的加工设备乃至新的加工 设类型； b ) 零部件的几何模型库开放，即用户可以根据需要创建新的零部件模型乃 至新的零部件族； 1 2 第二章可重构虚拟加工环境及其层次建模方法 c ) 加工设备仿真模型库开放，即用户可以根据需要创建新的仿真模型乃至 新的仿真模型类型。只有具有开放性，虚拟加工环境才与实际的加工环境相一 致，也只有具有开放性才能满足各种用户的需要。 譬心 p c ，警簟戡 i 警四 l j 坯模要! 一l 量具模l ! _ 加工 叫加工报 叫 过程 l 加上中心模型；l 刀具模型 l7 l 一j l _ 一- _ 一_ _ _ _ 一_ - _ _ _ 一仿真 虚拟j n t _ 环境 输出 _ 产品模叫 、 f 、 图2 - 1 虚拟加工环境系统嫱构图 3 ) 整个虚拟加工环境应当可以重构，主要体现在： a ) 虚拟车间或虚拟生产线可以根据需要添加、裁剪、移动虚拟加工设备， 实现车间级重构( 设备级重用) ： b ) 虚拟加工设备可以根据需要添加、裁剪、更改零部件，1 实现设备级重构 ( 零部件级重用) ； c ) 零部件可以根据需要修改几何结构参数，可以添加、裁剪、更改它的加 工过程仿真模型，实现零部件的重构( 几何模型和仿真模型重用) ； 4 ) 整个虚拟加工环境最好是三维的，而且要有相当的交互性。这样，能更 直观、更有效地展示加工过程。 2 3 可重构虚拟加工环境层次建模方法 为了满足上述需求，本文提出了一种层次式的建模方法来构建虚拟加工环 境的系统模型。 2 3 1 虚拟加工环境的层次模型及建模流程 为了研究方便，本文把工件视为特殊的虚拟加工设备( 在加工过程中工件 形状特征会发生变化) ，这样虚拟加工环境就可以描述为由各种虚拟加工设备按 1 3 第二章可重构虚拟加工环境及其层次建模方法 一定规则排列构成的图。由此可以得到虚拟加工环境的层次模型( 如图2 - 2 ) 舞纂簇篓 熬黧羹 嚣塞簇 汐姜篓簇篓 图2 2 虚拟加工环境的层次模型 从虚拟加工环境的层次模型，可以推出虚拟加工环境的建模流程，如图2 - 3 所示： 零件库 件库 图2 - 3 虚拟加工环境的建模流程 首先建立可重用的零部件几何模型和可重用的零部件仿真模型，分别存入 1 4 第二章可重构虚拟加工环境及其层次建模方法 几何模型库和仿真模型。其次从几何模型库和仿真模型库中分别选取合适零部 件几何模型和仿真模型就可以组建成所求得零部件完整模型。获取了零部件的 完整模型，然后将它们按一定规则对接装配就可以得到虚拟加工设备模型，各 种虚拟加工设备按一定顺序排列就可以得到所期望的虚拟加工环境。 2 3 2 可重构虚拟加工环境的研究内容 由前面的分析可以得知：零部件的完整模型是构成虚拟加工环境的基本粒 子，虚拟加工环境的可重构性也将主要体现在零部件完整模型的可重用性上。 因此我们总结出可重构虚拟加工环境的主要研究内容有： 1 ) 可重用零件模型的建立。 2 ) 虚拟加工设备的建模，即用零部件的完整模型来组建虚拟加工设备。要 求能交互地进行零部件模型的对接操作和加工设备的重构操作。 3 ) 支持重构的模型数据库的设计。要进行重构，就必须要有充足的重构资 源，必须有强大的数据库来管理这些资源。 其中可重用的零件模型的建立是实现可重构虚拟加工环境的基础和关键。 为了使建立的零件模型可重用的，必须充分考虑下列要求： ( 1 ) 要求能方便地为零部件几何模型依附其它特性 虚拟加工环境中的零部件是实际加工环境中零件的在计算机中的本质映 射，它不仅要包含描述外形的几何数据，包含描述它物理属性如它在受力或受 热状态下的反应等的数据，还要包含描述该零部件与其它零部件的关系，如结 构关系、运动关系等的数据。因此在几何建模时，必须充分考虑如何