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什么是“虚拟制造”---智能制造工程师必须知道的20个概念

2022-03-24 17:13浏览数:45 
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什么是“虚拟制造”---智能制造工程师必须知道的20个概念

虚拟制造是20世纪80年代提出的概念,但是“虚拟制造”一词在90年代才第一次突显出来,其部分原因来自美国国防部发起的虚拟制造项目。

在理解什么是虚拟制造之前,我们有必要先了解一下虚拟制造到底是一个怎样的存在。

图上是波音777,它拥有非常多的世界第一。

比如:1994-2013,连续18年从未发生过造成人员死亡的事故,可以飞越大半个地球的客机。

但是我们还需要知道,波音777同时还是有史以来第一架完全在电脑虚拟现实中设计制造的飞机。什么意思呢?原来所有飞机在生产前都会按照设计先做一个一模一样的样机,然后里面各个零部件不断的优化,保证强度、契合、安装空间等等。而这个波音777,是第一个在生产前没有做原理样机的飞机。

说到这,有必要通过一些数据说一下这个意味着什么,300万零部件、用了2200台电脑参与虚拟制造,从90年10月启动到95年4月出厂,只用了5年,而之前飞机的研发生产周期大约是八年。

说一个网上盛传有关波音777的内部故事。我们知道,波音777虚拟制造所用的电脑设备完全由IBM公司所提供。试飞前,波音公司的总裁非常热情的邀请IBM的技术主管去参加试飞,可那位主管却说道:“啊,非常荣幸,可惜那天是我妻子的生日,So......”波音公司的总载一听就生气了:“胆小鬼,我还没告诉你试飞的日期呢!”。

当然,我想IBM那些搞IT的人不会那么怂。那么,虚拟制造是怎么和真实制造发生交联和作用的呢?

我们很清楚,制造的源头是订单和产品的定义,我们称之为生产输入;而制造的过程则受空间环境、制造工艺、制造流程、人财物的约束,我们统称生产约束。

我们有了生产输入和约束后,就可以安排生产了,从排程到过程控制、检测,而其中的很多环节,比如用什么刀具、如何进刀、铸造脱模斜度是否合适,这些都和我们使用的物理设备,包括模具、刀具、机床有关系。

我们可以先在计算机里三维建模,然后用运动模型驱动它活动路径,最后就能知道刀具是否合适、进刀角度怎么才能合适,进刀量是否合适等等。如果没有虚拟制造,这些都需要我们在真实世界里用刀具去试,这个过程就会产生废料、会需要比较长时间的试验。而现在有很多计算机软件帮助快速建模,模拟上述过程,这样可能几分钟就可以得到我们希望得到的结果。

通常我们把虚拟制造的成果称之为数字产品,对应物理世界的实际产品。这个产品有更广泛的定义,不一定是具体制造的那个东西,更多的是制造过程和设备的设计、环境的定义、控制量的设定等等。比如,我们可以用专用软件去设计一个流水线和厂房,满足工艺流程设定,又能提前验证有效性和高效性。我们不能真的建了再修改,费时费力。这就是虚拟制造的作用,用虚拟世界里模拟出真实的东西去验证想法。

那虚拟制造的内涵和技术边界又是怎样的呢?

我画了一张图,从上面可以看到,灰色的两块“计算机仿真”和“虚拟现实”技术是虚拟制造的两大技术版块。其实,很多情况下,虚拟现实技术也是作为“计算机仿真”技术的其中一部分出现的,所以,我们理解虚拟制造就是,利用计算机仿真技术满足制造过程所需的物理呈现方面的虚拟化。因为是物理世界的虚拟映射,那么把虚拟现实技术单独抽出来理解也是可以的。

正如图上所示,计算机仿真通过将真实制造过程中的经验建模,形成数学模型。模型解算过程把结果数据发送到虚拟现实版块,必要时真实制造过程也会把生产过程数据发给虚拟现实版块,虚拟现实版块把这些数据形成可视的图形,也就是三维模型。

你们可能会好奇,这些数据都是些什么数据呢?总共有三类,图形数据、位置数据还有控制数据。图形数据就是三维模型的长宽高,专业点就是点数据、面片栅格数据、体数据等等;位置数据就是三维模型在虚拟场的定位;控制数据则包括观察对象的位移和转动角度、观察人员的视角切换、沉浸角色的漫游路径、以及众多的预设性动作,比如爆炸、切割、溶解、颜色变化等等。总之一句话,虚拟现实是根据仿真结果去呈现可感知的虚拟世界。

而我们可以利用这个虚拟化过程完成什么制造相关事情呢?包括产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验、过程管理。我们回到制造本身,一个产品从厂里构思到制造上货架,全过程是:概念设计、原理样机验证、定型、选材开模、工艺设定、厂区规划、流水线设计、设备工具选型加工、原材料加工、部件存取检测、装配包装、仓储物流。

这些都属于制造范畴,而我们所知道的虚拟制造,在其中很多环节都已经得到了应用。而且达到明显的效果,包括:加快产品设计和确保产品性能;优化制造流程;检验和优化制造设备设计/验证工艺设定以保证加工能力。

举一个围绕产品设计的例子。还是飞机设计的,世界顶尖的飞机短舱设计公司赛峰短舱有一个虚拟虚拟现实室,里面配备了两块4米×2.5米的屏幕。其中一块屏幕水平置于地板,使工程师、技术人员和操作员能够更近距离地观看投射到屏幕上的虚拟现实。使用者通过佩戴3D眼镜,可以根据其所在位置对图像进行动态调整,从而观看借助集团内部使用计算机辅助三维交互应用软件(CATIA)CAD所设计的所有零部件的同比例版本。

在生产线设计过程中,每天都用它来验证他们的工装。它的投入使用使技术审核的时间缩短了一半,各类工装预算降低了10%。在虚拟制造的帮助下,A330neo飞机短舱项目工期提前了18个月。

除此之外还有我们熟知的虚拟热成形、虚拟装配、虚拟流体性能分析、仓储物流、甚至于生产线运营还有工厂布局规划,都是虚拟制造的典型应用范畴。

总的来说,可以分为五大类别应用,设计、加工、装配、物流和工厂布局。

从上述例子可以看出,与实际制造相比较,虚拟制造存在两个关键特点,一个是虚拟模型,虚拟模型很容易理解,虚拟制造出来的数字产品,都是计算机视觉产物;

另一个是协同工作。协同工作则需要解释一下,通过将研究和生产对象虚拟化后,很多人就可以坐在电脑前通过快速分享和修改进行协同工作,不用都跑到原理样机前才可以协同工作。比如每个人只负责一部分的设计,自动集成到一起形成最终设计。还有就是,一个人操作的结果可以快速呈现给协同方进行检验、修改,共同完成一项工作。

那么,我们把具体的工作再抽象一下,虚拟制造的目标可以很清晰的分为三个版块:

以设计为中心,目标是优化产品设计过程和结果,虚拟化的对象是产品和设备的参数本身,比如尺寸、材料、形状、质感等;

以生产为中心,目标是优化生产过程,虚拟化的对象是工艺、资源排列、流程系统,比如生产计划、加工过程、物流过程等;

以控制为中心,目标是优化测试过程,虚拟化的对象是过程数据,比如半成品尺寸、刀具磨损、产品重量等。

设计为中心,就是用虚拟化的手段,把我们围绕制造相关要素进行视觉呈现。可以用来比对验证、可以用作装配试错,可以辅助外观改善,可以结构优化,可以厂区规划等等。

比如,这个无风扇交换机的热交换仿真,可以判断产品散热能力是否满足预期;

这个轴承运动学分析,可以判断产品安装干涉;

这个流体分析,可以决策内通结构是否满足。

生产为中心,虚拟制造技术应用则围绕工艺和过程优化,

比如这个切屑形态分析,可以决策刀具和具体工艺参数;

比如这个高级排程,就是结合了人/设备/原料供给等多种制约生产的因素,可以帮助快速决策生产计划和决定采购周期;

比如这个工厂物流仿真,可以帮助决策者快速选择合理的物流方式,比如车辆、传送带,还可以得到具体的时间窗口评估。

以控制为中心,其实就是把生产过程中涉及到临时控制所需要决策的数据抽象出来,做成可感知的声图数形式,帮助生产管控人员快速进行决策。

比如这个管道仿真,一旦把现场流量阀数据同步到这个仿真系统里,我们就可以快速知悉现场情况,可以做故障分析和排除。

比如这个典型的石油化工流程仿真示意,每个探测器数据呈现在故障模型解算帮助下,可以帮助生产管理者快速确立系统的健康运行状态,而执行器工作结果也是对最终生产任务的直接指标,我们能获得精确的生产进度。

比如这个生产监控白板,可以实时体现生产各个关键环节,并以图形化手段呈现运行状态结果,这些都将是生产计划控制的依据。如果输入的数据是虚拟的,那么这个就会很好的体现模拟生产的效率。

现在我们来做一下小测试。

与真实制造相比较,虚拟制造的主要特点是什么?1)依赖的是虚拟模型来进行工作;2)支持分布式协同。按生产阶段,虚拟制造分为哪几类?以设计为中心的虚拟制造,优化产品设计;以生产为中心的虚拟制造,优化生产过程;以控制为中心的虚拟制造,优化测试过程。



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