虛擬制造在鑄造的應用

虛擬制造簡介
　　80年代以來，日趨激烈的全球化競爭，迫使制造企業必須通過不斷地提高生產效率，改善產品質量，降低成本，提供優良的服務，以期在市場中占有一席之地。
　　與此同時，計算機技術、計算機網絡技術和信息處理技術也得到了迅速的發展。這些條件就使得信息技術不斷地融合到傳統的制造業中，并對其進行改造，這也是現代制造業的發展趨勢。進入90年代后，先進的制造技術向著更高的水平發展，在原有的計算機集成制造(CIMS即Computer Integrated Manufacturing System)和并行工程(CE即Concurrent Engineering)的基礎上，又出現了虛擬制造(VM即Virtual Manufacturing)、虛擬企業(VE即Virtual Enterprise)等概念。其中“虛擬制造”近年來不斷引起科技界和企業界的關注，成為競相研究的熱點。
　　虛擬制造的基礎是虛擬現實技術。所謂的虛擬現實技術是指利用計算機和外圍設備，生成與真實環境相一致的三維虛擬環境，允許用戶從不同的角度和視點來觀看這個環境，并且能夠通過輔助設備與環境中的物體進行交互關聯。虛擬制造則是利用虛擬現實技術，在計算機上完成制造過程的技術。采用此技術，在實際的制造之前，可以對產品的功能和制造性、經濟性等方面的潛在問題進行分析和預測，實現產品設計、工藝規劃、機械加工產品庫">加工制造、性能分析、質量檢測及企業各級的管理控制等，增強制造過程中各級的決策和控制能力。
　　虛擬制造的特點
　　虛擬制造是集計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助制造(CAM)和計算機輔助工藝設計(CAPP)于一體的技術，它是在計算機中完成制造過程的。正因為如此，虛擬制造具有下述主要特點。
　　虛擬制造的制造模型是一個計算機模型，完成這一制造過程的主要工作集中在模型的建立過程上，一旦這個模型建立完成，就可以不斷與之進行交互，模擬各種情況的生產和制造過程。模型的可反復修改性是虛擬制造過程有別于實際制造過程的一個最主要的特點，也正是這一特點使得虛擬制造可以根據不同情況快速的更改設計、工藝和生產過程，從而大幅度壓縮新產品的開發時間，提高制造質量，降低成本。
　　虛擬制造的另一個特點是它可以是分布式的，完成虛擬制造的人員和設備在空間上可以是相互分離的，不同地點的技術人員可以通過網絡來協同完成同一個虛擬制造過程。
　　此外，虛擬制造還可以是一個并行的過程，產品設計、機械加工產品庫">加工過程和裝配過程的仿真可以同時進行，大大加快了產品設計過程，減少新產品的試制時間。
　　虛擬制造的應用領域
　　虛擬現實技術在制造領域中的應用主要有以下幾方面：
　　(1)虛擬原型和產品設計，即在計算機中設計虛擬的產品或零部件。
　　(2)生產過程仿真(優化、調度)，即對車間或工段的生產過程進行仿真優化。
　　(3)設備仿真，即對機器人等生產設備進行離線仿真，動態特性分析和模擬。
　　(4)物流仿真，即物流規劃，對AGV(自動搬運設備)進行仿真。
　　(5)裝配過程仿真。
　　(6)復雜數據的可視化，數值模擬計算結果的可視化輸出。
　　(7)設備的遠程操作，用計算機網絡將空間上分散的設備結合起來，進行集成管理運行，遙控制造。
　　(8)增強通訊效果。
　　(9)操作培訓。
　　虛擬制造的層次
　　虛擬制造的根本目的就是利用計算機生產出虛擬產品。
　　實際的制造系統可以抽象成由物理系統、信息系統和控制系統組成的集合。物理系統包括制造中的所有資源，如材料、機床、機器人、夾具、控制器和操作工人等；信息系統包括信息的處理和決策，如生產的調度、計劃和設計等；控制系統的任務是實現信息系統和物理系統的信息交換。
　　對應于實際的制造系統，在虛擬制造系統中可以劃分出對應的層次：虛擬物理系統、虛擬信息系統和虛擬控制系統。根據不同生產階段所面對的不同對象，可以將虛擬制造分為3類：以設計為核心的虛擬制造，以生產為核心的虛擬制造和以控制為核心的虛擬制造。以設計為核心的虛擬制造，其主要目標是優化產品設計、優選工藝和機械加工產品庫">加工方案；以生產為核心的虛擬制造，其主要目標是優化資源，對選擇工藝進行評價和驗證；以控制為核心的虛擬制造，其目標為優化車間控制的制造過程。
　　虛擬制造在鑄造生產中的應用
　　鑄造生產中的虛擬制造技術可以稱為虛擬鑄造技術。目前虛擬鑄造技術主要應用于鑄件設計、澆注充型或造型過程的數值模擬及結果的可視化和鑄造生產過程的仿真優化3個領域。
　　1鑄件設計
　　美國威斯康星大學的I-CARVE實驗室研制了一套虛擬鑄造平臺。該系統使用立體眼鏡來觀察三維圖象，用語言建立各種兒何模型，用數據手套來確定幾何體的尺寸和位置。目前，I-CARVE實驗室已經利用這個系統成功地完成了注塑和壓鑄零件的設計，該系統的目標是達到傳統CAD方法10～30倍的設計效率。