关于虚拟柔性制造系统的仿真研究

    机械制造系统是一个复杂的系统，系统输入的是与制造有关的物料、设备、工具、能源、人员、制造理论、制造工艺和制造信息等，输出的是一个合格的具有一定功能的产品。制造系统的复杂性表现在：制造环境、制造产品和制造系统结构和制造过程的复杂性上。面对如此复杂的系统，要使产品达到TQCS最优，需要严格控制制造的各个环节，得到局部最优乃至全局最优目标。而这一切需要对整个制造过程进行建模，目前研究的热点之一就是虚拟制造技术。

    柔性制造系统(Flexible Manufacturing System，简称FMS)是由数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统，它包括数控机床、加工中心、车削中心等，也可能是柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整。要采用虚拟制造技术来正确模拟柔性制造系统的制造过程，主要开展两方面的工作，一是真实模拟该制造系统中加工设备的功能：二是对整个柔性制造系统在“一”的基础上正确规划生产过程，以便获得对整个产品可制造性的全面评估。

    “虚拟柔性制造系统系统仿真研究”项目从2003年5月～2005年5月得到西南交通大学科技发展基金的支持。该项目以柔性制造系统为原型研究对象，从系统论的角度，按照复杂系统的观点对对虚拟柔性制造系统进行理论建模，对虚拟柔性制造系统仿真的关键技术进行研究。重点研究加工过程的工艺信息建模，工艺系统几何建模、运动建模和物理效应建模，并对加工过程工序进行规划运动模拟、对NC代码进行检验和刀具轨迹模拟。以此研究零件可加工性的评判因素和机理，建立工艺评价的优化模型。其最终目的是建立一个能评价工艺方案和工艺参数的基于虚拟现实的直观制造评价体系，以解决制造系统与产品市场的矛盾关系。

    经过两年的研究，该项目已取得预期的成果或可以认定的技术性能指标。

    1 提出基于组件的虚拟柔性制造系统建模理论及方法

    柔性制造系统内部一般包括两类不同性质的运动，一类是系统的信息流，另一类是系统的物料流，物料流受信息流的控制。FMS是在加工自动化的基础上实现物料流和信息流的自动化。对柔性制造系统规划，首先要按照任务的分配，或者说是信息流的流向，对各种物理设备组成进行合理的规划和布置。由于物理设备种类的多样性、可重用性和各物理设备间对加工信息流的交互性，使其更具有自然对象的特征，可以采用基于面向对象的组件来表达。每个组件是一个对象的实例化，它们有自己的属性和行为，组件所能提供的与外界的交互行为过程就是各物理设备交互和传递信息流的过程。在典型的柔性制造系统中，这些组件有：数控车床对象、数控铣床对象、加工中心、机器人对象、堆垛机对象、立体仓库对象、搬运小车对象、输送装置对象等等。每个对象按照各物理设备自身的行为和属性进行建模，包括三维建模、运动控制建模、属性建模等。

    该研究采用自然的对象描述方法，从理论上规划了虚拟FMS系统中各组件之叫的关系，为后面的功能建模提供了方法学基础。

    2 提出基于三维模型的组件功能和行为建模方法

    虚拟制造环境由相应的虚拟制造设备构成，每个虚拟设备相当于一个组件，该组件应能够较完整的反映物理设备的特性，如物理设备的几何特征、材料特征、运动信息等。因此，必须根据真实的设备所具有的特征，对其进行数字化，建立虚拟设备模型。

    虚拟设备模型是物理设备功能特征及形状特征的信息在虚拟环境中的映射。物理设备的功能特殊性决定了虚拟设备模型的几何属性，因此在构建虚拟设备模型时，可以分别从几何模型和运动控制两个方而着手，对物理设备进行功能特性与几何特征分析，将虚拟设备模型划分为几何模型和运动控制模型两部分。

    几何模型是对物理设备形状特征的描述，它表达了物理设备的基本形状信息，如机床的床身，工作台以及主轴等部件的形状，这些几何模型在运动控制模型的控制下，根据外部输入的控制数据做相应的运动，这些运动可以表示为物理设备的实际行为，如工作的进给、主轴的转动、机械手的行为以及物料小车的运动等。

    对虚拟设备的几何建模首先采取Pro-E、UG或Solidworks等三维造型的形式，将各物理设备分解成功能模块部分，比如车床可分解为：床身、刀架、主轴、顶尖、机床门等，然后通过转化成基于OPENGL的模拟环境中，获得其在模型中的准确坐标，按照齐次坐标变换关系，获得一台虚拟加工车床。其他的如铣床、机器人、立体仓库、托盘等都可以按照这种方式进行。

    运动控制模型反映了物理设备的各种控制功能，它根据外部输入的控制信息，进行处理，判断，并且输出相应的控制信息，驱动相关几何模型的位置和运动状态变化，实现物理模型设备行为的虚拟化。根据各物理设备的运动属性建立相应的运动系统，每个加工设备严格按照数控原理进行运动规划，确定加工坐标系统、机床原点、加工原点。按照数控插补的原理，确定走刀步长、加工终点位置，并按照不同的数控加工代码编制圆弧、直线、抛物线插补算法。每个部件的运动则采用时钟触发方式，这种时钟可以根据控制运动的个数定义多个，相互之间根据完成的功能属性进行协调。对加工设备，可以控制主轴的快慢、正反转，单轴运动和多轴联动、换刀等等，对输送设备，机器人和取物装置、输送装置之间的时钟必须按照工时规划进行严格控制。

    该研究将FMS各组件对象的功能和行为特性融合在组件模型中，采用可视的三维模型引入，利用Opengl作为模型三维驱动引擎，并结合加工过程模拟，形成了具有真正自然表现属性的虚拟机床、虚拟工件、虚拟机器人等等。

    3 基于工艺工程的虚拟柔性系统布局及工作过程三维可视化研究

    针对柔性制造系统的布局柔性，规划了一种随意布局虚拟设备的系统，该系统中虚拟设备是按照功能和行为属性而建模的虚拟设备组件对象，并按照这些对象的具体布局位置、方位布局相应的生产物料运输系统，建立虚拟的物料输送线、虚拟立体仓库、虚拟托盘、虚拟堆垛机等。

    为了获得满意的虚拟柔性制造系统加工仿真整体模型和模拟效果，采用了多时钟绑定技术。并按照工艺过程对这些定义各个部分动作模型的时钟进行复杂的逻辑规划，根工艺模型的过程来触发和停止不同的时钟，以适应按照柔性制造系统随息布尔过程的运动模拟效果。

    同时每个虚拟设备可以定义自己白。工作模式、工作过程和方法。比如对于铣削中心，则可按照数控加工插补获得刀具轨迹，形成NC代码，然后进行加工过程模拟。所有附在虚拟设备上的工艺过程数据，比如调度指令、NC代码等都通过自定义一定的协议，并按照这种协议进行匹配获得指导运动模拟的控制效果。

    该项研究，充分利用了计算机仿真、可视化、运动建模及运动模拟、数据解码等技术，将虚拟柔性制造系统规划的灵活性，功能模拟的有效性等结合起来，以可视化的方式形成了不同的产品在不同的柔性制造系统环境下的可制造过程，用户可以在此基础上评价所采用的设备、布局方式等，并进行评价和相互对比，获得满意的产品可制造模型，达到虚拟制造的部分目的。

    4 基于面向对象的虚拟柔性制造系统可视化环境系统的研制

    在前面研究的基础上，结合面向对象技术、Opengl建模、计算机仿真、多时钟技术、数据解码及数据协议的制定、CAD技术、计算机图形学、数控机床及数控加工、柔性制造系统、制造工艺学等多种知识和技术，在VC++开发环境下，编制了一套虚拟柔性制造系统建模、运动模拟可视化系统，该系统能够针对不同的工艺模型、不同的设备布局获得不同的加工模拟效果，从而获得同一个零件不同的加工方案．以方便获得满意的加工方案和模型。该系统稍加扩展。可以成为基于桌面虚拟现实的沉浸式系统，从而加大人的主观评价力度。更深入地认识系统本身。

    此外该项目还在数控系统的建模及可视化方面做了很多细致的工作，对虚拟样机、虚拟制造系统、虚拟现实的部分理论都有直接或间接的指导作用。

    总之，该项目按照任务书要求，在有限的时间内，获得了满意的效果，该项目的目前部分研究，研究本项目及结果具有如下意义：

    (1)探索制造系统中的内在本质，并针对制造系统的复杂性进行理论建模，以了解影响制造系统的决定性因素；

    (2)针对目前制造系统中存在的问题。建立一个制造方案评价体系，以对市场风险进行正确评估，并在问题出现之前，尽快通过评价体系找到问题所在，从而提高产品快速响应市场的能力；

    (3)采用可视化技术，并适时结合虚拟现实技术，将人考虑在整个制造系统评判体系结构中，以增加入的主观能动性和积极性，以便在整个评判体系中增加人的智能和经验，更快发现问题，获得满意的结果；

    (4)将计算机仿真、计算机图形学、虚拟现实等技术与制造系统结合进行学科交叉研究，更快提升本专业的研究优势。

    由于本项目所研究的内容较多，而且难度较大，研究的周期又较短，所需要使用的切削力学模型试验设备部具备，为了获得项目的整体效果，本项目弱化了加工力学模型的建立，这对虚拟柔性制造系统的整体效果没影响，但对机床某一道工序的加工有一定的影响。因此，后面的工作将针对虚拟制造加工模型的详细建模，综合考虑没计：切削深度、切削厚度、切削速度、刀具角度等切削因素以及机床本身的物理模型等进行切削力学模型，并针对切削过程的可视化进行材料切除模拟。以深入地了解虚拟制造系统的本质。