[科普中国]-虚拟制造系统-

虚拟制造系统(Virtual Manufacturing System，VMS)是基于虚拟制造技术实现的制造系统，是现实制造系统 RMS(Real Manufacturing System)在虚拟环境下的映射。VMS 生产的产品是可视的虚拟产品，是一个数字化产品，它具有真实产品所必须具有的特征，并具有动态结构及决策、控制、调度、管理等四个机制。VMT 和 VMS 涉及整个产品开发和制造过程的方方面面，对于产品来说，涉及整个产品生命周期的各个方面，对于制造过程来说，涉及整个工厂的各个方面。1

定义虚拟制造系统是现实制造系统(Real Manufacturing System)在虚拟环境下的映射。它由虚拟信息系统(Virtual Information System，VIS)和虚拟物理系统(Virtual Physical System，VPS)构成。虚拟信息系统利用计算机信息系统模拟现实信息系统(Real Information System，RIS)的设计、规划、调度、控制、评估等活动。虚拟物理系统利用计算机信息系统模拟现实物理系统(Real Physical System，RPS)的制造过程和制造活动。

真实制造系统可以分解为真实物理系统(RPS，Real Physical System)和真实信息系统(RIS，ReallnformationSystem)两部分。

真实物理系统由实际存在的实体组成，例如材料、机床、工具、机器人、夹具、工作、产品、控制器、传感器等。真实信息系统包括有关信息处理和决策的全部活动，例如设计、规划、调度、控制、评价等，它不仅包括计算机，还包括制造系统中的人员。

假如有一台计算机系统可以翻译解释来自真实信息系统的控制命令，并可以返回状态报告，其响应完全与真实物理系统的响应等价，那么，这台计算机系统就可称为虚拟物理系统(VPS，VirtualPhysicalSystem)。

同样，如果一个计算机系统可以模拟真实信息系统的功能，而真实物理系统中的机器甚至无法区分控制命令是来自真实信息系统还是来自计算机，那么该计算机系统可称为虚拟信息系统(VIS，Virtual lnformationSystem)。

通过选择不同的物理系统和不同的信息系统，就可以得到以下4种类型的制造系统：

(1)RPS+RIS=真实制造系统；

(2)RPS+VIS=自动化制造系统；

(3)VPS+RIS=虚拟制造系统(物理的)；

(4)VPS+VIS=虚拟制造系统(虚拟的)。

上述(3)、(4)种类型的系统称为虚拟制造系统，其共同特征是物理系统并非真实存在，而是一种虚拟模型。因此，虚拟制造系统是一种不消耗物质和能量，不产生真实产品，只产生信息的系统。虚拟制造系统应当是与真实制造系统等价的系统，虚拟物理系统是实现虚拟制造系统的关键。2

特点①在不消耗系统实际资源的情况下,可以改进产品结构、优化生产过程、充分利用资源、发现存在的问题。通过运行虚拟制造系统,可以提前消除实际制造系统中可能出现的问题,提高了实际制造系统的输出质量,因此,可以缩短产品的制造周期,降低产品成本,提高产品质量。

②通过在虚拟制造系统中仿真一些新的或关键制造技术(如新技术、新工艺),来评价和验证新技术或关键技术对生产所带来的结果(效益和风险),帮助企业做出正确的规划和决策,以及在学术方面进行有价值的科学研究。

③可使分布在不同地点、不同部门的不同专业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,从而使产品开发快捷、优质和低耗,适应市场需求变化。

由此可见,虚拟制造系统是使企业快速满足市场的需求,提高产品市场竞争力的一种新型现代制造模式。3

体系结构由于虚拟制造系统的复杂性,人们从不同的角度构建了很多不同的虚拟制造系统体系结构。图6-9为一个虚拟制造系统的体系结构,其由三个层次构成,即经营决策层、产品决策层和生产决策层。

(1)经营决策层。根据用户的需求和市场信息、自身企业资源及技术条件等，做出生产产品的种类、规模、性能、规格等决策。
(2)产品决策层。根据上层做出产品总体方案决策，并对其性能做出初步评价，对其生产成本做出初步预估。
(3)生产决策层。根据上层的决策和企业人力、物力及技术资源与水平等情况，做出产品开发计划、生产任务规划、生产调度计划等决策，并在计算机上实现其制造过程，生产出数字化模型产品。通过对数字化模型产品的工作过程进行仿真，对产品性能做出合理的评价。通过对数字化模型产品的构成和形成过程进行分析，做出产品成本的分析报告。综合各方面的因素，对产品投产的风险和效益做出评价。
以上3个层次的决策是在统一的硬件、软件支持环境下协同工作，求得全局最优的决策。4

功能虚拟制造系统能够完成多方面的功能,主要包括虚拟设计、虚拟制造、虚拟生产和面向虚拟企业等功能。

(1)虚拟设计功能。虚拟设计是在虚拟现实和网络环境中,群组协同工作,对未来产品进行优化设计,完成产品的性能评价、可制造性评价等工作,从而最终实现产品的虚拟原型等功能。

(2)虚拟制造功能。该功能主要包括生产工艺设计与评价、加工过程切削参数优化、材料加工成形仿真、数控设备软件的编制与验证等。它是以全信息模型为基础的众多仿真分析软件的集成,包括力学、热力学、运动学、动力学等分析。

(3)虚拟生产功能。该功能包括生产环境的布局设计、设备集成产品远程虚拟测试、企业生产计划与调度的优化等。

(4)虚拟企业功能。利用虚拟企业的形式以实现劳动力、资本和信息等资源的最优配置,该功能为敏捷制造提供合作性支持。5

本词条内容贡献者为:

黄伦先 - 副教授 - 西南大学