一個產品從概念設計到投放市場,即產品的生產周期按時間順序可分為概念設計、詳細設計、加工制造、測試和培訓/維護,vm技術可以在產品的全部生產周期中各個階段發(fā)揮重要的作用。vm技術(virtual
manufacturing technology)首先在飛機、汽車等領域獲得成功的應用。目前vm技術主要應用在以下幾個方面。
1、虛擬企業(yè)
虛擬企業(yè)建立,其中有一條最重要的原因是因為各企業(yè)本身無法單獨滿足市場需求,迎接市場挑戰(zhàn)。因此,為了快速響應市場的需求,圍繞新產品開發(fā),利用不同地域的現有資源、不同的企業(yè)或不同地點的工廠,重新組織一個新公司。該公司在運行之前,必須分析組合是否最優(yōu),能否協(xié)調運行,并對投產后的風險、利益分配等進行評估。這種協(xié)作公司稱為虛擬公司,或者叫動態(tài)聯盟,是一種虛擬企業(yè),它具有集成性和實效性兩大特點的經濟實體。
虛擬企業(yè)的特征是:①企業(yè)地域分散化。虛擬企業(yè)從用戶訂貨、產品設計、零部件制造,以及總成裝配、銷售、經營管理都可以分別由處在不同地域的企業(yè),按契約互惠互利協(xié)作,進行異地設計、異地制造、異地經營管理。②企業(yè)組織臨時化。虛擬企業(yè)是市場多變的產物。為了適應市場環(huán)境的變化,企業(yè)組織結構也要及時反映市場動態(tài),虛擬企業(yè)注重短期利益。當產品方向更換、聯盟伙伴之間利益改變或企業(yè)追求目標變更時,企業(yè)要調整組織結構,或者立即解散,重新再組織新的虛擬企業(yè)。③企業(yè)功能不完整化。一個完整的企業(yè),應具有從企業(yè)管理、設計、制造一直到市場銷售、售后服務等完整的全部功能。但在虛擬企業(yè)不需要機構功能完整,它以各種方式借用外部力量來進行組合和集成。因為虛擬企業(yè)是動態(tài)聯盟形式,突破企業(yè)的有形界限,利用外部資源加速實現企業(yè)的市場目標。傳統(tǒng)的外協(xié)加工是一種原始的虛擬企業(yè)行為。④企業(yè)信息共享化。構成虛擬企業(yè)的基本條件之一,就是組成企業(yè)伙伴之間的計算機互聯網。根據具體情況,可以是國際互聯網,局域網或企業(yè)內部網,及時的溝通信息,包括產品設計、制造、銷售、管理等信息,這些信息是以數據形式表示,能夠分布到不同的計算機環(huán)境中,以實現信息資源共享,保證虛擬企業(yè)各部門步調高度協(xié)調,在市場波動條件下,確保企業(yè)最大整體利益。
虛擬企業(yè)的主要基礎是:建立在先進制造技術基礎上的企業(yè)柔性化;在計算機上制造數字化產品,從概念設計到最終實現產品整個過程的虛擬制造;計算機網絡技術。上述3項內容是構成虛擬企業(yè)不可缺少的必要條件。
虛擬企業(yè)這種先進制造模式,在先進國家的部分企業(yè)已經運行。例如美國ultra
comm公司是生產電子產品的虛擬企業(yè),在美國各地有60多家,數以千計的雇員組成的虛擬電子集團,公司本身只有幾名雇員,該公司采用分散設計和制造方式,不同的產品選用不同企業(yè),依靠網絡技術組成的經濟實體,實現市場目標。又如總部設在香港的鑫港公司,是一家國際化企業(yè),以制造銷售電話機為主的電訊產品,總部從事新產品開發(fā)、研制、銷售和管理等,在國內廈門經濟特區(qū)宏泰科學工業(yè)園制造。
在面對多變的市場需求下,虛擬企業(yè)具有加快新產品開發(fā)速度,提高產品質量,降低生產成本,快速響應用戶的需求,縮短產品生產周期等優(yōu)點。因此虛擬企業(yè)是快速響應市場需求的部隊,能在商戰(zhàn)中為企業(yè)把握機遇和帶來優(yōu)勢。
2. 基于vm技術的產品開發(fā)
vm的沉浸性和交互性特性使得它成為用來設計新產品和開發(fā)相應生產線的得力工具。首先考慮一下設計并構造一個新產品原型所需要的時間。在設計過程中,設計師要考慮到產品的各個方面,以滿足一定的安全性、人機工程學、易維護性和裝配標準。因此,設計過程中嚴格地受到生產、時間和費用的限制。vm能完成比cad更多的功能,cad通常只考慮產品各個子部件的幾何特征和相互間的幾何約束。而在vm中,可以將以上提到的多種所需滿足的條件集成到設計過程中一并考慮,我們還能適當減少子部件數目,甚至可以按比例放縮部件尺寸,這大大降低了設計費用和原型構造時間,更進一步的達到產品用戶化的目標。
例如,在飛機制造業(yè)中,為評測某飛機設計方案的優(yōu)劣,要建立一系列與真實產品同尺寸的物理模型,并在模型上進行反復修改,這要花去大量時間和費用,而在過去是不可避免的。如今美國波音公司在飛機設計中運用vm技術完全改變了這種設計方法。波音公司為設計波音777飛機,研制了一個名為“先進計算機圖形交互應用系統(tǒng)”的虛擬環(huán)境,用vm技術在此環(huán)境中建立一駕飛機的三維模型。這樣設計師戴上頭盔顯示器就可以在這駕虛擬飛機中遨游,檢查“飛機”的各項性能,同時,還可以檢查設備的安裝位置是否符合安裝要求等等。最終的實際飛機與設計方案相比,偏差小于千分之一寸,機翼和機身的接合一次成功,縮短了數千小時的設計工作量。
同樣,其它大型、復雜的產品如船舶、潛艇設計等都可以運用vm技術達到節(jié)約設計費用和時間提高設計成功率的目標。
采用vm技術設計產品還有以下優(yōu)點:產品用戶化的一個不利效應是增加了模型的變量數目,也就相應地增加了生產的復雜度。vm可在要加工的部位加上紋理和圖形信息,這對機械制造起到很好的向導作用。同樣的過程可輔助訓練和指導生產者,使他們能很快勝任新工作。虛擬環(huán)境的網絡化可對某一項目合作組的成員進行設計、生產訓練。這些合作組的成員可以在同一個或不同工廠里,甚至是來自院校的專家和國外顧問。
3、虛擬產品制造
應用計算機仿真技術,對零件的加工方法、工序順序、工裝的選用、工藝參數的選用,加工工藝性、裝配工藝性、配合件之間的配合性、連接件之間的連接性、運動構件的運動性等均可建模仿真,可以提前發(fā)現加工缺陷,提前發(fā)現裝配時出現的問題,從而能夠優(yōu)化制造過程,提高加工效率。
4. vm技術在制造車間設計中的作用
目前眾多的制造系統(tǒng)可按遞階控制層次分為四層:工廠層、車間層、制造單元層、設備層,其中車間層的設計與車間中設備的利用率、產品的生產效率等密切相關,如果設計不當,就會造成設備利用率低、車間產量不能滿足用戶需求、操作人員的空閑時間多。所以,如何合理地設計制造車間,保證它的高效運行是一個非常重要的問題。采用vm技術能提高設計的可行性、有效性。車間設計的主要任務是把生產設備、刀具、夾具、工件、生產計劃、調度單等生產要素有機地組織起來。
在車間設計的初步階段,設計者根據用戶需求,確定車間的功能需求、車間的模式、主要加工設備、刀具和夾具的類型和數量,提出一組候選設計方案。vm的作用就是幫助設計者評測、修改設計方案,得到最佳結果。
在詳細設計階段,設計者完成對各個組成單元的完整描述,運用vm造型技術生成各個組成單元的虛擬表示,并進而用這些虛擬單元布置整個車間,其中還可加上自動導引小車、機器人、倉庫等車間常用設備。設計者戴上頭盔顯示器就可穿行于虛擬車間之中,他可以開啟其中的任何設備,觀測運行情況,凡是他能想到的檢測條件都立即能看到檢測結果。他還可以在視察時交互式地修改設計方案,比如移動設備的位置,增加/刪除設備的個數,這種“所想即所見”的設計方式極大地提高了設計的成功率。
5. vm技術在生產計劃安排上的應用
生產計劃安排的可視化對于制造決策是極其有用的,但目前它還未能完全實現。使用vm技術,可將成百上千件產品、成千上萬個零部件和許多其他生產要素可視化,輔助計劃者更好地評價、選擇生產計劃。
計算機產生的圖像可將計劃者的大腦負擔轉移到他們的感官系統(tǒng),這就加快了工作進程。生產計劃數據變成立體的或多維的圖形,可表達復雜的內部關系。
但問題并不是那么簡單,不能只簡單地用某種圖形來表示每種數據和數據之間的關系,否則只會生成一幅雜亂無章的圖像。在繪制之前,要先進行視覺抽象,在2維平面上用一種形體代表一種數據,這種形體要滿足:
⑴ 支持視覺感知;
⑵ 構造有效的視覺表示以便于各種層次的解釋;
⑶ 保證結果圖像要便于商業(yè)經理理解和使用。
綜上所述,虛擬制造技術在企業(yè)中的應用可以帶來很多效益。虛擬企業(yè)可以增強企業(yè)柔性,滿足客戶的特殊要求,形成企業(yè)的市場競爭優(yōu)勢。虛擬產品設計可以提高設計質量、優(yōu)化產品性能,縮短設計周期。虛擬產品制造可以提高制造質量,優(yōu)化工藝過程,縮短制造周期。虛擬生產過程可以優(yōu)化資源配置、物流管理、縮短生產周期,降低生產成本。