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虛擬製造技術-PLM及虛擬裝配

透過虛擬真實技術,利用電腦和周邊設備,可以生成與真實環境幾乎一致的3D虛擬環境,模擬完成製造過程。Pendulum Studios

在當今經濟全球化、貿易自由化和社會資訊化的趨勢發展下,製造業正面臨十分嚴峻的挑戰,必須要透過不斷地提高生產效率,改善產品質量,降低成本,提供優良服務,才能在市場中占有一席之地。

隨著科技發展,各種資訊科技也正不斷地融合到製造流程之中,在電腦整合製造(Computer Integrated Manufacturing System;CIMS)及同步工程(Concurrent Engineering;CE)的基礎上,如今已又出現了虛擬製造,透過虛擬真實技術,利用電腦和周邊設備,生成與真實環境幾乎一致的3D虛擬環境,讓用戶可以從不同的角度和視點來觀看,並透過輔助設備與虛擬環境中的物體進行交互關聯,模擬完成製造過程。

虛擬製造的最大優點,就是可以在產品在實際生產前,可以讓使用者事先針對產品和製造相關方面的潛在問題,進行分析和預測,實現產品設計、工藝規劃、加工製造、性能分析、質量檢測及企業各級的管理控制等,以加強製造過程中的決策和控制能力。

縮短工期的PLM解決方案

虛擬製造除了需要電腦輔助設計(CAD)、電腦輔助製造(CAM)和電腦輔助工藝設計(CAPP)等技術外,為了能夠讓產品製作過程,從規劃到執行所涉及的各種複雜而相互聯絡的活動,都能夠加以管理,透過產品生命週期管理(Product Lifecycle Management;PLM)縮短工作週期,改善協同並促進整個製造過程的知識和資源使用,更是虛擬製造用來支援及簡化製造活動,提升製造品質及效率的重要武器。

在PLM環境下,來自CAD的大量產品資訊,包括描述零部件幾何形狀的數模和圖紙、記載技術條件和標準的文字檔案、相關的動畫或影視檔案等,都可整合在產品結構樹中,並透過物料清單(BOM)資訊與製造過程清單(BOP)之間的關聯,確保在正確的工作環境中,使用正確的產品配置。

目前與虛擬製造有關PLM解決方案,如發源於航空製造企業的Siemens PLM,已是全球虛擬製造領域公認的領導廠商,所推出的Tecnomatix虛擬製造解決方案,可透過改進產品的製造過程,讓企業可以快速應對產品設計變化,有助於共享產品製造過程及生產設計最佳經驗,並可在使用實際資源的決策前,以數據方式展示應用效果,確保實際工作過程達到預期的商業成果。

Dassault Systems的PLM虛擬製造解決方案DELMIA,可以幫助製造部門用設計出產品的全部生產流程,並在部署任何實際材料和機器之前進行虛擬展示。DELMIA將製造過程分為三個不同的領域,首先是工藝規劃,包括佈局規劃、時間安排、工藝與資源規劃、產品評估和成本分析;其次是工藝細化與驗證,包括製造與維護、焊點佈局、裝配序列、製造車間與單元佈局、加工操作和勞動力配置與互動;最後是資源建模與模擬,包括工廠流程模擬、機器人工作單元的配置與離線程式設計、數控加工、虛擬現實場景和人機工程分析。

有助改善產品可裝配性的虛擬裝配

另一個與虛擬製造關係密切的技術,則是虛擬裝配技術。在互動式虛擬裝配環境中,使用者可以使用各類交互設備,包括資料手套、位置跟蹤器、滑鼠、鍵盤、力回饋操作設備等,像在真實環境中一樣對產品的零組件進行裝配操作。

在虛擬裝配的操作過程中,系統會提供即時的碰撞檢測、裝配約束處理、裝配路徑與序列處理等功能,進而讓使用者能夠對產品的可裝配性進行分析、對產品零組件裝配序列進行驗證和規劃。在裝配(或拆卸)結束後,系統還會記錄裝配過程的所有資訊,並生成評估報告、影片記錄等供分析參考,或是用來培訓裝配操作人員。善用虛擬裝配,可以驗證裝配設計和操作的正確與否,及早發現裝配中的問題,對模型進行修改,堪稱是虛擬製造技術的關鍵部分。

目前針對虛擬裝配的研究可以分為三類。首先是以產品設計為中心的虛擬裝配,在產品設計過程中,為了有效協助制訂與裝配有關的設計決策,於是在虛擬環境下,針對對電腦資料模型進行裝配關係分析,其中結合了裝配設計(Design For Assembly;DFA)的理論和方法,基本任務就是從設計原理方案出發,然後在各種因素制約下,尋求裝配結構的最佳解決方案,由此擬定裝配草圖,以全面改善產品的可裝配性,如透過類比試裝和定量分析,找出零組件結構設計中,不適合裝配或裝配性能不好的結構特徵,進行設計修改。

其次是以工藝規劃為中心的虛擬裝配,是以產品資訊模型和裝配資源模型為基礎,採用電腦模擬和虛擬實境技術,進行產品的裝配工藝設計。由於以工藝規劃為中心的虛擬裝配,以操作模擬的高逼真度為特色,包括虛擬裝配實施對象、操作過程以及所用的工具,均與生產實際情況高度吻合,因而可以生動直觀地反映產品裝配的真實過程,使模擬結果具有高可信度,進而獲得可行且較優的裝配工藝方案後,再用來指導實際裝配生產。

根據涉及範圍和層次的不同,又可分為系統級裝配規劃和作業級裝配規劃。前者是裝配生產的總體規劃,包括市場需求、投資狀況、生產規模、生產週期、資源配置、裝配車間佈置、裝配生產線平衡等內容;後者則是以裝配作業與過程規劃為主,包括裝配順序的規劃、裝配路徑的規劃、工藝路線的製定、操作空間的干涉驗證、工藝文件生成等內容為主。

最後則是以虛擬原型為中心的虛擬裝配,是利用電腦模擬系統設法實現一定程度的產品外形、功能和性能類比,以有效分析零件製造和裝配過程中的受力變形,對產品裝配性能的影響,為產品形狀精度分析、公差優化設計,提供可視化的結果,包括切削力、變形和殘餘應力的零件製造過程建模、有限元分析與模擬、配合公差與零件變形等,以產生與真實機具有可比性的效果。

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