PLM及虚拟装配

    在当今经济全球化、贸易自由化和社会信息化的趋势发展下，制造业正面临十分严峻的挑战，必须要透过不断地提高生产效率，改善产品质量，降低成本，提供优良服务，才能在市场中占有一席之地。

    随着科技发展，各种信息科技也正不断地融合到制造流程之中，在计算机整合制造（Computer Integrated Manufacturing System；CIMS）及同步工程（Concurrent Engineering；CE）的基础上，如今已又出现了虚拟制造，透过虚拟真实技术，利用计算机和周边设备，生成与真实环境几乎一致的3D虚拟环境，让用户可以从不同的角度和视点来观看，并透过辅助设备与虚拟环境中的物体进行交互关联，模拟完成制造过程。

图1 3D虚拟环境

    虚拟制造的最大优点，就是可以在产品在实际生产前，可以让使用者事先针对产品和制造相关方面的潜在问题，进行分析和预测，实现产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检测及企业各级的管理控制等，以加强制造过程中的决策和控制能力。

缩短工期的PLM解决方案

    虚拟制造除了需要计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）和计算机辅助工艺设计（CAPP）等技术外，为了能够让产品制作过程，从规划到执行所涉及的各种复杂而相互联络的活动，都能够加以管理，透过产品生命周期管理（Product Lifecycle Management；PLM）缩短工作周期，改善协同并促进整个制造过程的知识和资源使用，更是虚拟制造用来支援及简化制造活动，提升制造质量及效率的重要武器。

    在PLM环境下，来自CAD的大量产品信息，包括描述零部件几何形状的数模和图纸、记载技术条件和标准的文字档案、相关的动画或影视档案等，都可整合在产品结构树中，并透过物料清单（BOM）信息与制造过程清单（BOP）之间的关联，确保在正确的工作环境中，使用正确的产品配置。

    目前与虚拟制造有关PLM解决方案，如发源于航空制造企业的Siemens PLM，已是全球虚拟制造领域公认的领导厂商，所推出的Tecnomatix虚拟制造解决方案，可透过改进产品的制造过程，让企业可以快速应对产品设计变化，有助于共享产品制造过程及生产设计最佳经验，并可在使用实际资源的决策前，以数据方式展示应用效果，确保实际工作过程达到预期的商业成果。

    Dassault Systems的PLM虚拟制造解决方案DELMIA，可以帮助制造部门用设计出产品的全部生产流程，并在部署任何实际材料和机器之前进行虚拟展示。DELMIA将制造过程分为三个不同的领域，首先是工艺规划，包括布局规划、时间安排、工艺与资源规划、产品评估和成本分析；其次是工艺细化与验证，包括制造与维护、焊点布局、装配序列、制造车间与单元布局、加工操作和劳动力配置与互动；最后是资源建模与模拟，包括工厂流程模拟、机器人工作单元的配置与离线程序设计、数控加工、虚拟现实场景和人机工程分析。

有助改善产品可装配性的虚拟装配

    另一个与虚拟制造关系密切的技术，则是虚拟装配技术。在交互式虚拟装配环境中，使用者可以使用各类交互设备，包括资料手套、位置跟踪器、鼠标、键盘、力反馈操作设备等，像在真实环境中一样对产品的零组件进行装配操作。

    在虚拟装配的操作过程中，系统会提供实时的碰撞检测、装配约束处理、装配路径与序列处理等功能，进而让使用者能够对产品的可装配性进行分析、对产品零组件装配序列进行验证和规划。在装配（或拆卸）结束后，系统还会记录装配过程的所有信息，并生成评估报告、影片记录等供分析参考，或是用来培训装配操作人员。善用虚拟装配，可以验证装配设计和操作的正确与否，及早发现装配中的问题，对模型进行修改，堪称是虚拟制造技术的关键部分。

    目前针对虚拟装配的研究可以分为三类。首先是以产品设计为中心的虚拟装配，在产品设计过程中，为了有效协助制订与装配有关的设计决策，于是在虚拟环境下，针对对计算机资料模型进行装配关系分析，其中结合了装配设计（Design For Assembly；DFA）的理论和方法，基本任务就是从设计原理方案出发，然后在各种因素制约下，寻求装配结构的最佳解决方案，由此拟定装配草图，以全面改善产品的可装配性，如透过类比试装和定量分析，找出零组件结构设计中，不适合装配或装配性能不好的结构特征，进行设计修改。

    其次是以工艺规划为中心的虚拟装配，是以产品信息模型和装配资源模型为基础，采用计算机模拟和虚拟实境技术，进行产品的装配工艺设计。由于以工艺规划为中心的虚拟装配，以操作模拟的高逼真度为特色，包括虚拟装配实施对象、操作过程以及所用的工具，均与生产实际情况高度吻合，因而可以生动直观地反映产品装配的真实过程，使模拟结果具有高可信度，进而获得可行且较优的装配工艺方案后，再用来指导实际装配生产。

    根据涉及范围和层次的不同，又可分为系统级装配规划和作业级装配规划。前者是装配生产的总体规划，包括市场需求、投资状况、生产规模、生产周期、资源配置、装配车间布置、装配生产线平衡等内容；后者则是以装配作业与过程规划为主，包括装配顺序的规划、装配路径的规划、工艺路线的制定、操作空间的干涉验证、工艺文件生成等内容为主。

    最后则是以虚拟原型为中心的虚拟装配，是利用计算机模拟系统设法实现一定程度的产品外形、功能和性能类比，以有效分析零件制造和装配过程中的受力变形，对产品装配性能的影响，为产品形状精度分析、公差优化设计，提供可视化的结果，包括切削力、变形和残余应力的零件制造过程建模、有限元分析与模拟、配合公差与零件变形等，以产生与真实机具有可比性的效果。