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。