浅析虚拟制造技术及其应用

杨春红+钱红

摘 要：制造业为了在竞争激烈的全球市场求得生存与发展，必须能够更好地满足市场所提出的T、Q、C、S要求，即要以最短的产品开发周期（Time to Market），最优质的产品质量（Quality），最低廉的制造成本（Cost）和最好的技术支持与售后服务（Service）来赢得市场与用户。面对不可预测、持续发展、快速多变的市场需求，企业的生产活动必须具有高度的柔性。

关键词：虚拟制造 先进制造模式 数字化模型

为了提高竞争能力，企业应当能够对市场需求的变化做出快速敏捷的反应，并及时地对自身的生产做出合理的调整与重新规划。计算机软硬件技术及网络技术的迅速发展为实现这一目标提供了强有力的支持。基于这些因素，90年代中有许多新概念、新观点应运而生，虚拟制造（Virtual Manufacture）就是其中之一，它代表了一种全新的制造体系和模式。

一、虚拟制造的定义及特点

虚拟制造（Virtual Manufacturing）是近几年由美国首先提出的一种全新概念。什么是虚拟制造？它包括哪些内容？这些至今仍然是人们讨论的问题。很多人曾为虚拟制造进行定义，比较有代表性有：

佛罗里达大学Gloria J.Wiens的定义是：虚拟制造是这样一个概念，即与实际一样在计算机上执行制造过程。其中虚拟模型是在实际制造之前用于对产品的功能及可制造性的潜在问题进行预测。该定义强调VM“与实际一样”“虚拟模型”和“预测”，即着眼于结果。

美国空军Wright实验室的定义是：虚拟制造是仿真、建模和分析技术及工具的综合应用，以增强各层制造设计和生产决策与控制。该定义着眼于手段。

马里兰大学Edward Lin&etc定义是：虚拟制造是一个用于增强各级决策与控制的一体化的、综合性的制造环境。该定义则着眼于环境。

从这些定义可以看出，虚拟制造涉及到多个学科领域，是对这些领域知识的综合集成与应用，计算机仿真、建模和优化技术是虚拟制造的核心与关键技术。可以认为，虚拟制造是对制造过程中的各个环节，包括产品的设计、加工、装配，乃至企业的生产组織管理与调度进行统一建模，形成一个可运行的虚拟制造环境，以计算机软件技术为支撑，借助于高性能的硬件，在计算机网络上，生成数字化产品，实现产品设计、性能分析、工艺决策、制造装配和质量检验。它是数字化形式的广义制造系统，是对实际制造过程的动态模拟。所谓“虚拟”，是相对于实物产品的实际制造系统而言的，强调的是制造系统运行过程的计算机虚拟化。

由于计算机软硬件技术和网络技术的广泛应用，虚拟制造具有以下几个特点：

（1）产品与制造环境是虚拟模型，在计算机上对虚拟模型进行产品设计、制造、测试，甚至设计人员或用户可“进入”虚拟的制造环境检验其设计、加工、装配和操作，而不依赖于传统的原型样机的反复修改；还可将已开发的产品（部件）存放在计算机里，不但大大节省仓储费用，更能根据用户需求或市场变化快速改变设计，快速投入批量生产，从而能大幅度压缩新产品的开发时间，提高质量、降低成本；

（2）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，从而使产品开发以快捷、优质、低耗响应市场变化。

二、虚拟制造的种类

广义的制造过程不仅包括了产品的设计加工、装配，还包含了对企业生产活动的组织与控制。从这个观点出发，可以把虚拟制造划分为三类：以设计为中心的虚拟制造、以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造。

1.以设计为中心的虚拟制造

以设计为中心的虚拟制造强调以统一制造信息模型为基础，对数字化产品模型进行仿真与分析、优化，进行产品的结构性能、运动学、动力学、热力学方面的分析和可装配性分析，以获得对产品的设计评估与性能预测结果.

2.以生产为中心的虚拟制造

以生产为中心的虚拟制造是在企业资源的约束条件下，对企业的生产过程进行仿真，对不同的加工过程及其组合进行优化。它对产品的“可生产性”进行分析与评价，对制造资源和环境进行优化组合，通过提供精确的生产成本信息对生产计划与调度进行合理化决策。

3.以控制为中心的虚拟制造

以控制为中心的虚拟制造是将仿真技术引入控制模型，提供模拟实际生产过程的虚拟环境，使企业在考虑车间控制行为的基础上对制造过程进行优化控制。

以上三种虚拟制造分别侧重于制造过程的不同方面。但它们都以计算机建模、仿真技术为一个重要的实现手段，通过对制造过程进行统一建模，用仿真支持设计过程、模拟制造过程，进行成本估算和生产调度。

三、虚拟制造的应用

虚拟制造在工业发达国家，已得到了不同程度的研究和应用，目前美国处于研究的前沿。福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司在新型汽车的开发中已经应用了虚拟制造技术，可大大缩短产品的发布时间。波音公司设计的777型大型客机是世界上首架无图纸、无模型、用电子计算机设计的新型双发动机客机。它的设计成功已经成为虚拟制造从理论研究转向实用化的一个里程碑。

在我国，清华大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等科研教学单位也已经开展了一系列的研究工作。当前我国虚拟制造应用的重点研究方向是基于我国国情，进行产品的三维虚拟设计、加工过程仿真和产品装配仿真，主要是研究如何生成可信度高的虚拟样机，在产品设计阶段能够以较高的置信度预测所设计产品的最终性能和可制造性。

四、结论

虚拟制造以产品的数字化模型取代了实物样机，通过对数字化模型的模拟测试进行评估，能够以较低的生产成本获得较高的设计质量，缩短产品的发布周期，提高企业生产效率。企业的生产因为虚拟制造技术的应用而具有高度的柔性化和快速的市场反应能力，市场竞争力大大增强。在高科技含量的行业中，如航空航天、军事、精密机床、微电子等领域，虚拟制造必将得到日益广泛的应用。

参考文献

[1[刘战强 艾兴.虚拟制造技术及其应用的现状与发展展望[J].山东大学学报（工学版），2002年

[2[郑太雄 何玉林 刘成俊.虚拟制造中的产品建模技术[J].重庆大学学报（自然科学版），2002年