虚拟制造技术在现代机械工程设计中的应用

王旭 李璐

摘 要：虚拟制造技术是虚拟现实技术和计算机仿真技术在制造领域的综合发展及应用，它为制造业带来全新的概念。它既是一项先进制造技术又是一种先进制造理念，这项新兴的制造技术为制造业的发展指明了方向，减少了资源浪费，实现了绿色制造，使制造业达到了前所未有的高度集成化与优化，为先进制造技术的进一步发展提供了更广阔的空间，是现代制造业信息化过程中不可逾越的阶段。本文对虚拟制造技术在现代机械工程设计中的应用进行了研究探讨。

关键词：虚拟制造;虚拟现实技术;现代机械;工程设计

虚拟制造是20世纪80年代后期美国首先提出来的一种新思想，它是利用信息技术、仿真技术、计算机技术等对现实制造活动中的人、物、信息及产品设计、工艺规划、加工制造等生产过程进行全面的仿真，以发现制造中可能出现的问题，预测、检测、评价产品性能和产品的可制造性等，在产品实际生产前就采取预防措施，确保产品一次性开发成功，以达到降低成本、缩短产品开发周期、增强企业竞争力的目的。

一、关于虚拟制造的技术特点

一是高度集成。虚拟制造中产品设计与制造过程是在虚拟的产品数字化模型中进行产品设计、制造、测试等过程，并且在虚拟的制造环境中检验其设计、加工、装配和操作。因此，易于综合运用系统工程知识、并行工程和人―机工程等多学科先进技术，实现信息集成、知识集成、串并行交错工作机制集成和人―机集成。

二是敏捷灵活。开发的产品（部件）可存放在计算机里，既节省仓储费用，利于产品再次快速改型设计，从而大幅度缩短了生产准备周期，降低了成本，提高了产品从设计、制造到销售全过程的整体性和敏捷性。

三是分布合作。虚拟制造通过Internet可使分布在不同地点、不同部门的不同专业人员在同一产品模型上同时工作，相互交流，实现资源共享，发挥各自特长，实现异地设计、制造，从而使产品开发以快捷、优质、低耗响应市场变化，将制造业信息化与知识化融为一体。

二、虚拟制造技术对发展我制造业的作用

一是减少资源浪费，实现绿色制造。绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使产品在从设计、制造、包装、运输、使用到报废的整个产品生命周期中，对环境的影响（负作用）最小，资源的使用效率最高。而虚拟制造技术的应用对整个制造工艺来说减少了废弃物，这要比处理工厂已经排放的废弃物大大节省开支，它将成为绿色制造的一部分。

二是规避生产要素缺乏、生产成本过高的局面。在实际生产前，在不消耗资源和能量的情况下验证产品方案。在虚拟制造环境下，工程设计人员可以直接对设计出的产品进行各项实验，检查产品各方面的技术性能等，还可以对生产的组织和进度安排进行实验，确立合理的进度表等。这样就可大大降低生产成本，减少新产品开发的投资。

三是敏捷转换产品生产，快速满足市场需求。虚拟制造是“核心”企业按市场需求决定委托加工的任务单，将设计、生产、组装的全部或部分任务外包给其他企业来完戎，而虚拟企业中的成员企业均拥有各自的优势资源、核心技术，是专业程度很高的企业，容易对产品的某一零部件进行改进和创新，能敏捷地转换不同类型产品的生产，从而快速满足市场需求。

四是增强企业柔性和抗市场风险能力。“虚拟制造”能按市场需求决定委托加工的任务单，当产品的市场需求减少时，可以迅速降低委托加工量，而不用承担生产过剩的风险。显然，这部分风险分散转嫁给了委托加工企业。但由于受委托方往往是专业化的加工企业，对分散转嫁的风险具有较强的应变能力，常能在短时间内改变生产加工产品内容。

五是突破中小企业的规模瓶颈。虚拟企业内部交易是一种“准市场交易”，它比纯市场交易稳定，又比一体化企业内部交易灵活，集合了市场和企业的双重优势。企业通过虚拟制造有效避免或降低了在纯市场、信息不对称条件下寻求生产要素、进行交易的高成本，从而提升了产品在市场中的竞争力。企业突破传统发展模式、扩大规模、跳跃发展成为可能。

三、虚拟制造技术在现代机械工程设计中的应用

虚拟制造在工业发达国家，如美国、德国、日本等已得到了不同程度的研究和应用。在这一领域，美国处于国际研究的前沿。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，大大缩短了产品的发布时间。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这一领域的研究工作。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产品虚拟样机，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。

一是虚拟产品设计。例如飞机、汽车的外形设计，其形状是否符合空气动力学原理、运动过程的阻力、其内部结构布局的合理性等。在复杂管道系统设计中，彩虚拟技术，设计者可“进入其中”进行管道布置，并可检查是否发生干涉。这样可提高设计效率，尽早发现设计中的问题，从而优化产品设计。

二是虚拟产品制造。应用计算机仿真技术，对零件的加工方法、工序顺序、工装的选用、工艺参数的选用，加工工艺性、装配工艺性、配合件之间的配合性、运行物件的运动性等均可建模仿真，提前发现加工缺陷和装配时出现的问题，从而优化制造过程、提高加工效率。

三是虚拟生产过程。产品生产过程的合理制定，人力资源、制造资源、物料库存、生产调度、生产系统的规划设计等，均可通过计算机仿真进行优化，同时还可对生产系统进行可靠性分析，对生产过程的资金进行分析预测，对产品市场进行分析预测等，從而对人力、制造资源的合理配置，对缩短生产周期、降低生产成本意义重大。John Deere公司运用VMT进行弧焊生产系统的安装，EDS 公司应用DENEB 软件为通用汽车公司的中、高档毫华汽车分厂进行装配生产优化设计，GM 公司也为此节省数百万美元，并提前了上市时间。

四、结语

虚拟制造技术是虚拟现实技术和计算机仿真技术在制造领域的综合发展及应用，它为制造业带来全新的概念。它既是一项先进制造技术又是一种先进制造理念，这项新兴的制造技术为制造业的发展指明了方向，减少了资源浪费，实现了绿色制造，使制造业达到了前所未有的高度集成化与优化，为先进制造技术的进一步发展提供了更广阔的空间，是现代制造业信息化过程中不可逾越的阶段。

参考文献

[1]李京平.模具现代制造技术概论[M].北京市：机械工业出版社，2008.

[2]韩宝菊，王卫东.虚拟制造技术及应用[J].液压气动与密封.2010.