淺析虛擬制造技術(shù)及其應(yīng)用

楊春紅+錢紅

摘 要：制造業(yè)為了在競爭激烈的全球市場求得生存與發(fā)展，必須能夠更好地滿足市場所提出的T、Q、C、S要求，即要以最短的產(chǎn)品開發(fā)周期（Time to Market），最優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品質(zhì)量（Quality），最低廉的制造成本（Cost）和最好的技術(shù)支持與售后服務(wù)（Service）來贏得市場與用戶。面對不可預(yù)測、持續(xù)發(fā)展、快速多變的市場需求，企業(yè)的生產(chǎn)活動必須具有高度的柔性。

關(guān)鍵詞：虛擬制造 先進(jìn)制造模式 數(shù)字化模型

為了提高競爭能力，企業(yè)應(yīng)當(dāng)能夠?qū)κ袌鲂枨蟮淖兓龀隹焖倜艚莸姆磻?yīng)，并及時地對自身的生產(chǎn)做出合理的調(diào)整與重新規(guī)劃。計算機(jī)軟硬件技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展為實現(xiàn)這一目標(biāo)提供了強(qiáng)有力的支持。基于這些因素，90年代中有許多新概念、新觀點應(yīng)運而生，虛擬制造（Virtual Manufacture）就是其中之一，它代表了一種全新的制造體系和模式。

一、虛擬制造的定義及特點

虛擬制造（Virtual Manufacturing）是近幾年由美國首先提出的一種全新概念。什么是虛擬制造？它包括哪些內(nèi)容？這些至今仍然是人們討論的問題。很多人曾為虛擬制造進(jìn)行定義，比較有代表性有：

佛羅里達(dá)大學(xué)Gloria J.Wiens的定義是：虛擬制造是這樣一個概念，即與實際一樣在計算機(jī)上執(zhí)行制造過程。其中虛擬模型是在實際制造之前用于對產(chǎn)品的功能及可制造性的潛在問題進(jìn)行預(yù)測。該定義強(qiáng)調(diào)VM“與實際一樣”“虛擬模型”和“預(yù)測”，即著眼于結(jié)果。

美國空軍Wright實驗室的定義是：虛擬制造是仿真、建模和分析技術(shù)及工具的綜合應(yīng)用，以增強(qiáng)各層制造設(shè)計和生產(chǎn)決策與控制。該定義著眼于手段。

馬里蘭大學(xué)Edward Lin&etc定義是：虛擬制造是一個用于增強(qiáng)各級決策與控制的一體化的、綜合性的制造環(huán)境。該定義則著眼于環(huán)境。

從這些定義可以看出，虛擬制造涉及到多個學(xué)科領(lǐng)域，是對這些領(lǐng)域知識的綜合集成與應(yīng)用，計算機(jī)仿真、建模和優(yōu)化技術(shù)是虛擬制造的核心與關(guān)鍵技術(shù)。可以認(rèn)為，虛擬制造是對制造過程中的各個環(huán)節(jié)，包括產(chǎn)品的設(shè)計、加工、裝配，乃至企業(yè)的生產(chǎn)組織管理與調(diào)度進(jìn)行統(tǒng)一建模，形成一個可運行的虛擬制造環(huán)境，以計算機(jī)軟件技術(shù)為支撐，借助于高性能的硬件，在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上，生成數(shù)字化產(chǎn)品，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、性能分析、工藝決策、制造裝配和質(zhì)量檢驗。它是數(shù)字化形式的廣義制造系統(tǒng)，是對實際制造過程的動態(tài)模擬。所謂“虛擬”，是相對于實物產(chǎn)品的實際制造系統(tǒng)而言的，強(qiáng)調(diào)的是制造系統(tǒng)運行過程的計算機(jī)虛擬化。

由于計算機(jī)軟硬件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，虛擬制造具有以下幾個特點：

（1）產(chǎn)品與制造環(huán)境是虛擬模型，在計算機(jī)上對虛擬模型進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計、制造、測試，甚至設(shè)計人員或用戶可“進(jìn)入”虛擬的制造環(huán)境檢驗其設(shè)計、加工、裝配和操作，而不依賴于傳統(tǒng)的原型樣機(jī)的反復(fù)修改；還可將已開發(fā)的產(chǎn)品（部件）存放在計算機(jī)里，不但大大節(jié)省倉儲費用，更能根據(jù)用戶需求或市場變化快速改變設(shè)計，快速投入批量生產(chǎn)，從而能大幅度壓縮新產(chǎn)品的開發(fā)時間，提高質(zhì)量、降低成本；

（2）可使分布在不同地點、不同部門的不同專業(yè)人員在同一個產(chǎn)品模型上同時工作，相互交流，信息共享，減少大量的文檔生成及其傳遞的時間和誤差，從而使產(chǎn)品開發(fā)以快捷、優(yōu)質(zhì)、低耗響應(yīng)市場變化。

二、虛擬制造的種類

廣義的制造過程不僅包括了產(chǎn)品的設(shè)計加工、裝配，還包含了對企業(yè)生產(chǎn)活動的組織與控制。從這個觀點出發(fā)，可以把虛擬制造劃分為三類：以設(shè)計為中心的虛擬制造、以生產(chǎn)為中心的虛擬制造和以控制為中心的虛擬制造。

1.以設(shè)計為中心的虛擬制造

以設(shè)計為中心的虛擬制造強(qiáng)調(diào)以統(tǒng)一制造信息模型為基礎(chǔ)，對數(shù)字化產(chǎn)品模型進(jìn)行仿真與分析、優(yōu)化，進(jìn)行產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能、運動學(xué)、動力學(xué)、熱力學(xué)方面的分析和可裝配性分析，以獲得對產(chǎn)品的設(shè)計評估與性能預(yù)測結(jié)果.

2.以生產(chǎn)為中心的虛擬制造

以生產(chǎn)為中心的虛擬制造是在企業(yè)資源的約束條件下，對企業(yè)的生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真，對不同的加工過程及其組合進(jìn)行優(yōu)化。它對產(chǎn)品的“可生產(chǎn)性”進(jìn)行分析與評價，對制造資源和環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化組合，通過提供精確的生產(chǎn)成本信息對生產(chǎn)計劃與調(diào)度進(jìn)行合理化決策。

3.以控制為中心的虛擬制造

以控制為中心的虛擬制造是將仿真技術(shù)引入控制模型，提供模擬實際生產(chǎn)過程的虛擬環(huán)境，使企業(yè)在考慮車間控制行為的基礎(chǔ)上對制造過程進(jìn)行優(yōu)化控制。

以上三種虛擬制造分別側(cè)重于制造過程的不同方面。但它們都以計算機(jī)建模、仿真技術(shù)為一個重要的實現(xiàn)手段，通過對制造過程進(jìn)行統(tǒng)一建模，用仿真支持設(shè)計過程、模擬制造過程，進(jìn)行成本估算和生產(chǎn)調(diào)度。

三、虛擬制造的應(yīng)用

虛擬制造在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，已得到了不同程度的研究和應(yīng)用，目前美國處于研究的前沿。福特汽車公司和克萊斯勒汽車公司在新型汽車的開發(fā)中已經(jīng)應(yīng)用了虛擬制造技術(shù)，可大大縮短產(chǎn)品的發(fā)布時間。波音公司設(shè)計的777型大型客機(jī)是世界上首架無圖紙、無模型、用電子計算機(jī)設(shè)計的新型雙發(fā)動機(jī)客機(jī)。它的設(shè)計成功已經(jīng)成為虛擬制造從理論研究轉(zhuǎn)向?qū)嵱没囊粋€里程碑。

在我國，清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等科研教學(xué)單位也已經(jīng)開展了一系列的研究工作。當(dāng)前我國虛擬制造應(yīng)用的重點研究方向是基于我國國情，進(jìn)行產(chǎn)品的三維虛擬設(shè)計、加工過程仿真和產(chǎn)品裝配仿真，主要是研究如何生成可信度高的虛擬樣機(jī)，在產(chǎn)品設(shè)計階段能夠以較高的置信度預(yù)測所設(shè)計產(chǎn)品的最終性能和可制造性。

四、結(jié)論

虛擬制造以產(chǎn)品的數(shù)字化模型取代了實物樣機(jī)，通過對數(shù)字化模型的模擬測試進(jìn)行評估，能夠以較低的生產(chǎn)成本獲得較高的設(shè)計質(zhì)量，縮短產(chǎn)品的發(fā)布周期，提高企業(yè)生產(chǎn)效率。企業(yè)的生產(chǎn)因為虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用而具有高度的柔性化和快速的市場反應(yīng)能力，市場競爭力大大增強(qiáng)。在高科技含量的行業(yè)中，如航空航天、軍事、精密機(jī)床、微電子等領(lǐng)域，虛擬制造必將得到日益廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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[2[鄭太雄 何玉林 劉成俊.虛擬制造中的產(chǎn)品建模技術(shù)[J].重慶大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2002年