虛擬制造技術及應用

[摘要] 虛擬制造是虛擬現實技術和計算機仿真技術在制造領域的綜合發展及應用。可以有效地提高產品的質量和生產效率，有助于降低產品開發成本，縮短開發周期。本文探討了計算機虛擬制造技術的含義、特點、分類及其在實際中的應用等問題。

[關鍵詞] 虛擬制造 仿真 應用

一、引言

隨著經濟的全球化和社會的信息化，市場競爭日益激烈，制造企業為了在競爭中求得生存與發展，就應該以最快的上市速度、最好的質量、最低的成本和最優的服務滿足不同顧客的需求。隨著信息技術的迅速發展和企業市場競爭的需求，美國20世紀80年代后期提出了虛擬制造技術，并在20世紀90年代得到極大重視并得到迅速發展。

二、虛擬制造技術定義

虛擬制造 (Virtual Manufacturing簡稱VM）是實際制造過程在計算機上的映射，即采用計算機仿真與虛擬現實技術，在高性能計算機及高速網絡的支持下，在計算機上群組協同工作，實現產品設計、工藝規劃、加工制造、性能分析、質量檢驗，以及企業各級過程的管理與控制產品制造的本質過程，以增強制造過程中各級的決策和控制能力。它為工程師們提供了從產品概論的形成、設計到制造全過程的三維可視及交互的環境，使得制造技術發展到了全方位預報的新階段 。

三、虛擬制造方法具有以下特點：

1.全新的研發模式：虛擬制造技術中，設計者采用三維方式，建立全關聯的的數字模型。當需要繪圖數據時，可以方便地從三維模型中抽取，實現三維數字無圖紙設計，同時還要求進行產品總體的模型設計，而不僅限于設計單個部件或零件，設計者需要了解零件如何制造、裝配，并應用于設計過程，各專業人員不再分開獨立地工作，而是按照項目進行組織并同時開展工作，能夠很好地解決設計過程中的同步問題。

2.降低研發成本、縮短研發周期、提高產品質量：通過計算機技術建立產品的數字化模型，可以完成無數次物理樣機無法進行的虛擬試驗，從而無需制造及試驗物理樣機就可獲得最優方案，減少了物理樣機的數量，縮短了研發周期、提高了產品質量。

3.實現動態聯盟的重要手段：通過網絡實現并行設計和制造，具有傳遞快速、反饋及時的特點，進而使動態聯盟的活動具有高度的并行性。

四、虛擬制造的關鍵技術

虛擬制造技術涉及面很廣，如環境構成技術、過程特征抽取、集成基礎結構的體系結構、制造特征數據集成、多學科交叉功能、決策支持工具、接口技術、虛擬現實技術、建模與仿真技術等，其中后三項是虛擬制造的核心技術。

1.建模技術：虛擬制造系統的建模包括生產模型、產品模型和工藝模型。生產模型可歸納為靜態描述和動態描述兩個方面。靜態描述是指系統生產能力和生產特性的描述。動態描述是指在已知系統狀態和需求特性的基礎上預測產品生產過程。虛擬制造下的產品模型不再是單一的靜態特征模型，它能通過映射、抽象等方法提取產品實施中各活動所需的模型，包括三維動態模型，干涉檢查，應力分析等。工藝模型是將工藝參數與影響制造功能的產品設計屬性聯系起來，以反應生產模型與產品模型之間的交互作用。

2.仿真技術。仿真就是應用計算機對復雜的現實系統經過抽象和簡化形成系統模型，然后在分析的基礎上運行此模型，從而得到一系列的統計性能。目前廣泛使用CAD、Solidworks、UG、PRO/E等三維軟件能較方便的構建三維模型，虛擬樣機是基于三維模型的產物，能完成結構分析、裝配仿真及運動仿真等復雜設計過程。

3.虛擬現實技術。虛擬現實技術VRT（Virtual Reality Technology）是綜合利用計算機圖形系統、各種顯示和控制等接口設備，在計算機上生成可交互的三維環境（稱為虛擬環境）中提供沉浸感覺的技術。由圖形系統及各種接口設備組成。在計算機上建立起的虛擬制造環境是一種接近人們自然活動的一種“自然”環境，可以充分發揮技術人員的想象力和創造能力，相互協作發揮集體智慧，提高產品開發的質量和縮短開發周期。

4.虛擬制造的分類。按照與生產各個階段的關系，虛擬制造可分成三類:(1)以設計為中心的VM，這類 VM 是將制造信息加入到產品設計和工藝設計中，并在計算機上進行數字化制造，仿真多種制造方案，評估各種生產情景，通過仿真制造來優化產品設計和工藝設計，以便作出正確決策。(2)以生產為中心的VM，這類 VM 是將仿真能力加到生產計劃模型中，以便快捷化評價生產計劃，檢驗工藝流程、資源需求狀況以及生產效率，從而優化制造環境和生產供應計劃。(3)以控制為中心的VM，這類 VM 是將仿真能力加到控制模型中，提供對實際生產過程的仿真環境，即將機器控制模型用于仿真，其目標是實際生產中的過程優化，改進制造系統。

5.虛擬制造技術在制造業中的應用。虛擬制造技術首先在軍事、航空航天、汽車領域中獲得成功的應用。例如波音飛機公司777飛機的設計，就是采用虛擬制造技術的典型范例，設計、裝機、測試均在計算機中完成模擬，實時采集和處理數據并及時解決設計問題，使得最終制造出來的波音777飛機與設計方案誤差小于0.001英寸，保證一次試制成功。

目前虛擬制造技術應用得比較成熟的有：產品的外形設計、產品的布局設計、產品的運動和動力學仿真、熱加工工藝模擬、加工過程仿真、產品裝配仿真、虛擬樣機與產品工作性能評測、企業生產過程的仿真與優化、產品的廣告與漫游等。

五、結語

采用虛擬制造技術，在三維可視化虛擬環境中，能充分發揮設計人員的想象力和創造力，使設計人員的經驗和科學的計算分析完美地相結合，推進了產品設計的創新與發展，提高了機械產品的創新開發能力。隨著制造技術和網絡技術的發展，虛擬制造技術方面的研究將會進入一個更加嶄新的階段。

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