淺析虛擬制造技術及其應用

楊春紅+錢紅

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

關鍵詞：虛擬制造 先進制造模式 數字化模型

為了提高競爭能力，企業應當能夠對市場需求的變化做出快速敏捷的反應，并及時地對自身的生產做出合理的調整與重新規劃。計算機軟硬件技術及網絡技術的迅速發展為實現這一目標提供了強有力的支持。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行定義，比較有代表性有：

佛羅里達大學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上執行制造過程。其中虛擬模型是在實際制造之前用于對產品的功能及可制造性的潛在問題進行預測。該定義強調VM“與實際一樣”“虛擬模型”和“預測”，即著眼于結果。

美國空軍Wright實驗室的定義是：虛擬制造是仿真、建模和分析技術及工具的綜合應用，以增強各層制造設計和生產決策與控制。該定義著眼于手段。

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

從這些定義可以看出，虛擬制造涉及到多個學科領域，是對這些領域知識的綜合集成與應用，計算機仿真、建模和優化技術是虛擬制造的核心與關鍵技術。可以認為，虛擬制造是對制造過程中的各個環節，包括產品的設計、加工、裝配，乃至企業的生產組織管理與調度進行統一建模，形成一個可運行的虛擬制造環境，以計算機軟件技術為支撐，借助于高性能的硬件，在計算機網絡上，生成數字化產品，實現產品設計、性能分析、工藝決策、制造裝配和質量檢驗。它是數字化形式的廣義制造系統，是對實際制造過程的動態模擬。所謂“虛擬”，是相對于實物產品的實際制造系統而言的，強調的是制造系統運行過程的計算機虛擬化。

由于計算機軟硬件技術和網絡技術的廣泛應用，虛擬制造具有以下幾個特點：

（1）產品與制造環境是虛擬模型，在計算機上對虛擬模型進行產品設計、制造、測試，甚至設計人員或用戶可“進入”虛擬的制造環境檢驗其設計、加工、裝配和操作，而不依賴于傳統的原型樣機的反復修改；還可將已開發的產品（部件）存放在計算機里，不但大大節省倉儲費用，更能根據用戶需求或市場變化快速改變設計，快速投入批量生產，從而能大幅度壓縮新產品的開發時間，提高質量、降低成本；

（2）可使分布在不同地點、不同部門的不同專業人員在同一個產品模型上同時工作，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，從而使產品開發以快捷、優質、低耗響應市場變化。

二、虛擬制造的種類

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

1.以設計為中心的虛擬制造

以設計為中心的虛擬制造強調以統一制造信息模型為基礎，對數字化產品模型進行仿真與分析、優化，進行產品的結構性能、運動學、動力學、熱力學方面的分析和可裝配性分析，以獲得對產品的設計評估與性能預測結果.

2.以生產為中心的虛擬制造

以生產為中心的虛擬制造是在企業資源的約束條件下，對企業的生產過程進行仿真，對不同的加工過程及其組合進行優化。它對產品的“可生產性”進行分析與評價，對制造資源和環境進行優化組合，通過提供精確的生產成本信息對生產計劃與調度進行合理化決策。

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引入控制模型，提供模擬實際生產過程的虛擬環境，使企業在考慮車間控制行為的基礎上對制造過程進行優化控制。

以上三種虛擬制造分別側重于制造過程的不同方面。但它們都以計算機建模、仿真技術為一個重要的實現手段，通過對制造過程進行統一建模，用仿真支持設計過程、模擬制造過程，進行成本估算和生產調度。

三、虛擬制造的應用

虛擬制造在工業發達國家，已得到了不同程度的研究和應用，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中已經應用了虛擬制造技術，可大大縮短產品的發布時間。波音公司設計的777型大型客機是世界上首架無圖紙、無模型、用電子計算機設計的新型雙發動機客機。它的設計成功已經成為虛擬制造從理論研究轉向實用化的一個里程碑。

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

四、結論

虛擬制造以產品的數字化模型取代了實物樣機，通過對數字化模型的模擬測試進行評估，能夠以較低的生產成本獲得較高的設計質量，縮短產品的發布周期，提高企業生產效率。企業的生產因為虛擬制造技術的應用而具有高度的柔性化和快速的市場反應能力，市場競爭力大大增強。在高科技含量的行業中，如航空航天、軍事、精密機床、微電子等領域，虛擬制造必將得到日益廣泛的應用。

參考文獻

[1[劉戰強 艾興.虛擬制造技術及其應用的現狀與發展展望[J].山東大學學報（工學版），2002年

[2[鄭太雄 何玉林 劉成俊.虛擬制造中的產品建模技術[J].重慶大學學報（自然科學版），2002年