虛擬制造的應用與現狀分析

李京儒 李海宏

(西北農林科技大學，陜西 楊凌 712100)

1 虛擬制造技術

虛擬制造技術是一種在很大程度上區別于現實制造的制造技術，虛擬制造是利用計算機，輔助現實制造的設計和生產，是多學科交叉形成的一種新的系統技術，虛擬制造作為一種比較先進的加工制造技術，已經成為了代替現實制造進行分析和研究的工具，它相對于傳統制造業的最顯著特點就是虛擬制造是在計算機上虛擬進行的，沒有實際生產活動，不消耗原料和能量，大大地減少了浪費[1]。

2 虛擬制造應用分類

2.1 以設計為中心的虛擬制造

以設計為中心的虛擬制造就是在設計階段就預先提供產品的制造信息，比如產品外形、顏色、材料，通過計算機系統建模、仿真，從而不斷優化，使產品不斷符合使用要求，最后可以在計算機上生產“軟樣機”，相對于傳統的現實制造的樣機，極大地降低了成本，節省大量資金，也縮短了試驗成本，提高了效率。特別是隨著計算機領域的發展，這種利用計算機實現產品生產前的改進方式，也不再僅限于大工廠、大車間的大宗產品設計，現如今的高校師生也可以利用許多軟件來實現，特別是工科專業，在參與科研項目、科創比賽時，可利用虛擬設計，改進優化某些零部件設計，再制造出滿足使用要求的零件，節省時間，節約成本。

2.2 以生產為中心的虛擬制造

以生產為中心的虛擬制造就是將仿真能力用于制造過程模型，用來評價不同的工藝方案;用于資源需求規劃、生產計劃的產生及評價的環境。其中，最大的優點就是可以在很大程度上優化工藝方案，從而確定最好的生產流程，獲得最佳的產品質量。對于已經設計完成的產品，在實際生產時不同工藝方案對產品質量影響極大，生產步驟的順序變化可能使產品的性能，承載能力發生毀滅性地破壞，利用虛擬制造極大地降低了企業要承擔的風險[2]。

2.3 以控制為核心的虛擬制造

以控制為核心的虛擬制造是指將仿真能力增加到模型中，以便提供對實際生產過程造成影響的環境，如人工、場地因素，目的是評估改進的產品設計以及與生產過程相關的活動，使生產過程在生產周期內不斷優化，改進制造系統。

3 虛擬制造應用實例

3.1 在汽車生產制造中的應用

汽車是現代社會生產生活中不可缺少的一種交通運輸工具，經過長時間的發展，汽車生產日益成熟。汽車以及其相關產業體量巨大，是世界經濟的重要組成部分。特別是21世紀以來，我國經濟飛速發展，人民生活水平不斷提高，且人口基數大，對于汽車有著巨大的需求量。近年來，我國汽車工業發展勢頭迅猛，技術不斷革新，產能不斷增大，但相對來說，我國汽車工業起步晚，與國外汽車企業相比，技術差距仍然很大，如何縮小差距，從而在激烈的競爭之中占據有利位置，獲得更大的經濟效益，成為了國內車企面臨的重大問題[3]。

汽車裝配是汽車制造過程的關鍵性步驟，如何設計最優化的裝配流水線是個大問題，對于設計者來說，一條裝配流水線的設計需要考慮諸多因素，場地、資金、人員、時間，這些因素都會影響設計者思路，而使用虛擬制造技術進行仿真模擬，可以在很大程度上降低這些客觀因素的影響。除此之外，汽車質量好壞關乎使用者的生命安全，所以在上市銷售之前，需要進行產品檢驗，這也為檢驗人員帶來了巨大隱患，然而通過虛擬制造技術，可以大大降低風險，也可以提高檢測效率，排除不合理設計。

3.2 在飛行器生產制造中的應用

飛行器制造屬于尖端技術，其設計、制造、檢驗過程十分復雜，且成本高昂，存在很多難題，特別是最終成品檢驗，往往會付出巨大的代價，飛行器設計人員一直在思考如何安全、高效、低成本地實現整個制造過程。以往的飛行器設計者，常常用塑料制作模型，取代實體樣機進行試驗，而這種方式會對測試過程造成很大困難，測試結果可能會有巨大偏差。而虛擬制造技術可以模擬飛行器設計和實驗的過程，幾乎可以取代實體模型，完成整個設計和實驗過程[4]。

相對來說，以美國為首的西方國家較早地將虛擬制造技術用于飛行器研制。美國波音公司，在波音777飛機的研制中，就曾經首次使用了無紙設計技術，大大節省了研制時間，大大降低了研制成本，產品質量相對于傳統制造技術得到了很大提高，得到了業內高度評價。將此次設計與傳統研制方式對比，得到的數據上的差距令人驚訝。返工率降低了至少50%，裝配時出現的問題同樣減少了50%以上。

3.3 在其他領域的應用

虛擬制造除了在一些具體的產品制造過程中運用，也可以對于機械加工生產過程中的某一環節進行研究測試，國外某個實驗中，曾經采用虛擬制造技術對焊接T形接頭進行了變形分析，通過2種不同的非線性三維有限元虛擬機系統，可以為焊接過程提供非常清晰的模擬步驟，對焊接的具體實施具有很大的參考意義。

虛擬制造也是企業進行員工培訓的一種工具。對于制造業來說，裝配是非常重要的一步，所以企業需要花費大量的時間和金錢用于員工工作前的實地培訓。因此，利用虛擬制造為員工提供一個平臺，相對于枯燥的講解，更加真實高效。一項研究結果表明，與傳統培訓方式的參與者相比，“虛擬培訓”的參與者在實際工作過程中犯的錯誤較少，花費的時間也相對更少[5]。

4 虛擬制造發展現狀

在西方工業發達國家，虛擬制造技術已經被應用于許多領域，相對來說，我國虛擬技術發展起步晚，與發達國家的差距依舊很大。面對這種狀況，應出臺相關政策，促進高等院校、研究機構、生產企業的互助合作，立足于企業需求，促進良性循環，加快科研成果轉化，做到產、學、研結合。綜上所述，我國虛擬制造產業相對落后，但發展空間巨大，市場廣闊，只要集中科研力量，突破關鍵技術，我國虛擬制造產業就能得到長遠發展。