虚拟制造技术的发展及其应用

【摘要】
虚拟制造技术是现代化制造的重要技术之一，实现虚拟制造需要有强有力的技术支撑，虚拟制造技术的应用应结合我国制造业自身的特点，在吸收国外成熟经验的基础上大胆创新，形成特色发展。

可以预言，随着我国对虚拟制造技术研究的深入，其广泛的应用已为期不远，终将成为一个现代化化制造企业的必由之路。

【Abstract】
Virtual manufacturing technology is one of important technologies of modern manufacturing, Virtual manufacturing requires strong technical support, Virtual manufacturing technology should be combined with the characteristics of manufacturing their own, In the mature experience of foreign countries on the basis of the development of bold and innovative features to form. It can be predicted, As China's manufacturing technology of virtual depth, The wide range of applications is not far away, Eventually become a modern manufacturing enterprise the only way.
【关键词】
虚拟制造发展应用
目录
第一章虚拟制造技术的基本概念——————————————————————03第二章虚拟制造技术的发展————————————————————————04§2.1虚拟制造技术的发展及其国内外发展趋势———————————————04 §2.2国内机械装备数字化虚拟制造的发展————————————————05 §2.3我国虚拟制造技术的发展策略————————————————————07 第三章虚拟制造技术的应用————————————————————————10 §3.1虚拟制造技术应用发面所面对的难题—————————————————10 §3.2实施虚拟制造应采取的措施—————————————————————10 §3.3虚拟制造技术在未来装备研制中的应用————————————————11 §3.4虚拟制造技术在制造业中的应用———————————————————12 第四章结束语——————————————————————————————14谢辞—————————————————————————————————15 附件—————————————————————————————————16
第一章虚拟制造技术的基本概念
为了在竞争激烈的全球市场求得生存与发展，必须能够更好地满足市场所提出的T、Q、C、S要求，即要以最短的产品开发周期(Time)，最优质的产品质量（Quality），最低廉的制造成本（Cost）和最好的技术支持与售后服务（Service）来赢得市场与用户．面对不可预测、持续发展、快速多变的市场需求，企业的生产活动必须具有高度的柔性。

为了提高竞争能力，企业应当能够对市场需求的变化作出快速敏捷的反应，并及时地对自身的生产作出合理的调整与重新规划。

计算机软硬件技术及网络技术的迅速发展为实现这一目标提供了强有力的支持。

基于这些因素，90年代中有许多新概念、新观点应运而生，虚拟制造（VirtualManufacture)就是其中之一，它代表了一种全新的制造体系和模式。

在虚拟制造中，产品开发是基于数字化的虚拟产品开发方式（VirtualProductDevelopment），以用户的需求为第一驱动，并将用户需求转化为最终产品的各种功能特征。

VPD保证了产品开发的效率和质量，提高了企业的快速响应和市场开拓能力。

虚拟制造技术（virtual manufacturing technology，VMT）是以虚拟现实和仿真技术为基础，对产品的设计、生产过程统一建模，在计算机上实现产品从设计、加工和装配、检验、使用整个生命周期的模拟和仿真。

这样，可以在产品的设计阶段就模拟出产品及其性能和制造过程，以此来优化产品的设计质量和制造过程，优化生产管理和资源规划，以达到产品开发周期和成本的最小化，产品设计质量的最优化和生产效率最高化，从而形成企业的市场竞争优势。

如波音777，其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均是在计算机上完成的，其开发周期从过去的8年缩短到5年；Chrycler公司与IBM合作开发在虚拟制造环境用于其新型车的研制，在样车生产之前，即发现其定位系统及其他许多设计有缺陷，从而缩短了研制周期。

尽管虚拟制造技术的出现只有短短的几年时间，虚拟制造的应用将会对未来制造业的发展产生深远的影响。

第二章虚拟制造技术的发展
近几年来，虚拟制造技术也引起我国科技工作者的关注，据不完全统计，目前全国已有34家科研机构、高等院校和企业正在开展VM技术方面的研究。

国家863/CIMS主题组也将“制造系统的可视化、虚拟建模与仿真”确定为研究重点。

国家自然科学基金也有专门的研究课题。

我国在虚拟制造技术方面的研究只是刚刚起步，其研究也多数是在原先的CAD／CAE／CAM 和仿真技术等基础上进行的，目前主要集中在虚拟制造技术的理论研究和实施技术准备阶段，系统的研究尚处于国外虚拟制造技术的消化和与国内环境的结合上。

由于我国受到CAD／CAE ／CAM基础软件、仿真软件、建模技术的制约，阻碍了虚拟制造技术的发展。

但这几年，我国虚拟制造技术受到普遍的重视，发展很快，发展势头强劲。

§2.1虚拟制造技术的发展及其国内外发展趋势
虚拟制造技术的发展首先是在其支撑技术的发展上取得进展，例如，虚拟现实技术、仿真技术等。

特别是一些单元技术与制造业的紧密结合不断深入，并为其作出了巨大的贡献，更推动了这些技术的进一步发展。

同时，支撑技术和单元技术的不断成熟和在制造业中发挥越来越大的作用，也推动了虚拟制造技术的组合和集成。

但由于各技术的相对独立性，其统一的特征模型的建立、数据共享和交换等遇到了巨大的挑战。

基于step、edi、tcp／ip等标准的集成技术是唯一的发展方向。

虚拟制造技术虽然于80年代才刚刚提出来的。

但随着计算机技术的迅速发展，在90年代得到人们的极大重视而获得迅速发展。

1983年美国国家标准局人员发展并提出了“虚拟制造单元”的报告，以更大的柔性完成分析、行程和时序安排、报告和监控等功能。

1989年麻省理工学院的“虚拟制造”的报告提出了虚拟制造在产品概念设计和性能早期评价方面的优势。

1993年爱荷华大学的报告“制造技术的虚拟环境”提出了建立支持虚拟制造的环境，包括虚拟制造的评估系统、装配顺序计划和材料去除过程模拟以及离线编程等技术。

里海大学的报告则提出了与cad／cam、cim、capp、快速原型、敏捷制造、柔性制造有关的可制造性等问题。

1995年美国标准与技术研究所的报告“国家先进制造实验台的概念设计计划”，强调分散的、多节点的分散虚拟制造（dvm），即虚拟企业的概念，强调企业、政府和大学的联合。

美国国家研究委员会的报告“制造中的信息技术”探讨了产品集成、过程设计、车间控制、虚拟工厂等的信息技术问题。

1997年美国标准与技术研究所的报告“使用vrml的制造系统建模”则探讨了虚拟现实技术及在网络上的应用。

可见，美国已经从虚拟制造的环境和虚拟现实技术、信息系统、仿真和控制、虚拟企业等方面进行了系统的研究和开发，多数单元技术已经进入实验和完善的阶段。

例如，美国华盛顿大学的虚拟制造技术实验室发展的用于设计和制造的虚拟环境vedam、用于设计和装配的虚拟环境等，已经初具规模。

但虚拟制造作为一个完整的体系，尚没有进行全面的集成。

特别应说明的是，虚拟企业（工厂）的研究在美国得到政府和企业界的极大关注，研究异常
活跃，成为其敏捷制造技术的主要支柱之一。

欧洲以大学为中心也纷纷开展了虚拟制造技术研究，如虚拟车间、建模与仿真工程等的研究。

日本在60－70年代的经济崛起受益于先进制造与管理技术的采用。

日本对虚拟制造技术的研究也秉承其传统的特点－重视应用，主要进行虚拟制造系统的建模和仿真技术以及虚拟工厂的构造环境研究。

我国在虚拟制造技术方面的研究只是刚刚起步，其研究也多数是在原先的cad／cae／cam 和仿真技术等基础上进行的，目前主要集中在虚拟制造技术的理论研究和实施技术准备阶段，系统的研究尚处于国外虚拟制造技术的消化和与国内环境的结合上。

由于我国受到cad／cae ／cam基础软件、仿真软件、建模技术的制约，阻碍了虚拟制造技术的发展。

但这几年，我国虚拟制造技术受到普遍的重视，发展很快，发展势头强劲，例如：机械科学研究院与同济大学、香港理工大学合作进行的分散网络化制造、异地设计与制造等技术的理论研究和实践活动已经取得了不少进展；清华大学进行了虚拟设计环境软件、虚拟现实、虚拟机床、虚拟汽车训练系统等方面的研究；浙江大学进行了分布式虚拟现实技术、vr工作台、虚拟产品装配等研究；西安交大和北航进行了远程智能协同设计研究；天大、北京机床所、大连机床所进行了机床的虚拟设计和轴机床的研究；西北工业大学进行了虚拟样机的研究；哈工大、北京机电所、上海交大、南京理工大学等单位也进行了这方面的研究。

据不完全的调查统计，国内进行虚拟制造技术研究的单位达到了100家，已经取得了一些可喜的进展。

在虚拟现实技术、建模技术、仿真技术、信息技术、应用网络技术等单元技术等方面的研究都很活跃。

但研究的进展和研究的深度还属于初期阶段，与国际的研究水平尚有很大的差距，除了三维建模已经有了4种商业软件外，其他方面还没有形成产业化。

我国的研究多集中于高等院校和少量的研究院所，企业和公司介入的较少。

§2.2国内机械装备数字化虚拟制造的发展
我国机械装备产业要实现真正的虚拟制造还需要一个深入应用与创新的过程。

1.现有CAE/CAD/CAM技术的应用需要更进一步深入
目前模具的冲压工艺分析（CAE）在前、后处理方面没有形成一个统一的、标准的规范，对软件的使用可以说是因人而异、因公司而异，因此对分析结果的评价也必然存在一定的差异。

另外，工作职责不够细化，难以培养出CAE分析的专家人才。

DL设计人员进行产品的工艺性评审，工艺方案的预测，工艺方案的制定，工艺方案的可行性分析等工作，CAE的应用始终是处于一种泛泛的基础应用的状态。

而目前的CAE主要应用于拉延成形类的可行性分析，对于后序的修边线优化、翻边成形的可行性，以及回弹扭曲的预测及补偿分析工作亦鲜有开展。

也即，完善标准化、专业化，向后工序拓展应用，是需要进一步深入的内容。

结构设计（CAD）方面除了还需要进一步完善、推广现有的实体设计规范外，也需不断扩充实体资源库，这包括模具压床库、标准件库、典型结构库、厂房资源库等内容。

而且，知识工程技术是提高设计效率和质量的有利工具，企业应该积极地将设计经验转化成可被重复利用的数学模型，从而发挥其指导设计、规范设计之功效。

在CAM方面国内的发展非常接近国外，在数控设备、编程能力方面并不处于劣势，只是在加工用数据上的差距就很大。

模面的加工数模与产品数模可能有较大的差异，加工用模面的制作需要积累大量的实践经验并遵循相应准则，这种准则的编制需要对产品的匹配关系及整车的焊装具有相当程度的了解，甚至需要对白车身设计有足够的把握。

这种精细化模面的制作，我们还需要长期的总结和积累。

另外，国外有采用实体数据直接编程的做法，这种做法的编程效率较高、效果也好，但因其对于产品数据质量的要求较高，还要求产品版本必须相对稳定，否则数据修改工作量会很大，而且难以维护。

所有这些，都对国内的主机厂提出了较高要求。

2. 建立完善的仿真模拟体系
利用现有数字平台基础建立完善的仿真模拟体系，发挥出数字技术的优势，能在设计阶段发现制造中可能出现的问题，在实际生产前就采取预防措施，提高一次调试成功率。

（1）模具仿真模拟
实现模具、级进模具、大型模具冲压线、压合模具及复杂模具的运动仿真分析。

当前，车身模具的结构越来越趋向于复杂、紧凑，依靠以往那种在三维环境中采用人眼视觉判断、截面观察等设计验证手段，难以检验出运动中的问题。

在分析机械搬运是否顺畅无干涉、人工搬运是否安全、便捷等方面，则更加有必要进行仿真模拟。

另外，为提高运动仿真效率，应该建立典型机构的运动场景：比如搬运机构、压床运动机构、斜楔典型运动。

实现数控加工仿真模拟，有效防止加工刀具的碰撞问题，优化切削轨迹，提高加工效率。

应用白光扫描设备采集数控加工后模面数据，在计算机内虚拟合模，提前发现并处理调试中可能产生的问题，提高实际模具研修效率。

还可以将钳工调试后模面数据与CAE的模拟结果相对比分析，积累冲压工艺设计经验。

（2）焊接工装仿真模拟
实现焊装线整体工艺规划模拟。

利用预先定义好的焊装工艺规划模板，导入产品树图后，进行实际的焊装工艺规划，规划过程中要同时将各种焊接资源如焊装厂房结构、工艺节拍、工装夹具布局、工艺物流、焊接设备等因素统一考虑，在计算机内形成“真实的”焊装工艺流程。

并对焊装生产线的生产能力进行平衡分析，对产品的工艺分配、焊点分配、工位数量、人员分配、工装自动化程度等内容进行不断的优化。

实现焊接产品在工位的装配顺序仿真（包括产品上件与卸件过程）、各个工位资源间相互匹配仿真、焊装线及夹具工位的时序分析及仿真验证、焊钳的仿真验证。

实现人机工程仿真、机器人焊接装配过程仿真、机构运动仿真、三维工厂的建立。

实现上述内容具有相当的难度，需要专业型人才。

大型冲压线、焊装厂房的数据量非常庞大，现有计算机硬件水平有时难以满足大量复杂运动的同时模拟，需要研究数据轻量化设计手段、以及分步模拟仿真。

另外，由于这部分功能涉及到车身装备设计、制造的全过程，各业务阶段的软件平台并不统一，如何保证上下工序的数据、信息完整的传递与继承，往往需要进行详细规划和软件二次开发工作。

(3) 探索应用国际尖端的仿真模拟技术，实现对设计的精确控制和优化。

VR（虚拟现实）是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，
通过大型三维立体投影设备再现计算机三维数据空间。

与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。

虚拟现实具有多感知性（Multi-Sensory）、浸没感（Immersion）、交互性（Interactivity）、构想性（Imagination）等特点。

使操作者能够真正进入一个由计算机生成的交互式三维虚拟环境中，与之产生互动，进行交流。

利用三维仿真软件和PC工作站可实现桌面虚拟效果。

操作者可坐在电脑监视器前观察360度范围的虚拟境界，并使用鼠标、轨迹球等控制端改变观察视角。

然而，操作者和其他参与者不是完全投入在虚拟场景中。

要形成这种“真实”的投入感，就必须采用投入型虚拟设备。

利用该技术对模具冲压线、典型模具、数控加工过程、虚拟合模过程、大型焊装线规划、详细工艺内容、机器人动作、厂房建设等内容进行虚拟仿真，发挥投入型虚拟现实系统的特点：
浸没感（临场感）：指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。

理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，令用户全身心投入到计算机创建的三维虚拟环境中。

交互性：指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。

构想性：强调虚拟现实技术应具有广阔的可想象空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也能够随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。

通过这样的投入式虚拟现实技术，所实现的不再是简单的运动仿真、干涉检查等三维观察的基本功能，而是要创造出身临其境的感觉，启发设计者的创造性思维，为多人技术讨论、技术规划和审定提供广阔的空间环境和逼真的现场感。

§2.3我国虚拟制造技术的发展策略
在市场竞争的推动下，先进制造技术发展十分迅速，新思想、新概念层出不穷，通过对虚拟制造技术与其它先进制造技术关系的分析，从纯技术的角度上看，在制定我国虚拟制造技术发展策略时，应该注重以人为本的思想，运用并行工程的哲理，使各种先进制造技术相互衔接、协调发展，最终实现虚拟制造技术在我国的广泛应用。

但是，虚拟制造技术所包括的内容并不是纯技术范围内的事，它是对传统制造方式的全面变革，带来了企业组织、企业管理及生产方式等多方面的变化，对此我们也要有足够的重视。

目前，在美国并行工程已到了推广应用阶段，其虚拟制造研究方面也有试验性系统投入使用，在这方面我们存在巨大的差距，从大的方面看主要表现在：从研究工作方面看，科研经费紧缺，科研力量分散，科研成果难以推广应用，人才流失严重;从企业方面看，企业的整体素质不高，管理工作落后，科研能力薄弱，当面临国际竞争时大多难以为继，很难在先进制造技术方面花费过多，而且受企业人员素质的制约，一些先进的技术还不易取得立竿见影的实际效果，这些都影响了企业应用先进制造技术的热情;从国家政策方面看，虽然国家对制造业十分重视，但是，由于我国当前正处在改革过程中，多种机制同时运行，多方利益难以协调，在资金使用上往往顾此失
彼，而且国家财政困难，也难以使用重金支持虚拟制造技术的研究。

针对上述实际情况，我们提出下列解决方案：
(1) 以企业需求为出发点，以“甩图板”工程为契机，大力普及CAD技术，帮助企业进行人员培训，提高企业人员的素质(其中包括技术水平、劳动态度、道德水平等)，在CIMS成功示范企业中及时推广精益生产、并行工程等思想和技术，为虚拟制造技术的实现提供坚实的基础，在个别企业或部门首先实现虚拟制造。

(2) 在政府方面，应发挥政府的协调职能，组织企业和科研部门进行多方面、多层次的合作，加强科研成果的应用推广，而且应组织多学科、跨地区的科研力量共同攻关;从宏观上加强对虚拟制造技术的指导，尽早制定符合我国国情的发展计划。

(3) 在技术的先进性方面，不要过度追求世界领先，应该根据企业实际要求，解决实际问题，力争尽快创造效益，以此取得企业的支持并获得资金上的帮助，以便形成良性循环，促进研究工作的进一步开展。

(4) 从企业方面看，要注重工业工程的推广应用，从管理中要效益;在行业内部，应按具有一定通用性和行业特色进行虚拟制造技术的研究，推动整个行业的发展;在整个制造业中，应抓住共性对普遍采用的技术、人员组织和生产管理等方面开展虚拟制造技术的研究，加强整个制造业的竞争力。

(5) 针对我国科研力量分散的弱点，仿照分散网络化生产的思想，利用计算机网络，开展合作研究，建立分布式网络化研究中心，协调一致进行科技攻关。

所谓分布式网络化研究中心就是利用信息技术、网络技术、计算机技术对现实研究活动中的人、物、信息及研究过程进行全面的集成。

在一定时期内为了共同的目标以最佳的人员和单位组合来开展科学研究工作，调动各方面的积极性通过协同工作达到研究工作的广泛开展和深入进行，缩短科研周期，增强科技成果的竞争力，也可以说分布式网络化研究中心是将现实的研究机构的职能在网络中的映射，是一种“虚拟”的工作模式。

从单纯的技术角度看，在一个企业要实现虚拟制造，应分阶段逐步进行，不能随便超越阶段，一般可以从以下几个阶段开始：
(1) 建立企业网和工程数据库，初步实现CAD、CAPP、CAM的功能。

(2) 进行信息集成，推行PDM技术、特征建模技术，形成一个CAD、CAPP、CAM的集成系统。

(3) 首先在设计、工艺、制造部门建立统一的产品模型，初步实现并行工程;再进一步将企业管理方面的MIS、MRPⅡ与CAD/CAM系统进行集成，实现全厂范围内的信息集成，全面实现并行工程。

(4) 在上述工作的基础上，对企业内的生产、经营等多方面的活动进行建模、仿真，实现虚拟制造。

综上所述，发展我国的虚拟制造技术应该以企业的需求为动力，通过政府的政策和计划的协调，继续深入开展成组技术、准时化生产技术及并行工程的研究与应用，并利用工业工程思想和分布式网络化研究中心，组织各地区的科研力量集中突破与虚拟制造技术密切相关的如媒体远程通讯、网络技术、工程数据库技术、灵境技术等，为虚拟制造功能的实现提供有力支撑。

就现在研究情况来看，虚拟制造技术在国外发展很快，我们应适当吸收
国外的成熟经验，在研究中大胆创新，在应用时要注意人与技术的协调，注重企业实际，达到事半功倍的效果
第三章虚拟制造技术的应用
§3.1虚拟制造技术应用方面所面对的难题
制造业是我国国民经济的支柱产业，它一方面创造价值，生产物质财富和新的知识，另一方面为国民经济各个部门包括国防和科学技术的进步与发展提供先进的手段和装备。

在我国的经济腾飞中，制造业功不可没。

但是，随着计划经济体制向市场经济体制转变，我国制造企业的弊端日益陷入出来。

我国制造业目前存在的五大难题：
1.产品质量不稳定，水平地下，主要机械产品中达到当代世界先进水平的不到10%；
2．生产集中度低，分散、重复严重，缺乏协作；
3．科技基础薄弱，自主研发创新能力差；
4．企业装备陈旧，生产工艺落后，精密、高效、数控设备不足10%；
5．人才培养后继乏力；加之企业基础管理薄弱，缺乏现代生产管理意识，在市场经济新形势下显得十分被动。

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大量应用虚拟制造技术，大大缩短了产品的发布时间；波音公司设计的777型大型客机是世界上首架以三维无纸化方式设计出的飞机，它的设计成功已经成为虚拟制造从理论研究转向实用化的一个里程碑。

虚拟制造作为一种哲理、一种制造策略为制造业的发展指明了方向。

它可以全面改进企业的组织管理工作，提高企业整体运作及全面最优决策的效能和市场竞争力。

实施虚拟制造可以打破传统的地域、时域的限制，通过Internet实现资源共享，变分散为集中，可实现异地设计、异地制造，从而使产品开发能以快速、优质、低耗响应市场变化。

通过分析设计的可制造性，利用有效的工具和加工方法来支持生产，可以大大提高产品的质量和稳定性。

企业不再需要投入大量的设备和仪器，从而避免了不必要的设备闲置，可充分利用其他企业的先进设备和仪器进行生产，能很好地解决一些中小企业资金短缺的难题。

但在实施虚拟制造技术过程中，虽然国家对制造业十分重视，但由于我国当前正处于体制改革过程中，多种机制并行，在资金使用时较难协调，国家也难以投入重金支持虚拟制造技术研究。

应用人才短缺，企业的整体认识不统一，就是现有的科研成果都难以推广应用，因此实现企业化制造任重而道远，但这些并不能阻挡它的向前发展。

§3.2实施虚拟制造应采取的措施
1.高度重视和全面规划。

虚拟制造技术与其它的先进制造技术是相互关联、彼此交叉的，其涉及面广、技术难度大，研究及推广应用需要投入大量人力、物力及资金，政府部门应从宏观上加强对虚拟制造技术的指导，同时要使虚拟制造技术与各种先进制造技术相互衔接、协调发展。