虚拟制造技术综述

虚拟制造技术综述院系：机电工程学院虚拟制造技术综述摘要：介绍虚拟制造技术的发展背景，概念，基本特征，总结虚拟制造的分类及关键技术。

重点论述了虚拟制造技术在我国的发展及应用策略。

关键词：虚拟制造发展策略关键技术前言随着经济的全球化和社会的信息化，市场竞争日益激烈，顾客需求日趋多样化。

为了适应变化迅速的市场需求，提高竞争力，现代的制造企业必须解决TQCS难题，即以最快的上市速度(T---Time to market)，最好的质量(Q—Quantity)，最低的成本(C--Cost)，最优的服务(S --Service)，来满足不同顾客的需求。

为适应市场瞬息万变的要求，多品种小批量的生产成为主导生产形式，并且为了减少成本和周期，各制造企业不得不将许多新出现的技术引入到设计和制造领域中来，为此产生了许多新的制造技术和制造系统，如柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)、等。

然而，这些系统仍然存在着一些问题，如：系统投资较大、周期较长，在系统正式建立与运行之前，难以对这些系统的效益和风险进行确实而有效的评估；开发一个新产品，无法在投入大量人力和经费之前就确定其开发价值和对投产后所取得的效益及风险进行确实有效的评估；不能在产品设计开发和各个阶段把握产品制造过程各个阶段的实况，不能确实有效地协调设计与制造各阶段的关系，以寻求企业整体全局最优效益．随着计算机网络和虚拟现实等先进技术的出现，虚拟制造技术应运而生，它的诞生是现代科学技术和生产技术发展的必然结果，是各种现代制造技术与系统发展的必然趋势．一虚拟制造技术虚拟制造Virtual Manufacturing 又叫拟实制造,它利用信息技术、仿真技术、计算机技术对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真,以发现制造中可能出现的问题,在产品实际生产前就采取预防措施,从而达到产品一次性制造成功,来达到降低成本、缩短产品开发周期,增强产品竞争力的目的。

虚拟制造不是一成不变的技术，而是一个不断吸收各种高新技术而不断丰富其内涵的动态技术系统，它通过计算机虚拟环境和模型来模拟生产各场景和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题，从而提高了人们的预测和决策水平，它为工程师们提供了从产品概念的形成、设计到制造全过程的三维可视及交互的环境，使得制造技术走出主要依赖于经验的狭小天地，发展到了全方位预报的新阶段。

二虚拟制造的特征由于虚拟制造系统基本上不消耗资源和能量,也不生产实际产品, 而是产品的设计、开发与实现过程在计算机上的本质实现, 与实际制造相比较,它具有如下主要特征:(1)高度集成：虚拟制造中产品设计与制造过程依赖的是虚拟的产品数字化模型, 在计算机上即可对虚拟模型进行产品设计、制造、测试等过程, 甚至设计人员或用户可“进入”虚拟的制造环境检验其设计、加工、装配和操作, 而不依赖于传统的原型样机的反复修改。

因此, 易于综合运用系统工程、知识工程、并行工程和人机工程等多学科先进技术, 实现信息集成、知识集成、串并行交错工作机制集成和人机集成。

(2)敏捷灵活：开发的产品(部件)可存放在计算机里, 不但大大节省仓储费用, 更能根据用户需求或市场变化快速改型设计, 快速投入批量生产, 从而能大幅度压缩新产品的开发时间, 提高质量, 降低成本。

(3)分布合作：可使分布在不同地点、不同部门的不同专业人员在同一个产品模型上同时工作, 相互交流, 信息共享, 减少大量的文档生成及其传递的时间和误差, 从而使产品开发以快捷、优质、低耗响应市场变化。

三虚拟制造的分类广义的制造过程不仅包括了产品的设计加工、装配,还包含了对企业生产活动的组织与控制。

从这个观点出发,可以把虚拟制造划分为三类:以设计为中心的虚拟制造( Design Centered VM)、以生产为中心的虚拟制造( Production Centered VM)和以控制为中心的虚拟制造( Control Centered VM)。

1以设计为中心的虚拟制造以设计为中心的虚拟制造是将制造信息加入到产品设计与工艺设计过程中, 并在计算机中进行制造,仿真多种制造方案和产生许多软的模型,为设计者提供一个设计产品和评估产品可制造性的环境。

它的主要支持技术包括特征造型、面向数学的模型设计及加工过程的仿真技术。

主要应用领域包括造型设计、热力学分析、运动学分析、动力学分析、容差分析和加工过程仿真2以生产为中心的虚拟制造以生产为中心的虚拟制造是将仿真能力加入到生产过程模型中,其目的是方便和快捷地评价多种加工过程, 检验新工艺流程的可信度、产品的生产效率、资源的需求状况(包括购置新设备、征询盟友等) , 从而优化制造环境的配置和生产的供给计划。

它的主要支持技术包括虚拟现实技术和嵌入式仿真技术, 其应用领域包括工厂或产品的物理布局及生产计划的编排。

3以控制为中心的虚拟制造以控制为中心的虚拟制造是将仿真能力增加到控制模型和实际的生产过程中,模拟实际的车间生产,评估车间生产活动,达到优化制造过程的目的。

它的主要支持技术有:对离散制造基于仿真的实时动态调度;对连续制造基于仿真的最优控制。

四VM 的关键技术1 软件方面的关键技术(1) 可视化技术. 以一种易理解的、有意义的虚拟方式向用户显示不同信息.(2) 环境构造技术. 开发一种像通用操作系统那样的环境, 以便于促进可视化和其他VM 功能。

(3) 信息描述技术. 采用不同的方法、不同的语义或语法表达不同的信息.(4) 集成结构技术. 定义、开发和建立位于模型交互基础上的模型.(5) 仿真技术. 在计算机中, 设计一个实时系统模拟的过程.(6) 方法论. 找出用于开发和使用VM S 的方法.(7) 制造的特征化技术. 获取、测量和分析影响制造过程中材料去除的变量.(8) VM S 的检验、测试技术.( 9) 在VM 环境下的人机、人人等关于人机工程学方面的评价和优化技术.2 硬件方面的有关技术(1) 输入输出设备, 如头盔式立体显示器(HMD) , 适用的计算机屏幕、可视化眼镜, 数据手套、三维鼠标、数据衣、游戏棒等.(2) 与输入ö 输出有关的存储信息设备.(3) 能支持各种设备、数据存储和高速运算的计算机系统, 该系统应具有按用户需求, 实时提供高质量画面的能力.(4) 网络结构(星形、总线、环行网络)设备和不同站点的硬件设备(小型机,UNIXVAX 工作站、微机等)和连接硬件(光纤、导线等).五．虚拟制造技术在我国的发展应用策略在21世纪中，随着电子、信息等高新技术的不断发展，随着市场需求个性化与多样化，未来先进制造技术发展的总趋势是向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、绿色化、集成化、全球化的方向发展．目前世界经济已经步入全球化经济的时代，一方面国际和国内市场竞争越来越激烈，另一方面国内外企业间的合作也在不断加强，这是形成了企业之间既合作又竞争的局面。

上述两方面原因的相互作用，已成为全球化制造业发展的强大动力。

制造业和制造技术的全球化，是2l世纪最重要的发展趋势之一。

先进制造技术已成为各国经济发展和满足人民日益增长需要的主要技术支撑，成为加速高新技术发展的主要技术支撑，成为企业在激烈的市场竞争中能立于不败之地并求得迅速发展的关键因素，是制造业企业发展的必然需求。

从先进制造技术的发展趋势看，我国必须要发展虚拟制造技术。

制约我国虚拟制造技术发展的因素:在市场竞争的推动下．先进制造技术发展十分迅速，但是虚拟制造技术并非仅限于纯技术范围．它是对传统制造方式的全面变革，会带来企业组织结构、管理方式等多方面的变革。

从我国目前的情况看企业科研经费紧缺、科研力量分散、人才流失严重等都制约着我国虚拟制造业的发展.虚拟制造技术在我国的发展策略:基于当前情况．我国应以企业需求为出发点，大力推广并行工程．敏捷制造等思想和技术，为虚拟制造技术的实现提供坚实的基础。

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．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．尽早制定出符合我国国情的发展计划。

企业方面．应根据企业实际需求．解决实际问题．力争尽快创造效益．以形成良性循环．促进研究工作的进一步开展。

充分利用信息技术，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．通过协同工作缩短科研周期．增强科技成果的竞争力。

虚拟制造技术在我国的应用方法:企业要实现虚拟制造,应分阶段逐步进行．而不能随意超越。

第一要建立企业网和工程数据库．初步实现CAD．CAPP．CAM功能：第二．进行信息集成．推行PDM技术．特征建模技术，形成CAD．CAPP、CAM的集成系统：第三．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，进一步将MIS，MRPII与CAD ／CAM系统进行集成，实现整个企业内部的信息集成．全面实现并行工程．第四．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．发展我国虚拟制造技术应以企业的需求为动力．通过政府协调．积极开展成组技术．准时化生产技术及并行工程的研究与应用．利用工业工程思想和分布式网络化研究．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技术．为虚拟制造功能的实现提供有力支撑。

六总结虚拟制造技术是制造科学自身矛盾发展的必然，也是在激烈的市场竞争环境下产生的应对措施之一，同时虚拟制造技术也是信息技术与制造科学相结合的产物。

运用软件对制造系统中的五大要素人、物、组织管理、物流、信息流、能量流进行全面仿真,使之达到了前所未有的高度集成,为先进制造技术的进一步发展提供了更广大的空间,同时也推动了相关技术的不断发展和进步。

虚拟制造技术的应用将加快企业人才的培养速度。

加深了人们对生产过程和制造系统的认识和理解,有利于对其进行理论升华,更好地指导实际生产,即对生产过程、制造系统整体进行优化配置,推动生产力的巨大跃升。

在虚拟制造与现实制造的相互影响和作用过程中,可以全面改进企业的组织管理工作,而且对正确做出决策有不可估量的影响。

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