虚拟制造的发展及应用

虚拟制造的发展及应用

摘要：虚拟制造技术作为近几年出现的先进制造技术，本文在描述了虚拟制造技术的概念，我国虚拟制造技术发展现状，发展展望及应用。

关键词:虚拟制造技术；计算机仿真；虚拟现实；发展；应用

虚拟制造技术是在CAD／CAM／CAE技术基础上发展起来的。一方面，CAD／CAM／CAE技术为虚拟制造的实现提供了较为成熟的技术基础，如建模技术、分析优化技术、制造过程仿真技术、分析评价技术、设计分析评价技术和产品信息集成、转换、共享技术等。特别是特征建模技术在虚拟制造技术中占有极为重要的地位。另一方面，虚拟制造技术超越了CAD ／CAM／CAE技术，CAD／CAM／CAE技术主要考虑产品本身信息的集成与建模，而虚拟制造技术还要考虑加工过程的建模等问题。

虚拟制造技术的基本概念

虚拟制造技术VMT是20世纪80年代后期提出并得到迅速发展的一个新思想。它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，在计算机上对产品从设计、加工和装配、检验、使用等整个生命周期进行模拟和仿真。采用虚拟制造技术，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，使产品的开发周期和成本最小化。

虚拟制造技术的发展现状

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。美国处于国际研究的前沿。1 983年美国国家标准局提出了“虚拟制造单元”的报告，1 993年爱荷华大学的报告“制造技术的虚拟环境”中提出了建立支持虚拟制造的环境：1 99 5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”，强调了分散的、多节点的分散虚拟制造IDVM（即虚拟企业的概念）。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。

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。当前我国虚拟制造应用的重点研究方向是基于我国国情的产品三维虚拟设计，加工过程仿真和产品装配仿真。

主要是研究生成可信度高的虚拟样机，以便在早期预先对所设计产品的最终性能和可制造性作出预测。目前多集中在对产品性能具有高科技含量要求的行业中，如航空航天、军事、精密机床和微电子等领域。VM 技术的研究内容很多，也很复杂，都与特定的应用环境和对象相联系，贯穿虚拟产品的整个过程，目前我国的研究主要集中在三个方面：

a ）以设计为中心的VM：这类VM 是将有关制造信息加入到产品设计和工艺设计过程中，在计算机上进行数字化模拟，仿真多种制造方案和应用模型，评估各种生产过程和环境，优化产品设计和工艺设计，对于产品制造预先做出正确决策。其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；

b ）以生产为中心的VM：这类VM 是将仿真技术加到生产过程模型中，有效评价生产计划和加工过程，检验新工艺流程的可信度、产品生产效率和资源应用状况，从而优化制造环境和生产过程。其主要支持技术包括虚拟现实技术和嵌入式仿真技术，主要应用领域包括工厂或产品的物理布局及生产计划的编排；

c ）以控制为中心的VM：这类VM 是将仿真技术加到控制模型和实际生产过程中，提供实际生产过程的仿真环境，评估车间生产活动，达到优化制造过程的目的。其主要支持技术包括对离散制造——基于仿真的实时动态调度和对连续制造——基于仿真的最优控制。

虚拟制造发展展望

虚拟制造的发展表明，从它的概念提出开始，就是研究与应用紧密结合的产物。尽管虚拟制造还有许多重大技术难题需要人们继续努力去解决，但新的环境对虚拟制造技术提出了新的需求。在这些方面，基于INTERNET的虚拟制造技术以及进一步发展为基于制造网格的虚拟制造应是需要特别关注的技术前沿课题。

1．基于INTERNET的虚拟制造

计算机网络技术的发展和制造资源、仿真资源的分布化使分布式虚拟制造成为一种必然趋势。加工过程大量非线性问题的计算及企业对工艺设计快速响应的需求，要求建立高性能并行计算环境并结合工艺设计开展高性能计算，包括铸造工艺仿真、锻压及冲压工艺仿真、焊接工艺仿真、切削工艺仿真等，基于网络的并行计算、分布式仿真是分布式虚拟制造研究的重要内容。基于Internet的异构环境下的协同产品开发和远程实时测试更是互联网环境下分布式

虚拟制造迫切需求，因此开展基于B／S结构的虚拟协同设计环境、图形图像在INTERNET快速传输、避免资源争夺而引起死锁协同控制机制等的研究，利用WWW技术，开展关于HTML

／VRML、CGI技术、Multicast技术、Java、Web service技术等，对文字、图形、图像、声音、动画的集成研究是当前研究的热点。

2．基于网格的虚拟制造

随着互联网技术的发展，网络化制造成为未来制造业越来越显著的特征。网络化制造是指制造企业基于网络技术开展产品设计、制造、销售、采购、管理等一系列活动的总称。其核心是利用网络，特别是Internet，跨越不同的企业之间存在的空间差距，实现产品商务的协同、产品设计的协同、产品制造的协同和供应链的协同，从而缩短产品的研制周期和研制费用，提高整个产业链和制造群体的竞争力。网络化制造的进一步发展是制造网格，为适应制造网格的发展，基于制造网格的虚拟制造应是虚拟制造技术进一步发展的方向，其目标是：在动态变化的多个虚拟企业间共享虚拟制造资源和协同解决复杂产品在计算机上本质实现问题，使得人们利用虚拟制造技术解决产品全生命周期各阶段的问题就像我们今天使用电力网格解决生产、生活中问题一样方便、有效。

VMT应用在以下几个方面：

1．虚拟企业。虚拟企业的建立，其中有一条最重要的原因是因为各企业本身无法单独满足市场需求，迎接市场挑战。因此，为了快速响应市场的需求，围绕新产品开发，利用不同地域的现有资源、不同的企业或不同地点的工厂，重新组织一个新公司。该公司在运行之前，必须分析组合是否最优，能否协调运行，并对投产后的风险、利益分配等进行评估。这种联作公司称为虚拟公司，或者叫动态联盟，是一种虚拟企业，它具有集成性和实效性两大特点的经济实体。在面对多变的市场需求下，虚拟企业具有加快新产品开发速度，提高产品质量，降低生产成本，快速响应用户的需求，缩短产品生产周期等优点。因此虚拟企业是快速响应市场需求的部队，能在商战中为企业把握机遇和带来优势。

2．虚拟产品设计。例如飞机、汽车的外形设计，其形状是否符合空气动力学原理，运动过程中的阻力，其内部结构布局的合理性等。在复杂管道系统设计中，采用虚拟技术，设计者可以“进入其中”进行管道布置，并可检查能否发生干涉。在计算机上的虚拟产品设计，不但能提高设计效率，而且能尽早发现设计中的问题，从而优化产品的设计。

3．虚拟产品制造。应用计算机仿真技术，对零件的加工方法、工序顺序、工装的选用、工艺参数的选用，加工工艺性、装配工艺性、配合件之间的配合性、连接件之间的连接性、运动构件的运动性等均可建模仿真，可以提前发现加工缺陷，提前发现装配时出现的问题，从而能够优化制造过程，提高加工效率。