虚拟制造技术11

虚拟制造技术

摘要阐述了虚拟制造产生的背景及定义，介绍了虚拟制造的特点，技术体系及应用，并对其发展前景作了展望和探讨。

关键词先进制造技术数字化模型信息化

1 产生背景

21世纪以来，制造业在全球市场中的竞争日趋激烈，为了适应快速变化的市场环境，各种先进的制造模式相继产生，企业的柔性与快速响应市场的能力成为竞争实力的重要标志。优秀的企业必须能够更好地满足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。

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，虚拟制造技术（Virtual Manufacturing Technology VMT）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，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，虚拟制造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，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。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。

2 定义及特点

2.1 定义

虚拟制造(VM)是一个全新的概念，是由多学科先进知识形成的综合系统技术。

佛罗里达大学Gloria J Wiens:虚拟制造是这样一个概念，即与实际一样在计算机上执行制造过程，其中虚拟模型是在实际制造之前，用于对产品的功能和可制造性的潜在问题进行预测。

美国空军Wright实验室:虚拟制造是仿真、建模和分析技术及工具的综合应用，以增强各层制造设计和生产决策与控制。

在LawrenceAssociates的VirtualManufacturingUserWorkshop报告中，虚拟制造被定义为：它是一个集成的、综合的可运行制造环境，用来提高各个层次的决策和控制。各部分的语义说明如下：

综合：指真实的和仿真的对象、活动和过程的混合状态。

环境：通过协同地提供分析工具、仿真工具、应用工具、控制工具、模型（产品、过程和资源）、设备以及组织方法的集合，用以支持构造和使用分布式制造仿真。

运行：用环境来构造和操作特定的制造仿真。

提高：增加它的精度和可靠性。

层次：是指从产品的概念设计到回收利用、从车间到执行位置、从物质的转换到信息的传递等各个方面。决策：是指改变（可视化、组织、定义和选择）后的影响。

控制：预测效果的真实性。

虚拟制造必须与特定用户的要求相联系，因此，虚拟制造不可能只有一种定义，对于每一个人来说，虚拟制造并不是完全相同的，所以需要了解它与其他相关概念的区别。因此，为了更好地解释虚拟制造，下面对虚拟制造的内涵进行说明：

通过基于建模的途径和利用仿真，虚拟制造主要是为了提高加工过程的质量。

虚拟制造最重要的作用是为实施综合产品和过程研制（IntegratedProductProcessDevelopment，IPPD）提供了一个工具，特别是用于预测产品成本和控制功能。

虚拟制造的基本目的是基于计算机模拟产品的开发环境，使得设计者在真正的加工之前就能够模拟地制造产品。这里的“产品开发”包括了与产品相关的所有活动，不仅包括技术上的和商业上的，而且包含了产品的设计和生产。

虚拟制造是基于模型的制造，使用的工具反过来影响这些模型。最初始的工具是仿真，利用仿真可以降低制造成本，而且可以检查真实空间和虚拟空间的许多参数。

从全局的观点来讲，在IPPD环境下，通过在计算机中完成"制造"，虚拟制造提供了对部分或全部设计过程的评价方法。

虚拟制造不是孤立的解决方案、结构或数据库，它是许多小的、相对独立的工具集合，这些工具都利用了建模和仿真技术。

综合来看，虚拟制造涉及到多个学科领域，是对这些领域知识的综合集成与应用。计算机仿真、建模和优化技术是虚拟制造的核心与关键技术。可以认为，虚拟制造是对制造过程中的各个环节，包括产品的设计、加工、装配，乃至企业的生产组织管理与调度进行统一建模，形成一个可运行的虚拟制造环境，以软件技术为支撑，借助于高性能的硬件，在计算机局域和广域网络上，生成数字化产品，实现产品设计、性能分析、工艺决策、制造装配和质量检验。

2.2 特点

由于计算机软硬件技术和网络技术的广泛应用，虚拟制造具有以下几个特点：

（1）无须制造实物样机就可以预测产品性能，节约制造成本，缩短产品开发周期。

（2）虚拟制造实现实际制造中的本质过程，产品开发中可以及早发现问题，实现及时的反馈和更正。（3）以软件模拟形式进行产品开发和存储，节约仓储费用，能根据市场变化快速改变设计，快速投入批量生产，大副本压缩新产品的开发时间，提高质量，降低成本。

（4）企业管理模式基于Intranet或Internet,整个制造活动具有高度的并行性，可使分布在不同地点，不同部门的专业人员协同工作，相互交流和共享，减少大量文档的生成及传递时间和误差。

3 流派和技术体系

虚拟制造的研究都与特定的应用环境和对象相联系，在虚拟制造的研究过程中，由于应用对象的不同，各有不同的侧重点，因此出现了三个不同的流派即以设计为中心的虚拟制造、以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造。

3.1.1以设计为中心的虚拟制造

通过增加制造信息到IPPD的过程和在计算机中进行"制造"，仿真多种制造方案和产生许多"软"的模型。因此它的短期目标是：为了达到特殊的制造目的(例如为了装配进行设计、精良操作或柔性等)，虚拟制造用以制造为基础的仿真来优化产品的设计和生产过程。它的长期目标为：虚拟制造在不同的层次上用仿真过程来评估生产情况，并且反馈给设计和生产控制。

3.1.2以生产为中心的虚拟制造

通过增加仿真能力到生产过程模型，达到方便和快捷地评价多种加工过程的目的。它的短期目标是：虚拟制造是基于生产的IPPD的转换，用以优化制造过程和物理层。它的长期目标是：为了实现新工艺和流程的更高的可信度，虚拟制造是增加生产仿真到其它集成和分析技术。

3.1.3以控制为中心的虚拟制造