虚拟制造技术的应用及发展

虚拟制造技术及其国内应用现状

摘要：本文简单介绍了虚拟制造技术的基本概念和分类方法，结合虚拟制造技术的经典应用实例分析了虚拟制造技术解决企业TQCS问题的优势和作用，详细阐述了虚拟制造技术在国内的应用现状和原因，并根据虚拟制造技术在国内的应用现状对其发展趋势做了简要概括。

关键字：虚拟制造技术；TQCS；应用现状；发展趋势

0 前言

装备制造业是我国的支柱产业之一。我国过去的制造业属于劳动密集型产业，现在着重发展的制造业是具有自主创新的高技术、高附加值的先进制造业，它迫切需要新技术、新工艺来提升其技术水平和能级。

1虚拟制造技术的概念

虚拟制造技术能够结合众多核心技术，是多学科技术的系统集成。其关键技术主要包括建模技术、仿真技术、智能设计技术、可制造评价等。虚拟制造依靠建模与仿真技术来模拟制造、生产和装配过程，使设计者在计算机上模拟出产品的整个过程。建模与仿真是虚拟制造的基础，虚拟制造是建模与仿真的应用，它拓展了传统的建模与仿真，以其前瞻性、低成本和提升企业整体效率的优点为制造业的转型和发展发挥重要作用，如对生产过程的规划、设计、加工制造、生产自动化、过程优化、试验、检测、培训、销售、售后服务等生产过程全生命周期都起着重要的作用，是先进制造技术与工业创意的综合体现和运用。

虚拟制造是20世纪80年代提出的概念，但是“虚拟制造”一词在90年代才第一次突显出来，其部分原因来自美国国防部发起的虚拟制造项目。目前人们对于虚拟制造的定义大同小异，总的来说一般认为虚拟制造是指在计算机虚拟环境下，模拟产品和制造设备的现实运行环境，在实时和经验数据的支撑下，进行产品完整生命周期的一体化模拟仿真过程。虚拟制造广泛应用于产品设计、场地规划、生产决策、工艺流程、试验测试、装配指导、远程监控、调度指挥、技能培训、市场销售、售后服务等制造业各个环节，在不消耗或少消耗实际生产资源的情况下实现最优结果，达到缩短周期，降低成本，提高效益的目的。

图1 虚拟制造技术在制造环节中的作用

2虚拟制造的分类

由于“虚拟”和“制造”的内涵理解有所不同，在1997年7月美国俄亥俄州举办的虚拟制造用户专题讨论会上，人们根据制造过程的侧重点不同，

将虚拟制造分为三类，

提出了“三个中心”的分类方法，即“以产品为中心的虚拟制造”、“以生产为中心的虚拟制造”、“以控制为中心的虚拟制造”。

2.1以产品为中心的虚拟制造

以产品为中心的虚拟制造的目的是优化产品和工艺设计，将制造信息加入到产品设计与工艺设计过程中，在计算机中生成制造过程原型，对多种制造方案进行仿真，对数字化产品模型的性能、可制造性、可装配性、成本等进行分析，优化产品设计和工业设计，以期尽早发现产品设计及工艺过程存在的问题。

2.2以生产为中心的虚拟制造

以生产为中心的虚拟制造的重点是优化资源配置和生产，将仿真信息加入到生产计划模型中，以便快速便捷地评价多种生产计划，优化生产计划和制造环境的配置。主要是根据企业现有资源对不同的加工过程进行评估优化，决定合理的生产组织方式，并将生产、销售、售后服务进行虚拟化，以提高整体效能。

2.3以控制为中心的虚拟制造

以控制为中心的虚拟制造着眼于优化车间控制，将仿真能力加入到设备控制模型中，提供实际生产过程中的虚拟环境，使企业在考虑车间的控制行为的基础上对控制过程进行优化控制，并在此基础上实现虚实联动的虚拟培训、生产监控和调度、远程诊断等服务功能。3虚拟制造技术的优势和作用

如今，在经济全球化、信息化和贸易自由化的形势下，制造业的经营战略发生了很大变化，企业先是追求规模效益，后来则更加重视降低生产成本，继而以提高产品质量为主要目标。尤其是在金融危机之后，全球市场的特征由过去的相对稳定逐步变为动态多变，全球范围内的竞争和跨行业之间的相互渗透日益增强。现代制造企业早就提出了要解决TQCS（time，quality，cost，service）问题，而虚拟制造技术可以在解决该问题中发挥重要作用。

1）缩短产品开发周期。传统制造遵循设计、试制、修改设计、规模化大生产的串行式结构，只有在试制出样品后才进行产品信息反馈，决定是否要修改设计。而在虚拟制造中，并不需要制造样机，可以随时在设计过程中检验模型的可制造性和可装配性，及时修改，信息反馈更为及时。

2）提高产品质量。虚拟制造过程通过对多种制造方案进行仿真，优化产品设计和工艺设计，可弥补传统制造业靠经验决定加工方案的不足，提高产品质量。

3）低资源消耗。由于虚拟制造在计算机中进行，并不消耗实际生产所需的物理材料，可减少材料浪费和设配损耗。

4）提高企业柔性生产能力，增强企业决策准确性。决策者可以在虚拟制造中了解产品性能、制造成本、生产进度、订单、库存、物流等动态信息，有助于决策者把我利润与风险之间的平衡，从而准确的进行生产决策，把握订单交期，提升服务质量。

应用实例

事实上，虚拟制造技术已经开始应用于生产实践中，特别是在汽车、飞机、工程机械以及武器等产品上的应用事例和成果层出不穷。美国国防部先进研究计划部署ARPA 致力于将虚拟环境与物理建模、分布离散性模拟等技术结合，为虚拟武器设计提供先进的手段。加利福尼亚的军火商Rockwell International开发了将现有的CAD数据转换传递到虚拟环境的软件，工程技术人员能看到设备部件是如何装配的，无须制作零部件物理模型。作为虚拟制造技术最典型事例，波音飞机公司采用虚拟样机在计算机上建立了波音777飞机的最终模型，实现了整机设计、整机装配、部件测试等虚拟开发活动，使产品开发周期从八年缩短至五年。福特汽车公司应用虚拟环境技术于汽车设计与工程，以提高空气动力学、人机工程学和表面建模的效果。德国宝马汽车公司为车门装配设计的虚拟装配系统能识别语音输入完成相应操作，并能对干涉碰撞发声报警。

图2 虚拟制造技术应用于飞机制造

4虚拟制造技术的国内应用

目前，我国制造业对于虚拟制造技术的应用还处于朦胧认识或应用初级阶段，应用主要集中在高端制造业、大型装备制造业或技术发达的地区。究其原因，主要有以下几点：

1）相关意识还比较淡薄。虽然许多人知道发达国家制造业或航天航空领域等都用虚拟制造技术，但身边能看到的很少，觉得离自己很遥远，就算企业有许多问题可以用虚拟的方法解决，却苦于没有这方面的人才，只能另谋他法。在来料加工时代，不需要考虑这些问题，逐渐形成了惯性思维，总觉得做出实物产品才是第一需求，虚拟制造技术就是锦上添花的东西。事实上，许多制造公司的领导并不清楚虚拟制造是干什么的，部分技术人员虽然知道这项技术，也明白自己职责范围内有需求，但要说服领导层采用新技术不是容易的事，自身会担当相应的风险，因此阻碍了虚拟技术的传播。另外，对于先进技术，企业通常将注意力集中在产品或生产本身，注重于直接解决问题的方法，比如产品设计完成后，用实物样机去测试设计合理性，周期确实很长，客户催的急，就加班快点干。

2）技术供求矛盾较突出。制造业国际化发展，对我国影响比较大，许多企业了解到发达国家解决同类问题的方法，也学着提出了自己解决问题的要求。随着企业结构转型的深入，企业对虚拟制造的技术需求快速增长，但我国这方面的整体技术还比较落后，企业没有这方面的技术我人才储备，供求矛盾比较突出。

3）应用开发和技术水平较低。我国该项技术的应用还处于初级阶段，主要表现在作品孤立、单一、规格小，与生产系统、服务对象的实际兼容性差，主要注重于表达技术本身，

而不注重于对象的内涵技术处理和整