虚拟制造技术的相关概念及其应用

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1　前言 
    制造业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． 
2　虚拟制造的定义及特点 
    对虚拟制造的研究还处于不断的深入、细化之中，国际上尚没有对其作出一个统一的公共定义．不同的研究人员从不同角度出发，给出了各具特点的描述，其中有代表性的包括以下几种： 
    Kimura的定义为：虚拟制造是指通过对制造知识进行系统化组织与分析，对整个制造过程建模，在计算机上进行设计评估和制造活动仿真．他强调通过用虚拟制造模型对制造全过程进行描述，在实际的物理制造之前就具有了对产品性能及其可制造性的预测能力． 
    LawrenceAssociates则认为，虚拟制造是一个集成的、综合的可运行制造环境，其目的是提高各个层次的决策与控制． 
    美国Wright空军实验室则对虚拟制造作出了如下定义：虚拟制造建立在计算机建模、分析和仿真技术的基础之上，它是对这些技术的综合应用．这种综合应用增强了各个层次的设计制造、生产决策与控制能力． 
    从这些定义可以看出，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/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。它是数字化形式的广义制造系统，是对实际制造过程的动态模拟．所谓“虚拟”，是相对于实物产品的实际制造系统而言的，强调的是制造系统运行过程的计算机化． 
     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）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． 
    （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． 
3　虚拟制造的种类 
    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、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　以设计为中心的虚拟制造 
    以设计为中心的虚拟制造强调以统一制造信息模型为基础，对数字化产品模型进行仿真与分析、优化，进行产品的结构性能、运动学、动力学、热力学方面的分析和可装配性分析，以获得对产品的设计评估与性能预测结果． 
    3.2　以生产为中心的虚拟制造 
    以生产为中心的虚拟制造是在企业资源的约束条件下，对企业的生产过程进行仿真，对不同的加工过程及其组合进行优化．它对产品的“可生产性”进行分析与评价，对制造资源和环境进行优化组合，通过提供精确的生产成本信息对生产计划与调度进行合理化决策． 
    3.3　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技术引入控制模型，提供模拟实际生产过程的虚拟环境，使企业在考虑车间控制行为的基础上对制造过程进行优化控制．以上三种虚拟制造分别侧重于制造过程的不同方面．但它们都以计算机建模、仿真技术为一个重要的实现手段，通过对制造过程进行统一建模，用仿真支持设计过程、模拟制造过程，进行成本估算和生产调度． 
4　虚拟制造的应用 
    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应用了虚拟制造技术，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． 
    在我国，清华大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等科研教学单位也已经开展了这一领域的研究工作．当前我国虚拟制造应用的重点研究方向是基于我国国情，进行产品的三维虚拟设计、加工过程仿真和产品装配仿真，主要是研究如何生成可信度高的产品虚拟样机，在产品设计阶段能够以较高的置信度预测所设计产品的最终性能和可制造性．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、微电子等领域，随着研究的不断深入和相关技术的发展，虚拟制造必将得到日益广泛的应用． 
5　结论 
    基于产品的数字化模型，应用先进的系统建模和仿真优化技术，虚拟制造实现了从产品的设计、加工、制造到检验全过程的动态模拟，并对企业的运作进行了合理的决策与最优控制．虚拟制造以产品的“软”模型（SoftPrototype）取代了实物样机，通过对模型的模拟测试进行产品评估，能够以较低的生产成本获得较高的设计质量，缩短了产品的发布周期，提高了企业生产效率．企业的生产因为虚拟制造技术的应用而具有了高度的柔性化和快速的市场反应能力，因而市场竞争能力大大增强．作为一种先进的制造模式，虚拟制造的应用范围必然会不断扩大，给更多的企业带来更大的收益．