虚拟制造技术在制造业中的应用

来源：中华机械网

当今制造业正朝着精密化、自动化、柔性化、集成化、信息化和智能化的方向发展，随着这个趋势，诞生了许多先进制造技术和先进制造模式。

　　虚拟制造就是根据企业市场竞争的需求，在强调柔性和快速的前提下，美国80年代提出的，随着计算机技术和信息网络技术的发展，在90年代得到人们的重视，并获得迅速的发展。

虚拟制造VM

　　虚拟制造（VM：Virtual Manufacturing）是对真实产品制造的动态模拟，是一种在计算机上进行而不消耗物理资源的模拟制造软件技术。它具有建模和仿真环境，使产品从生产过程、工艺计划、调度计划、后勤供应以及财会、采购和管理等一种集成的、综合的制造环境，在真实产品的制造活动之前，就能预测产品的功能以及制造系统状态，从而可以作出前瞻性的决策和优化实施方案。

　　为了更细致地了解VM的含义，美国在一次专业会议上对3种类型的VM作如下解释［1］：①以设计为中心的VM，这类VM是将制造信息加入到产品设计和工艺设计中，并在计算机上进行数字化制造，仿真多种制造方案，评估各种生产情景，通过仿真制造来优化产品设计和工艺设计，以便作出正确决策。②以生产为中心的VM，这类VM是将仿真能力加到生产计划模型中，以便快捷化评价生产计划，检验工艺流程、资源需求状况以及生产效率，从而优化制造环境和生产供应计划。③以控制为中心的VM，这类VM是将仿真能力加到控制模型中，提供对实际生产过程的仿真环境，即将机器控制模型用于仿真，其目标是实际生产中的过程优化，改进制造系统。

　　虚拟制造是一种新的制造技术，它以信息技术、仿真技术和虚拟现实技术为支持。虚拟制造技术涉及面很广，诸如环境构成技术、过程特征抽取、元模型、集成基础结构的体系结构、制造特征数据集成、多学科交驻功能、决策支持工具、接口技术、虚拟现实技术、建模与仿真技术等。其中后3项是虚拟制造的核心技术。

1　建模技术

　　虚拟制造系统VMS（Virtual Manufacturing System)是现实制造系统RMS（Real Manufacturing System)在虚拟环境下的映射，是RMS的模型化、形式化和计算机化的抽象描述和表示。VMS的建模应包括：生产模型、产品模型和工艺模型的信息体系结构。

　　（1）生产模型　可归纳为静态描述和动态描述两个方面。静态描述是指系统生产能力和生产特性的描述。动态描述是指在已知系统状态和需求特性的基础上预测产品生产的全过程。

（2）产品模型　是制造过程中，各类实体对象模型的集合。目前产品模型描述的信息有产品结构明细表、产品形状特征等静态信息。而对VMS来说，要使产品实施过程中的全部活动集成，就必须具有完备的产品模型，所以虚拟制造下的产品模型不再是单一的静态特征模型，它能通过映射、抽象等方法提取产品实施中各活动所需的模型。

　　（3）工艺模型　将工艺参数与影响制造功能的产品设计属性联系起来。以反应生产模型与产品模型之间的交互作用。工艺模型必须具备以下功能：计算机工艺仿真、制造数据表、制造规划、统计模型以及物理和数学模型。

2　仿真技术

　　仿真就是应用计算机对复杂的现实系统经过抽象和简化形成系统模型，然后在分析的基础上运行此模型，从而得到系统一系列的统计性能。由于仿真是以系统模型为对象的研究方法，而不干扰实际生产系统，同时仿真可以利用计算机的快速运算能力，用很短时间模拟实际生产中需要很长时间的生产周期，因此可以缩短决策时间，避免资金、人力和时间的浪费。计算机还可以重复仿真，优化实施方案。

　　仿真的基本步骤为：研究系统→收集数据→建立系统模型→确定仿真算法→建立仿真模型→运行仿真模型→输出结果并分析。

　　产品制造过程仿真，可归纳为制造系统仿真和加工过程仿真。虚拟制造系统中的产品开发涉及到产品建模仿真、设计过程规划仿真、设计思维过程和设计交互行为仿真等，以便对设计结果进行评价，实现设计过程早期反馈，减少或避免产品设计错误。加工过程仿真，包括切削过程仿真、装配过程仿真，检验过程仿真以及焊接、压力加工、铸造仿真等。目前上述两类仿真过程是独立发展起来的，尚不能集成，而VM中应建立面向制造全过程的统一仿真。

3　虚拟现实技术VRT（Virtual Reality Technology）

　　虚拟现实技术是在为改善人与计算机的交互方式，提高计算机可操作性中产生的，它是综合利用计算机图形系统、各种显示和控制等接口设备，在计算机上生成可交互的三维环境（称为虚拟环境）中提供沉浸感觉的技术。

　　由图形系统及各种接口设备组成，用来产生虚拟环境并提供沉浸感觉，以及交互性操作的计算机系统称为虚拟现实系统VRS（Virtual Reality System)。虚拟现实系统包括操作者、机器和人机接口3个基本要素。它不仅提高了人与计算机之间的和谐程度，也成为一种有力的仿真工具。利用VRS可以对真实世界进行动态模拟，通过用户的交互输入，并及时按输出修改虚拟环境，使人产生身临其境的沉浸感觉。虚拟现实技术是VM的关键技术之一。

VM在制造业中应用

　　虚拟制造技术VMT（Virtual Manufacturing Technology)首先在飞机、汽车等领域获得成功的应用。美国波音（Boeing)公司在777新型客机机型设计过程中，利用VMT和三维模型进行管道布线等复杂装配过程的模拟获得成功。目前VMT应用在以下几个方面。

1　虚拟企业

　　虚拟企业建立，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，或者叫作动态联盟，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。

　　虚拟企业的特征是：①企业地域分散化。虚拟企业从用户订货、产品设计、零部件制造，以及总成装配、销售、经营管理都可以分别由处在不同地域的企业，按契约互惠互利联作，进行异地设计、异地制造、异地经营管理。②企业组织临时化。虚拟企业是市场多变的产物。为了适应市场环境的变化，企业组织结构也要及时反映市场动态，虚拟企业注重短期利益。当产品方向更换、联盟伙伴之间利益改变或企业追求目标变更时，企业要调整组织结构，或者立即解散，重新再组织新的虚拟企业。③企业功能不完整化。一个完整的企业，应具有从企业管理、设计、制造一直到市场销售、售后服务等完整的全部功能。但在虚拟企业不需要机构功能完整，它以各种方式借用外部力量来进行组合和集成。因为虚拟企业是动态联盟形式，突破企业的有形界限，利用外部资源加速实现企业的市场目标。传统的外协加工是一种原始的虚拟企业行为。④企业信息共享化。构成虚拟企业的基本条件之一，就是组成企业伙伴之间的计算机互联网。根据具体情况，可以是国际互联网，局域网或企业内部网，及时的沟通信息，包括产品设计、制造、销售、管理等信息，这些信息是以数据形式表示，能够分布到不同的计算机环境中，以实现信息资源共享，保证虚拟企业各部门步调高度协调，在市场波动条件下，确保企业最大整体利益。

　　虚拟企业的主要基础是：建立在先进制造技术基础上的企业柔性化；在计算机上制造数字化产品，从概念设计到最终实现产品整个过程的虚拟制造；计算机网络技术。上述3项内容是构成虚拟企业不可缺少的必要条件。

　　虚拟企业这种先进制造模式，在先进国家的部分企业已经运行。例如美国Ultra Comm公司是生产电子产品的虚拟企业，在美国各地有60多家，数以千计的雇员组成的虚拟电子集团，公司本身只有几名雇员，该公司采用分散设计和制造方式，不同的产品选用不同企业，依靠网络技术组成的经济实体，实现市场目标。又如总部设在香港的鑫港公司，是一家国际化企业，以制造销售电话机为主的电讯产品，总部从事新产品开发、研制、销售和管理等，在国内厦门经济特区宏泰科学工业园制造。

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。例如美国波音公司投资40亿美元研制波音777喷气式客机，从1990年10月开始到1994年6月仅用了3年零8个月时间就完成了研制，一次试飞成功，投入运营。波音公司分散在世界各地的技术人员可以从777客机数以万计的零部件中调出任何一种在计算机上观察、研究、讨论，所有零部件均是三维实体模型。可见虚拟产品设计给企业带来的效益。

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。

4　虚拟生产过程

　　产品生产过程的合理制定、人力资源、制造资源、物料库存、生产调度、生产系统的规划设计等，均可通过计算机仿真进行优化，同时还可对生产系统进行可靠性分析，对生产过程的资金进行分析预测，对产品市场进行分析预测等，从而对人力资源、制造资源的合理配置，对缩短产品生产周期，降低成本意义重大。

　　综上所述，虚拟制造技术在企业中的应用可以带来很多效益。虚拟产品设计可以提高设计质量、优化产品性能，缩短设计周期。虚拟产品制造可以提高制造质量，优化工艺过程，缩短制造周期。虚拟生产过程可以优化资源配置、物流管理、缩短生产周期，降低生产成本。虚拟企业可以增强企业柔性，满足客户的特殊要求，形成企业的市场竞争优势。

　　我国虚拟制造技术的研究刚刚起步，系统的、全面的研究尚未开展，目前仍停留在国外的理论消化与国内环境的结合上。只要我们努力创造一个较好的基础，虚拟制造技术在我国企业的应用已经为期不远。

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