市場化、信息化是一個現(xiàn)代企業(yè)發(fā)展的必然趨勢，本文結(jié)合計算機虛擬制造等新的制造技術的發(fā)展趨勢，探討了計算機虛擬制造技術在現(xiàn)代制造業(yè)中的應用。
隨著經(jīng)濟的全球化和社會的信息化，市場競爭日益激烈。制造業(yè)要在競爭激烈的全球市場求得生存與發(fā)展，必須能夠更好地滿足市場所提出的TQCS要求，即:要以最短的產(chǎn)品開發(fā)周期(Time)、最優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品質(zhì)量(Quality)、最低廉的制造成本(Cost)和最好的技術支持與售后服務(Service)來贏得市場與用戶。面對不可預測、持續(xù)發(fā)展、快速多變的市場需求，企業(yè)的生產(chǎn)活動必須具有高度的柔性，對市場需求的變化做出快速反應。與此同時，信息技術取得了迅速發(fā)展，從而為制造業(yè)的信息化發(fā)展提供了良好的基礎。80年代，隨著先進制造技術以信息集成為核心的計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)的實施，以及隨后提出的計算機虛擬制造技術(VMT)，到90年代時，計算機虛擬制造技術得到了極大重視并得到迅速發(fā)展。隨著市場全球化的進程，信息化制造將成為現(xiàn)代制造企業(yè)追求的重要目標之。
一、虛擬制造技術定義
虛擬制造利用信息技術、仿真技術、計算機技術對現(xiàn)實制造活動中的人、物、信息及制造過程進行全面的仿真，以發(fā)現(xiàn)制造中可能出現(xiàn)的問題，在產(chǎn)品實際生產(chǎn)前就采取預防措施，從而達到產(chǎn)品一次性制造成功，來達到降低成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，增強產(chǎn)品競爭力的目的現(xiàn)在對虛擬制造(Virtual Manufactuirng，簡稱VM)的定義多種多樣。
當前一般的定義是:虛擬制造是實際制造過程在計算機上的映射，即采用計算機仿真與虛擬現(xiàn)實技術，在高性能計算機及高速網(wǎng)絡的支持下，在計算機上群組協(xié)同工作，實現(xiàn)產(chǎn)品設計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗，以及企業(yè)各級過程的管理與控制等產(chǎn)品制造的本質(zhì)過程，以增強制造過程各級的決策與控制能力。它為工程師們提供了從產(chǎn)品概論的形成、設計到制造全過程的三維可視及交互的環(huán)境，使制造技術走出主要依賴于經(jīng)驗的狹小天地，發(fā)展到全方位預報的新階段。
虛擬制造以信息技術、仿真技術、虛擬現(xiàn)實技術為基礎，借助于虛擬環(huán)境中獲取的各種信息，在產(chǎn)品設計或制造系統(tǒng)的建造實現(xiàn)之前，就能使人體驗到未來產(chǎn)品裝配的性能或者裝配系統(tǒng)的狀態(tài)，從而可以做出預見性的決策與優(yōu)化實施方案。它集成和綜合了可運行制造的環(huán)境:包括各種分析工具、仿真工具、應用工具、控制工具、信息模型、設備、組織協(xié)同工作的方法等，用來改善從裝配產(chǎn)品的概念設計到動態(tài)仿真到回收利用的各個階段。
二、虛擬制造的相關技術和支持
虛擬制造系統(tǒng)是各制造功能的虛擬集成，其關鍵技術主要包括:虛擬環(huán)境下的產(chǎn)品主模型技術:主模型是一個核心，能以此為中心通向設計、制造和生產(chǎn)管理等各個環(huán)節(jié)并為其提供服務。主模型具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構和分布式數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，它是一個可視化的數(shù)字產(chǎn)品模型，具有所代表的對象所具有的各種性能和特征，并能并行地處理設計分析、加工制造、生產(chǎn)組織與調(diào)度等各種生產(chǎn)環(huán)節(jié)所面臨的諸多問題。
綜合可視化技術:主要包括計算機可視化技術、虛擬現(xiàn)實技術、多媒體技術和仿真技術。現(xiàn)實制造系統(tǒng)與虛擬制造系統(tǒng)之間的映射，虛擬設備、虛擬傳感器、虛擬單元、虛擬生產(chǎn)線、虛擬車間、和虛擬工廠的建立，以及各種虛擬設備的重用性和重組性技術。
虛擬制造系統(tǒng)集成開發(fā)平臺的體系結(jié)構、構件庫及用戶開發(fā)環(huán)境。
虛擬環(huán)境下分布式并行處理的分布式智能協(xié)同求解模型。
虛擬公司的組織、調(diào)度及控制策略與技術。 虛擬制造技術是多學科綜合的系統(tǒng)技術，需要研究開發(fā)相應的硬件集成系統(tǒng)與軟件，就軟件技術而言，相關的研究支持如下:可視化、真實、直觀地再現(xiàn)主觀產(chǎn)品與客觀制造過程?；经h(huán)境:增強可視化和其它虛擬制造功能的集成系統(tǒng)。
信息描述:表達各種信息，包括數(shù)據(jù)、知識和模型的統(tǒng)一的方法、語義、語法。
·中介模型:構造、定義、開發(fā)對過程易于中斷介人的模型。基層集成組織結(jié)構:硬件與軟件的基層組織結(jié)構。
·仿真模型:在計算機系統(tǒng)中設計的真實系統(tǒng)模型.應用方法:產(chǎn)品多樣性與過程動態(tài)性的共同特征的抽象提取。
·制造特征:各種材料在虛擬制造環(huán)境中的變化過程。虛擬制
·造系統(tǒng)評價:可制造性、工藝性、可靠性、經(jīng)濟性、質(zhì)量、工期等等。
三、虛擬制造技術在制造業(yè)中的應用
虛擬制造技術在制造業(yè)中的應用:首先在軍事、航空航天、汽車領域中獲得成功的應用。例如波音飛機公司777飛機的設計，就是采用虛擬制造技術的典型范例，開發(fā)周期從通常的8年減少到5年。設計、裝機、測試均在計算機中完成模擬，保證一次試制成功。虛擬制造在汽車領域的應用涉及到汽車的整個生命周期，它可以在汽車生產(chǎn)設備、工裝和模具，甚至校車的設計之前，很容易地生產(chǎn)系統(tǒng)和工藝過程進行建模、修改、分析及優(yōu)化。通用電動機車部(General Motors Electro Motive Division,EMD}1997年，利用UGH軟件，建成了第一個完全數(shù)字化的機車樣機模型，并圍繞這個數(shù)字模型并行地進行產(chǎn)品設計、分析、制造、夾模具工裝設計和可維修性設計。日本日產(chǎn)汽車公司1998年與SDRC公司簽定總額超過1億美元的特大合同，購買軟件、服務與實施，主要用于面向21世紀的新車型一 數(shù)字樣車的開發(fā)。日產(chǎn)汽車公司計劃在貫穿汽車生產(chǎn)的全過程中，利用概念設計支持工具、包裝設計軟件、覆蓋件設計、整車仿真分析、數(shù)字樣機及物理樣機的生產(chǎn)等。歐洲空中客車一改過去傳統(tǒng)的產(chǎn)品研制及開發(fā)方法，采用虛擬制造及仿真技術，把空中客車試制周期從4年縮短為2.5年，不僅提前投放市場，而且顯著降低了研制費用及生產(chǎn)成本，大大增強了全球競爭能力。虛擬制造技術應用得比較成熟的有:產(chǎn)品的外形設計:采用虛擬現(xiàn)實技術的外形設計，可以進行復雜的造型設計，并對其參數(shù)可隨時修改、評測。它可以直接用于裝配、仿真和加工。
產(chǎn)品的布局設計:在復雜產(chǎn)品的布局設計中，通過虛擬現(xiàn)實技術可以直觀地進行設計，避免可能出現(xiàn)的干涉和其它不合理問題。
產(chǎn)品的運動和動力學仿真:產(chǎn)品設計必須解決運動構件工作時的運動協(xié)調(diào)關系，運動范圍設計，可能的運動干涉檢查，產(chǎn)品動力學性能、強度、剛度等。
熱加工工藝模擬:利用數(shù)值模擬和物理模擬方法，對金屬材料熱成形過程和材料成形過程進行動態(tài)仿真，預測不同條件下成形的材料的組織、性能及質(zhì)量，、進而實現(xiàn)熱成形件的質(zhì)量與性能的優(yōu)化設計。
加工過程仿真:產(chǎn)品設計的合理性、可加工性、加工方法，機床和工藝參數(shù)的選用，以及加上過程中可能出現(xiàn)的加工缺陷等，這些問題需要經(jīng)過仿真、分析與處理。
產(chǎn)品裝配仿真:機械產(chǎn)品的配合性和可裝配性是設計人員常易出現(xiàn)錯誤的地方，以往要到產(chǎn)品裝配的時候才能發(fā)現(xiàn)，但采用虛擬制造技術，可以在設計階段就對產(chǎn)品進行裝配，發(fā)現(xiàn)裝配問題可進行修，確保設計的準確。
虛擬樣機與產(chǎn)品工作性能評測:在虛擬制造中可以模擬出產(chǎn)品的使用情況，對存在問題的地方進行修改，提高產(chǎn)品一次試驗成功率。
企業(yè)生產(chǎn)過程的仿真與優(yōu)化:產(chǎn)品生產(chǎn)過程的合理制定、工廠人力資源、制造資源的合理配置，對縮短生產(chǎn)周期和降低成本有更大影響。
四、結(jié)論
虛擬制造是虛擬現(xiàn)實技術和計算機仿真技術在制造領域的綜合發(fā)展及應用。它是產(chǎn)品在計算機中的虛擬實現(xiàn)，而且不消耗現(xiàn)實的資源和能量，但卻能實際反映產(chǎn)品的有關情況。它為制造業(yè)帶來全新的概念，隨著虛擬制造技術的不斷發(fā)展及在企業(yè)中廣泛的應用，必將極大提高企業(yè)的研發(fā)創(chuàng)新能力。
（轉(zhuǎn)載）
