虚拟制造技术发展及应用

罗明宝

摘 要：虚拟制造技术是近年来出现的先进技术之一，受到世界各个国家的高度重视。本文介绍了虚拟制造的定义、种类、关键技术及应用，展望其未来发展前景。

关键词：虚拟制造；仿真模拟；发展；应用

1.前言

随着市场的全球化，各种新兴技术在相关领域的综合使用，企业之间的竞争方式发生了巨变。制造行业遭遇了巨大的挑战，为了制造业能够更好的生存与发展，必须要满足市场所提出的多项要求：缩短产品开发周期、提高产品质量、降低制造成本以及用更好的技术支撑和售后服务来赢得客户的信赖。企业为了赢得市场，必须对市场形势做出准确评估和及时的调整，应对多变的市场需求。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[1]。各种技术的发展及应用使得虚拟制造技术应运而生，作为一种全新的生产模式，必将给制造业指明新的前进方向。

2.虚拟制造技术

2.1 虚拟制造技术定义及特点

虚拟制造技术是对产品实际生产活动中的真实环境进行虚拟模拟，在计算机上得到数字化模型进而对生产活动进行分析、评估。产品研制过程中，通过仿真模拟建模技术模拟出产品在后续制造过程中的虚拟环境，分析各个环节甚至整个产品生命周期可能出现的活动对产品性能各方面的影响。通过虚拟环境下的情景展示及分析结果，尽早的发现生产活动中可能存在的隐患与问题，及时的信息反馈改进设计，合理的调整生产活动。降低研制成本和产品开发周期，减少实际生产活动中带来的损失，更加合理的控制生产活动，提高企业生产效率，最终提高企业在市场中的综合竞争力。

虚拟制造较传统制造而言有很大的区别，虚拟制造有如下特点：（1）不用对样机进行实物制造就能评估产品性能，节约制造成本。（2）产品研制过程中能尽早发现产品存在的问题，及时得信息反馈对产品进行改进。（3）产品开发采用仿真模拟的方法，借助软件分析完成最终研制。

2.2 虚拟制造的种类

广义的制造过程不仅包括了产品的模型研发、样机制造、性能测试、实体生产。同时还有企业对自身生产活动的市场调查、经营策划和实际生产活动中的调整控制。按这个思想考虑，虚拟制造可以被分为三大类：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[2]。

以设计为中心的虚拟制造强调根据产品的制造信息仿真建模得到统一的数字化模型，分析模型中的各类问题对产品各方面性能和产品的可装配性进行分析。以生产为中心的虚拟制造强调根据不同企业所拥有的设备资源等约束条件，仿真模拟各个加工过程结合企业的制造资源及环境进行加工过程的合理组合，使得生产计划更加合理优化。以控制为中心的虚拟制造强调将在企业管理控制中引入仿真模拟技术，对实际生产活动的环境进行虚拟模拟，提供虚拟环境模型使得企业对生产活动的控制更优化。

2.3 虚拟制造的关键技术

虚拟制造技术在应用过程中需要工作人员掌握一些关键技术。例如，（1）特征建模：根据产品加工工艺信息建立特征模型。（2）企业间产品数据交换：企业间合作对产品进行设计研发时，要保证各个企业之间的产品信息得以互通。（3）快速原型制造软硬件系统：充分利用计算机及软件进行虚拟造型快速制造出虚拟样机。（4）加工能力模型/生产能力模型：根据企业的车间设备信息建立加工能力模型，据企业的其他可用资源信息建立生产能力模型。（5）产品零件的可制造性分析：据零件的特征信息及企业的车间设备，确定加工方式、步骤、工艺及参数。 （6）制造过程的动态描述：根据加工方案对加工过程进行动画展示。（7） NC代码自动生成：据零件特征信息及工艺路线自动生成零件NC代码。 （9）验证与测试系统：借助虚拟现实技术及人—机工程评估产品的使用寿命、可靠程度及报废处理[3]。

3.虚拟制造技术应用

3.1 虚拟制造技术在国外的应用

国外关于虚拟制造技术的应用已经有一定的规模，积极投入到各行各业的应用当中，完成相应的生成计划和目标，将市场需求的产品及时的投入到市场并收到良好的效果。在美国，波音公司生产的波音777客机是虚拟制造技术应用的经典产品。该机的设计研制包括众多的零部件，虚拟制造技术使得所有零部件的设计和改进全部是在由计算机组成的虚拟环境中完成，使得设计时间和难度都大幅度降低，并且提高了设计精度。在日本， 1994年日本的Matsushita公司曾经开发出一套针对厨房个性化设置的虚拟制造系统，顾客利用该系统在虚拟环境下对自己的厨房中的各种设施进行个性化设计，完成个性化设置之后计算机会将所有的信息进行分类统计存储，借由网络将所有信息传输给异地的生产部门，生产部门根据不同的信息生产出顾客所需要的个性化厨房，增加企业的市场竞争力。

3.2虚拟制造技术在国内的应用

国内关于虚拟制造技术的应用还没有形成一定的规模，广泛使用该技术的行业偏少。对其应用主要集中在以下两个方面：（1）产品的虚拟设计：通过产品的设计研制、性能测试、装配及故障诊断等过程的仿真模拟在虚拟环境下不断改进产品的设计。北京机械科学研究院曾虚拟模拟现实立体停车库的环境，建立数字化的虚拟模型和系统，利用该系统对车库布局进行优化和改进。（2）产品的虚拟制造：对实际加工过程的虚拟模拟，在虚拟环境下解决实际生产过程中可能存在的问题，使得实际生产活动得以合理的运行。合肥工业大学研制的双刀架数控机床加工过程模拟软件，利用该软件使得现场调试时间大大缩短，节约了设备调试耗时，尽快投入生产活动中，并且保证刀具在对刀时能够一次成功，减少不必要生产耗时从而提高生产效率。

目前来看，国内对虚拟制造技术的应用还比较落后，使用该技术的工作单位和企业数量有限。即使一些使用虚拟制造技术的企业和工作单位也没能做到效益最大化，关于虚拟制造技术的一些理论知识及部分关键技术仍然没能很好地掌握，在实际生产活动中的应用也没能很好地体现出虚拟制造的优势。

4.小结

以产品的数字化模型为基础，以系统建模和仿真技术为辅助，对产品的设计研发、加工制造和性能检验等过程进行动态仿真模拟实现虚拟制造，根据虚拟制造过程的分析评估结果对企业的生产活动、市场策划进行优化处理[4]。虚拟制造用产品的数字化模型取代实物样机，通过对产品模型进行各种动态模拟测试从而评估产品性能，使得企业的生产活动有良好地机动性，提高企业的市场竞争力。虚拟制造作为一种世界范围内的先进制造模式，制造业对其的应用必将逐渐重视并推广，在生产活动的方方面面带来革新。在未来的制造业中，虚拟制造必将占有重要的地位，发挥自身的巨大优势。（作者单位：重庆交通大学机电与汽车工程学院）

参考文献：

[1] 崔鑫，时蕾，夏伯乾.浅谈虚拟制造技术的应用[J]，煤矿机械，2011，6，10-12

[2] 白广利，杨洪亮等.虚拟制造技术的初步研究[J]，自动化技术与应用，2011，2，97-102

[3] 韩宝菊，王卫东.虚拟制造技术及应用[J]，液压气动与密封，2011，4，4-6

[4] 戴晴华，易迪升等.虚拟制造技术及其在工程机械中的应用[J]，中国工程机械学报，2010，6，184-189