虚拟制造的应用与现状分析

李京儒 李海宏

(西北农林科技大学，陕西 杨凌 712100)

1 虚拟制造技术

虚拟制造技术是一种在很大程度上区别于现实制造的制造技术，虚拟制造是利用计算机，辅助现实制造的设计和生产，是多学科交叉形成的一种新的系统技术，虚拟制造作为一种比较先进的加工制造技术，已经成为了代替现实制造进行分析和研究的工具，它相对于传统制造业的最显著特点就是虚拟制造是在计算机上虚拟进行的，没有实际生产活动，不消耗原料和能量，大大地减少了浪费[1]。

2 虚拟制造应用分类

2.1 以设计为中心的虚拟制造

以设计为中心的虚拟制造就是在设计阶段就预先提供产品的制造信息，比如产品外形、颜色、材料，通过计算机系统建模、仿真，从而不断优化，使产品不断符合使用要求，最后可以在计算机上生产“软样机”，相对于传统的现实制造的样机，极大地降低了成本，节省大量资金，也缩短了试验成本，提高了效率。特别是随着计算机领域的发展，这种利用计算机实现产品生产前的改进方式，也不再仅限于大工厂、大车间的大宗产品设计，现如今的高校师生也可以利用许多软件来实现，特别是工科专业，在参与科研项目、科创比赛时，可利用虚拟设计，改进优化某些零部件设计，再制造出满足使用要求的零件，节省时间，节约成本。

2.2 以生产为中心的虚拟制造

以生产为中心的虚拟制造就是将仿真能力用于制造过程模型，用来评价不同的工艺方案;用于资源需求规划、生产计划的产生及评价的环境。其中，最大的优点就是可以在很大程度上优化工艺方案，从而确定最好的生产流程，获得最佳的产品质量。对于已经设计完成的产品，在实际生产时不同工艺方案对产品质量影响极大，生产步骤的顺序变化可能使产品的性能，承载能力发生毁灭性地破坏，利用虚拟制造极大地降低了企业要承担的风险[2]。

2.3 以控制为核心的虚拟制造

以控制为核心的虚拟制造是指将仿真能力增加到模型中，以便提供对实际生产过程造成影响的环境，如人工、场地因素，目的是评估改进的产品设计以及与生产过程相关的活动，使生产过程在生产周期内不断优化，改进制造系统。

3 虚拟制造应用实例

3.1 在汽车生产制造中的应用

汽车是现代社会生产生活中不可缺少的一种交通运输工具，经过长时间的发展，汽车生产日益成熟。汽车以及其相关产业体量巨大，是世界经济的重要组成部分。特别是21世纪以来，我国经济飞速发展，人民生活水平不断提高，且人口基数大，对于汽车有着巨大的需求量。近年来，我国汽车工业发展势头迅猛，技术不断革新，产能不断增大，但相对来说，我国汽车工业起步晚，与国外汽车企业相比，技术差距仍然很大，如何缩小差距，从而在激烈的竞争之中占据有利位置，获得更大的经济效益，成为了国内车企面临的重大问题[3]。

汽车装配是汽车制造过程的关键性步骤，如何设计最优化的装配流水线是个大问题，对于设计者来说，一条装配流水线的设计需要考虑诸多因素，场地、资金、人员、时间，这些因素都会影响设计者思路，而使用虚拟制造技术进行仿真模拟，可以在很大程度上降低这些客观因素的影响。除此之外，汽车质量好坏关乎使用者的生命安全，所以在上市销售之前，需要进行产品检验，这也为检验人员带来了巨大隐患，然而通过虚拟制造技术，可以大大降低风险，也可以提高检测效率，排除不合理设计。

3.2 在飞行器生产制造中的应用

飞行器制造属于尖端技术，其设计、制造、检验过程十分复杂，且成本高昂，存在很多难题，特别是最终成品检验，往往会付出巨大的代价，飞行器设计人员一直在思考如何安全、高效、低成本地实现整个制造过程。以往的飞行器设计者，常常用塑料制作模型，取代实体样机进行试验，而这种方式会对测试过程造成很大困难，测试结果可能会有巨大偏差。而虚拟制造技术可以模拟飞行器设计和实验的过程，几乎可以取代实体模型，完成整个设计和实验过程[4]。

相对来说，以美国为首的西方国家较早地将虚拟制造技术用于飞行器研制。美国波音公司，在波音777飞机的研制中，就曾经首次使用了无纸设计技术，大大节省了研制时间，大大降低了研制成本，产品质量相对于传统制造技术得到了很大提高，得到了业内高度评价。将此次设计与传统研制方式对比，得到的数据上的差距令人惊讶。返工率降低了至少50%，装配时出现的问题同样减少了50%以上。

3.3 在其他领域的应用

虚拟制造除了在一些具体的产品制造过程中运用，也可以对于机械加工生产过程中的某一环节进行研究测试，国外某个实验中，曾经采用虚拟制造技术对焊接T形接头进行了变形分析，通过2种不同的非线性三维有限元虚拟机系统，可以为焊接过程提供非常清晰的模拟步骤，对焊接的具体实施具有很大的参考意义。

虚拟制造也是企业进行员工培训的一种工具。对于制造业来说，装配是非常重要的一步，所以企业需要花费大量的时间和金钱用于员工工作前的实地培训。因此，利用虚拟制造为员工提供一个平台，相对于枯燥的讲解，更加真实高效。一项研究结果表明，与传统培训方式的参与者相比，“虚拟培训”的参与者在实际工作过程中犯的错误较少，花费的时间也相对更少[5]。

4 虚拟制造发展现状

在西方工业发达国家，虚拟制造技术已经被应用于许多领域，相对来说，我国虚拟技术发展起步晚，与发达国家的差距依旧很大。面对这种状况，应出台相关政策，促进高等院校、研究机构、生产企业的互助合作，立足于企业需求，促进良性循环，加快科研成果转化，做到产、学、研结合。综上所述，我国虚拟制造产业相对落后，但发展空间巨大，市场广阔，只要集中科研力量，突破关键技术，我国虚拟制造产业就能得到长远发展。