王旭 李璐

摘 要：虛擬制造技術是虛擬現(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，它為制造業(yè)帶來全新的概念。它既是一項先進制造技術又是一種先進制造理念，這項新興的制造技術為制造業(yè)的發(fā)展指明了方向，減少了資源浪費，實現(xiàn)了綠色制造，使制造業(yè)達到了前所未有的高度集成化與優(yōu)化，為先進制造技術的進一步發(fā)展提供了更廣闊的空間，是現(xiàn)代制造業(yè)信息化過程中不可逾越的階段。本文對虛擬制造技術在現(xiàn)代機械工程設計中的應用進行了研究探討。

關鍵詞：虛擬制造;虛擬現(xiàn)實技術;現(xiàn)代機械;工程設計

虛擬制造是20世紀80年代后期美國首先提出來的一種新思想，它是利用信息技術、仿真技術、計算機技術等對現(xiàn)實制造活動中的人、物、信息及產(chǎn)品設計、工藝規(guī)劃、加工制造等生產(chǎn)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，預測、檢測、評價產(chǎn)品性能和產(chǎn)品的可制造性等，在產(chǎn)品實際生產(chǎn)前就采取預防措施，確保產(chǎn)品一次性開發(fā)成功，以達到降低成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、增強企業(yè)競爭力的目的。

一、關于虛擬制造的技術特點

一是高度集成。虛擬制造中產(chǎn)品設計與制造過程是在虛擬的產(chǎn)品數(shù)字化模型中進行產(chǎn)品設計、制造、測試等過程，并且在虛擬的制造環(huán)境中檢驗其設計、加工、裝配和操作。因此，易于綜合運用系統(tǒng)工程知識、并行工程和人―機工程等多學科先進技術，實現(xiàn)信息集成、知識集成、串并行交錯工作機制集成和人―機集成。

二是敏捷靈活。開發(fā)的產(chǎn)品（部件）可存放在計算機里，既節(jié)省倉儲費用，利于產(chǎn)品再次快速改型設計，從而大幅度縮短了生產(chǎn)準備周期，降低了成本，提高了產(chǎn)品從設計、制造到銷售全過程的整體性和敏捷性。

三是分布合作。虛擬制造通過Internet可使分布在不同地點、不同部門的不同專業(yè)人員在同一產(chǎn)品模型上同時工作，相互交流，實現(xiàn)資源共享，發(fā)揮各自特長，實現(xiàn)異地設計、制造，從而使產(chǎn)品開發(fā)以快捷、優(yōu)質(zhì)、低耗響應市場變化，將制造業(yè)信息化與知識化融為一體。

二、虛擬制造技術對發(fā)展我制造業(yè)的作用

一是減少資源浪費，實現(xiàn)綠色制造。綠色制造是一個綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造模式，其目標是使產(chǎn)品在從設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢的整個產(chǎn)品生命周期中，對環(huán)境的影響（負作用）最小，資源的使用效率最高。而虛擬制造技術的應用對整個制造工藝來說減少了廢棄物，這要比處理工廠已經(jīng)排放的廢棄物大大節(jié)省開支，它將成為綠色制造的一部分。

二是規(guī)避生產(chǎn)要素缺乏、生產(chǎn)成本過高的局面。在實際生產(chǎn)前，在不消耗資源和能量的情況下驗證產(chǎn)品方案。在虛擬制造環(huán)境下，工程設計人員可以直接對設計出的產(chǎn)品進行各項實驗，檢查產(chǎn)品各方面的技術性能等，還可以對生產(chǎn)的組織和進度安排進行實驗，確立合理的進度表等。這樣就可大大降低生產(chǎn)成本，減少新產(chǎn)品開發(fā)的投資。

三是敏捷轉(zhuǎn)換產(chǎn)品生產(chǎn)，快速滿足市場需求。虛擬制造是“核心”企業(yè)按市場需求決定委托加工的任務單，將設計、生產(chǎn)、組裝的全部或部分任務外包給其他企業(yè)來完戎，而虛擬企業(yè)中的成員企業(yè)均擁有各自的優(yōu)勢資源、核心技術，是專業(yè)程度很高的企業(yè)，容易對產(chǎn)品的某一零部件進行改進和創(chuàng)新，能敏捷地轉(zhuǎn)換不同類型產(chǎn)品的生產(chǎn)，從而快速滿足市場需求。

四是增強企業(yè)柔性和抗市場風險能力?！疤摂M制造”能按市場需求決定委托加工的任務單，當產(chǎn)品的市場需求減少時，可以迅速降低委托加工量，而不用承擔生產(chǎn)過剩的風險。顯然，這部分風險分散轉(zhuǎn)嫁給了委托加工企業(yè)。但由于受委托方往往是專業(yè)化的加工企業(yè)，對分散轉(zhuǎn)嫁的風險具有較強的應變能力，常能在短時間內(nèi)改變生產(chǎn)加工產(chǎn)品內(nèi)容。

五是突破中小企業(yè)的規(guī)模瓶頸。虛擬企業(yè)內(nèi)部交易是一種“準市場交易”，它比純市場交易穩(wěn)定，又比一體化企業(yè)內(nèi)部交易靈活，集合了市場和企業(yè)的雙重優(yōu)勢。企業(yè)通過虛擬制造有效避免或降低了在純市場、信息不對稱條件下尋求生產(chǎn)要素、進行交易的高成本，從而提升了產(chǎn)品在市場中的競爭力。企業(yè)突破傳統(tǒng)發(fā)展模式、擴大規(guī)模、跳躍發(fā)展成為可能。

三、虛擬制造技術在現(xiàn)代機械工程設計中的應用

虛擬制造在工業(yè)發(fā)達國家，如美國、德國、日本等已得到了不同程度的研究和應用。在這一領域，美國處于國際研究的前沿。福特汽車公司和克萊斯勒汽車公司在新型汽車的開發(fā)中已經(jīng)應用了虛擬制造技術，大大縮短了產(chǎn)品的發(fā)布時間。在我國，清華大學、北京航空航天大學、哈爾濱工業(yè)大學等科研教學單位也已經(jīng)開展了這一領域的研究工作。當前我國虛擬制造應用的重點研究方向是基于我國國情，進行產(chǎn)品的三維虛擬設計、加工過程仿真和產(chǎn)品裝配仿真，主要是研究如何生成可信度高的產(chǎn)品虛擬樣機，在產(chǎn)品設計階段能夠以較高的置信度預測所設計產(chǎn)品的最終性能和可制造性。

一是虛擬產(chǎn)品設計。例如飛機、汽車的外形設計，其形狀是否符合空氣動力學原理、運動過程的阻力、其內(nèi)部結(jié)構布局的合理性等。在復雜管道系統(tǒng)設計中，彩虛擬技術，設計者可“進入其中”進行管道布置，并可檢查是否發(fā)生干涉。這樣可提高設計效率，盡早發(fā)現(xiàn)設計中的問題，從而優(yōu)化產(chǎn)品設計。

二是虛擬產(chǎn)品制造。應用計算機仿真技術，對零件的加工方法、工序順序、工裝的選用、工藝參數(shù)的選用，加工工藝性、裝配工藝性、配合件之間的配合性、運行物件的運動性等均可建模仿真，提前發(fā)現(xiàn)加工缺陷和裝配時出現(xiàn)的問題，從而優(yōu)化制造過程、提高加工效率。

三是虛擬生產(chǎn)過程。產(chǎn)品生產(chǎn)過程的合理制定，人力資源、制造資源、物料庫存、生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)劃設計等，均可通過計算機仿真進行優(yōu)化，同時還可對生產(chǎn)系統(tǒng)進行可靠性分析，對生產(chǎn)過程的資金進行分析預測，對產(chǎn)品市場進行分析預測等，從而對人力、制造資源的合理配置，對縮短生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本意義重大。John Deere公司運用VMT進行弧焊生產(chǎn)系統(tǒng)的安裝，EDS 公司應用DENEB 軟件為通用汽車公司的中、高檔毫華汽車分廠進行裝配生產(chǎn)優(yōu)化設計，GM 公司也為此節(jié)省數(shù)百萬美元，并提前了上市時間。

四、結(jié)語

虛擬制造技術是虛擬現(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，它為制造業(yè)帶來全新的概念。它既是一項先進制造技術又是一種先進制造理念，這項新興的制造技術為制造業(yè)的發(fā)展指明了方向，減少了資源浪費，實現(xiàn)了綠色制造，使制造業(yè)達到了前所未有的高度集成化與優(yōu)化，為先進制造技術的進一步發(fā)展提供了更廣闊的空間，是現(xiàn)代制造業(yè)信息化過程中不可逾越的階段。

參考文獻

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