虚拟制造技术的内涵及应用

洪明刚

关键词：虚拟制造，内涵，制造产品

虚拟制造作为信息时代制造技术的重要标志，它是不断吸收信息技术和管理科学的成果而发展起来的，这里的“制造”是一种广义的概念，即一切与产品相关的活动和过程，亦称之为“大制造”，这是相对于传统的狭义制造而言的。“虚拟”的含义则是这种制造虽然不是真实的、物化的，但却是本质上的，也就是在计算机上实现制造的本质内容。虚拟制造的实质是在产品制造过程的上游——设计阶段就对产品制造的全过程虚拟集成，将可能出现的问题解决在这一阶段，通过设计的最优化达到产品的一次性制造成功。

1.虚拟制造技术的内涵及其特点

1.1虚拟制造技术的内涵

虚拟制造是实际制造过程在计算机的本质实现，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在计算机上实现产品开发、制造以及管理与控制等制造的本质过程，以增强制造过程各级的决策与控制能力。

虚拟制造不是一成不变的技术，而是一个不断吸收各种高新技术而不断丰富其内涵的动态技术系统，它通过计算机虚拟环境和模型来模拟生产场景和预估产品功能、性能及可加工性等方面可能存在的问题，从而提高人们的预测和决策水平，它为工程师提供了从产品概念的形成、设计到制造全过程的三维可视及交互环境，使得制造技术走出主要依赖于经验的狭小天地，发展到了全方位预报的新阶段，它不是原有单项制造仿真技术的简单组合，而是在相关理论和已积累知识的基础上对制造知识进行系统化组织。

1.2虚拟制造技术的特点

虚拟制造与实际制造相比，有如下特点：

(1)虚拟经营和管理。作为虚拟制造的一个主要贡献——虚拟企业，使制造业在世界范围内的重组与集成成为可能，应用虚拟经营和虚拟管理，充分借助于企业外部力量，运用自身最强的优势和有限资源最大限度地提高企业的竞争力。

(2)高度集成。产品与制造环境均利用仿真技术在计算机上形成虚拟模型，在设计过程中，可用计算机对其进行产品设计、制造、测试，设计人员和用户甚至可以“进人”虚拟环境对模型的设计、加工、装配、性能进行检测。

(3)高效灵活。开发的产品(部件)可存放在计算机里，不但大大节省仓储费用，更能根据市场变化或用户需求随时对模型进行修改，快速投入生产，缩短设计开发时间，节约设计成本，提高产品从设计、制造到销售全过程的效率，增强企业的竞争力。

(4)高度合作。可通过互联网将世界各地的专业人员结合起来，同时在同一个模型上工作，互相交流、资源共享，以避免重复研究带来的损失，发挥各自特长，实现异地设计，异地制造，将制造业信息化与知识化融为一体。

(5)设计柔性。如果产品设计过程中出现变故，可以将资料存入电脑，等时机成熟再进行开发，从而提高设计过程的柔性。

2.虚拟制造技术涉及的领域

虚拟制造技术涉及多个技术领域，包括仿真技术、计算机图形学、可视化技术、多媒体技术和虚拟原型技术。虚拟制造技术通过对这些技术的综合应用来实现其特有的功能。

(1)仿真技术。仿真技术依靠虚拟技术来模拟产品制造、生产和装配过程，使设计者可以在计算机中“制造”产品。仿真技术让使用者接受到与现实情况相同的信息，给人一种身临其境的感觉。系统提供人机实时交互操作、三维视觉空间和多通道的人机界面，可使人真实感觉到计算机系统创造的环境。

(2)计算机图形学(VM)。仿真技术的发展，依靠计算机图形学来建立计算机内的数字化模型，可以表达三维立体数据，像实物一样可视、可动。

(3)可视化技术。它可以将信号转换为图形或图像，可使观察者直观地观察其模拟与计算，从而丰富科学发现的过程。

(4)多媒体技术。它是以计算机为核心的集图、文、声、像处理技术于一体的综合性处理技术。多媒体技术虽然强调多种信息通道，但其感知范围不如VM广泛，不强调人机的交互性。

(5)虚拟原型技术.它是相对于物理原型提出的概念，是具有一定功能的基于计算机的仿真系统.如果虚拟原型通过模拟工艺计划来构造，便是用VM来产生虚拟模型，因此，虚拟原型技术的发展将增强VM的能力。每一类虚拟制造系统都是各种技术的综合应用，其中仿真技术是基础。

3虚拟制造技术在生产制造上的应用

一个产品从概念设计到投放市场，即产品的生产周期按时间顺序可分为概念设计、详细设计、加工制造、测试和培训/维护，虚拟制造技术可以在产品的全部生产周期中各个阶段发挥重要的作用。

3.1基于虚拟制造技术的产品开发

首先考虑一下设计并构造一个新产品原型所需要的时间。在设计过程中，设计师要考虑到产品的各个方面，以满足一定的安全性、人机工程学、易维护性和装配标准。因此，设计过程中严格地受到生产、时间和费用的限制。虚拟制造能完成比CAD更多的功能，CAD通常只考虑产品各个子部件的几何特征和相互间的几何约束。而在虚拟制造中，可以将以上提到的多种所需满足的条件集成到设计过程中一并考虑，我们还能适当减少子部件数目，甚至可以按比例放缩部件尺寸，这大大降低了设计费用和原型构造时间，更进一步的达到产品用户化的目标。

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。

3.2虚拟制造技术在生产计划安排上的应用

生产计划安排的可视化对于制造决策是极其有用的，但目前它还未能完全实现。使用虚拟制造技术，可将成百上千件产品、成千上万个零部件和许多其他生产要素可视化，辅助计划者更好地评价、选择生产计划。

计算机产生的图像可将计划者的大脑负担转移到他们的感官系统，这就加快了工作进程。生产计划数据变成立体的或多维的图形，可表达复杂的内部关系。

虚拟制造技术是信息化制造的重要技术之一，实现虚拟制造需要强有力的技术支撑，虚拟制造技术的应用应结合我国制造业自身的特点，在吸收国外成熟经验的基础上大胆创新，形成特色发展。可以预言，随着我国对虚拟制造技术研究的深入，其广泛的应用已为期不远，终将成为一个现代化信息化制造企业的必由之路。

参考文献：

[1]孙宇.我国虚拟制造技术发展策略浅析[J].长春师范学院学报，2005，(3)

[2]薛浩然.虚拟制造技术发展策略浅析[J].山西电子技术，2003，(3)

[3]肖田元.虚拟制造研究进展与展望[J].系统仿真学报，2004，16(9)