虛擬制造技術的相關概念及其應用

 摘要：闡述了虛擬制造產生的背景、定義、特點和分類，并對它的應用和前景作了探討．
    關鍵詞：虛擬制造；先進制造模式；數字化模型

1　前言
　　制造業(yè)為了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T、Q、C、S要求，即要以最短的產品開發(fā)周期(Time)，最優(yōu)質的產品質量（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)的生產活動必須具有高度的柔性．
　　為了提高競爭能力，企業(yè)應當能夠對市場需求的變化作出快速敏捷的反應，并及時地對自身的生產作出合理的調整與重新規(guī)劃．計算機軟硬件技術及網絡技術的迅速發(fā)展為實現(xiàn)這一目標提供了強有力的支持．基于這些因素，90年代中有許多新概念、新觀點應運而生，虛擬制造（VirtualManufacture)就是其中之一，它代表了一種全新的制造體系和模式．在虛擬制造中，產品開發(fā)是基于數字化的虛擬產品開發(fā)方式（VirtualProductDevelopment），以用戶的需求為第一驅動，并將用戶需求轉化為最終產品的各種功能特征．VPD保證了產品開發(fā)的效率和質量，提高了企業(yè)的快速響應和市場開拓能力．
2　虛擬制造的定義及特點
　　對虛擬制造的研究還處于不斷的深入、細化之中，國際上尚沒有對其作出一個統(tǒng)一的公共定義．不同的研究人員從不同角度出發(fā)，給出了各具特點的描述，其中有代表性的包括以下幾種：
　　Kimura的定義為：虛擬制造是指通過對制造知識進行系統(tǒng)化組織與分析，對整個制造過程建模，在計算機上進行設計評估和制造活動仿真．他強調通過用虛擬制造模型對制造全過程進行描述，在實際的物理制造之前就具有了對產品性能及其可制造性的預測能力．
　　LawrenceAssociates則認為，虛擬制造是一個集成的、綜合的可運行制造環(huán)境，其目的是提高各個層次的決策與控制．
　　美國Wright空軍實驗室則對虛擬制造作出了如下定義：虛擬制造建立在計算機建模、分析和仿真技術的基礎之上，它是對這些技術的綜合應用．這種綜合應用增強了各個層次的設計制造、生產決策與控制能力．
　　從這些定義可以看出，虛擬制造涉及到多個學科領域，是對這些領域知識的綜合集成與應用．計算機仿真、建模和優(yōu)化技術是虛擬制造的核心與關鍵技術．可以認為，虛擬制造是對制造過程中的各個環(huán)節(jié)，包括產品的設計、加工、裝配，乃至企業(yè)的生產組織管理與調度進行統(tǒng)一建模，形成一個可運行的虛擬制造環(huán)境，以軟件技術為支撐，借助于高性能的硬件，在計算機局域/廣域網絡上，生成數字化產品，實現(xiàn)產品設計、性能分析、工藝決策、制造裝配和質量檢驗。它是數字化形式的廣義制造系統(tǒng)，是對實際制造過程的動態(tài)模擬．所謂“虛擬”，是相對于實物產品的實際制造系統(tǒng)而言的，強調的是制造系統(tǒng)運行過程的計算機化．
　　由于計算機軟硬件技術和網絡技術的廣泛應用，虛擬制造具有以下幾個特點：
　�。�1）無須制造實物樣機就可以預測產品性能，節(jié)約制造成本，縮短產品開發(fā)周期．
　�。�2）產品開發(fā)中可以及早發(fā)現(xiàn)問題，實現(xiàn)及時的反饋和更正．
　�。�3）以軟件模擬形式進行產品開發(fā)．
　�。�4）企業(yè)管理模式基于Intranet或Internet,整個制造活動具有高度的并行性．
3　虛擬制造的種類
　　廣義的制造過程不僅包括了產品的設計加工、裝配，還包含了對企業(yè)生產活動的組織與控制．從這個觀點出發(fā)，可以把虛擬制造劃分為三類：以設計為中心的虛擬制造、以生產為中心的虛擬制造和以控制為中心的虛擬制造．
3.1　以設計為中心的虛擬制造
　　以設計為中心的虛擬制造強調以統(tǒng)一制造信息模型為基礎，對數字化產品模型進行仿真與分析、優(yōu)化，進行產品的結構性能、運動學、動力學、熱力學方面的分析和可裝配性分析，以獲得對產品的設計評估與性能預測結果．
3.2　以生產為中心的虛擬制造
　　以生產為中心的虛擬制造是在企業(yè)資源的約束條件下，對企業(yè)的生產過程進行仿真，對不同的加工過程及其組合進行優(yōu)化．它對產品的“可生產性”進行分析與評價，對制造資源和環(huán)境進行優(yōu)化組合，通過提供精確的生產成本信息對生產計劃與調度進行合理化決策．
3.3　以控制為中心的虛擬制造
　　以控制為中心的虛擬制造是將仿真技術引入控制模型，提供模擬實際生產過程的虛擬環(huán)境，使企業(yè)在考慮車間控制行為的基礎上對制造過程進行優(yōu)化控制．以上三種虛擬制造分別側重于制造過程的不同方面．但它們都以計算機建模、仿真技術為一個重要的實現(xiàn)手段，通過對制造過程進行統(tǒng)一建模，用仿真支持設計過程、模擬制造過程，進行成本估算和生產調度．
4　虛擬制造的應用
　　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)中已經應用了虛擬制造技術，大大縮短了產品的發(fā)布時間。波音公司設計的777型大型客機是世界上首架以三維無紙化方式設計出的飛機．它的設計成功已經成為虛擬制造從理論研究轉向實用化的一個里程碑．
　　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，進行產品的三維虛擬設計、加工過程仿真和產品裝配仿真，主要是研究如何生成可信度高的產品虛擬樣機，在產品設計階段能夠以較高的置信度預測所設計產品的最終性能和可制造性．在對產品性能具有高科技含量要求的行業(yè)中，如航空航天、軍事、精密機床、微電子等領域，隨著研究的不斷深入和相關技術的發(fā)展，虛擬制造必將得到日益廣泛的應用．
5　結論
　　基于產品的數字化模型，應用先進的系統(tǒng)建模和仿真優(yōu)化技術，虛擬制造實現(xiàn)了從產品的設計、加工、制造到檢驗全過程的動態(tài)模擬，并對企業(yè)的運作進行了合理的決策與最優(yōu)控制．虛擬制造以產品的“軟”模型（SoftPrototype）取代了實物樣機，通過對模型的模擬測試進行產品評估，能夠以較低的生產成本獲得較高的設計質量，縮短了產品的發(fā)布周期，提高了企業(yè)生產效率．企業(yè)的生產因為虛擬制造技術的應用而具有了高度的柔性化和快速的市場反應能力，因而市場競爭能力大大增強．作為一種先進的制造模式，虛擬制造的應用范圍必然會不斷擴大，給更多的企業(yè)帶來更大的收益．

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