虛擬制造技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

羅明寶

摘 要：虛擬制造技術(shù)是近年來出現(xiàn)的先進(jìn)技術(shù)之一，受到世界各個(gè)國家的高度重視。本文介紹了虛擬制造的定義、種類、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用，展望其未來發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：虛擬制造；仿真模擬；發(fā)展；應(yīng)用

1.前言

隨著市場的全球化，各種新興技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域的綜合使用，企業(yè)之間的競爭方式發(fā)生了巨變。制造行業(yè)遭遇了巨大的挑戰(zhàn)，為了制造業(yè)能夠更好的生存與發(fā)展，必須要滿足市場所提出的多項(xiàng)要求：縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低制造成本以及用更好的技術(shù)支撐和售后服務(wù)來贏得客戶的信賴。企業(yè)為了贏得市場，必須對市場形勢做出準(zhǔn)確評估和及時(shí)的調(diào)整，應(yīng)對多變的市場需求。計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)提供了強(qiáng)有力的支持[1]。各種技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用使得虛擬制造技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，作為一種全新的生產(chǎn)模式，必將給制造業(yè)指明新的前進(jìn)方向。

2.虛擬制造技術(shù)

2.1 虛擬制造技術(shù)定義及特點(diǎn)

虛擬制造技術(shù)是對產(chǎn)品實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)中的真實(shí)環(huán)境進(jìn)行虛擬模擬，在計(jì)算機(jī)上得到數(shù)字化模型進(jìn)而對生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行分析、評估。產(chǎn)品研制過程中，通過仿真模擬建模技術(shù)模擬出產(chǎn)品在后續(xù)制造過程中的虛擬環(huán)境，分析各個(gè)環(huán)節(jié)甚至整個(gè)產(chǎn)品生命周期可能出現(xiàn)的活動(dòng)對產(chǎn)品性能各方面的影響。通過虛擬環(huán)境下的情景展示及分析結(jié)果，盡早的發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)活動(dòng)中可能存在的隱患與問題，及時(shí)的信息反饋改進(jìn)設(shè)計(jì)，合理的調(diào)整生產(chǎn)活動(dòng)。降低研制成本和產(chǎn)品開發(fā)周期，減少實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)中帶來的損失，更加合理的控制生產(chǎn)活動(dòng)，提高企業(yè)生產(chǎn)效率，最終提高企業(yè)在市場中的綜合競爭力。

虛擬制造較傳統(tǒng)制造而言有很大的區(qū)別，虛擬制造有如下特點(diǎn)：（1）不用對樣機(jī)進(jìn)行實(shí)物制造就能評估產(chǎn)品性能，節(jié)約制造成本。（2）產(chǎn)品研制過程中能盡早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品存在的問題，及時(shí)得信息反饋對產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)。（3）產(chǎn)品開發(fā)采用仿真模擬的方法，借助軟件分析完成最終研制。

2.2 虛擬制造的種類

廣義的制造過程不僅包括了產(chǎn)品的模型研發(fā)、樣機(jī)制造、性能測試、實(shí)體生產(chǎn)。同時(shí)還有企業(yè)對自身生產(chǎn)活動(dòng)的市場調(diào)查、經(jīng)營策劃和實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)中的調(diào)整控制。按這個(gè)思想考慮，虛擬制造可以被分為三大類：以設(shè)計(jì)為中心的虛擬制造、以生產(chǎn)為中心的虛擬制造和以控制為中心的虛擬制造[2]。

以設(shè)計(jì)為中心的虛擬制造強(qiáng)調(diào)根據(jù)產(chǎn)品的制造信息仿真建模得到統(tǒng)一的數(shù)字化模型，分析模型中的各類問題對產(chǎn)品各方面性能和產(chǎn)品的可裝配性進(jìn)行分析。以生產(chǎn)為中心的虛擬制造強(qiáng)調(diào)根據(jù)不同企業(yè)所擁有的設(shè)備資源等約束條件，仿真模擬各個(gè)加工過程結(jié)合企業(yè)的制造資源及環(huán)境進(jìn)行加工過程的合理組合，使得生產(chǎn)計(jì)劃更加合理優(yōu)化。以控制為中心的虛擬制造強(qiáng)調(diào)將在企業(yè)管理控制中引入仿真模擬技術(shù)，對實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)的環(huán)境進(jìn)行虛擬模擬，提供虛擬環(huán)境模型使得企業(yè)對生產(chǎn)活動(dòng)的控制更優(yōu)化。

2.3 虛擬制造的關(guān)鍵技術(shù)

虛擬制造技術(shù)在應(yīng)用過程中需要工作人員掌握一些關(guān)鍵技術(shù)。例如，（1）特征建模：根據(jù)產(chǎn)品加工工藝信息建立特征模型。（2）企業(yè)間產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換：企業(yè)間合作對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)研發(fā)時(shí)，要保證各個(gè)企業(yè)之間的產(chǎn)品信息得以互通。（3）快速原型制造軟硬件系統(tǒng)：充分利用計(jì)算機(jī)及軟件進(jìn)行虛擬造型快速制造出虛擬樣機(jī)。（4）加工能力模型/生產(chǎn)能力模型：根據(jù)企業(yè)的車間設(shè)備信息建立加工能力模型，據(jù)企業(yè)的其他可用資源信息建立生產(chǎn)能力模型。（5）產(chǎn)品零件的可制造性分析：據(jù)零件的特征信息及企業(yè)的車間設(shè)備，確定加工方式、步驟、工藝及參數(shù)。 （6）制造過程的動(dòng)態(tài)描述：根據(jù)加工方案對加工過程進(jìn)行動(dòng)畫展示。（7） NC代碼自動(dòng)生成：據(jù)零件特征信息及工藝路線自動(dòng)生成零件NC代碼。 （9）驗(yàn)證與測試系統(tǒng)：借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及人—機(jī)工程評估產(chǎn)品的使用壽命、可靠程度及報(bào)廢處理[3]。

3.虛擬制造技術(shù)應(yīng)用

3.1 虛擬制造技術(shù)在國外的應(yīng)用

國外關(guān)于虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)有一定的規(guī)模，積極投入到各行各業(yè)的應(yīng)用當(dāng)中，完成相應(yīng)的生成計(jì)劃和目標(biāo)，將市場需求的產(chǎn)品及時(shí)的投入到市場并收到良好的效果。在美國，波音公司生產(chǎn)的波音777客機(jī)是虛擬制造技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)典產(chǎn)品。該機(jī)的設(shè)計(jì)研制包括眾多的零部件，虛擬制造技術(shù)使得所有零部件的設(shè)計(jì)和改進(jìn)全部是在由計(jì)算機(jī)組成的虛擬環(huán)境中完成，使得設(shè)計(jì)時(shí)間和難度都大幅度降低，并且提高了設(shè)計(jì)精度。在日本， 1994年日本的Matsushita公司曾經(jīng)開發(fā)出一套針對廚房個(gè)性化設(shè)置的虛擬制造系統(tǒng)，顧客利用該系統(tǒng)在虛擬環(huán)境下對自己的廚房中的各種設(shè)施進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，完成個(gè)性化設(shè)置之后計(jì)算機(jī)會(huì)將所有的信息進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)存儲(chǔ)，借由網(wǎng)絡(luò)將所有信息傳輸給異地的生產(chǎn)部門，生產(chǎn)部門根據(jù)不同的信息生產(chǎn)出顧客所需要的個(gè)性化廚房，增加企業(yè)的市場競爭力。

3.2虛擬制造技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用

國內(nèi)關(guān)于虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用還沒有形成一定的規(guī)模，廣泛使用該技術(shù)的行業(yè)偏少。對其應(yīng)用主要集中在以下兩個(gè)方面：（1）產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)：通過產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研制、性能測試、裝配及故障診斷等過程的仿真模擬在虛擬環(huán)境下不斷改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。北京機(jī)械科學(xué)研究院曾虛擬模擬現(xiàn)實(shí)立體停車庫的環(huán)境，建立數(shù)字化的虛擬模型和系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)對車庫布局進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。（2）產(chǎn)品的虛擬制造：對實(shí)際加工過程的虛擬模擬，在虛擬環(huán)境下解決實(shí)際生產(chǎn)過程中可能存在的問題，使得實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)得以合理的運(yùn)行。合肥工業(yè)大學(xué)研制的雙刀架數(shù)控機(jī)床加工過程模擬軟件，利用該軟件使得現(xiàn)場調(diào)試時(shí)間大大縮短，節(jié)約了設(shè)備調(diào)試耗時(shí)，盡快投入生產(chǎn)活動(dòng)中，并且保證刀具在對刀時(shí)能夠一次成功，減少不必要生產(chǎn)耗時(shí)從而提高生產(chǎn)效率。

目前來看，國內(nèi)對虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用還比較落后，使用該技術(shù)的工作單位和企業(yè)數(shù)量有限。即使一些使用虛擬制造技術(shù)的企業(yè)和工作單位也沒能做到效益最大化，關(guān)于虛擬制造技術(shù)的一些理論知識(shí)及部分關(guān)鍵技術(shù)仍然沒能很好地掌握，在實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)中的應(yīng)用也沒能很好地體現(xiàn)出虛擬制造的優(yōu)勢。

4.小結(jié)

以產(chǎn)品的數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，以系統(tǒng)建模和仿真技術(shù)為輔助，對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)、加工制造和性能檢驗(yàn)等過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真模擬實(shí)現(xiàn)虛擬制造，根據(jù)虛擬制造過程的分析評估結(jié)果對企業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)、市場策劃進(jìn)行優(yōu)化處理[4]。虛擬制造用產(chǎn)品的數(shù)字化模型取代實(shí)物樣機(jī)，通過對產(chǎn)品模型進(jìn)行各種動(dòng)態(tài)模擬測試從而評估產(chǎn)品性能，使得企業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)有良好地機(jī)動(dòng)性，提高企業(yè)的市場競爭力。虛擬制造作為一種世界范圍內(nèi)的先進(jìn)制造模式，制造業(yè)對其的應(yīng)用必將逐漸重視并推廣，在生產(chǎn)活動(dòng)的方方面面帶來革新。在未來的制造業(yè)中，虛擬制造必將占有重要的地位，發(fā)揮自身的巨大優(yōu)勢。（作者單位：重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院）

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