虛擬制造的應(yīng)用與現(xiàn)狀分析

李京儒 李海宏

(西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100)

1 虛擬制造技術(shù)

虛擬制造技術(shù)是一種在很大程度上區(qū)別于現(xiàn)實(shí)制造的制造技術(shù)，虛擬制造是利用計(jì)算機(jī)，輔助現(xiàn)實(shí)制造的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，是多學(xué)科交叉形成的一種新的系統(tǒng)技術(shù)，虛擬制造作為一種比較先進(jìn)的加工制造技術(shù)，已經(jīng)成為了代替現(xiàn)實(shí)制造進(jìn)行分析和研究的工具，它相對(duì)于傳統(tǒng)制造業(yè)的最顯著特點(diǎn)就是虛擬制造是在計(jì)算機(jī)上虛擬進(jìn)行的，沒(méi)有實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)，不消耗原料和能量，大大地減少了浪費(fèi)[1]。

2 虛擬制造應(yīng)用分類

2.1 以設(shè)計(jì)為中心的虛擬制造

以設(shè)計(jì)為中心的虛擬制造就是在設(shè)計(jì)階段就預(yù)先提供產(chǎn)品的制造信息，比如產(chǎn)品外形、顏色、材料，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)建模、仿真，從而不斷優(yōu)化，使產(chǎn)品不斷符合使用要求，最后可以在計(jì)算機(jī)上生產(chǎn)“軟樣機(jī)”，相對(duì)于傳統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)制造的樣機(jī)，極大地降低了成本，節(jié)省大量資金，也縮短了試驗(yàn)成本，提高了效率。特別是隨著計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展，這種利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)前的改進(jìn)方式，也不再僅限于大工廠、大車間的大宗產(chǎn)品設(shè)計(jì)，現(xiàn)如今的高校師生也可以利用許多軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，特別是工科專業(yè)，在參與科研項(xiàng)目、科創(chuàng)比賽時(shí)，可利用虛擬設(shè)計(jì)，改進(jìn)優(yōu)化某些零部件設(shè)計(jì)，再制造出滿足使用要求的零件，節(jié)省時(shí)間，節(jié)約成本。

2.2 以生產(chǎn)為中心的虛擬制造

以生產(chǎn)為中心的虛擬制造就是將仿真能力用于制造過(guò)程模型，用來(lái)評(píng)價(jià)不同的工藝方案;用于資源需求規(guī)劃、生產(chǎn)計(jì)劃的產(chǎn)生及評(píng)價(jià)的環(huán)境。其中，最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以在很大程度上優(yōu)化工藝方案，從而確定最好的生產(chǎn)流程，獲得最佳的產(chǎn)品質(zhì)量。對(duì)于已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的產(chǎn)品，在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)不同工藝方案對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響極大，生產(chǎn)步驟的順序變化可能使產(chǎn)品的性能，承載能力發(fā)生毀滅性地破壞，利用虛擬制造極大地降低了企業(yè)要承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)[2]。

2.3 以控制為核心的虛擬制造

以控制為核心的虛擬制造是指將仿真能力增加到模型中，以便提供對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程造成影響的環(huán)境，如人工、場(chǎng)地因素，目的是評(píng)估改進(jìn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及與生產(chǎn)過(guò)程相關(guān)的活動(dòng)，使生產(chǎn)過(guò)程在生產(chǎn)周期內(nèi)不斷優(yōu)化，改進(jìn)制造系統(tǒng)。

3 虛擬制造應(yīng)用實(shí)例

3.1 在汽車生產(chǎn)制造中的應(yīng)用

汽車是現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)生活中不可缺少的一種交通運(yùn)輸工具，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，汽車生產(chǎn)日益成熟。汽車以及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)體量巨大，是世界經(jīng)濟(jì)的重要組成部分。特別是21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，且人口基數(shù)大，對(duì)于汽車有著巨大的需求量。近年來(lái)，我國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，技術(shù)不斷革新，產(chǎn)能不斷增大，但相對(duì)來(lái)說(shuō)，我國(guó)汽車工業(yè)起步晚，與國(guó)外汽車企業(yè)相比，技術(shù)差距仍然很大，如何縮小差距，從而在激烈的競(jìng)爭(zhēng)之中占據(jù)有利位置，獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益，成為了國(guó)內(nèi)車企面臨的重大問(wèn)題[3]。

汽車裝配是汽車制造過(guò)程的關(guān)鍵性步驟，如何設(shè)計(jì)最優(yōu)化的裝配流水線是個(gè)大問(wèn)題，對(duì)于設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，一條裝配流水線的設(shè)計(jì)需要考慮諸多因素，場(chǎng)地、資金、人員、時(shí)間，這些因素都會(huì)影響設(shè)計(jì)者思路，而使用虛擬制造技術(shù)進(jìn)行仿真模擬，可以在很大程度上降低這些客觀因素的影響。除此之外，汽車質(zhì)量好壞關(guān)乎使用者的生命安全，所以在上市銷售之前，需要進(jìn)行產(chǎn)品檢驗(yàn)，這也為檢驗(yàn)人員帶來(lái)了巨大隱患，然而通過(guò)虛擬制造技術(shù)，可以大大降低風(fēng)險(xiǎn)，也可以提高檢測(cè)效率，排除不合理設(shè)計(jì)。

3.2 在飛行器生產(chǎn)制造中的應(yīng)用

飛行器制造屬于尖端技術(shù)，其設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)過(guò)程十分復(fù)雜，且成本高昂，存在很多難題，特別是最終成品檢驗(yàn)，往往會(huì)付出巨大的代價(jià)，飛行器設(shè)計(jì)人員一直在思考如何安全、高效、低成本地實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造過(guò)程。以往的飛行器設(shè)計(jì)者，常常用塑料制作模型，取代實(shí)體樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，而這種方式會(huì)對(duì)測(cè)試過(guò)程造成很大困難，測(cè)試結(jié)果可能會(huì)有巨大偏差。而虛擬制造技術(shù)可以模擬飛行器設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，幾乎可以取代實(shí)體模型，完成整個(gè)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程[4]。

相對(duì)來(lái)說(shuō)，以美國(guó)為首的西方國(guó)家較早地將虛擬制造技術(shù)用于飛行器研制。美國(guó)波音公司，在波音777飛機(jī)的研制中，就曾經(jīng)首次使用了無(wú)紙?jiān)O(shè)計(jì)技術(shù)，大大節(jié)省了研制時(shí)間，大大降低了研制成本，產(chǎn)品質(zhì)量相對(duì)于傳統(tǒng)制造技術(shù)得到了很大提高，得到了業(yè)內(nèi)高度評(píng)價(jià)。將此次設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)研制方式對(duì)比，得到的數(shù)據(jù)上的差距令人驚訝。返工率降低了至少50%，裝配時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題同樣減少了50%以上。

3.3 在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

虛擬制造除了在一些具體的產(chǎn)品制造過(guò)程中運(yùn)用，也可以對(duì)于機(jī)械加工生產(chǎn)過(guò)程中的某一環(huán)節(jié)進(jìn)行研究測(cè)試，國(guó)外某個(gè)實(shí)驗(yàn)中，曾經(jīng)采用虛擬制造技術(shù)對(duì)焊接T形接頭進(jìn)行了變形分析，通過(guò)2種不同的非線性三維有限元虛擬機(jī)系統(tǒng)，可以為焊接過(guò)程提供非常清晰的模擬步驟，對(duì)焊接的具體實(shí)施具有很大的參考意義。

虛擬制造也是企業(yè)進(jìn)行員工培訓(xùn)的一種工具。對(duì)于制造業(yè)來(lái)說(shuō)，裝配是非常重要的一步，所以企業(yè)需要花費(fèi)大量的時(shí)間和金錢用于員工工作前的實(shí)地培訓(xùn)。因此，利用虛擬制造為員工提供一個(gè)平臺(tái)，相對(duì)于枯燥的講解，更加真實(shí)高效。一項(xiàng)研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)培訓(xùn)方式的參與者相比，“虛擬培訓(xùn)”的參與者在實(shí)際工作過(guò)程中犯的錯(cuò)誤較少，花費(fèi)的時(shí)間也相對(duì)更少[5]。

4 虛擬制造發(fā)展現(xiàn)狀

在西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，虛擬制造技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于許多領(lǐng)域，相對(duì)來(lái)說(shuō)，我國(guó)虛擬技術(shù)發(fā)展起步晚，與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距依舊很大。面對(duì)這種狀況，應(yīng)出臺(tái)相關(guān)政策，促進(jìn)高等院校、研究機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)企業(yè)的互助合作，立足于企業(yè)需求，促進(jìn)良性循環(huán)，加快科研成果轉(zhuǎn)化，做到產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合。綜上所述，我國(guó)虛擬制造產(chǎn)業(yè)相對(duì)落后，但發(fā)展空間巨大，市場(chǎng)廣闊，只要集中科研力量，突破關(guān)鍵技術(shù)，我國(guó)虛擬制造產(chǎn)業(yè)就能得到長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。