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虛擬制造技術(shù)的相關(guān)概念及其應(yīng)用
摘要：闡述了虛擬制造產(chǎn)生的背景、定義、特點(diǎn)和分類，并對它的應(yīng)用和前景作了探討．關(guān)鍵詞：虛擬制造；先進(jìn)制造模式；數(shù)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(chǎn)品開發(fā)周期(Time)，最優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品質(zhì)量（Quality），最低廉的制造成本（Cost）和最好的技術(shù)支持與售后服務(wù)（Service）來贏得市場與用戶．面對不可預(yù)測、持續(xù)發(fā)展、快速多變的市場需求，企業(yè)的生產(chǎn)活動必須具有高度的柔性．
為了提高競爭能力，企業(yè)應(yīng)當(dāng)能夠?qū)κ袌鲂枨蟮淖兓鞒隹焖倜艚莸姆磻?yīng)，并及時地對自身的生產(chǎn)作出合理的調(diào)整與重新規(guī)劃．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．基于這些因素，90年代中有許多新概念、新觀點(diǎn)應(yīng)運(yùn)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(chǎn)品開發(fā)是基于數(shù)字化的虛擬產(chǎn)品開發(fā)方式（VirtualProductDevelopment），以用戶的需求為第一驅(qū)動，并將用戶需求轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品的各種功能特征．VPD保證了產(chǎn)品開發(fā)的效率和質(zhì)量，提高了企業(yè)的快速響應(yīng)和市場開拓能力．
2 虛擬制造的定義及特點(diǎn)
對虛擬制造的研究還處于不斷的深入、細(xì)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(diǎn)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(jìn)行系統(tǒng)化組織與分析，對整個制造過程建模，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行設(shè)計(jì)評估和制造活動仿真．他強(qiáng)調(diào)通過用虛擬制造模型對制造全過程進(jìn)行描述，在實(shí)際的物理制造之前就具有了對產(chǎn)品性能及其可制造性的預(yù)測能力．
LawrenceAssociates則認(rèn)為，虛擬制造是一個集成的、綜合的可運(yùn)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(shí)驗(yàn)室則對虛擬制造作出了如下定義：虛擬制造建立在計(jì)算機(jī)建模、分析和仿真技術(shù)的基礎(chǔ)之上，它是對這些技術(shù)的綜合應(yīng)用．這種綜合應(yīng)用增強(qiáng)了各個層次的設(shè)計(jì)制造、生產(chǎn)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(xué)科領(lǐng)域，是對這些領(lǐng)域知識的綜合集成與應(yīng)用．計(jì)算機(jī)仿真、建模和優(yōu)化技術(shù)是虛擬制造的核心與關(guān)鍵技術(shù)．可以認(rèn)為，虛擬制造是對制造過程中的各個環(huán)節(jié)，包括產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、加工、裝配，乃至企業(yè)的生產(chǎn)組織管理與調(diào)度進(jìn)行統(tǒng)一建模，形成一個可運(yùn)行的虛擬制造環(huán)境，以軟件技術(shù)為支撐，借助于高性能的硬件，在計(jì)算機(jī)局域/廣域網(wǎng)絡(luò)上，生成數(shù)字化產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、性能分析、工藝決策、制造裝配和質(zhì)量檢驗(yàn)。它是數(shù)字化形式的廣義制造系統(tǒng)，是對實(shí)際制造過程的動態(tài)模擬．所謂“虛擬”，是相對于實(shí)物產(chǎn)品的實(shí)際制造系統(tǒng)而言的，強(qiáng)調(diào)的是制造系統(tǒng)運(yùn)行過程的計(jì)算機(jī)化．
由于計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，虛擬制造具有以下幾個特點(diǎn)：
�。�1）無須制造實(shí)物樣機(jī)就可以預(yù)測產(chǎn)品性能，節(jié)約制造成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期．
�。�2）產(chǎn)品開發(fā)中可以及早發(fā)現(xiàn)問題，實(shí)現(xiàn)及時的反饋和更正．
�。�3）以軟件模擬形式進(jìn)行產(chǎn)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(chǎn)品的設(shè)計(jì)加工、裝配，還包含了對企業(yè)生產(chǎn)活動的組織與控制．從這個觀點(diǎn)出發(fā)，可以把虛擬制造劃分為三類：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．
3.1 以設(shè)計(jì)為中心的虛擬制造
以設(shè)計(jì)為中心的虛擬制造強(qiáng)調(diào)以統(tǒng)一制造信息模型為基礎(chǔ)，對數(shù)字化產(chǎn)品模型進(jìn)行仿真與分析、優(yōu)化，進(jìn)行產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、熱力學(xué)方面的分析和可裝配性分析，以獲得對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)評估與性能預(yù)測結(jié)果．
3.2 以生產(chǎn)為中心的虛擬制造
以生產(chǎn)為中心的虛擬制造是在企業(yè)資源的約束條件下，對企業(yè)的生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真，對不同的加工過程及其組合進(jìn)行優(yōu)化．它對產(chǎn)品的“可生產(chǎn)性”進(jìn)行分析與評價，對制造資源和環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化組合，通過提供精確的生產(chǎn)成本信息對生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度進(jìn)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(shù)引入控制模型，提供模擬實(shí)際生產(chǎn)過程的虛擬環(huán)境，使企業(yè)在考慮車間控制行為的基礎(chǔ)上對制造過程進(jìn)行優(yōu)化控制．以上三種虛擬制造分別側(cè)重于制造過程的不同方面．但它們都以計(jì)算機(jī)建模、仿真技術(shù)為一個重要的實(shí)現(xiàn)手段，通過對制造過程進(jìn)行統(tǒng)一建模，用仿真支持設(shè)計(jì)過程、模擬制造過程，進(jìn)行成本估算和生產(chǎn)調(diào)度．
4 虛擬制造的應(yīng)用
虛擬制造在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，如美國、德國、日本等已得到了不同程度的研究和應(yīng)用。在這一領(lǐng)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(yīng)用了虛擬制造技術(shù)，大大縮短了產(chǎn)品的發(fā)布時間。波音公司設(shè)計(jì)的777型大型客機(jī)是世界上首架以三維無紙化方式設(shè)計(jì)出的飛機(jī)．它的設(shè)計(jì)成功已經(jīng)成為虛擬制造從理論研究轉(zhuǎn)向?qū)嵱没囊粋�里程碑．
在我國，清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等科研教學(xué)單位也已經(jīng)開展了這一領(lǐng)域的研究工作．當(dāng)前我國虛擬制造應(yīng)用的重點(diǎn)研究方向是基于我國國情，進(jìn)行產(chǎn)品的三維虛擬設(shè)計(jì)、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(jī)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段能夠以較高的置信度預(yù)測所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的最終性能和可制造性．在對產(chǎn)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(jī)床、微電子等領(lǐng)域，隨著研究的不斷深入和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，虛擬制造必將得到日益廣泛的應(yīng)用．
5 結(jié)論
基于產(chǎn)品的數(shù)字化模型，應(yīng)用先進(jìn)的系統(tǒng)建模和仿真優(yōu)化技術(shù)，虛擬制造實(shí)現(xiàn)了從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、加工、制造到檢驗(yàn)全過程的動態(tài)模擬，并對企業(yè)的運(yùn)作進(jìn)行了合理的決策與最優(yōu)控制．虛擬制造以產(chǎn)品的“軟”模型（SoftPrototype）取代了實(shí)物樣機(jī)，通過對模型的模擬測試進(jìn)行產(chǎn)品評估，能夠以較低的生產(chǎn)成本獲得較高的設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品的發(fā)布周期，提高了企業(yè)生產(chǎn)效率．企業(yè)的生產(chǎn)因?yàn)樘摂M制造技術(shù)的應(yīng)用而具有了高度的柔性化和快速的市場反應(yīng)能力，因而市場競爭能力大大增強(qiáng)．作為一種先進(jìn)的制造模式，虛擬制造的應(yīng)用范圍必然會不斷擴(kuò)大，給更多的企業(yè)帶來更大的收益．
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