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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(lèi)，并對(duì)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(jìng)爭(zhēng)激烈的全球市場(chǎng)求得生存與發(fā)展，必須能夠更好地滿(mǎn)足市場(chǎng)所提出的T、Q、C、S要求，即要以最短的產(chǎn)品開(kāi)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(lái)贏得市場(chǎng)與用戶(hù)．面對(duì)不可預(yù)測(cè)、持續(xù)發(fā)展、快速多變的市場(chǎng)需求，企業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)必須具有高度的柔性．
為了提高競(jìng)爭(zhēng)能力，企業(yè)應(yīng)當(dāng)能夠?qū)κ袌?chǎng)需求的變化作出快速敏捷的反應(yīng)，并及時(shí)地對(duì)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(kāi)發(fā)是基于數(shù)字化的虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方式（VirtualProductDevelopment），以用戶(hù)的需求為第一驅(qū)動(dòng)，并將用戶(hù)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(kāi)發(fā)的效率和質(zhì)量，提高了企業(yè)的快速響應(yīng)和市場(chǎng)開(kāi)拓能力．
2 虛擬制造的定義及特點(diǎn)
對(duì)虛擬制造的研究還處于不斷的深入、細(xì)化之中，國(guó)際上尚沒(méi)有對(duì)其作出一個(gè)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(guò)對(duì)制造知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)化組織與分析，對(duì)整個(gè)制造過(guò)程建模，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)估和制造活動(dòng)仿真．他強(qiáng)調(diào)通過(guò)用虛擬制造模型對(duì)制造全過(guò)程進(jìn)行描述，在實(shí)際的物理制造之前就具有了對(duì)產(chǎn)品性能及其可制造性的預(yù)測(cè)能力．
LawrenceAssociates則認(rèn)為，虛擬制造是一個(gè)集成的、綜合的可運(yùn)行制造環(huán)境，其目的是提高各個(gè)層次的決策與控制．
美國(guó)Wright空軍實(shí)驗(yàn)室則對(duì)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(duì)這些技術(shù)的綜合應(yīng)用．這種綜合應(yīng)用增強(qiáng)了各個(gè)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(gè)學(xué)科領(lǐng)域，是對(duì)這些領(lǐng)域知識(shí)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(duì)制造過(guò)程中的各個(gè)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(gè)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(duì)實(shí)際制造過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬．所謂“虛擬”，是相對(duì)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(guò)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(gè)特點(diǎn)：
（1）無(wú)須制造實(shí)物樣機(jī)就可以預(yù)測(cè)產(chǎn)品性能，節(jié)約制造成本，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期．
�。�2）產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中可以及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)及時(shí)的反饋和更正．
�。�3）以軟件模擬形式進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)．
�。�4）企業(yè)管理模式基于Intranet或Internet,整個(gè)制造活動(dòng)具有高度的并行性．
3 虛擬制造的種類(lèi)
廣義的制造過(guò)程不僅包括了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)加工、裝配，還包含了對(duì)企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的組織與控制．從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，可以把虛擬制造劃分為三類(lèi)：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(duì)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(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)方面的分析和可裝配性分析，以獲得對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)評(píng)估與性能預(yù)測(cè)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(duì)企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行仿真，對(duì)不同的加工過(guò)程及其組合進(jìn)行優(yōu)化．它對(duì)產(chǎn)品的“可生產(chǎn)性”進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，對(duì)制造資源和環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化組合，通過(guò)提供精確的生產(chǎn)成本信息對(duì)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(guò)程的虛擬環(huán)境，使企業(yè)在考慮車(chē)間控制行為的基礎(chǔ)上對(duì)制造過(guò)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(guò)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(gè)重要的實(shí)現(xiàn)手段，通過(guò)對(duì)制造過(guò)程進(jìn)行統(tǒng)一建模，用仿真支持設(shè)計(jì)過(guò)程、模擬制造過(guò)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(guó)家，如美國(guó)、德國(guó)、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(guó)處于國(guó)際研究的前沿．福特汽車(chē)公司和克萊斯勒汽車(chē)公司在新型汽車(chē)的開(kāi)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(shí)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(wú)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�(gè)里程碑．
在我國(guó)，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(kāi)展了這一領(lǐng)域的研究工作．當(dāng)前我國(guó)虛擬制造應(yīng)用的重點(diǎn)研究方向是基于我國(guó)國(guó)情，進(jìn)行產(chǎn)品的三維虛擬設(shè)計(jì)、加工過(guò)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(cè)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的最終性能和可制造性．在對(duì)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(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬，并對(duì)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(guò)對(duì)模型的模擬測(cè)試進(jìn)行產(chǎn)品評(píng)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(chǎng)反應(yīng)能力，因而市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(huì)不斷擴(kuò)大，給更多的企業(yè)帶來(lái)更大的收益．
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