虚拟制造技术研究概况综述

　　引言 

　　从当今国际政治、经济形势来看，和平与发展成为当今时代的主题，经济全球化、贸易自由化和社会信息化的潮流正滚滚而来。在新的形势下，制造业的经营战略发生了很大变化，在30～60年代企业追求的是规模效益，如：美国福特汽车公司、通用汽车公司相继采用刚性流水线进行大批量生产；70年代更加重视降低生产成本，如：日本丰田公司采用准时化生产；80年代提高产品质量成为主要目标；进入90年代新产品开发及交货期成为竞争的焦点。由此产生了多种多样的制造哲理，如：精益生产、并行工程、敏捷制造和虚拟制造等，它们各有侧重，从不同角度研究如何增强企业的竞争力。虚拟制造技术是制造技术与仿真技术相结合的产物，本文对其作一简要介绍和分析。 

　　1、虚拟制造技术 

　　虚拟现实(Virtual Reality)技术是使用感官组织仿真设备和真实或虚幻环境的动态模型生成或创造出人能够感知的环境或现实，使人能够凭借直觉作用于计算机产生的三维仿真模型的虚拟环境。基于虚拟现实技术的虚拟制造(Virtual Manufacturing)技术是在一个统一模型之下对设计和制造等过程进行集成，它将与产品制造相关的各种过程与技术集成在三维的、动态的仿真真实过程的实体数字模型之上。其目的是在产品设计阶段，借助建模与仿真技术及时地、并行地、模拟出产品未来制造过程乃至产品全生命周期的各种活动对产品设计的影响，预测、检测、评价产品性能和产品的可制造性等等。从而更加有效的、经济的、柔性的组织生产，增强决策与控制水平，有力地降低由于前期设计给后期制造带来的回溯更改，达到产品的开发周期和成本最小化、产品设计质量的最优化、生产效率的最大化。虚拟制造也可以对想象中的制造活动进行仿真，它不消耗现实资源和能量，所进行的过程是虚拟过程，所生产的产品也是虚拟的。虚拟制造技术的应用将会对未来制造业的发展产生深远影响，它的重大作用主要表现为： 

　　1）运用软件对制造系统中的五大要素(人、组织管理、物流、信息流、能量流)进行全面仿真，使之达到了前所未有的高度集成，为先进制造技术的进一步发展提供了更广大的空间，同时也推动了相关技术的不断发展和进步。

　　2）可加深人们对生产过程和制造系统的认识和理解，有利于对其进行理论升华，更好地指导实际生产，即对生产过程、制造系统整体进行优化配置，推动生产力的巨大跃升。 

　　3）在虚拟制造与现实制造的相互影响和作用过程中，可以全面改进企业的组织管理工作，而且对正确作出决策有不可估量的影响。例如：可以对生产计划、交货期、生产产量等作出预测，及时发现问题并改进现实制造过程。 

　　4）虚拟制造技术的应用将加快企业人才的培养速度。我们都知道模拟驾驶室对驾驶员、飞行员的培养起到了良好作用，虚拟制造也会产生类似的作用。例如：可以对生产人员进行操作训练、异常工艺的应急处理等。 

　　虚拟制造技术的广泛应用将从根本上改变现行的制造模式，对相关行业也将产生巨大影响，可以说虚拟制造技术决定着企业的未来，也决定着制造业在竞争中能否立于不败之地。

　　2. 虚拟制造技术的研究内容及关键技术

　　虚拟制造技术的研究内容是极为广泛的，除了虚拟现实技术涉及的共同性技术外，虚拟制造领域本身的主要研究内容有：虚拟制造的理论体系；设计信息和生产过程的三维可视化；虚拟环境下系统全局最优决策理论和技术；虚拟制造系统的开放式体系结构；虚拟产品的装配仿真；虚拟环境中及虚拟制造过程中的人机协同作业等。一般来说，虚拟制造的研究都与特定的应用环境和对象相联系，由于应用的不同要求而存在不同的侧重点，因此出现了三个流派，即以设计为中心的虚拟制造、以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造。具体说明如下： 

　　1）以设计为中心的虚拟制造是通过增加制造信息到集成产品开发过程中并在计算机中仿真多种制造方案，为设计者提供一个设计产品和评估产品可制造性的环境。 

　　2）以生产为中心的虚拟制造是通过增加仿真能力到生产过程模型，达到方便和快捷地评价多种加工过程的目的。它为工艺计划和生产计划的生成、工艺资源的要求以及对这些计划的评价提供了一个环境。 

　　3）以控制为中心的虚拟制造是通过增加仿真到控制模型和实际的生产过程，模拟实际的车间生产，评估车间生产活动，达到优化制造过程的目的。

　　虚拟制造技术是多学科综合的系统技术，需要研究开发相应的硬件集成系统与软件，就软件技术而言，相关的研究支持如下： 

　　可视化：真实、直观地再现主观产品与客观制造过程； 

　　基本环境：增强可视化和其它虚拟制造功能的集成系统平台； 

　　信息描述：表达各种信息，包括数据、知识和模型的统一的方法、语义、语法； 

　　中介模型：构造、定义、开发对过程易于中断介入的模型； 

　　基层集成组织结构：硬件与软件的基层组织结构； 

　　仿真模型：在计算机系统中设计的真实系统模型；  

　　应用方法：产品多样性与过程动态性的共同特征的抽象提取； 

　　制造特征：各种材料在虚拟制造环境中的变化过程； 

　　虚拟制造系统评价：可制造性、工艺性、可靠性、经济性、质量、工期等等。 

　　与硬件相关的技术有： 

　　输入、输出设备：基于CRT和LCD的头盔显示器(HMD)、普通计算机显示器、投影系统、可视化眼镜、数据手套、数据背心、蹋滚、摇杆、触垫、耳机和音响系统等；

　　信息采集、存储设备； 

　　能支持各种设备、数据存储和高速运算的计算机系统； 

　　网络体系结构（星型、环型、总线型）、通讯硬件等。 

　　以上技术仍处于发展完善之中，相比之下软件的发展落后于硬件的发展。 

　　虚拟制造系统是各制造功能的虚拟集成，其关键技术主要包括： 

　　虚拟环境下的产品主模型技术：主模型是一个核心，能以此为中心通向设计、制造和生产管理等各个环节并为其提供服务。主模型具有统一的数据结构和分布式数据管理系统，它是一个可视化的数字产品模型，具有所代表的对象所具有的各种性能和特征，并能并行地处理设计分析、加工制造、生产组织与调度等各种生产环节所面临的诸多问题。

　　综合可视化技术：主要包括计算机可视化技术、虚拟现实技术、多媒体技术和仿真技术。 

　　现实制造系统与虚拟制造系统之间的映射，虚拟设备、虚拟传感器、虚拟单元、虚拟生产线、虚拟车间、和虚拟工厂的建立，以及各种虚拟设备的重用性和重组性技术。 

　　虚拟制造系统集成开发平台的体系结构、构件库及用户开发环境。 

　　虚拟环境下分布式并行处理的分布式智能协同求解模型。

　　虚拟公司的组织、调度及控制策略与技术。 

　　3. 虚拟制造技术国内外研究概况简介 

　　由于虚拟制造技术具有诱人的应用前景，促使发达国家对其进行深入研究。在美国已形成了由政府、产业界、大学组成的多层次、多方位的综合研究开发力量。由政府支持的研究项目主要有： 

　　TEAM(Technologies Enabling Agile Manufacturing ,Dept. of Energy) 

　　NAMT(National Advanced Manufacturing Testbed) 

　　SIMA(Advanced Manufacturing Systems and networking Testbed) 

　　NIIIP(National Industrial Information Infrastructure Protocols ,NIST) 

　　MAVE(the Metrices for the Agile Virtual Enterprise ,DARPA) 

　　The JAST(Joint Advanced Strike Technology) 

　　Fast Track Program(US Air Force) 

　　在欧洲，许多大学和研究机构通过相互间的合作并联合企业进行虚拟制造技术的研究工作，例如：由Bath大学进行的A virtual workshop for Design by Manufacturing研究，由Herriot-Watt大学进行的Virtual Manufacturing Group研究等。在日本，已经形成了以大阪大学为中心的研究开发力量，主要进行虚拟制造系统的建模和仿真技术的研究，并开发出了虚拟工厂的构造环境VirtualWorks。

　　目前，虚拟制造技术已经在国外有所应用，例如：美国波音公司设计的一架VS-X虚拟飞机，可用头盔显示器和数据手套进行观察与控制，使飞机设计人员身临其境地观察飞机设计的结果，并对其外观、内部结构及使用性能进行考察；日本Matsushita公司开发的虚拟厨房设备制造系统，允许消费者在购买商品前，在虚拟的厨房环境中体验不同设备的功能，按自己的喜好评价、选择和重组这些设备，他们的选择将被存储并通过网络送至生产部门进行生产；美国Coventry School of Art and Design开发的虚拟原型制作系统，设计者在设计的初始阶段能够在计算机中构造虚拟原型并对此原型进行评价。 

　　国内的研究刚刚起步，主要集中在三个方面： 

　　产品虚拟设计技术： 

　　主要包括虚拟产品开发平台、虚拟测试、虚拟装配以及机床、模具的虚拟设计实现等。其中清华大学利用美国国家仪器公司的Labview开发平台实现了锁相电路的虚拟，北京机械科学研究院采用C语言和OpenGL进行编程初步实现了立体停车库的虚拟现实下的参数化设计，可以直观地进行车库的布局、设计、分析和运动模拟。 

　　产品虚拟制造技术 

　　主要包括材料热加工工艺模拟、加工过程仿真、板材成型模拟、模具制造仿真等。北航与一汽用OPTRIS开发的板料成型软件已经基本能够模拟类似车门的中等复杂程度的汽车覆盖件和其他冲压成型件的冲压成型过程；沈阳铸造研究所开发的电渣熔铸工艺模拟软件包ESRD3D已经应用于水轮发电机变曲面过流部件生产中，其产品在刘家峡、李家峡、天生桥、太平役等7个电站中使用；合肥工业大学研制的双刀架数控车床加工过程模拟软件已经在马鞍山钢铁股份有限公司车轮轮箍厂应用，使数控程序现场调试时间由几个班缩短到几小时，并保证一次试切成功；北京机床研究所、机械科学研究院、东北大学、上海交大和长沙铁道学院等单位也研制出一些这方面的仿真软件。

　　虚拟制造系统 

　　主要包括虚拟制造技术的体系结构、技术支持、开发策略等。其中提出了比较成熟的思想并可能实现的是由上海同济大学张曙教授提出的分散网络化生产系统和西安交通大学谢友柏院士组建的异地网络化研究中心。 

　　4. 结束语 

　　虚拟制造是虚拟现实技术和计算机仿真技术在制造领域的综合发展及应用，是敏捷制造的核心技术，它的研究在我国刚刚起步，其内涵和研究内容在学术界还不存在统一的看法，本文对它的介绍只能是不全面的，希望能够为我国虚拟制造的发展起到一点抛砖引玉的作用。

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