浅谈虚拟制造技术的研究及应用.docx

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浅谈虚拟制造技术的研究及应用

摘要：

虚拟制造技术是在激烈的市场环境下所产生的应对措施之一，同时也是信息技术与制造科学相结合的产物。

本文主要介绍了虚拟技术的定义、分类和支撑技术，归纳总结虚拟制造技术目前的研究和应用现状，并对虚拟制造的应用前景及发展方向进行展望。

关键字：

虚拟制造；支撑技术；研究；应用

1引言

随着科学技术的飞速发展和顾客需求的日益多样化，现代制造业面临全球范围的激烈竞争。

虚拟制造作为新出现的技术，它能够在产品设计开发的各个阶段把握产品制造过程的实况，找出各个阶段可能出现的问题，有效地协调设计与制造环节的关系，以寻求企业的最有效益。

从而能够降低了研发周期和研发资本，能够快速响应市场，适应现代制造业对产品T（time）、Q（quality）、C（cost）、S（service）、E（environment）的要求，极大地促进了敏捷制造的发展，推动了制造业的数字化、网络化、智能化。

2虚拟制造技术的定义

虚拟制造技术（virtualmanufacturing,VM）是使用计算机模型和制造过程的仿真，以辅助被制造产品的设计与生产。

包括从生产开始就实时地、并行地对产品结构、工作性能、工艺流程、装配调试、作业计划、物流管理、资源调配及成本核算等一切生产活动进行仿真，检查产品的可加工性和设计的合理性，预测其制造周期和使用性能，以便及时修改设计，更有效地灵活组织生产。

虚拟制造可以缩短产品的研制周期、获得最佳的产品质量、最低的成本和最短的开发周期。

虚拟制造，顾名思义，是一种不同于现实制造的制造技术。

它不生产真实产品，基本不消耗材料和能量，而是利用制造对象、制造资源和制造工程的模型来展现“制造”的本质过程。

虚拟制造技术是多种计算机辅助技术面向产品全生命周期的集成化综合应用。

它不是对已有各单项技术的简单组合，而是对制造知识进行系统化组织，对产品对象、制造资源和制造活动进行全面建模。

由于计算机软硬件技术和网络技术的广泛应用，虚拟制造具有以下几个特点：

⑴无须制造实物样机就可以预测产品性能，节约制造成本，缩短产品开发周期。

⑵产品开发中可与及早发现问题，现实及时的反馈和更正;

⑶以软件模拟形式进行产品开发；

⑷企业管理模式基于Intranet或Internet,整个制造活动具有高度的并行性。

3虚拟制造的种类

按照与生产各个阶段的关系，虚拟制造可分为成为三类。

即以设计为核心的虚拟制造，以生产为核心的虚拟制造和以控制为核心的虚拟制造。

“以设计为核心的虚拟制造”是将制造信息加入到产品设计与工艺设计过程中，在计算机中生成制造过程原型，对多种制造方案进行仿真，对数字化产品模型的性能、可制造性、可装配性、成本等进行分析，优化产品设计和工艺设计，以期尽早发现产品设计及工艺过程存在的问题。

“以生产为核心的虚拟制造”是将仿真信息加入到生产计划模型中，以便快速便捷的评价多种生产计划，优化生产计划和制造环境的配置。

主要是根据企业现有资源对不同的加工过程进行评估优化，决定合理的生产组织方式。

“以控制为核心的虚拟制造”是将仿真能力加入设备控制模型中，提供实际生产过程中的虚拟环境，是企业在考虑车间控制行为的基础上对控制过程进行优化控制。

以上三种虚拟制造分别侧重于制造过程的不同方面。

但它们都以计算机建模，仿真技术为一个重要的实现手段，通过对制造过程进行统一建模，用仿真支持设计过程、模拟制造过程，进行成本估算和生产调度。

通过在制造过程的物理实现之前预测产品性能和制造过程的细节，并通过及时的信息反馈来修改产品模型以达到整体最优，从而可以降低企业成本，增强企业竞争力。

具体说来实施虚拟制造有以下反面的收益：

⑴缩短产品开发周期。

传统制造遵循设计----试制----修改设计----规模化大生产的串行式结构，只是在试制出产品后才进行产品信息反馈，决定是否要修改设计。

而在虚拟制造中，可以随时在设计过程中检验可制造性和可装配性，方便的修改模型，信息反馈更为及时。

⑵提高产品质量。

虚拟制造过程通过多种制造方案进行仿真，优化产品设计和工艺设计，弥补了传统制造业靠经验决定加工方案的不足，提高了产品质量。

⑶降低了资源消耗。

由于虚拟制造在计算机中进行，并不消耗实际生产所需的物理材料，减少了材料浪费和刀具磨损。

⑷提高企业柔性生产能力，增强企业决策准确性。

决策者可以在虚拟制造中了解产品性能、制造成本、生产进度等信息、有助于决策者把握利润与风险之间的平衡。

4虚拟制造的支撑技术

虚拟制造技术是在虚拟环境下对计算机数据模型进行模拟分析的一项计算机辅助设计技术。

它是以CAX/DFX等计算机辅助软件为基础，集成和综合了可运行机械制造的环境，进行建模、仿真及优化设计，最终通过数据可视化和虚拟现实技术来完成将计算机虚拟制造过程。

（1）CAX／DFX技术

CAX技术主要是指一系列的计算机辅助技术，如CAD、CAM、CAE、CAPP等。

．DFX技术主要强调产品设计中尽早地考虑其下游的制造、装配、检测、维修等各个方面的需要而形成的一系列技术，如DFM（可制造性设计）、DFA（可装配性设计）、DFT（可检测性设计）、DFM（可维修性设计）、DFO（可操作性设计）。

（2）建模、仿真、优化技术

a．建模

虚拟制造系统应当建立一个健壮的信息体系结构，包括产品模型、生产系统模型等VM环境下的信息模型。

b．仿真

建立系统的模型，然后在模型上进行试验这一过程称为系统仿真。

根据模型的种类不同，系统仿真可以分成物理仿真、模型仿真、物理---数学仿真（半实物仿真）、数学仿真（计算机仿真）和基于图形工作站的三维可视交互仿真等从实物到计算机仿真的五个阶段。

计算机仿真技术是以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。

c．优化技术

优化技术是一种以数学为基础，用于求解各种工程问题优化解的应用技术，涉及工程问题的形式化描述、数学模型的定义及优化求解算法的创建和选用三大关键问题。

（3）数据可视化与虚拟现实技术

a．数据可视化技术现代数据可视化（datavisualization）技术是指运用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。

近年来，随着网络技术与电子商务的发展，提出厂信息可视化（informationvisualization）的要求，通过数据可视化技术，发现大量金融、通信和商业数据中隐含的规律，为决策提供依据。

数据可视化技术的主要特点是：

①交互性：

用户可以方便地以交互的方式管理和开发数据；②多维性。

可以看到表示对象或事件的数据的多个属性或变量，而数据可以按其每一维的值，将其分类、排序、组合和显示；③可视性。

数据可以用图像、曲线，二维图形、三维体和动画来显示，并可对其模式和相互关系进行可视化分析。

b．虚拟现实技术

是从20世纪80年代末诞生的面向21世纪的关键技术之一，它以检测技术、控制理论、电子通讯、信息处理以及机械工程等多学科理论为基础，综合了计算机科学、多媒体技术、图像处理、人工智能和神经网络、生理学、心理物理学，以及认知科学等的最新研究成果，创造性地把人类引向了一个全新的四维世界。

所谓虚拟现实技术，就是由计算机直接把视觉、听觉和触觉等多种信息合成，并提示给人的感觉器官，在人的周围生成一个三维的虚拟环境，从而把人、现实世界和虚拟空间融为一体，相互间进行信息的交流与反馈、虚拟现实技术或由它构筑的系统，最重要的特征在于临境感、交互性和构想性，即虚拟现实的三要素：

①临境感，即身临其境的感觉；②交互性，即人和虚拟世界的信息交流，人和现实之间具有超过单纯临境感的动态关系；③构想性，即能使人在临境环境中产生新的灵感和构想。

5虚拟制造的研究和应用现状

虚拟制造在工业发达国家，如美国、德国、日本等已得到了不同程度的研究和应用。

如福特和克莱斯勒公司与IBM公司合作开发虚拟制造环境用于新型车的研制；通用电动机车部建成第一个完全数字化的机车虚拟样机模型；日本日产汽车公司开发整车虚拟仿真分析、数字样机及物理样机的生产；法国雷诺汽车公司虚拟工厂；在飞机制造方面，最典型的事例是波音777虚拟设计，波音飞机公司采用虚拟样机技术在计算机上建立了波音777飞机的最终模型，实现了整机设计、整机装配、部件测试等虚拟开发活动，使产品开发周期从八年缩短至五年；欧洲空中客车采用虚拟制造及仿真技术开展空中客车试制；波音--西科斯基公司使用虚拟样机与仿真技术设计制造RAH—66直升机；在机床制造方面，美国GIDDING＆LEWIS机床制造公司的精密机床在线仿真控制研究及环境。

在我国，国内有很多高校向清华大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等科研教学单位已经开展了这一领域的研究工作并取得了一定的成果。

例如华中科技大学研究大洋采矿补偿平台串并联机构的运动方案时所采用的虚拟制造方法，对新提出的大洋采矿平台进行了分析、计算，不仅从结构上确定了尺寸规格，而且证实了改补偿平台的运动可行性。

当前我国虚拟制造应用的重点研究方向是基于我国的基本国清，进行产品的三维虚拟设计、加工过程仿真和产品装配仿真，主要是研究如何生成可信度高的产品虚拟样机，在产品的最终性能和可制造性。

在对产品性能具有高科技含量要求的行业中，如航空航天、军事、精密机床、微电子等领域。

随着研究的不断深入和相关技术的发展，虚拟制造部将得到日益广泛的应用。

5结论

虚拟制造技术，将从根本上改变现代机械工程设计领域设计、试制、修改设计、规模生产的传统制造模式。

在产品真正制出之前，首先在虚拟制造环境中生成软产品原型，代替传统的硬样品进行试验，对其性能和可制造性进行预测和评价，从而缩短产品的设计与制造周期，降低产品的开发成本，提高系统快速响应市场变化的能力。

虚拟机械制造是虚拟现设技术和计算机仿真技术在机械制造领域的综合发展及应用。

依靠现代技术在计算机中以虚拟的形式实现，在不消耗实际的资源的前提下，更加实际的反映出新开发产品的相关情况，为机械制造业带来了全新的概念。

虚拟制造技术是信息化制造的重要技术之一，实现虚拟制造需要强有力的技术支撑，虚拟制造技术的应用应结合我国制造业自身的特点，在吸收国外成熟经验的基础上大胆创新，形成特色发展。

坚信，随着我国对虚拟制造技术研究的深入，其广泛的应用已为其不远，终将成为一个现代化信息化制造企业的必由之路。

参考文献：

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