引言

　　制造業為了在競爭激烈的全球市場求得生存與發展，必須能夠更好地滿足市場所提出的T、Q、C、S要求，即要以最短的產品開發周期(Time)，最優質的產品質量(Quality)，最低廉的制造成本(Cost)和最好的技術支持與售后服務(Service)來贏得市場與用戶。面對不可預測、持續發展、快速多變的市場需求，企業的生產活動必須具有高度的柔性。為了提高競爭能力，企業應當能夠對市場需求的變化作出快速敏捷的反應，并及時地對自身的生產作出合理的調整與重新規劃。計算機軟硬件技術及網絡技術的迅速發展為實現這一目標提供了強有力的支持。基于這些因素，20世紀90年代中期有許多新概念、新觀點應運而生，虛擬制造(Virtual Manufacture)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，產品開發是基于數字化的虛擬產品開發方式(Virtual Product Development)，以用戶的需求為第一驅動，并將用戶需求轉化為最終產品的各種功能特征。VPD保證了產品開發的效率和質量，提高了企業的快速響應和市場開拓能力。

　　1 虛擬制造技術定義及特點

　　虛擬現實(Virtual Reality)技術是使用感官組織仿真設備和真實或虛幻環境的動態模型生成或創造出人能夠感知的環境或現實，使人能夠憑借直覺作用于計算機從而產生三維仿真模型的虛擬環境。

　　基于虛擬現實技術的虛擬制造(Virtual Manufacturing)技術是在一個統一模型之下對設計和制造等過程進行集成，它將與產品制造相關的各種過程與技術集成在三維的、動態的仿真真實過程的實體數字模型之上。其目的是在產品設計階段，借助建模與仿真技術及時地、并行地模擬出產品未來制造過程乃至產品全生命周期的各種活動對產品設計的影響，預測、檢測、評價產品性能和產品的可制造性等等。從而更加有效地、經濟地、柔性地組織生產，增強決策與控制水平，有力地降低由于前期設計給后期制造帶來的回溯更改，達到產品的開發周期和成本最小化、產品設計質量的最優化、生產效率的最大化。

　　虛擬制造的研究還處于不斷的深入、細化之中，國際上尚沒有對其作出一個統一的定義。不同的研究人員從不同角度出發，給出了各具特點的描述，其中有代表性的包括以下幾種：

　　Kimura認為，虛擬制造是指通過對制造知識進行系統化組織與分析，對整個制造過程建模，在計算機上進行設計評估和制造活動仿真。他強調通過用虛擬制造模型對制造全過程進行描述，在實際的物理制造之前就具有了對產品性能及其可制造性的預測能力。

　　Lawrence Associates則認為，虛擬制造是一個集成的、綜合的可運行制造環境，其目的是提高各個層次的決策與控制。

　　美國Wright空軍實驗室則對虛擬制造作出了如下定義：虛擬制造建立在計算機建模、分析和仿真技術的基礎之上，它是對這些技術的綜合應用。這種綜合應用增強了各個層次的設計制造、生產決策與控制能力。

　　從這些定義可以看出，虛擬制造涉及到多個學科領域，是對這些領域知識的綜合集成與應用.計算機仿真、建模和優化技術是虛擬制造的核心與關鍵技術。可以認為，虛擬制造是對制造過程中的各個環節，包括產品的設計、加工、裝配，乃至企業的生產組織管理與調度進行統一建模，形成一個可運行的虛擬制造環境，以軟件技術為支撐，借助于高性能的硬件，在計算機局彬廣域網絡上，生成數字化產品，實現產品設計、性能分析、工藝決策、制造裝配和質量檢驗。它是數字化形式的廣義制造系統，是對實際制造過程的動態模擬。所謂“虛擬”，是相對于實物產品的實際制造系統而言的，強調的是制造系統運行過程的計算機化。

　　由于計算機軟硬件技術和網絡技術的廣泛應用，虛擬制造具有以下幾個特點：

　　(1)無須制造實物樣機就可以預測產品性能，節約制造成本，縮短產品開發周期。

　　(2)產品開發中可以及早發現問題，實現及時的反饋和更正。

　　(3)以軟件模擬形式進行產品開發。

　　(4)企業管理模式基于Intranet或Internet，整個制造活動具有高度的并行性。

　　2虛擬制造的種類

　　廣義的制造過程不僅包括了產品的設計加工、裝配。還包含了對企業生產活動的組織與控制。從這個觀點出發，可以把虛擬制造劃分為三類：以設計為中心的虛擬制造、以生產為中心的虛擬制造和以控制為中心的虛擬制造。

　　(1)以設計為中心的虛擬制造。

　　以設計為中心的虛擬制造強調以統一制造信息模型為基礎，對數字化產品模型進行仿真與分析、優化，進行產品的結構性能、運動學、動力學、熱力學方面的分析和可裝配性分析，以獲得對產品的設計評估與性能預測結果。

　　(2)以生產為中心的虛擬制造。

　　以生產為中心的虛擬制造是在企業資源的約束條件下，對企業的生產過程進行仿真，對不同的加工過程及其組合進行優化。它對產品的“可生產性”進行分析與評價，對制造資源和環境進行優化組合，通過提供精確的生產成本信息對生產計劃與調度進行合理化決策。

　　(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引入控制模型，提供模擬實際生產過程的虛擬環境，使企業在考慮車間控制行為的基礎上對制造過程進行優化控制。以上三種虛擬制造分別側重于制造過程的不同方面.但它們都以計算機建模、仿真技術為一個重要的實現手段，通過對制造過程進行統一建模，用仿真支持設計過程、模擬制造過程，進行成本估算和生產調度。

　　3虛擬制造關鍵技術

　　(1)特征建模的建立：建立包含工藝信息的特征模型，為以后的工藝分析、加工等過程創造條件。

　　(2)企業間產品數據交換：在由動態聯盟共同完成新產品開發的條件下，必須以產品數據交換標準(STEP、IGES等)來保證企業間信息的集成。

　　(3)快速原型制造軟硬件系統：快速原型制造系統使工程人員在制造前就能看到產品，從而改進設計。也可直接用于快速制造少量的零件或模具。改進材料、工藝及軟件來提高產品的精度。

　　(4)加工能力模型/生產能力模型建立：根據企業的加工設備信息建立加工能力模型，進一步還可以根據企業的其他資源信息建立生產能力模型。生產能力模型是產品零件可制造性分析、加工單元布局以及制造成本估算、生產能力平衡、優化生產布局、優化調度方案的依據。

　　(5)產品零件的可制造性分析及計算機輔助工藝規劃：根據零件的特征信息以及制造資源模型進行可制造性分析，確定加工路線、步驟和參數。

　　(6)制造過程的動態描述：根據工藝規劃所確定的加工路線以及制造資源用動畫形式描述制造過程，用以檢查過程及物流、對環境影響的合理性。

　　(7)NC代碼自動生成：根據包含特征信息的零件模型及工藝規劃信息來實現零件的NC代碼自動生成并提供加工時間等參數，為加工仿真，成本分析等后續過程提供依據。

　　(8)制造成本估算：根據制造過程所占用的資源、加工時間等信息進行制造成本估算。

　　(9)驗證與測試系統：借助于虛擬現實及人-機工程對產品的可靠性、可操作性、可維護性等進行評估。

　　4虛擬制造技術的建模技術

　　虛擬加工是現實加工過程在計算機上的映射，與真實制造過程相比，具有虛擬性、數字化集成性、依賴性。虛擬加工系統的建立必須基于現實的制造設備及其相關活動，并且可以隨著制造設備的改變對虛擬加工系統進行變更。虛擬加工環境建模是真實加工環境在數字化世界中的映射。產品的實際加工環境包括加工設備、工裝夾具及其加工刀具等，因此在虛擬加工環境中需要建立相應的加工設備模型、夾具模型、刀具模型及工件模型，使得虛擬加工環境能夠依據用戶輸入的NC代碼、工藝模塑和刀具模型給出有關工件變化、刀具狀況、加工效率等信息。

　　虛擬加工設備主要是指虛擬機床，用于仿真實際加工設備加工虛擬產品，機床模型包括機床的幾何實體信息、運動特征信息、伺服特性信息、剛度特性信息以及熱變形特性信息的影響等。

　　虛擬刀具包括鏡刀、車刀、鉆頭等常用的加工刀具，用于仿真實際的切削過程，刀具模型包括刀具幾何實體信息、切削特征信息和運動特征信息等：虛擬夾具用于仿真實際的工裝夾具，夾具模型包括夾具幾何實體信息、裝夾特征信息等。虛擬加工設備、夾具、刀具和工件建模原理一致。

　　4.1 虛擬加工設備建模

　　虛擬機床是虛擬加工過程的具體實施者。根據機床信息的不同，機床模型分為幾何模型和仿真模型，其中幾何模型將虛擬機床看成是一個層次式的裝配體，包含多個部件和零件，且部件之間存在著相互裝配關系和約束條件，組成零部件的三維數字模型根據其實際形狀和大小分別建模;機床仿真模型是在NC代碼的驅動下，采用一種類似于NC加工插補算法實現各運動部件的平動與轉動，以此驅動虛擬機床的運動。將仿真模型作為機床的物理屬性依附在機床的幾何模型上，建立虛擬加工設備模型的類結。類結構建立床身、工作臺和導軌等基本類，在此基礎上建立零部件幾何模型類繼承基本類;零部件幾何模型類與零部件仿真模型類一起形成零件模型類，通過零件、部件之間的包含、聚合關系形成虛擬加工設備。

　　4.2系統實現

　　例如應用UG三維造型軟件對一套加工設備進行了幾何建模，通過文件輸出得到零部件的VRML文件，以Visual C+6.0。為開發工具，選用OpenGL作為圖形引擎開發了可重構三維虛擬加工環境建模系統，利用該系統實現了LeadWell LTC系列加工中心的快速建模。LeadWell LTC20 AP是臥式加工中心，將其簡化為床身、加工艙艙門、導軌、刀座、刀盤、主軸頭、尾架、頂尖、支架、控制臺等。針對各模塊的通用程度我們采取相應的建模策略，如床身、艙門等是該加工中心特有的異型部件，為其單獨建模;導軌、刀座、刀盤等對同類機床而言，其外形結構具有很大相似性，因此通過對數據庫中類似部件進行修改后重用(若數據庫中已有類似);主袖頭、尾架、頂尖等則屬于通用部件或標準部件，可以直接重用(若數據庫中已有相同)。為構建的虛擬加工環境，利用該環境可以對零件進行虛擬加工仿真。

　　虛擬加工系統是虛擬制造研究的主要內容之一，而環境建模是虛擬加工系統仿真、分析的基礎。通過三維實體建模構造出一套虛擬設備，使設計人員可以借助于一定的軟、硬件設備，在虛擬制造環境下對零件加工過程進行仿真，并對設備布局、加工過程等作出分析，以便對整個生產進程進行優化，從而提高生產效率和加工質量。

　　5虛擬制造的應用

　　虛擬制造在工業發達國家，如美國、德國、日本等已得到了不同程度的研究和應用。在這一領域，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中已經應用了虛擬制造技術，大大縮短了產品的發布時間。波音公司設計的777型大型客機是世界上首架以三維無紙化方式設計出的飛機.它的設計成功已經成為虛擬制造從理論研究轉向實用化的一個里程碑。

　　在我國，清華大學、北京航空航天大學、哈爾濱工業大學等科研教學單位也已經開展了這一領域的研究工作。當前我國虛擬制造應用的重點研究方向是基于我國國情，進行產品的三維虛擬設計、加工過程仿真和產品裝配仿真，主要是研究如何生成可信度高的產品虛擬樣機，在產品設計階段能夠以較高的置信度預測所設計產品的最終性能和可制造性。在對產品性能具有高科技含量要求的行業中，如航空航天、軍事、精密機床、微電子等領域，隨著研究的不斷深入和相關技術的發展，虛擬制造必將得到日益廣泛的應用。

　　6小結

　　基于產品的數字化模型，應用先進的系統建模和仿真優化技術，虛擬制造實現了從產品的設計、加工、制造到檢驗全過程的動態模擬，并對企業的運作進行了合理的決策與最優控制。虛擬制造以產品的“軟”模型(Soft Prototype)取代了實物樣機，通過對模型的模擬測試進行產品評估，能夠以較低的生產成本獲得較高的設計質量，縮短了產品的發布周期，提高了企業生產效率.企業的生產因為虛擬制造技術的應用而具有了高度的柔性化和快速的市場反應能力，因而市場競爭能力大大增強.作為一種先進的制造模式，虛擬制造的應用范圍必然會不斷擴大，給更多的企業帶來更大的收益。