虚拟制造技术及应用

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[摘要] 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。可以有效地提高产品的质量和生产效率，有助于降低产品开发成本，缩短开发周期。本文探讨了计算机虚拟制造技术的含义、特点、分类及其在实际中的应用等问题。

[关键词] 虚拟制造 仿真 应用

一、引言

随着经济的全球化和社会的信息化，市场竞争日益激烈，制造企业为了在竞争中求得生存与发展，就应该以最快的上市速度、最好的质量、最低的成本和最优的服务满足不同顾客的需求。随着信息技术的迅速发展和企业市场竞争的需求，美国20世纪80年代后期提出了虚拟制造技术，并在20世纪90年代得到极大重视并得到迅速发展。

二、虚拟制造技术定义

虚拟制造 (Virtual Manufacturing简称VM）是实际制造过程在计算机上的映射，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在高性能计算机及高速网络的支持下，在计算机上群组协同工作，实现产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，以及企业各级过程的管理与控制产品制造的本质过程，以增强制造过程中各级的决策和控制能力。它为工程师们提供了从产品概论的形成、设计到制造全过程的三维可视及交互的环境，使得制造技术发展到了全方位预报的新阶段 。

三、虚拟制造方法具有以下特点：

1.全新的研发模式：虚拟制造技术中，设计者采用三维方式，建立全关联的的数字模型。当需要绘图数据时，可以方便地从三维模型中抽取，实现三维数字无图纸设计，同时还要求进行产品总体的模型设计，而不仅限于设计单个部件或零件，设计者需要了解零件如何制造、装配，并应用于设计过程，各专业人员不再分开独立地工作，而是按照项目进行组织并同时开展工作，能够很好地解决设计过程中的同步问题。

2.降低研发成本、缩短研发周期、提高产品质量：通过计算机技术建立产品的数字化模型，可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验，从而无需制造及试验物理样机就可获得最优方案，减少了物理样机的数量，缩短了研发周期、提高了产品质量。

3.实现动态联盟的重要手段：通过网络实现并行设计和制造，具有传递快速、反馈及时的特点，进而使动态联盟的活动具有高度的并行性。

四、虚拟制造的关键技术

虚拟制造技术涉及面很广，如环境构成技术、过程特征抽取、集成基础结构的体系结构、制造特征数据集成、多学科交叉功能、决策支持工具、接口技术、虚拟现实技术、建模与仿真技术等，其中后三项是虚拟制造的核心技术。

1.建模技术：虚拟制造系统的建模包括生产模型、产品模型和工艺模型。生产模型可归纳为静态描述和动态描述两个方面。静态描述是指系统生产能力和生产特性的描述。动态描述是指在已知系统状态和需求特性的基础上预测产品生产过程。虚拟制造下的产品模型不再是单一的静态特征模型，它能通过映射、抽象等方法提取产品实施中各活动所需的模型，包括三维动态模型，干涉检查，应力分析等。工艺模型是将工艺参数与影响制造功能的产品设计属性联系起来，以反应生产模型与产品模型之间的交互作用。

2.仿真技术。仿真就是应用计算机对复杂的现实系统经过抽象和简化形成系统模型，然后在分析的基础上运行此模型，从而得到一系列的统计性能。目前广泛使用CAD、Solidworks、UG、PRO/E等三维软件能较方便的构建三维模型，虚拟样机是基于三维模型的产物，能完成结构分析、装配仿真及运动仿真等复杂设计过程。

3.虚拟现实技术。虚拟现实技术VRT（Virtual Reality Technology）是综合利用计算机图形系统、各种显示和控制等接口设备，在计算机上生成可交互的三维环境（称为虚拟环境）中提供沉浸感觉的技术。由图形系统及各种接口设备组成。在计算机上建立起的虚拟制造环境是一种接近人们自然活动的一种“自然”环境，可以充分发挥技术人员的想象力和创造能力，相互协作发挥集体智慧，提高产品开发的质量和缩短开发周期。

4.虚拟制造的分类。按照与生产各个阶段的关系,虚拟制造可分成三类:(1)以设计为中心的VM，这类 VM 是将制造信息加入到产品设计和工艺设计中，并在计算机上进行数字化制造，仿真多种制造方案，评估各种生产情景，通过仿真制造来优化产品设计和工艺设计，以便作出正确决策。(2)以生产为中心的VM，这类 VM 是将仿真能力加到生产计划模型中，以便快捷化评价生产计划，检验工艺流程、资源需求状况以及生产效率，从而优化制造环境和生产供应计划。(3)以控制为中心的VM，这类 VM 是将仿真能力加到控制模型中，提供对实际生产过程的仿真环境，即将机器控制模型用于仿真，其目标是实际生产中的过程优化，改进制造系统。

5.虚拟制造技术在制造业中的应用。虚拟制造技术首先在军事、航空航天、汽车领域中获得成功的应用。例如波音飞机公司777飞机的设计，就是采用虚拟制造技术的典型范例，设计、装机、测试均在计算机中完成模拟，实时采集和处理数据并及时解决设计问题，使得最终制造出来的波音777飞机与设计方案误差小于0.001英寸，保证一次试制成功。

目前虚拟制造技术应用得比较成熟的有：产品的外形设计、产品的布局设计、产品的运动和动力学仿真、热加工工艺模拟、加工过程仿真、产品装配仿真、虚拟样机与产品工作性能评测、企业生产过程的仿真与优化、产品的广告与漫游等。

五、结语

采用虚拟制造技术，在三维可视化虚拟环境中，能充分发挥设计人员的想象力和创造力，使设计人员的经验和科学的计算分析完美地相结合，推进了产品设计的创新与发展，提高了机械产品的创新开发能力。随着制造技术和网络技术的发展，虚拟制造技术方面的研究将会进入一个更加崭新的阶段。

参考文献：

[1]严隽琪等:虚拟制造的理论.技术基础与实践.上海交通大学出版社,2003：1～24

[2]王志新:虚拟技术及其应用.上海理工大学学报第20卷,第1期：49～55

[3]李瑞涛:虚拟样机技术的概念及应用.机电一体化,2000年第5期：17～19

[4]陶亦亦:虚拟制造的研究与发展.机械制造与自动化,2006年第1期：4～6