虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展

1、3虛擬制造技術(shù)的優(yōu)勢和作用虛擬制造技術(shù)及其國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀并根據(jù)摘要：本文簡單介紹了虛擬制造技術(shù)的基本概念和分類方法，結(jié)合虛擬制造技術(shù)的經(jīng)典應(yīng)用實例分析了虛 擬制造技術(shù)解決企業(yè)TQCS問題的優(yōu)勢和作用，詳細闡述了虛擬制造技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀和原因， 虛擬制造技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀對其發(fā)展趨勢做了簡要概括。關(guān)鍵字：虛擬制造技術(shù)；TQCS應(yīng)用現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢宜$ 一帶女育*2長黑菖孕£0前言裝備制造業(yè)是我國的支柱產(chǎn)業(yè)之一。我國過去的制造業(yè)屬于勞動密集型產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)在著重發(fā)展的制造業(yè)是具有自主創(chuàng)新的高技 術(shù)、高附加值的先進制造業(yè)，它迫切需要新 技術(shù)、新工藝來提升其技術(shù)水平和能級。1虛擬制造技術(shù)的概念虛

2、擬制造技術(shù)能夠結(jié)合眾多核心技術(shù)， 是多學(xué)科技術(shù)的系統(tǒng)集成。 其關(guān)鍵技術(shù)主要 包括建模技術(shù)、仿真技術(shù)、智能設(shè)計技術(shù)、 可制造評價等。虛擬制造依靠建模與仿真技 術(shù)來模擬制造、生產(chǎn)和裝配過程，使設(shè)計者在計算機上模擬出產(chǎn)品的整個過程。建模與仿真是虛擬制造的基礎(chǔ)，虛擬制造是建模與 仿真的應(yīng)用，它拓展了傳統(tǒng)的建模與仿真， 以其前瞻性、低成本和提升企業(yè)整體效率的 優(yōu)點為制造業(yè)的轉(zhuǎn)型和發(fā)展發(fā)揮重要作用， 如對生產(chǎn)過程的規(guī)劃、設(shè)計、加工制造、生 產(chǎn)自動化、過程優(yōu)化、試驗、檢測、培訓(xùn)、 銷售、售后服務(wù)等生產(chǎn)過程全生命周期都起 著重要的作用，是先進制造技術(shù)與工業(yè)創(chuàng)意 的綜合體現(xiàn)和運用。虛擬制造是20世紀80年代提出

3、的概念， 但是“虛擬制造” 一詞在 90年代才第一次 突顯出來，其部分原因來自美國國防部發(fā)起 的虛擬制造項目。目前人們對于虛擬制造的 定義大同小異，總的來說一般認為虛擬制造 是指在計算機虛擬環(huán)境下，模擬產(chǎn)品和制造 設(shè)備的現(xiàn)實運行環(huán)境，在實時和經(jīng)驗數(shù)據(jù)的 支撐下，進行產(chǎn)品完整生命周期的一體化模 擬仿真過程。虛擬制造廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計、 場地規(guī)劃、生產(chǎn)決策、工藝流程、試驗測試、 裝配指導(dǎo)、遠程監(jiān)控、調(diào)度指揮、技能培訓(xùn)、 市場銷售、售后服務(wù)等制造業(yè)各個環(huán)節(jié)，在 不消耗或少消耗實際生產(chǎn)資源的情況下實 現(xiàn)最優(yōu)結(jié)果，達到縮短周期，降低成本，提 高效益的目的。2虛擬制造的分類由于“虛擬”和“制造”的內(nèi)涵理解

4、有 所不同，在1997年7月美國俄亥俄州舉辦 的虛擬制造用戶專題討論會上，人們根據(jù)制 造過程的側(cè)重點不同，將虛擬制造分為三類, 提出了 “三個中心”的分類方法，即“以產(chǎn) 品為中心的虛擬制造”、“以生產(chǎn)為中心的虛 擬制造”、“以控制為中心的虛擬制造”。2.1以產(chǎn)品為中心的虛擬制造以產(chǎn)品為中心的虛擬制造的目的是優(yōu) 化產(chǎn)品和工藝設(shè)計，將制造信息加入到產(chǎn)品 設(shè)計與工藝設(shè)計過程中， 在計算機中生成制 造過程原型，對多種制造方案進行仿真，對 數(shù)字化產(chǎn)品模型的性能、 可制造性、可裝配 性、成本等進行分析，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計和工業(yè) 設(shè)計，以期盡早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計及工藝過程存 在的問題。2.2以生產(chǎn)為中心的虛擬制造以生產(chǎn)

5、為中心的虛擬制造的重點是優(yōu) 化資源配置和生產(chǎn)，將仿真信息加入到生產(chǎn) 計劃模型中，以便快速便捷地評價多種生產(chǎn) 計劃，優(yōu)化生產(chǎn)計劃和制造環(huán)境的配置。主 要是根據(jù)企業(yè)現(xiàn)有資源對不同的加工過程 進行評估優(yōu)化，決定合理的生產(chǎn)組織方式， 并將生產(chǎn)、銷售、售后服務(wù)進行虛擬化，以 提高整體效能。2.3以控制為中心的虛擬制造以控制為中心的虛擬制造著眼于優(yōu)化 車間控制，將仿真能力加入到設(shè)備控制模型 中，提供實際生產(chǎn)過程中的虛擬環(huán)境，使企業(yè)在考慮車間的控制行為的基礎(chǔ)上對控制 過程進行優(yōu)化控制，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)虛實 聯(lián)動的虛擬培訓(xùn)、 生產(chǎn)監(jiān)控和調(diào)度、遠程診 斷等服務(wù)功能。如今，在經(jīng)濟全球化、信息化和貿(mào)易自 由化的形勢

6、下，制造業(yè)的經(jīng)營戰(zhàn)略發(fā)生了很 大變化，企業(yè)先是追求規(guī)模效益， 后來則更 加重視降低生產(chǎn)成本， 繼而以提高產(chǎn)品質(zhì)量 為主要目標。尤其是在金融危機之后，全球市場的特征由過去的相對穩(wěn)定逐步變?yōu)閯?態(tài)多變，全球范圍內(nèi)的競爭和跨行業(yè)之間的 相互滲透日益增強。 現(xiàn)代制造企業(yè)早就提出 了要解決 TQCS（ time , quality , cost , service ）問題，而虛擬制造技術(shù)可以在解 決該問題中發(fā)揮重要作用。1）縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。傳統(tǒng)制造遵循設(shè)計、試制、修改設(shè)計、規(guī)模化大生產(chǎn)的串 行式結(jié)構(gòu)，只有在試制出樣品后才進行產(chǎn)品 信息反饋，決定是否要修改設(shè)計。而在虛擬制造中，并不需要制造樣機，可以隨時

7、在設(shè) 計過程中檢驗?zāi)Ｐ偷目芍圃煨院涂裳b配性， 及時修改，信息反饋更為及時。2）提高產(chǎn)品質(zhì)量。虛擬制造過程通過 對多種制造方案進行仿真，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計和 工藝設(shè)計，可彌補傳統(tǒng)制造業(yè)靠經(jīng)驗決定加 工方案的不足，提高產(chǎn)品質(zhì)量。3）低資源消耗。由于虛擬制造在計算 機中進行，并不消耗實際生產(chǎn)所需的物理材 料，可減少材料浪費和設(shè)配損耗。4）提高企業(yè)柔性生產(chǎn)能力，增強企業(yè) 決策準確性。決策者可以在虛擬制造中了解 產(chǎn)品性能、制造成本、生產(chǎn)進度、訂單、庫 存、物流等動態(tài)信息，有助于決策者把我利 潤與風(fēng)險之間的平衡， 從而準確的進行生產(chǎn) 決策，把握訂單交期，提升服務(wù)質(zhì)量。應(yīng)用實例4虛擬制造技術(shù)的國內(nèi)應(yīng)用事實上，虛擬

8、制造技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用于 生產(chǎn)實踐中，特別是在汽車、飛機、工程機 械以及武器等產(chǎn)品上的應(yīng)用事例和成果層 出不窮。美國國防部先進研究計劃部署ARPA致力于將虛擬環(huán)境與物理建模、分布離散性 模擬等技術(shù)結(jié)合，為虛擬武器設(shè)計提供先進 的手段。加利福尼亞的軍火商 Rockwellinternational開發(fā)了 將現(xiàn)有的CAD據(jù)轉(zhuǎn)換傳遞到虛擬環(huán)境的軟件，工程 技術(shù)人員能看到設(shè)備部件是如何裝配的，無須制作零部件物理模型。作為虛擬制造技術(shù) 最典型事例，波音飛機公司采用虛擬樣機在 計算機上建立了波音 777飛機的最終模型， 實現(xiàn)了整機設(shè)計、整機裝配、部件測試等虛 擬開發(fā)活動，使產(chǎn)品開發(fā)周期從八年縮短至 五年。福

9、特汽車公司應(yīng)用虛擬環(huán)境技術(shù)于汽 車設(shè)計與工程，以提高空氣動力學(xué)、人機工 程學(xué)和表面建模的效果。德國寶馬汽車公司 為車門裝配設(shè)計的虛擬裝配系統(tǒng)能識別語 音輸入完成相應(yīng)操作，并能對干涉碰撞發(fā)聲 報警。圖2虛擬制造技術(shù)應(yīng)用于飛機制造目前，我國制造業(yè)對于虛擬制造技術(shù)的 應(yīng)用還處于朦朧認識或應(yīng)用初級階段，應(yīng)用主要集中在高端制造業(yè)、大型裝備制造業(yè)或 技術(shù)發(fā)達的地區(qū)。究其原因，主要有以下幾 點：1）相關(guān)意識還比較淡薄。雖然許多人知道發(fā)達國家制造業(yè)或航天航空領(lǐng)域等都 用虛擬制造技術(shù)，但身邊能看到的很少，覺 得離自己很遙遠，就算企業(yè)有許多問題可以 用虛擬的方法解決，卻苦于沒有這方面的人 才，只能另謀他法。在來料

10、加工時代，不需 要考慮這些問題，逐漸形成了慣性思維，總 覺得做出實物產(chǎn)品才是第一需求，虛擬制造技術(shù)就是錦上添花的東西。事實上，許多制造公司的領(lǐng)導(dǎo)并不清楚虛擬制造是干什么的，部分技術(shù)人員雖然知道這項技術(shù)，也明白自己職責(zé)范圍內(nèi)有需求，但要說服領(lǐng)導(dǎo)層采用新技術(shù)不是容易的事，自身會擔(dān)當(dāng)相應(yīng)的風(fēng)險，因此阻礙了虛擬技術(shù)的傳播。另外, 對于先進技術(shù)，企業(yè)通常將注意力集中在產(chǎn) 品或生產(chǎn)本身，注重于直接解決問題的方法， 比如產(chǎn)品設(shè)計完成后，用實物樣機去測試設(shè) 計合理性，周期確實很長，客戶催的急，就 加班快點干。2）技術(shù)供求矛盾較突出。制造業(yè)國際化發(fā)展，對我國影響比較大， 許多企業(yè)了解 到發(fā)達國家解決同類問題的方

11、法，也學(xué)著提出了自己解決問題的要求。隨著企業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的深入，企業(yè)對虛擬制造的技術(shù)需求快速 增長，但我國這方面的整體技術(shù)還比較落后， 企業(yè)沒有這方面的技術(shù)我人才儲備，供求矛盾比較突出。3）應(yīng)用開發(fā)和技術(shù)水平較低。我國該項技術(shù)的應(yīng)用還處于初級階段，主要表現(xiàn)在 作品孤立、單一、規(guī)格小，與生產(chǎn)系統(tǒng)、服 務(wù)對象的實際兼容性差，主要注重于表達技 術(shù)本身，而不注重于對象的內(nèi)涵技術(shù)處理和 整合，這是技術(shù)應(yīng)用初級階段的必然特征。綜合知識的運用、多學(xué)科的融合、多技術(shù)的 集成、企業(yè)應(yīng)用的實踐體驗， 是提升虛擬制 造技術(shù)并走向?qū)嶋H應(yīng)用的必由之路。4）開發(fā)人才、應(yīng)用人才和管理人才缺 乏。我國該項技術(shù)的研究機構(gòu)已有不少，

12、成 果也有一些，但較系統(tǒng)的應(yīng)用性研究開發(fā)還 不夠，尤其是應(yīng)用性開發(fā)人才、使用維護人 員和專業(yè)性管理人員稀缺，從而阻礙了這一 技術(shù)的進展。5）從業(yè)人員規(guī)模小，聚集和平臺性聯(lián) 合少。企業(yè)對虛擬技術(shù)和使用經(jīng)驗的積累時 間較短，對于一般規(guī)模的企業(yè)，技術(shù)整合能 力比較低，企業(yè)開發(fā)經(jīng)驗較少，設(shè)備不齊全， 人才配備也不全面，因而只能開發(fā)技術(shù)單一 的小型技術(shù)改進項目，缺少整體應(yīng)用開發(fā)能 力。由于專業(yè)服務(wù)人員很少， 專業(yè)服務(wù)設(shè)備 跟不上，許多設(shè)備投資大、技術(shù)復(fù)雜，小企 業(yè)難以承受。5虛擬技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展趨勢5.1政府的重視和推動虛擬制造技術(shù)對我國制造業(yè)升級、經(jīng)濟轉(zhuǎn)型具有重大的作用，我國政府借鑒國際上 的做法，提

13、前布局，正大力加強對虛擬制造 技術(shù)研發(fā)、市場化的扶持力度。上海市政府 在制定“十二五”規(guī)劃時，專程調(diào)研了上海 市虛擬制造技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用情況，提出了大力發(fā)展虛擬制造技術(shù)提升裝備制造業(yè)自主創(chuàng)新能力和綠色制造技術(shù)水平的發(fā)展目 標。北京市政府也組織專家組做了虛擬制造 規(guī)劃報告，從北京的產(chǎn)業(yè)調(diào)整和發(fā)展角度對 虛擬制造技術(shù)的發(fā)展做了規(guī)劃布局分析。5.2軟件和設(shè)備虛擬制造技術(shù)的理論研究在許多高校 和科研單位都在進行，主要面對虛擬制造體 系、數(shù)字和物理仿真、數(shù)據(jù)處理、模型推演、 交互操作、虛擬融合等方面。5.3企業(yè)應(yīng)用發(fā)展企業(yè)應(yīng)用發(fā)展主要表現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)制造、銷售和售后服務(wù)、實物難以做到的 等方面。產(chǎn)品

14、設(shè)計方面從簡單的 CAD/CAM吉 構(gòu)設(shè)計逐漸過渡到集成生產(chǎn)工藝和物流、知識和經(jīng)驗一體化系統(tǒng)；生產(chǎn)制造方面從布局 規(guī)劃向著生產(chǎn)控制和經(jīng)驗指導(dǎo)的集成方向 發(fā)展；銷售和售后服務(wù)方面從產(chǎn)品演示向著 產(chǎn)品體驗、應(yīng)用環(huán)境個性化定制以及與物聯(lián) 網(wǎng)結(jié)合的虛擬維修指導(dǎo)方向發(fā)展。5.4技術(shù)服務(wù)發(fā)展隨著服務(wù)也的發(fā)展， 獨立于制造業(yè)本身 的虛擬制造技術(shù)服務(wù)將會得到發(fā)展，通?？梢蕴峁┘夹g(shù)研發(fā)服務(wù)、處理和顯示設(shè)備共享 服務(wù)、人員和實施服務(wù)等。5.5技術(shù)人才發(fā)展高等院校正在進行虛擬制造方面的人 才培養(yǎng)，職業(yè)機構(gòu)也在擴展這方面的技能培 訓(xùn)。6結(jié)論虛擬制造是制造技術(shù)和計算機技術(shù)的 結(jié)合，是多種核心技術(shù)的綜合運用。制造業(yè) 是我

15、國的支柱產(chǎn)業(yè)，虛擬制造技術(shù)對我國制 造業(yè)升級、經(jīng)濟轉(zhuǎn)型具有重大的作用。經(jīng)過數(shù)十年的研究推廣，虛擬制造技術(shù)在國內(nèi)的 發(fā)展已有長足的進步，但和預(yù)期還有一定距 離。但是，隨著政府的重視和研究的深入， 虛擬制造技術(shù)必定會在我國制造業(yè)升級轉(zhuǎn) 型的過程中發(fā)揮重要作用。參考文獻1 朱林，楊春節(jié).先進制造技術(shù)M.北京：北京大 學(xué)出版社,2013.2 Banerijce,Zetu.虛擬制造M. 張偉.北京：清華大學(xué)出版社，2005.3 嚴雋琪，范秀敏，馬登哲等.虛擬制造的理論 技術(shù)與實踐M.上海：上海交通大學(xué)出版社， 2003.4 杜寶江.虛擬制造M.上海：上?？茖W(xué)技術(shù) 出版社，2012.5 肖田元.虛擬制造研究進展與展望J.系統(tǒng) 仿真學(xué)報