引言
從當(dāng)今國(guó)際政治、經(jīng)濟(jì)形勢(shì)來(lái)看，和平與發(fā)展成為當(dāng)今時(shí)代的主題，經(jīng)濟(jì)全球化、貿(mào)易自由化和社會(huì)信息化的潮流正滾滾而來(lái)。在新的形勢(shì)下，制造業(yè)的經(jīng)營(yíng)戰(zhàn)略發(fā)生了很大變化，在30～60年代企業(yè)追求的是規(guī)模效益，如：美國(guó)福特汽車(chē)公司、通用汽車(chē)公司相繼采用剛性流水線進(jìn)行大批量生產(chǎn)；70年代更加重視降低生產(chǎn)成本，如：日本豐田公司采用準(zhǔn)時(shí)化生產(chǎn)；80年代提高產(chǎn)品質(zhì)量成為主要目標(biāo)；進(jìn)入90年代新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及交貨期成為競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。由此產(chǎn)生了多種多樣的制造哲理，如：精益生產(chǎn)、并行工程、敏捷制造和虛擬制造等，它們各有側(cè)重，從不同角度研究如何增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。虛擬制造技術(shù)是制造技術(shù)與仿真技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，本文對(duì)其作一簡(jiǎn)要介紹和分析。
1、虛擬制造技術(shù)
虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)技術(shù)是使用感官組織仿真設(shè)備和真實(shí)或虛幻環(huán)境的動(dòng)態(tài)模型生成或創(chuàng)造出人能夠感知的環(huán)境或現(xiàn)實(shí)，使人能夠憑借直覺(jué)作用于計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的三維仿真模型的虛擬環(huán)境。基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬制造(Virtual Manufacturing)技術(shù)是在一個(gè)統(tǒng)一模型之下對(duì)設(shè)計(jì)和制造等過(guò)程進(jìn)行集成，它將與產(chǎn)品制造相關(guān)的各種過(guò)程與技術(shù)集成在三維的、動(dòng)態(tài)的仿真真實(shí)過(guò)程的實(shí)體數(shù)字模型之上。其目的是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，借助建模與仿真技術(shù)及時(shí)地、并行地、模擬出產(chǎn)品未來(lái)制造過(guò)程乃至產(chǎn)品全生命周期的各種活動(dòng)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響，預(yù)測(cè)、檢測(cè)、評(píng)價(jià)產(chǎn)品性能和產(chǎn)品的可制造性等等。從而更加有效的、經(jīng)濟(jì)的、柔性的組織生產(chǎn)，增強(qiáng)決策與控制水平，有力地降低由于前期設(shè)計(jì)給后期制造帶來(lái)的回溯更改，達(dá)到產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期和成本最小化、產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的最優(yōu)化、生產(chǎn)效率的最大化。虛擬制造也可以對(duì)想象中的制造活動(dòng)進(jìn)行仿真，它不消耗現(xiàn)實(shí)資源和能量，所進(jìn)行的過(guò)程是虛擬過(guò)程，所生產(chǎn)的產(chǎn)品也是虛擬的。虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)對(duì)未來(lái)制造業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，它的重大作用主要表現(xiàn)為：
1）運(yùn)用軟件對(duì)制造系統(tǒng)中的五大要素(人、組織管理、物流、信息流、能量流)進(jìn)行全面仿真，使之達(dá)到了前所未有的高度集成，為先進(jìn)制造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了更廣大的空間，同時(shí)也推動(dòng)了相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步。
2）可加深人們對(duì)生產(chǎn)過(guò)程和制造系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和理解，有利于對(duì)其進(jìn)行理論升華，更好地指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，即對(duì)生產(chǎn)過(guò)程、制造系統(tǒng)整體進(jìn)行優(yōu)化配置，推動(dòng)生產(chǎn)力的巨大躍升。
3）在虛擬制造與現(xiàn)實(shí)制造的相互影響和作用過(guò)程中，可以全面改進(jìn)企業(yè)的組織管理工作，而且對(duì)正確作出決策有不可估量的影響。例如：可以對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃、交貨期、生產(chǎn)產(chǎn)量等作出預(yù)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并改進(jìn)現(xiàn)實(shí)制造過(guò)程。
4）虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用將加快企業(yè)人才的培養(yǎng)速度。我們都知道模擬駕駛室對(duì)駕駛員、飛行員的培養(yǎng)起到了良好作用，虛擬制造也會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似的作用。例如：可以對(duì)生產(chǎn)人員進(jìn)行操作訓(xùn)練、異常工藝的應(yīng)急處理等。
虛擬制造技術(shù)的廣泛應(yīng)用將從根本上改變現(xiàn)行的制造模式，對(duì)相關(guān)行業(yè)也將產(chǎn)生巨大影響，可以說(shuō)虛擬制造技術(shù)決定著企業(yè)的未來(lái)，也決定著制造業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)中能否立于不敗之地。
2. 虛擬制造技術(shù)的研究?jī)?nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)
虛擬制造技術(shù)的研究?jī)?nèi)容是極為廣泛的，除了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)涉及的共同性技術(shù)外，虛擬制造領(lǐng)域本身的主要研究?jī)?nèi)容有：虛擬制造的理論體系；設(shè)計(jì)信息和生產(chǎn)過(guò)程的三維可視化；虛擬環(huán)境下系統(tǒng)全局最優(yōu)決策理論和技術(shù)；虛擬制造系統(tǒng)的開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)；虛擬產(chǎn)品的裝配仿真；虛擬環(huán)境中及虛擬制造過(guò)程中的人機(jī)協(xié)同作業(yè)等。一般來(lái)說(shuō)，虛擬制造的研究都與特定的應(yīng)用環(huán)境和對(duì)象相聯(lián)系，由于應(yīng)用的不同要求而存在不同的側(cè)重點(diǎn)，因此出現(xiàn)了三個(gè)流派，即以設(shè)計(jì)為中心的虛擬制造、以生產(chǎn)為中心的虛擬制造和以控制為中心的虛擬制造。具體說(shuō)明如下：
1）以設(shè)計(jì)為中心的虛擬制造是通過(guò)增加制造信息到集成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中并在計(jì)算機(jī)中仿真多種制造方案，為設(shè)計(jì)者提供一個(gè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品和評(píng)估產(chǎn)品可制造性的環(huán)境。
2）以生產(chǎn)為中心的虛擬制造是通過(guò)增加仿真能力到生產(chǎn)過(guò)程模型，達(dá)到方便和快捷地評(píng)價(jià)多種加工過(guò)程的目的。它為工藝計(jì)劃和生產(chǎn)計(jì)劃的生成、工藝資源的要求以及對(duì)這些計(jì)劃的評(píng)價(jià)提供了一個(gè)環(huán)境。
3）以控制為中心的虛擬制造是通過(guò)增加仿真到控制模型和實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程，模擬實(shí)際的車(chē)間生產(chǎn)，評(píng)估車(chē)間生產(chǎn)活動(dòng)，達(dá)到優(yōu)化制造過(guò)程的目的。
虛擬制造技術(shù)是多學(xué)科綜合的系統(tǒng)技術(shù)，需要研究開(kāi)發(fā)相應(yīng)的硬件集成系統(tǒng)與軟件，就軟件技術(shù)而言，相關(guān)的研究支持如下：
可視化：真實(shí)、直觀地再現(xiàn)主觀產(chǎn)品與客觀制造過(guò)程；
基本環(huán)境：增強(qiáng)可視化和其它虛擬制造功能的集成系統(tǒng)平臺(tái)；
信息描述：表達(dá)各種信息，包括數(shù)據(jù)、知識(shí)和模型的統(tǒng)一的方法、語(yǔ)義、語(yǔ)法；
中介模型：構(gòu)造、定義、開(kāi)發(fā)對(duì)過(guò)程易于中斷介入的模型；
基層集成組織結(jié)構(gòu)：硬件與軟件的基層組織結(jié)構(gòu)；
仿真模型：在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的真實(shí)系統(tǒng)模型；
應(yīng)用方法：產(chǎn)品多樣性與過(guò)程動(dòng)態(tài)性的共同特征的抽象提取；
制造特征：各種材料在虛擬制造環(huán)境中的變化過(guò)程；
虛擬制造系統(tǒng)評(píng)價(jià)：可制造性、工藝性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、質(zhì)量、工期等等。
輸入、輸出設(shè)備：基于CRT和LCD的頭盔顯示器(HMD)、普通計(jì)算機(jī)顯示器、投影系統(tǒng)、可視化眼鏡、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)背心、蹋滾、搖桿、觸墊、耳機(jī)和音響系統(tǒng)等；
信息采集、存儲(chǔ)設(shè)備；
能支持各種設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和高速運(yùn)算的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；
網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（星型、環(huán)型、總線型）、通訊硬件等。
以上技術(shù)仍處于發(fā)展完善之中，相比之下軟件的發(fā)展落后于硬件的發(fā)展。
虛擬制造系統(tǒng)是各制造功能的虛擬集成，其關(guān)鍵技術(shù)主要包括：
虛擬環(huán)境下的產(chǎn)品主模型技術(shù)：主模型是一個(gè)核心，能以此為中心通向設(shè)計(jì)、制造和生產(chǎn)管理等各個(gè)環(huán)節(jié)并為其提供服務(wù)。主模型具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和分布式數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，它是一個(gè)可視化的數(shù)字產(chǎn)品模型，具有所代表的對(duì)象所具有的各種性能和特征，并能并行地處理設(shè)計(jì)分析、加工制造、生產(chǎn)組織與調(diào)度等各種生產(chǎn)環(huán)節(jié)所面臨的諸多問(wèn)題
。
綜合可視化技術(shù)：主要包括計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、多媒體技術(shù)和仿真技術(shù)。
現(xiàn)實(shí)制造系統(tǒng)與虛擬制造系統(tǒng)之間的映射，虛擬設(shè)備、虛擬傳感器、虛擬單元、虛擬生產(chǎn)線、虛擬車(chē)間、和虛擬工廠的建立，以及各種虛擬設(shè)備的重用性和重組性技術(shù)。
虛擬制造系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)、構(gòu)件庫(kù)及用戶開(kāi)發(fā)環(huán)境。
虛擬環(huán)境下分布式并行處理的分布式智能協(xié)同求解模型。
虛擬公司的組織、調(diào)度及控制策略與技術(shù)。
3. 虛擬制造技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究概況簡(jiǎn)介
由于虛擬制造技術(shù)具有誘人的應(yīng)用前景，促使發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)其進(jìn)行深入研究。在美國(guó)已形成了由政府、產(chǎn)業(yè)界、大學(xué)組成的多層次、多方位的綜合研究開(kāi)發(fā)力量。由政府支持的研究項(xiàng)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)
在歐洲，許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)通過(guò)相互間的合作并聯(lián)合企業(yè)進(jìn)行虛擬制造技術(shù)的研究工作，例如：由Bath大學(xué)進(jìn)行的A virtual workshop for Design by Manufacturing研究，由Herriot-Watt大學(xué)進(jìn)行的Virtual Manufacturing Group研究等。在日本，已經(jīng)形成了以大阪大學(xué)為中心的研究開(kāi)發(fā)力量，主要進(jìn)行虛擬制造系統(tǒng)的建模和仿真技術(shù)的研究，并開(kāi)發(fā)出了虛擬工廠的構(gòu)造環(huán)境VirtualWorks。
目前，虛擬制造技術(shù)已經(jīng)在國(guó)外有所應(yīng)用，例如：美國(guó)波音公司設(shè)計(jì)的一架VS-X虛擬飛機(jī)，可用頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套進(jìn)行觀察與控制，使飛機(jī)設(shè)計(jì)人員身臨其境地觀察飛機(jī)設(shè)計(jì)的結(jié)果，并對(duì)其外觀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及使用性能進(jìn)行考察；日本Matsushita公司開(kāi)發(fā)的虛擬廚房設(shè)備制造系統(tǒng)，允許消費(fèi)者在購(gòu)買(mǎi)商品前，在虛擬的廚房環(huán)境中體驗(yàn)不同設(shè)備的功能，按自己的喜好評(píng)價(jià)、選擇和重組這些設(shè)備，他們的選擇將被存儲(chǔ)并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)送至生產(chǎn)部門(mén)進(jìn)行生產(chǎn)；美國(guó)Coventry School of Art and Design開(kāi)發(fā)的虛擬原型制作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)的初始階段能夠在計(jì)算機(jī)中構(gòu)造虛擬原型并對(duì)此原型進(jìn)行評(píng)價(jià)。
國(guó)內(nèi)的研究剛剛起步，主要集中在三個(gè)方面：
產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)：
主要包括虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)平臺(tái)、虛擬測(cè)試、虛擬裝配以及機(jī)床、模具的虛擬設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)等。其中清華大學(xué)利用美國(guó)國(guó)家儀器公司的Labview開(kāi)發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了鎖相電路的虛擬，北京機(jī)械科學(xué)研究院采用C語(yǔ)言和OpenGL進(jìn)行編程初步實(shí)現(xiàn)了立體停車(chē)庫(kù)的虛擬現(xiàn)實(shí)下的參數(shù)化設(shè)計(jì)，可以直觀地進(jìn)行車(chē)庫(kù)的布局、設(shè)計(jì)、分析和運(yùn)動(dòng)模擬。
產(chǎn)品虛擬制造技術(shù)
主要包括材料熱加工工藝模擬、加工過(guò)程仿真、板材成型模擬、模具制造仿真等。北航與一汽用OPTRIS開(kāi)發(fā)的板料成型軟件已經(jīng)基本能夠模擬類(lèi)似車(chē)門(mén)的中等復(fù)雜程度的汽車(chē)覆蓋件和其他沖壓成型件的沖壓成型過(guò)程；沈陽(yáng)鑄造研究所開(kāi)發(fā)的電渣熔鑄工藝模擬軟件包ESRD3D已經(jīng)應(yīng)用于水輪發(fā)電機(jī)變曲面過(guò)流部件生產(chǎn)中，其產(chǎn)品在劉家峽、李家峽、天生橋、太平役等7個(gè)電站中使用；合肥工業(yè)大學(xué)研制的雙刀架數(shù)控車(chē)床加工過(guò)程模擬軟件已經(jīng)在馬鞍山鋼鐵股份有限公司車(chē)輪輪箍廠應(yīng)用，使數(shù)控程序現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間由幾個(gè)班縮短到幾小時(shí)，并保證一次試切成功；北京機(jī)床研究所、機(jī)械科學(xué)研究院、東北大學(xué)、上海交大和長(zhǎng)沙鐵道學(xué)院等單位也研制出一些這方面的仿真軟件。
虛擬制造系統(tǒng)
主要包括虛擬制造技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)、技術(shù)支持、開(kāi)發(fā)策略等。其中提出了比較成熟的思想并可能實(shí)現(xiàn)的是由上海同濟(jì)大學(xué)張曙教授提出的分散網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)系統(tǒng)和西安交通大學(xué)謝友柏院士組建的異地網(wǎng)絡(luò)化研究中心。
4. 結(jié)束語(yǔ)
虛擬制造是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在制造領(lǐng)域的綜合發(fā)展及應(yīng)用，是敏捷制造的核心技術(shù)，它的研究在我國(guó)剛剛起步，其內(nèi)涵和研究?jī)?nèi)容在學(xué)術(shù)界還不存在統(tǒng)一的看法，本文對(duì)它的介紹只能是不全面的，希望能夠?yàn)槲覈?guó)虛擬制造的發(fā)展起到一點(diǎn)拋磚引玉的作用。
