虛擬制造與機械制造結合運用,加工效率可大大提高

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。

一、虛擬制造的定義及特點

虛擬制造是20世紀80年代后期美國首先提出來的一種新思想，它是利用信息技術、仿真技術、計算機技術等對現實制造活動中的人、物、信息及產品設計、工藝規劃、加工制造等生產過程進行全面的仿真，以發現制造中可能出現的問題，預測、檢測、評價產品性能和產品的可制造性等，在產品實際生產前就采取預防措施，確保產品一次性開發成功，以達到降低成本、縮短產品開發周期、增強企業競爭力的目的。

虛擬現實(VR，VirtualReality)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(VM，VirtualManufacturing)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。虛擬制造強調虛擬現實在設計和制造過程仿真中的應用，強調以一種可視化的直觀的方式增進技術人員對所設計的產品或過程的理解，從而發現其中的問題。虛擬制造并不是真實的制造過程。它不產生真實產品，基本不消耗材料和能量，而是利用制造對象、制造資源和制造過程的模型來展現“制造”的本質過程。

二、虛擬制造技術的應用

1.虛擬制造技術在國內外的應用情況
   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777，其整機設計、部件測試、整機裝配以及各種環境下的試飛均是在計算機上完成的，其開發周期從過去的8年縮短到5年；Chrycler公司與IBM合作開發在虛擬制造環境用于其新型車的研制，在樣車生產之前，即發現其定位系統及其他許多設計有缺陷，從而縮短了研制周期。

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。

2.虛擬制造技術在機械制造中的應用

 (1)虛擬企業。虛擬企業是指分布在不同地區的多個企業利用電子手段，為快速響應市場需求而組成的動態聯盟，是組織、人力、技術、信息等資源在完善的網絡組織結構基礎上的有效集成。這種企業組織和生產模式可克服窖和時間的局限性，保持集中和分散之間穩定、合理的平衡，具備系統優化組合和有效協調的優越性。

(2)虛擬產品設計。例如飛機、汽車的外形設計，其形狀是否符合空氣動力學原理、運動過程的阻力、其內部結構布局的合理性等。在復雜管道系統設計中，彩虛擬技術，設計者可“進入其中”進行管道布置，并可檢查是否發生干涉。這樣可提高設計效率，盡早發現設計中的問題，從而優化產品設計。例如波音777飛機有300萬個零件，這些零件的設計以及整體設計在一個由數百臺工作站組成的虛擬環境中得以成功運行。這個VMS是在原有的Boing-CAD的基礎上建立。設計師戴上頭盔顯示器后，能進入虛擬“飛機”中，審視其各項設計。過去為造實體模型需60萬美元，應用VMT后，節省了經費，縮短了研制周期，使最終的實際飛機與原方案相比，偏差小于1%，且實現機翼和機身結合的一次成功，縮短數千小時的設計工作量。

(3)虛擬產品制造。應用計算機仿真技術，對零件的加工方法、工序順序、工裝的選用、工藝參數的選用，加工工藝性、裝配工藝性、配合件之間的配合性、運行物件的運動性等均可建模仿真，提前發現加工缺陷和裝配時出現的問題，從而優化制造過程、提高加工效率。

(4)虛擬生產過程。產品生產過程的合理制定，人力資源、制造資源、物料庫存、生產調度、生產系統的規劃設計等，均可通過計算機仿真進行優化，同時還可對生產系統進行可靠性分析，對生產過程的資金進行分析預測，對產品市場進行分析預測等，從而對人力、制造資源的合理配置，對縮短生產周期、降低生產成本意義重大。JohnDeere公司運用VMT進行弧焊生產系統的安裝，EDS公司應用DENEB軟件為通用汽車公司的中、高檔豪華汽車分廠進行裝配生產優化設計，GM公司也為此節省數百萬美元，并提前了上市時間。

3.典型的虛擬制造技術
   (1)虛擬裝配。裝配是產品設計開發過程中的重要環節，虛擬裝配則是裝配過程在計算機上的本質實現，因而是虛擬裝配的重要組成部分。它能夠基于產品的數字化實體模型，在計算機上分析與驗證產品的裝配性能及工藝過程，從而提高產品的可裝配性。

虛擬裝配模型是分析裝配問題的基礎，因此，面向裝配過程的、支持虛擬裝配中各種需要的產品裝配模型在虛擬裝配中十分重要，模型的特點和優劣在很大程度上決定了系統所能實現的功能。

(2)多學科協同仿真。多學科協同仿真就是要在系統工程理論的指導下，基于復雜產品中各個學科之間的內在交互關系，將位于不同地點、基于不同計算機平臺、采用不同建模方法建立的混合異構仿真模型，在分布式環境中聯合起來進行多學科協同仿真。

(3)虛擬車間布局設計。制造系統的布局設計就是在企業經營策略的指導下，針對生產過程，將人員物料及所需的相關設備設施等，做最有效的組合和規劃，并與其他相關設施協調，以期獲得安全、效率與經濟的操作，滿足企業經營需求。運用面向對象的模擬仿真，可以幫助使用者建立用于規劃、設計和流程優化的虛擬模型，依據不同決策變量之組合，分析設備使用率、系統產能、有效產出率，以及交貨期、成本等策略，達到產能最大化、排程最優化、半成品及庫存最小化等目標。