引言 

　　從當(dāng)今國際政治泛释、經(jīng)濟形勢來看别孵，和平與發(fā)展成為當(dāng)今時代的主題茴夯，經(jīng)濟全球化完株、貿(mào)易自由化和社會信息化的潮流正滾滾而來置凤。在新的形勢下，制造業(yè)的經(jīng)營戰(zhàn)略發(fā)生了很大變化颁殃，在30～60年代企業(yè)追求的是規(guī)模效益匠泵，如：美國福特汽車公司、通用汽車公司相繼采用剛性流水線進行大批量生產(chǎn)倘回；70年代更加重視降低生產(chǎn)成本，如：日本豐田公司采用準時化生產(chǎn)疾浓；80年代提高產(chǎn)品質(zhì)量成為主要目標音瓷；進入90年代新產(chǎn)品開發(fā)及交貨期成為競爭的焦點。由此產(chǎn)生了多種多樣的制造哲理夹抗，如：精益生產(chǎn)绳慎、并行工程、敏捷制造和虛擬制造等漠烧，它們各有側(cè)重杏愤，從不同角度研究如何增強企業(yè)的競爭力。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)物已脓，本文對其作一簡要介紹和分析珊楼。 

　　1、虛擬制造技術(shù) 

　　虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)技術(shù)是使用感官組織仿真設(shè)備和真實或虛幻環(huán)境的動態(tài)模型生成或創(chuàng)造出人能夠感知的環(huán)境或現(xiàn)實度液，使人能夠憑借直覺作用于計算機產(chǎn)生的三維仿真模型的虛擬環(huán)境厕宗。基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬制造(Virtual Manufacturing)技術(shù)是在一個統(tǒng)一模型之下對設(shè)計和制造等過程進行集成堕担，它將與產(chǎn)品制造相關(guān)的各種過程與技術(shù)集成在三維的已慢、動態(tài)的仿真真實過程的實體數(shù)字模型之上曲聂。其目的是在產(chǎn)品設(shè)計階段，借助建模與仿真技術(shù)及時地佑惠、并行地侠呛、模擬出產(chǎn)品未來制造過程乃至產(chǎn)品全生命周期的各種活動對產(chǎn)品設(shè)計的影響，預(yù)測凯践、檢測披锨、評價產(chǎn)品性能和產(chǎn)品的可制造性等等。從而更加有效的湘秀、經(jīng)濟的喉投、柔性的組織生產(chǎn)，增強決策與控制水平军含，有力地降低由于前期設(shè)計給后期制造帶來的回溯更改种车，達到產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本最小化、產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量的最優(yōu)化孩砸、生產(chǎn)效率的最大化匿贝。虛擬制造也可以對想象中的制造活動進行仿真，它不消耗現(xiàn)實資源和能量贸掰，所進行的過程是虛擬過程丁傲，所生產(chǎn)的產(chǎn)品也是虛擬的。虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用將會對未來制造業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠影響审胚，它的重大作用主要表現(xiàn)為： 

　　1）運用軟件對制造系統(tǒng)中的五大要素(人匈勋、組織管理、物流膳叨、信息流洽洁、能量流)進行全面仿真，使之達到了前所未有的高度集成菲嘴，為先進制造技術(shù)的進一步發(fā)展提供了更廣大的空間饿自，同時也推動了相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展和進步。

　　2）可加深人們對生產(chǎn)過程和制造系統(tǒng)的認識和理解龄坪，有利于對其進行理論升華昭雌，更好地指導(dǎo)實際生產(chǎn)，即對生產(chǎn)過程健田、制造系統(tǒng)整體進行優(yōu)化配置烛卧，推動生產(chǎn)力的巨大躍升。 

　　3）在虛擬制造與現(xiàn)實制造的相互影響和作用過程中抄课，可以全面改進企業(yè)的組織管理工作唱星，而且對正確作出決策有不可估量的影響。例如：可以對生產(chǎn)計劃跟磨、交貨期局硝、生產(chǎn)產(chǎn)量等作出預(yù)測忱痴，及時發(fā)現(xiàn)問題并改進現(xiàn)實制造過程。 

　　4）虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用將加快企業(yè)人才的培養(yǎng)速度焙逝。我們都知道模擬駕駛室對駕駛員蚪应、飛行員的培養(yǎng)起到了良好作用，虛擬制造也會產(chǎn)生類似的作用年笋。例如：可以對生產(chǎn)人員進行操作訓(xùn)練伍戚、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)行的制造模式雌她，對相關(guān)行業(yè)也將產(chǎn)生巨大影響透汞，可以說虛擬制造技術(shù)決定著企業(yè)的未來，也決定著制造業(yè)在競爭中能否立于不敗之地政用。

　　2. 虛擬制造技術(shù)的研究內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)

　　虛擬制造技術(shù)的研究內(nèi)容是極為廣泛的薄肉，除了虛擬現(xiàn)實技術(shù)涉及的共同性技術(shù)外，虛擬制造領(lǐng)域本身的主要研究內(nèi)容有：虛擬制造的理論體系倘灸；設(shè)計信息和生產(chǎn)過程的三維可視化某亩；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)的開放式體系結(jié)構(gòu)热某；虛擬產(chǎn)品的裝配仿真腻菇；虛擬環(huán)境中及虛擬制造過程中的人機協(xié)同作業(yè)等。一般來說昔馋，虛擬制造的研究都與特定的應(yīng)用環(huán)境和對象相聯(lián)系筹吐，由于應(yīng)用的不同要求而存在不同的側(cè)重點，因此出現(xiàn)了三個流派秘遏，即以設(shè)計為中心的虛擬制造骏令、以生產(chǎn)為中心的虛擬制造和以控制為中心的虛擬制造。具體說明如下： 

　　1）以設(shè)計為中心的虛擬制造是通過增加制造信息到集成產(chǎn)品開發(fā)過程中并在計算機中仿真多種制造方案垄提，為設(shè)計者提供一個設(shè)計產(chǎn)品和評估產(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增加仿真能力到生產(chǎn)過程模型周拐，達到方便和快捷地評價多種加工過程的目的铡俐。它為工藝計劃和生產(chǎn)計劃的生成、工藝資源的要求以及對這些計劃的評價提供了一個環(huán)境妥粟。 

　　3）以控制為中心的虛擬制造是通過增加仿真到控制模型和實際的生產(chǎn)過程审丘，模擬實際的車間生產(chǎn)，評估車間生產(chǎn)活動犀进，達到優(yōu)化制造過程的目的嵌鳖。

　　虛擬制造技術(shù)是多學(xué)科綜合的系統(tǒng)技術(shù)，需要研究開發(fā)相應(yīng)的硬件集成系統(tǒng)與軟件膊节，就軟件技術(shù)而言及裂，相關(guān)的研究支持如下： 

　　可視化：真實率肉、直觀地再現(xiàn)主觀產(chǎn)品與客觀制造過程； 

　　基本環(huán)境：增強可視化和其它虛擬制造功能的集成系統(tǒng)平臺嘀矢； 

　　信息描述：表達各種信息剑三，包括數(shù)據(jù)、知識和模型的統(tǒng)一的方法昵例、語義矩汪、語法； 

　　中介模型：構(gòu)造锣裆、定義拒凝、開發(fā)對過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)泞驴； 

　　仿真模型：在計算機系統(tǒng)中設(shè)計的真實系統(tǒng)模型牢裳；  

　　應(yīng)用方法：產(chǎn)品多樣性與過程動態(tài)性的共同特征的抽象提取康聂； 

　　制造特征：各種材料在虛擬制造環(huán)境中的變化過程贰健； 

　　虛擬制造系統(tǒng)評價：可制造性、工藝性恬汁、可靠性伶椿、經(jīng)濟性、質(zhì)量氓侧、工期等等脊另。 

　　與硬件相關(guān)的技術(shù)有： 

　　輸入、輸出設(shè)備：基于CRT和LCD的頭盔顯示器(HMD)约巷、普通計算機顯示器偎痛、投影系統(tǒng)、可視化眼鏡独郎、數(shù)據(jù)手套踩麦、數(shù)據(jù)背心、蹋滾氓癌、搖桿谓谦、觸墊、耳機和音響系統(tǒng)等她蛉；

　　信息采集贺坝、存儲設(shè)備； 

　　能支持各種設(shè)備赚兰、數(shù)據(jù)存儲和高速運算的計算機系統(tǒng)俘噩； 

　　網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（星型、環(huán)型郎石、總線型）逾辕、通訊硬件等财调。 

　　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)展芽茄。 

　　虛擬制造系統(tǒng)是各制造功能的虛擬集成贩挨，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)：主模型是一個核心，能以此為中心通向設(shè)計章神、制造和生產(chǎn)管理等各個環(huán)節(jié)并為其提供服務(wù)尤桃。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)，它是一個可視化的數(shù)字產(chǎn)品模型爷耀，具有所代表的對象所具有的各種性能和特征甘桑，并能并行地處理設(shè)計分析、加工制造歹叮、生產(chǎn)組織與調(diào)度等各種生產(chǎn)環(huán)節(jié)所面臨的諸多問題跑杭。

　　綜合可視化技術(shù)：主要包括計算機可視化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)咆耿、多媒體技術(shù)和仿真技術(shù)德谅。 

　　現(xiàn)實制造系統(tǒng)與虛擬制造系統(tǒng)之間的映射，虛擬設(shè)備萨螺、虛擬傳感器窄做、虛擬單元、虛擬生產(chǎn)線慰技、虛擬車間椭盏、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)吻商。 

　　虛擬制造系統(tǒng)集成開發(fā)平臺的體系結(jié)構(gòu)掏颊、構(gòu)件庫及用戶開發(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)同求解模型址檀。

　　虛擬公司的組織锌褒、調(diào)度及控制策略與技術(shù)。 

　　3. 虛擬制造技術(shù)國內(nèi)外研究概況簡介 

　　由于虛擬制造技術(shù)具有誘人的應(yīng)用前景绍堪，促使發(fā)達國家對其進行深入研究絮商。在美國已形成了由政府、產(chǎn)業(yè)界叮盲、大學(xué)組成的多層次、多方位的綜合研究開發(fā)力量丘隙。由政府支持的研究項目主要有： 

　　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) 

　　在歐洲只忿，許多大學(xué)和研究機構(gòu)通過相互間的合作并聯(lián)合企業(yè)進行虛擬制造技術(shù)的研究工作，例如：由Bath大學(xué)進行的A virtual workshop for Design by Manufacturing研究伶离，由Herriot-Watt大學(xué)進行的Virtual Manufacturing Group研究等禾膀。在日本拣末，已經(jīng)形成了以大阪大學(xué)為中心的研究開發(fā)力量，主要進行虛擬制造系統(tǒng)的建模和仿真技術(shù)的研究驹柴，并開發(fā)出了虛擬工廠的構(gòu)造環(huán)境VirtualWorks饼瓮。

　　目前，虛擬制造技術(shù)已經(jīng)在國外有所應(yīng)用夹厌，例如：美國波音公司設(shè)計的一架VS-X虛擬飛機豹爹，可用頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套進行觀察與控制，使飛機設(shè)計人員身臨其境地觀察飛機設(shè)計的結(jié)果矛纹，并對其外觀臂聋、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及使用性能進行考察；日本Matsushita公司開發(fā)的虛擬廚房設(shè)備制造系統(tǒng)或南，允許消費者在購買商品前孩等，在虛擬的廚房環(huán)境中體驗不同設(shè)備的功能，按自己的喜好評價采够、選擇和重組這些設(shè)備肄方，他們的選擇將被存儲并通過網(wǎng)絡(luò)送至生產(chǎn)部門進行生產(chǎn)；美國Coventry School of Art and Design開發(fā)的虛擬原型制作系統(tǒng)蹬癌，設(shè)計者在設(shè)計的初始階段能夠在計算機中構(gòu)造虛擬原型并對此原型進行評價权她。 

　　國內(nèi)的研究剛剛起步，主要集中在三個方面： 

　　產(chǎn)品虛擬設(shè)計技術(shù)： 

　　主要包括虛擬產(chǎn)品開發(fā)平臺冀瓦、虛擬測試伴奥、虛擬裝配以及機床、模具的虛擬設(shè)計實現(xiàn)等秘舅。其中清華大學(xué)利用美國國家儀器公司的Labview開發(fā)平臺實現(xiàn)了鎖相電路的虛擬颂睛，北京機械科學(xué)研究院采用C語言和OpenGL進行編程初步實現(xiàn)了立體停車庫的虛擬現(xiàn)實下的參數(shù)化設(shè)計，可以直觀地進行車庫的布局猩烘、設(shè)計车咕、分析和運動模擬。 

　　產(chǎn)品虛擬制造技術(shù) 

　　主要包括材料熱加工工藝模擬内会、加工過程仿真淹郎、板材成型模擬、模具制造仿真等蝉嘲。北航與一汽用OPTRIS開發(fā)的板料成型軟件已經(jīng)基本能夠模擬類似車門的中等復(fù)雜程度的汽車覆蓋件和其他沖壓成型件的沖壓成型過程氛硬；沈陽鑄造研究所開發(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)電機變曲面過流部件生產(chǎn)中，其產(chǎn)品在劉家峽痛的、李家峽田蔑、天生橋、太平役等7個電站中使用；合肥工業(yè)大學(xué)研制的雙刀架數(shù)控車床加工過程模擬軟件已經(jīng)在馬鞍山鋼鐵股份有限公司車輪輪箍廠應(yīng)用紫磷，使數(shù)控程序現(xiàn)場調(diào)試時間由幾個班縮短到幾小時受啥，并保證一次試切成功；北京機床研究所鸽心、機械科學(xué)研究院滚局、東北大學(xué)、上海交大和長沙鐵道學(xué)院等單位也研制出一些這方面的仿真軟件顽频。

　　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)藤肢、技術(shù)支持、開發(fā)策略等冲九。其中提出了比較成熟的思想并可能實現(xiàn)的是由上海同濟大學(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)化研究中心谤草。 

　　4. 結(jié)束語 

　　虛擬制造是虛擬現(xiàn)實技術(shù)和計算機仿真技術(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)莺奸，它的研究在我國剛剛起步丑孩，其內(nèi)涵和研究內(nèi)容在學(xué)術(shù)界還不存在統(tǒng)一的看法，本文對它的介紹只能是不全面的灭贷，希望能夠為我國虛擬制造的發(fā)展起到一點拋磚引玉的作用温学。

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