虚拟制造技术的应用及发展

1、3虚拟制造技术的优势和作用虚拟制造技术及其国内应用现状并根据摘要：本文简单介绍了虚拟制造技术的基本概念和分类方法，结合虚拟制造技术的经典应用实例分析了虚 拟制造技术解决企业TQCS问题的优势和作用，详细阐述了虚拟制造技术在国内的应用现状和原因， 虚拟制造技术在国内的应用现状对其发展趋势做了简要概括。关键字：虚拟制造技术；TQCS应用现状；发展趋势宜$ 一带女育*2长黑菖孕£0前言装备制造业是我国的支柱产业之一。我国过去的制造业属于劳动密集型产业，现在着重发展的制造业是具有自主创新的高技 术、高附加值的先进制造业，它迫切需要新 技术、新工艺来提升其技术水平和能级。1虚拟制造技术的概念虚

2、拟制造技术能够结合众多核心技术， 是多学科技术的系统集成。 其关键技术主要 包括建模技术、仿真技术、智能设计技术、 可制造评价等。虚拟制造依靠建模与仿真技 术来模拟制造、生产和装配过程，使设计者在计算机上模拟出产品的整个过程。建模与仿真是虚拟制造的基础，虚拟制造是建模与 仿真的应用，它拓展了传统的建模与仿真， 以其前瞻性、低成本和提升企业整体效率的 优点为制造业的转型和发展发挥重要作用， 如对生产过程的规划、设计、加工制造、生 产自动化、过程优化、试验、检测、培训、 销售、售后服务等生产过程全生命周期都起 着重要的作用，是先进制造技术与工业创意 的综合体现和运用。虚拟制造是20世纪80年代提出

3、的概念， 但是“虚拟制造” 一词在 90年代才第一次 突显出来，其部分原因来自美国国防部发起 的虚拟制造项目。目前人们对于虚拟制造的 定义大同小异，总的来说一般认为虚拟制造 是指在计算机虚拟环境下，模拟产品和制造 设备的现实运行环境，在实时和经验数据的 支撑下，进行产品完整生命周期的一体化模 拟仿真过程。虚拟制造广泛应用于产品设计、 场地规划、生产决策、工艺流程、试验测试、 装配指导、远程监控、调度指挥、技能培训、 市场销售、售后服务等制造业各个环节，在 不消耗或少消耗实际生产资源的情况下实 现最优结果，达到缩短周期，降低成本，提 高效益的目的。2虚拟制造的分类由于“虚拟”和“制造”的内涵理解

4、有 所不同，在1997年7月美国俄亥俄州举办 的虚拟制造用户专题讨论会上，人们根据制 造过程的侧重点不同，将虚拟制造分为三类, 提出了 “三个中心”的分类方法，即“以产 品为中心的虚拟制造”、“以生产为中心的虚 拟制造”、“以控制为中心的虚拟制造”。2.1以产品为中心的虚拟制造以产品为中心的虚拟制造的目的是优 化产品和工艺设计，将制造信息加入到产品 设计与工艺设计过程中， 在计算机中生成制 造过程原型，对多种制造方案进行仿真，对 数字化产品模型的性能、 可制造性、可装配 性、成本等进行分析，优化产品设计和工业 设计，以期尽早发现产品设计及工艺过程存 在的问题。2.2以生产为中心的虚拟制造以生产

5、为中心的虚拟制造的重点是优 化资源配置和生产，将仿真信息加入到生产 计划模型中，以便快速便捷地评价多种生产 计划，优化生产计划和制造环境的配置。主 要是根据企业现有资源对不同的加工过程 进行评估优化，决定合理的生产组织方式， 并将生产、销售、售后服务进行虚拟化，以 提高整体效能。2.3以控制为中心的虚拟制造以控制为中心的虚拟制造着眼于优化 车间控制，将仿真能力加入到设备控制模型 中，提供实际生产过程中的虚拟环境，使企业在考虑车间的控制行为的基础上对控制 过程进行优化控制，并在此基础上实现虚实 联动的虚拟培训、 生产监控和调度、远程诊 断等服务功能。如今，在经济全球化、信息化和贸易自 由化的形势

6、下，制造业的经营战略发生了很 大变化，企业先是追求规模效益， 后来则更 加重视降低生产成本， 继而以提高产品质量 为主要目标。尤其是在金融危机之后，全球市场的特征由过去的相对稳定逐步变为动 态多变，全球范围内的竞争和跨行业之间的 相互渗透日益增强。 现代制造企业早就提出 了要解决 TQCS（ time , quality , cost , service ）问题，而虚拟制造技术可以在解 决该问题中发挥重要作用。1）缩短产品开发周期。传统制造遵循设计、试制、修改设计、规模化大生产的串 行式结构，只有在试制出样品后才进行产品 信息反馈，决定是否要修改设计。而在虚拟制造中，并不需要制造样机，可以随时

7、在设 计过程中检验模型的可制造性和可装配性， 及时修改，信息反馈更为及时。2）提高产品质量。虚拟制造过程通过 对多种制造方案进行仿真，优化产品设计和 工艺设计，可弥补传统制造业靠经验决定加 工方案的不足，提高产品质量。3）低资源消耗。由于虚拟制造在计算 机中进行，并不消耗实际生产所需的物理材 料，可减少材料浪费和设配损耗。4）提高企业柔性生产能力，增强企业 决策准确性。决策者可以在虚拟制造中了解 产品性能、制造成本、生产进度、订单、库 存、物流等动态信息，有助于决策者把我利 润与风险之间的平衡， 从而准确的进行生产 决策，把握订单交期，提升服务质量。应用实例4虚拟制造技术的国内应用事实上，虚拟

8、制造技术已经开始应用于 生产实践中，特别是在汽车、飞机、工程机 械以及武器等产品上的应用事例和成果层 出不穷。美国国防部先进研究计划部署ARPA致力于将虚拟环境与物理建模、分布离散性 模拟等技术结合，为虚拟武器设计提供先进 的手段。加利福尼亚的军火商 Rockwellinternational开发了 将现有的CAD据转换传递到虚拟环境的软件，工程 技术人员能看到设备部件是如何装配的，无须制作零部件物理模型。作为虚拟制造技术 最典型事例，波音飞机公司采用虚拟样机在 计算机上建立了波音 777飞机的最终模型， 实现了整机设计、整机装配、部件测试等虚 拟开发活动，使产品开发周期从八年缩短至 五年。福

9、特汽车公司应用虚拟环境技术于汽 车设计与工程，以提高空气动力学、人机工 程学和表面建模的效果。德国宝马汽车公司 为车门装配设计的虚拟装配系统能识别语 音输入完成相应操作，并能对干涉碰撞发声 报警。图2虚拟制造技术应用于飞机制造目前，我国制造业对于虚拟制造技术的 应用还处于朦胧认识或应用初级阶段，应用主要集中在高端制造业、大型装备制造业或 技术发达的地区。究其原因，主要有以下几 点：1）相关意识还比较淡薄。虽然许多人知道发达国家制造业或航天航空领域等都 用虚拟制造技术，但身边能看到的很少，觉 得离自己很遥远，就算企业有许多问题可以 用虚拟的方法解决，却苦于没有这方面的人 才，只能另谋他法。在来料

10、加工时代，不需 要考虑这些问题，逐渐形成了惯性思维，总 觉得做出实物产品才是第一需求，虚拟制造技术就是锦上添花的东西。事实上，许多制造公司的领导并不清楚虚拟制造是干什么的，部分技术人员虽然知道这项技术，也明白自己职责范围内有需求，但要说服领导层采用新技术不是容易的事，自身会担当相应的风险，因此阻碍了虚拟技术的传播。另外, 对于先进技术，企业通常将注意力集中在产 品或生产本身，注重于直接解决问题的方法， 比如产品设计完成后，用实物样机去测试设 计合理性，周期确实很长，客户催的急，就 加班快点干。2）技术供求矛盾较突出。制造业国际化发展，对我国影响比较大， 许多企业了解 到发达国家解决同类问题的方

11、法，也学着提出了自己解决问题的要求。随着企业结构转型的深入，企业对虚拟制造的技术需求快速 增长，但我国这方面的整体技术还比较落后， 企业没有这方面的技术我人才储备，供求矛盾比较突出。3）应用开发和技术水平较低。我国该项技术的应用还处于初级阶段，主要表现在 作品孤立、单一、规格小，与生产系统、服 务对象的实际兼容性差，主要注重于表达技 术本身，而不注重于对象的内涵技术处理和 整合，这是技术应用初级阶段的必然特征。综合知识的运用、多学科的融合、多技术的 集成、企业应用的实践体验， 是提升虚拟制 造技术并走向实际应用的必由之路。4）开发人才、应用人才和管理人才缺 乏。我国该项技术的研究机构已有不少，

12、成 果也有一些，但较系统的应用性研究开发还 不够，尤其是应用性开发人才、使用维护人 员和专业性管理人员稀缺，从而阻碍了这一 技术的进展。5）从业人员规模小，聚集和平台性联 合少。企业对虚拟技术和使用经验的积累时 间较短，对于一般规模的企业，技术整合能 力比较低，企业开发经验较少，设备不齐全， 人才配备也不全面，因而只能开发技术单一 的小型技术改进项目，缺少整体应用开发能 力。由于专业服务人员很少， 专业服务设备 跟不上，许多设备投资大、技术复杂，小企 业难以承受。5虚拟技术在国内的发展趋势5.1政府的重视和推动虚拟制造技术对我国制造业升级、经济转型具有重大的作用，我国政府借鉴国际上 的做法，提

13、前布局，正大力加强对虚拟制造 技术研发、市场化的扶持力度。上海市政府 在制定“十二五”规划时，专程调研了上海 市虚拟制造技术的发展和应用情况，提出了大力发展虚拟制造技术提升装备制造业自主创新能力和绿色制造技术水平的发展目 标。北京市政府也组织专家组做了虚拟制造 规划报告，从北京的产业调整和发展角度对 虚拟制造技术的发展做了规划布局分析。5.2软件和设备虚拟制造技术的理论研究在许多高校 和科研单位都在进行，主要面对虚拟制造体 系、数字和物理仿真、数据处理、模型推演、 交互操作、虚拟融合等方面。5.3企业应用发展企业应用发展主要表现在产品设计、生产制造、销售和售后服务、实物难以做到的 等方面。产品

14、设计方面从简单的 CAD/CAM吉 构设计逐渐过渡到集成生产工艺和物流、知识和经验一体化系统；生产制造方面从布局 规划向着生产控制和经验指导的集成方向 发展；销售和售后服务方面从产品演示向着 产品体验、应用环境个性化定制以及与物联 网结合的虚拟维修指导方向发展。5.4技术服务发展随着服务也的发展， 独立于制造业本身 的虚拟制造技术服务将会得到发展，通常可以提供技术研发服务、处理和显示设备共享 服务、人员和实施服务等。5.5技术人才发展高等院校正在进行虚拟制造方面的人 才培养，职业机构也在扩展这方面的技能培 训。6结论虚拟制造是制造技术和计算机技术的 结合，是多种核心技术的综合运用。制造业 是我

15、国的支柱产业，虚拟制造技术对我国制 造业升级、经济转型具有重大的作用。经过数十年的研究推广，虚拟制造技术在国内的 发展已有长足的进步，但和预期还有一定距 离。但是，随着政府的重视和研究的深入， 虚拟制造技术必定会在我国制造业升级转 型的过程中发挥重要作用。参考文献1 朱林，杨春节.先进制造技术M.北京：北京大 学出版社,2013.2 Banerijce,Zetu.虚拟制造M. 张伟.北京：清华大学出版社，2005.3 严隽琪，范秀敏，马登哲等.虚拟制造的理论 技术与实践M.上海：上海交通大学出版社， 2003.4 杜宝江.虚拟制造M.上海：上海科学技术 出版社，2012.5 肖田元.虚拟制造研究进展与展望J.系统 仿真学报