虛擬制造技術(shù)

     虛擬制造技術(shù)（Virtual Manufacturing Technology,  or VMT）是80年代后期提出并得到迅速發(fā)展的一個新思想。它是以虛擬現(xiàn)實和仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，對產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)過程統(tǒng)一建模，在計算機(jī)上實現(xiàn)產(chǎn)品從設(shè)計、加工和裝配、檢驗、使用整個生命周期的模擬和仿真。這樣，可以在產(chǎn)品的設(shè)計階段就模擬出產(chǎn)品及其性能和制造過程，以此來優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量和制造過程，優(yōu)化生產(chǎn)管理和資源規(guī)劃，以達(dá)到產(chǎn)品開發(fā)周期和成本的最小化，產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量的最優(yōu)化和生產(chǎn)效率最高化，從而形成企業(yè)的市場競爭優(yōu)勢。

    虛擬制造技術(shù)按其功能可劃分為：

    1．產(chǎn)品的虛擬設(shè)計技術(shù)。面向產(chǎn)品的原理、結(jié)構(gòu)和性能的設(shè)計、分析、模擬和評測，以優(yōu)化產(chǎn)品本身的性能、成本為目標(biāo)。

    2．產(chǎn)品的虛擬制造技術(shù)。面向產(chǎn)品制造過程模擬、檢驗和優(yōu)化，檢驗產(chǎn)品的可制造性、加工方法和工藝的合理性，以優(yōu)化產(chǎn)品的制造工藝過程、保證產(chǎn)品的制造質(zhì)量、制造周期和最低的制造成本為目標(biāo)。

    3．虛擬制造系統(tǒng)。著重于生產(chǎn)過程的規(guī)劃、組織管理、資源調(diào)度、物流、信息流等的建模、仿真與優(yōu)化。如虛擬企業(yè)、虛擬研發(fā)中心等。

    虛擬制造技術(shù)是CAD／CAE／CAM／CAPP和仿真技術(shù)的更高階段。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)、仿真技術(shù)等在計算機(jī)上建立起的虛擬制造環(huán)境是一種接近人們自然活動的一種“自然”環(huán)境，人們的視覺、觸覺和聽覺都與實際環(huán)境接近。人們在這樣環(huán)境中進(jìn)行產(chǎn)品的開發(fā)，可以充分發(fā)揮技術(shù)人員的想象力和創(chuàng)造能力，相互協(xié)作發(fā)揮集體智慧，大大提高產(chǎn)品開發(fā)的質(zhì)量和縮短開發(fā)周期。 
    
二、現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢 

     虛擬制造技術(shù)的發(fā)展首先是在其支撐技術(shù)的發(fā)展上取得進(jìn)展，例如，虛擬現(xiàn)實技術(shù)、仿真技術(shù)等。特別是一些單元技術(shù)與制造業(yè)的緊密結(jié)合不斷深入，并為其作出了巨大的貢獻(xiàn)，更推動了這些技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

    同時，支撐技術(shù)和單元技術(shù)的不斷成熟和在制造業(yè)中發(fā)揮越來越大的作用，也推動了虛擬制造技術(shù)的組合和集成。但由于各技術(shù)的相對獨立性，其統(tǒng)一的特征模型的建立、數(shù)據(jù)共享和交換等遇到了巨大的挑戰(zhàn)�；�于STEP、EDI、TCP／IP等標(biāo)準(zhǔn)的集成技術(shù)是唯一的發(fā)展方向。

    虛擬制造技術(shù)雖然于80年代才剛剛提出來的。但隨著計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，在90年代得到人們的極大重視而獲得迅速發(fā)展。

    1983年美國國家標(biāo)準(zhǔn)局NEL發(fā)展并提出了“虛擬制造單元”的報告，以更大的柔性完成分析、行程和時序安排、報告和監(jiān)控等功能。1989年麻省理工學(xué)院的“虛擬制造”的報告提出了虛擬制造在產(chǎn)品概念設(shè)計和性能早期評價方面的優(yōu)勢。1993年愛荷華大學(xué)的報告“制造技術(shù)的虛擬環(huán)境”提出了建立支持虛擬制造的環(huán)境，包括虛擬制造的評估系統(tǒng)、裝配順序計劃和材料去除過程模擬以及離線編程等技術(shù)。里海大學(xué)的報告則提出了與CAD／CAM、CIM、CAPP、快速原型、敏捷制造、柔性制造有關(guān)的可制造性等問題。1995年美國標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的報告“國家先進(jìn)制造實驗臺的概念設(shè)計計劃”，強(qiáng)調(diào)分散的、多節(jié)點的分散虛擬制造（DVM），即虛擬企業(yè)的概念，強(qiáng)調(diào)企業(yè)、政府和大學(xué)的聯(lián)合。美國國家研究委員會的報告“制造中的信息技術(shù)”探討了產(chǎn)品集成、過程設(shè)計、車間控制、虛擬工廠等的信息技術(shù)問題。1997年美國標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的報告“使用VRML的制造系統(tǒng)建�！眲t探討了虛擬現(xiàn)實技術(shù)及在網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用。

  可見，美國已經(jīng)從虛擬制造的環(huán)境和虛擬現(xiàn)實技術(shù)、信息系統(tǒng)、仿真和控制、虛擬企業(yè)等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和開發(fā)，多數(shù)單元技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入實驗和完善的階段。例如，美國華盛頓大學(xué)的虛擬制造技術(shù)實驗室發(fā)展的用于設(shè)計和制造的虛擬環(huán)境VEDAM、用于設(shè)計和裝配的虛擬環(huán)境等，已經(jīng)初具規(guī)模。但虛擬制造作為一個完整的體系，尚沒有進(jìn)行全面的集成。特別應(yīng)說明的是，虛擬企業(yè)（工廠）的研究在美國得到政府和企業(yè)界的極大關(guān)注，研究異�；钴S，成為其敏捷制造技術(shù)的主要支柱之一。

    歐洲以大學(xué)為中心也紛紛開展了虛擬制造技術(shù)研究，如虛擬車間、建模與仿真工程等的研究。日本在60－70年代的經(jīng)濟(jì)崛起受益于先進(jìn)制造與管理技術(shù)的采用。日本對虛擬制造技術(shù)的研究也秉承其傳統(tǒng)的特點－重視應(yīng)用，主要進(jìn)行虛擬制造系統(tǒng)的建模和仿真技術(shù)以及虛擬工廠的構(gòu)造環(huán)境研究。

    我國在虛擬制造技術(shù)方面的研究只是剛剛起步，其研究也多數(shù)是在原先的CAD／CAE／CAM和仿真技術(shù)等基礎(chǔ)上進(jìn)行的，目前主要集中在虛擬制造技術(shù)的理論研究和實施技術(shù)準(zhǔn)備階段，系統(tǒng)的研究尚處于國外虛擬制造技術(shù)的消化和與國內(nèi)環(huán)境的結(jié)合上。由于我國受到CAD／CAE／CAM基礎(chǔ)軟件、仿真軟件、建模技術(shù)的制約，阻礙了虛擬制造技術(shù)的發(fā)展。但這幾年，我國虛擬制造技術(shù)受到普遍的重視，發(fā)展很快，發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，例如：機(jī)械科學(xué)研究院與同濟(jì)大學(xué)、香港理工大學(xué)合作進(jìn)行的分散網(wǎng)絡(luò)化制造、異地設(shè)計與制造等技術(shù)的理論研究和實踐活動已經(jīng)取得了不少進(jìn)展；清華大學(xué)進(jìn)行了虛擬設(shè)計環(huán)境軟件、虛擬現(xiàn)實、虛擬機(jī)床、虛擬汽車訓(xùn)練系統(tǒng)等方面的研究；浙江大學(xué)進(jìn)行了分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)、VR工作臺、虛擬產(chǎn)品裝配等研究；西安交大和北航進(jìn)行了遠(yuǎn)程智能協(xié)同設(shè)計研究；天大、北京機(jī)床所、大連機(jī)床所進(jìn)行了機(jī)床的虛擬設(shè)計和軸機(jī)床的研究；西北工業(yè)大學(xué)進(jìn)行了虛擬樣機(jī)的研究；哈工大、北京機(jī)電所、上海交大、南京理工大學(xué)等單位也進(jìn)行了這方面的研究。據(jù)不完全的調(diào)查統(tǒng)計，國內(nèi)進(jìn)行虛擬制造技術(shù)研究的單位達(dá)到了100家，已經(jīng)取得了一些可喜的進(jìn)展。在虛擬現(xiàn)實技術(shù)、建模技術(shù)、仿真技術(shù)、信息技術(shù)、應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等單元技術(shù)等方面的研究都很活躍。但研究的進(jìn)展和研究的深度還屬于初期階段，與國際的研究水平尚有很大的差距，除了三維建模已經(jīng)有了4種商業(yè)軟件外，其他方面還沒有形成產(chǎn)業(yè)化。我國的研究多集中于高等院校和少量的研究院所，企業(yè)和公司介入的較少。 
    
三、“十五”目標(biāo)及主要研究內(nèi)容 

     1．目標(biāo)

    虛擬制造技術(shù)是各個單元技術(shù)在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的有機(jī)集成，產(chǎn)品的虛擬設(shè)計是其核心。圍繞著產(chǎn)品的設(shè)計進(jìn)行各種檢驗、模擬仿真、分析、評價和優(yōu)化。因此，我們建議以虛擬設(shè)計技術(shù)為突破口，率先取得突破，盡快進(jìn)入實用。再結(jié)合其它的單元技術(shù)，形成龍頭的帶動作用，從而全面推動虛擬制造技術(shù)的發(fā)展，達(dá)到如下的預(yù)期目標(biāo)：

    建立一個較為理想的自然設(shè)計制造環(huán)境，實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計、仿真、檢驗和性能預(yù)測，從而提高產(chǎn)品設(shè)計制造質(zhì)量、減少設(shè)計缺陷、優(yōu)化制造過程、降低成本和縮短開發(fā)周期，提高企業(yè)的市場競爭能力；在10個產(chǎn)品上全面應(yīng)用。

    2．主要研究內(nèi)容

    （1）產(chǎn)品的虛擬設(shè)計環(huán)境，包括產(chǎn)品的虛擬現(xiàn)實環(huán)境、虛擬裝配與檢查、樣機(jī)設(shè)計與性能評價、運(yùn)動仿真、干涉檢驗、產(chǎn)品的布局設(shè)計、造型設(shè)計等。產(chǎn)品的虛擬設(shè)計要求建立一個較完善的虛擬現(xiàn)實軟硬件環(huán)境，在這個環(huán)境中，應(yīng)能實現(xiàn)概念設(shè)計、三維建模、虛擬裝配以及各種仿真和檢驗等功能。

  （2）單元技術(shù)。包括虛擬樣機(jī)與產(chǎn)品工作性能評測、產(chǎn)品熱加工（鑄、鍛、焊、熱等）過程仿真、產(chǎn)品冷加工（車、銑、磨、沖壓等）過程仿真、企業(yè)生產(chǎn)過程規(guī)劃、仿真與優(yōu)化、虛擬企業(yè)（分散網(wǎng)絡(luò)化制造）和虛擬研發(fā)中心等。

    （3）單元技術(shù)的集成與虛擬制造系統(tǒng)。單元技術(shù)的集成和虛擬制造系統(tǒng)的建立，構(gòu)成了一個集設(shè)計、仿真、檢查、校驗和評價的完善系統(tǒng)，可以實現(xiàn)產(chǎn)品建立了數(shù)據(jù)、信息技術(shù)和資源的共享與交換，以及技術(shù)人員之間的直接聯(lián)系和協(xié)同工作的基礎(chǔ)，使得并行工程、人力和技術(shù)集成、信息交流等現(xiàn)代設(shè)計制造技術(shù)成為可能。

    （4）分散網(wǎng)絡(luò)化制造（虛擬企業(yè)）。虛擬企業(yè)是多個自主企業(yè)由網(wǎng)絡(luò)和合作協(xié)議聯(lián)系起來的動態(tài)聯(lián)盟，能夠充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，共同形成強(qiáng)大的市場競爭能力。

    （5）應(yīng)用示范。通過發(fā)動機(jī)、模具等10個產(chǎn)品的虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用與考核，達(dá)到實用、可靠、方便的目的，并帶動整個虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用和進(jìn)步。

    虛擬制造技術(shù)主要是一種軟件技術(shù)，除了計算機(jī)以及其它外圍設(shè)備構(gòu)成的硬件平臺的建立外，主要是軟件的開發(fā)、數(shù)據(jù)的收集和應(yīng)用研究。因此，擬采用如下的技術(shù)路線：

    由計算機(jī)、圖形加速卡、高頻顯示器、頭戴顯示器HMD、位置跟蹤器、光閥眼鏡、數(shù)據(jù)手套、6D鼠標(biāo)等硬件組成桌面虛擬現(xiàn)實平臺。由三維建模CAD軟件和數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，以虛擬設(shè)計技術(shù)為核心，以運(yùn)動仿真、干涉和碰撞檢查、加工過程仿真、樣機(jī)工作仿真與評價、生產(chǎn)過程規(guī)劃仿真、資源調(diào)配仿真與優(yōu)化以及立體實時顯示分析與計算等單元技術(shù)模塊為支撐，建立虛擬設(shè)計的軟件平臺。軟硬件平臺構(gòu)成產(chǎn)品虛擬設(shè)計的環(huán)境。結(jié)合企業(yè)的產(chǎn)品，如發(fā)動機(jī)及模具等，進(jìn)行必要的應(yīng)用考核和改進(jìn)，以便完善系統(tǒng)，為進(jìn)一步地推廣應(yīng)用建立示范。