浅析虚拟制造技术应用

浅析虚拟制造技术应用－－张忠建摘要：世界的制造业正在向中国转移，中国正在成为世界的制造大国。该文阐述了虚拟企业在当代经济发展中的重要性，并进一步阐述虚拟制造技术的概念和分类，以及虚拟技术在国外、国内的应用现状、前景和差距。关键词：虚拟企业；虚拟制造技术1前言:制造业是国民经济的支柱产业，制造业正在改变着人们的生产方式、生活方式、经营管理模式乃至社会的结构和文化，由于中国巨大的市场和潜在的劳动力资源，世界的制造业正在向中国转移，中国正在成为世界的制造大国。虚拟企业是为了快速响应某一市场需求，将产品涉及到的不同企业临时组建成为一个没有围墙、超越空间约束、靠计算机网络联系、统一协调的合作经济实体。虚拟企业的特点是企业的功能上不完整、地域上分散和组织结构上非永久性，它是实现敏捷制造的有效手段。由于市场的全球化，企业必须不断创新产品及优化制造过程，快速响应客户要求，才能取得竞争上的优势。同时，企业不可能也不必做每一件事、每一个部件和每一个制造过程，而必须寻找合适的合作伙伴。其最终目标是利用不同地区的现有生产资源，把它们迅速组合成一种没有界限的、靠电子手段联系的经营实体，以便快速推出高质量、低成本的新产品。缩短产品开发周期成为决定制造业竞争力的首要因素。而虚拟制造技术被认为是加速新产品开发的有效手段，它能很好地解决制造业的TQCS难题，虚拟制造技术对制造业将是一次新的革命，它的广泛应用意义是深远的。2.概念及分类:虚拟制造技术（VirtualManufacturingTechnology,orVMT）是以虚拟现实和仿真技术为基础，对产品的设计、生产过程统一建模，在计算机上实现产品从设计、加工和装配、检验、使用整个生命周期的模拟和仿真。这样，可以在产品的设计阶段就模拟出产品及其性能和制造过程，以此来优化产品的设计质量和制造过程，优化生产管理和资源规划，以达到产品开发周期和成本的最小化，产品设计质量的最优化和生产效率最高化，从而形成企业的市场竞争优势。虚拟制造技术按其功能可划分为：（2.1）产品的虚拟设计技术。面向产品的原理、结构和性能的设计、分析、模拟和评测，以优化产品本身的性能、成本为目标。（2.2）产品的虚拟制造技术。面向产品制造过程模拟、检验和优化，检验产品的可制造性、加工方法和工艺的合理性，以优化产品的制造工艺过程、保证产品的制造质量、制造周期和最低的制造成本为目标。（2.3）虚拟制造系统。着重于生产过程的规划、组织管理、资源调度、物流、信息流等的建模、仿真与优化。如虚拟企业、虚拟研发中心等。虚拟制造技术是CAD／CAE／CAM／CAPP和仿真技术的更高阶段。利用虚拟现实技术、仿真技术等在计算机上建立起的虚拟制造环境是接近人们自然活动的一种“自然”环境，人们的视觉、触觉和听觉都与实际环境接近。人们在这样环境中进行产品的开发，可以充分发挥技术人员的想象力和创造能力，相互协作发挥集体智慧，大大提高产品开发的质量和缩短开发周期。3.现状及国内外发展趋势:虚拟制造技术虽然于80年代才刚刚提出来的。但随着计算机技术的迅速发展，在90年代得到人们的极大重视而获得迅速发展。美国已经从虚拟制造的环境和虚拟现实技术、信息系统、仿真和控制、虚拟企业等方面进行了系统的研究和开发，多数单元技术已经进入实验和完善的阶段。但虚拟制造作为一个完整的体系，尚没有进行全面的集成。特别应说明的是，虚拟企业（工厂）的研究在美国得到政府和企业界的极大关注，研究异常活跃，成为其敏捷制造技术的主要支柱之一。从纯技术的角度上看，在制定我国虚拟制造技术发展策略时，应该注重以人为本的思想，运用并行工程的哲理，使各种先进制造技术相互衔接、协调发展，最终实现虚拟制造技术在我国的广泛应用。但是，虚拟制造技术所包括的内容并不是纯技术范围内的事，它是对传统制造方式的全面变革，带来了企业组织、企业管理及生产方式等多方面的变化，对此我们也要有足够的重视。目前，在美国并行工程已到了推广应用阶段，其虚拟制造研究方面也有试验性系统投入使用，在这方面我们存在巨大的差距，主要表现在：从研究工作方面看，科研经费紧缺，科研力量分散，科研成果难以推广应用，人才流失严重；从企业方面看，企业的整体素质不高，管理工作落后，科研能力薄弱，当面临国际竞争时大多难以为继，很难在先进制造技术方面花费过多，而且受企业人员素质的制约，一些先进的技术还不易取得立竿见影的实际效果，这些都影响了企业应用先进制造技术的热情；从国家政策方面看，虽然国家对制造业十分重视，但是，由于我国当前正处在改革过程中，多种机制同时运行，多方利益难以协调，在资金使用上往往顾此失彼，而且国家财政困难，也难以使用重金支持虚拟制造技术的研究。4.市场化与虚拟制造技术应用:制造业是我国国民经济的支柱产业，它一方面创造价值，生产物质财富和新的知识，另一方面为国民经济各个部门包括国防和科学技术的进步与发展提供先进的手段和装备。在我国的经济腾飞中，制造业功不可没。但是，随着计划经济体制向市场经济体制转变，我国制造企业的弊端日益显露出来。我国制造业目前存在的五大难题：产品质量不稳定，水平低下，主要机械产品中达到当代世界先进水平的不到10%；生产集中度低，分散、重复严重，缺乏协作；科技基础薄弱，自主研发创新能力差；企业装备陈旧，生产工艺落后，精密、高效、数控设备不足10%；人才培养后继乏力；加之企业基础管理薄弱，缺乏现代生产管理意识，在市场经济新形势下显得十分被动。5.结论：虚拟制造在工业发达国家，如美国、德国、日本等已得到了不同程度的研究和应用。在这一领域，美国处于国际研究的前沿。随着我国加人WTO，世界著名跨国集团公司入驻中国，使基于网络的远程虚拟制造技术逐步趋于成熟，异地设计、远程制造将为整个社会的前进和发展带来一次新的技术革命。基于产品的数字化模型，应用先进的系统建模和仿真优化技术，虚拟制造实现了从产品的设计、加工、制造到检验全过程的动态模拟，并对企业的运作进行了合理的决策与最优控制。虚拟制造以产品的“软”模型（SoftPrototype）取代了实物样机，通过对模型的模拟测试进行产品评估，能够以较低的生产成本获得较高的设计质量，缩短了产品的发布周期，提高了企业生产效率。企业的生产因为虚拟制造技术的应用而具有了高度的柔性化和快速的市场反应能力，因而市场竞争能力大大增强。作为一种先进的制造模式，虚拟制造的应用范围必然会不断扩大，给更多的企业带来更大的收益。虚拟制造是以计算机仿真、建模技术和并行工程技术为支持，利用计算机设计虚拟产品模型，在产品的实际加工之前对产品的性能、可制造性进行评价，同时对生产的全过程进行仿真，以达到产品生产的最优目标。虚拟制造不消耗资源和能量，只是模拟产品的设计、开发与生产过程，其目的是尽量降低产品的成本，缩短产品的研制周期，提高产品的质量和寿命。虚拟制造技术的应用研究虽然刚刚起步，却已经有了一些成功的应用，展现了巨大的经济效益和美好的前景。在美国，采用虚拟制造技术成功地设计了波音777飞机，飞机的整体及其300万个零件，从设计到加工完全实现了无图纸化，利用建立逼真的虚拟三维实体模型对飞机的各种性能进行分析、模拟，因而缩短了数千小时的工作量并节省了大量经费［4］。福特、通用等汽车公司都成功地运用了部分虚拟制造技术，设计发动机、车体、电气线路等，建立了三维实体模型并进行了碰撞分析和运动特性分析等，还进行了模拟数控加工和质量检查等，大大缩短了设计周期，降低了设计成本［5］。在国内，北京科学研究院把虚拟制造技术应用于立体车库设计，初步实现直观地布局、参数化设计分析和运动模拟。参考文献：［1］翁祖亮.内燃机产业关键技术分析.内燃机工程，1999，20(2)：1～9［2］乔信起，宋有臣，高希彦，陈家骅.高速柴油机喷油过程的测试研究.内燃机工程，1995，16(2)：73～78［3］姚健，严隽琪等.虚拟制造的关键技术研究.机械工业自动化，1998，20(3)：1～4［4］张申生.拟实制造与现代仿真技术.系统仿真学报，1995，7(3)：18～22［5］潘盛兴.计算机在法国美国汽车制造业中的应用.汽车工业研究，1996(1)：45～48［6］陈晓川等.虚拟制造技术研究概况综述.机械制造，1998(12)：8～10［7］(美)BuntingA.柴油机电控喷油系统新进展.国外内燃机，1998，30(2)：40～43［8］袁清珂，赵汝嘉.虚拟制造系统.中国机械工程，1995，6(4)：10～12