１ 虛擬制造技術界定與內涵　
　
　　虛擬現實（Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｒｅａｌｉｔｙ）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產生的三維仿真模型的虛擬環境。基于虛擬現實技術的虛擬制造（Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）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。其目的是在產品設計階段，借助建模與仿真技術及時地、并行地、模擬出產品未來制造過程乃至產品全生命周期的各種活動對產品設計的影響，預測、檢測、評價產品性能和產品的可制造性等等。從而更加有效的、經濟的、柔性的組織生產，增強決策與控制水平，有力地降低由于前期設計給后期制造帶來的回溯更改，達到產品的開發周期和成本最小化、產品設計質量的最優化、生產效率的最大化。　

    虛擬制造技術的研究內容是極為廣泛的，除了虛擬現實技術涉及的共同性技術外，虛擬制造領域本身的主要研究內容有：虛擬制造的理論體系；設計信息和生產過程的三維可視化；虛擬環境下系統全局最優決策理論和技術；虛擬制造系統的開放式體系結構；虛擬產品的裝配仿真；虛擬環境中及虛擬制造過程中的人機協同作業等。一般來說，虛擬制造的研究都與特定的應用環境和對象相聯系，由于應用的不同要求而存在不同的側重點，因此出現了三個流派，即以設計為中心的虛擬制造、以生產為中心的虛擬制造和以控制為中心的虛擬制造。以設計為中心的虛擬制造是通過增加制造信息到集成產品開發過程中并在計算機中仿真多種制造方案，為設計者提供一個設計產品和評估產品可制造性的環境。以生產為中心的虛擬制造是通過增加仿真能力到生產過程模型，達到方便和快捷地評價多種加工過程的目的。它為工藝計劃和生產計劃的生成、工藝資源的要求以及對這些計劃的評價提供了一個環境。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過程，模擬實際的車間生產，評估車間生產活動，達到優化制造過程的目的。　

２ 發展虛擬制造技術的意義

      虛擬制造也可以對想象中的制造活動進行仿真，它不消耗現實資源和能量，所進行的過程是虛擬過
程，所生產的產品也是虛擬的。虛擬制造技術的應用將會對未來制造業的發展產生深遠影響，它的重大作用主要表現為：　

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

    （２）可加深人們對生產過程和制造系統的認識和理解，有利于對其進行理論升華，更好地指導實際生產，即對生產過程、制造系統整體進行優化配置，推動生產力的巨大躍升。　

    （３）在虛擬制造與現實制造的相互影響和作用過程中，可以全面改進企業的組織管理工作，而且對正確作出決策有不可估量的影響。例如：可以對生產計劃、交貨期、生產產量等作出預測，及時發現問題并改進現實制造過程。　

    （４）虛擬制造技術的應用將加快企業人才的培養速度。我們都知道模擬駕駛室對駕駛員、飛行員的培養起到了良好作用，虛擬制造也會產生類似的作用。例如：可以對生產人員進行操作訓練、異常工藝的應急處理等。　

    （５）為敏捷制造（Ａｇｉｌｅ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）創造條件。敏捷制造是以競爭力和信譽度為基礎，選擇合作者組成虛擬公司，分工合作，為同一目標共同努力來增強整體競爭能力，對用戶需求作出快速反應，以滿足用戶的需要。為了達到快速應變能力，虛擬企業的建立是關鍵技術，其核心是虛擬制造技術，即敏捷制造是以虛擬制造技術為基礎的。　

    （６）實現綠色制造。綠色制造是一個綜合考慮環境影響和資源效率的現代制造模式，其目標是使得產品從設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢的整個產品生命周期中，對環境的影響（負作用）最小，資源的使用效率最高。綠色制造的提出是人們日益重視環境保護的必然選擇，發展不能以環境污染為代價，國際制造業的實踐表明，通過改進整個制造工藝來減少廢棄物，要比處理工廠處理已經排放的廢棄物大大節省開支，因此，當綠色制造發展到一定階段時，在虛擬制造技術中必定要集成綠色制造這一部分。　

    虛擬制造技術的廣泛應用將從根本上改變現行的制造模式，對相關行業也將產生巨大影響，可以說虛擬制造技術決定著企業的未來，也決定著制造業在競爭中能否立于不敗之地。　

３ 虛擬制造技術支撐系統　

    虛擬制造技術是多學科綜合的系統技術，需要研究開發相應的硬件集成系統與軟件，就軟件技術而言，相關的研究支持如下：１）可視化：真實、直觀地再現主觀產品與客觀制造過程；２）基本環境：增強可視化和其它虛擬制造功能的集成系統平臺；３）信息描述：表達各種信息，包括數據、知識和模型的統一的方法、語義、語法；４）中介模型：構造、定義、開發對過程易于中斷介入的模型；５）基層集成組織結構：硬件與軟件的基層組織結構；６）仿真模型：在計算機系統中設計的真實系統模型；７）應用方法；產品多樣性與過程動態性的共同特征的抽象提取；８）制造特征：各種材料在虛擬制造環境中的變化過程；９）虛擬制造系統評價：可制造性、工藝性、可靠性、經濟性、質量、工期等等。　　

    與硬件相關的技術有：１）輸入、輸出設備：基于 ＣＲＴ 和 ＬＣＤ 的頭盔顯示器（ＨＭＤ）、普通計算機顯示器、投影系統、可視化眼鏡、數據手套、數據背心、蹋滾、搖桿、觸墊、耳機和音響系統等；２）信息采集、存儲設備；３）能支持各種設備、數據存儲和高速運算的計算機系統；４）網絡體系結構（星型、環型、總線型）、通訊硬件等。　

    虛擬制造系統是各制造功能的虛擬集成，其關鍵技術主要包括：１）虛擬環境下的產品主模型技術：主模型是一個核心，能以此為中心通向設計、制造和生產管理等各個環節并為其提供服務。主模型具有統一的數據結構和分布式數據管理系統，它是一個可視化的數字產品模型，具有所代表的對象所具有的各種性能和特征，并能并行地處理設計分析、加工制造、生產組織與調度等各種生產環節所面臨的諸多問題；２）綜合可視化技術：主要包括計算機可視化技術、虛擬現實技術、多媒體技術和仿真技術；３）現實制造系統與虛擬制造系統之間的映射：虛擬設備、虛擬傳感器、虛擬單元、虛擬生產線、虛擬車間、和虛擬工廠的建立，以及各種虛擬設備的重用性和重組性技術；４）虛擬制造系統集成開發平臺的體系結構、構件庫及用戶開發環境；５）虛擬環境下分布式并行處理的分布式智能協同求解模型；６）虛擬公司的組織、調度及控制策略與技術。　　

４ 我國虛擬制造技術的 ＳＷＯＴ 分析　

    ＳＷＯＴ 是戰略管理理論中常用的分析方法，Ｓ（ｓｔｒｅｎｇｔｈ）表 示 優 勢 、Ｗ（ｗｅａｋｎｅｓｓ）表示劣勢、Ｏ（ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｙ）表示機遇、Ｔ（ｔｈｒｅａｔ）表示威脅。通過 ＳＷＯＴ 分析可以迅速了解我國虛擬制造技術的在世界上的水平，增強緊迫感和歷史的責任感，從而為制定科學的發展戰略奠定良好的基礎。　

    目前我國在虛擬制造技術方面的發展取得了一定的成就，主要表現在：１）產品虛擬設計技術：主要包括虛擬產品開發平臺、虛擬測試、虛擬裝配以及機床、模具的虛擬設計實現等。其中清華大學利用美國國家儀器公司的 Ｌａｂｖｉｅｗ 開發平臺實現了鎖相電路的虛擬，北京機械科學研究院采用 Ｃ 語言和 ＯｐｅｎＧＬ進行編程初步實現了立體停車庫的虛擬現實下的參數化設計，可以直觀地進行車庫的布局、設計、分析和運動模擬；２）產品虛擬制造技術：主要包括材料熱加工工藝模擬、加工過程仿真、板材成型模擬、模具制造仿真等。北航與一汽用 ＯＰＴＲＩＳ 開發的板料成型軟件已經基本能夠模擬類似車門的中等復雜程度的汽車覆蓋件和其他沖壓成型件的沖壓成型過程；沈陽鑄造研究所開發的電渣熔鑄工藝模擬軟件包ＥＳＲＤ３Ｄ 已經應用于水輪發電機變曲面過流部件生產中，其產品在劉家峽、李家峽、天生橋、太平役等 ７個電站中使用；合肥工業大學研制的雙刀架數控車床加工過程模擬軟件已經在馬鞍山鋼鐵股份有限公司車輪輪箍廠應用，使數控程序現場調試時間由幾個班縮短到幾小時，并保證一次試切成功；北京機床研究所、機械科學研究院、東北大學、上海交大和長沙鐵道學院等單位也研制出一些這方面的仿真軟件；３）虛擬制造系統：主要包括虛擬制造技術的體系結構、技術支持、開發策略等。其中提出了比較成熟的思想并可能實現的是由上海同濟大學張曙教授提出的分散網絡化生產系統和西安交通大學謝友柏院士組建的異地網絡化研究中心。　

    在國外由于虛擬制造技術具有誘人的應用前景，促使發達國家對其進行深入研究。在美國已形成了由政府、產業界、大學組成的多層次、多方位的綜合研究開發力量。在歐洲，許多大學和研究機構通過相互間的合作并聯合企業進行虛擬制造技術的研究工作，例如：由 Ｂａｔｈ 大學進行的 Ａ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｗｏｒｋｓｈｏｐｆｏｒ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｂｙ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ研究，由Ｈｅｒｒｉｏｔ－Ｗａｔｔ大學進行的 Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｇｒｏｕｐ 研究等。在日本，已經形成了以大阪大學為中心的研究開發力量，主要進行虛擬制造系統的建模和仿真技術的研究，并開發出了虛擬工廠的構造環境 ＶｉｒｔｕａｌＷｏｒｋｓ。從這一點上可以看出我國與國外存在較大的差距，國外的虛擬技術是政府、科研院所和企業共同進行的，而我國很多只是集中在某一局部研究機構，產業化程度非常低。　

    例如：美國 Ｂｏｎｅｉｎｇ 公司設計的一架 ＶＳ－Ｘ 虛擬飛機，可用頭盔顯示器和數據手套進行觀察與控制，使飛機設計人員身臨其境地觀察飛機設計的結果，并對其外觀、內部結構及使用性能進行考察；日本Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ 公司開發的虛擬廚房設備制造系統，允許消費者在購買商品前，在虛擬的廚房環境中體驗不同設備的功能，按自己的喜好評價、選擇和重組這些設備，他們的選擇將被存儲并通過網絡送至生產部門進行生產；美國 Ｃｏｖｅｎｔｒｙ　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ａｒｔ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ開發的虛擬原型制作系統，設計者在設計的初始階段能夠在計算機中構造虛擬原型并對此原型進行評價，而我國很多都只是停留在概念階段。　

    通過上述比較可以看出，虛擬制造技術在我國面臨更多的是一種國際超常發展的挑戰和威脅，雖然我國工業化的建設能夠提供更大的市場空間和機遇，但是沒有一個超常規的發展戰略進行指導虛擬技術的發展也是非常不利的。　

５ 虛擬制造技術的發展戰略　
　
（１）實施和完善基礎工程　　

    虛擬制造技術的發展不是一個孤立的過程，它對基礎制造技術和工程有非常嚴格的要求，因此發展虛擬制造技術的戰略基礎和前提條件就是實施和完善基礎工程。主要包括：１）精益生產（Ｌｅａｎ　Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）。精益生產要求簡化生產過程，減少信息量，消除過分臃腫的生產組織，使產品及其生產過程盡可能地簡化和標準化。這樣做的結果對虛擬制造的建模仿真是十分有利的，即現實生產過程越簡化則虛擬制造實現起來 就 越 容 易 。 ２ ） 并 行 工 程 （ Ｃｏｎｃｕｒｒｅｎｔ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）：并行工程是集成地、并行地設計產品及其相關過程（包括制造過程和支持過程）的系統方法。它要求產品開發人員在一開始就考慮產品整個生命周期中從概念形成到產品報廢的所有因素，包括質量、成本、進度計劃和用戶要求。為了達到并行的目的，必須建立高度集成的主模型，通過它來實現不同部門人員的協同工作；為了達到產品的一次設計成功，減少反復，它在許多部分應用了仿真技術；主模型的建立、局部仿真的應用等都包含在虛擬制造技術中，可以說并行工程的發展為虛擬制造技術的誕生創造了條件，虛擬制造技術將是以并行工程為基礎的，并行工程的進一步發展就是虛擬制造技術。　

    （２）　以市場需求為出發點，以“甩圖板”工程為契機，大力普及 ＣＡＤ 技術，幫助企業進行人員培訓，提高企業人員的素質（其中包括技術水平、勞動態度、道德水平等），在 ＣＩＭＳ 成功示范企業中及時推廣并行工程、敏捷制造等思想和技術，為虛擬制造技術的實現提供堅實的基礎，在個別企業或部門首先實現虛擬制造。　

    （３）在技術的先進性方面，應該根據企業實際要求，不要過度追求世界領先，以解決實際問題，力爭盡快創造效益，以此取得企業的支持并獲得資金上的幫助，以便形成良性循環，促進研究工作的進一步開展。從單純的技術角度看，在一個企業要實現虛擬制造，應分階段逐步進行，不能隨便超越階段，一般可以從以下幾個階段開始：１）建立企業網和工程數據庫，初步實現 ＣＡＤ、ＣＡＰＰ、ＣＡＭ 功能；２）進行信息集成，推行 ＰＤＭ 技術、特征建模技術，形成一個 ＣＡＤ、ＣＡＰＰ、ＣＡＭ 的集成系統；３）首先在設計、工藝、制造部門建立統一的產品模型，初步實現并行工程；進一步將企業管理方面的 ＭＩＳ、ＭＲＰＩＩ 與 ＣＡＤ／ＣＡＭ 系統進行集成，實現全廠范圍內的信息集成，全面實現并行工程；４）在上述工作的基礎上，對企業內的生產、經營等多方面的活動進行建模、仿真，實現虛擬制造。　

    （４）從企業方面看，要注重工業工程的推廣應用，從管理中要效益；在行業內部，應按具有一定通用性和行業特色進行虛擬制造技術的研究，推動整個行業的發展；在整個制造業中，應抓住共性對普遍采用的技術、人員組織和生產管理等方面開展虛擬制造技術的研究，加強整個制造業的競爭力。

    （５）建立分布式網絡化研究中心，協調一致進行科技攻關。所謂分布式網絡化研究中心就是利用信息技術、網絡技術、計算機技術對現實研究活動中的人、物、信息及研究過程進行全面的集成，在一定時期內為了共同的目標以最佳的人員和單位組合來開展科學研究工作，調動各方面的積極性通過協同工作達到研究工作的廣泛開展和深入進行，縮短科研周期，增強科技成果的競爭力，也可以說分布式網絡化研究中心是將現實的研究機構的職能在網絡中的映射，是一種“虛擬”的工作模式。　

    （６）在政府方面，應發揮政府的協調職能，組織企業和科研部門進行多方面、多層次的合作，加強科研成果的應用推廣，而且應組織多學科、跨地區的科研力量共同攻關；從宏觀上加強對虛擬制造技術的指導，盡早制定符合我國國情的發展計劃。