伴隨著制造業(yè)迅猛發(fā)展而形成的生產(chǎn)消費(fèi)模式，正過度消耗著大量不可再生的資源，破壞著人類的生存環(huán)境。因此，發(fā)展與資源、環(huán)境的和諧，以及社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，就成為全球性的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的戰(zhàn)略導(dǎo)向，即向資源利用合理化、廢棄物產(chǎn)生少量化、環(huán)境影響無害化的方向發(fā)展。至此，運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，使報廢產(chǎn)品高質(zhì)量地再生，是對產(chǎn)品附加值(包括能量、勞動、材料)的最優(yōu)化資源回收方式，即再制造就成為必然的發(fā)展趨勢。而虛擬再制造技術(shù)是再制造設(shè)計發(fā)展的必要途徑，也是其作為先進(jìn)制造技術(shù)的重要特征。

　　1 虛擬再制造的相關(guān)定義

　　(1)虛擬制造的定義。虛擬制造是先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果，本質(zhì)上屬于仿真技術(shù)，是各種制造仿真技術(shù)的系統(tǒng)集成。它在CAD/CAM/CAE、CIMS、CE等技術(shù)的基礎(chǔ)之上發(fā)展，即利用仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，在高性能計算機(jī)及高速網(wǎng)絡(luò)的支持下，采用群組協(xié)同工作，通過模型來模擬和預(yù)估產(chǎn)品功能、性能及可加工性等各種可能存在的問題，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造的本質(zhì)過程，包括產(chǎn)品的設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗、并進(jìn)行過程管理與控制等。

　　(2)再制造的定義。再制造(Remanufacturing)是指通過回收、拆卸、分揀、清洗、噴涂、翻修及再裝配等環(huán)節(jié)，修復(fù)或改造廢舊產(chǎn)品，恢復(fù)零部件或產(chǎn)品性能的技術(shù)和活動。

　　(3)虛擬再制造的定義。虛擬再制造融合了虛擬制造與再制造的特點(diǎn)，結(jié)合虛擬環(huán)境和過程仿真技術(shù)，是在計算機(jī)內(nèi)構(gòu)造虛擬的再制造系統(tǒng)模型，進(jìn)行實(shí)際再制造過程的模擬，預(yù)估出再制造產(chǎn)品未來的性能、再制造全過程及其對產(chǎn)品設(shè)計的影響，從而作出前瞻性的決策與控制方案，實(shí)現(xiàn)再制造產(chǎn)品總體優(yōu)化目標(biāo)。虛擬再制造不是實(shí)際的再制造，但能實(shí)現(xiàn)實(shí)際再制造的本質(zhì)過程。它是實(shí)際制造在計算機(jī)上的虛擬實(shí)現(xiàn)，依托軟件，結(jié)合硬件，從舊零件到再制造品的設(shè)計，對于再制造中的產(chǎn)品檢測、加工、控制、試驗和管理等過程來進(jìn)行虛擬仿真，并得出再制造品的可再制造性、加工的可行性、再制造的可靠性以及經(jīng)濟(jì)性。在此基礎(chǔ)之上，作出最優(yōu)決策，從而進(jìn)一步降低再制造的人力、物力、財力的綜合成本，節(jié)約資源，以此來提高再制造在企業(yè)中的廣泛適用性，促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

　　2虛擬再制造的研究現(xiàn)狀以及層次劃分

　　2.1虛擬再制造的研究現(xiàn)狀

　　理論方面，2003年崔培枝、姚巨坤等根據(jù)虛擬再制造的特點(diǎn)，并參照虛擬制造的研究內(nèi)容，提出了虛擬再制造定義，并探討了虛擬再制造研究的體系框架。2008年胡仲翔、滕家緒等對虛擬再制造工程的發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)做了研究，進(jìn)一步分析了虛擬再制造的特點(diǎn)，闡述了虛擬再制造體系結(jié)構(gòu)，并提出了實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。

　　實(shí)踐方面，日本、德國、美國等發(fā)達(dá)國家在虛擬制造技術(shù)方面的研究，為仍屬于起步階段的虛擬再制造發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。在再制造領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的直觀與交互性可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)設(shè)計分析工具的不足，為虛擬裝配、虛擬加工提供有力的支持。在我國，隨著再制造工程的發(fā)展，虛擬再制造逐步成為其研究的重點(diǎn)之一，并且被列為國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目《再制造基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)》的子課題。清華大學(xué)國家CIMS工程技術(shù)研究中心實(shí)現(xiàn)了仿真虛擬裝配支持系統(tǒng)(Virtual Assembly Support System,VASS)。浙江大學(xué)CAD&CG國家重點(diǎn)實(shí)驗室采用CAVE系統(tǒng)建立了一個完全沉浸式的虛擬裝配原型系統(tǒng)IVAS。同時，裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗室設(shè)立了虛擬檢測研究室，胡仲翔等進(jìn)行了設(shè)備制配零件的虛擬再制造數(shù)控加工研究，完成了數(shù)控系統(tǒng)幾何建模、數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動建模、數(shù)控車削加工過程仿真等工作，開發(fā)了基于Windows系統(tǒng)下的B-CNC系統(tǒng)的數(shù)控車削加工仿真系統(tǒng)。

　　綜上，虛擬再制造理論和實(shí)踐的日趨成熟，為其進(jìn)一步的發(fā)展打下了堅實(shí)基礎(chǔ)。

　　2.2虛擬再制造研究內(nèi)容的層次劃分

　　虛擬再制造包括實(shí)現(xiàn)再制造過程中的虛擬檢測、虛擬加工、虛擬維修、虛擬裝配、虛擬控制、虛擬實(shí)驗、虛擬管理等再制造本質(zhì)過程161。根據(jù)該過程，可以將其具體的研究內(nèi)容劃分為如下3個層次(如圖l所示)。

　　▲圖1虛擬再制造的3個層次

　　(1)宏觀層是通過虛擬整個制造系統(tǒng)中的物流、信息流，明確各單元間的關(guān)系和約束條件等，包含了生產(chǎn)企業(yè)的所有活動和用戶的消費(fèi)過程，是在宏觀上高層次系統(tǒng)仿真。

　　(2)中觀層是指對再制造系統(tǒng)的仿真和再制造品的加工過程仿真。包含了再制造的工藝規(guī)程，生產(chǎn)系統(tǒng)的虛擬布局、虛擬調(diào)度以及具體加工過程的一系列仿真，它是在宏觀層的基礎(chǔ)上，對虛擬再制造過程的進(jìn)一步具體細(xì)化。

　　(3)微觀層是指加工過程中再制造系統(tǒng)的各種微觀特性的變化的仿真，如鑄造(鍛壓)成型過程中材料的微觀現(xiàn)象仿真等。通過微觀層的虛擬，預(yù)測出再制造的相關(guān)特性來有效地進(jìn)行質(zhì)量控制與改進(jìn)。

　　3虛擬再制造關(guān)鍵技術(shù)及特點(diǎn)

　　關(guān)鍵技術(shù)主要包括：信息挖掘技術(shù)、再制造虛擬加工建模技術(shù)、最優(yōu)決策理論與技術(shù)、虛擬環(huán)境及虛擬再制造加工過程技術(shù)、虛擬質(zhì)量控制與檢測技術(shù)、基于虛擬實(shí)現(xiàn)與多媒體的可視化技術(shù)、虛擬再制造企業(yè)的管理策略與技術(shù)等內(nèi)容(如圖2所示)，其特點(diǎn)如下。

　　▲圖2虛擬再制造的關(guān)鍵技術(shù)

　　(1)信息挖掘技術(shù)是實(shí)現(xiàn)前提。虛擬再制造包含了再制造的整個過程，參與者繁多。如圖3所示，每個節(jié)點(diǎn)代表了原制造和再制造等同類型多個企業(yè)，各節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行技術(shù)、人員等信息的采集與反饋，最終構(gòu)建繁復(fù)的信息網(wǎng)絡(luò)。虛擬再制造必須建立在其之上，并在繁雜的信息中挖掘有價值的來確保虛擬再制造設(shè)計及實(shí)現(xiàn)的合理性。

　　(2)再制造虛擬加工建模技術(shù)是基礎(chǔ)。虛擬再制造建立在計算機(jī)技術(shù)之上，要針對質(zhì)量特性不同的原材料合理建模，統(tǒng)一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。所建模型要包含形狀、性能、特征。緊密聯(lián)系各個模型之間的關(guān)系，從而為虛擬再制造的各個環(huán)節(jié)提供數(shù)據(jù)化、電子化的技術(shù)基礎(chǔ)。

　　(3)最優(yōu)決策理論與技術(shù)是關(guān)鍵。加工對象的特殊性決定了再制造過程中會產(chǎn)生多種可行方案，如何利用計算機(jī)仿真技術(shù)來虛擬實(shí)現(xiàn)這些方案，預(yù)估相應(yīng)的結(jié)果，再根據(jù)數(shù)學(xué)模型建立的優(yōu)化方法作出最優(yōu)的決策，進(jìn)而降低甚至免除實(shí)際加工的相應(yīng)成本，提高質(zhì)量可控性和縮短再制造的周期，使綜合效益最大化，就成為虛擬再制造的關(guān)鍵所在。

　　(4)虛擬質(zhì)量控制與檢測技術(shù)是必要保證。再制品的質(zhì)量是一個動態(tài)、變化、發(fā)展的過程，受到諸多因素的影響。如何在虛擬加工過程中根據(jù)虛擬仿真得到的幾何參量、機(jī)械參量和物理參量的動態(tài)模型進(jìn)行檢測和控制，以及對再制造產(chǎn)品的虛擬實(shí)驗測試，就成為虛擬再制造的必要保證。虛擬再制造的質(zhì)量管理立足于整個過程的各個環(huán)節(jié)，運(yùn)用全面質(zhì)量管理的PDCA循環(huán)，利用虛擬仿真技術(shù)從再制造的計劃到具體加工、檢查、處理再到計劃逐一控制，以此來調(diào)整加工工藝，減少誤差，提高再制造的質(zhì)量管理水平，如圖4所示。

　　(5)基于虛擬實(shí)現(xiàn)與多媒體的可視化能較為直觀地體現(xiàn)再制造的過程，展示出虛擬再制造的成品。采用多媒體手段，實(shí)現(xiàn)虛擬再制造在計算機(jī)上的仿真，將可視化、臨場感、交互、激發(fā)想象結(jié)合到一起產(chǎn)生沉浸感，這是虛擬再制造實(shí)現(xiàn)直觀的人機(jī)協(xié)同交互的重要方面。

　　(6)虛擬再制造企業(yè)的管理策略與技術(shù)是發(fā)展趨勢。虛擬再制造企業(yè)是根據(jù)企業(yè)參與市場競爭的需要，在強(qiáng)調(diào)快速和柔性的前提下提出的一種先進(jìn)的生產(chǎn)組織模式。它結(jié)合再制造工程和虛擬企業(yè)的優(yōu)點(diǎn)，對虛擬再制造的設(shè)計、生產(chǎn)和管理過程的仿真，以及對再制造企業(yè)管理策略的虛擬。

　　4虛擬再制造與實(shí)際制造、虛擬制造的關(guān)系

　　虛擬再制造是將虛擬技術(shù)應(yīng)用到再制造的過程之中，融合兩者的優(yōu)點(diǎn)，對廢舊原材料的回收、拆卸和設(shè)計、裝配工藝、再制造加工過程及質(zhì)量檢測的仿真，以計算機(jī)為基礎(chǔ)來虛擬整個再制造過程，其開發(fā)運(yùn)行環(huán)境，如圖5所示。

　　目標(biāo)系統(tǒng)層主要是確定虛擬再制造的設(shè)計、生產(chǎn)和運(yùn)行環(huán)境方面的具體目標(biāo)，然后通過虛擬再制造模型層的相關(guān)模型，最終構(gòu)建出再制造活動模型和再制造品以及再制造過程模型。基于上述開發(fā)與運(yùn)行的環(huán)境，虛擬再制造與實(shí)際再制造的生產(chǎn)模式的流程及關(guān)系如圖6所示。虛擬再制造利用模型，計算機(jī)得到最優(yōu)決策，從而指導(dǎo)實(shí)際再制造。實(shí)際制造的結(jié)果和暴露出來的問題又是虛擬再制造的實(shí)踐，不斷促進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計，優(yōu)化虛擬的過程。

　　表1中針對虛擬再制造、實(shí)際再制造和虛擬制造的加工方式、對象等9個方面做了對比。結(jié)果顯示，雖然虛擬環(huán)境較復(fù)雜，原材料來源的不確定和質(zhì)量特性的個體差異，使虛擬再制造在技術(shù)上有了更高的要求，卻能夠確保問題的及時發(fā)現(xiàn)、方案的精進(jìn)優(yōu)化和整個周期的壓縮，在資源的使用上更加的高效，成本更低。此外，依托計算機(jī)數(shù)字化，虛擬再制造的整個過程可以實(shí)現(xiàn)信息的共享，相互交流促進(jìn)，提高傳遞的速度與質(zhì)量，使再制造更好地實(shí)現(xiàn)快捷、優(yōu)質(zhì)和低耗，從而適應(yīng)市場需求的變化。

　　表1 虛擬再制造、虛擬制造和實(shí)際再制造對比表

　　5虛擬再制造與其他先進(jìn)制造的關(guān)系

　　隨著以信息集成為核心的計算機(jī)集成制造技術(shù)的發(fā)展，多種先進(jìn)制造應(yīng)運(yùn)而生并日趨成熟。它們均以計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和工程數(shù)據(jù)庫等為依托，與虛擬再制造相互關(guān)聯(lián)、相互促進(jìn)。

　　(1)虛擬再制造與精益生產(chǎn)(Lean Production)。精益生產(chǎn)力求以最低成本生產(chǎn)出最高品質(zhì)的產(chǎn)品，這里的“精益”是一種理念，也是通過持續(xù)的消除浪費(fèi)向客戶提供完美價值的過程。這與虛擬再制造的追求理念完全一致，實(shí)現(xiàn)再制造生產(chǎn)過程的簡化，更有利于虛擬再制造建模仿真的實(shí)現(xiàn)，利用虛擬的技術(shù)手段使得再制造的過程不斷的向“精益化”發(fā)展。

　　(2)虛擬再制造技術(shù)與并行工程(Concurrent Engineefing)。并行工程把傳統(tǒng)的制造與計算機(jī)、自動化技術(shù)相結(jié)合，從根本上改變傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)模式。并行工程是虛擬再制造技術(shù)的基礎(chǔ)，它的發(fā)展為虛擬再制造技術(shù)的誕生創(chuàng)造了條件。在實(shí)際再制造之前，虛擬再制造預(yù)計出再制品的可制造性、可裝配性、可測試性等，從而優(yōu)化決策，縮短周期，提高質(zhì)量，降低成本。

　　(3)虛擬再制造技術(shù)與綠色制造Green Manufacture)。綠色制造是一個綜合考慮環(huán)境影響和資源利用效率的先進(jìn)制造模式。即在滿足產(chǎn)品功能、質(zhì)量等要求的前提下，做到對環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響最小化，對資源利用效率最大化，并盡可能地使廢棄物資源化和無害化，從而使系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益達(dá)到最優(yōu)。它是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在制造業(yè)中的體現(xiàn)，代表了現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展方向。而再制造的過程本身就是循環(huán)經(jīng)濟(jì)與可持續(xù)發(fā)展的體現(xiàn)，虛擬再制造技術(shù)更是在此基礎(chǔ)上的一種提高。綠色制造在虛擬再制造技術(shù)中必定擔(dān)當(dāng)著重要的角色，是實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。

　　(4)虛擬制造技術(shù)與敏捷制(Agile Manufacturing)。敏捷制造理論的基本含義是以柔性生產(chǎn)技術(shù)和動態(tài)聯(lián)盟結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，以高素質(zhì)、協(xié)同良好的工作人員為核心，實(shí)施企業(yè)間的網(wǎng)絡(luò)集成，形成快速響應(yīng)市場的社會化制造體系。它著眼于小規(guī)模模塊化組合和企業(yè)間合作生產(chǎn)，發(fā)揮眾多特長企業(yè)的優(yōu)勢來適應(yīng)變化多端的市場需求，把宏觀的國際市場需求與具體的企業(yè)生產(chǎn)密切結(jié)合，充分發(fā)揮人的因素，及時抓住機(jī)遇，快速響應(yīng)市場。而這些實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)在于虛擬企業(yè)的建立和虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用。虛擬再制造作為現(xiàn)代制造業(yè)的不可或缺的方面，也是促進(jìn)敏捷制造的有力途徑。

　　6虛擬再制造的應(yīng)用前景

　　利用關(guān)鍵技術(shù)的虛擬性、高效性、仿真性等特點(diǎn)，以虛擬再制造技術(shù)來指導(dǎo)實(shí)際再制造，使虛擬制造的優(yōu)勢在再制造工程中充分發(fā)揮，從而促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這是虛擬再制造的最終目的。與此應(yīng)運(yùn)而生的虛擬再制造企業(yè)，必將隨著市場的發(fā)展形成虛擬的動態(tài)戰(zhàn)略聯(lián)盟，即圍繞再制造品的開發(fā)與生產(chǎn)，利用不同地域、不同地點(diǎn)的現(xiàn)有資源、企業(yè)或工廠，以再制造為手段快速地響應(yīng)市場的需求，謀求競爭優(yōu)勢。它是具有集成性和實(shí)效性兩大特點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)實(shí)體，能夠更加突出虛擬再制造的優(yōu)勢。這種在地域上分散實(shí)質(zhì)上高度集中的先進(jìn)模式，必須以計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)而綜合先進(jìn)制造技術(shù)的優(yōu)勢，其特點(diǎn)如下。

　　(1)業(yè)務(wù)功能的虛擬化。在虛擬再制造企業(yè)的組織形態(tài)下，再制造全過程的各種功能將以多種形式借助于聯(lián)盟成員分工實(shí)現(xiàn)，最后再進(jìn)行實(shí)際組合和集成。而不依靠企業(yè)內(nèi)部這些功能的具體執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在這種情況下，企業(yè)可以更加專注于市場目標(biāo)。

　　(2)組織的虛擬化。虛擬再制造企業(yè)的結(jié)構(gòu)不再是固定不變的，逐步傾向于分布化，根據(jù)目標(biāo)和環(huán)境的變化進(jìn)行組合，動態(tài)地調(diào)整組織結(jié)構(gòu)，這也更加利于再制造資源的利用。

　　(3)地域的虛擬化。憑借信息網(wǎng)絡(luò)，再制造的信息流和物流等可以在虛擬再制造企業(yè)聯(lián)盟中流通，從而大大降低傳統(tǒng)模式的地域障礙。

　　總之，不同的再制品選用不同的企業(yè)，發(fā)揮動態(tài)聯(lián)盟的合作優(yōu)勢，最大限度地優(yōu)化資源的整合與配置，這樣可以彌補(bǔ)再制造企業(yè)規(guī)模較小、發(fā)展有限的劣勢。利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的連接溝通，在虛擬聯(lián)盟之間實(shí)現(xiàn)高效的信息共享，促進(jìn)虛擬再制造的發(fā)展。聯(lián)盟分工合作的模式，將使再制造的生產(chǎn)模式更加靈活多變，適應(yīng)性更強(qiáng)。這里需要強(qiáng)調(diào)的是動態(tài)聯(lián)盟的核心問題是盟友選擇問題，即虛擬再制造企業(yè)在實(shí)際運(yùn)行之前，必須分析評估出這個聯(lián)盟的組合協(xié)調(diào)性與合理性，明確投產(chǎn)后的風(fēng)險與收益等。真正地依靠網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組成的經(jīng)濟(jì)實(shí)體的合理性，從而才能立足于多變的市場發(fā)揮優(yōu)勢。