1 虛擬制造產生的背景

　　虛擬制造技術(VMT)正是在強調柔性和快速的前提下于20世紀80年代提出的概念，并在20世紀90年代得到重視和發展。它是以虛擬現實和仿真技術為基礎，對產品的設計、生產過程統一建模，在計算機上實現產品從設計、加工、裝配、檢驗直至整個生命周期的模擬和仿真。這里所說的制造過程，包括產品級的制造和企業級的生產管理，國際上稱之為“大制造”(B-Manufacture)。目前國際上對虛擬制造并沒有統一的定義，1994年7月在美國俄亥俄州舉辦的虛擬制造用戶專題討論會上，人們根據制造過程的側重點不同將虛擬制造分為3類，提出了“3個中心”的分類方法，即“以產品為中心的虛擬制造”、“以生產為中心的虛擬制造”和“以控制為中心的虛擬制造”，獲得國際學術界的認同。

　　“以產品為中心的虛擬制造”是將制造信息加入到產品設計與工藝設計過程中，在計算機中生成制造過程原型，對多種制造方案進行仿真，對數字化產品模型的性能、可制造性、可裝配性、成本等進行分析，優化產品設計和工藝設計，以期盡早發現產品設計及工藝過程存在的問題。

　　“以生產為中心的虛擬制造”是將仿真信息加人到生產計劃模型中，以便快速便捷的評價多種生產計劃，優化生產計劃和制造環境的配置。主要是根據企業現有資源對不同的加工過程進行評估優化，決定合理的生產組織方式。

　　“以控制為中心的虛擬制造”是將仿真能力加人到設備控制模型中，提供實際生產過程中的虛擬環境，使企業在考慮車間控制行為的基礎上對制造過程進行優化控制。

　　這三類虛擬制造的比較見表1。

　　表1 三種類型虛擬制造的比較

　　2 虛擬制造的內涵

　　虛擬制造是實際制造在計算機中的映射與本質體現，實際生產過程是實際的物質流、信息流在控制流的協調作用下，實現投入到產出的過程，而虛擬制造過程則是現實制造系統(RMS)在虛擬環境下的映射。實際制造系統和虛擬制造系統可用下式表辰

　　RMS={ RPS，RIS，RCS};

　　VMS={ VPS，VIS，VCS};

　　其中，RMS和VMS分別表示實際制造系統和虛擬制造系統，RPS, RIS, RCS分別是實際物質流、實際信息流、實際控制流;VPS, VIS, VCS分別是虛擬物質流、虛擬信息流、虛擬控制流。虛擬制造與實際制造的關系可用圖1表示。

　　圖1 虛擬制造與實際制造的關系

　　可見，由于虛擬制造可以在制造過程的物理實現之前預測產品性能和制造過程的細節，并通過及時的信息反饋來修改產品模型以達到整體最優，從而可以降低企業成本，增強企業競爭力。具體說來實施虛擬制造有以下4個方面的收益:

　　(1)縮短產品開發周期。傳統制造遵循設計一試制一修改設計一規模化大生產的串行式結構，只有在試制出樣品后才進行產品信息反饋，決定是否要修改設計。而在虛擬制造中，可以隨時在設計過程中檢驗可制造性和可裝配性，方便的修改模型，信息反饋更為及時。

　　(2)提高產品質量。虛擬制造過程通過對多種制造方案進行仿真，優化產品設計和工藝設計，彌補了傳統制造業靠經驗決定加工方案的不足，提高了產品質量。

　　(3)降低資源消耗。由于虛擬制造在計算機中進行，并不消耗實際生產所需的物理材料，減少了材料浪費和刀具磨損。

　　(4)提高企業柔性生產能力，增強企業決策準確性。決策者可以在虛擬制造中了解產品性能、制造成本、生產進度等信息，有助于決策者把握利潤與風險之間的平衡。

　　3 虛擬制造的關鍵技術

　　虛擬制造涉及的技術領域十分廣泛，從其軟件實現和人機接口而言，虛擬制造的實現在很大程度上取決于虛擬現實技術的發展，這其中包括計算機圖形學技術、傳感器技術、系統集成技術等。從制造技術的角度講可將虛擬制造技術的體系結構分為以下3大主體技術群，即建模技術群、仿真技術群、控制技術群，虛擬制造技術研討會上將其進一步細化為13個技術領域和44項技術。

　　3.1 虛擬現實技術

　　“虛擬現實”(VR, Virtual Reality)的概念是20世紀80年代初美國VPL公司的創建人之一Jaron Lanier提出來的，他認為，虛擬現實意味著“用電子計算機合成的人工世界。”虛擬現實強調“身臨其境”的感覺，人們可以在虛擬環境中看、聽、觸摸、操作物體，如同在現實環境中一樣，希望以一種“自然”的方式與虛擬環境進行交互。虛擬現實覆蓋人類感知世界的多重信息通道，通過計算機把視覺、聽覺、觸覺、味覺等多種信息合成并提示給人的感覺器官，從而把人、現實世界和虛擬空間結合起來融為一體，相互間進行信息的交流與反饋。

　　各種VR裝置是人們與虛擬環境進行交互的媒介，好的VR裝置可以使用戶體驗到很高的“沉浸度”。VR裝置的發展離不開傳感器技術，視覺、聽覺、嗅覺、味覺，觸覺等都可以通過傳感器進行模擬。虛擬現實中經常用到的VR裝置有數據手套、3D頭盔、六自由度鼠標、力反饋器、空間位置傳感器等。一個VR裝置上通常會有多個至數十個傳感器，以數據手套為例，它可以完成對手指關節彎曲度和手指開合情況的測量，將手的姿態和動作傳遞給計算機，讓計算機做出正確的反應，并通過手套上的力學反饋裝置與手產生真實的接觸和受力感覺，使用戶在抓取、松開物體以及操縱虛擬機器等時有真實的感受。

　　3.2 建模技術

　　根據虛擬制造模型的層次不同，可將模型分為產品級、車間級和企業級。

　　(1)產品級模型指制造過程中各類實體對象模型的集合，包括產品模型和工藝模型等。產品模型中除了包含必備的幾何、形狀、公差等靜態信息以外，還必須能夠通過映射、抽象等方法提取出制造過程中所需的動態信息。工藝模型是將工藝參數與影響制造功能的產品設計屬性聯系起來，以反應生產模型與產品模型間的交互作用。工藝模型必須包括以下功能:物理和數學模型、統計模型、計算機工藝仿真、制造數據表和制造規則。

　　(2)車間級模型車間模型包括設備模型、車間布局模型、生產調度模型、制造過程模型、過程監控模型等。車間級模型中包括虛擬制造到實際制造之間的映射關系。

　　(3)企業級模型包括經營決策、生產決策、產品決策，以及決策評價、市場預測、成本分析、效益/風險評估等。

　　3.3 仿真技術

　　仿真過程是實際的物理過程在計算機中的實現，進行優化。根據虛擬制造的著重點不同，可將仿真分為產品性能仿真，生產規劃仿真、實際制造過程仿真等。產品性能仿真包括運用各種CAE軟件對產品的機械性能、動力學性能、熱力學性能等進行模擬。生產規劃仿真可以對車間不同的生產規劃進行仿真。實際制造過程仿真包括數控機床的NC代碼仿真，沖壓過程、澆注過程、焊接過程、切削過程等的仿真。仿真結果可以用來優化產品設計和生產規劃、檢驗產品可制造性。

　　3.4 控制技術

　　控制技術指建模過程、仿真過程所用到的各種管理、組織與控制的技術和方法。包括模型部件的組織、調度策略及交換技術，仿真過程的工作流程與信息流程控制，成本估計技術，動態分布式協作模型的集成技術;沖突求解及基于仿真的推理技術。模型及仿真結果的驗證和確認技術，面向產品開發過程的組織與管理等問題的研究等。

　　4 虛擬制造的研究與應用

　　由于虛擬制造的廣闊前景，美國、歐洲及日本等國紛紛開始對其進行研究，并在虛擬原型系統開發、虛擬環境構筑、虛擬裝配等方面取得了一系列的成果;除了實驗室的研究工作外，虛擬制造在工業上，尤其是汽車、飛機、軍工等領域也得到有效應用并取得明顯收益。

　　4.1 國外的研究與應用

　　美國國家標準及技術局NIST主要研究工程設計測試床的創建及制造工程工具軟件包，提供了開放式虛擬現實測試床(OVRT)和國家先進制造測試床(NAMT)。美國Michigan大學虛擬現實實驗室主要研究如何從CAD/CAM數據庫中快速構筑虛擬原型以及原型的行為功能建模。美國華盛頓大學在Pro/Engineer等CAD/CAM系統上開發了面向設計和制造的虛擬環境VEDAM，建立起包含整個車間機床模型的虛擬環境。美國波音飛機公司采用虛擬樣機技術在計算機上建立了波音的最終模型，整機開發、部件測試、整機裝配等虛擬開發活動以及在各種條件下的試飛都是在計算機中完成的，開發周期從過去的8年縮短到5年。

　　英國的Bath大學用OpenInventor2.0軟件工具開發出了基于自己的Svlis建模軟件的虛擬制造系統，為用戶提供具有機床、成套刀具、機器人等虛擬設備的3維虛擬車間環境。英國Herriot-Watt大學的虛擬制造研究組主要從事與虛擬裝配有關的一系列研究工作，為各種工業應用提供虛擬現實工具，并提出基于虛擬現實的裝配規劃系統，并使用浸人式虛擬環境完成電纜套索的設計與定位。德國寶馬汽車公司為車門裝配設計的虛擬裝配系統能識別語音輸入完成相應操作，并能對干涉碰撞發聲報警。

　　在日本，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研究，并開發出了虛擬工廠的構造環境VirtualWorks。

　　4.2 國內的研究與應用

　　在我國，由于受三維建模技術、仿真技術等因素的約束，對虛擬制造的研究起步較晚，但近幾年發展迅速，一批科研院校和研究所紛紛加入到虛擬制造的研究隊伍中來。國內最早的虛擬制造研究機構之一的清華大學CIMS工程研究中心虛擬制造研究室在綜合目前國內外關于虛擬制造的研究成果的基礎上，提出了一個虛擬制造體系結構，即基于產品數據管理(PDM)集成的虛擬制造、虛擬生產、虛擬企業框架結構。并就某典型產品在進行虛擬設計、仿真優化、虛擬裝配及可加工性分析的基礎上開發研制了虛擬加工軟件系統VME。北京機械科學研究總院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。上海交通大學等科研機構也在從事虛擬制造方面的研究。但總體來說，國內關于虛擬制造方面的研究還處在初期階段，且多集中于高等院校和少量的研究院所，企業和公司介人較少。

　　5 結束語

　　隨著Internet技術的發展和全球一體化的進一步加劇，虛擬制造將向Internet方向發展，基于Internet的虛擬制造可以通過內在的集成框架，將分布的異構系統高度集成，并在系統的不同部分之間實現透明的互操作，使各組成部分既相對獨立，又可以協同工作，成為開放性的分布式虛擬制造系統。虛擬制造與Internet的結合將發展成為一項很有發展前景和應用潛力的技術。