引言

　　制造業(yè)為了在競爭激烈的全球市場求得生存與發(fā)展，必須能夠更好地滿足市場所提出的T、Q、C、S要求，即要以最短的產(chǎn)品開發(fā)周期(Time)，最優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品質(zhì)量(Quality)，最低廉的制造成本(Cost)和最好的技術(shù)支持與售后服務(wù)(Service)來贏得市場與用戶。面對不可預(yù)測、持續(xù)發(fā)展、快速多變的市場需求，企業(yè)的生產(chǎn)活動必須具有高度的柔性。為了提高競爭能力，企業(yè)應(yīng)當(dāng)能夠?qū)κ袌鲂枨蟮淖兓鞒隹焖倜艚莸姆磻?yīng)，并及時地對自身的生產(chǎn)作出合理的調(diào)整與重新規(guī)劃。計算機軟硬件技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展為實現(xiàn)這一目標提供了強有力的支持。基于這些因素，20世紀90年代中期有許多新概念、新觀點應(yīng)運而生，虛擬制造(Virtual Manufacture)就是其中之一，它代表了一種全新的制造體系和模式。在虛擬制造中，產(chǎn)品開發(fā)是基于數(shù)字化的虛擬產(chǎn)品開發(fā)方式(Virtual Product Development)，以用戶的需求為第一驅(qū)動，并將用戶需求轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品的各種功能特征。VPD保證了產(chǎn)品開發(fā)的效率和質(zhì)量，提高了企業(yè)的快速響應(yīng)和市場開拓能力。

　　1 虛擬制造技術(shù)定義及特點

　　虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)技術(shù)是使用感官組織仿真設(shè)備和真實或虛幻環(huán)境的動態(tài)模型生成或創(chuàng)造出人能夠感知的環(huán)境或現(xiàn)實，使人能夠憑借直覺作用于計算機從而產(chǎn)生三維仿真模型的虛擬環(huán)境。

　　基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬制造(Virtual Manufacturing)技術(shù)是在一個統(tǒng)一模型之下對設(shè)計和制造等過程進行集成，它將與產(chǎn)品制造相關(guān)的各種過程與技術(shù)集成在三維的、動態(tài)的仿真真實過程的實體數(shù)字模型之上。其目的是在產(chǎn)品設(shè)計階段，借助建模與仿真技術(shù)及時地、并行地模擬出產(chǎn)品未來制造過程乃至產(chǎn)品全生命周期的各種活動對產(chǎn)品設(shè)計的影響，預(yù)測、檢測、評價產(chǎn)品性能和產(chǎn)品的可制造性等等。從而更加有效地、經(jīng)濟地、柔性地組織生產(chǎn)，增強決策與控制水平，有力地降低由于前期設(shè)計給后期制造帶來的回溯更改，達到產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本最小化、產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量的最優(yōu)化、生產(chǎn)效率的最大化。

　　虛擬制造的研究還處于不斷的深入、細化之中，國際上尚沒有對其作出一個統(tǒng)一的定義。不同的研究人員從不同角度出發(fā)，給出了各具特點的描述，其中有代表性的包括以下幾種：

　　Kimura認為，虛擬制造是指通過對制造知識進行系統(tǒng)化組織與分析，對整個制造過程建模，在計算機上進行設(shè)計評估和制造活動仿真。他強調(diào)通過用虛擬制造模型對制造全過程進行描述，在實際的物理制造之前就具有了對產(chǎn)品性能及其可制造性的預(yù)測能力。

　　Lawrence Associates則認為，虛擬制造是一個集成的、綜合的可運行制造環(huán)境，其目的是提高各個層次的決策與控制。

　　美國Wright空軍實驗室則對虛擬制造作出了如下定義：虛擬制造建立在計算機建模、分析和仿真技術(shù)的基礎(chǔ)之上，它是對這些技術(shù)的綜合應(yīng)用。這種綜合應(yīng)用增強了各個層次的設(shè)計制造、生產(chǎn)決策與控制能力。

　　從這些定義可以看出，虛擬制造涉及到多個學(xué)科領(lǐng)域，是對這些領(lǐng)域知識的綜合集成與應(yīng)用.計算機仿真、建模和優(yōu)化技術(shù)是虛擬制造的核心與關(guān)鍵技術(shù)。可以認為，虛擬制造是對制造過程中的各個環(huán)節(jié)，包括產(chǎn)品的設(shè)計、加工、裝配，乃至企業(yè)的生產(chǎn)組織管理與調(diào)度進行統(tǒng)一建模，形成一個可運行的虛擬制造環(huán)境，以軟件技術(shù)為支撐，借助于高性能的硬件，在計算機局彬廣域網(wǎng)絡(luò)上，生成數(shù)字化產(chǎn)品，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、性能分析、工藝決策、制造裝配和質(zhì)量檢驗。它是數(shù)字化形式的廣義制造系統(tǒng)，是對實際制造過程的動態(tài)模擬。所謂“虛擬”，是相對于實物產(chǎn)品的實際制造系統(tǒng)而言的，強調(diào)的是制造系統(tǒng)運行過程的計算機化。

　　由于計算機軟硬件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，虛擬制造具有以下幾個特點：

　　(1)無須制造實物樣機就可以預(yù)測產(chǎn)品性能，節(jié)約制造成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

　　(2)產(chǎn)品開發(fā)中可以及早發(fā)現(xiàn)問題，實現(xiàn)及時的反饋和更正。

　　(3)以軟件模擬形式進行產(chǎn)品開發(fā)。

　　(4)企業(yè)管理模式基于Intranet或Internet，整個制造活動具有高度的并行性。

　　2虛擬制造的種類

　　廣義的制造過程不僅包括了產(chǎn)品的設(shè)計加工、裝配。還包含了對企業(yè)生產(chǎn)活動的組織與控制。從這個觀點出發(fā)，可以把虛擬制造劃分為三類：以設(shè)計為中心的虛擬制造、以生產(chǎn)為中心的虛擬制造和以控制為中心的虛擬制造。

　　(1)以設(shè)計為中心的虛擬制造。

　　以設(shè)計為中心的虛擬制造強調(diào)以統(tǒng)一制造信息模型為基礎(chǔ)，對數(shù)字化產(chǎn)品模型進行仿真與分析、優(yōu)化，進行產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能、運動學(xué)、動力學(xué)、熱力學(xué)方面的分析和可裝配性分析，以獲得對產(chǎn)品的設(shè)計評估與性能預(yù)測結(jié)果。

　　(2)以生產(chǎn)為中心的虛擬制造。

　　以生產(chǎn)為中心的虛擬制造是在企業(yè)資源的約束條件下，對企業(yè)的生產(chǎn)過程進行仿真，對不同的加工過程及其組合進行優(yōu)化。它對產(chǎn)品的“可生產(chǎn)性”進行分析與評價，對制造資源和環(huán)境進行優(yōu)化組合，通過提供精確的生產(chǎn)成本信息對生產(chǎn)計劃與調(diào)度進行合理化決策。

　　(3)以控制為中心的虛擬制造。

　　以控制為中心的虛擬制造是將仿真技術(shù)引入控制模型，提供模擬實際生產(chǎn)過程的虛擬環(huán)境，使企業(yè)在考慮車間控制行為的基礎(chǔ)上對制造過程進行優(yōu)化控制。以上三種虛擬制造分別側(cè)重于制造過程的不同方面.但它們都以計算機建模、仿真技術(shù)為一個重要的實現(xiàn)手段，通過對制造過程進行統(tǒng)一建模，用仿真支持設(shè)計過程、模擬制造過程，進行成本估算和生產(chǎn)調(diào)度。

　　3虛擬制造關(guān)鍵技術(shù)

　　(1)特征建模的建立：建立包含工藝信息的特征模型，為以后的工藝分析、加工等過程創(chuàng)造條件。

　　(2)企業(yè)間產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換：在由動態(tài)聯(lián)盟共同完成新產(chǎn)品開發(fā)的條件下，必須以產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標準(STEP、IGES等)來保證企業(yè)間信息的集成。

　　(3)快速原型制造軟硬件系統(tǒng)：快速原型制造系統(tǒng)使工程人員在制造前就能看到產(chǎn)品，從而改進設(shè)計。也可直接用于快速制造少量的零件或模具。改進材料、工藝及軟件來提高產(chǎn)品的精度。

　　(4)加工能力模型/生產(chǎn)能力模型建立：根據(jù)企業(yè)的加工設(shè)備信息建立加工能力模型，進一步還可以根據(jù)企業(yè)的其他資源信息建立生產(chǎn)能力模型。生產(chǎn)能力模型是產(chǎn)品零件可制造性分析、加工單元布局以及制造成本估算、生產(chǎn)能力平衡、優(yōu)化生產(chǎn)布局、優(yōu)化調(diào)度方案的依據(jù)。

　　(5)產(chǎn)品零件的可制造性分析及計算機輔助工藝規(guī)劃：根據(jù)零件的特征信息以及制造資源模型進行可制造性分析，確定加工路線、步驟和參數(shù)。

　　(6)制造過程的動態(tài)描述：根據(jù)工藝規(guī)劃所確定的加工路線以及制造資源用動畫形式描述制造過程，用以檢查過程及物流、對環(huán)境影響的合理性。

　　(7)NC代碼自動生成：根據(jù)包含特征信息的零件模型及工藝規(guī)劃信息來實現(xiàn)零件的NC代碼自動生成并提供加工時間等參數(shù)，為加工仿真，成本分析等后續(xù)過程提供依據(jù)。

　　(8)制造成本估算：根據(jù)制造過程所占用的資源、加工時間等信息進行制造成本估算。

　　(9)驗證與測試系統(tǒng)：借助于虛擬現(xiàn)實及人-機工程對產(chǎn)品的可靠性、可操作性、可維護性等進行評估。

　　4虛擬制造技術(shù)的建模技術(shù)

　　虛擬加工是現(xiàn)實加工過程在計算機上的映射，與真實制造過程相比，具有虛擬性、數(shù)字化集成性、依賴性。虛擬加工系統(tǒng)的建立必須基于現(xiàn)實的制造設(shè)備及其相關(guān)活動，并且可以隨著制造設(shè)備的改變對虛擬加工系統(tǒng)進行變更。虛擬加工環(huán)境建模是真實加工環(huán)境在數(shù)字化世界中的映射。產(chǎn)品的實際加工環(huán)境包括加工設(shè)備、工裝夾具及其加工刀具等，因此在虛擬加工環(huán)境中需要建立相應(yīng)的加工設(shè)備模型、夾具模型、刀具模型及工件模型，使得虛擬加工環(huán)境能夠依據(jù)用戶輸入的NC代碼、工藝模塑和刀具模型給出有關(guān)工件變化、刀具狀況、加工效率等信息。

　　虛擬加工設(shè)備主要是指虛擬機床，用于仿真實際加工設(shè)備加工虛擬產(chǎn)品，機床模型包括機床的幾何實體信息、運動特征信息、伺服特性信息、剛度特性信息以及熱變形特性信息的影響等。

　　虛擬刀具包括鏡刀、車刀、鉆頭等常用的加工刀具，用于仿真實際的切削過程，刀具模型包括刀具幾何實體信息、切削特征信息和運動特征信息等：虛擬夾具用于仿真實際的工裝夾具，夾具模型包括夾具幾何實體信息、裝夾特征信息等。虛擬加工設(shè)備、夾具、刀具和工件建模原理一致。

　　4.1 虛擬加工設(shè)備建模

　　虛擬機床是虛擬加工過程的具體實施者。根據(jù)機床信息的不同，機床模型分為幾何模型和仿真模型，其中幾何模型將虛擬機床看成是一個層次式的裝配體，包含多個部件和零件，且部件之間存在著相互裝配關(guān)系和約束條件，組成零部件的三維數(shù)字模型根據(jù)其實際形狀和大小分別建模;機床仿真模型是在NC代碼的驅(qū)動下，采用一種類似于NC加工插補算法實現(xiàn)各運動部件的平動與轉(zhuǎn)動，以此驅(qū)動虛擬機床的運動。將仿真模型作為機床的物理屬性依附在機床的幾何模型上，建立虛擬加工設(shè)備模型的類結(jié)。類結(jié)構(gòu)建立床身、工作臺和導(dǎo)軌等基本類，在此基礎(chǔ)上建立零部件幾何模型類繼承基本類;零部件幾何模型類與零部件仿真模型類一起形成零件模型類，通過零件、部件之間的包含、聚合關(guān)系形成虛擬加工設(shè)備。

　　4.2系統(tǒng)實現(xiàn)

　　例如應(yīng)用UG三維造型軟件對一套加工設(shè)備進行了幾何建模，通過文件輸出得到零部件的VRML文件，以Visual C+6.0。為開發(fā)工具，選用OpenGL作為圖形引擎開發(fā)了可重構(gòu)三維虛擬加工環(huán)境建模系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)實現(xiàn)了LeadWell LTC系列加工中心的快速建模。LeadWell LTC20 AP是臥式加工中心，將其簡化為床身、加工艙艙門、導(dǎo)軌、刀座、刀盤、主軸頭、尾架、頂尖、支架、控制臺等。針對各模塊的通用程度我們采取相應(yīng)的建模策略，如床身、艙門等是該加工中心特有的異型部件，為其單獨建模;導(dǎo)軌、刀座、刀盤等對同類機床而言，其外形結(jié)構(gòu)具有很大相似性，因此通過對數(shù)據(jù)庫中類似部件進行修改后重用(若數(shù)據(jù)庫中已有類似);主袖頭、尾架、頂尖等則屬于通用部件或標準部件，可以直接重用(若數(shù)據(jù)庫中已有相同)。為構(gòu)建的虛擬加工環(huán)境，利用該環(huán)境可以對零件進行虛擬加工仿真。

　　虛擬加工系統(tǒng)是虛擬制造研究的主要內(nèi)容之一，而環(huán)境建模是虛擬加工系統(tǒng)仿真、分析的基礎(chǔ)。通過三維實體建模構(gòu)造出一套虛擬設(shè)備，使設(shè)計人員可以借助于一定的軟、硬件設(shè)備，在虛擬制造環(huán)境下對零件加工過程進行仿真，并對設(shè)備布局、加工過程等作出分析，以便對整個生產(chǎn)進程進行優(yōu)化，從而提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。

　　5虛擬制造的應(yīng)用

　　虛擬制造在工業(yè)發(fā)達國家，如美國、德國、日本等已得到了不同程度的研究和應(yīng)用。在這一領(lǐng)域，美國處于國際研究的前沿。福特汽車公司和克萊斯勒汽車公司在新型汽車的開發(fā)中已經(jīng)應(yīng)用了虛擬制造技術(shù)，大大縮短了產(chǎn)品的發(fā)布時間。波音公司設(shè)計的777型大型客機是世界上首架以三維無紙化方式設(shè)計出的飛機.它的設(shè)計成功已經(jīng)成為虛擬制造從理論研究轉(zhuǎn)向?qū)嵱没囊粋€里程碑。

　　在我國，清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等科研教學(xué)單位也已經(jīng)開展了這一領(lǐng)域的研究工作。當(dāng)前我國虛擬制造應(yīng)用的重點研究方向是基于我國國情，進行產(chǎn)品的三維虛擬設(shè)計、加工過程仿真和產(chǎn)品裝配仿真，主要是研究如何生成可信度高的產(chǎn)品虛擬樣機，在產(chǎn)品設(shè)計階段能夠以較高的置信度預(yù)測所設(shè)計產(chǎn)品的最終性能和可制造性。在對產(chǎn)品性能具有高科技含量要求的行業(yè)中，如航空航天、軍事、精密機床、微電子等領(lǐng)域，隨著研究的不斷深入和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，虛擬制造必將得到日益廣泛的應(yīng)用。

　　6小結(jié)

　　基于產(chǎn)品的數(shù)字化模型，應(yīng)用先進的系統(tǒng)建模和仿真優(yōu)化技術(shù)，虛擬制造實現(xiàn)了從產(chǎn)品的設(shè)計、加工、制造到檢驗全過程的動態(tài)模擬，并對企業(yè)的運作進行了合理的決策與最優(yōu)控制。虛擬制造以產(chǎn)品的“軟”模型(Soft Prototype)取代了實物樣機，通過對模型的模擬測試進行產(chǎn)品評估，能夠以較低的生產(chǎn)成本獲得較高的設(shè)計質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品的發(fā)布周期，提高了企業(yè)生產(chǎn)效率.企業(yè)的生產(chǎn)因為虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用而具有了高度的柔性化和快速的市場反應(yīng)能力，因而市場競爭能力大大增強.作為一種先進的制造模式，虛擬制造的應(yīng)用范圍必然會不斷擴大，給更多的企業(yè)帶來更大的收益。