虛擬制造技術(shù)發(fā)展及應用

1、虛擬制造技術(shù)發(fā)展及應用 摘 要：虛擬制造技術(shù)是近年來出現(xiàn)的先進技術(shù)之一，受到世界各個國家的高度重視。本文介紹了虛擬制造的定義、種類、關(guān)鍵技術(shù)及應用，展望其未來發(fā)展前景。 關(guān)鍵詞：虛擬制造；仿真模擬；發(fā)展；應用 1.前言 隨著市場的全球化，各種新興技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域的綜合使用，企業(yè)之間的競爭方式發(fā)生了巨變。制造行業(yè)遭遇了巨大的挑戰(zhàn)，為了制造業(yè)能夠更好的生存與發(fā)展，必須要滿足市場所提出的多項要求：縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低制造成本以及用更好的技術(shù)支撐和售后服務來贏得客戶的信賴。企業(yè)為了贏得市場，必須對市場形勢做出準確評估和及時的調(diào)整，應對多變的市場需求。計算機軟硬件技術(shù)及網(wǎng)絡技術(shù)的迅速發(fā)展為

2、實現(xiàn)這一目標提供了強有力的支持1。各種技術(shù)的發(fā)展及應用使得虛擬制造技術(shù)應運而生，作為一種全新的生產(chǎn)模式，必將給制造業(yè)指明新的前進方向。 2.虛擬制造技術(shù) 2.1 虛擬制造技術(shù)定義及特點 虛擬制造技術(shù)是對產(chǎn)品實際生產(chǎn)活動中的真實環(huán)境進行虛擬模擬，在計算機上得到數(shù)字化模型進而對生產(chǎn)活動進行分析、評估。產(chǎn)品研制過程中，通過仿真模擬建模技術(shù)模擬出產(chǎn)品在后續(xù)制造過程中的虛擬環(huán)境，分析各個環(huán)節(jié)甚至整個產(chǎn)品生命周期可能出現(xiàn)的活動對產(chǎn)品性能各方面的影響。通過虛擬環(huán)境下的情景展示及分析結(jié)果，盡早的發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)活動中可能存在的隱患與問題，及時的信息反饋改進設計，合理的調(diào)整生產(chǎn)活動。降低研制成本和產(chǎn)品開發(fā)周期，減少實際

3、生產(chǎn)活動中帶來的損失，更加合理的控制生產(chǎn)活動，提高企業(yè)生產(chǎn)效率，最終提高企業(yè)在市場中的綜合競爭力。 虛擬制造較傳統(tǒng)制造而言有很大的區(qū)別，虛擬制造有如下特點：（1）不用對樣機進行實物制造就能評估產(chǎn)品性能，節(jié)約制造成本。（2）產(chǎn)品研制過程中能盡早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品存在的問題，及時得信息反饋對產(chǎn)品進行改進。（3）產(chǎn)品開發(fā)采用仿真模擬的方法，借助軟件分析完成最終研制。 2.2 虛擬制造的種類 廣義的制造過程不僅包括了產(chǎn)品的模型研發(fā)、樣機制造、性能測試、實體生產(chǎn)。同時還有企業(yè)對自身生產(chǎn)活動的市場調(diào)查、經(jīng)營策劃和實際生產(chǎn)活動中的調(diào)整控制。按這個思想考慮，虛擬制造可以被分為三大類：以設計為中心的虛擬制造、以生產(chǎn)為中心

4、的虛擬制造和以控制為中心的虛擬制造2。 以設計為中心的虛擬制造強調(diào)根據(jù)產(chǎn)品的制造信息仿真建模得到統(tǒng)一的數(shù)字化模型，分析模型中的各類問題對產(chǎn)品各方面性能和產(chǎn)品的可裝配性進行分析。以生產(chǎn)為中心的虛擬制造強調(diào)根據(jù)不同企業(yè)所擁有的設備資源等約束條件，仿真模擬各個加工過程結(jié)合企業(yè)的制造資源及環(huán)境進行加工過程的合理組合，使得生產(chǎn)計劃更加合理優(yōu)化。以控制為中心的虛擬制造強調(diào)將在企業(yè)管理控制中引入仿真模擬技術(shù)，對實際生產(chǎn)活動的環(huán)境進行虛擬模擬，提供虛擬環(huán)境模型使得企業(yè)對生產(chǎn)活動的控制更優(yōu)化。 2.3 虛擬制造的關(guān)鍵技術(shù) 虛擬制造技術(shù)在應用過程中需要工作人員掌握一些關(guān)鍵技術(shù)。例如，（1）特征建模：根據(jù)產(chǎn)品加工工

5、藝信息建立特征模型。（2）企業(yè)間產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換：企業(yè)間合作對產(chǎn)品進行設計研發(fā)時，要保證各個企業(yè)之間的產(chǎn)品信息得以互通。（3）快速原型制造軟硬件系統(tǒng)：充分利用計算機及軟件進行虛擬造型快速制造出虛擬樣機。（4）加工能力模型/生產(chǎn)能力模型：根據(jù)企業(yè)的車間設備信息建立加工能力模型，據(jù)企業(yè)的其他可用資源信息建立生產(chǎn)能力模型。（5）產(chǎn)品零件的可制造性分析：據(jù)零件的特征信息及企業(yè)的車間設備，確定加工方式、步驟、工藝及參數(shù)。 （6）制造過程的動態(tài)描述：根據(jù)加工方案對加工過程進行動畫展示。（7） nc代碼自動生成：據(jù)零件特征信息及工藝路線自動生成零件nc代碼。 （9）驗證與測試系統(tǒng)：借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)及人機工程評估

6、產(chǎn)品的使用壽命、可靠程度及報廢處理3。 3.虛擬制造技術(shù)應用 3.1 虛擬制造技術(shù)在國外的應用 國外關(guān)于虛擬制造技術(shù)的應用已經(jīng)有一定的規(guī)模，積極投入到各行各業(yè)的應用當中，完成相應的生成計劃和目標，將市場需求的產(chǎn)品及時的投入到市場并收到良好的效果。在美國，波音公司生產(chǎn)的波音777客機是虛擬制造技術(shù)應用的經(jīng)典產(chǎn)品。該機的設計研制包括眾多的零部件，虛擬制造技術(shù)使得所有零部件的設計和改進全部是在由計算機組成的虛擬環(huán)境中完成，使得設計時間和難度都大幅度降低，并且提高了設計精度。在日本， 1994年日本的matsushita公司曾經(jīng)開發(fā)出一套針對廚房個性化設置的虛擬制造系統(tǒng)，顧客利用該系統(tǒng)在虛擬環(huán)境下對自

7、己的廚房中的各種設施進行個性化設計，完成個性化設置之后計算機會將所有的信息進行分類統(tǒng)計存儲，借由網(wǎng)絡將所有信息傳輸給異地的生產(chǎn)部門，生產(chǎn)部門根據(jù)不同的信息生產(chǎn)出顧客所需要的個性化廚房，增加企業(yè)的市場競爭力。 3.2虛擬制造技術(shù)在國內(nèi)的應用 國內(nèi)關(guān)于虛擬制造技術(shù)的應用還沒有形成一定的規(guī)模，廣泛使用該技術(shù)的行業(yè)偏少。對其應用主要集中在以下兩個方面：（1）產(chǎn)品的虛擬設計：通過產(chǎn)品的設計研制、性能測試、裝配及故障診斷等過程的仿真模擬在虛擬環(huán)境下不斷改進產(chǎn)品的設計。北京機械科學研究院曾虛擬模擬現(xiàn)實立體停車庫的環(huán)境，建立數(shù)字化的虛擬模型和系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)對車庫布局進行優(yōu)化和改進。（2）產(chǎn)品的虛擬制造：對實

8、際加工過程的虛擬模擬，在虛擬環(huán)境下解決實際生產(chǎn)過程中可能存在的問題，使得實際生產(chǎn)活動得以合理的運行。合肥工業(yè)大學研制的雙刀架數(shù)控機床加工過程模擬軟件，利用該軟件使得現(xiàn)場調(diào)試時間大大縮短，節(jié)約了設備調(diào)試耗時，盡快投入生產(chǎn)活動中，并且保證刀具在對刀時能夠一次成功，減少不必要生產(chǎn)耗時從而提高生產(chǎn)效率。 目前來看，國內(nèi)對虛擬制造技術(shù)的應用還比較落后，使用該技術(shù)的工作單位和企業(yè)數(shù)量有限。即使一些使用虛擬制造技術(shù)的企業(yè)和工作單位也沒能做到效益最大化，關(guān)于虛擬制造技術(shù)的一些理論知識及部分關(guān)鍵技術(shù)仍然沒能很好地掌握，在實際生產(chǎn)活動中的應用也沒能很好地體現(xiàn)出虛擬制造的優(yōu)勢。 4.小結(jié) 以產(chǎn)品的數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，

9、以系統(tǒng)建模和仿真技術(shù)為輔助，對產(chǎn)品的設計研發(fā)、加工制造和性能檢驗等過程進行動態(tài)仿真模擬實現(xiàn)虛擬制造，根據(jù)虛擬制造過程的分析評估結(jié)果對企業(yè)的生產(chǎn)活動、市場策劃進行優(yōu)化處理4。虛擬制造用產(chǎn)品的數(shù)字化模型取代實物樣機，通過對產(chǎn)品模型進行各種動態(tài)模擬測試從而評估產(chǎn)品性能，使得企業(yè)的生產(chǎn)活動有良好地機動性，提高企業(yè)的市場競爭力。虛擬制造作為一種世界范圍內(nèi)的先進制造模式，制造業(yè)對其的應用必將逐漸重視并推廣，在生產(chǎn)活動的方方面面帶來革新。在未來的制造業(yè)中，虛擬制造必將占有重要的地位，發(fā)揮自身的巨大優(yōu)勢。（作者單位：重慶交通大學機電與汽車工程學院） 參考文獻： 1 崔鑫，時蕾，夏伯乾.淺談虛擬制造技術(shù)的應用j，煤礦機械，2011，6，10-12 2 白廣利，楊洪