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1、3虛擬制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和作用虛擬制造技術(shù)及其國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀并根據(jù)摘要:本文簡(jiǎn)單介紹了虛擬制造技術(shù)的基本概念和分類方法,結(jié)合虛擬制造技術(shù)的經(jīng)典應(yīng)用實(shí)例分析了虛 擬制造技術(shù)解決企業(yè)TQCS問(wèn)題的優(yōu)勢(shì)和作用,詳細(xì)闡述了虛擬制造技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀和原因, 虛擬制造技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)做了簡(jiǎn)要概括。關(guān)鍵字:虛擬制造技術(shù);TQCS應(yīng)用現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢(shì)宜$ 一帶女育*2長(zhǎng)黑菖孕£0前言裝備制造業(yè)是我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)之一。我國(guó)過(guò)去的制造業(yè)屬于勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè),現(xiàn)在著重發(fā)展的制造業(yè)是具有自主創(chuàng)新的高技 術(shù)、高附加值的先進(jìn)制造業(yè),它迫切需要新 技術(shù)、新工藝來(lái)提升其技術(shù)水平和能級(jí)。1虛擬制造技術(shù)的概念虛

2、擬制造技術(shù)能夠結(jié)合眾多核心技術(shù), 是多學(xué)科技術(shù)的系統(tǒng)集成。 其關(guān)鍵技術(shù)主要 包括建模技術(shù)、仿真技術(shù)、智能設(shè)計(jì)技術(shù)、 可制造評(píng)價(jià)等。虛擬制造依靠建模與仿真技 術(shù)來(lái)模擬制造、生產(chǎn)和裝配過(guò)程,使設(shè)計(jì)者在計(jì)算機(jī)上模擬出產(chǎn)品的整個(gè)過(guò)程。建模與仿真是虛擬制造的基礎(chǔ),虛擬制造是建模與 仿真的應(yīng)用,它拓展了傳統(tǒng)的建模與仿真, 以其前瞻性、低成本和提升企業(yè)整體效率的 優(yōu)點(diǎn)為制造業(yè)的轉(zhuǎn)型和發(fā)展發(fā)揮重要作用, 如對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、加工制造、生 產(chǎn)自動(dòng)化、過(guò)程優(yōu)化、試驗(yàn)、檢測(cè)、培訓(xùn)、 銷售、售后服務(wù)等生產(chǎn)過(guò)程全生命周期都起 著重要的作用,是先進(jìn)制造技術(shù)與工業(yè)創(chuàng)意 的綜合體現(xiàn)和運(yùn)用。虛擬制造是20世紀(jì)80年代提出

3、的概念, 但是“虛擬制造” 一詞在 90年代才第一次 突顯出來(lái),其部分原因來(lái)自美國(guó)國(guó)防部發(fā)起 的虛擬制造項(xiàng)目。目前人們對(duì)于虛擬制造的 定義大同小異,總的來(lái)說(shuō)一般認(rèn)為虛擬制造 是指在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境下,模擬產(chǎn)品和制造 設(shè)備的現(xiàn)實(shí)運(yùn)行環(huán)境,在實(shí)時(shí)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的 支撐下,進(jìn)行產(chǎn)品完整生命周期的一體化模 擬仿真過(guò)程。虛擬制造廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、 場(chǎng)地規(guī)劃、生產(chǎn)決策、工藝流程、試驗(yàn)測(cè)試、 裝配指導(dǎo)、遠(yuǎn)程監(jiān)控、調(diào)度指揮、技能培訓(xùn)、 市場(chǎng)銷售、售后服務(wù)等制造業(yè)各個(gè)環(huán)節(jié),在 不消耗或少消耗實(shí)際生產(chǎn)資源的情況下實(shí) 現(xiàn)最優(yōu)結(jié)果,達(dá)到縮短周期,降低成本,提 高效益的目的。2虛擬制造的分類由于“虛擬”和“制造”的內(nèi)涵理解

4、有 所不同,在1997年7月美國(guó)俄亥俄州舉辦 的虛擬制造用戶專題討論會(huì)上,人們根據(jù)制 造過(guò)程的側(cè)重點(diǎn)不同,將虛擬制造分為三類, 提出了 “三個(gè)中心”的分類方法,即“以產(chǎn) 品為中心的虛擬制造”、“以生產(chǎn)為中心的虛 擬制造”、“以控制為中心的虛擬制造”。2.1以產(chǎn)品為中心的虛擬制造以產(chǎn)品為中心的虛擬制造的目的是優(yōu) 化產(chǎn)品和工藝設(shè)計(jì),將制造信息加入到產(chǎn)品 設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中, 在計(jì)算機(jī)中生成制 造過(guò)程原型,對(duì)多種制造方案進(jìn)行仿真,對(duì) 數(shù)字化產(chǎn)品模型的性能、 可制造性、可裝配 性、成本等進(jìn)行分析,優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工業(yè) 設(shè)計(jì),以期盡早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及工藝過(guò)程存 在的問(wèn)題。2.2以生產(chǎn)為中心的虛擬制造以生產(chǎn)

5、為中心的虛擬制造的重點(diǎn)是優(yōu) 化資源配置和生產(chǎn),將仿真信息加入到生產(chǎn) 計(jì)劃模型中,以便快速便捷地評(píng)價(jià)多種生產(chǎn) 計(jì)劃,優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃和制造環(huán)境的配置。主 要是根據(jù)企業(yè)現(xiàn)有資源對(duì)不同的加工過(guò)程 進(jìn)行評(píng)估優(yōu)化,決定合理的生產(chǎn)組織方式, 并將生產(chǎn)、銷售、售后服務(wù)進(jìn)行虛擬化,以 提高整體效能。2.3以控制為中心的虛擬制造以控制為中心的虛擬制造著眼于優(yōu)化 車間控制,將仿真能力加入到設(shè)備控制模型 中,提供實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的虛擬環(huán)境,使企業(yè)在考慮車間的控制行為的基礎(chǔ)上對(duì)控制 過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化控制,并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)虛實(shí) 聯(lián)動(dòng)的虛擬培訓(xùn)、 生產(chǎn)監(jiān)控和調(diào)度、遠(yuǎn)程診 斷等服務(wù)功能。如今,在經(jīng)濟(jì)全球化、信息化和貿(mào)易自 由化的形勢(shì)

6、下,制造業(yè)的經(jīng)營(yíng)戰(zhàn)略發(fā)生了很 大變化,企業(yè)先是追求規(guī)模效益, 后來(lái)則更 加重視降低生產(chǎn)成本, 繼而以提高產(chǎn)品質(zhì)量 為主要目標(biāo)。尤其是在金融危機(jī)之后,全球市場(chǎng)的特征由過(guò)去的相對(duì)穩(wěn)定逐步變?yōu)閯?dòng) 態(tài)多變,全球范圍內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)和跨行業(yè)之間的 相互滲透日益增強(qiáng)。 現(xiàn)代制造企業(yè)早就提出 了要解決 TQCS( time , quality , cost , service )問(wèn)題,而虛擬制造技術(shù)可以在解 決該問(wèn)題中發(fā)揮重要作用。1)縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。傳統(tǒng)制造遵循設(shè)計(jì)、試制、修改設(shè)計(jì)、規(guī)?;笊a(chǎn)的串 行式結(jié)構(gòu),只有在試制出樣品后才進(jìn)行產(chǎn)品 信息反饋,決定是否要修改設(shè)計(jì)。而在虛擬制造中,并不需要制造樣機(jī),可以隨時(shí)

7、在設(shè) 計(jì)過(guò)程中檢驗(yàn)?zāi)P偷目芍圃煨院涂裳b配性, 及時(shí)修改,信息反饋更為及時(shí)。2)提高產(chǎn)品質(zhì)量。虛擬制造過(guò)程通過(guò) 對(duì)多種制造方案進(jìn)行仿真,優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和 工藝設(shè)計(jì),可彌補(bǔ)傳統(tǒng)制造業(yè)靠經(jīng)驗(yàn)決定加 工方案的不足,提高產(chǎn)品質(zhì)量。3)低資源消耗。由于虛擬制造在計(jì)算 機(jī)中進(jìn)行,并不消耗實(shí)際生產(chǎn)所需的物理材 料,可減少材料浪費(fèi)和設(shè)配損耗。4)提高企業(yè)柔性生產(chǎn)能力,增強(qiáng)企業(yè) 決策準(zhǔn)確性。決策者可以在虛擬制造中了解 產(chǎn)品性能、制造成本、生產(chǎn)進(jìn)度、訂單、庫(kù) 存、物流等動(dòng)態(tài)信息,有助于決策者把我利 潤(rùn)與風(fēng)險(xiǎn)之間的平衡, 從而準(zhǔn)確的進(jìn)行生產(chǎn) 決策,把握訂單交期,提升服務(wù)質(zhì)量。應(yīng)用實(shí)例4虛擬制造技術(shù)的國(guó)內(nèi)應(yīng)用事實(shí)上,虛擬

8、制造技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于 生產(chǎn)實(shí)踐中,特別是在汽車、飛機(jī)、工程機(jī) 械以及武器等產(chǎn)品上的應(yīng)用事例和成果層 出不窮。美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究計(jì)劃部署ARPA致力于將虛擬環(huán)境與物理建模、分布離散性 模擬等技術(shù)結(jié)合,為虛擬武器設(shè)計(jì)提供先進(jìn) 的手段。加利福尼亞的軍火商 Rockwellinternational開(kāi)發(fā)了 將現(xiàn)有的CAD據(jù)轉(zhuǎn)換傳遞到虛擬環(huán)境的軟件,工程 技術(shù)人員能看到設(shè)備部件是如何裝配的,無(wú)須制作零部件物理模型。作為虛擬制造技術(shù) 最典型事例,波音飛機(jī)公司采用虛擬樣機(jī)在 計(jì)算機(jī)上建立了波音 777飛機(jī)的最終模型, 實(shí)現(xiàn)了整機(jī)設(shè)計(jì)、整機(jī)裝配、部件測(cè)試等虛 擬開(kāi)發(fā)活動(dòng),使產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期從八年縮短至 五年。福

9、特汽車公司應(yīng)用虛擬環(huán)境技術(shù)于汽 車設(shè)計(jì)與工程,以提高空氣動(dòng)力學(xué)、人機(jī)工 程學(xué)和表面建模的效果。德國(guó)寶馬汽車公司 為車門裝配設(shè)計(jì)的虛擬裝配系統(tǒng)能識(shí)別語(yǔ) 音輸入完成相應(yīng)操作,并能對(duì)干涉碰撞發(fā)聲 報(bào)警。圖2虛擬制造技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)制造目前,我國(guó)制造業(yè)對(duì)于虛擬制造技術(shù)的 應(yīng)用還處于朦朧認(rèn)識(shí)或應(yīng)用初級(jí)階段,應(yīng)用主要集中在高端制造業(yè)、大型裝備制造業(yè)或 技術(shù)發(fā)達(dá)的地區(qū)。究其原因,主要有以下幾 點(diǎn):1)相關(guān)意識(shí)還比較淡薄。雖然許多人知道發(fā)達(dá)國(guó)家制造業(yè)或航天航空領(lǐng)域等都 用虛擬制造技術(shù),但身邊能看到的很少,覺(jué) 得離自己很遙遠(yuǎn),就算企業(yè)有許多問(wèn)題可以 用虛擬的方法解決,卻苦于沒(méi)有這方面的人 才,只能另謀他法。在來(lái)料

10、加工時(shí)代,不需 要考慮這些問(wèn)題,逐漸形成了慣性思維,總 覺(jué)得做出實(shí)物產(chǎn)品才是第一需求,虛擬制造技術(shù)就是錦上添花的東西。事實(shí)上,許多制造公司的領(lǐng)導(dǎo)并不清楚虛擬制造是干什么的,部分技術(shù)人員雖然知道這項(xiàng)技術(shù),也明白自己職責(zé)范圍內(nèi)有需求,但要說(shuō)服領(lǐng)導(dǎo)層采用新技術(shù)不是容易的事,自身會(huì)擔(dān)當(dāng)相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn),因此阻礙了虛擬技術(shù)的傳播。另外, 對(duì)于先進(jìn)技術(shù),企業(yè)通常將注意力集中在產(chǎn) 品或生產(chǎn)本身,注重于直接解決問(wèn)題的方法, 比如產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后,用實(shí)物樣機(jī)去測(cè)試設(shè) 計(jì)合理性,周期確實(shí)很長(zhǎng),客戶催的急,就 加班快點(diǎn)干。2)技術(shù)供求矛盾較突出。制造業(yè)國(guó)際化發(fā)展,對(duì)我國(guó)影響比較大, 許多企業(yè)了解 到發(fā)達(dá)國(guó)家解決同類問(wèn)題的方

11、法,也學(xué)著提出了自己解決問(wèn)題的要求。隨著企業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的深入,企業(yè)對(duì)虛擬制造的技術(shù)需求快速 增長(zhǎng),但我國(guó)這方面的整體技術(shù)還比較落后, 企業(yè)沒(méi)有這方面的技術(shù)我人才儲(chǔ)備,供求矛盾比較突出。3)應(yīng)用開(kāi)發(fā)和技術(shù)水平較低。我國(guó)該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用還處于初級(jí)階段,主要表現(xiàn)在 作品孤立、單一、規(guī)格小,與生產(chǎn)系統(tǒng)、服 務(wù)對(duì)象的實(shí)際兼容性差,主要注重于表達(dá)技 術(shù)本身,而不注重于對(duì)象的內(nèi)涵技術(shù)處理和 整合,這是技術(shù)應(yīng)用初級(jí)階段的必然特征。綜合知識(shí)的運(yùn)用、多學(xué)科的融合、多技術(shù)的 集成、企業(yè)應(yīng)用的實(shí)踐體驗(yàn), 是提升虛擬制 造技術(shù)并走向?qū)嶋H應(yīng)用的必由之路。4)開(kāi)發(fā)人才、應(yīng)用人才和管理人才缺 乏。我國(guó)該項(xiàng)技術(shù)的研究機(jī)構(gòu)已有不少,

12、成 果也有一些,但較系統(tǒng)的應(yīng)用性研究開(kāi)發(fā)還 不夠,尤其是應(yīng)用性開(kāi)發(fā)人才、使用維護(hù)人 員和專業(yè)性管理人員稀缺,從而阻礙了這一 技術(shù)的進(jìn)展。5)從業(yè)人員規(guī)模小,聚集和平臺(tái)性聯(lián) 合少。企業(yè)對(duì)虛擬技術(shù)和使用經(jīng)驗(yàn)的積累時(shí) 間較短,對(duì)于一般規(guī)模的企業(yè),技術(shù)整合能 力比較低,企業(yè)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)較少,設(shè)備不齊全, 人才配備也不全面,因而只能開(kāi)發(fā)技術(shù)單一 的小型技術(shù)改進(jìn)項(xiàng)目,缺少整體應(yīng)用開(kāi)發(fā)能 力。由于專業(yè)服務(wù)人員很少, 專業(yè)服務(wù)設(shè)備 跟不上,許多設(shè)備投資大、技術(shù)復(fù)雜,小企 業(yè)難以承受。5虛擬技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展趨勢(shì)5.1政府的重視和推動(dòng)虛擬制造技術(shù)對(duì)我國(guó)制造業(yè)升級(jí)、經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型具有重大的作用,我國(guó)政府借鑒國(guó)際上 的做法,提

13、前布局,正大力加強(qiáng)對(duì)虛擬制造 技術(shù)研發(fā)、市場(chǎng)化的扶持力度。上海市政府 在制定“十二五”規(guī)劃時(shí),專程調(diào)研了上海 市虛擬制造技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用情況,提出了大力發(fā)展虛擬制造技術(shù)提升裝備制造業(yè)自主創(chuàng)新能力和綠色制造技術(shù)水平的發(fā)展目 標(biāo)。北京市政府也組織專家組做了虛擬制造 規(guī)劃報(bào)告,從北京的產(chǎn)業(yè)調(diào)整和發(fā)展角度對(duì) 虛擬制造技術(shù)的發(fā)展做了規(guī)劃布局分析。5.2軟件和設(shè)備虛擬制造技術(shù)的理論研究在許多高校 和科研單位都在進(jìn)行,主要面對(duì)虛擬制造體 系、數(shù)字和物理仿真、數(shù)據(jù)處理、模型推演、 交互操作、虛擬融合等方面。5.3企業(yè)應(yīng)用發(fā)展企業(yè)應(yīng)用發(fā)展主要表現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、銷售和售后服務(wù)、實(shí)物難以做到的 等方面。產(chǎn)品

14、設(shè)計(jì)方面從簡(jiǎn)單的 CAD/CAM吉 構(gòu)設(shè)計(jì)逐漸過(guò)渡到集成生產(chǎn)工藝和物流、知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)一體化系統(tǒng);生產(chǎn)制造方面從布局 規(guī)劃向著生產(chǎn)控制和經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)的集成方向 發(fā)展;銷售和售后服務(wù)方面從產(chǎn)品演示向著 產(chǎn)品體驗(yàn)、應(yīng)用環(huán)境個(gè)性化定制以及與物聯(lián) 網(wǎng)結(jié)合的虛擬維修指導(dǎo)方向發(fā)展。5.4技術(shù)服務(wù)發(fā)展隨著服務(wù)也的發(fā)展, 獨(dú)立于制造業(yè)本身 的虛擬制造技術(shù)服務(wù)將會(huì)得到發(fā)展,通??梢蕴峁┘夹g(shù)研發(fā)服務(wù)、處理和顯示設(shè)備共享 服務(wù)、人員和實(shí)施服務(wù)等。5.5技術(shù)人才發(fā)展高等院校正在進(jìn)行虛擬制造方面的人 才培養(yǎng),職業(yè)機(jī)構(gòu)也在擴(kuò)展這方面的技能培 訓(xùn)。6結(jié)論虛擬制造是制造技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的 結(jié)合,是多種核心技術(shù)的綜合運(yùn)用。制造業(yè) 是我

15、國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè),虛擬制造技術(shù)對(duì)我國(guó)制 造業(yè)升級(jí)、經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型具有重大的作用。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的研究推廣,虛擬制造技術(shù)在國(guó)內(nèi)的 發(fā)展已有長(zhǎng)足的進(jìn)步,但和預(yù)期還有一定距 離。但是,隨著政府的重視和研究的深入, 虛擬制造技術(shù)必定會(huì)在我國(guó)制造業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn) 型的過(guò)程中發(fā)揮重要作用。參考文獻(xiàn)1 朱林,楊春節(jié).先進(jìn)制造技術(shù)M.北京:北京大 學(xué)出版社,2013.2 Banerijce,Zetu.虛擬制造M. 張偉.北京:清華大學(xué)出版社,2005.3 嚴(yán)雋琪,范秀敏,馬登哲等.虛擬制造的理論 技術(shù)與實(shí)踐M.上海:上海交通大學(xué)出版社, 2003.4 杜寶江.虛擬制造M.上海:上??茖W(xué)技術(shù) 出版社,2012.5 肖田元.虛擬制造研究進(jìn)展與展望J.系統(tǒng) 仿真學(xué)報(bào)

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