【正文】 以與現(xiàn)行生產(chǎn)系統(tǒng)相媲美 。 仿真技術(shù) 及其相關(guān)的 建模與優(yōu)化技術(shù) 正是信息技術(shù)與制造技術(shù)結(jié)合的橋梁 ， 是企業(yè)產(chǎn)生最大經(jīng)濟(jì)效益的 核心技術(shù) 。 技術(shù) 計算機(jī)圖形學(xué) 、 虛擬現(xiàn)實技術(shù)和可視化 帶給人們以強烈的 視覺沖擊 ；工程技術(shù)人員和客戶都迫切希望采用這些先進(jìn)技術(shù)來改進(jìn)傳統(tǒng)制造業(yè) ， 為機(jī)械產(chǎn)品的 設(shè)計 、 加工 、 分析以及生產(chǎn)的組織和管理 提供一個 虛擬的仿真環(huán)境 ， 從而能夠在計算機(jī)上 組織和 “ 實現(xiàn) ” 生產(chǎn) ， 在產(chǎn)品實際投入生產(chǎn)以前 ， 就對其 可 制造性和可生產(chǎn)性 等各方面的性能進(jìn)行論證 ， 保證 一次投入生產(chǎn) 就能夠成功 。 虛擬制造 虛擬制造的產(chǎn)生和發(fā)展 2. 虛擬制造技術(shù)的發(fā)展 1） 美國虛擬制造技術(shù)的進(jìn)展 1994年 ， NIST開始聯(lián)合一些大學(xué)科研機(jī)構(gòu) 、 知名企業(yè)以及政府部門進(jìn)行 虛擬制造 方面的研究 ， 起動了一項長期的研究項目 SIMA（ System integration of manufacturing applications） 。 該項目覆蓋了 設(shè)計 、 加工 、 裝配和過程建模及車間控制和調(diào)度 等方面的活動 ，著重進(jìn)行 制造信息的描述 、 系統(tǒng)接口規(guī)范 的制定和相應(yīng)測試床的開發(fā)等 。 典型的子項目有： 虛擬制造的產(chǎn)生和發(fā)展 （ 1） 計算機(jī) 協(xié)同設(shè)計 ； （ 2） 設(shè)計 實例庫 ； （ 3） 制造資源的 數(shù)據(jù)表示 ； （ 4） 以 網(wǎng)絡(luò)為中心 的 計算機(jī)輔助設(shè)計和制造 ； （ 5） 開放式裝配設(shè)計環(huán)境 ； （ 6） 工程設(shè)計 測試床 。 虛擬制造的產(chǎn)生和發(fā)展 2）日本虛擬制造技術(shù)的發(fā)展 東京大學(xué)的 Kimura教授等人認(rèn)為： 以模型驅(qū)動系統(tǒng)和模塊化配置系統(tǒng)是虛擬制造的關(guān)鍵內(nèi)涵 。 大阪大學(xué) 的 Onosato教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組強調(diào)虛擬制造系統(tǒng)與現(xiàn)實制造系統(tǒng)的兼容性和結(jié)構(gòu)上的相似性，認(rèn)為虛擬制造系統(tǒng)應(yīng)該在三個方面實現(xiàn)與現(xiàn)實制造系統(tǒng)的兼容： 語義兼容、內(nèi)容兼容和時間兼容 。 虛擬制造的產(chǎn)生和發(fā)展 3）其他國家虛擬制造技術(shù)的發(fā)展 德國、法國、韓國、加拿大等國對虛擬制造技術(shù)的研究主要集中在將 虛擬制造技術(shù)應(yīng)用于車間級的調(diào)度仿真 ，以及 加工、焊接、鑄造或裝配 等過程的 動畫仿真 。但多數(shù)研究只是在原有單項仿真的基礎(chǔ)上，采用 虛擬現(xiàn)實技術(shù) 改善人機(jī)接口，僅僅提供能否加工出來或能否裝配等 定性分析 ，缺乏 可制造性分析的定量信息 ；因此對企業(yè)的決策只能提供有限的信息，支持的力度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。 虛擬制造技術(shù)的內(nèi)涵 1. 虛擬制造的定義 “虛擬制造”就是“ 在計算機(jī)上實現(xiàn)制造的本質(zhì)內(nèi)容 ”。虛擬制造最終提供的是一個強有力的 建模與仿真環(huán)境 ，使得產(chǎn)品的 規(guī)劃、設(shè)計、制造、裝配 等均可在計算機(jī)上來實現(xiàn)，并且能夠?qū)?產(chǎn)品生產(chǎn)過程 的方方面面提供支持。也就是說，虛擬制造應(yīng)該包括 交互式的設(shè)計過程、生產(chǎn)過程、工藝規(guī)劃、調(diào)度、裝配規(guī)劃、從生產(chǎn)線到整個企業(yè)的后期服務(wù)、財務(wù)管理 等業(yè)務(wù)的 可視化 。 虛擬制造技術(shù)的內(nèi)涵 2. 虛擬制造的特點 從虛擬制造的各種定義中，可以看出虛擬制造具有以下 突出特點 。 1） 全數(shù)字化 的產(chǎn)品； 2） 基于模型 的集成； 3）柔性的 組織模式 ； 4） 分布式的協(xié)同工作環(huán)境 ； 5）仿真結(jié)果的 高可信度 ； 6） 人與虛擬制造環(huán)境交互 的自然化。 虛擬制造技術(shù)的內(nèi)涵 3. 虛擬制造的分類 虛擬制造根據(jù)其應(yīng)用范圍，分為以 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 的虛擬制造三類。 1） 以設(shè)計為中心的虛擬制造 其核心思想是把 制造信息引入到設(shè)計過程 ，利用制造仿真來 優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計 ，從而在設(shè)計階段就可對設(shè)計零件甚至整機(jī)進(jìn)行 可制造性分析 。包括加工過程的工藝分析，鑄造過程的熱力學(xué)分析，運動部件的運動學(xué)和動力學(xué)分析；甚至包括 加工時間、加工費用和加工精度分析等。 虛擬制造技術(shù)的內(nèi)涵 2） 以生產(chǎn)為中心的虛擬制造 其核心思想是將 虛擬制造 引入到 生產(chǎn)過程 中，建立生產(chǎn)過程模型 來 評估和優(yōu)化生產(chǎn)過程 ，以便降低費用，快速評價不同的 工藝方案、資源需求計劃、工藝計劃 等。其主要目標(biāo)是 可生產(chǎn)性評價 ，主要解決“ 這樣組織生產(chǎn)是否合理 ”的問題。 3） 以控制為中心的虛擬制造 其核心思想是通過對制造設(shè)備和制造過程進(jìn)行 仿真 ，建立 虛擬的制造單元 ；對各種制造單元的控制策略和制造設(shè)備的控制策略進(jìn)行 評估 ，從而實現(xiàn) 車間級 的基于仿真的 最優(yōu)控制 。 單元控制器 根據(jù)制造需求、規(guī)劃和調(diào)度若干個工件在本制造單元的 加工工序 和各工序的 順序、加工時間 等，而每臺制造設(shè)備的控制器只規(guī)劃和調(diào)度工件在本臺設(shè)備上的加工順序和 加工代碼 等。 虛擬制造的關(guān)鍵技術(shù) 虛擬制造所涉及的技術(shù)領(lǐng)域十分廣泛，根據(jù)各項技術(shù)在虛擬制造中的地位和作用，可以把這些技術(shù)劃分為建模技術(shù)、仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù) 。 1） 建模技術(shù) 是虛擬現(xiàn)實中的 技術(shù)核心 ，也是難點之一。虛擬制造系統(tǒng)是現(xiàn)實 制造系統(tǒng) 在虛擬環(huán)境下的 映射 ，是模型化、形式化和計算機(jī)化的 抽象描述和表示 。虛擬制造建模的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)包括： 生產(chǎn)模型、產(chǎn)品模型和工藝模型 的信息體系結(jié)構(gòu)。 （ 1）生產(chǎn)模型 ； （ 2）產(chǎn)品模型； （ 3）工藝模型 。 虛擬制造的關(guān)鍵技術(shù) 2） 仿真技術(shù) 就是應(yīng)用計算機(jī)對復(fù)雜的現(xiàn)實系統(tǒng)經(jīng)過 抽象和簡化形成 系統(tǒng)模型 ，然后在分析的基礎(chǔ)上運行此模型，從而得到 系統(tǒng)一系列 的統(tǒng)計性能。由于仿真是以系統(tǒng)模型為對象的研究方法，而不干擾實際生產(chǎn)系統(tǒng)，同時仿真可以利用計算機(jī)的快速運算能力，用很短時間模擬實際生產(chǎn)中需要很長時間的生產(chǎn)周期，因此可以 縮短決策時間，避免資金、人力和時間 的浪費。計算機(jī)還可以 重復(fù)仿真，優(yōu)化實施方案。 虛擬制造的關(guān)鍵技術(shù) 3）虛擬現(xiàn)實技術(shù) 虛擬現(xiàn)實技術(shù)是為改善人與計算機(jī)的 交互方式 ，提高計算機(jī) 可操作性 中產(chǎn)生的，是綜合利用 計算機(jī)圖形系統(tǒng)、各種顯示和控制等接口設(shè)備 ，在計算機(jī)上生成可交互的 三維環(huán)境 （稱為虛擬環(huán)境）中提供 沉浸感覺 的技術(shù)，以及交互性操作的計算機(jī)系統(tǒng)稱為 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) VRS（ Virtual Reality System）。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)包括 操作者、機(jī)器和人機(jī)接口 三個基本要素。它不僅提高了人與計算機(jī)之間的 和諧程度 ，也成為了一種有力的 仿真工具 。利用 VRS可以對真實世界進(jìn)行 動態(tài)模擬 ，通過用戶的 交互輸入 ，并及時按輸出 修改虛擬環(huán)境 ，使人產(chǎn)生 親臨其境 的感覺。 虛擬制造的應(yīng)用和發(fā)展 1. 虛擬制造的應(yīng)用 美國在虛擬制造的研究領(lǐng)域的主要研究項目有以下幾個：①美國國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究所的國家先進(jìn)制造試驗基地與馬里蘭大學(xué)、芝加哥大學(xué)、佛羅里達(dá)大學(xué)、俄亥俄大學(xué)、波音公司等 34家單位合作，主要進(jìn)行 遙感顯微鏡及顯微分析 ； 流量計校準(zhǔn) ； 電器標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)與認(rèn)證 ；制造電子商務(wù) ；基于信息的金屬成形的 虛擬模具設(shè)計 。② DRPPA的 MAVE（ the Metrics for the Agile Virtual Enterprise）項目。③華盛頓州立大學(xué) VRCIM實驗室的設(shè)計與制造虛擬環(huán)境 項目。④馬里蘭大學(xué)的 虛擬制造數(shù)據(jù)庫項目 。 虛擬制造的應(yīng)用和發(fā)展 歐洲，包括英國曼徹斯特大學(xué)、巴斯大學(xué)、德國達(dá)姆斯特技術(shù)大學(xué)計算機(jī)圖形研究所等許多大學(xué)都確定以VM作為重點研究 方向。 雖然美國、德國、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家都已對虛擬制造技術(shù)進(jìn)行了不同程度的研究和應(yīng)用。但在這一領(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(jī) 是世界上首架以 三維無紙化方式 設(shè)計出的飛機(jī)，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 。 目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要應(yīng)用在以下幾個方面： 虛擬制造的應(yīng)用和發(fā)展 1） 虛擬企業(yè) ； 2） 虛擬產(chǎn)品設(shè)計 ； 3） 虛擬產(chǎn)品制造 ； 4） 虛擬生產(chǎn)過程 。 2. 虛擬制造的發(fā)展趨勢 具體表現(xiàn)為：向 高精度、高效率建模與仿真發(fā)展 ；向集成計算機(jī) 材料工程 與 多尺度建模與仿真 發(fā)展；向 多學(xué)科綜合優(yōu)化、全過程建模與仿真 發(fā)展；向 基于數(shù)字樣機(jī)的協(xié)同仿真的集成化、平臺化 方向發(fā)展。