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摘 要：虚拟制造技术实现了现代工程机械工程设计领域中的设计、试制等一系列过程的直观性。有效极大的缩短产品的设计和生产周期，最大化的节约了产品开发的成本，保证产品的开发和设计可以适应市场的灵活性的变化。
关键词：先进机械制造技术；虚拟制造；虚拟制造技术
一、引言
当今制造业正朝着精密化、自动化、柔性化、集成化、信息化和智能化的方向发展，随着这个趋势，诞生了许多先进制造技术和先进制造模式。虚拟制造就是根据企业市场竞争的需求，在强调柔性和快速的前提下，由美国于20世纪80年代提出的，随着计算机技术和信息网络技术的发展，在20世纪90年代得到人们的重视，并获得迅速的发展。
传统的机械工程设计，是根据机械产品的使用性能和设计要求在图纸上进行设计，这样就要求设计者有一定的经验；在设计过程中，预先要考虑到设计中存在的装配干扰和设计不到位等问题，而这些问题，往往只能在产品开发后期或最终产品试制和装配中才会暴露出来，这样的设计不能保证产品生产的质量，而且产品的开发效率低，耗时，费用高，无法适应当前激烈的市场竞争。为了解决这些问题，将虚拟制造技术应用在新产品的设计开发及制造中，就变得尤为重要。
二、虚拟制造技术（VMT）及其过程
虚拟制造技术，是在虚拟环境下对计算机数据模型进行模拟分析的一项计算机辅助设计技术。利用虚拟制造技术，技术人员不必等待零件的全部制造出来，可以建立零件的模型，对这些模型进行虚拟装配，并检查零部件之间的装配间隙和干涉，检查装配状态，及时发现错误，若零件不符合要求，可以在计算机里方便地更改模型，并重新生成模型和自动更新相关的零部件图和装配图，从而实现设计、装配和制造检验的协调统一。通过虚拟制造技术。可以缩短产品的开发周期，有利于提高产品的质量和可靠性，有利于降低产品开发成本，提高企业的竞争力。
1.虚拟制造（VM）的类型
按照与生产制造各个阶段的关系，虚拟制造（VM）可分为以设计为中的VM、以产品为中心的VM和以控制为中心的VM三种类型，它们之间的关系如下图示。
为了更细致地了解VM的含义，美国在一次专业会议上对3种类型的VM做如下解释：
首先，以设计为中心的VM。这类VM是将制造信息加入到产品设计和工艺设计中，并在计算机上进行数字化制造，仿真多种制造方案，评估各种生产情景，通过仿真制造业优化产品设计和工艺设计，以便做出正确决策。
其次，以产品为中心的VM。这类VM是将仿真能力加到生产计划模型中，以便快捷化评价生产计划，检验工艺流程、资源需求状况以及生产效率，从而优化制造环境和生产供应计划。
最后，以控制为中心的VM。这类VM是将仿真能力加到控制构型模型中，提供对实际生产过程的仿真环境，即将机器控制模型用于仿真，其目标是实际生产中的过程优化，改进制造系统。
2.虚拟制造过程
（1）虚拟设计的模型设计
虚拟制造是基于产品生命周期的整个过程的概念。对于客户提出的对要购买的商品要求，设计人员在充分听取客户意见后，进行分析归纳，了解清楚产品的功能、结构、性能，根据分析的结果进行产品虚拟设计、虚拟加工工艺设计、虚拟生产加工之后，进行虚拟装配和产品的仿真，然后经客户确认后则迸行实际制造，否则修改设计方案直至客户满意。
（2）元模型及建模
虚拟设计的第一层为基础层，为通用零件设计，采用标准化设计方法，如齿轮、螺栓、螺纹等零部件的设计，可用理论计算、经验公式、循环修改、有限元法、边界元法、分布参数、实验推理等知识，实现计算机自动进行常规设计和优化设计。当然，在此设计过程中，要用到各种国家标准和准则，应将设计时用到的国标和材料参数图表集作为基础数据库，以便进行调用。每个零件的模型，实际上是一个小的专家系统，根据不同零件设计要求进行强度、刚度、疲劳、稳定、动态平衡等设计，其结果是形成反映零件的形状、功能、行为、意图等属性的特征数据。然后，据此数据，利用图形学的不同算法，如多边三角形的顶点法、各种曲面曲线的样条法等，并采用适当的光照，建立零件的几何造型及物理模型，再根据材料参数进行表面纹理映射、渲染，即形成某零件的元模型。
（3）机构模型设计
有了各种零件的元模型后，与实际制造一样，要由零件构造机构，又由子机构构造父机构。将现有的实际机构分类分级，不同机构可能有不同的类、级、层，然后对其进行机构建模。机构模型呈树形，机构模型要调用零件元模型的数据，元模型为叶结点，父机构要用到子机构模型的数据，再上层的爷结点调用父结点的数据，依此类推，一直到一个独立的部件或产品的独立部分为止。
（4）产品模型设计
产品模型作为产品在计算机上的表示和产品信息的载体，是虚拟制造中虚拟设计的目标，在机构模型的基础上，建立整个产品系统模型。一般情况下，系统分为几大模块，因为不同领域对产品信息的视角和抽象层次不同，需根据不同类型产品，建立不同类型的模型。产品模型要注意各主要零部件的性能和质量指标，更要关心产品的综合性能、质量和安全要求；既要反映产品外形的特征，又要反映产品的主要功能及其他次要性能特征。它是最高一层的模型。
三、VM在制造业中的应用
虚拟制造首先在飞机、汽车等领域获得成功的应用。美国波音公司在777新型客机机型设计过程中，利用VMT和三维模型进行管道布线等复杂装配过程的模拟获得成功。目前主要应用在以下几个方面。
1.虛拟企业
建立虚拟企业，其中有一条最重要的原因是各企业本身无法单独满足市场需求，迎接市场挑战，因此，为了快速响应市场的需求，围绕新产品开发，利用不同地域的现有资源、不同的企业或不同的地点的工厂，重新组织一个新公司。该公司在运行之前，必须分析组合是否最优，能否协调运行，并对投产后的风险、利益分配等进行评估。这种联作公司称为虚拟公司，或者叫动态联盟，是一种虚拟企业，它是具有集成性和实效性两大特点的经济实体。
2.虚拟产品设计
在复杂管道系统设计中，采用虚拟技术，设计者可以“进入其中”进行管道布置，并可检查能否发生干涉。在计算机上虚拟产品设计，不但能提高设计效率，而且能尽早发现设计中的问题，从而优化产品设计。
3.虚拟产品制造
应用计算机仿真技术，均可对零件上的加工方法、工序顺序、工装的选用、工艺参数和选用，加工工艺性、装配工艺性、配合件之间的配合性、连接件之间的连接性、运动构件的运动性等进行建模仿真。通过建模仿真，可以提前发现加工缺陷，提前发现装配时出现的问题，从而能够优化加工过程，提高加工效率。
4.虚拟生产过程
产品生产过程的制定，人力资源、制造资源、物料库存、生产调度、生产系统的规划设计等，均可通过计算机仿真进行优化，同时还可对生产系统进行可靠性分析，对生产过程的资金进行分析预测，对产品市场进行分析预测，从而对人力资源、制造资源进行合理配置，以达到缩短产品生产周期，降低成本的目的。
综上所述，VMT在企业中的应用可以带来多效益。虚拟产品设计可以提高设计质量，优化产品性能，缩短设计周期。虚拟产品制造可以提高制造质量，优化工艺过程，缩短制造周期。虚拟生产过程可以优化资源配置、物流管理，缩短生产周期，降低成本。虚拟企业可以增强企业柔性，满足客户特殊要求，形成企业的市场竞争优势。
参考文献
[1]马晓春，我国现代机械制造技术的发展趋势[J].森林工程，2002（3）.
[2]李伟光，现代制造技术[J].机械工业出版社，2001（7）.
作者简介
徐小娟（1974—），女，江苏无锡机电等职业技术学校，研究方向为现代制造技术课程教学与实践。
（作者单位：无锡机电高等职业技术学校）
关键词：先进机械制造技术；虚拟制造；虚拟制造技术
一、引言
当今制造业正朝着精密化、自动化、柔性化、集成化、信息化和智能化的方向发展，随着这个趋势，诞生了许多先进制造技术和先进制造模式。虚拟制造就是根据企业市场竞争的需求，在强调柔性和快速的前提下，由美国于20世纪80年代提出的，随着计算机技术和信息网络技术的发展，在20世纪90年代得到人们的重视，并获得迅速的发展。
传统的机械工程设计，是根据机械产品的使用性能和设计要求在图纸上进行设计，这样就要求设计者有一定的经验；在设计过程中，预先要考虑到设计中存在的装配干扰和设计不到位等问题，而这些问题，往往只能在产品开发后期或最终产品试制和装配中才会暴露出来，这样的设计不能保证产品生产的质量，而且产品的开发效率低，耗时，费用高，无法适应当前激烈的市场竞争。为了解决这些问题，将虚拟制造技术应用在新产品的设计开发及制造中，就变得尤为重要。
二、虚拟制造技术（VMT）及其过程
虚拟制造技术，是在虚拟环境下对计算机数据模型进行模拟分析的一项计算机辅助设计技术。利用虚拟制造技术，技术人员不必等待零件的全部制造出来，可以建立零件的模型，对这些模型进行虚拟装配，并检查零部件之间的装配间隙和干涉，检查装配状态，及时发现错误，若零件不符合要求，可以在计算机里方便地更改模型，并重新生成模型和自动更新相关的零部件图和装配图，从而实现设计、装配和制造检验的协调统一。通过虚拟制造技术。可以缩短产品的开发周期，有利于提高产品的质量和可靠性，有利于降低产品开发成本，提高企业的竞争力。
1.虚拟制造（VM）的类型
按照与生产制造各个阶段的关系，虚拟制造（VM）可分为以设计为中的VM、以产品为中心的VM和以控制为中心的VM三种类型，它们之间的关系如下图示。
为了更细致地了解VM的含义，美国在一次专业会议上对3种类型的VM做如下解释：
首先，以设计为中心的VM。这类VM是将制造信息加入到产品设计和工艺设计中，并在计算机上进行数字化制造，仿真多种制造方案，评估各种生产情景，通过仿真制造业优化产品设计和工艺设计，以便做出正确决策。
其次，以产品为中心的VM。这类VM是将仿真能力加到生产计划模型中，以便快捷化评价生产计划，检验工艺流程、资源需求状况以及生产效率，从而优化制造环境和生产供应计划。
最后，以控制为中心的VM。这类VM是将仿真能力加到控制构型模型中，提供对实际生产过程的仿真环境，即将机器控制模型用于仿真，其目标是实际生产中的过程优化，改进制造系统。
2.虚拟制造过程
（1）虚拟设计的模型设计
虚拟制造是基于产品生命周期的整个过程的概念。对于客户提出的对要购买的商品要求，设计人员在充分听取客户意见后，进行分析归纳，了解清楚产品的功能、结构、性能，根据分析的结果进行产品虚拟设计、虚拟加工工艺设计、虚拟生产加工之后，进行虚拟装配和产品的仿真，然后经客户确认后则迸行实际制造，否则修改设计方案直至客户满意。
（2）元模型及建模
虚拟设计的第一层为基础层，为通用零件设计，采用标准化设计方法，如齿轮、螺栓、螺纹等零部件的设计，可用理论计算、经验公式、循环修改、有限元法、边界元法、分布参数、实验推理等知识，实现计算机自动进行常规设计和优化设计。当然，在此设计过程中，要用到各种国家标准和准则，应将设计时用到的国标和材料参数图表集作为基础数据库，以便进行调用。每个零件的模型，实际上是一个小的专家系统，根据不同零件设计要求进行强度、刚度、疲劳、稳定、动态平衡等设计，其结果是形成反映零件的形状、功能、行为、意图等属性的特征数据。然后，据此数据，利用图形学的不同算法，如多边三角形的顶点法、各种曲面曲线的样条法等，并采用适当的光照，建立零件的几何造型及物理模型，再根据材料参数进行表面纹理映射、渲染，即形成某零件的元模型。
（3）机构模型设计
有了各种零件的元模型后，与实际制造一样，要由零件构造机构，又由子机构构造父机构。将现有的实际机构分类分级，不同机构可能有不同的类、级、层，然后对其进行机构建模。机构模型呈树形，机构模型要调用零件元模型的数据，元模型为叶结点，父机构要用到子机构模型的数据，再上层的爷结点调用父结点的数据，依此类推，一直到一个独立的部件或产品的独立部分为止。
（4）产品模型设计
产品模型作为产品在计算机上的表示和产品信息的载体，是虚拟制造中虚拟设计的目标，在机构模型的基础上，建立整个产品系统模型。一般情况下，系统分为几大模块，因为不同领域对产品信息的视角和抽象层次不同，需根据不同类型产品，建立不同类型的模型。产品模型要注意各主要零部件的性能和质量指标，更要关心产品的综合性能、质量和安全要求；既要反映产品外形的特征，又要反映产品的主要功能及其他次要性能特征。它是最高一层的模型。
三、VM在制造业中的应用
虚拟制造首先在飞机、汽车等领域获得成功的应用。美国波音公司在777新型客机机型设计过程中，利用VMT和三维模型进行管道布线等复杂装配过程的模拟获得成功。目前主要应用在以下几个方面。
1.虛拟企业
建立虚拟企业，其中有一条最重要的原因是各企业本身无法单独满足市场需求，迎接市场挑战，因此，为了快速响应市场的需求，围绕新产品开发，利用不同地域的现有资源、不同的企业或不同的地点的工厂，重新组织一个新公司。该公司在运行之前，必须分析组合是否最优，能否协调运行，并对投产后的风险、利益分配等进行评估。这种联作公司称为虚拟公司，或者叫动态联盟，是一种虚拟企业，它是具有集成性和实效性两大特点的经济实体。
2.虚拟产品设计
在复杂管道系统设计中，采用虚拟技术，设计者可以“进入其中”进行管道布置，并可检查能否发生干涉。在计算机上虚拟产品设计，不但能提高设计效率，而且能尽早发现设计中的问题，从而优化产品设计。
3.虚拟产品制造
应用计算机仿真技术，均可对零件上的加工方法、工序顺序、工装的选用、工艺参数和选用，加工工艺性、装配工艺性、配合件之间的配合性、连接件之间的连接性、运动构件的运动性等进行建模仿真。通过建模仿真，可以提前发现加工缺陷，提前发现装配时出现的问题，从而能够优化加工过程，提高加工效率。
4.虚拟生产过程
产品生产过程的制定，人力资源、制造资源、物料库存、生产调度、生产系统的规划设计等，均可通过计算机仿真进行优化，同时还可对生产系统进行可靠性分析，对生产过程的资金进行分析预测，对产品市场进行分析预测，从而对人力资源、制造资源进行合理配置，以达到缩短产品生产周期，降低成本的目的。
综上所述，VMT在企业中的应用可以带来多效益。虚拟产品设计可以提高设计质量，优化产品性能，缩短设计周期。虚拟产品制造可以提高制造质量，优化工艺过程，缩短制造周期。虚拟生产过程可以优化资源配置、物流管理，缩短生产周期，降低成本。虚拟企业可以增强企业柔性，满足客户特殊要求，形成企业的市场竞争优势。
参考文献
[1]马晓春，我国现代机械制造技术的发展趋势[J].森林工程，2002（3）.
[2]李伟光，现代制造技术[J].机械工业出版社，2001（7）.
作者简介
徐小娟（1974—），女，江苏无锡机电等职业技术学校，研究方向为现代制造技术课程教学与实践。
（作者单位：无锡机电高等职业技术学校）