導(dǎo)語：虛擬產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)管理論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的全球化與信息的社會化，市場競爭日益激烈，產(chǎn)品競爭已經(jīng)由傳統(tǒng)的價格競爭轉(zhuǎn)化為技術(shù)含量的競爭，高科技產(chǎn)品成為市場的主流，創(chuàng)新成為企業(yè)發(fā)展的靈魂。為了適應(yīng)新的市場變化，企業(yè)必須以最快的上市速度、最好的質(zhì)量、最低的成本和最優(yōu)的服務(wù)來滿足不同用戶的需求。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，對市場需求的變化做出快速反應(yīng)。為此，探索新的設(shè)計制造方法是企業(yè)生存的最重要手段。

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了一些先進(jìn)的設(shè)計制造技術(shù)，現(xiàn)代設(shè)計制造技術(shù)的發(fā)展方向就是不斷吸收現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，實現(xiàn)設(shè)計制造技術(shù)的數(shù)字化、功能化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。虛擬技術(shù)已成為當(dāng)今最活躍的制造業(yè)設(shè)計技術(shù)，它的發(fā)展，促進(jìn)了虛擬制造(VitrualManufacturing)的形成和發(fā)展，為機械產(chǎn)品的設(shè)計、加工、分析以及生產(chǎn)的組織和管理提供了一個虛擬的仿真環(huán)境，從而在計算機上“組織”和“實現(xiàn)”生產(chǎn)，在實際投產(chǎn)前對產(chǎn)品的可制造性等方面進(jìn)行評估，保證一次成功生產(chǎn)，從而降低生產(chǎn)成本，減少上市時間，快速響應(yīng)市場，提高企業(yè)競爭能力。

1虛擬制造的內(nèi)涵及其分類

1.1虛擬制造的內(nèi)涵

隨著制造業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對制造的內(nèi)涵也有了全新的、更全面的認(rèn)識。制造是指按照市場需求，運用知識和技能、借助工具、采用有效的方法、將原材料轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品并投放市場的全過程。虛擬制造(VitrulaManufacturingVM)是指利用計算機模型和仿真來實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)的技術(shù)，它以信息技術(shù)、仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和高性能的計算機、高速網(wǎng)絡(luò)為支持，在計算機上群組協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗以及企業(yè)各級過程管理與控制等產(chǎn)品制造的本質(zhì)過程?！疤摂M制造”雖不是實際的制造，但卻實現(xiàn)實際制造的本質(zhì)過程，它在產(chǎn)品設(shè)計或制造系統(tǒng)的物理實現(xiàn)之前，就能通過模型來模擬和預(yù)估未來產(chǎn)品的形態(tài)、功能、性能以及可加工性等方面可能存在的問題，從而可以做出前瞻性的決策和優(yōu)化實施方案，從而使制造技術(shù)發(fā)展到全方位預(yù)報階段。虛擬制造是實際制造在計算機上的本質(zhì)實現(xiàn)，它是各種計算機輔助技術(shù)面向產(chǎn)品全生命周期的集成化綜合運用。

實際制造具有對物質(zhì)、信息、能源進(jìn)行轉(zhuǎn)換的功能，即投人原材料、生產(chǎn)、信息、電力等能源，制造出所需的產(chǎn)品及與產(chǎn)品相關(guān)的信息。虛擬制造是將實際生產(chǎn)中的“物質(zhì)”和“能源”信息化，針對實際生產(chǎn)系統(tǒng)中的信息及被信息化的“物質(zhì)”和“能源”實現(xiàn)與實際生產(chǎn)在信息上的等價交換，虛擬制造雖然沒有制造出實際產(chǎn)品，但卻生成了有關(guān)產(chǎn)品的信息以及制造產(chǎn)品所需的信息。

1.2虛擬制造的分類

虛擬制造既涉及到與產(chǎn)品開發(fā)制造有關(guān)的活動，又包含與企業(yè)組織經(jīng)營有關(guān)的管理活動。根據(jù)所涉及的范圍及工程活動類型，可將虛擬制造分為三類：以設(shè)計為核心的虛擬制造；以生產(chǎn)為核心的虛擬制造；以控制為核心的虛擬制造。

1）.以設(shè)計為核心的虛擬制造。以設(shè)計為核心的虛擬制造將制造信息引人設(shè)計過程，利用仿真來優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，從而在設(shè)計階段就可以對零件甚至整機進(jìn)行可制造性分析，包括加工工藝分析、熱力學(xué)分析、動力學(xué)以及運動學(xué)分析等。主要解決“設(shè)計出來的產(chǎn)品是什么樣”的問題，以便對產(chǎn)品各方面性能進(jìn)行仿真與評估；

2）.以生產(chǎn)為核心的虛擬制造。以生產(chǎn)為核心的虛擬制造將仿真技術(shù)溶人生產(chǎn)過程模型，以此來評估和優(yōu)化生產(chǎn)過程，以低費用快速評價不同的工藝方案、資源需求計劃、生產(chǎn)計劃等。主要解決“這樣組織生產(chǎn)是否合理”的問題，以便對生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真，對各個生產(chǎn)計劃進(jìn)行評估；

3）.以控制為核心的虛擬制造。以控制為核心的虛擬制造將仿真技術(shù)加到控制模型和實際處理中，實現(xiàn)基于仿真的最優(yōu)控制。充分利用計算機的強大功能將傳統(tǒng)的各種控制儀表、檢測儀表的功能數(shù)字化，對生產(chǎn)線的優(yōu)化等生產(chǎn)組織和管理活動進(jìn)行仿真。主要解決“如何去控制”的問題。

2虛擬制造的特點

與實際制造相比，虛擬制造具有其本身的特點：

1）.虛擬性。虛擬制造不是真實的制造過程，不生產(chǎn)實際的產(chǎn)品、不消耗真實的材料與能源，是通過數(shù)字化手段來對真實制造過程進(jìn)行動態(tài)模擬以實現(xiàn)制造的本質(zhì)過程；

2）.基于數(shù)字化模型的集成。虛擬制造過程依賴于模型，涉及到的模型有產(chǎn)品模型、過程模型、活動模型和資源模型。通過這些數(shù)字化模型在計算機上的集成，實現(xiàn)對產(chǎn)品的設(shè)計、制造、測試、裝配等操作，而不再做對傳統(tǒng)的原型樣機的反復(fù)修改；

3）.支持敏捷制造。由于整個過程的信息存儲在計算機內(nèi)，能夠根據(jù)用戶需求或市場的變化快速改型設(shè)計，快速投人生產(chǎn)，能夠大幅度壓縮開發(fā)新產(chǎn)品的時間、提高質(zhì)量、降低成本；

4）.分布合作。借助于計算機網(wǎng)絡(luò)，虛擬制造可使分不在不同地點、不同部門的不同專業(yè)人員對同一個產(chǎn)品模型同時工作，相互交流，實現(xiàn)信息共享，減少大量文檔生成及其傳遞的時間和誤差，從而使產(chǎn)品開發(fā)更快捷、優(yōu)質(zhì)、低耗地響應(yīng)市場變化；

5）.仿真結(jié)果的高可信度。虛擬制造就是通過模型的驗證、效驗等仿真技術(shù)來檢測設(shè)計出的產(chǎn)品或制訂出的生產(chǎn)規(guī)劃，使得產(chǎn)品開發(fā)或生產(chǎn)組織一次成功，所以它能真實地反應(yīng)實際對象。

3虛擬制造的關(guān)鍵支撐技術(shù)

虛擬制造借助于虛擬環(huán)境中獲取的各種信息，集成和綜合了可運行制造的環(huán)境，用來改善從裝配產(chǎn)品的概念設(shè)計到動態(tài)仿真的各個階段。虛擬制造技術(shù)涉及面很廣，如環(huán)境構(gòu)成技術(shù)、過程特征抽取、集成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)、制造特征數(shù)據(jù)集成、多學(xué)科交叉功能、決策支持工具、接口技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、建模與仿真技術(shù)等。其中后三項是虛擬制造的核心技術(shù)。

3.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(VirtualRealityVR)技術(shù)是美國JaronLanier于1989年首次提出的，該技術(shù)的內(nèi)涵是由計算機直接把視覺、聽覺和觸覺等多種信息合成，并提示給人的感覺器官，在人的周圍生成一個三維的虛擬環(huán)境。從而把人、現(xiàn)實世界和虛擬空間結(jié)合起來，融為一體，相互間進(jìn)行信息的交流和反饋。虛擬現(xiàn)實技術(shù)或由它構(gòu)建的系統(tǒng)，最重要的特征在于沉浸感(Immersion)，交互性(Interaction)和構(gòu)想性(Imagination)。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)綜合利用計算機圖形系統(tǒng)、各種顯示和控制等接口設(shè)備，在計算機上生成可交互的三維虛擬環(huán)境。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)(VRS)由人機接口、軟件技術(shù)、虛擬實現(xiàn)的計算平臺等部分組成。利用VRS可以對真實世界進(jìn)行動態(tài)模擬，通過用戶的交互輸人，并及時按輸出修改虛擬環(huán)境，使人產(chǎn)生身臨其境的沉浸感覺。

3.2建模技術(shù)

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，是現(xiàn)實制造系統(tǒng)的模型化、形式化和計算機化的抽象描述和表示。虛擬制造系統(tǒng)的建模包括生產(chǎn)模型、產(chǎn)品模型和工藝模型。

(1)生產(chǎn)模型?？蓺w納為靜態(tài)描述和動態(tài)描述兩個方面。靜態(tài)描述是對系統(tǒng)生產(chǎn)能力和生產(chǎn)特性的描述，給出產(chǎn)品設(shè)計方案的可能性；動態(tài)描述是對系統(tǒng)動態(tài)行為和狀態(tài)的描述，進(jìn)而預(yù)測產(chǎn)品生產(chǎn)的全過程；

(2)產(chǎn)品模型。產(chǎn)品模型是制造過程中，各類實體對象模型的集合。對虛擬制造系統(tǒng)來說，要使產(chǎn)品實施過程中的全部活動集成，就必須具有完備的產(chǎn)品模型，即產(chǎn)品模型描述的信息既包含產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品形狀特征等靜態(tài)信息，還包含能夠進(jìn)行干涉檢查，各項性能分析等方面的動態(tài)信息，是能夠通過映射、抽象等方法提取產(chǎn)品實施中各活動所需所有信息的模型；

(3)工藝模型。將工藝參數(shù)與影響制造功能的產(chǎn)品設(shè)計屬性聯(lián)系起來，以反應(yīng)生產(chǎn)模型與產(chǎn)品模型之間的交互作用。工藝模型必須具備以下功能：計算機工藝仿真、制造數(shù)據(jù)表、制造規(guī)劃、統(tǒng)計模型以及物理和數(shù)學(xué)模型。

3.3仿真技術(shù)

仿真就是應(yīng)用計算機對復(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，借助于計算機的快速運算能力，可以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，因而可以縮短決策時間，避免資金、人力和時間的浪費，并可重復(fù)仿真，優(yōu)化實施方案。

仿真的基本步驟為：研究系統(tǒng)、收集數(shù)據(jù)一建立系統(tǒng)模型*確定仿真算法*建立仿真模型神運行仿真模型*輸出結(jié)果并分析。虛擬制造系統(tǒng)中的產(chǎn)品開發(fā)涉及到產(chǎn)品建模仿真、設(shè)計過程規(guī)劃仿真、實際生產(chǎn)過程行為仿真、裝配過程仿真、檢驗過程仿真等，以便對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行評價，實現(xiàn)設(shè)計過程早期反饋，減少或避免產(chǎn)品設(shè)計錯誤。

4虛擬制造技術(shù)的現(xiàn)狀分析

盡管虛擬制造技術(shù)近年來在國際上取得了迅速的發(fā)展，但是目前還缺乏從產(chǎn)品設(shè)計全過程的高度開展虛擬制造的研究，集中體現(xiàn)在以下方面。

4.1基于集成的數(shù)字化產(chǎn)品模型技術(shù)尚處于概念階段

(1)CAD模型中的產(chǎn)品信息含量太低。CAD模型是在產(chǎn)品的設(shè)計過程中形成的，很多信息(幾何的非幾何的)需要記錄在其中，它是重要的數(shù)據(jù)源。在虛擬制造中，很多分析模型需要從CAD模型中提取相應(yīng)信息。然而目前的CAD模型主要是從幾何實體的角度描述產(chǎn)品，遠(yuǎn)不能全面的描述產(chǎn)品，能夠提供的共享信息太少；

(2)現(xiàn)有的CAD模型無法支持產(chǎn)品的概念設(shè)計。產(chǎn)品的全新設(shè)計要經(jīng)過概念設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、產(chǎn)品工藝規(guī)劃及制造幾個過程，而CAD模型只支持產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計；

(3)缺乏良好的產(chǎn)品信息重用機制。由于目前各應(yīng)用軟件間的產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換主要是通過專用的數(shù)據(jù)接口來實現(xiàn)，這種轉(zhuǎn)換也是同一問題數(shù)據(jù)的簡單映射，無法實現(xiàn)模型間數(shù)據(jù)的自動轉(zhuǎn)換和衍生，無疑增加了虛擬制造產(chǎn)品開發(fā)的復(fù)雜性。

4.2產(chǎn)品創(chuàng)新支持工具尚不充分

(1)缺少創(chuàng)新設(shè)計支持系統(tǒng)。產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計是一門綜合性科學(xué)，需要新技術(shù)、新材料、新工藝的支持。虛擬制造的環(huán)境為創(chuàng)新設(shè)計提供了很好的運行機制，但是還需進(jìn)一步組織開發(fā)創(chuàng)新設(shè)計的支持系統(tǒng)；

(2)缺乏將知識與虛擬制造結(jié)合的工具。知識可以創(chuàng)造革新產(chǎn)品和新技術(shù)，產(chǎn)品創(chuàng)新注重知識。但是由于知識表達(dá)與組織的復(fù)雜性與重要性，如何將其與虛擬制造的數(shù)字化產(chǎn)品結(jié)合起來是一個有待解決的難題；

(3)缺少交互式外形設(shè)計技術(shù)與虛擬制造的集成工具。

目前，虛擬制造被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的產(chǎn)品創(chuàng)新技術(shù)。如何解決將有關(guān)產(chǎn)品整體定位、外觀設(shè)計的交互式外形設(shè)計技術(shù)引人到產(chǎn)品虛擬制造中并與之有機地集成起來尚需進(jìn)一步研究。

4.3產(chǎn)品數(shù)字化技術(shù)

(1)基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)與其他軟件的集成問題。產(chǎn)品數(shù)字化的核心是PDM技術(shù)的應(yīng)用，目前，出現(xiàn)了各種版本的PDM軟件，但是缺乏標(biāo)準(zhǔn)，由此造成了PDM軟件與其他應(yīng)用系統(tǒng)的集成問題。在虛擬環(huán)境下，各專業(yè)、各部門人員基于同一產(chǎn)品模型協(xié)同工作，必須解決PDM與其他應(yīng)用軟件的集成；

(2)虛擬產(chǎn)品開發(fā)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)組織體系。虛擬產(chǎn)品開發(fā)方式生成的產(chǎn)品數(shù)字樣機的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹既要反映產(chǎn)品設(shè)計階段的構(gòu)造層次結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品的裝配順序，還要反映生產(chǎn)流程，制造部門可以直接根據(jù)產(chǎn)品數(shù)字樣機進(jìn)行制造。因此，研究適合虛擬產(chǎn)品開發(fā)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)組織體系是切實必要的；

(3)與數(shù)字化產(chǎn)品模型相關(guān)數(shù)據(jù)的組織和管理。

產(chǎn)品的數(shù)字化包括建立產(chǎn)品的數(shù)字模型及其相關(guān)的性能指標(biāo)，包括結(jié)構(gòu)分析、運動學(xué)分析、動力學(xué)分析、熱力學(xué)分析的結(jié)果，為產(chǎn)品的定型提供理論依據(jù)，并對產(chǎn)品性能進(jìn)行改造。如何有效地解決數(shù)據(jù)的組織和管理，使之有效地適合虛擬制造的需要是目前研究的熱點。

4.4制造過程仿真建模方法和技術(shù)

基于物理模型的制造過程仿真技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但建模方法與建模技術(shù)仍未有突破性進(jìn)展。

(1)虛擬加工工具有待完善。目前已有很多商品化軟件可以進(jìn)行“可加工性”評價，但虛擬制造還需研究開發(fā)大量的虛擬加工分析工具，如具有切削力分析功能的加工過程仿真系統(tǒng)等；

(2)虛擬裝配的基礎(chǔ)理論研究。虛擬制造對虛擬配中的公差分析與綜合技術(shù)還缺乏理論基礎(chǔ)，在模型的生成以及對ISO公差標(biāo)準(zhǔn)、形位公差的支持方面還存在很多問題，迫切需要解決；

(3)裝配工藝規(guī)劃的進(jìn)一步研究。目前基于虛擬裝配工藝規(guī)劃的研究存在很大的局限性，主要是指:僅考慮沿坐標(biāo)軸方向的平移，裝配運動方式過于簡單；偏重于幾何計算，工程語意知識的利用有待加強；裝配順序的選擇標(biāo)準(zhǔn)不夠廣泛和統(tǒng)一；

(4)虛擬測試技術(shù)研究。虛擬測試是成功運用“虛擬產(chǎn)品開發(fā)”技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是必不可少的。當(dāng)所有環(huán)節(jié)計算機化后，測試和效驗環(huán)節(jié)就成為影響效率的重要因素。

5結(jié)束語

由實際制造向“虛擬制造”轉(zhuǎn)變是國際制造業(yè)在信息技術(shù)推動下發(fā)生的最顯著變化。虛擬制造在工業(yè)發(fā)達(dá)國家如美國、德國、日本等已得到了不同程度的廣泛研究和應(yīng)用。在我國，清華大學(xué)、北京航空航厭大學(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)用研究的重點方向是基于產(chǎn)品的三維虛擬設(shè)計、加工過程仿真和產(chǎn)品裝配仿真，研究如何生成可信度高的產(chǎn)品虛擬樣機，達(dá)到在產(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。隨著研究的不斷深人和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，虛擬制造必將得到日益廣泛的應(yīng)用。