虚拟制造及其关键技术

虚拟制造技术的相关概念及其应用【摘要】虚拟制造技术是一种基于计算机仿真和虚拟现实技术的创新性制造方法。

它通过数字化建模和仿真，实现了全生命周期的产品设计、工艺规划、生产执行、质量控制和维护管理等各个阶段的优化和智能化。

在产品设计阶段，虚拟制造技术可以帮助设计师实现产品的虚拟验证和优化设计；在工艺规划阶段，它可以模拟制造过程，提高生产效率；在生产执行阶段，它可以优化生产计划和资源调配，实现智能化制造；在质量控制阶段，它可以实时监测和调整生产过程，确保产品质量；在维护管理阶段，它可以预测设备故障和优化维护方案。

未来，虚拟制造技术的发展趋势是向更智能、更数字化、更集成化的方向发展，其重要性和应用前景将会逐渐凸显。

【关键词】虚拟制造技术、产品设计、工艺规划、生产执行、质量控制、维护管理、未来发展趋势、重要性、应用前景。

1. 引言1.1 虚拟制造技术的定义虚拟制造技术是一种利用计算机仿真和虚拟现实技术，将产品的设计、工艺规划、生产执行、质量控制和维护管理等各个阶段都进行虚拟模拟和优化的先进制造技术。

通过虚拟制造技术，可以在产品实际制造之前进行全面的数字化仿真，及时发现和解决问题，降低生产成本，缩短产品开发周期，提高产品质量和生产效率。

虚拟制造技术的发展已经经历了多个阶段，从最初只能进行简单模拟的2D平面图到今天可以实现高度真实感的3D虚拟仿真。

随着计算机性能的不断提升和虚拟现实技术的成熟，虚拟制造技术正在逐渐成为制造业中不可或缺的重要技术手段。

通过虚拟制造技术，企业可以在产品整个生命周期中进行全面的数字化管理和优化，提高整体竞争力，实现智能制造的目标。

1.2 虚拟制造技术的发展历程虚拟制造技术的发展历程可以追溯到上个世纪80年代初。

当时，随着计算机技术的不断发展和成熟，虚拟制造技术开始引起人们的关注。

最初，虚拟制造技术主要应用于汽车、航空航天等行业，用来验证产品设计方案和模拟生产过程。

随着计算机性能的不断提升和软件技术的不断完善，虚拟制造技术在逐渐扩展到了更多的领域，如电子产品、机械设备等。

虚拟制造及其关键技术市场全球化使企业面临的竞争对手不断增多，面临的竞争压力日益加重，随着产品更新换代速度的加快，交货时间与产品质量较之于成本成为企业参与市场竞争更为重要的手段。

与此同时，由于社会、经济与科学技术的进展而引起的对环境与社会因素的日益关注，导致了产品生命周期概念与可持续性工业生产的出现。

面对制造环境的复杂性、制造产品的复杂性与制造本身的复杂性(包含制造系统结构的复杂性与制造过程的复杂性)[1]的不断提高，企业能否在瞬息万变的市场竞争中立于不败之地，取决于企业的整体竞争能力，即取决于其能否通过信息集成、智能集成、资源集成、技术集成、过程集成、串并行工作机制集成、组织管理集成与人机集成实现分布式协同求解，从而使企业的运作达到全局最优，资源得到合理的配置与利用，提高市场竞争力。

虚拟制造使企业的全面集成成为可能，从而作为一种21世纪的新型制造策略与方法正越来越受到工业界与学术界的重视。

二、虚拟制造的概念与功能1．虚拟制造的概念由于虚拟制造研究的出发点、侧重点与应用场合等方面的不一致，因此存在对虚拟制造各类不一致的定义。

Kimura[2]、Onosato[3]等将虚拟制造定义为现实制造系统在虚拟环境下的映射，是针对现实制造环境的虚拟模型，该模型为生产规划、调度与管理提供测试环境。

ChetanShukla[4]等将虚拟制造定义为一个正在进展中的研究领域，其目的是通过虚拟现实技术将各类与制造有关的技术集成起来。

Hitchcock等则将其定义为一个用于提高制造企业内各级决策与操纵能力的集成的、虚拟的制造环境。

而 Nahavandi与Preece对虚拟制造定义则与为Kimura的定义有些相似，将其定义为已经存在或者还不存在的制造系统的仿真模型，该模型具有与制造过程、过程操纵与管理与产品有关的所有信息。

Lin[5，6]等认为虚拟制造是应用计算机模型与制造过程仿真来辅助产品的设计与制造。

Iwata[7]等认为虚拟制造系统是实现沟通制造工程与信息基础结构建立新型信息基础结构最有希望的方法。

虚拟制造技术伴随着制造业迅猛发展而形成的生产消费模式，正过度消耗着大量不可再生的资源，破坏着人类的生存坏境。

因此，发展与资源、环境的和谐，以及社会经济的可持续发展，就成为全球性的产业结构调整的战略导向，即向资源利用合理化、废弃物产生少量化、环境影响无害化的方向发展。

至此，运用先进技术和产业化生产，使报废产品高质量地再生，是对产品附加值（包括能量、劳动、材料）的最优化资源回收方式成为必然的发展趋势。

而虚拟制造技术又是再制造设计发展的必要途径，也是其作为先进制造技术的重要特征。

一．虚拟现实技术虚拟现实（Virtual Reality ，VR）技术是近年来出现的一门高新技术，它可以模拟现实、再现真实的过去和显示可见的未来。

从总体上讲，虚拟现实技术就是要把计算机从善于处理数字化的单维信息改变为善于处理人所能感受到的、在思维过程中所能接触到的、除了数字化之外的其它各种表现形式的多维信息，具体地说就是以仿真形式创造出真实反映客观世界变化及其相互作用的三维环境，通过立体液晶眼镜、头盔显示器、数据手套、数据服和跟踪器等装置，使用户沉浸在计算机生成的虚拟环境之中，直接感知事物的变化，并与之发生交互作用，产生一种“身临其境”的感觉，它汇集了计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术、高度并行的实时计算技术和人的行为学等多项关键技术，是多媒体技术发展的更高境界，是高技术成果的系统集成。

虚拟现实系统是一个闭环系统，包括用户、机器和人—机接口三个基本要素。

其中用户是虚拟环境的接受者和作用者；机器是指安装了相应软件程序, 用来生成虚拟环境的计算机；人—机接口是指将虚拟环境和用户连接起来的传感与控制装置。

虚拟现实技术具有沉浸感、交互性和想象力等特征。

沉浸感是指用户作为主体存在于虚拟环境的真实程度；交互性是指用户对虚拟环境的可操作程度和从环境中得到反馈的自然程度(包括实时性)；想象力是指用户沉浸在多维信息空间中，依靠其感知和认知能力全方位地获取知识，发挥主观能动性，寻求解答，形成新的概念。

虚拟制造及其关键技术虚拟制造是指利用计算机技术和虚拟现实技术开展产品设计、生产制造和工艺优化等工作的一种集成虚拟化技术。

它通过模拟和仿真技术，实现了从产品设计到生产制造的全过程数字化，将设计、工艺制造和产品质量等因素纳入统一的虚拟环境进行集成，是实现智能制造的重要手段。

虚拟制造的核心技术是虚拟现实技术，在实现产品设计、工艺规划、生产过程模拟等方面发挥了重要作用。

虚拟现实技术通过利用计算机图形学、机器视觉、模型重建等技术，将现实中的物体、场景以虚拟的方式呈现出来，使用户能够与虚拟环境进行交互，获得更加直观、真实的感觉。

虚拟制造的关键技术还包括工艺规划和模拟、数字化加工和装配等。

工艺规划和模拟技术利用计算机辅助设计、虚拟现实技术等手段，模拟和优化产品的生产工艺过程，减少资源消耗和生产时间，提高生产效率和产品质量。

数字化加工技术是指利用数控机床等设备进行数字化加工，将设计数据直接转换成制造过程中所需的指令，实现高效、精确的加工。

数字化装配技术则是利用虚拟现实技术对产品进行虚拟组装，检测产品在装配过程中的合理性和可行性，提高装配效率和产品质量。

虚拟制造的应用领域非常广泛，包括航空航天、汽车制造、机器制造、电子信息等各个行业。

在航空航天领域，虚拟制造可以帮助设计师和工程师们对飞机进行全面的仿真和模拟，包括外形设计、结构强度分析、机载设备布局等方面。

在汽车制造领域，虚拟制造可以对整个汽车生产过程进行优化和模拟，包括车身焊接、喷涂、总装等方面。

在机器制造领域，虚拟制造可以模拟和优化机械设备的加工过程，提高生产效率和产品质量。

在电子信息领域，虚拟制造可以模拟和测试电子产品的制造工艺和性能，提高研发和生产效率。

虚拟制造的发展离不开计算机技术和软件技术的支持。

计算机技术的不断进步为虚拟制造提供了强大的计算能力和存储能力，使得虚拟制造可以处理更加复杂的问题和大规模的数据。

软件技术的不断创新为虚拟制造提供了各种工具和平台，包括三维建模软件、仿真软件、虚拟装配软件等，使得虚拟制造可以更加快速、准确地进行产品设计和制造过程的模拟和优化。

1。

虚拟制造的定义：虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本质实现，即采用计算机建模与仿真技术，虚拟现实或可视化技术，在计算机网络环境下群组协同工作，模拟产品的整个制造过程，对产品设计，工艺规划，加工制造，性能分析，生产调度和管理，销售及售后服务等做出综合评价，以增强制造过程各个层次或环节的正确决策和控制能力2．映射的特性：（1）映射的定义域是实际制造过程，值域是虚拟制造过程，直接结果是全数字化产品，映射的介质是网络计算机环境。

（2）该映射是非线性迭代过程，需要多次循环直到满足要求为止。

（3）虚拟制造的结果千差万别，难以预测，因而可能是一个混沌的过程。

（4）由于人是整个系统的主体，将人的智能以控制参数的形式复合进去，该映射在一定程度上也是可控的。

由于不同的人其技术水平和经验不同，因而控制参数具有模糊特性。

3 虚拟制造的优势：1缩短了产品的研发周期2 降低了产品的研发成本3 提供了一个先进的制造系统仿真平台4 虚拟制造系统是通过对实际制造系统进行抽象，分析，综合，得到实际生产的全部数字化模型 5 虚拟制造的相关技术包括：输入，输出设备及计算机硬件技术、集成这些硬件系统的电子技术和软件技术。

6 虚拟制造技术的核心与关键技术：计算机仿真优化设计、三维建模技术和网络技术。

7其他的先进技术有哪些： 1 计算机集成制造系统与虚拟制造系统2 敏捷制造与虚拟制造技术3 并行工程与虚拟制造技术4 精益生产与虚拟制造技术5 绿色制造与虚拟制造技术6智能制造与虚拟制造技术1 虚拟现实（VR、Virtual Reality）又称虚拟环境（VE）：虚拟现实是由计算机生成的，通过视听触觉、嗅觉等多通道作用于用户，使之生产身临其境感的交互式计算机仿真，是一种可以创造和体验虚拟世界的计算机系统。

2，虚拟现实的特征（1）多感知性（2）沉浸感（3）自治性（4）交互性3，虚拟现实的系统组成（1）检测输入装置（2）图像生成和显示系统（3）音频系统（4）力、触觉系统（5）高性能计算机系统（6）建模系统4虚拟对象的模型主要包括：几何模型、物理模型、运动模型、声音模型等5对象的几何模型：就是用来描述对象固有形状和外表的抽象模型，通常首先用三角形或多边形构造对象的几何外形，然后对几何模型进行纹理，颜色，光照等处理，后者称之为形象建模6 几何模型的生成方法：1测试法 2 CAD法 3二维视图变换法7 纹理的定义：是指物体表面细微的凹凸不平的条纹，可以用随机扰动法生成，即在表面各点法线方向附加微小的随机扰动量，从而产生表面微观不平度。

虚拟制造的核心技术虚拟制造技术涉及面很广，如环境构成技术、过程特征抽取、元模型、集成基础结构的体系结构、制造特征数据集成、多学科交叉功能、决策支持工具、接口技术、虚拟现实技术、建模与仿真技术等。

1、建模技术虚拟制造系统VMS是现实制造系统RMS在虚拟环境下的映射，是RMS的模型化、形式化和计算机化的抽象描述和表示。

VMS 的建模包括生产模型、产品模型和工艺模型。

(1)生产模型。

可归纳为静态描述和动态描述两个方面。

静态描述是指系统生产能力和生产特性的描述。

动态描述是指在已知系统状态和需求特性的基础上预测产品生产的全过程。

(2)产品模型。

产品模型是制造过程中，各类实体对象模型的集合。

目前产品模型描述的信息有产品结构、产品形状特征等静态信息。

而对VMS来说，要使产品实施过程中的全部活动集成，就必须具有完备的产品模型，所以虚拟制造下的产品模型不再是单一的静态特征模型，它能通过映射、抽象等方法提取产品实施中各活动所需的模型，包括三维动态模型，干涉检查，应力分析等。

(3)工艺模型。

将工艺参数与影响制造功能的产品设计属性联系起来，以反应生产模型与产品模型之间的交互作用。

工艺模型必须具备以下功能：计算机工艺仿真、制造数据表、制造规划、统计模型以及物理和数学模型。

2、仿真技术仿真就是应用计算机对复杂的现实系统经过抽象和简化形成系统模型，然后在分析的基础上运行此模型，从而得到系统一系列的统计性能。

由于仿真是以系统模型为对象的研究方法，不会干扰实际生产系统，同时利用计算机的快速运算能力，仿真可以用很短时间模拟实际生产中需要很长时间的生产周期，因而可以缩短决策时间，避免资金、人力和时间的浪费，并可重复仿真，优化实施方案。

仿真的基本步骤为：研究系统一收集数据、建立系统模型一确定仿真算法、建立仿真模型、运行仿真模型*输出结果并分析。

产品制造过程仿真，可归纳为制造系统仿真和加工过程仿真。

虚拟制造系统中的产品开发涉及到产品建模仿真、设计过程规划仿真、设计思维过程和设计交互行为仿真等，以便对设计结果进行评价，实现设计过程早期反馈，减少或避免产品设计错误。