浅谈虚拟制造技术及发展应用

摘　要：

关键词：
　　虚拟制造技术是在 CAD／CAM／CAE技术基础上发展起来的。一方面，CAD／CAM／CAE技术为虚拟制造的实现提供了较为成熟的技术基础，如建模技术、分析优化技术、制造过程仿真技术 、分析评价技术、设计分析评价技术和产品信息集成 、转换 、共享技术等。特别是特征建模技术在虚拟制造技术中占有极为重要的地位。另一方面，虚拟制造技术超越了CAD／CAM／CAE技术，CAD／CAM／CAE技术主要考虑产品本身信息的集成与建模，而虚拟制造技术还要考虑加工过程的建模等问题。
1． 虚拟制造技术的基本概念
　　虚拟制造技术VMT（Virtual Manufacturing Technology）是20世纪80年代后期提出并得到迅速发展的一个新思想。它是以虚拟现实和仿真技术为基础，对产品的设计、生产过程统一建模，在计算机上对产品从设计、加工和装配、检验、使用等整个生命周期进行模拟和仿真。采用虚拟制造技术，可以在产品的设计阶段就模拟出产品及其性能和制造过程，以此来优化产品的设计质量和制造过程，优化生产管理和资源规划，使产品的开发周期和成本最小化。
2. 虚拟制造技术的主要特点：
2．1  运用信息技术对制造系统的要素进行全面仿真和高度集成
　　通过产品模型、过程模型和资源模型的组合与匹配来仿真特定制造系统中的设备布置、生产活动 、经营活动等行为， 优化制造系统各要素(人、技术、管理 、环境等)的整体配置．从而确保制造系统的可行性 、合理性 、经济性和高适应,为先进制造技术的进一步发展提供了更广大的空间，同时也推动了相关技术的不断发展和进步。
2．2 人与虚拟制造环境交互的自然化
　　虚拟制造环境是以人为中心，使研究者能够沉浸到由模型创建的虚拟环境中去，通过多种感知渠道直接感受不同媒体映射的模型运行信息，并利用人本身的智能进行信息融合，产生综合映射，从而深刻把握事物的内在实质。人与虚拟制造环境的交互有利于加深人们对生产过程和制造系统的认识和理解，有利于对其进行理论升华，更好地指导实际生产。也有利于对生产人员进行模拟操作训练、异常工艺的应急处理等，加快企业人才的培养速度。     
3 虚拟制造技术的研究内容与关键技术
3. 1  虚拟制造技术的研究内容
　　由于虚拟制造涉及的技术领域极其广泛，并且许多技术并非虚拟制造所特有，有些技术在其它领域也早有研究和应用，如 CAD／CAM／CAE技术为虚拟制造的实现提供了较为成熟的技术基础，多媒体远程通讯 、网络技术、信息集成 、三维实体建模技术等计算机各项技术的发展，为虚拟制造功能的实现提供了有力支撑。近年来，虚拟制造无论在基础研究 ，还是技术开发方面都取得了很大的进步，信息集成技术在虚拟制造中也得到了广泛的应用。但是虚拟制造技术并不是已有各单项技术的简单组合，而是对制造知识进行系统化组织，对工程对象和制造活动进行全面建模，在相关理论和已积累知识的基础上实现集成。
　　就目前的研究情况来看，虚拟制造技术针对产品生产与制造过程的拟实仿真、制造企业活动知识抽取、系统过程评价的中断介入等，这需要有高计算能力 、高速度、低成本的硬件和软件的支撑，而目前软件的发展远远滞后于硬件 ，虚拟制造技术要真正成为现代制造技术利器，还有许多相关技术有待研究和开发，虚拟制造技术的研究与应用有着巨大的潜力。
3．2 虚拟制造的关键技术
　　虚拟制造的关键技术可分为软硬两个方面。目前，这些技术仍处于发展完善之中，相比之下，软件方面的开发远远落后于硬件。
　　软件方面的关键技术，包括制造系统建模 、产品开发和制造过程仿真以及可制造性评价等。软件技术是创建高度交互的、实时的、逼真的虚拟环境所需的关键技术。在进行软件开发时，要考虑虚拟环境的建模以及所建环境的可交互 性、可漫游性等。 
　　软件方面涉及的主要技术有可视化技术，即将各种信息以一种有意义 、可理解的虚拟方式显示给用户；环境构造技术开发，即一种像通用操作系统那样的环境，以便促进可视化和其它VM功能；信息描述技术，即采用不同的方法、不同的语义或语法表达不 同的信息，集成结构技术，建立硬件和软件技术；仿真技术，在计算机中设计制作实时系统模拟的过程；方法论，找出用于开发和使用VMS 的方法；制造的特征化技术。获取、测量和分析影响制造过程中材料去处的变量；VMS 的实施、测量和检验技术；在VM 环境下的人——机、人——人等关于人机工程学方面的评价和优化技术。
　　硬件方面涉及的主要技术有输入／输出设备，如头盔式立体显示器（HMD ) ，适用的计算机屏幕、可视化眼镜，数据手套、三维鼠标、数据衣服、虚拟音响设备；与输入／输出有关的存储信息设备；能支持各种设备、数据存储和高速运算的计算机系统，该系统应具有按用户需求实时提供高质量画面的能力；网络体系结构设备和不同站点的硬件设备（如小型机、图形工作站、PC 机等）。
　　通过软硬技术的结合，建立虚拟现实计算平台，在VRS 中综合处理各种输人信息并产生作用于用户的交互性输出结果的计算机系统。
4. 结束语
　　虚拟制造技术是一门新兴的先进制造技术，本文从虚拟制造的特点、虚拟制造的研究内容以及几个关键技术出发，对虚拟制造的研究现状、存在问题和研究方向进行了综述和评议。可以看出，尽管近年来国内外取得了一定的研究成果，但还有许多难题需要进行进一步深人的研究，特别是制造系统建模和仿真以及面向虚拟产品开发全过程的集成系统等有待研究和开发，相信通过全世界虚拟制造研究人员的努力，数字化制造的时代一定会到来。

参考文献:
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[2]肖田元．虚拟制造．北京：清华大学出版社，2004．
[3] 贾广飞，葛敬霞，印建平．虚拟制造技术及其在我国的发展策略
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