虛擬制造技術(shù)在現(xiàn)代機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王旭 李璐

摘 要：虛擬制造技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在制造領(lǐng)域的綜合發(fā)展及應(yīng)用，它為制造業(yè)帶來(lái)全新的概念。它既是一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)又是一種先進(jìn)制造理念，這項(xiàng)新興的制造技術(shù)為制造業(yè)的發(fā)展指明了方向，減少了資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)了綠色制造，使制造業(yè)達(dá)到了前所未有的高度集成化與優(yōu)化，為先進(jìn)制造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了更廣闊的空間，是現(xiàn)代制造業(yè)信息化過(guò)程中不可逾越的階段。本文對(duì)虛擬制造技術(shù)在現(xiàn)代機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究探討。

關(guān)鍵詞：虛擬制造;虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);現(xiàn)代機(jī)械;工程設(shè)計(jì)

虛擬制造是20世紀(jì)80年代后期美國(guó)首先提出來(lái)的一種新思想，它是利用信息技術(shù)、仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等對(duì)現(xiàn)實(shí)制造活動(dòng)中的人、物、信息及產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、加工制造等生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行全面的仿真，以發(fā)現(xiàn)制造中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，預(yù)測(cè)、檢測(cè)、評(píng)價(jià)產(chǎn)品性能和產(chǎn)品的可制造性等，在產(chǎn)品實(shí)際生產(chǎn)前就采取預(yù)防措施，確保產(chǎn)品一次性開(kāi)發(fā)成功，以達(dá)到降低成本、縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的目的。

一、關(guān)于虛擬制造的技術(shù)特點(diǎn)

一是高度集成。虛擬制造中產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造過(guò)程是在虛擬的產(chǎn)品數(shù)字化模型中進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試等過(guò)程，并且在虛擬的制造環(huán)境中檢驗(yàn)其設(shè)計(jì)、加工、裝配和操作。因此，易于綜合運(yùn)用系統(tǒng)工程知識(shí)、并行工程和人―機(jī)工程等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信息集成、知識(shí)集成、串并行交錯(cuò)工作機(jī)制集成和人―機(jī)集成。

二是敏捷靈活。開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品（部件）可存放在計(jì)算機(jī)里，既節(jié)省倉(cāng)儲(chǔ)費(fèi)用，利于產(chǎn)品再次快速改型設(shè)計(jì)，從而大幅度縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，降低了成本，提高了產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造到銷售全過(guò)程的整體性和敏捷性。

三是分布合作。虛擬制造通過(guò)Internet可使分布在不同地點(diǎn)、不同部門的不同專業(yè)人員在同一產(chǎn)品模型上同時(shí)工作，相互交流，實(shí)現(xiàn)資源共享，發(fā)揮各自特長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)異地設(shè)計(jì)、制造，從而使產(chǎn)品開(kāi)發(fā)以快捷、優(yōu)質(zhì)、低耗響應(yīng)市場(chǎng)變化，將制造業(yè)信息化與知識(shí)化融為一體。

二、虛擬制造技術(shù)對(duì)發(fā)展我制造業(yè)的作用

一是減少資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)綠色制造。綠色制造是一個(gè)綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造模式，其目標(biāo)是使產(chǎn)品在從設(shè)計(jì)、制造、包裝、運(yùn)輸、使用到報(bào)廢的整個(gè)產(chǎn)品生命周期中，對(duì)環(huán)境的影響（負(fù)作用）最小，資源的使用效率最高。而虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用對(duì)整個(gè)制造工藝來(lái)說(shuō)減少了廢棄物，這要比處理工廠已經(jīng)排放的廢棄物大大節(jié)省開(kāi)支，它將成為綠色制造的一部分。

二是規(guī)避生產(chǎn)要素缺乏、生產(chǎn)成本過(guò)高的局面。在實(shí)際生產(chǎn)前，在不消耗資源和能量的情況下驗(yàn)證產(chǎn)品方案。在虛擬制造環(huán)境下，工程設(shè)計(jì)人員可以直接對(duì)設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品進(jìn)行各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，檢查產(chǎn)品各方面的技術(shù)性能等，還可以對(duì)生產(chǎn)的組織和進(jìn)度安排進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確立合理的進(jìn)度表等。這樣就可大大降低生產(chǎn)成本，減少新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的投資。

三是敏捷轉(zhuǎn)換產(chǎn)品生產(chǎn)，快速滿足市場(chǎng)需求。虛擬制造是“核心”企業(yè)按市場(chǎng)需求決定委托加工的任務(wù)單，將設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、組裝的全部或部分任務(wù)外包給其他企業(yè)來(lái)完戎，而虛擬企業(yè)中的成員企業(yè)均擁有各自的優(yōu)勢(shì)資源、核心技術(shù)，是專業(yè)程度很高的企業(yè)，容易對(duì)產(chǎn)品的某一零部件進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，能敏捷地轉(zhuǎn)換不同類型產(chǎn)品的生產(chǎn)，從而快速滿足市場(chǎng)需求。

四是增強(qiáng)企業(yè)柔性和抗市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)能力。“虛擬制造”能按市場(chǎng)需求決定委托加工的任務(wù)單，當(dāng)產(chǎn)品的市場(chǎng)需求減少時(shí)，可以迅速降低委托加工量，而不用承擔(dān)生產(chǎn)過(guò)剩的風(fēng)險(xiǎn)。顯然，這部分風(fēng)險(xiǎn)分散轉(zhuǎn)嫁給了委托加工企業(yè)。但由于受委托方往往是專業(yè)化的加工企業(yè)，對(duì)分散轉(zhuǎn)嫁的風(fēng)險(xiǎn)具有較強(qiáng)的應(yīng)變能力，常能在短時(shí)間內(nèi)改變生產(chǎn)加工產(chǎn)品內(nèi)容。

五是突破中小企業(yè)的規(guī)模瓶頸。虛擬企業(yè)內(nèi)部交易是一種“準(zhǔn)市場(chǎng)交易”，它比純市場(chǎng)交易穩(wěn)定，又比一體化企業(yè)內(nèi)部交易靈活，集合了市場(chǎng)和企業(yè)的雙重優(yōu)勢(shì)。企業(yè)通過(guò)虛擬制造有效避免或降低了在純市場(chǎng)、信息不對(duì)稱條件下尋求生產(chǎn)要素、進(jìn)行交易的高成本，從而提升了產(chǎn)品在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。企業(yè)突破傳統(tǒng)發(fā)展模式、擴(kuò)大規(guī)模、跳躍發(fā)展成為可能。

三、虛擬制造技術(shù)在現(xiàn)代機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

虛擬制造在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、德國(guó)、日本等已得到了不同程度的研究和應(yīng)用。在這一領(lǐng)域，美國(guó)處于國(guó)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(kāi)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(shí)間。在我國(guó)，清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等科研教學(xué)單位也已經(jīng)開(kāi)展了這一領(lǐng)域的研究工作。當(dāng)前我國(guó)虛擬制造應(yīng)用的重點(diǎn)研究方向是基于我國(guó)國(guó)情，進(jìn)行產(chǎn)品的三維虛擬設(shè)計(jì)、加工過(guò)程仿真和產(chǎn)品裝配仿真，主要是研究如何生成可信度高的產(chǎn)品虛擬樣機(jī)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段能夠以較高的置信度預(yù)測(cè)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的最終性能和可制造性。

一是虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)。例如飛機(jī)、汽車的外形設(shè)計(jì)，其形狀是否符合空氣動(dòng)力學(xué)原理、運(yùn)動(dòng)過(guò)程的阻力、其內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局的合理性等。在復(fù)雜管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，彩虛擬技術(shù)，設(shè)計(jì)者可“進(jìn)入其中”進(jìn)行管道布置，并可檢查是否發(fā)生干涉。這樣可提高設(shè)計(jì)效率，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，從而優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

二是虛擬產(chǎn)品制造。應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì)零件的加工方法、工序順序、工裝的選用、工藝參數(shù)的選用，加工工藝性、裝配工藝性、配合件之間的配合性、運(yùn)行物件的運(yùn)動(dòng)性等均可建模仿真，提前發(fā)現(xiàn)加工缺陷和裝配時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題，從而優(yōu)化制造過(guò)程、提高加工效率。

三是虛擬生產(chǎn)過(guò)程。產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的合理制定，人力資源、制造資源、物料庫(kù)存、生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)等，均可通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)還可對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的資金進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，對(duì)產(chǎn)品市場(chǎng)進(jìn)行分析預(yù)測(cè)等，從而對(duì)人力、制造資源的合理配置，對(duì)縮短生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本意義重大。John Deere公司運(yùn)用VMT進(jìn)行弧焊生產(chǎn)系統(tǒng)的安裝，EDS 公司應(yīng)用DENEB 軟件為通用汽車公司的中、高檔毫華汽車分廠進(jìn)行裝配生產(chǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，GM 公司也為此節(jié)省數(shù)百萬(wàn)美元，并提前了上市時(shí)間。

四、結(jié)語(yǔ)

虛擬制造技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在制造領(lǐng)域的綜合發(fā)展及應(yīng)用，它為制造業(yè)帶來(lái)全新的概念。它既是一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)又是一種先進(jìn)制造理念，這項(xiàng)新興的制造技術(shù)為制造業(yè)的發(fā)展指明了方向，減少了資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)了綠色制造，使制造業(yè)達(dá)到了前所未有的高度集成化與優(yōu)化，為先進(jìn)制造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了更廣闊的空間，是現(xiàn)代制造業(yè)信息化過(guò)程中不可逾越的階段。

參考文獻(xiàn)

[1]李京平.模具現(xiàn)代制造技術(shù)概論[M].北京市：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]韓寶菊，王衛(wèi)東.虛擬制造技術(shù)及應(yīng)用[J].液壓氣動(dòng)與密封.2010.