１ 虛擬制造技術(shù)界定與內(nèi)涵　
　
　　虛擬現(xiàn)實（Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｒｅａｌｉｔｙ）技術(shù)是使用感官組織仿真設(shè)備和真實或虛幻環(huán)境的動態(tài)模型生成或創(chuàng)造出人能夠感知的環(huán)境或現(xiàn)實，使人能夠憑借直覺作用于計算機產(chǎn)生的三維仿真模型的虛擬環(huán)境。基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬制造（Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）技術(shù)是在一個統(tǒng)一模型之下對設(shè)計和制造等過程進行集成，它將與產(chǎn)品制造相關(guān)的各種過程與技術(shù)集成在三維的、動態(tài)的仿真真實過程的實體數(shù)字模型之上。其目的是在產(chǎn)品設(shè)計階段，借助建模與仿真技術(shù)及時地、并行地、模擬出產(chǎn)品未來制造過程乃至產(chǎn)品全生命周期的各種活動對產(chǎn)品設(shè)計的影響，預測、檢測、評價產(chǎn)品性能和產(chǎn)品的可制造性等等。從而更加有效的、經(jīng)濟的、柔性的組織生產(chǎn)，增強決策與控制水平，有力地降低由于前期設(shè)計給后期制造帶來的回溯更改，達到產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本最小化、產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量的最優(yōu)化、生產(chǎn)效率的最大化。　

    虛擬制造技術(shù)的研究內(nèi)容是極為廣泛的，除了虛擬現(xiàn)實技術(shù)涉及的共同性技術(shù)外，虛擬制造領(lǐng)域本身的主要研究內(nèi)容有：虛擬制造的理論體系；設(shè)計信息和生產(chǎn)過程的三維可視化；虛擬環(huán)境下系統(tǒng)全局最優(yōu)決策理論和技術(shù)；虛擬制造系統(tǒng)的開放式體系結(jié)構(gòu)；虛擬產(chǎn)品的裝配仿真；虛擬環(huán)境中及虛擬制造過程中的人機協(xié)同作業(yè)等。一般來說，虛擬制造的研究都與特定的應(yīng)用環(huán)境和對象相聯(lián)系，由于應(yīng)用的不同要求而存在不同的側(cè)重點，因此出現(xiàn)了三個流派，即以設(shè)計為中心的虛擬制造、以生產(chǎn)為中心的虛擬制造和以控制為中心的虛擬制造。以設(shè)計為中心的虛擬制造是通過增加制造信息到集成產(chǎn)品開發(fā)過程中并在計算機中仿真多種制造方案，為設(shè)計者提供一個設(shè)計產(chǎn)品和評估產(chǎn)品可制造性的環(huán)境。以生產(chǎn)為中心的虛擬制造是通過增加仿真能力到生產(chǎn)過程模型，達到方便和快捷地評價多種加工過程的目的。它為工藝計劃和生產(chǎn)計劃的生成、工藝資源的要求以及對這些計劃的評價提供了一個環(huán)境。以控制為中心的虛擬制造是通過增加仿真到控制模型和實際的生產(chǎn)過程，模擬實際的車間生產(chǎn)，評估車間生產(chǎn)活動，達到優(yōu)化制造過程的目的。　

２ 發(fā)展虛擬制造技術(shù)的意義

      虛擬制造也可以對想象中的制造活動進行仿真，它不消耗現(xiàn)實資源和能量，所進行的過程是虛擬過
程，所生產(chǎn)的產(chǎn)品也是虛擬的。虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用將會對未來制造業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠影響，它的重大作用主要表現(xiàn)為：　

    （１）運用軟件對制造系統(tǒng)中的五大要素（人、組織管理、物流、信息流、能量流）進行全面仿真，使之達到了前所未有的高度集成，為先進制造技術(shù)的進一步發(fā)展提供了更廣大的空間，同時也推動了相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展和進步。　

    （２）可加深人們對生產(chǎn)過程和制造系統(tǒng)的認識和理解，有利于對其進行理論升華，更好地指導實際生產(chǎn)，即對生產(chǎn)過程、制造系統(tǒng)整體進行優(yōu)化配置，推動生產(chǎn)力的巨大躍升。　

    （３）在虛擬制造與現(xiàn)實制造的相互影響和作用過程中，可以全面改進企業(yè)的組織管理工作，而且對正確作出決策有不可估量的影響。例如：可以對生產(chǎn)計劃、交貨期、生產(chǎn)產(chǎn)量等作出預測，及時發(fā)現(xiàn)問題并改進現(xiàn)實制造過程。　

    （４）虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用將加快企業(yè)人才的培養(yǎng)速度。我們都知道模擬駕駛室對駕駛員、飛行員的培養(yǎng)起到了良好作用，虛擬制造也會產(chǎn)生類似的作用。例如：可以對生產(chǎn)人員進行操作訓練、異常工藝的應(yīng)急處理等。　

    （５）為敏捷制造（Ａｇｉｌｅ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）創(chuàng)造條件。敏捷制造是以競爭力和信譽度為基礎(chǔ)，選擇合作者組成虛擬公司，分工合作，為同一目標共同努力來增強整體競爭能力，對用戶需求作出快速反應(yīng)，以滿足用戶的需要。為了達到快速應(yīng)變能力，虛擬企業(yè)的建立是關(guān)鍵技術(shù)，其核心是虛擬制造技術(shù)，即敏捷制造是以虛擬制造技術(shù)為基礎(chǔ)的。　

    （６）實現(xiàn)綠色制造。綠色制造是一個綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造模式，其目標是使得產(chǎn)品從設(shè)計、制造、包裝、運輸、使用到報廢的整個產(chǎn)品生命周期中，對環(huán)境的影響（負作用）最小，資源的使用效率最高。綠色制造的提出是人們?nèi)找嬷匾暛h(huán)境保護的必然選擇，發(fā)展不能以環(huán)境污染為代價，國際制造業(yè)的實踐表明，通過改進整個制造工藝來減少廢棄物，要比處理工廠處理已經(jīng)排放的廢棄物大大節(jié)省開支，因此，當綠色制造發(fā)展到一定階段時，在虛擬制造技術(shù)中必定要集成綠色制造這一部分。　

    虛擬制造技術(shù)的廣泛應(yīng)用將從根本上改變現(xiàn)行的制造模式，對相關(guān)行業(yè)也將產(chǎn)生巨大影響，可以說虛擬制造技術(shù)決定著企業(yè)的未來，也決定著制造業(yè)在競爭中能否立于不敗之地。　

３ 虛擬制造技術(shù)支撐系統(tǒng)　

    虛擬制造技術(shù)是多學科綜合的系統(tǒng)技術(shù)，需要研究開發(fā)相應(yīng)的硬件集成系統(tǒng)與軟件，就軟件技術(shù)而言，相關(guān)的研究支持如下：１）可視化：真實、直觀地再現(xiàn)主觀產(chǎn)品與客觀制造過程；２）基本環(huán)境：增強可視化和其它虛擬制造功能的集成系統(tǒng)平臺；３）信息描述：表達各種信息，包括數(shù)據(jù)、知識和模型的統(tǒng)一的方法、語義、語法；４）中介模型：構(gòu)造、定義、開發(fā)對過程易于中斷介入的模型；５）基層集成組織結(jié)構(gòu)：硬件與軟件的基層組織結(jié)構(gòu)；６）仿真模型：在計算機系統(tǒng)中設(shè)計的真實系統(tǒng)模型；７）應(yīng)用方法；產(chǎn)品多樣性與過程動態(tài)性的共同特征的抽象提取；８）制造特征：各種材料在虛擬制造環(huán)境中的變化過程；９）虛擬制造系統(tǒng)評價：可制造性、工藝性、可靠性、經(jīng)濟性、質(zhì)量、工期等等。　　

    與硬件相關(guān)的技術(shù)有：１）輸入、輸出設(shè)備：基于 ＣＲＴ 和 ＬＣＤ 的頭盔顯示器（ＨＭＤ）、普通計算機顯示器、投影系統(tǒng)、可視化眼鏡、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)背心、蹋滾、搖桿、觸墊、耳機和音響系統(tǒng)等；２）信息采集、存儲設(shè)備；３）能支持各種設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲和高速運算的計算機系統(tǒng)；４）網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（星型、環(huán)型、總線型）、通訊硬件等。　

    虛擬制造系統(tǒng)是各制造功能的虛擬集成，其關(guān)鍵技術(shù)主要包括：１）虛擬環(huán)境下的產(chǎn)品主模型技術(shù)：主模型是一個核心，能以此為中心通向設(shè)計、制造和生產(chǎn)管理等各個環(huán)節(jié)并為其提供服務(wù)。主模型具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和分布式數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，它是一個可視化的數(shù)字產(chǎn)品模型，具有所代表的對象所具有的各種性能和特征，并能并行地處理設(shè)計分析、加工制造、生產(chǎn)組織與調(diào)度等各種生產(chǎn)環(huán)節(jié)所面臨的諸多問題；２）綜合可視化技術(shù)：主要包括計算機可視化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、多媒體技術(shù)和仿真技術(shù)；３）現(xiàn)實制造系統(tǒng)與虛擬制造系統(tǒng)之間的映射：虛擬設(shè)備、虛擬傳感器、虛擬單元、虛擬生產(chǎn)線、虛擬車間、和虛擬工廠的建立，以及各種虛擬設(shè)備的重用性和重組性技術(shù)；４）虛擬制造系統(tǒng)集成開發(fā)平臺的體系結(jié)構(gòu)、構(gòu)件庫及用戶開發(fā)環(huán)境；５）虛擬環(huán)境下分布式并行處理的分布式智能協(xié)同求解模型；６）虛擬公司的組織、調(diào)度及控制策略與技術(shù)。　　

４ 我國虛擬制造技術(shù)的 ＳＷＯＴ 分析　

    ＳＷＯＴ 是戰(zhàn)略管理理論中常用的分析方法，Ｓ（ｓｔｒｅｎｇｔｈ）表 示 優(yōu) 勢 、Ｗ（ｗｅａｋｎｅｓｓ）表示劣勢、Ｏ（ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｙ）表示機遇、Ｔ（ｔｈｒｅａｔ）表示威脅。通過 ＳＷＯＴ 分析可以迅速了解我國虛擬制造技術(shù)的在世界上的水平，增強緊迫感和歷史的責任感，從而為制定科學的發(fā)展戰(zhàn)略奠定良好的基礎(chǔ)。　

    目前我國在虛擬制造技術(shù)方面的發(fā)展取得了一定的成就，主要表現(xiàn)在：１）產(chǎn)品虛擬設(shè)計技術(shù)：主要包括虛擬產(chǎn)品開發(fā)平臺、虛擬測試、虛擬裝配以及機床、模具的虛擬設(shè)計實現(xiàn)等。其中清華大學利用美國國家儀器公司的 Ｌａｂｖｉｅｗ 開發(fā)平臺實現(xiàn)了鎖相電路的虛擬，北京機械科學研究院采用 Ｃ 語言和 ＯｐｅｎＧＬ進行編程初步實現(xiàn)了立體停車庫的虛擬現(xiàn)實下的參數(shù)化設(shè)計，可以直觀地進行車庫的布局、設(shè)計、分析和運動模擬；２）產(chǎn)品虛擬制造技術(shù)：主要包括材料熱加工工藝模擬、加工過程仿真、板材成型模擬、模具制造仿真等。北航與一汽用 ＯＰＴＲＩＳ 開發(fā)的板料成型軟件已經(jīng)基本能夠模擬類似車門的中等復雜程度的汽車覆蓋件和其他沖壓成型件的沖壓成型過程；沈陽鑄造研究所開發(fā)的電渣熔鑄工藝模擬軟件包ＥＳＲＤ３Ｄ 已經(jīng)應(yīng)用于水輪發(fā)電機變曲面過流部件生產(chǎn)中，其產(chǎn)品在劉家峽、李家峽、天生橋、太平役等 ７個電站中使用；合肥工業(yè)大學研制的雙刀架數(shù)控車床加工過程模擬軟件已經(jīng)在馬鞍山鋼鐵股份有限公司車輪輪箍廠應(yīng)用，使數(shù)控程序現(xiàn)場調(diào)試時間由幾個班縮短到幾小時，并保證一次試切成功；北京機床研究所、機械科學研究院、東北大學、上海交大和長沙鐵道學院等單位也研制出一些這方面的仿真軟件；３）虛擬制造系統(tǒng)：主要包括虛擬制造技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)、技術(shù)支持、開發(fā)策略等。其中提出了比較成熟的思想并可能實現(xiàn)的是由上海同濟大學張曙教授提出的分散網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)系統(tǒng)和西安交通大學謝友柏院士組建的異地網(wǎng)絡(luò)化研究中心。　

    在國外由于虛擬制造技術(shù)具有誘人的應(yīng)用前景，促使發(fā)達國家對其進行深入研究。在美國已形成了由政府、產(chǎn)業(yè)界、大學組成的多層次、多方位的綜合研究開發(fā)力量。在歐洲，許多大學和研究機構(gòu)通過相互間的合作并聯(lián)合企業(yè)進行虛擬制造技術(shù)的研究工作，例如：由 Ｂａｔｈ 大學進行的 Ａ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｗｏｒｋｓｈｏｐｆｏｒ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｂｙ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ研究，由Ｈｅｒｒｉｏｔ－Ｗａｔｔ大學進行的 Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｇｒｏｕｐ 研究等。在日本，已經(jīng)形成了以大阪大學為中心的研究開發(fā)力量，主要進行虛擬制造系統(tǒng)的建模和仿真技術(shù)的研究，并開發(fā)出了虛擬工廠的構(gòu)造環(huán)境 ＶｉｒｔｕａｌＷｏｒｋｓ。從這一點上可以看出我國與國外存在較大的差距，國外的虛擬技術(shù)是政府、科研院所和企業(yè)共同進行的，而我國很多只是集中在某一局部研究機構(gòu)，產(chǎn)業(yè)化程度非常低。　

    例如：美國 Ｂｏｎｅｉｎｇ 公司設(shè)計的一架 ＶＳ－Ｘ 虛擬飛機，可用頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套進行觀察與控制，使飛機設(shè)計人員身臨其境地觀察飛機設(shè)計的結(jié)果，并對其外觀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及使用性能進行考察；日本Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ 公司開發(fā)的虛擬廚房設(shè)備制造系統(tǒng)，允許消費者在購買商品前，在虛擬的廚房環(huán)境中體驗不同設(shè)備的功能，按自己的喜好評價、選擇和重組這些設(shè)備，他們的選擇將被存儲并通過網(wǎng)絡(luò)送至生產(chǎn)部門進行生產(chǎn)；美國 Ｃｏｖｅｎｔｒｙ　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ａｒｔ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ開發(fā)的虛擬原型制作系統(tǒng)，設(shè)計者在設(shè)計的初始階段能夠在計算機中構(gòu)造虛擬原型并對此原型進行評價，而我國很多都只是停留在概念階段。　

    通過上述比較可以看出，虛擬制造技術(shù)在我國面臨更多的是一種國際超常發(fā)展的挑戰(zhàn)和威脅，雖然我國工業(yè)化的建設(shè)能夠提供更大的市場空間和機遇，但是沒有一個超常規(guī)的發(fā)展戰(zhàn)略進行指導虛擬技術(shù)的發(fā)展也是非常不利的。　

５ 虛擬制造技術(shù)的發(fā)展戰(zhàn)略　
　
（１）實施和完善基礎(chǔ)工程　　

    虛擬制造技術(shù)的發(fā)展不是一個孤立的過程，它對基礎(chǔ)制造技術(shù)和工程有非常嚴格的要求，因此發(fā)展虛擬制造技術(shù)的戰(zhàn)略基礎(chǔ)和前提條件就是實施和完善基礎(chǔ)工程。主要包括：１）精益生產(chǎn)（Ｌｅａｎ　Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）。精益生產(chǎn)要求簡化生產(chǎn)過程，減少信息量，消除過分臃腫的生產(chǎn)組織，使產(chǎn)品及其生產(chǎn)過程盡可能地簡化和標準化。這樣做的結(jié)果對虛擬制造的建模仿真是十分有利的，即現(xiàn)實生產(chǎn)過程越簡化則虛擬制造實現(xiàn)起來 就 越 容 易 。 ２ ） 并 行 工 程 （ Ｃｏｎｃｕｒｒｅｎｔ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）：并行工程是集成地、并行地設(shè)計產(chǎn)品及其相關(guān)過程（包括制造過程和支持過程）的系統(tǒng)方法。它要求產(chǎn)品開發(fā)人員在一開始就考慮產(chǎn)品整個生命周期中從概念形成到產(chǎn)品報廢的所有因素，包括質(zhì)量、成本、進度計劃和用戶要求。為了達到并行的目的，必須建立高度集成的主模型，通過它來實現(xiàn)不同部門人員的協(xié)同工作；為了達到產(chǎn)品的一次設(shè)計成功，減少反復，它在許多部分應(yīng)用了仿真技術(shù)；主模型的建立、局部仿真的應(yīng)用等都包含在虛擬制造技術(shù)中，可以說并行工程的發(fā)展為虛擬制造技術(shù)的誕生創(chuàng)造了條件，虛擬制造技術(shù)將是以并行工程為基礎(chǔ)的，并行工程的進一步發(fā)展就是虛擬制造技術(shù)。　

    （２）　以市場需求為出發(fā)點，以“甩圖板”工程為契機，大力普及 ＣＡＤ 技術(shù)，幫助企業(yè)進行人員培訓，提高企業(yè)人員的素質(zhì)（其中包括技術(shù)水平、勞動態(tài)度、道德水平等），在 ＣＩＭＳ 成功示范企業(yè)中及時推廣并行工程、敏捷制造等思想和技術(shù)，為虛擬制造技術(shù)的實現(xiàn)提供堅實的基礎(chǔ)，在個別企業(yè)或部門首先實現(xiàn)虛擬制造。　

    （３）在技術(shù)的先進性方面，應(yīng)該根據(jù)企業(yè)實際要求，不要過度追求世界領(lǐng)先，以解決實際問題，力爭盡快創(chuàng)造效益，以此取得企業(yè)的支持并獲得資金上的幫助，以便形成良性循環(huán)，促進研究工作的進一步開展。從單純的技術(shù)角度看，在一個企業(yè)要實現(xiàn)虛擬制造，應(yīng)分階段逐步進行，不能隨便超越階段，一般可以從以下幾個階段開始：１）建立企業(yè)網(wǎng)和工程數(shù)據(jù)庫，初步實現(xiàn) ＣＡＤ、ＣＡＰＰ、ＣＡＭ 功能；２）進行信息集成，推行 ＰＤＭ 技術(shù)、特征建模技術(shù)，形成一個 ＣＡＤ、ＣＡＰＰ、ＣＡＭ 的集成系統(tǒng)；３）首先在設(shè)計、工藝、制造部門建立統(tǒng)一的產(chǎn)品模型，初步實現(xiàn)并行工程；進一步將企業(yè)管理方面的 ＭＩＳ、ＭＲＰＩＩ 與 ＣＡＤ／ＣＡＭ 系統(tǒng)進行集成，實現(xiàn)全廠范圍內(nèi)的信息集成，全面實現(xiàn)并行工程；４）在上述工作的基礎(chǔ)上，對企業(yè)內(nèi)的生產(chǎn)、經(jīng)營等多方面的活動進行建模、仿真，實現(xiàn)虛擬制造。　

    （４）從企業(yè)方面看，要注重工業(yè)工程的推廣應(yīng)用，從管理中要效益；在行業(yè)內(nèi)部，應(yīng)按具有一定通用性和行業(yè)特色進行虛擬制造技術(shù)的研究，推動整個行業(yè)的發(fā)展；在整個制造業(yè)中，應(yīng)抓住共性對普遍采用的技術(shù)、人員組織和生產(chǎn)管理等方面開展虛擬制造技術(shù)的研究，加強整個制造業(yè)的競爭力。

    （５）建立分布式網(wǎng)絡(luò)化研究中心，協(xié)調(diào)一致進行科技攻關(guān)。所謂分布式網(wǎng)絡(luò)化研究中心就是利用信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機技術(shù)對現(xiàn)實研究活動中的人、物、信息及研究過程進行全面的集成，在一定時期內(nèi)為了共同的目標以最佳的人員和單位組合來開展科學研究工作，調(diào)動各方面的積極性通過協(xié)同工作達到研究工作的廣泛開展和深入進行，縮短科研周期，增強科技成果的競爭力，也可以說分布式網(wǎng)絡(luò)化研究中心是將現(xiàn)實的研究機構(gòu)的職能在網(wǎng)絡(luò)中的映射，是一種“虛擬”的工作模式。　

    （６）在政府方面，應(yīng)發(fā)揮政府的協(xié)調(diào)職能，組織企業(yè)和科研部門進行多方面、多層次的合作，加強科研成果的應(yīng)用推廣，而且應(yīng)組織多學科、跨地區(qū)的科研力量共同攻關(guān)；從宏觀上加強對虛擬制造技術(shù)的指導，盡早制定符合我國國情的發(fā)展計劃。