虛擬制造是20世紀(jì)末在全球制造業(yè)中引起廣泛關(guān)注的一種新的制造方法與模式，其本質(zhì)是以計(jì)算機(jī)支持的仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為前提，對(duì)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)行統(tǒng)一建模Ⅲ，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，實(shí)時(shí)地、并行地模擬出產(chǎn)品未來(lái)制造全過(guò)程及其對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響，預(yù)測(cè)產(chǎn)品性能、產(chǎn)品制造技術(shù)、產(chǎn)品的可制造性，從而更有效、更經(jīng)濟(jì)、柔性靈活地組織生產(chǎn)，以達(dá)到產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期和成本的最小化，產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的最優(yōu)化，生產(chǎn)效率的最高化.

　　1 虛擬制造的特點(diǎn)分析

　　1.1虛擬制造與虛擬現(xiàn)實(shí)

　　虛擬現(xiàn)實(shí)是一種計(jì)算機(jī)生成的動(dòng)態(tài)的虛擬環(huán)境，人通過(guò)適當(dāng)?shù)慕涌谥蒙砥渲校梢詤⑴c和操縱虛擬環(huán)境中的對(duì)象.虛擬制造強(qiáng)調(diào)虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程仿真中的應(yīng)用.強(qiáng)調(diào)以一種可視化的直觀的方式增進(jìn)技術(shù)人員對(duì)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品或過(guò)程的理解，從而發(fā)現(xiàn)其中的問(wèn)題.

　　1.2虛擬制造與智能制造

　　智能制造的特征是：以制造工業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)的高度柔性與高度集成的方式，通過(guò)計(jì)算機(jī)和模擬人類專家的智能活動(dòng)，進(jìn)行分析、判斷、推理、構(gòu)思和決策，旨在取代或延伸制造環(huán)境中人的部分腦力勞動(dòng).顯然，虛擬制造是實(shí)現(xiàn)智能制造強(qiáng)有力的支撐環(huán)境和有效的支持工具.

　　1.3虛擬制造與虛擬企業(yè)

　　虛擬企業(yè)是以競(jìng)爭(zhēng)力和信譽(yù)度為基礎(chǔ)，選擇合作者分工合作，組成動(dòng)態(tài)聯(lián)盟，為同一目標(biāo)共同努力來(lái)增強(qiáng)整體競(jìng)爭(zhēng)能力，達(dá)到敏捷制造.虛擬制造可為虛擬企業(yè)協(xié)同提供包括異地設(shè)計(jì)、裝配、測(cè)試的環(huán)境，特別是基于廣域網(wǎng)的三維圖形的異地快速傳送、過(guò)程控制、人機(jī)交互等環(huán)境.

　　1.4虛擬制造與數(shù)字制造

　　數(shù)字制造是用信息技術(shù)對(duì)實(shí)際制造的全面改造和提升，是將產(chǎn)品傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)和制造在計(jì)算機(jī)上表示出來(lái)的技術(shù).虛擬制造雖然也是在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)實(shí)際制造，但它強(qiáng)調(diào)的是實(shí)際制造在計(jì)算機(jī)上的“本質(zhì)實(shí)現(xiàn)”，因此，可以說(shuō)，虛擬制造技術(shù)是實(shí)際制造在計(jì)算機(jī)上的“本質(zhì)實(shí)現(xiàn)”技術(shù).

　　從以上的分析中可以看出，各種先進(jìn)制造技術(shù)是相互關(guān)聯(lián)、彼此交叉、互為補(bǔ)充的.沒(méi)有必要也不可能用一個(gè)技術(shù)替代另一個(gè)，準(zhǔn)確地把握其內(nèi)涵，促進(jìn)其良性發(fā)展才是最重要的任務(wù).

　　2 虛擬制造技術(shù)在工程機(jī)械制造技術(shù)中的應(yīng)用

　　虛擬制造技術(shù)不是已有各單項(xiàng)技術(shù)的簡(jiǎn)單組合，而是對(duì)制造知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)化組織，對(duì)工程對(duì)象和制造活動(dòng)進(jìn)行全面建模，在相關(guān)理論和已積累知識(shí)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)集成.虛擬制造進(jìn)展最重要的是在制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用.

　　2.1虛擬裝配

　　虛擬裝配采用計(jì)算機(jī)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過(guò)仿真模型在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真裝配，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的工藝規(guī)劃、加工制造、裝配和調(diào)試，它是實(shí)際裝配過(guò)程在計(jì)算機(jī)上的本質(zhì)體現(xiàn).虛擬裝配是在虛擬環(huán)境中，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將設(shè)計(jì)的產(chǎn)品三維模型進(jìn)行預(yù)裝配，在滿足產(chǎn)品性能與功能的條件下，通過(guò)分析、評(píng)價(jià)、規(guī)劃、仿真等改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和裝配的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可裝配性和經(jīng)濟(jì)性.

　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)品的裝配費(fèi)用占整個(gè)生產(chǎn)成本的30%～50%乃至更高，虛擬裝配技術(shù)將從根本上改變傳統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)模式，其目的是研究虛擬產(chǎn)品模型的建立和虛擬裝配環(huán)境的建立，并將其應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)研究中，對(duì)實(shí)際產(chǎn)品的性能和可裝配性等進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而達(dá)到全局最優(yōu)，以縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低成本，獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益.

　　2.2虛擬車間布局設(shè)計(jì)

　　制造系統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)就是在企業(yè)經(jīng)營(yíng)策略的指導(dǎo)下，針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程，將人員物料及所需的相關(guān)設(shè)備設(shè)施等，做最有效的組合和規(guī)劃，并與其他相關(guān)設(shè)施協(xié)調(diào)，以期獲得安全、效率與經(jīng)濟(jì)的操作，滿足企業(yè)經(jīng)營(yíng)需求.運(yùn)用面向?qū)ο蟮哪M仿真，可以幫助使用者建立用于規(guī)劃、設(shè)計(jì)和流程優(yōu)化的虛擬模型，依據(jù)不同決策變量之組合，分析設(shè)備使用率、系統(tǒng)產(chǎn)能、有效產(chǎn)出率，以及交貨期、成本等策略，達(dá)到產(chǎn)能最大化、排程最優(yōu)化、半成品及庫(kù)存最小化等目標(biāo).

　　圖1～3分別為三一重機(jī)使用Flexsim仿真軟件，對(duì)規(guī)劃中的7號(hào)廠房挖掘機(jī)裝配線及高架倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行的模擬.

　　圖1 7號(hào)裝配廠房模型全局圖

　　圖2 上車部分裝配線模擬

　　圖3 下車部分裝配線模擬

　　模型中以1格為1 mm2，然后按照實(shí)際的設(shè)備、邊線庫(kù)、行車、人員的尺寸，體現(xiàn)三維的產(chǎn)品流向和工藝布局.對(duì)于廠房?jī)?nèi)不同零件的物流方式分別采用叉車、轉(zhuǎn)運(yùn)小車、行車、自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車(AGV)體現(xiàn)，構(gòu)建存放區(qū)，并且在各道工位設(shè)定了加工時(shí)間，配以工位標(biāo)識(shí).模型數(shù)據(jù)方面，導(dǎo)入下料計(jì)劃、物流轉(zhuǎn)運(yùn)速度及工位月加工能力，最后導(dǎo)出工位的負(fù)荷率、AGV小車的使用率、產(chǎn)能統(tǒng)計(jì)，目的是尋找瓶頸，并分析規(guī)劃中的裝配線是否滿足預(yù)期的生產(chǎn)要求.對(duì)于以上數(shù)據(jù)，可以以圖表的形式查看，也可以以Excel文檔的形式將數(shù)據(jù)導(dǎo)出來(lái)。

　　2.3虛擬焊接

　　著焊接技術(shù)的不斷提高，采用虛擬制造與仿真技術(shù)，通過(guò)CAD/CAE等技術(shù)把產(chǎn)品的數(shù)據(jù)集成到一個(gè)計(jì)算機(jī)環(huán)境中，對(duì)焊接制造系統(tǒng)的物理模型及其相互關(guān)系在計(jì)算機(jī)中映射，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)工藝規(guī)劃、加工制造與裝配、設(shè)備選型和質(zhì)量檢驗(yàn)等焊接產(chǎn)品的制造周期的全部過(guò)程.

　　在未焊接之前，所有條件的確定都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或者公式估計(jì)出來(lái)的，而在實(shí)際生產(chǎn)中則需要合理有效的參數(shù).為了提高焊接質(zhì)量、縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間、提高企業(yè)的效益，有必要定量分析各個(gè)參數(shù)會(huì)產(chǎn)生什么樣的焊接質(zhì)量，利用有限元分析方法能夠進(jìn)行有效準(zhǔn)確的非線性分析，預(yù)測(cè)不同參數(shù)條件下的焊接質(zhì)量.

　　以薄板焊接為例，薄板在焊接過(guò)程中經(jīng)歷了焊接熱循環(huán)，焊縫與熱影響區(qū)受周圍低溫金屬的約束產(chǎn)生了焊后等效的壓縮塑性應(yīng)變，這些應(yīng)變直接導(dǎo)致了薄板焊接的變形，采用熱彈塑性有限元法可以確定薄板焊接中失穩(wěn)發(fā)生的位置與時(shí)間.圖4為3 mm薄板的焊接熱分析，圖5為失穩(wěn)變形試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)的對(duì)比，通過(guò)試驗(yàn)值與計(jì)算值的對(duì)比，可以看出計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果一致，計(jì)算值與試驗(yàn)測(cè)量值的誤差主要是忽略了收縮引起的角變形、高溫性能等因素.因此，能夠利用熱彈塑性有限元法實(shí)現(xiàn)焊接失穩(wěn)變形預(yù)測(cè)，從而對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行進(jìn)一步的完善.

　　圖4 焊接薄板的熱分析

　　圖5 計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果

　　3 虛擬制造技術(shù)在工程機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)中的應(yīng)用

　　虛擬樣機(jī)是利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)建立的，取代物理樣機(jī)進(jìn)行評(píng)估和測(cè)試以獲取候選設(shè)計(jì)方案特性的等效數(shù)字模型，是存在于計(jì)算機(jī)中的參數(shù)化“軟模型”，它能像物理樣機(jī)一樣，反映最終產(chǎn)品的外觀、結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)等綜合特性.

　　虛擬樣機(jī)工程忉以虛擬樣機(jī)和虛擬樣機(jī)環(huán)境為基礎(chǔ)，將系統(tǒng)工程方法、反求工程方法、優(yōu)化方法、計(jì)算機(jī)建模仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)和計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作(CSCW)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)等有機(jī)地結(jié)合在一起，為產(chǎn)品的全壽命周期設(shè)計(jì)和評(píng)估提供分布式的集成環(huán)境，以達(dá)到優(yōu)化整個(gè)設(shè)計(jì)周期，節(jié)約開(kāi)發(fā)成本的目的.

　　3.1利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)挖掘機(jī)進(jìn)行仿真

　　挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)技術(shù)就是采用系統(tǒng)建模、模型集成、模型的參數(shù)化處理、數(shù)據(jù)接口和仿真實(shí)驗(yàn)等技術(shù)，建立一個(gè)包括實(shí)際挖掘機(jī)中各個(gè)子系統(tǒng)的模型，能夠模擬實(shí)際系統(tǒng)的各種功能.以此虛擬樣機(jī)模型代替實(shí)際物理樣機(jī)進(jìn)行各種仿真實(shí)驗(yàn)，得到包括運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)響應(yīng)、液壓系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)等在內(nèi)的各種系統(tǒng)性能參數(shù).

　　根據(jù)圖6所示，三一重機(jī)公司CAE工程師采用虛擬樣機(jī)技術(shù)平臺(tái)建立了單斗反鏟液壓挖掘機(jī)整機(jī)模型，利用機(jī)械、液壓及控制系統(tǒng)模型進(jìn)行聯(lián)合仿真，基于多體動(dòng)力學(xué)原理，利用拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程求解其雅可比矩陣，在計(jì)算機(jī)上再現(xiàn)挖掘、提升、轉(zhuǎn)向、卸土等作業(yè)工況.對(duì)液壓缸的摩擦力、油缸動(dòng)作速度、結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度等指標(biāo)進(jìn)行仿真.

　　圖6 利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行仿真

　　挖掘機(jī)的工作要求操作精度和重復(fù)精度，需要確定摩擦力和摩擦因數(shù)以進(jìn)行控制補(bǔ)償，達(dá)到提高作業(yè)精度和運(yùn)動(dòng)控制精度的目的.傳統(tǒng)的液壓缸摩擦力測(cè)定方法由于是與工作系統(tǒng)分離測(cè)定，不能反映液壓缸工作時(shí)摩擦力的變化.利用虛擬樣機(jī)靜力學(xué)和逆動(dòng)力學(xué)計(jì)算的方法，根據(jù)挖掘機(jī)實(shí)際工作時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到各組油缸的摩擦力數(shù)值曲線，較好地反映了挖掘機(jī)實(shí)際工作時(shí)摩擦力的變化情況，找出了摩擦力與運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，為挖掘機(jī)的控制提供了一定的依據(jù).

　　虛擬樣機(jī)技術(shù)采用數(shù)字仿真進(jìn)行虛擬產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，仿真模型的參數(shù)就是物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，可以用仿真模型代替物理樣機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的測(cè)試評(píng)估.因?yàn)閰?shù)修改方便，能很容易地實(shí)現(xiàn)模型的多樣化，柔性好.圖7利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)挖掘機(jī)的油缸動(dòng)作速度曲線進(jìn)行仿真，通過(guò)不斷調(diào)整液壓元件的各個(gè)參數(shù)，對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高挖掘機(jī)的油缸動(dòng)作速度，進(jìn)而提升作業(yè)效率.

　　圖7 油缸動(dòng)作速度響應(yīng)曲線

　　圖8通過(guò)虛擬樣機(jī)技術(shù)，結(jié)合Craig-Bampton模態(tài)綜合法，對(duì)挖掘機(jī)的斗桿進(jìn)行了剛?cè)狁詈戏治黾敖Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終解決了困擾多年的20 t級(jí)挖掘機(jī)的斗桿開(kāi)裂問(wèn)題，并成功開(kāi)發(fā)了一款新一代的SY235威猛型工作裝置.

　　圖8 20 t斗桿新結(jié)構(gòu)

　　3.2利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)礦用機(jī)械進(jìn)行仿真

　　超大型礦用機(jī)械在運(yùn)行時(shí)，工況比較惡劣，電控柜等電子控制系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)有嚴(yán)格的要求，為了提取振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)，三一重機(jī)CAE工程師建立SET230礦用自卸車的整車多體動(dòng)力學(xué)模型，在計(jì)算機(jī)上再現(xiàn)車輛在路面上爬坡、轉(zhuǎn)彎、卸貨、過(guò)坎等作業(yè)情況，如圖9所示為礦車在30%坡道爬坡時(shí)的工作情況.利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，提取了底盤系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、油氣懸掛及車廂等時(shí)間歷程載荷數(shù)據(jù)，控制柜的加速度響應(yīng)數(shù)據(jù).并結(jié)合有限元技術(shù)對(duì)車架減重達(dá)1 t，大大提高了產(chǎn)品的高速行駛性能與重載作業(yè)性能.

　　圖9 SET230礦車爬坡工況模擬

　　3.3利用虛擬樣機(jī)技術(shù)分析蛇行問(wèn)題

　　輪式機(jī)械在運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)向輪突然遇到側(cè)向外力或二輪遇到阻力不等時(shí)，轉(zhuǎn)向輪會(huì)發(fā)生偏擺，而不能迅速回正，車體也隨之改變行駛方向.這種改變具有偶然性與經(jīng)常性.車速愈高，道路條件愈差，此現(xiàn)象愈嚴(yán)重.約翰迪爾(John Deere)公司針對(duì)工程機(jī)械在高速行駛時(shí)的蛇行現(xiàn)象以及在重載下機(jī)械的自激振動(dòng)問(wèn)題，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，不僅找到了原因，而且提出了改進(jìn)方案，并且在虛擬樣機(jī)上得到了驗(yàn)證，大大提高了產(chǎn)品的高速行駛性能與重載作業(yè)性能.

　　3.4利用專用仿真軟件對(duì)裝載機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析

　　世界上最大的工程機(jī)械制造商卡特彼勒(Caterpillar)公司的工程師們采用了虛擬樣機(jī)技術(shù)，對(duì)裝載機(jī)和挖掘機(jī)的工作裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析，對(duì)其進(jìn)行了上萬(wàn)個(gè)工位的運(yùn)動(dòng)和受力分析僅需要1 d的時(shí)間.Caterpillar公司還與美國(guó)Iowa大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了裝載機(jī)專用仿真軟件IDS(Iowa Driving Simulator).裝載機(jī)專用仿真軟件IDS在考慮了輪胎和液壓系統(tǒng)作用的前提下，建立裝載機(jī)開(kāi)環(huán)模型，并仿真裝載機(jī)行駛過(guò)程中的操作性能以及仿真裝載機(jī)行走過(guò)程中和工作過(guò)程中駕駛員的運(yùn)動(dòng).除此之外，利用該專用仿真軟件的圖形用戶界面，還可建立裝載機(jī)在礦山路面和礦山場(chǎng)景的虛擬仿真環(huán)境，并且對(duì)裝載機(jī)仿真模型的參數(shù)，包括底盤參數(shù)、傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)、液壓系統(tǒng)參數(shù)和輪胎參數(shù)進(jìn)行修改.修改所需要研究的參數(shù)后，仿真軟件在虛擬環(huán)境中快速改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)，裝載機(jī)按照修改后的參數(shù)重新裝配，精確性較高，實(shí)時(shí)性較強(qiáng).更重要的是，IDS還考慮到裝載機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)，在仿真模型中連接了液壓系統(tǒng)與傳動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)裝載機(jī)底盤和工作裝置模型進(jìn)行細(xì)化，進(jìn)一步提高仿真精度.模型仿真工作裝置的工作過(guò)程，研究解決了機(jī)械系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性能.瑞典的Volvo公司也與瑞典Link6ping大學(xué)、瑞典Royal Institute of Technology等合作，發(fā)展多學(xué)科仿真集成軟件技術(shù)，制訂了虛擬系統(tǒng)編程(VISP)研究項(xiàng)目，解決了很多關(guān)于復(fù)雜工程車輛多學(xué)科仿真問(wèn)題.VISP目標(biāo)針對(duì)工程人員采用合適的方法，開(kāi)發(fā)界面友好的動(dòng)力學(xué)分析研究軟件平臺(tái)，進(jìn)行復(fù)雜工程車輛的建模和準(zhǔn)確的仿真.VISP以裝載機(jī)為研究對(duì)象，仿真內(nèi)容包含裝載機(jī)整車機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng).

　　4 結(jié)論

　　在工程機(jī)械行業(yè)的制造技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)中，引用虛擬制造技術(shù)具有一定的理論創(chuàng)新和實(shí)際應(yīng)用意義.它已經(jīng)成為跨學(xué)科、融合各種先進(jìn)技術(shù)為一體的現(xiàn)代制造支撐技術(shù)之一.在給出虛擬制造技術(shù)的定義、特點(diǎn)等的基礎(chǔ)上，闡述了虛擬制造在制造裝配、車間布局設(shè)計(jì)、焊接等工程機(jī)械制造技術(shù)中的應(yīng)用，進(jìn)而介紹了虛擬制造技術(shù)在挖掘機(jī)、礦用機(jī)械、裝載機(jī)等工程機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)中的應(yīng)用，并對(duì)工程機(jī)械中的蛇形問(wèn)題進(jìn)行了探討.虛擬制造以產(chǎn)品的“軟”模型取代了實(shí)物樣機(jī)，通過(guò)對(duì)模型的模擬測(cè)試進(jìn)行產(chǎn)品評(píng)估，能夠以較低的生產(chǎn)成本獲得較高的設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品的發(fā)布周期，提高了企業(yè)生產(chǎn)效率.企業(yè)的生產(chǎn)因?yàn)樘摂M制造技術(shù)的應(yīng)用而具有了高度的柔性化和快速的市場(chǎng)反應(yīng)能力，因而市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力大大增強(qiáng).作為一種先進(jìn)的制造模式，虛擬制造的應(yīng)用范圍必然會(huì)不斷擴(kuò)大，給更多的企業(yè)帶來(lái)更大的收益.