李京儒 李海宏

(西北農(nóng)林科技大學，陜西 楊凌 712100)

1 虛擬制造技術

虛擬制造技術是一種在很大程度上區(qū)別于現(xiàn)實制造的制造技術，虛擬制造是利用計算機，輔助現(xiàn)實制造的設計和生產(chǎn)，是多學科交叉形成的一種新的系統(tǒng)技術，虛擬制造作為一種比較先進的加工制造技術，已經(jīng)成為了代替現(xiàn)實制造進行分析和研究的工具，它相對于傳統(tǒng)制造業(yè)的最顯著特點就是虛擬制造是在計算機上虛擬進行的，沒有實際生產(chǎn)活動，不消耗原料和能量，大大地減少了浪費[1]。

2 虛擬制造應用分類

2.1 以設計為中心的虛擬制造

以設計為中心的虛擬制造就是在設計階段就預先提供產(chǎn)品的制造信息，比如產(chǎn)品外形、顏色、材料，通過計算機系統(tǒng)建模、仿真，從而不斷優(yōu)化，使產(chǎn)品不斷符合使用要求，最后可以在計算機上生產(chǎn)“軟樣機”，相對于傳統(tǒng)的現(xiàn)實制造的樣機，極大地降低了成本，節(jié)省大量資金，也縮短了試驗成本，提高了效率。特別是隨著計算機領域的發(fā)展，這種利用計算機實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)前的改進方式，也不再僅限于大工廠、大車間的大宗產(chǎn)品設計，現(xiàn)如今的高校師生也可以利用許多軟件來實現(xiàn)，特別是工科專業(yè)，在參與科研項目、科創(chuàng)比賽時，可利用虛擬設計，改進優(yōu)化某些零部件設計，再制造出滿足使用要求的零件，節(jié)省時間，節(jié)約成本。

2.2 以生產(chǎn)為中心的虛擬制造

以生產(chǎn)為中心的虛擬制造就是將仿真能力用于制造過程模型，用來評價不同的工藝方案;用于資源需求規(guī)劃、生產(chǎn)計劃的產(chǎn)生及評價的環(huán)境。其中，最大的優(yōu)點就是可以在很大程度上優(yōu)化工藝方案，從而確定最好的生產(chǎn)流程，獲得最佳的產(chǎn)品質(zhì)量。對于已經(jīng)設計完成的產(chǎn)品，在實際生產(chǎn)時不同工藝方案對產(chǎn)品質(zhì)量影響極大，生產(chǎn)步驟的順序變化可能使產(chǎn)品的性能，承載能力發(fā)生毀滅性地破壞，利用虛擬制造極大地降低了企業(yè)要承擔的風險[2]。

2.3 以控制為核心的虛擬制造

以控制為核心的虛擬制造是指將仿真能力增加到模型中，以便提供對實際生產(chǎn)過程造成影響的環(huán)境，如人工、場地因素，目的是評估改進的產(chǎn)品設計以及與生產(chǎn)過程相關的活動，使生產(chǎn)過程在生產(chǎn)周期內(nèi)不斷優(yōu)化，改進制造系統(tǒng)。

3 虛擬制造應用實例

3.1 在汽車生產(chǎn)制造中的應用

汽車是現(xiàn)代社會生產(chǎn)生活中不可缺少的一種交通運輸工具，經(jīng)過長時間的發(fā)展，汽車生產(chǎn)日益成熟。汽車以及其相關產(chǎn)業(yè)體量巨大，是世界經(jīng)濟的重要組成部分。特別是21世紀以來，我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，且人口基數(shù)大，對于汽車有著巨大的需求量。近年來，我國汽車工業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，技術不斷革新，產(chǎn)能不斷增大，但相對來說，我國汽車工業(yè)起步晚，與國外汽車企業(yè)相比，技術差距仍然很大，如何縮小差距，從而在激烈的競爭之中占據(jù)有利位置，獲得更大的經(jīng)濟效益，成為了國內(nèi)車企面臨的重大問題[3]。

汽車裝配是汽車制造過程的關鍵性步驟，如何設計最優(yōu)化的裝配流水線是個大問題，對于設計者來說，一條裝配流水線的設計需要考慮諸多因素，場地、資金、人員、時間，這些因素都會影響設計者思路，而使用虛擬制造技術進行仿真模擬，可以在很大程度上降低這些客觀因素的影響。除此之外，汽車質(zhì)量好壞關乎使用者的生命安全，所以在上市銷售之前，需要進行產(chǎn)品檢驗，這也為檢驗人員帶來了巨大隱患，然而通過虛擬制造技術，可以大大降低風險，也可以提高檢測效率，排除不合理設計。

3.2 在飛行器生產(chǎn)制造中的應用

飛行器制造屬于尖端技術，其設計、制造、檢驗過程十分復雜，且成本高昂，存在很多難題，特別是最終成品檢驗，往往會付出巨大的代價，飛行器設計人員一直在思考如何安全、高效、低成本地實現(xiàn)整個制造過程。以往的飛行器設計者，常常用塑料制作模型，取代實體樣機進行試驗，而這種方式會對測試過程造成很大困難，測試結果可能會有巨大偏差。而虛擬制造技術可以模擬飛行器設計和實驗的過程，幾乎可以取代實體模型，完成整個設計和實驗過程[4]。

相對來說，以美國為首的西方國家較早地將虛擬制造技術用于飛行器研制。美國波音公司，在波音777飛機的研制中，就曾經(jīng)首次使用了無紙設計技術，大大節(jié)省了研制時間，大大降低了研制成本，產(chǎn)品質(zhì)量相對于傳統(tǒng)制造技術得到了很大提高，得到了業(yè)內(nèi)高度評價。將此次設計與傳統(tǒng)研制方式對比，得到的數(shù)據(jù)上的差距令人驚訝。返工率降低了至少50%，裝配時出現(xiàn)的問題同樣減少了50%以上。

3.3 在其他領域的應用

虛擬制造除了在一些具體的產(chǎn)品制造過程中運用，也可以對于機械加工生產(chǎn)過程中的某一環(huán)節(jié)進行研究測試，國外某個實驗中，曾經(jīng)采用虛擬制造技術對焊接T形接頭進行了變形分析，通過2種不同的非線性三維有限元虛擬機系統(tǒng)，可以為焊接過程提供非常清晰的模擬步驟，對焊接的具體實施具有很大的參考意義。

虛擬制造也是企業(yè)進行員工培訓的一種工具。對于制造業(yè)來說，裝配是非常重要的一步，所以企業(yè)需要花費大量的時間和金錢用于員工工作前的實地培訓。因此，利用虛擬制造為員工提供一個平臺，相對于枯燥的講解，更加真實高效。一項研究結果表明，與傳統(tǒng)培訓方式的參與者相比，“虛擬培訓”的參與者在實際工作過程中犯的錯誤較少，花費的時間也相對更少[5]。

4 虛擬制造發(fā)展現(xiàn)狀

在西方工業(yè)發(fā)達國家，虛擬制造技術已經(jīng)被應用于許多領域，相對來說，我國虛擬技術發(fā)展起步晚，與發(fā)達國家的差距依舊很大。面對這種狀況，應出臺相關政策，促進高等院校、研究機構、生產(chǎn)企業(yè)的互助合作，立足于企業(yè)需求，促進良性循環(huán)，加快科研成果轉化，做到產(chǎn)、學、研結合。綜上所述，我國虛擬制造產(chǎn)業(yè)相對落后，但發(fā)展空間巨大，市場廣闊，只要集中科研力量，突破關鍵技術，我國虛擬制造產(chǎn)業(yè)就能得到長遠發(fā)展。