虛擬製造

本書主要內容包括虛擬製造系統的構造技術、虛擬製造系統的設計、虛擬製造工廠、銷售與售後服務中的虛擬製造等。書中內容著重體現了近年來作者在該領域的專利、軟體著作權成果，學術論文和重大科研成果，以及在裝備製造業中的應用案例，反映了具有國際先進和國內領先水平的虛擬技術及應用狀況，如產品系列的快速化虛擬設計、實參數虛擬樣機分析、重大裝備生產虛擬資產管理、快速搭建式車間虛擬規劃、大型工件的虛擬生產工藝優化、複雜產品的虛擬裝配指導、工裝操作虛擬培訓、定製化銷售演示、遠程虛擬維護指導、生產系統虛擬運行監控等。

本書可供裝備製造業中的設計、製造、銷售和售後服務人員、研究人員和高校師生閱讀與參考。

第一章概述

第二章虛擬製造系統構造技術

第三章虛擬設計

第四章虛擬製造工廠

第五章虛擬製造服務技術

參考文獻

虛擬現實（Virtual Reality）技術是使用感官組織模擬設備和真實或虛幻環境的動態模型生成或創造出人能夠感知的環境或現實，使人能夠憑藉直覺作用於計算機產生的三維模擬模型的虛擬環境。基於虛擬現實技術的虛擬製造（Virtual Manufacturing）技術是在一個統一模型之下對設計和製造等過程進行集成，它將與產品製造相關的各種過程與技術集成在三維的、動態的模擬真實過程的實體數字模型之上。其目的是在產品設計階段，藉助建模與模擬技術及時地、并行地、模擬出產品未來製造過程乃至產品全生命周期的各種活動對產品設計的影響，預測、檢測、評價產品性能和產品的可製造性等等。從而更加有效地、經濟地、柔性地組織生產，增強決策與控制水平，有力地降低由於前期設計給後期製造帶來的回溯更改，達到產品的開發周期和成本最小化、產品設計質量的最優化、生產效率的最大化。

虛擬製造也可以對想象中的製造活動進行模擬，它不消耗現實資源和能量，所進行的過程是虛擬過程，所生產的產品也是虛擬的。虛擬製造技術的應用將會對未來製造業的發展產生深遠影響，它的重大作用主要表現為：

●運用軟體對製造系統中的五大要素（人、組織管理、物流、信息流、能量流）進行全面模擬，使之達到了前所未有的高度集成，為先進位造技術的進一步發展提供了更廣大的空間，同時也推動了相關技術的不斷發展和進步。

●可加深人們對生產過程和製造系統的認識和理解，有利於對其進行理論升華，更好地指導實際生產，即對生產過程、製造系統整體進行優化配置，推動生產力的巨大躍升。

●在虛擬製造與現實製造的相互影響和作用過程中，可以全面改進企業的組織管理工作，而且對正確作出決策有不可估量的影響。例如：可以對生產計劃、交貨期、生產產量等作出預測，及時發現問題並改進現實製造過程。

●虛擬製造技術的應用將加快企業人才的培養速度。我們都知道模擬駕駛室對駕駛員、飛行員的培養起到了良好作用，虛擬製造也會產生類似的作用。例如：可以對生產人員進行操作訓練、異常工藝的應急處理等。

虛擬製造”是近幾年由美國首先提出的一種全新概念。什麼是虛擬製造？它包括哪些內容？這些至今仍然是人們討論的問題。很多人曾為虛擬製造進行定義，比較有代表性有：

佛羅里達大學Gloria J.Wiens的定義是：

虛擬製造是這樣一個概念，即與實際一樣在計算機上執行製造過程。其中虛擬模型是在實際製造之前用於對產品的功能及可製造性的潛在問題進行預測。

(VM is a concept of executing manufacturing processes in computers as well as in the real world,?where ?virtual models?allow for ?prediction of potential problems for product functionality and manufacturability before real manufacturing occurs.)該定義強調VM“與實際一樣”“虛擬模型”和“預測”，即著眼於結果。

美國空軍Wright實驗室的定義是：

“虛擬製造是模擬、建模和分析技術及工具的綜合應用，以增強各層製造設計和生產決策與控制。(VM is the integrated application of simulation,modeling and analysis technologies and tools to enhance manufacturing design and production decisions and control at all process levels.)該定義著眼於手段。

馬里蘭大學Edward Lin&etc定義是：

另一個有代表性的定義是由馬里蘭大學Edward Lin&etc給出的，“虛擬製造是一個用於增強各級決策與控制的一體化的、綜合性的製造環境。”(VM is an integrated,　synthetic manufacturing environment exercised to enhance all levels of decision and control.),則著眼於環境。

顯然，上述定義強調的方面是不同的，甚至也有人認為沒有必要只有一種定義。但是為了討論和交流，普遍認為，對VM進行定義是有必要的。

綜合國際上有代表性的文獻，對虛擬製造給出如下定義：虛擬製造是實際製造過程在計算機上的本質實現，即採用計算機模擬與虛擬現實技術，在計算機上群組協同工作，實現產品的設計、工藝規劃、加工製造、性能分析、質量檢驗，以及企業各級過程的管理與控制等產品製造的本質過程，以增強製造過程各級的決策與控制能力。

可以看到，“虛擬製造”雖然不是實際的製造，但卻實現實際製造的本質過程，是一種通過計算機虛擬模型來模擬和預估產品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的問題，提高人們的預測和決策水平，使得製造技術走出主要依賴於經驗的狹小天地，發展到了全方位預報的新階段。

虛擬製造技術的研究內容是極為廣泛的，除了虛擬現實技術涉及的共同性技術外，虛擬製造領域本身的主要研究內容有：

●虛擬製造的理論體系；

●設計信息和生產過程的三維可視化；

●虛擬製造系統的開放式體系結構；

●虛擬產品的裝配模擬；

●虛擬環境中及虛擬製造過程中的人機協同作業等。

一般來說，虛擬製造的研究都與特定的應用環境和對象相聯繫，由於應用的不同要求而存在不同的側重點，因此出現了三個流派，即以設計為中心的虛擬製造、以生產為中心的虛擬製造和以控制為中心的虛擬製造。

虛擬製造技術的廣泛應用將從根本上改變現行的製造模式，對相關行業也將產生巨大影響，可以說虛擬製造技術決定著企業的未來，也決定著製造業在競爭中能否立於不敗之地。

虛擬製造(VM)是國際上提出的新概念。VM與AM聯繫密切。VM的特徵是：當市場新的機遇出現時，組織幾個有關公司聯作，把不同的公司，不同地點的工廠或車間重新組織協調工作。在運行之前必須分析組合是否最優，能否協調運行，以及投產後的效益和風險進行評估，這種聯作公司稱虛擬公司。虛擬公司在一定的環境和條件下通過虛擬製造系統運行，包括物理基礎、法律保障、社會環境和信息技術。因此研究開發虛擬製造技術(VMT)和虛擬製造系統(VMS)意義重大，美國稱AM為21世紀製造業發展戰略。

虛擬現實技術（Virtual Reality Technology）主要包括虛擬製造技術和虛擬企業兩個部分。

虛擬製造技術將從根本上改變了設計、試製、修改設計、規模生產的傳統製造模式。在產品真正制出之前，首先在虛擬製造環境中生成軟產品原型（Soft Prototype）代替傳統的硬樣品（Hard Prototype）進行試驗，對其性能和可製造性進行預測和評價，從而縮短產品的設計與製造周期，降低產品的開發成本，提高系統快速響應市場變化的能力。

虛擬企業是為了快速響應某一市場需求，通過信息高速公路，將產品涉及到的不同企業臨時組建成為一個沒有圍牆、超越空間約束、靠計算機網路聯繫、統一指揮的合作經濟實體。虛擬企業的特點是企業的功能上的不完整、地域上的分散性和組織結構上的非永久性，即功能的虛擬化、組織的虛擬化、地域的虛擬化。

1.產品與製造環境是虛擬模型，在計算機上對虛擬模型進行產品設計、製造、測試，甚至設計人員或用戶可“進入”虛擬的製造環境檢驗其設計、加工、裝配和操作，而不依賴於傳統的原型樣機的反覆修改；還可將已開發的產品(部件)存放在計算機里，不但大大節省倉儲費用，更能根據用戶需求或市場變化快速改變設計，快速投入批量生產，從而能大幅度壓縮新產品的開發時間，提高質量、降低成本。

2.可使分佈在不同地點、不同部門的不同專業人員在同一個產品模型上同時工作，相互交流，信息共享，減少大量的文檔生成及其傳遞的時間和誤差，從而使產品開發以快捷、優質、低耗響應市場變化。

虛擬製造技術的應用將會對未來製造業的發展產生深遠影響，它的重大作用主要表現為：

1、運用軟體對製造系統中的五大要素（人、組織管理、物流、信息流、能量流）進行全面模擬。

2、可加深人們對生產過程和製造系統的認識和理解。

3、在虛擬製造與現實製造的相互影響和作用過程中

4、虛擬製造技術的應用將加快企業人才的培養速度。