虛擬制造技術(shù)與數(shù)字化工藝本文介紹了虛擬制造的背景和它的定義，討論了虛擬制造的流派、相關(guān)技術(shù)、應(yīng)用領(lǐng)域它在數(shù)字化工藝中的研究與應(yīng)用。隨著全球競(jìng)爭(zhēng)的增加，為了縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間，在八十年代相繼提出了FMS（FexibleManufacturingSystem）、CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem)、CE(ConturrentEngineering)等新的概念，對(duì)它們的研究與應(yīng)用，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。隨著網(wǎng)絡(luò)和生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，在九十年代提出了敏捷制造AM（AgileManufacturing）、精良制造LM（LeanManufacturing）、分布式制造（DistributedManufacturing）和虛擬企業(yè)VE（VirtualEnterprise）等新的研究領(lǐng)域，目前設(shè)計(jì)技術(shù)研究主要集中在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，CAD系統(tǒng)雖然提供了表示和操作復(fù)雜零件的方法，但是它不能表示概念設(shè)計(jì)階段的信息，在這種情況下，產(chǎn)生了虛擬制造VM（VirtualManufacturing）。虛擬制造建立了計(jì)算機(jī)化的制造活動(dòng)這樣一個(gè)關(guān)鍵概念，它概括了對(duì)真實(shí)制造世界的對(duì)象和活動(dòng)的建模與仿真研究的各個(gè)方面。虛擬制造的基礎(chǔ)是用計(jì)算機(jī)支持的技術(shù)對(duì)所有必要的制造活動(dòng)進(jìn)行徹底的建模與仿真，其中建立計(jì)算機(jī)化的工藝過程，即：數(shù)字化加工過程是虛擬制造研究的核心基礎(chǔ)工作之一。虛擬制造的定義在LawrenceAssociates的VirtualManufacturingUserWorkshop報(bào)告中，VM被定義為：它是一個(gè)集成的、綜合的可運(yùn)行制造環(huán)境，用來提高各個(gè)層次的決策和控制。各部分的語(yǔ)義說明如下：環(huán)境通過協(xié)同地提供分析工具、仿真工具、應(yīng)用工具、控制工具、模型（產(chǎn)品、過程和資源）、設(shè)備以及組織方法的集合，用以支持構(gòu)造和使用分布式制造仿真。層次是指從產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)到回收利用、從車間到執(zhí)行位置、從物質(zhì)的轉(zhuǎn)換到信息的傳遞等各個(gè)方面?？刂祁A(yù)測(cè)效果的真實(shí)性。提高增加它的精度和可靠性。運(yùn)行用環(huán)境來構(gòu)造和操作特定的制造仿真決策是指改變（可視化、組織、定義和選擇）后的影響。綜合指真實(shí)的和仿真的對(duì)象、活動(dòng)和過程的混合狀態(tài)。上述關(guān)于VM的定義沒有充分強(qiáng)調(diào)VM在預(yù)測(cè)過程、成本和質(zhì)量方面的能力，而且它沒有說明VM預(yù)測(cè)的可靠性和精度，因此它還存在下面的缺點(diǎn)：該定義限制了它處理的范圍，并且提高了工程和制造之間的交互性。雖然它的最理想的定義達(dá)到了對(duì)VM最全面的描述，但是，根據(jù)不同用戶的對(duì)象、技術(shù)背景和水平，VM應(yīng)該有不同的定義。VM的定義應(yīng)與特定用戶的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)相聯(lián)系，這里的制造應(yīng)該是廣義的、企業(yè)范圍的“大”制造。因?yàn)樵谲囬g之外的重要活動(dòng)也包含在建模、數(shù)據(jù)和仿真中。VM的定義必須與特定用戶的經(jīng)驗(yàn)和要求相聯(lián)系，因此，VM不可能只有一種定義，對(duì)于每一個(gè)人來說，VM并不是完全相同的，所以應(yīng)了解它與其他相關(guān)概念的區(qū)別。給出一個(gè)象VM這樣覆蓋面廣的定義，是非常困難的。VM的定義不可能包含它的每一個(gè)方面。因此，為了更好地解釋VM，下面對(duì)VM的內(nèi)涵進(jìn)行說明：通過基于建模的途徑和利用仿真，VM主要是為了提高加工過程的質(zhì)量。VM最重要的作用是為實(shí)施IPPD(IntegratedProductProcessDevelopment)提供一個(gè)工具，特別是用于預(yù)測(cè)產(chǎn)品成本和控制功能。VM的基本目的是基于計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)品的開發(fā)環(huán)境，使得設(shè)計(jì)者在真正的加工之前就能夠模擬地制造產(chǎn)品。這里的“產(chǎn)品開發(fā)”包括了與產(chǎn)品相關(guān)的所有活動(dòng)，不僅包括技術(shù)上的和商業(yè)上的，而且包含了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。但是，VM并不仿真所有的這些方面。VM是基于模型的制造，使用的工具反過來影響這些模型。最初始的工具是仿真，利用仿真可以降低制造成本，而且可以檢查真實(shí)空間和虛擬空間的許多參數(shù)。從全局的觀點(diǎn)來講，在一個(gè)IPPD環(huán)境下，通過在計(jì)算機(jī)中完成“制造”，VM提供了對(duì)部分或全部設(shè)計(jì)過程的評(píng)價(jià)方法。1.VM的流派VM的研究都與特定的應(yīng)用環(huán)境和對(duì)象相聯(lián)系，在VM的研究過程中，由于應(yīng)用的不同要求，各有不同的側(cè)重點(diǎn)，因此出現(xiàn)了三個(gè)不同的流派，它們是以設(shè)計(jì)為中心的VM、以生產(chǎn)為中心的VM和以控制為中心的VM。1.1以設(shè)計(jì)為中心的VM以設(shè)計(jì)為中心的VM是通過加制造信息到IPPD的過程和在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行“制造”，仿真多種制造方案和產(chǎn)生許多“軟”的模型。因此它的短期目標(biāo)是：為了達(dá)到特殊的制造目的(例如為了裝配進(jìn)行設(shè)計(jì)、精良操作或柔性等)，VM用以制造為基礎(chǔ)的仿真來優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程。它的長(zhǎng)期目標(biāo)為：VM在不同的層次上用仿真過程來評(píng)估生產(chǎn)情況，并且反饋給設(shè)計(jì)和生產(chǎn)控制。1.2以生產(chǎn)為中心的VM以生產(chǎn)為中心的VM是通過加仿真能力到生產(chǎn)過程模型，達(dá)到方便和快捷地評(píng)價(jià)多種加工過程的目的。它的短期目標(biāo)是：VM是基于生產(chǎn)的IPPD的轉(zhuǎn)換，用以優(yōu)化制造過程和物理層。它的長(zhǎng)期目標(biāo)是：為了實(shí)現(xiàn)新工藝和流程的更高的可信度，VM是增加生產(chǎn)仿真到其它集成和分析技術(shù)。1.3以控制為中心的VM以控制為中心的VM是通過增加仿真到控制模型和實(shí)際的生產(chǎn)過程，來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的真實(shí)仿真。1.4三類VM之間的關(guān)系雖然三種VM的定義不相同，但是它們都涉及到虛擬產(chǎn)品生命周期中不同的方面，因此，它們具有下面的特點(diǎn)：以設(shè)計(jì)為中心的VM為設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品和評(píng)估可制造性的環(huán)境，它的結(jié)果包括產(chǎn)品建模、成本預(yù)測(cè)等，所以，在設(shè)計(jì)中的潛在問題能夠被發(fā)現(xiàn)，同時(shí)它的一些指標(biāo)(例如成本等)也能被預(yù)測(cè)。為了生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品而不做實(shí)際的樣品，以生產(chǎn)為中心的VM為工藝計(jì)劃和生產(chǎn)計(jì)劃的生成、工藝資源的要求以及對(duì)這些計(jì)劃的評(píng)價(jià)提供了一個(gè)環(huán)境，它能夠更精確地提供成本信息和產(chǎn)品的供給計(jì)劃。2.VM與其它相關(guān)技術(shù)之間的區(qū)別當(dāng)前在先進(jìn)制造技術(shù)的研究過程中，產(chǎn)生了許多新的概念，如IPPD、虛擬企業(yè)VE（VirtualEnterprise）、建模與仿真M&S(ModelingandSimulation)等。因此，為了更詳細(xì)說明VM的內(nèi)涵，需要了解VM與其它相關(guān)概念之間的關(guān)系。2.1VM與IPPDIPPD是一種交錯(cuò)功能協(xié)調(diào)機(jī)理，它使得與設(shè)計(jì)和制造相關(guān)的信息可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的各模塊間流動(dòng)。VM仿真制造、生產(chǎn)和裝配過程，因此它必須有與上面信息的接口，但是VM并不是各模塊的集合，也不能使信息在模塊間流動(dòng)。它們的關(guān)系如圖1所示。圖1產(chǎn)品開發(fā)過程按照IPPD的觀點(diǎn)，VM增加了IPPD的過程，它提供了一種方法將制造知識(shí)綜合到產(chǎn)品開發(fā)的早期階段。因此，它在IPPD中的作用是重要的。首先它允許I