虚拟制造与其他先进制造技术的关系

    由于国内外市场竞争加剧，科学技术发展迅速，产品更新换代速度加快及人们对产品多样化的需求增加，使得机械制造业向多品种小批量生产方式发展。因此，缩短产品开发周期成为决定制造业竞争力的首先因素。并行工程、智能制造、敏捷制造、虚拟制造等多种有关先进制造技术的新思想、新概念相继诞生。而其中基于计算机和信息技术的虚拟制造技术被认为是加速新产品开发的有效手段，它能很好地解决制造业的TQCS难题，即以最快的上市速度(T,Time to Market)、最好的质量(Q,Quality)、最低的成本(C,Cost)、最优的服务(S,Service)来提高制造业的竞争力，虚拟制造技术对制造业又将是一次新的革命。

    1.我国制造业的现状

    制造业是所有与制造有关的企业机构的总体，是我国国民经济的支柱产业，它一方面创造价值，生产物质财富和新的知识，另一方面为国民经济各个部门包括国防和科学技术的进步与发展提供先进的手段和装备。在我国的经济腾飞中，制造业功不可没。

    但是，随着计划经济体制向市场经济体制转变，我国制造企业的弊端日益显露出来。我国制造业目前存在的五大难题：①产品质量不稳定，产品水平低，主要机械产品中达到当代世界先进水平的不到5%；②生产集中度低，分散重复严重；③科技基础薄弱，自主开发能力差；④企业装备陈旧，生产工艺落后，精密、高效、数控设备不足5%；⑤基础管理薄弱，由于企业没有现代管理意识，在市场经济新形势下显得很被动。

    2.虚拟制造

    (1)虚拟制造(VM)

    虚拟制造(VM)是以计算机仿真和虚拟现实技术为支持，对产品设计、制造等过程进行统一建模，在产品设计阶段实时地、并行地模拟产品未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、产品的可制造性、产品的成本等，从而更有效地、柔性灵活地组织生产，并使新产品开发一次获得成功。虚拟制造的目的是尽量降低产品的成本，缩短产品的开发周期，提高产品的质量和寿命。

    为了更细致地了解虚拟制造的含义，美国的劳伦斯协会把VM分成三种类型：①以设计为中心的虚拟制造(Design Centered VM)，为设计者提供各种工具以便设计出符合设计准则的产品模型；②以生产为中心的虚拟制造(ProductionCentered VM)，研究开发产品制造过程模型和环境模型，分析各种可行的生产计划和工艺规划；③以控制为中心的虚拟制造(Control Centered VM)，能评估产品设计、生产计划和控制策略及措施，以便通过对过程的仿真，反复地改进所有这些工作。

    (2)虚拟制造技术与其它先进制造技术之间的关系

    ①敏捷制造(Agile Manufacturing, AM)与VM:敏捷制造的基本思想是通过将高素质的员工、动态灵活的组织机构、企业内及企业间的灵活管理以及柔性的先进生产技术进行全面的集成，使企业能够对持续变化、不可预测的市场要求作出快速反应，由此获得长期的经济效益。可见，敏捷制造强调人、组织、管理和技术的高度集成，强调企业面向市场的敏捷性。VM是敏捷制造的一种实现手段，是制造企业增强产品开发敏捷性，快速满足市场多元化需求的有效途径。

    ②并行工程(Concurrent Engineering, CE)与VM：并行工程是集成地、并行地设计产品及相关的各种过程(包括制造过程和支持过程)的系统方法。这种方法要求产品开发人员在设计开始就考虑在产品的整个生命周期中，从概念形成到产品报废处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划、用户要求等。为达到并行的目的，应建立高度集成的主模型，在许多部分应用仿真技术，而仿真技术是VM的核心技术，所以CE的发展为VM的诞生创造了条件，而VM的发展又促进了CE的实时化、可视化。

    ③精益生产(Lean Production, LP)与VM：精益生产的目的是简化生产过程，减少信息量，消除过分臃肿的生产组织，使产品及其生产过程尽量简化和标准化。实行精益生产为虚拟制造的实施创造了条件。

    ④绿色制造(Green Manufacturing)与VM：绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的影响(负作用)最小，资源效率最高。由于VM基本上不消耗资源和能量，也不生产实际产品，产品的设计、开发和实现过程都是在计算机上完成的，显然VM为绿色制造提供了一种实现手段。

    从以上分析可以看到，VM及其各种先进制造技术是相互关联、彼此交叉的，AM、LP和CE都是现实生产的先进制造技术，它们既为VM创造了条件，又同时受到VM的影响。同时它们都离不开网络和数据库的支持。

    3.实施虚拟制造的利益及面临的难题

    (1)实施虚拟制造的利益

    ①虚拟制造作为一种哲理、一种制造策略为制造业的发展指明了方向。它可以全面改进企业的组织管理工作，提高企业整体运作及全面最优决策的效能和市场竞争力。

    ②可以打破传统的地域、时域的限制，通过Internet/Intranet实现资源共享，变分散为集中，可实现异地设计、异地制造，从而使产品开发能以快速、优质、低耗响应市场变化。

    ③通过分析设计的可制造性，利用有效的工具和加工方法来支持生产，虚拟制造可以大大提高产品的质量和质量的稳定性。

    ④由于采用了虚拟生产，使企业不再需要投入大量的设备和仪器，从而避免了不必要的设备闲置，可充分利用其它企业的先进设备和仪器进行生产，能很好地解决一些中小企业资金短缺的难题。

    (2)实施虚拟制造面临的难题

    ①从国家政策方向看，虽然国家对制造业十分重视，但由于我国当前正处于改革过程中，多种机制同时运行，在资金使用时较难协调，国家难以投入重金支持虚拟制造技术研究。

    ②从研究工作方面看，我国有虚拟制造研究方面存在科研经费短缺，力量分散，科研成果难以推广应用，人才流失严重等问题。

    ③从企业方面看，由于企业的整体素质不高，而先进的技术往往不易取得立竿见影的效果，是一项长期而艰苦的工作，这影响了企业应用先进制造技术的热情。另外，企业人员的素质不高也制约了先进制造技术的应用。

    4.实施虚拟制造应采取的措施

    (1)高度重视和全面规划

    虚拟制造技术与其它的先进制造技术是相互关联、彼此交叉的，其涉及面广、技术难度大，研究及推广应用需要投入大量人力、物力及资金，政府部门应从宏观上加强对虚拟制造技术的指导，同时要使虚拟制造技术与各种先进制造技术相互衔接、协调发展，尽早制订符合我国国情的发展计划，最终实现虚拟制造技术在我国的广泛应用。

    (2)加强人才培养和培训工作

    人是先进制造的主体，没有高素质的人的参与，再好的技术也发挥不了应有的作用。因此，企业应树立以人为本的思想，采用人—机一体的技术路线。企业在培养和引进高层次、高质量研究型、管理型和开发应用型人才的同时，还应在企业中大力普及CAD技术，及时推行精益生产、并行工程等思想和技术，全面提高企业人员的素质。

    (3)加强关键技术的研究、开发和应用

    虚拟制造技术包括软件技术和硬件技术，其中建模技术、计算机仿真技术和虚拟现实技术等是实施虚拟制造的关键技术。针对我国科研力量分散的特点，建立分布式网络化研究中心，以企业为主体，产学研相结合，重点投资与自身发展有关的关键技术的研究，开发和推广应用。

    (4)从企业实际出发，分阶段实施

    企业要实现虚拟制造，应分阶段逐步实行，不能随便超越阶段，要做好全面扎实的基础工作，应加强CAD、CAPP、CAM、NC、FMC、CAE技术的研究和推广应用，在全面实施并行工程的基础上实施虚拟制造。

    总之，虚拟制造技术的发展应结合我国制造业自身的特点，在吸收国外成熟经验的基础上大胆创新，形成特色发展。可以预言，随着我国对虚拟制造技术研究的深入，其应用已为期不远。