現(xiàn)代虛擬制造技術(shù)及應(yīng)用前景研究
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【摘 要】市場化、信息化是一個現(xiàn)代企業(yè)發(fā)展的必然趨勢，文章結(jié)合虛擬制造等新的制造技術(shù)的發(fā)展趨勢，探討了現(xiàn)代制造業(yè)要實現(xiàn)市場化就必須走信息化道路以及目前存在的困難和解決方案。
【關(guān)鍵詞】信息化；虛擬制造；虛擬企業(yè)
為把我國建成不僅是新的世界制造中心，而且是廣泛應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)的制造強國，國家對制造企業(yè)提出了宏偉目標(biāo)，即要求國內(nèi)骨干企業(yè)盡快著手信息化工作， 2010年到2015年大中型企業(yè)要達(dá)到國際先進(jìn)的信息化制造水平。實際上，信息化不僅是政策的約束，更是市場的驅(qū)使，隨著市場經(jīng)濟全球化的進(jìn)程，信息化制造將成為現(xiàn)代制造企業(yè)追求的重要目標(biāo)之一。
一、信息化制造與虛擬技術(shù)
什么才是信息化制造？信息化制造是以虛擬制造和大規(guī)模定制生產(chǎn)為標(biāo)準(zhǔn)的，只有基本上實現(xiàn)了從產(chǎn)品設(shè)計、開發(fā)、生產(chǎn)制造和流通以至產(chǎn)品全生命周期的信息化，才算真正完成信息化工作，在此基礎(chǔ)上的先進(jìn)制造模式和信息化內(nèi)容才能叫做信息化制造。
隨著計算機、自動化及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在制造系統(tǒng)中的應(yīng)用，信息技術(shù)對制造技術(shù)發(fā)展的作用目前已占到第一位。產(chǎn)品制造過程中的信息投入，己成為決定產(chǎn)品成本的主要因素。信息技術(shù)使現(xiàn)代制造的技術(shù)含量提高，使傳統(tǒng)制造技術(shù)發(fā)生質(zhì)的變化。信息技術(shù)也促進(jìn)著設(shè)計技術(shù)的現(xiàn)代化，加工制造的精密化、快速化，自動化技術(shù)的柔性化、智能化，整個制造過程的網(wǎng)絡(luò)化、全球化。
制造業(yè)要在競爭激烈的全球市場求得生存與發(fā)展，必須能夠更好地滿足市場所提出的TQCS要求，即要以最短的產(chǎn)品開發(fā)周期(Time)、最優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品質(zhì)量（Quality）、最低廉的制造成本（Cost）和最好的技術(shù)支持與售后服務(wù)（Service）來贏得市場與用戶。為了提高競爭能力，企業(yè)應(yīng)當(dāng)能夠?qū)κ袌鲂枨蟮淖兓龀隹焖倜艚莸姆磻?yīng)，并及時地對自身的生產(chǎn)做出合理的調(diào)整與重新規(guī)劃。面對不可預(yù)測、持續(xù)發(fā)展、快速多變的市場需求，企業(yè)的生產(chǎn)活動必須具有高度的柔性。計算機軟硬件技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展為實現(xiàn)這一目標(biāo)提供了強有力的支持。
基于這些因素，概念設(shè)計、并行工程、智能制造、敏捷制造等多種有關(guān)先進(jìn)制造技術(shù)的新思想、新概念相繼誕生。虛擬制造（VirtualManufacture）就是其中之一，它代表了一種全新的制造體系和模式。在虛擬制造中，產(chǎn)品開發(fā)是基于數(shù)字化的虛擬產(chǎn)品開發(fā)VPD方式（VirtualProductDevelopment），以用戶的需求為第一驅(qū)動，并將用戶需求轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品的各種功能特征。VPD保證了產(chǎn)品開發(fā)的效率和質(zhì)量，提高了企業(yè)的快速響應(yīng)和市場開拓能力。
虛擬技術(shù)在先進(jìn)制造技術(shù)中的應(yīng)用主要包括虛擬制造和虛擬企業(yè)兩個部分。
1．虛擬制造(VM)是在產(chǎn)品設(shè)計階段實時地、并行地模擬產(chǎn)品未來制造全過程及其對產(chǎn)品設(shè)計的影響，預(yù)測產(chǎn)品性能、產(chǎn)品的可制造性、產(chǎn)品的成本等，從而更有效地、柔性靈活地組織生產(chǎn)，并使新產(chǎn)品開發(fā)一次獲得成功，目的是盡量降低產(chǎn)品的成本，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和壽命，快速有效地響應(yīng)瞬息萬變的市場。
虛擬制造實際上是一種計算機科學(xué)技術(shù)，以信息技術(shù)、仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)為支柱，在產(chǎn)品設(shè)計或制造系統(tǒng)的物理實現(xiàn)之前，就能使人體會到或感覺到未來產(chǎn)品的性能或者制造系統(tǒng)的狀態(tài)，從而可以做出前瞻性的決策與優(yōu)化實施方案。從本質(zhì)上講虛擬制造技術(shù)是對真實制造過程的動態(tài)模擬、仿真，是在計算機上制造數(shù)字化產(chǎn)品，經(jīng)過模擬仿真對產(chǎn)品外形設(shè)計、布局設(shè)計、加工及裝配過程達(dá)到優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計及工藝過程、優(yōu)化制造環(huán)境配置和生產(chǎn)供給計劃、優(yōu)化制造過程并改進(jìn)制造系統(tǒng)的目的，用來改善各個層次的決策和控制。虛擬制造從根本上改變了設(shè)計、試制、修改設(shè)計、規(guī)模生產(chǎn)的傳統(tǒng)制造模式。在產(chǎn)品真正制出之前，在虛擬制造環(huán)境中生成軟產(chǎn)品原型代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬樣品進(jìn)行試驗，對其性能和可制造性進(jìn)行預(yù)測和評價，從而縮短產(chǎn)品的設(shè)計與制造周期，降低產(chǎn)品的開發(fā)成本，提高系統(tǒng)快速響應(yīng)市場變化的能力。
2．虛擬企業(yè)是為了快速響應(yīng)某一市場需求，將產(chǎn)品涉及到的不同企業(yè)臨時組建成為一個沒有圍墻、超越空間約束、靠計算機網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系、統(tǒng)一協(xié)調(diào)的合作經(jīng)濟實體。虛擬企業(yè)的特點是企業(yè)的功能上不完整、地域上分散和組織結(jié)構(gòu)上非永久性，它是實現(xiàn)敏捷制造的有效手段。由于市場的全球化，企業(yè)必須不斷創(chuàng)新產(chǎn)品及優(yōu)化制造過程，快速響應(yīng)客戶要求，才能取得競爭上的優(yōu)勢。同時，企業(yè)不可能也不必做每一件事、每一個部件和每一個制造過程，而必須尋找合適的合作伙伴。其最終目標(biāo)是利用不同地區(qū)的現(xiàn)有生產(chǎn)資源，把它們迅速組合成一種沒有界限的、靠電子手段聯(lián)系的經(jīng)營實體，以便快速推出高質(zhì)量、低成本的新產(chǎn)品。
由于國內(nèi)外市場競爭日益加劇，科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度加快及人們對產(chǎn)品多樣化的需求增加，使得機械制造業(yè)向多品種小批量生產(chǎn)方式發(fā)展。因此，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期成為決定制造業(yè)競爭力的首要因素。而虛擬制造技術(shù)被認(rèn)為是加速新產(chǎn)品開發(fā)的有效手段，它能很好地解決制造業(yè)的TQCS難題，虛擬制造技術(shù)對制造業(yè)將是一次新的革命，它的廣泛應(yīng)用意義是深遠(yuǎn)的。
二、市場化與虛擬制造技術(shù)應(yīng)用
制造業(yè)是我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，它一方面創(chuàng)造價值，生產(chǎn)物質(zhì)財富和新的知識，另一方面為國民經(jīng)濟各個部門包括國防和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展提供先進(jìn)的手段和裝備。在我國的經(jīng)濟騰飛中，制造業(yè)功不可沒。但是，隨著計劃經(jīng)濟體制向市場經(jīng)濟體制轉(zhuǎn)變，我國制造企業(yè)的弊端日益顯露出來。
我國制造業(yè)目前存在的五大難題：
1．產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，水平低下，主要機械產(chǎn)品中達(dá)到當(dāng)代世界先進(jìn)水平的不到10%；
2．生產(chǎn)集中度低，分散、重復(fù)嚴(yán)重，缺乏協(xié)作；
3．科技基礎(chǔ)薄弱，自主研發(fā)創(chuàng)新能力差；
4．企業(yè)裝備陳舊，生產(chǎn)工藝落后，精密、高效、數(shù)控設(shè)備不足10%；
5．人才培養(yǎng)后繼乏力；加之企業(yè)基礎(chǔ)管理薄弱，缺乏現(xiàn)代生產(chǎn)管理意識，在市場經(jīng)濟新形勢下顯得十分被動。
虛擬制造在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，如美國、德國、日本等已得到了不同程度的研究和應(yīng)用。在這一領(lǐng)域，美國處于國際研究的前沿。福特汽車公司和克萊斯勒汽車公司在新型汽車的開發(fā)中已經(jīng)大量應(yīng)用虛擬制造技術(shù)，大大縮短了產(chǎn)品的發(fā)布時間；波音公司設(shè)計的777型大型客機是世界上首架以三維無紙化方式設(shè)計出的飛機，它的設(shè)計成功已經(jīng)成為虛擬制造從理論研究轉(zhuǎn)向?qū)嵱没囊粋�里程碑。
虛擬制造(VM)作為一種哲理、一種制造策略為制造業(yè)的發(fā)展指明了方向。它可以全面改進(jìn)企業(yè)的組織管理工作，提高企業(yè)整體運作及全面最優(yōu)決策的效能和市場競爭力。實施虛擬制造可以打破傳統(tǒng)的地域、時域的限制，通過Internet實現(xiàn)資源共享，變分散為集中，可實現(xiàn)異地設(shè)計、異地制造，從而使產(chǎn)品開發(fā)能以快速、優(yōu)質(zhì)、低耗響應(yīng)市場變化。通過分析設(shè)計的可制造性，利用有效的工具和加工方法來支持生產(chǎn)，可以大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性。企業(yè)不再需要投入大量的設(shè)備和儀器，從而避免了不必要的設(shè)備閑置，可充分利用其他企業(yè)的先進(jìn)設(shè)備和儀器進(jìn)行生產(chǎn)，能很好地解決一些中小企業(yè)資金短缺的難題。
但在實施虛擬制造技術(shù)過程中，雖然國家對制造業(yè)十分重視，但由于我國當(dāng)前正處于體制改革過程中，多種機制并行，在資金使用時較難協(xié)調(diào)，國家也難以投入重金支持虛擬制造技術(shù)研究。應(yīng)用人才短缺，企業(yè)的整體認(rèn)識不統(tǒng)一，就是現(xiàn)有的科研成果都難以推廣應(yīng)用，因此實現(xiàn)企業(yè)信息化制造任重而道遠(yuǎn)，但這些并不能阻擋它的向前發(fā)展。
三、實施虛擬制造應(yīng)采取的措施
1．高度重視和全面規(guī)劃。虛擬制造技術(shù)與其它的先進(jìn)制造技術(shù)是相互關(guān)聯(lián)、彼此交叉的，其涉及面廣、技術(shù)難度大，研究及推廣應(yīng)用需要投入大量人力、物力及資金，政府部門應(yīng)從宏觀上加強對虛擬制造技術(shù)的指導(dǎo)，同時要使虛擬制造技術(shù)與各種先進(jìn)制造技術(shù)相互銜接、協(xié)調(diào)發(fā)展。
2．加強人才培養(yǎng)和培訓(xùn)工作。人是先進(jìn)制造的主體，沒有高素質(zhì)的人的參與，再好的技術(shù)也發(fā)揮不了應(yīng)有的作用。因此，企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)應(yīng)有人本思維，采用人機一體的技術(shù)路線。企業(yè)在培養(yǎng)和引進(jìn)高層次、高質(zhì)量研究型、管理型和開發(fā)應(yīng)用型人才的同時，大力普及CAD/CAM技術(shù)，及時推行精益生產(chǎn)、并行工程等思想和技術(shù)，全面提高企業(yè)員工的技術(shù)素質(zhì)。企業(yè)與高校應(yīng)探索人才的聯(lián)合培養(yǎng)新模式，不斷增強科技創(chuàng)新能力。
3．加強關(guān)鍵技術(shù)的研究、開發(fā)和應(yīng)用。虛擬制造技術(shù)包括軟件技術(shù)和硬件技術(shù)，其中建模技術(shù)、計算機仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)等是實施虛擬制造的關(guān)鍵技術(shù)。我國科研力量分散，建立分布式網(wǎng)絡(luò)化研究中心，以企業(yè)為主體，產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合，重點投資與自身發(fā)展有關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)的研究，進(jìn)行研發(fā)和推廣是一條值得深入探索的道路。
4．從企業(yè)實際出發(fā)，分階段實施。企業(yè)要實現(xiàn)虛擬制造，應(yīng)分階段逐步實行，要做好全面扎實的基礎(chǔ)工作，應(yīng)加強CAD/CAPP/CAM/NC/FMC/CAE技術(shù)的研究和推廣應(yīng)用，在全面實施并行工程的基礎(chǔ)上實施虛擬制造。
四、結(jié)論
虛擬制造技術(shù)是信息化制造的重要技術(shù)之一，實現(xiàn)虛擬制造需要強有力的技術(shù)支撐，虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)結(jié)合我國制造業(yè)自身的特點，在吸收國外成熟經(jīng)驗的基礎(chǔ)上大膽創(chuàng)新，形成特色發(fā)展。可以預(yù)言，隨著我國對虛擬制造技術(shù)研究的深入，其廣泛的應(yīng)用已為期不遠(yuǎn)，終將成為一個現(xiàn)代化信息化制造企業(yè)的必由之路。
