1　虚拟制造简介

　　80年代以来，日趋激烈的全球化竞争，迫使制造企业必须通过不断地提高生产效率，改善产品质量，降低成本，提供优良的服务，以期在市场中占有一席之地。与此同时，计算机技术、计算机网络技术和信息处理技术也得到了迅速的发展。这些条件就使得信息技术不断地融合到传统的制造业中，并对其进行改造，这也是现代制造业的发展趋势。进入90年代后，先进的制造技术向着更高的水平发展，在原有的计算机集成制造(CIMS即Computer Integrated Manufacturing System)和并行工程(CE即Concurrent Engineering)的基础上，又出现了虚拟制造(VM即Virtual Manufacturing)、虚拟企业(VE即Virtual Enterprise)等概念。其中“虚拟制造”近年来不断引起科技界和企业界的关注，成为竞相研究的热点。

　　虚拟制造的基础是虚拟现实技术。所谓的虚拟现实技术是指利用计算机和外围设备，生成与真实环境相一致的三维虚拟环境，允许用户从不同的角度和视点来观看这个环境，并且能够通过辅助设备与环境中的物体进行交互关联。虚拟制造则是利用虚拟现实技术，在计算机上完成制造过程的技术。采用此技术，在实际的制造之前，可以对产品的功能和制造性、经济性等方面的潜在问题进行分析和预测，实现产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检测及企业各级的管理控制等，增强制造过程中各级的决策和控制能力。虚拟制造与实际制造系统的关系如图1所示。

图1　虚拟制造与实际制造系统的关系
Fig.1　Relation between virtual manufacturing
and actual manufacturing

    1.1　虚拟制造的特点

　　虚拟制造是集计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)和计算机辅助工艺设计(CAPP)于一体的技术，它是在计算机中完成制造过程的。正因为如此，虚拟制造具有下述主要特点。

　　虚拟制造的制造模型是一个计算机模型，完成这一制造过程的主要工作集中在模型的建立过程上，一旦这个模型建立完成，就可以不断与之进行交互，模拟各种情况的生产和制造过程。模型的可反复修改性是虚拟制造过程有别于实际制造过程的一个最主要的特点，也正是这一特点使得虚拟制造可以根据不同情况快速的更改设计、工艺和生产过程，从而大幅度压缩新产品的开发时间，提高制造质量，降低成本。

　　虚拟制造的另一个特点是它可以是分布式的，完成虚拟制造的人员和设备在空间上可以是相互分离的，不同地点的技术人员可以通过网络来协同完成同一个虚拟制造过程。

　　此外，虚拟制造还可以是一个并行的过程，产品设计、加工过程和装配过程的仿真可以同时进行，大大加快了产品设计过程，减少新产品的试制时间。

    1.2　虚拟制造的应用领域

　　虚拟现实技术在制造领域中的应用主要有以下几方面：

　　(1)虚拟原型和产品设计，即在计算机中设计虚拟的产品或零部件。

　　(2)生产过程仿真(优化、调度)，即对车间或工段的生产过程进行仿真优化。

　　(3)设备仿真，即对机器人等生产设备进行离线仿真，动态特性分析和模拟。

　　(4)物流仿真，即物流规划，对AGV(自动搬运设备)进行仿真。

　　(5)装配过程仿真。

　　(6)复杂数据的可视化，数值模拟计算结果的可视化输出。

　　(7)设备的远程操作，用计算机网络将空间上分散的设备结合起来，进行集成管理运行，遥控制造。

　　(8)增强通讯效果。

　　(9)操作培训。

    1.3　虚拟制造的层次

　　虚拟制造的根本目的就是利用计算机生产出虚拟产品。

　　实际的制造系统可以抽象成由物理系统、信息系统和控制系统组成的集合。物理系统包括制造中的所有资源，如材料、机床、机器人、夹具、控制器和操作工人等；信息系统包括信息的处理和决策，如生产的调度、计划和设计等；控制系统的任务是实现信息系统和物理系统的信息交换。

　　对应于实际的制造系统，在虚拟制造系统中可以划分出对应的层次：虚拟物理系统、虚拟信息系统和虚拟控制系统。根据不同生产阶段所面对的不同对象，可以将虚拟制造分为3类：以设计为核心的虚拟制造，以生产为核心的虚拟制造和以控制为核心的虚拟制造。以设计为核心的虚拟制造，其主要目标是优化产品设计、优选工艺和加工方案；以生产为核心的虚拟制造，其主要目标是优化资源，对选择工艺进行评价和验证；以控制为核心的虚拟制造，其目标为优化车间控制的制造过程。

    2　虚拟制造在铸造生产中的应用

　　铸造生产中的虚拟制造技术可以称为虚拟铸造技术。目前虚拟铸造技术主要应用于铸件设计、浇注充型或造型过程的数值模拟及结果的可视化和铸造生产过程的仿真优化3个领域。

图2　虚拟制造的分类
Fig.2　Classify of virtual manufacturing