1 引言

    从国际范围来看，制造业遵循着“劳动密集、设备密集、信息密集、知识密集”的轨迹，并正在经历着从信息集成走向知识集成的新的发展阶段，对市场 的响应时间将成为21世纪企业赢得竞争优势的最 主要因素。所以，以制造过程的知识融合为基础、以数字化建模仿真与优化为特征的“数字化制造”正成 为制造技术发展的重要领域。在这个新的领域中， 国内外的差距相对比较小，主要差距表现在在中国 的工业化远没有西方发达国家那样成熟，大部分企业仍处于设备密集状态或者一些好的企业在向信息 密集发展的过程中，长期对引进的依赖(包括产品、 工艺过程及装备系统)，使我们在知识的积累方面十 分贫乏，因此，“自主创新”也就成了无本之木。 “数字化制造”的一个主要内容就是通过揭示制 造工艺过程的本质，获得知识及进行制造工艺自主设 计和优化控制的能力。如我国汽车自主开发的主要瓶颈之一就是缺乏大型覆盖件冲压模具的自主开发能力，如目前国内汽车工业依赖高价进口，难以推出自己的新车型，又如推行高速切削工艺，需要机床振动和高速状况下材料变性、润滑理论等多方面的知识，我们尚待研究。国外的高速机床已经大量商品化，且速度还在不断提高，而我国机床工业目前难以竞争。
    如果将制造工艺过程中的研究作为微观过程数字化的范畴，那么生产系统的布局设计与实际优化运 作可算作宏观生产过程数字化的领域。目前，由于缺乏对生产行为或生产线性能的自主知识，往往在引进国外新产品的同时，花高价全盘引进的生产工艺及生产线设计方案，或者是在不能清楚地知道“所以然”的情况下，凭经验、粗放型地决定生产线的布局。这样，甚至会出现完全相同的生产线在国内工厂的运行状况不如在国外工厂的，而我们却不知原因何在，不敢作自主的调整。 因此，以数字化描述为基础的虚拟设计和虚拟制造的重要性日益增加。数字化制造在产品设计、制造活动中，进行两个层次的虚拟过程，一是设计阶段用户能够参与建立数字化产品模型，实现高交互和沉浸式并行开发的虚拟环境，从而达到预先体验产品性能的目的；二是在制造系统层次上强调对生产制造性能进行有效而近乎实时的评价。数字化制造将通过虚拟运作实现事先风险评估、实时运筹调度和全局优化等，是科技发展(各种信息支撑技术)和现代企业需求的必然结果。
    以因特网为代表的网络技术，使设计制造各个环节的信息与知识在数字化描述的基础上得到流通与集成，从而使异地的、不同企业的资源可以共享，使以满足全球化市场用户需求为牵引的快速响应制造活动——网络化制造成为可能。这个方向在国际上也是属于刚开始发展的研究热点，是国内外差距比较小的领域。综上可知，数字化与网络化必将对未来制造业发挥实际的推动作用。

    2 虚拟设计

    虚拟设计的主要技术内容包括：虚拟制样、网络化并行设计、虚拟装配和工程分析以及设计参数的交互式可视化。所谓虚拟现实(VR)技术，是基于自然方式的人机交互系统，利用计算机生成一个虚拟环境，并通过多种传感设备，使用户有身临其境的感觉。

    2.1 虚拟设计的特点
    (1)沉浸性。集成三维图形、声音等多种媒体的现代设计方法，用户能身临其境地感受产品的设计过程和性能，从仿真的旁观者成为虚拟环境的组成部分。
    (2)设计简便性。自然的人机交互方式，所见即所得用逼真的临场感，支持不同的用户背景，支持并行工程，丰富设计理念，提供设计新方法和激发设计灵感。
    (3)多信息通道。用户感受视觉、听觉触觉和嗅觉等多种信息，发挥人的多种潜能，增加设计的成功性。
    (4)多交互手段。摆脱传统的鼠标键盘输入方式。运用多种交互手段(数据手套、声音命令等)，支持更多的设计行为(建模、仿真、评估、预测等)。
    (5)实时性。实时的参与、交互和显示，把人在 CAD环境下的活动提升到人机融为一体的积极参与的主动活动，构成融入性的智能化开发系统。

    2.2 虚拟设计的关键技术
    (1)全息产品的建模理论与方法。
    (2)基于知识的设计。包括设计知识的获取、表达与应用：设计信息和知识的合理流向、转换与控制；设计知识的融合、管理与共享；从设计过程数据中挖掘设计知识。
    (3)设计过程的规划、集成与优化。包括设计活 动的预规划和实时动态规划、设计活动的并行运作以及设计过程冲突管理与协商处理。
    (4)虚拟环境中的人机工程学。
    (5)虚拟环境与设计过程互连。
    (6)产生虚拟环境的工具集。包括一般所需要的软件支撑系统以及能接受各种高性能传感器信息。能生成立体的显示图形；能调用和互连各种数据库和 CAD软件的各种系统。

    2.3 虚拟设计的应用
    (1)虚拟原型可视化——取代物理原型。如1992 年美国NASa建立航天飞机数字模型与虚拟风洞用 以观察飞机流线分布，验证飞机外形设计合理性。
    (2)沉浸式设计环境——虚拟环境与设计互连。 通过建立三维数字模型，设计者使用虚拟现实装备在 虚拟环境中直接指导操纵模型。
    (3)虚拟装配——可以实时碰撞检测、零件穿透预防和装配件的三维公差评估。

    2.4 虚拟设计的发展趋势
    (1)全新的VR—CAD系统。高交互、沉浸式、三 维设计环境，可以进行诸如虚拟曲面造型，在三维空 间中拖动曲面的控制顶点；虚拟雕塑造型“虚拟手”修 改、操纵三维物体的表面几何；虚拟实体造型(概念设 计)三维感知、三维操作和快速草绘三维形状。
    (2)协同式虚拟设计。沉浸式(有利于真实现场 感)与半沉浸式(有利于用户间交流)之间进行优化。

    3 虚拟制造

    虚拟制造依靠数字建模、仿真技术和虚拟现实技 术来在工厂范围内模拟各层次的系统与加工过程，在 计算机上将产品“制造”出来。其目的是在产品设计阶 段，借助建模与仿真技术及时地、并行地模拟出产品 未来制造过程，乃至产品全生命周期的各种活动对产 品设计的影响，预测、检测和评价产品的可制造性等。

    3.1 虚拟制造的特点
    虚拟制造为用户提供了一种在计算机上从事生 产规划、制造加工的环境[5]，完善的虚拟制造系统应具有下列特点：
    (1)集成性：建模、可视化仿真、生产制造集成规 划、企业资源规划、优化评价等多种相关技术集成。
    (2)层次性：建模对象的层次性(工厂、车间、单 元、设备；宏观、微观)和用户对象的层次性(使用者、 设计者、财务经理、总经理)。
    (3)动态性：在三维、多视角、多信息通道的虚拟 环境中，制造系统及过程的仿真可以反映出实时系统运作所具有的动态特性，而不仅是静态信息。
    (4)虚拟的真实性：利用虚拟现实技术，实现真实制造到虚拟制造的映射，达到人机和谐，发挥人的主动性，使人在虚拟环境中可以从事并感受真实制造中的各种活动。

    3.2 虚拟制造的关键技术
    (1)建模技术：产品模型(完备的产品模型使产 品实施过程中的全部活动融于一体)、工艺模型(包括 功能模型、物理和数学模型、统计模型、计算机工艺仿 真、制造数据表和制造规则)、生产模型(静态描述和 动态描述，从而可预测产品生产的全过程)。
    (2)仿真技术：构造虚拟环境，包括从宏观、微观 两个角度进行生产系统、加工过程和加工单元的仿 真，甚至物理过程中运动学、动力学、热力学、应力等 仿真，以支持制造全过程。
    (3)可制造性评价：基于规则或基于方案，通过 工艺模型和生产系统动态模型，应能精确地预测技术 可行性、加工成本、工艺质量和生产周期等。
    (4)系统集成支撑技术：PDM平台、数据库、ERP 等。
    (5)虚拟现实技术：人机接口、软件技术和虚拟 现实计算平台。

    3.3 虚拟制造技术的应用
    虚拟制造所能起到的作用已为越来越多的企业 所意识到，它能为企业填补产品设计与真实制造之间 的鸿沟，精确预测企业(工厂)的运作，如鉴别并纠正 潜在的问题，在工厂范围内进行分析、决策和处理 “What if问题等；面向各个层次的使用、设计和管理 人员；培训操作工人，提供制定标准的工具，使用户能 漫游虚拟环境中，进行各种感官体验。成功的应用实 例如，在所有设备订货之前，对生产线的运动学、动力 学、加工能力等各方面进行了分析与比较，使生产线 的实施周期缩短了1／2。

    3.4 虚拟制造的发展趋势
    虚拟制造技术的研究与应用具有巨大的潜力，发 展趋势如：
    (1)全方位的数字化制造——提供企业范围仿 真集成的解决方案。
    (2)人能够和谐地参与到虚拟制造环境之中。