虚拟制造技术

现代制造系统工程大作业1课 程： 现代制造系统工程 作业题目：现代制造技术发展现状及趋势综述 技术名称： 虚拟制造技术 摘 要虚拟制造技术是近几年出现的先进制造技术之一。虚拟制造的提出,是对传统制造业的革命。虚拟制造是企业以CAD/CAM/CAFPDM等信息集成为基础的一种新的制造哲学。该文根据对已有的关于虚拟制造技术的文献进行总结，根据作者对于虚拟制造技术的了解从虚拟制造技术提出的背景及其虚拟制造技术对当代制造业的推动、虚拟制造技术在国内外的发展状况以及虚拟制造技术在国内外发展趋势三个方面论述了主题。随着制造企业环境的变化和产品生命周期缩短,企业必须全面推行虚拟制造技术,才能在全球性市场竞争环境中生存发展并不断扩大其竞争优势。关键字：虚拟制造技术目录一、题目背景及其意义11.1虚拟制造技术出现的背景11.2 虚拟制造的意义2二、国内外虚拟制造技术的发展现状及应用情况22.1、国外虚拟制造技术发展现状22.1.1 虚拟制造体系结构32.1.2面向虚拟制造的建模方法学42.2 国内虚拟制造技术发展现状52.2.1 国内虚拟制造技术研究取得的成果52.2.1 国内虚拟制造技术研究中的不足62.2.2 我国虚拟制造技术的发展策略72.3 虚拟制造技术应用情况82.3.1 虚拟制造技术在汽车新车身开发中的应用82.3.2 虚拟制造技术在工程机械中的应用92.3.3 基于数字化工厂的虚拟制造技术应用10三、国内外虚拟制造技术的发展趋势预测113.1 数字化产品(Digitize produce)开发113.2 数字化企业管理123.3 数字化网络制造联盟13四、结论13五、参考文献14六、本次大作业心得及自我评价14现代制造技术发展现状及趋势虚拟制造技术一、题目背景及其意义虚拟制造技术是近几年出现的先进制造技术之一。虚拟制造的提出,是对传统制造业的革命。虚拟制造是企业以CAD/CAM/CAFPDM等信息集成为基础的一种新的制造哲学。随着制造企业环境的变化和产品生命周期缩短,企业必须全面推行VM技术,才能在全球性市场竞争环境中生存发展并不断扩大其竞争优势。1.1虚拟制造技术出现的背景随着激烈的市场竞争及不断增长的市场需求,越来越要求企业能够快速调整自己的产品结构,缩短新产品的开发周期,从而有效地减低生产成本。目前,产品更新的速度越来越快,市场需求朝着小批量、个性化方向发展。传统的小而全的企业模式已越来越丧失竞争力,各种形式的合作开发、生产和销售方式应运而生。因此,柔性制造系统、敏捷制造技术、虚拟制造技术等也越来越受欢迎。尤其虚拟制造技术是应用计算机技术对产品的设计、加工、装配等工序统一建模,形成虚拟的生产过程,使得应用厂家可以在不同的城市甚至不同的国家通过Internet/Intranet进行设计、加工,共享同一产品模型,从而大大提高效率,降低成本。自20世纪70年代以来,世界市场由过去传统的相对稳定逐步演变成动态多变的特征,由过去的局部竞争演变成全球范围内的竞争。为了适应变化迅速的市场需求,为了提高竞争力,现代制造企业必须解决TQCS难题,即以最快的上市速度(Ttimet。makret),最好的质量(Qquality),最低的成本(eeost),最优的服务(Sseirvee)来满足不同顾客的需求。20世纪80年代初,制造技术以信息集成为核心的计算机集成制造系统CIMS(eompuetrientgaretdmanufac-tuirngsystem)开始得到实施:80年代末,以过程集成为核心的并行工程CE(eoeuerrntengineer-nig)技术进一步提高了制造水平;进人20世纪90年代,先进制造技术进一步向更高水平发展,出现了虚拟制造vM(virtualmanufaetuhng)、精益生产LP(leanporduetion)、敏捷制造AM(agilemanufae-tuirng)、虚拟企业VE(virtualente印irse)等新概念,不断涌现新的先进制造技术。 在这些诸多新概念中,“虚拟制造VM(vinu-almanufaeturing)”引起了人们的广泛关注,成为研究的热点之一。典型的例子如波音777,其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均是在计算机上完成的,其开发周期从过去的8年缩短到5年。日本Matsushiat公司开发的虚拟厨房设备制造系统,允许消费者在购买商品前,在虚拟的厨房环境中体验不同设备的功能,按自己的喜好评价、选择和重组这些设备。他们的选择将被存储并通过网络送至生产部门进行生产。Chyrder公司与BIM合作开发的虚拟制造环境用于其新型车的研制,在样车生产之前,即发现其定位系统及其他许多设计有缺陷,从而缩短了研制周期。尽管虚拟制造技术的出现只有短短的几年时间,虚拟制造的应用将会对未来制造业的发展产生深远影响。1.2 虚拟制造的意义虚拟制造（Virtual Manufacture) 出现于上世纪 90 年代，是以计算机软硬件技术及网络技术的迅速发展为基础的一种全新的制造体系和模式。作为一种先进的制造模式，虚拟制造的应用范围必然会不断扩大，给更多的企业带来更大的收益。虚拟制造的提出,是对传统制造业的革命。虚拟制造是企业以CAD/CAM/CAFPDM等信息集成为基础的一种新的制造哲学。该文介绍了它的含义、作用、研究内容及国内外研究概况,简要介绍了建模与仿真技术,并从三个方面论述了主题。随着制造企业环境的变化和产品生命周期缩短,企业必须全面推行VM技术,才能在全球性市场竞争环境中生存发展并不断扩大其竞争优势。二、国内外虚拟制造技术的发展现状及应用情况2.1、国外虚拟制造技术发展现状近10年来, 虚拟制造在工业发达国家，如美国、德国、日本等已得到了不同程度的研究和应用，美国处于国际研究的前沿。1983 年美国国家标准局提出了“虚拟制造单元”的报告；1 9 9 3 年爱荷华大学的报告“制造技术的虚拟环境”中提出了建立支持虚拟制造的环境；1 9 9 5 年美国标准与技术研究所的报告“国家先进制造实验台的概念设计计划强调了分散的、多节点的分散虚拟制造（DVM）,即虚拟企业的概念。美国已经从虚拟制造的环境和虚拟现实技术、信息系统、仿真和控制、虚拟企业等方面进行了系统的研究和开发，多数单元技术已经进入实验和完善的阶段。虚拟制造无论在基础研究,还是技术开发方面已经取得了很大的发展。以至于难以准确地对其研究进展进行综述。虚拟制造涉及的技术领域极其广泛,在1994年的虚拟制造论坛上,提出了43项关键技术,其中许多技术并非虚拟制造所特有,有些技术在其它领域早有研究和应用,但建模与仿真技术是虚拟制造的核心技术。虚拟制造技术不是已有各单项技术的简单组合,而是对制造知识进行系统化组织,对工程对象和制造活动进行全面建模,在相关理论和已积累知识的基础上实现集成。2.1.1 虚拟制造体系结构由于虚拟制造系统的复杂性,人们从不同的角度力图建立虚拟制造系统的体系结构。最早提出VM体系结构的应是日本大阪大学Kazuki Iwata和MasahikoOnosato等人,他们的体系结构的特点是:与具体应用无关性, VPS的开发与具体的VIS和RIS分离,使VPS能够适合各种不同的VIS和RIS; 结构类似性,虚拟系统的结构与真实系统的结构类似。德国的欧洲机电一体化中心提出并开发了强调沉浸感的交互式虚拟制造系统Virtuaworkbench,马里兰大学提出的3个“中心”的体系结构,即设计为中心(Design -Centered VM)、生产为中心(Production -Centered VM)和控制中心(Control-Centered VM)。我国学者在体系结构方面也开展了相关工作,例如上海交通大学提出了基于界面层、控制层、应用层、活动层、数据层的五层协议的VM体系结构,基于网络协同控制的虚拟总线是构成虚拟制造系统有机整体并确保其有效运行的支持平台,以进行控制指令、状态和公共数据的正确数据采集、传输与调度5。国家CIMS中心在综合目前国内外关于虚拟制造的研究成果的基础上,提出了一个虚拟制造体系结构,即基于产品开发管理(PDM II,)集成的虚拟设计、虚拟生产、虚拟企业框架,归纳出虚拟制造的目标是对产品的“可制造性”、 “可生产性”和“可合作性”的决策支持。所谓“可制造性”是指所设计的产品(包括零件、部件和整机)的可加工性(铸造、冲压、焊接、切削等)和可装配性;而“可生产性”是指企业在已有资源(广义资源,如设备、人力、原材料等)的约束条件下,如何优化生产计划和调度,以满足市场或顾客的要求;考虑到制造技术的发展,虚拟制造还应对被喻为21世纪的制造模式“敏捷制造”提供支持,即为企业动态联盟的“可合作性”提供支持。上述3个方面是相互关联的,形成一个集成的环境。虚拟制造平台具有统一的框架、统一的数据模型。2.1.2面向虚拟制造的建模方法学 虚拟制造通过计算机仿真模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题,提高了人们的预测和决策水平。现有的各类CAD软件以及产品数据交换标准(如STEP)主要以描述几何信息和加工特征为主(如材料特性和尺寸公差等),难以满足虚拟制造全过程的需求。一方面,虚拟制造要求多学科仿真的无缝集成,但目前各种仿真模型只能在较低层次上共享产品模型数据,大量的建模信息只能依赖其它途径获取。另一方面,随着产品虚拟制造阶段的不断深入,各种仿真分析结果需要不断地添加到产品模型中去,但各类仿真软件的模型及结果数据是按不同的应用以及不同的需求来组织的,它们之间缺乏统一的数据交换标准定义,难以进行真正的数据共享和重用。为了克服传统产品模型的不足,人们对支持虚拟制造的产品模型描述框架及建模方法学进行了大量的研究, 2个具有代表性的趋势是元建模技术和以功能为核心的产品建模技术。尽管波音公司于1992年提出过面向产品数据交换的产品语义元模型,但基于产品物理本质的元建模技术是由日本东京大学的Yoshikawa和Tomiyama提出的,而以功能为核心的产品建模是由荷兰的F. Tolman提出的,芬兰Helsini大学的Gui Jinkang和美国Arizona州立大学的L. Taylor都借用了PDU的概念,开发了各自的产品模型6。我国国家CIMS中心基于上述研究,提出了基于PDU的产品元建模方法学,以满足虚拟制造多学科无缝集成仿真的需求。基于该建模方法学建立的产品模型具有以下特征: 具有丰富的语义,能够在不同抽象层次上进行产品信息的描述和组织; 在虚拟制造不同阶段不但可从中提取所需的信息,衍生出自身所需的模型,而且能够添加新的信息到产品模型,并保证产品信息的可重用性和一致性; 可支持自顶向下或自底向上的产品设计开发过程。（参见图1）。总体说来,尽管建模技术是虚拟制造的核心但是虚拟制造所依赖的各类商用软件在虚拟制造产生之前就已经流行了多年,他们各自使用的模型描述差异极大地影响着虚拟制造技术的发展,尽管出现了像STEP这样的产品数据交换标准,但具有支持产品全生命周期虚拟制造的建模方法学还有很长的路要走。2.2 国内虚拟制造技术发展现状2.2.1 国内虚拟制造技术研究取得的成果虚拟制造技术技术诱人的应用前景,促使各发达国家投入大量精力对其进行深入研究,目前在欧美各国已取得了很大进展。在我国,清华大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等科研教学单位也已经开展了这一领域的研究工作,并有了较大的突破。当前,我国VM技术的重点研究应用方向主要是基于我国国情,进行产品的三维虚拟设计、加工过程仿真和产品装配仿真,研究如何生成可信度高的产品虚拟样机,以便在早期预先对所设计产品的最终性能和可制造性作出预测。目前多集中对产品性能具有高科技含量要求的行业中,如航空航天、军事、精密机床和微电子等领域。VM技术的研究内容很多,也很复杂,都与特定的应用环境和对象相联系,贯穿虚拟产品的整个过程,目前我国的研究主要集中在三个方面:（a)以设计为中心的VM:这类VM是将有关制造信息加入到产品设计和工艺设计过程中,在计算机上进行数字化模拟,仿真多种制造方案和应用模型,评估各种生产过程和环境,优化产品设计和工艺设计,对于产品制造预先作出正确决策。其主要支持技术包括特征造型、面向数学的模型设计及加工过程的仿真技术;主要应用领域包括造型设计、热力学分析、运动学分析、动力学分析、容差分析和加工过程仿真;b)以生产为中心的VM:这类VM是将仿真技术加到生产过程模型中,有效评价生产计划和加工过程,检验新工艺流程的可信度、产品生产效率和资源应用状况,从而优化制造环境和生产过程。其主要支持技术包括虚拟现实技术和嵌入式仿真技术,主要应用领域包括工厂或产品的物理布局及生产计划的编排;c)以控制为中心的VM:这类VM是将仿真技术加到控制模型和实际生产过程中,提供实际生产过程的仿真环境,评估车间生产活动,达到优化制造过程的目的。其主要支持技术包括对离散制造基于仿真的实时动态调度和对连续制造基于仿真的最优控制。VM技术20世纪末传入我国,现已在各个方面有了飞速的发展,具体表现在以下几个方面:a)对于VM技术的认识进一步全面和深入:虽然VM技术在我国的发展仅仅十余年的时间,但人们的认识却在逐渐深入,对于VM的研究内容及关键技术也有了深刻的理解。VM作为一种新的制造技术,正在逐渐被人们广泛接受。目前,根据各种相关技术在VM中的地位,可以把VM相关技术划分成三个级别:核心技术级、基本技术级和一般技术级。核心技术是VM技术的基础和关键,它决定了VM能够实现什么和做什么;基本技术是VM技术的条件和保障,它决定了VM如何去建立和实现;而一般技术则是广泛使用的技术,是VM技术的辅助和补充,在其它领域可能是必须的,但对VM也是重要的。b)VM技术研究机构大幅度增多:近几年,我国VM技术受到普遍的重视,发展很快,据不完全统计,国内进行VM技术研究的单位已达到了100多家,并且在相关的研究领域已经取得了可喜的进展。如清华大学进行的虚拟设计环境软件、虚拟现实、虚拟机床和虚拟汽车训练系统等方面的研究。浙江大学进行的分布式虚拟现实技术、VR工作台和虚拟产品装配等的研究;西安交大和北航进行的远程智能协同设计研究;天津大学、北京机床所、大连机床所进行的机床虚拟设计和轴机床的研究等;都取得了很大突破和发展。西北工大、哈工大、北京机电所、上海交大、南京理工大学等单位也都对这方面的研究投入了相当的关注。国家863/CIMS主题组也将“制造系统的可视化、虚拟建模与仿真”确定为研究重点,国家自然科学基金也设有专门的研究课题;（c）VM技术与其他先进制造技术进一步融合:VM是多学科、多领域知识的综合,其产生的虚拟产品、VM系统以及虚拟企业,都需要在计算机上以仿真的方式呈现出来,因此VM技术已成为现代制造技术重要的组成部分,同其他先进制造技术的联系也在进一步加强。精益生产(lean pro-duction)、并行工程(concurrent engineering)、敏捷制造(agile manufacturing)、绿色制造(green manu-facturing),是在现阶段提出的新的制造方法和概念,都离不开信息技术、计算机网络、工程数据库技术和计算机仿真技术的支持,这些都以VM技术作为基础和依托,这些技术之间既相互影响、相互关联,又彼此交叉,进一步加强了相互之间的融合和发展,更加符合人类社会的需要;（d)VM技术的研究和应用进一步广泛:VM技术的涉及面也正在越来越广,从环境构成技术、过程特征抽取、元模型、集成基础的体系结构、制特征数据集成到多学科交驻功能、决策支持工具、接口技术、虚拟现实技术、建模与仿真技术等,相关各方面都有了很大的进展。目前,国内的研究主要集中在VM基础研究、产品虚拟设计技术、产品虚拟加工技术和VM系统四个方面。总体上,我国的VM技术在产品的外形设计、产品的布局设计、产品的运动和动力学仿真、热加工工艺模拟、加工过程仿真、产品装配仿真、虚拟样机与产品工作性能评测、产品的广告与漫游、企业生产过程仿真与优化、虚拟企业的可合作性仿真与优化等10个方面应用效果比较明显。2.2.1 国内虚拟制造技术研究中的不足虽然我国在VM技术方面的研究和应用发展很快,但研究还多数是在原先的CAD/CAE/CAM和仿真技术等基础上进行,同西方发达国家相比在各个方面我们还存在很大的差距,主要表现在:a)宏观上缺乏总体发展规划:从国家政策方面看,目前,我国VM技术的研究开发环境还缺乏总体的规划,资源分散、利用率低。由于我国当前正处在改革发展的过程中,多种机制同时并行,多方利益难以协调,在宏观上还没有对先进制造技术的研究和应用形成有效的管理和引导,没有形成有效的外部支持和运行环境,一定程度上制约了VM技术的发展;b)有关的研究投资不足:作为发展中国家,国家财政的使用还受到一定的限制,在当前阶段,还难以做到使用重金支持VM技术的研究和发展,同时也缺乏能全面支持VM的大型研究与开发中心,这就制约了VM技术科研成果的推广应用;c)研究及应用力度需进一步加强:几年来,我国虚拟制造技术研究热情在增强,但研究的进展和研究的深度还属于初期阶段,与国际的研究水平尚有很大的差距,除了三维建模已经有了几种商业软件外,其他方面还没有形成产业化。并且我国的研究也大多集中于高等院校和少数的研究院所,企业和公司介入的较少,在研究开发上缺少领军式的人物,总体上缺乏既懂专业又懂计算机、既懂设计又懂工艺的复合型人才。VM技术的支撑技术和单元技术的不断成熟,推动了VM技术的组合和集成,但有关技术相对独立,其统一特征模型建立、数据共享和交换等在具体应用方面还受到很大制约。企业需求日趋旺盛,但企业信息化基础薄弱,整体素质不高,管理工作落后,科研能力薄弱,而且受企业人员素质的制约,一些先进的技术还无法取得应有的实际效果。这些都影响了VM技术在企业中的应用和发展;d)缺乏同国际研究机构的有效接轨:在美国、欧洲许多国家已形成了由政府、产业界、大学组成的多层次、多方位的综合研究开发体系,在20世纪末就已基本完成了应用基础技术的研究,建立了VM技术体系,正向实际应用全面过渡。相比于国外,目前我国VM技术主要集中在理论研究和实施技术备阶段,系统的研究尚处于初期阶段。在具体操作上,国外VM技术的消化与国内具体技术环境的结合尚不够,缺乏同国外有关研究机构的联系和合作。目前虽然我国已具备相当数量的研究机构从事VM技术的研究,但同国外有关机构协同研究、共同开发的机构很少。在自主研究的同时,并没有形成有力的支持VM的国产化相关件,在我国CAD/CAE/CAM基础软件、仿真软件、建模技术的制约下,进一步阻碍了VM技术的发展。2.2.2 我国虚拟制造技术的发展策略基于当前情况，我国应以企业需求为出发点，大力推广并行工程、敏捷制造等思想和技术，为虚拟制造技术的实现提供坚实的基础。政府方面，应发挥政府的协调职能，组织企业和科研部门进行多方面、多层次的合作，加强科研成果的应用推广，组织多学科、跨地区的科研力量共同攻关，从宏观上加强对虚拟制造技术的指导，尽早制定出符合我国国情的发展计划。企业方面，应根据企业实际需求，解决实际问题，力争尽快创造效益，以形成良性循环，促进研究工作的进一步开展。充分利用信息技术、网络技术、计算机技术对现实研究活动中的人、物、信息及研究过程进行全面的集成，通过协同工作缩短科研周期，增强科技成果的竞争力。企业要实现虚拟制造，应分阶段逐步进行，而不能随意超越。首先，要建立企业网和工程数据库，初步实现 CAD、CAPP、CAM功能；第二，进行信息集成，推行 P D M 技术、特征建模技术，形成 CAD、CAPP、CAM 的集成系统；第三，在设计、工艺、制造部门建立统一的产品模型，初步实现并行工程，进一步将 MIS、MRPII与 CAD/CAM 系统进行集成，实现整个企业内部的信息集成，全面实现并行工程；第四，在上述工作的基础上，对企业内的生产、经营等多方面的活动进行建模、仿真，实现虚拟制造。发展我国虚拟制造技术应以企业的需求为动力，通过政府协调，积极开展成组技术、准时化生产技术及并行工程的研究与应用，利用工业工程思想和分布式网络化研究，组织各地区的科研力量集中突破与虚拟制造技术密切相关技术，为虚拟制造功能的实现提供有力支撑。2.3 虚拟制造技术应用情况2.3.1 虚拟制造技术在汽车新车身开发中的应用鉴于新车身开发的特点和开发过程中存在的问题,国际上福特、通用等著名汽车公司早已从经验、类别、静态设计,过渡到建模、虚拟装配、虚拟运动仿真、分析优化设计,这样可以提高新车身开发质量,减少大量样车实验费用,而且应用并行工程大大缩短新车身开发周期,适应了快速变化的市场需求。车身大部分零件是由若干个不同曲率半径的曲面光滑拟合和一些复杂的小特征组合而成,单纯用画法几何和机械制图方法是无法准确表达的,实现起来也有一定的难度,必须进行3维特征造型设计。使用虚拟制造技术就可以很好的解决并且适应这种新场景下消费者对产品更新换代的需求并且可以大大的节约资本。虚拟车身装配是在计算机上建立起如同真实汽车的可视化的数字模拟,即虚拟样车,然后在虚拟环境下对零件装配情况进行干涉检查,可以方便地发现设计上的错误,从而将其消除掉,减少设计变更、错误和返工,提高了设计效率,并降低修正错误的费用。汽车车身虚拟装配有二种装配模式:自顶向下式和自底向上式,根据设计方式的不同可分别选用不同的虚拟装配建模方法。用于概念设计的自顶向下式。车身结构复杂,外覆盖件由复杂的自由曲面构成,内覆盖件及内部零件的尺寸及外形很大程度上依赖于车身外覆盖件。我们可在虚拟装配环境下,首先对整车外形进行设计,确定外形后,再确定内部的零部件组成和装配结构,并同时由外向内将约束尺寸、装配关系分发到与其相关的各个零部件中,再对各个零部件进行详细设计。优化设计是在计算机工作平台上建立正确的有限元模型,对车身参数进行优化和对车身结构进行修改,直到满足选定的优化条件。车身结构优化设计是取得高质量车身结构的必经之路,它可以得到好的车身结构动态特性,很好地解决车身开裂、乘员舒适、车身结构轻巧耐用等问题,从而节省大量样车试制费用,大大缩短设计周期。虚拟技术的迅猛发展为汽车工业的进步注入了极大的活力,使得过去36个月才能完成的一个车型开发周期缩短为18个月,效率大幅提高。虚拟制造技术为提高企业的产品自主开发能力和增强其市场竞争力起到了至关重要的作用。2.3.2 虚拟制造技术在工程机械中的应用（1）利用虚拟样机对挖掘机进行仿真挖掘机虚拟样机技术就是采用系统建模、模型集成、模型的参数化处理、数据接口和仿真实验等技术,建立一个包括实际挖掘机中各个子系统的模型,能够模拟实际系统的各种功能8.以此虚拟样机模型代替实际物理样机进行各种仿真实验,得到包括运动学及动力学响应、液压系统状态参数等在内的各种系统性能参数。挖掘机的工作要求操作精度和重复精度，需要确定摩擦力和摩擦因数以进行控制补偿,达到提高作业精度和运动控制精度的目的.传统的液压缸摩擦力测定方法由于是与工作系统分离测定,不能反映液压缸工作时摩擦力的变化.利用虚拟样机静力学和逆动力学计算的方法,根据挖掘机实际工作时的实验数据计算得到各组油缸的摩擦力数值曲线,较好地反映了挖掘机实际工作时摩擦力的变化情况,找出了摩擦力与运动之间的关系,为挖掘机的控制提供了一定的依据。（2）利用虚拟样机技术对矿用机械进行仿真超大型矿用机械在运行时,工况比较恶劣,电控柜等电子控制系统对振动有严格的要求,为了提取振动响应数据,三一重机CAE工程师建立SET230矿用自卸车的整车多体动力学模型,在计算机上再现车辆在路面上爬坡、转弯、卸货、过坎等作业情况,如图9所示为矿车在30%坡道爬坡时的工作情况.利用虚拟样机技术,提取了底盘系统、转向系统、油气悬挂及车厢等时间历程载荷数据,控制柜的加速度响应数据.并结合有限元技术对车架减重达1 t,大大提高了产品的高速行驶性能与重载作业性能。（3）利用虚拟样机技术分析蛇行问题轮式机械在运行时,转向轮突然遇到侧向外力或二轮遇到阻力不等时,转向轮会发生偏摆,而不能迅速回正,车体也随之改变行驶方向.这种改变具有偶然性与经常性.车速愈高,道路条件愈差,此现象愈严重.约翰迪尔(John Deere)公司针对工程机械在高速行驶时的蛇行现象以及在重载下机械的自激振动问题,利用虚拟样机技术,不仅找到了原因,而且提出了改进方案,并且在虚拟样机上得到了验证,大大提高了产品的高速行驶性能与重载作业性（4）利用专用仿真软件对装载机进行优化设计及分析世界上最大的工程机械制造商卡特彼勒(Caterpillar)公司的工程师们采用了虚拟样机技术,对装载机和挖掘机的工作装置进行了优化设计及分析,对其进行了上万个工位的运动和受力分析仅需要1 d的时间.Caterpillar公司还与美国Iowa大学联合开发了装载机专用仿真软件IDS(Iowa Driving Simulator).装载机专用仿真软件IDS在考虑了轮胎和液压系统作用的前提下,建立装载机开环模型,并仿真装载机行驶过程中的操作性能以及仿真装载机行走过程中和工作过程中驾驶员的运动.除此之外,利用该专用仿真软件的图形用户界面,还可建立装载机在矿山路面和矿山场景的虚拟仿真环境,并且对装载机仿真模型的参数,包括底盘参数、传动系统参数、液压系统参数和轮胎参数进行修改.修改所需要研究的参数后,仿真软件在虚拟环境中快速改变设计参数,装载机按照修改后的参数重新装配,精确性较高,实性较强.更重要的是,IDS还考虑到装载机的发动机的驱动液压马达,在仿真模型中连接了液压系统与传动系统,对装载机底盘和工作装置模型进行细化,进一步提高仿真精度.模型仿真工作装置的工作过程,研究解决了机械系统与液压系统的协调性能.瑞典的Volvo公司也与瑞典Linkping大学、瑞典Royal Institute of Technolo-gy等合作,发展多学科仿真集成软件技术,制订了虚拟系统编程(VISP)研究项目9,解决了很多关于复杂工程车辆多学科仿真问题.VISP目标针对工程人员采用合适的方法,开发界面友好的动力学分析研究软件平台,进行复杂工程车辆的建模和准确的仿真.VISP以装载机为研究对象,仿真内容包含装载机整车机械系统、控制系统和液压系统。2.3.3 基于数字化工厂的虚拟制造技术应用Tecnomatix PowerTrain Machining Line Design解决方案覆盖了从设计评估、成本核算到详细的生产线设计这一整套制造过程。它提供了一套强大的应用程序，对PowerTrain加工生产线进行分析、规划和仿真。该解决方案可以识别加工特征，允许用户自定义一些选择性的加工生产线配置，并且此解决方案可以自动选择最佳的加工操作和工具，生成 NC 工具路径并为生线上的工位分配操作。规划人员在考虑产品结构以及不同的生产需求时，可以生成各种不同的方案、规划加工过程、平衡生产线并对生产能力和在制品清单进行优化。过程设计人员可以规划供应，并为检测冲突、材料移除和优化生产周期而对NC程序进行仿真。生成的虚拟过程模型处在一个方法和资源数据库的管理下，可以从此数据库中获得，并且通过Web，扩展企业的每个人都可以使用这个虚拟的过程模型。总之，我们通过对生产线仿真来发现生产系统中的生产局、资源利用率、生产节拍、产能和效率、物流和供需链、生产线平衡、生产线的瓶颈问题等等，从而为更好的优化生产线，评估生产线和改进生产线提供必要的数据支持和仿真性的实践支持，这样就可以大大节约生产资源的浪费，优化生产布局，提高生产率，增强企业的竞争力。随着先进制造技术、虚拟现实技术与仿真技术的发展，他们之间的融合应用将会更加的广泛与深入，虚拟制造技术和数字化工厂技术的应用也将极大的得到扩大与提高，从而提升我国的先进制造技术水平，促进我国建立节约型的生产体系的步伐，推动我国的制造业信息化进程。三、国内外虚拟制造技术的发展趋势预测虚拟制造技术是伴随着时代的进步而产生。它涉及到多个学科领域，是对这些领域知识的综合集成的高科技技术，随着该项技术的日趋成熟，必将广泛应用于制造业的各个方面，虚拟制造技术是基于虚拟现实技术的一门新技术，在以下几个方面将更加令人注目。3.1 数字化产品(Digitize produce)开发产品开发是制造业的源头，企业的产品开发能力直接影响到它的市场竞争力。据不完全统计，产品开发成本占制造总成本约 5%，但对产品制造总成本的影响高达 70%。传统产品的开发过程一般经历以下的程序：市场机遇产品设计样机制作样机试验改进设计再部分或全机制作定型生产批量生产。一个产品从它的立项到投放市场，经历着漫长的开发周期，而且还要在使用过程中，不断反馈意见，不断地总结，不断改进，才能达到最优产品，因此产品开发慢，是传统产品开发的最大缺点，往往产品上市的开始也就是更新换代的开始，这必然削弱了企业的竞争力，对社会的进步也不利。数字化产品的开发将从根本上改变这个现状，它用数字模型替代物理模型，借助计算机硬件和相应的软件，对产品开发全过程进行虚拟设计，虚拟制造，把虚拟实际工作环境进行可视化模拟，即把所有产品实际制造活动过程都可以通过计算机进行仿真，这样大大地缩短了开发时间，而且还减少或者杜绝了失误和浪费，因此数字化产品开发将是一个极具发展潜力的虚拟制造技术的分枝。据报道在汽车行业，运用数字化产品开发周期从上个世纪 80年代的 48 个月，缩短为目前 24 个月，并且正在向12 个月的目标进军。数字化产品开发包括：（1）结构设计、结构分析及优化；（2）数字模型及仿真；（3）数控加工及编程；（4）快速成型及反求设计；（5）虚拟模型及可视化。产品设计是产品开发的前提，它包括结构设计、结构分析、运动学及动力学和控制系统等方面，因此，产品的虚拟设计是数字化产品开发的基础。目前市场上已经有一批比较成熟的CAD、CAE 软件进行这方面的设计，比如用于产品三维 CAD 设计方面有应用软件 Pro/Engineer、UG、Solidworks、Solid Edge 等软件，在结构分析方面有ANSYS、PATRAN、NASTRAN、MARC等，运动学和动力学仿真软件有 ADAMS，用于控制系统仿真有 Matlab 软件等，可以满足设计-仿真的交互，随着计算机的技术发展，上述软件将不断地完善，其它新的软件也在不断产生，给数字化产品设计所需软件提供基本保证。在 计 算 机 上 对 数 字 化 产 品 进 行 虚 拟 加 工(Virtual processing)时，必须要解决的问题就是上虚拟设计中所用各种应用软件所需的三维数字实体模型的数据格式如step、IGES、STL、VRML 之间的自动转换，国际标准化组织 ISO 也在制定和即将发布支持和 5 个设计加工自动化的标准（ISO/TC184SC/C）。3.2 数字化企业管理数字化企业管理又叫虚拟企业管理(Virtual manage production)，是虚拟制造的一个组成部分数字化产品开发，必须与数字化的企业管理相配套，只有两者有机统一才能实现真正意义上的虚拟制造，数字化企业的功能主要表现在以下两方面（1）实现现实塔式管理向虚拟扁平管理的模式转变长期以来，制造业在管理体制上形成了一种塔式管理体制，即工作的层层请示和生产任务的逐层下达的金字塔模式，中间环节既多又繁琐，其中有一个环节通不过，就会出现堵塞甚至全功尽弃的串联管理链条。虚拟制造管理模式不受现实条件的影响和制约，是一种来源于现实，又高于现实的理想化的虚拟管理模式，是一种改革现实，创造理想的过程。该模式要求管理链条的构建方式是并行的、协同的即扁平管理模式，通过虚拟企业管理可以找出现行企业的管理弊端(如官僚主义作风等)，虚拟管理模式可以撇开权力的影响、亲情关系、员工素质的理想化模式。（2）数字化加工车间数字化生产加工车间可以跨越时空的障碍的基础设施和环境，即不受现有加工条件和环境的制约，它是通过计算机的虚拟环境完成数字化的产品生产。虚拟加工车间中，数字产品从物料配送、机床加工、零部件装配及产品性能检验都可以通过该车间模拟仿真，加工结果可以实时地显示在性能板上，图中各机