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虚拟设计/虚拟制造与制造业信息化
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一、 制造业企业的现状
与以信息产业、生物制药等为代表的高新技术产业的迅猛发展相比，传统制造业企业大多步履维艰，困难重重。造成这种现状的原因是多方面的。既有企业自身的原因，也有企业外部环境的影响；既有管理上的问题，也有技术上的问题，概括起来，存在如下几个方面的共性问题：
1、 机制僵化
在用人制度上缺乏活力。干部能上能下的机制没有完全建立；行政对企业的干预还未完全消除；劳动用工制度近几年虽有改进，但还未到位。
在分配制度上既缺乏激励，又缺乏约束。对企业经营者来说，其收入实质上并未与经营业绩挂钩，极大限制了企业经营者的主观能动性及其聪明才智的发挥。对普通职工而言，不同岗位之间收入差距很小。分配制度没有起到奖勤发懒的作用，缺乏足够的约束。
2、 包袱沉重
传统制造业一般以国有老企业居多。因此，企业在职人员冗员多、退休职工多，再加上企业办社会，使多数企业背上了沉重的包袱。
3、观念陈旧
经过十多年市场经济的磨炼，虽然企业干部职工的思想观念、市场竞争意识有了很大程度提高，但如果用市场经济的要求来衡量，则仍然有相当大的差距。包括企业经营者在内的职工的综合素质亟待提高。主要表现在：管理上墨守陈规，不思进取；对新生事物不敏感。
4、设备老化
近几年，由于国家进行产业结构调整，高新技术产业呈异军突起之势，国家随之也加大了对这方面的投入。相对而言，国家对制造业的投入逐年减少，企业得不到资金投入，再加上自身效益不好，无力改造老设备，增添新设备。因此，企业设备渐趋老化，丧失精度。
5、技术落后
大多数制造业企业技术开发力量薄弱，产品技术含量低。设计手段落后，使得设计周期长、且容易出错；产品制造周期长、产品质量不高；市场响应速度慢，柔性差。
与以信息产业、生物制药等为代表的高新技术产业的迅猛发展相比，传统制造业企业大多步履维艰，困难重重。造成这种现状的原因是多方面的。既有企业自身的原因，也有企业外部环境的影响；既有管理上的问题，也有技术上的问题，概括起来，存在如下几个方面的共性问题：
1、 机制僵化
在用人制度上缺乏活力。干部能上能下的机制没有完全建立；行政对企业的干预还未完全消除；劳动用工制度近几年虽有改进，但还未到位。
在分配制度上既缺乏激励，又缺乏约束。对企业经营者来说，其收入实质上并未与经营业绩挂钩，极大限制了企业经营者的主观能动性及其聪明才智的发挥。对普通职工而言，不同岗位之间收入差距很小。分配制度没有起到奖勤发懒的作用，缺乏足够的约束。
2、 包袱沉重
传统制造业一般以国有老企业居多。因此，企业在职人员冗员多、退休职工多，再加上企业办社会，使多数企业背上了沉重的包袱。
3、观念陈旧
经过十多年市场经济的磨炼，虽然企业干部职工的思想观念、市场竞争意识有了很大程度提高，但如果用市场经济的要求来衡量，则仍然有相当大的差距。包括企业经营者在内的职工的综合素质亟待提高。主要表现在：管理上墨守陈规，不思进取；对新生事物不敏感。
4、设备老化
近几年，由于国家进行产业结构调整，高新技术产业呈异军突起之势，国家随之也加大了对这方面的投入。相对而言，国家对制造业的投入逐年减少，企业得不到资金投入，再加上自身效益不好，无力改造老设备，增添新设备。因此，企业设备渐趋老化，丧失精度。
5、技术落后
大多数制造业企业技术开发力量薄弱，产品技术含量低。设计手段落后，使得设计周期长、且容易出错；产品制造周期长、产品质量不高；市场响应速度慢，柔性差。
二、传统制造业的改造与制造业信息化
党和国家领导人近期曾多次强调：要用信息化带动工业化；要加强信息技术与传统产业的结合，促进传统产业的技术升级，提高企业产品的竞争力。
CAD、CAPP、CAM、ERP、CIMS等技术是先进设计、先进制造技术的重要内容，是企业实现信息化的重要技术手段，对于传统产业的改造将起到重要作用。
1、传统制造业在产品设计、制造过程中存在的问题
1.1产品设计质量不高、预见性差
进行产品设计要求设计人员具备良好的综合素质：丰富的实践经验、扎实的理论基础以及创新精神。但是，仅仅具备这些条件，对于那些复杂程度不高的产品是可以的，对于那些大型的、复杂程度较高的产品则还不够。在设计大型、复杂程度较高的产品时，由于客观条件以及人的自身生理因素的限制，设计容易出错、人为疏漏，并且往往缺乏预见性。所设计的产品加工工艺性是否良好、各部分尺寸是否正确、有无人为疏漏、装配性如何等等，设计人员。传统CAD技术对此无能为力。但正是这些问题直接影响产品质量。
党和国家领导人近期曾多次强调：要用信息化带动工业化；要加强信息技术与传统产业的结合，促进传统产业的技术升级，提高企业产品的竞争力。
CAD、CAPP、CAM、ERP、CIMS等技术是先进设计、先进制造技术的重要内容，是企业实现信息化的重要技术手段，对于传统产业的改造将起到重要作用。
1、传统制造业在产品设计、制造过程中存在的问题
1.1产品设计质量不高、预见性差
进行产品设计要求设计人员具备良好的综合素质：丰富的实践经验、扎实的理论基础以及创新精神。但是，仅仅具备这些条件，对于那些复杂程度不高的产品是可以的，对于那些大型的、复杂程度较高的产品则还不够。在设计大型、复杂程度较高的产品时，由于客观条件以及人的自身生理因素的限制，设计容易出错、人为疏漏，并且往往缺乏预见性。所设计的产品加工工艺性是否良好、各部分尺寸是否正确、有无人为疏漏、装配性如何等等，设计人员。传统CAD技术对此无能为力。但正是这些问题直接影响产品质量。
1.2产品设计、制造周期长，不能快速响应市场
可以说在计划经济时代，是大鱼吃小鱼。而在市场经济时代，则是快鱼吃慢鱼。市场响应快的企业往往能占得先机，在竞争中获胜。那些市场响应慢的企业则面临被淘汰的命运。在激烈的市场竞争中，“蛇吞象”的事已不足为奇。
传统CAD虽然使部分企业甩掉了图板、缩短了产品设计周期、提高了设计质量，但是没有从根本上解决问题。目前市场情况是：产品的生命周期越来越短。生产形式也越来越呈现出单件小批量的格局。以适应市场的快速多变。这些都向传统的设计、制造模式提出了严峻挑战。
可以说在计划经济时代，是大鱼吃小鱼。而在市场经济时代，则是快鱼吃慢鱼。市场响应快的企业往往能占得先机，在竞争中获胜。那些市场响应慢的企业则面临被淘汰的命运。在激烈的市场竞争中，“蛇吞象”的事已不足为奇。
传统CAD虽然使部分企业甩掉了图板、缩短了产品设计周期、提高了设计质量，但是没有从根本上解决问题。目前市场情况是：产品的生命周期越来越短。生产形式也越来越呈现出单件小批量的格局。以适应市场的快速多变。这些都向传统的设计、制造模式提出了严峻挑战。
1.3产品设计、制造费用高，导致产品成本上升，缺乏市场竞争力
主要有如下几个方面：
(1)为了测试产品的性能，有时需要做一些性能试验。有些试验是破坏性的、有些是耗资巨大的。在某些情况下根本无法试验。这些都给产品的设计、制造带来困难，并增加额外费用。这些额外费用有时是很高的。
(2)由于产品设计质量不高，预见性差，出现废品的概率增大，使成品率降低。分摊在每个产品上的成本增加。
主要有如下几个方面：
(1)为了测试产品的性能，有时需要做一些性能试验。有些试验是破坏性的、有些是耗资巨大的。在某些情况下根本无法试验。这些都给产品的设计、制造带来困难，并增加额外费用。这些额外费用有时是很高的。
(2)由于产品设计质量不高，预见性差，出现废品的概率增大，使成品率降低。分摊在每个产品上的成本增加。
2、对策
制造业承担着为国民经济其它各部门提供装备的重任。由于种种原因，制造业目前存在上述诸多问题。制造业要想重振雄风，在狭缝中求生存、求发展，就必须加强信息技术与传统产业的结合，促进传统制造业的技术升级。于是，研究和开发先进设计技术、先进制造技术就成为必然。
先进的设计、制造技术应当实现：
▲ 智能化 传统的CAD、CAM在设计、制造过程中，对人类的辅助是很有限的。为了提高制造业对市场多变的适应能力和快速响应能力，就必须从设计到制造全过程提高计算机的辅助水平，使计算机在更大范围内、更高水平上帮助或部分替代人类，从而大大提高设计制造的自动化水平，进而提高设计质量和产品质量。
▲ 网络化 随着经济全球化的推进，制造业已经进入全球性竞争的时代，地理位置已不再成为一种障碍。竞争者可以在全球范围内制造和销售他们的产品。以计算机支持的协同工作技术(CSCW)的日益成熟为标志，使之逐步成为现实。
▲ 集成化 在产品制造的全过程中，只有将CAD/CAM/CAPP/CAE/PDM集成化，形成CIMS, 才能实现产品制造全过程的计算机化。制造业才真正会发生根本性的变革。
▲ 可视化 虚拟现实技术的应用可以看作产品设计/制造的过程可视化的一个重要方面。
CAD技术是企业信息化的基础。为了更好地推进企业信息化，传统CAD技术也在进一步发展。在工程实践中，很多问题属于非数值计算问题。于是，我们把人工智能技术和CAD技术相结合，形成一个新的研究领域---智能CAD；随着虚拟现实技术VR的实用化，它在许多领域得到应用。将VR技术和CAD技术相结合，形成另一个新的研究领域---虚拟设计。虚拟设计和传统的CAD技术有的主要差别在于：
(1) VR具有两个重要特征，即交互和实时，而传统CAD做不到；
(2) VR使设计者呈主动状态，设计者能身临其境。而对于传统CAD，设计者只是被动的观察者；
(3) VR的图形真实感强，有远、近、纵、深的感觉，这是传统的CAD所做不到的；
(4)利用VR技术可以实现产品生命全周期的管理，多产品和新旧产品同时开发和资源共享。
进行虚拟设计时，首先要在计算机中生成虚拟原型。通过这个虚拟原型，我们可以做很多工作。
(1)进行多方案对比，从中选出最佳方案；
(2)设计者通过虚拟原型可以进行虚拟装配，以检查各零部件尺寸以及可装配性，即时修改错误；
(3) 通过虚拟原型，可以进行虚拟试验，而不用再去做更多的实物试验。这样，既节省了时间又节约了费用。
正因为如此，VR技术和传统CAD/CAM的结合有着光辉的前景。虚拟设计/虚拟制造也成为当今非常活跃的、前沿的研究领域。
制造业承担着为国民经济其它各部门提供装备的重任。由于种种原因，制造业目前存在上述诸多问题。制造业要想重振雄风，在狭缝中求生存、求发展，就必须加强信息技术与传统产业的结合，促进传统制造业的技术升级。于是，研究和开发先进设计技术、先进制造技术就成为必然。
先进的设计、制造技术应当实现：
▲ 智能化 传统的CAD、CAM在设计、制造过程中，对人类的辅助是很有限的。为了提高制造业对市场多变的适应能力和快速响应能力，就必须从设计到制造全过程提高计算机的辅助水平，使计算机在更大范围内、更高水平上帮助或部分替代人类，从而大大提高设计制造的自动化水平，进而提高设计质量和产品质量。
▲ 网络化 随着经济全球化的推进，制造业已经进入全球性竞争的时代，地理位置已不再成为一种障碍。竞争者可以在全球范围内制造和销售他们的产品。以计算机支持的协同工作技术(CSCW)的日益成熟为标志，使之逐步成为现实。
▲ 集成化 在产品制造的全过程中，只有将CAD/CAM/CAPP/CAE/PDM集成化，形成CIMS, 才能实现产品制造全过程的计算机化。制造业才真正会发生根本性的变革。
▲ 可视化 虚拟现实技术的应用可以看作产品设计/制造的过程可视化的一个重要方面。
CAD技术是企业信息化的基础。为了更好地推进企业信息化，传统CAD技术也在进一步发展。在工程实践中，很多问题属于非数值计算问题。于是，我们把人工智能技术和CAD技术相结合，形成一个新的研究领域---智能CAD；随着虚拟现实技术VR的实用化，它在许多领域得到应用。将VR技术和CAD技术相结合，形成另一个新的研究领域---虚拟设计。虚拟设计和传统的CAD技术有的主要差别在于：
(1) VR具有两个重要特征，即交互和实时，而传统CAD做不到；
(2) VR使设计者呈主动状态，设计者能身临其境。而对于传统CAD，设计者只是被动的观察者；
(3) VR的图形真实感强，有远、近、纵、深的感觉，这是传统的CAD所做不到的；
(4)利用VR技术可以实现产品生命全周期的管理，多产品和新旧产品同时开发和资源共享。
进行虚拟设计时，首先要在计算机中生成虚拟原型。通过这个虚拟原型，我们可以做很多工作。
(1)进行多方案对比，从中选出最佳方案；
(2)设计者通过虚拟原型可以进行虚拟装配，以检查各零部件尺寸以及可装配性，即时修改错误；
(3) 通过虚拟原型，可以进行虚拟试验，而不用再去做更多的实物试验。这样，既节省了时间又节约了费用。
正因为如此，VR技术和传统CAD/CAM的结合有着光辉的前景。虚拟设计/虚拟制造也成为当今非常活跃的、前沿的研究领域。
三、虚拟设计/虚拟制造关键技术
1、 虚拟模型的建立
虚拟模型的建立包括如下方面的研究：
(1)基于微机的虚拟环境体系结构 计算机硬件发展的日新月异为基于微机的普及型虚拟环境体系结构的建立提供了物质基础。
(2)基于几何建模和图像相结合的建模方法和相关算法 采用虚物实化、实物虚化、虚实结合、增强现实的方法既可以使模型的真实感强，又可以有效地减少模型的数据量，以满足实时交互性的要求。
(3)基于图像的虚拟现实关键技术 图像建模具有模型简单、数据量小的优点，适合于微机环境的实时建模和浏览。如何建立快速图像压缩和解压缩算法，实现基于图像的机械产品模型的三维重建等是关键。
1、 虚拟模型的建立
虚拟模型的建立包括如下方面的研究：
(1)基于微机的虚拟环境体系结构 计算机硬件发展的日新月异为基于微机的普及型虚拟环境体系结构的建立提供了物质基础。
(2)基于几何建模和图像相结合的建模方法和相关算法 采用虚物实化、实物虚化、虚实结合、增强现实的方法既可以使模型的真实感强，又可以有效地减少模型的数据量，以满足实时交互性的要求。
(3)基于图像的虚拟现实关键技术 图像建模具有模型简单、数据量小的优点，适合于微机环境的实时建模和浏览。如何建立快速图像压缩和解压缩算法，实现基于图像的机械产品模型的三维重建等是关键。
2、 具有物理属性的虚拟模型的建立
建立具有物理属性的虚拟模型有着巨大的应用价值。如果用它来进行虚拟试验，既可以节省宝贵的产品开发时间，又可以节约试验费用。在某些情况下，试验的费用可能很大，甚至无法做试验。采用这种技术，设计人员将能设计出价格低廉、满足顾客各种各样需求的产品。
建立具有物理属性的虚拟模型有着巨大的应用价值。如果用它来进行虚拟试验，既可以节省宝贵的产品开发时间，又可以节约试验费用。在某些情况下，试验的费用可能很大，甚至无法做试验。采用这种技术，设计人员将能设计出价格低廉、满足顾客各种各样需求的产品。
3、 分布式虚拟现实关键技术
(1) 通过利用客户端的CPU卡和服务器端的密码机来完成加密和解密工作，防止未经授权的用户访问企业数据；
(2) 建立基于网络的虚拟企业；
(3) 研究不同设计方之间的标准数据交换格式；
(4) 实现机械产品网上交易和B 2 B电子商务，完成企业内部和外部的电子商务集成化；
(1) 通过利用客户端的CPU卡和服务器端的密码机来完成加密和解密工作，防止未经授权的用户访问企业数据；
(2) 建立基于网络的虚拟企业；
(3) 研究不同设计方之间的标准数据交换格式；
(4) 实现机械产品网上交易和B 2 B电子商务，完成企业内部和外部的电子商务集成化；
四、工作基础
武汉理工大学智能设计与制造研究所在智能CAD/CAM和虚拟设计/虚拟制造、科学计算可视化、智能控制理论与技术等方面做出了长期的、卓有成效的工作。
■ 自1995年以来，研究所开始在虚拟环境建模、虚拟浏览等方面取得一系列成果。尤其是将计算机生成的模型和图像融合在一起，既取得真实感强的模型，又使模型的数据量最小。“三峡滑坡仿真系统”以工程数据库、科学计算可视化、三维数学力学模型和专家系统为基础，充分吸收计算机图形学和多媒体等领域的最新成果，建立半沉浸式的虚拟环境，在国内外首次成功地实现了实时滑坡仿真。
■ 1998年，研究所和上海振华港机股份有限公司合作，共同开发出“集装箱装卸桥计算机辅助设计和仿真系统”。该系统运用计算机辅助设计、VR技术等，在仿真中融入虚拟制造、虚拟装配、虚拟浏览，实现了港口优化布局。同时，还与山东济南小鸭洗衣机集团合作，对洗衣机的振动、洗涤和甩干运动，以及洗衣机的装配和拆卸过程成功进行了仿真。为改进洗衣机的设计提供了依据。
■ 2000年，与深圳明华澳汉制卡有限公司( www.mwcard.com )、深圳润讯互联网公司( www.chinamotion.com )及国家经贸委医药司重点扶持单位中国医药网(等单位在电子商务领域进行过卓有成效的合作。
■ 1999年——2001年我们在余俊教授主持下负责编写了《机械现代设计方法与应用大典》中的“计算机辅助设计” 篇、 “智能设计”篇，参加了《虚拟设计》篇的编写。
■ 2001——2002年，我们在自己研究工作的基础上完成了学术专著《虚拟设计》的编写。
武汉理工大学智能设计与制造研究所在智能CAD/CAM和虚拟设计/虚拟制造、科学计算可视化、智能控制理论与技术等方面做出了长期的、卓有成效的工作。
■ 自1995年以来，研究所开始在虚拟环境建模、虚拟浏览等方面取得一系列成果。尤其是将计算机生成的模型和图像融合在一起，既取得真实感强的模型，又使模型的数据量最小。“三峡滑坡仿真系统”以工程数据库、科学计算可视化、三维数学力学模型和专家系统为基础，充分吸收计算机图形学和多媒体等领域的最新成果，建立半沉浸式的虚拟环境，在国内外首次成功地实现了实时滑坡仿真。
■ 1998年，研究所和上海振华港机股份有限公司合作，共同开发出“集装箱装卸桥计算机辅助设计和仿真系统”。该系统运用计算机辅助设计、VR技术等，在仿真中融入虚拟制造、虚拟装配、虚拟浏览，实现了港口优化布局。同时，还与山东济南小鸭洗衣机集团合作，对洗衣机的振动、洗涤和甩干运动，以及洗衣机的装配和拆卸过程成功进行了仿真。为改进洗衣机的设计提供了依据。
■ 2000年，与深圳明华澳汉制卡有限公司( www.mwcard.com )、深圳润讯互联网公司( www.chinamotion.com )及国家经贸委医药司重点扶持单位中国医药网(等单位在电子商务领域进行过卓有成效的合作。
■ 1999年——2001年我们在余俊教授主持下负责编写了《机械现代设计方法与应用大典》中的“计算机辅助设计” 篇、 “智能设计”篇，参加了《虚拟设计》篇的编写。
■ 2001——2002年，我们在自己研究工作的基础上完成了学术专著《虚拟设计》的编写。
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