基于网络的虚拟技术在现代制造业中的应用研究

在经济全球化、贸易自由化和社会信息化的新形势下，制造业的经营战略发生了很大的变化，TQCS成为现代制造企业适应市场需求，提高竞争力的关键因素。即以最快的上市速度(T-Time to Market)、最好的质量(Q-Quality)、最低的成本(C-Cost)、最优的服务(S-Service)来满足不同顾客的需求。如何利用新技术所提供的机遇，抓住用户需求，以最短的时间开发出用户能够接受的产品，已成为市场竞争的焦点。

面对激烈的国际竞争，为迎接中华民族的伟大复兴，国家对制造企业提出了宏伟目标，即要求国内骨干企业尽快着手信息化工作，2010年到2015年大中型企业要达到国际先进的信息化制造水平。实际上，信息化不仅是政策的约束，更是市场的驱使，随着市场经济全球化的进程，信息化制造将成为现代制造企业追求的重要目标之一。

信息化制造

信息化制造是以虚拟制造和大规模定制生产为标准的，只有基本上实现了从产品设计、开发、生产制造和流通以至产品全生命周期的信息化，才算真正完成信息化工作，在此基础E的先进制造模式和信息化内容才能叫做信息化制造。

随着计算机、自动化及网络技术在制造系统中的应用，信息技术对制造技术发展的作用目前已占到第一位。产品制造过程中的信息投入，己成为决定产品成本的主要因素。信息技术使现代制造的技术含量提高，使传统制造技术发生质的变化。信息技术也促进着设计技术的现代化，加工制造的精密化、快速化，自动化技术的柔性化、智能化，整个制造过程的网络化、全球化。

为了提高竞争能力，企业应当能够对市场需求的变化做出快速敏捷的反应，并及时地对自身的生产做出合理的调整与重新规划。面对不可预测、持续发展、快速多变的市场需求，企业的生产活动必须具有高度的柔性。计算机软硬件技术及网络技术的迅速发展为实现这一目标提供了强有力的支持。基于这些因素，概念设计、并行工程、智能制造、敏捷制造等多种有关先进制造技术的新思想、新概念相继诞生。虚拟制造(VirtualManufacture)就是其中之一，它代表了一种全新的制造体系和模式。

虚拟制造技术

虚拟制造技术是以虚拟现实和仿真技术为基础，对产品的设计、生产过程统一建模，在计算机上实现产品从设计、加工和装配、检验、使用整个生命周期的模拟和仿真。这样，可以在产品的设计阶段就模拟出产品及其性能和制造过程，以此来优化产品的设计质量和制造过程，优化生产管理和资源规划，缩短设计开发周期，降低开发成本，以达到产品开发周期和成本的最小化，产品设计质量的最优化和生产效率最高化，从而提高企业的快速响应能力，增强企业的市场竞争优势。也就是说虚拟制造是对实际制造进行抽象、分析、综合、得到实际产品的全数字化模型，其最终目标是反作用于实际制造过程，用来指导生产实践。

虚拟制造技术可以分为三大类：一是以设计为中心的虚拟制造技术；二是以生产为中心的虚拟制造技术；三是以控制为中心的虚拟制造技术。

以设计为中心的虚拟制造以设计为中心的虚拟制造是将制造信息加人到产品设计与工艺设计过程中，并在计算机中进行"制造"，仿真多种制造方案和产生许多" 软"的模型，为设计者提供一个设计产品和评估产品可制造性的环境。它的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。

以生产为中心的虚拟制造以生产为中心的虚拟制造是将仿真能力加人到生产过程模型中，其目的是方便和快捷地评价多种加工过程，检验新工艺流程的可信度、产品的生产效率、资源的需求状况(包括购置新设备、征询盟友等)，从而优化制造环境的配置和生产的供给计划。它的主要支持技术包括虚拟现实技术和嵌人式仿真技术，其应用领域包括工厂或产品的物理布局及生产计划的编排。

以控制为中心的虚拟制造以控制为中心的虚拟制造是将仿真能力增加到控制模型和实际的生产过程中，模拟实际的车间生产，评估车间生产活动，达到优化制造过程的目的。它的主要支持技术有：对离散制造一基于仿真的实时动态调度；对连续制造一基于仿真的最优控制。

基于网络的远程制造

基于网络的远程制造技术指的是：面对市场机遇，针对某一市场需要，利用以互联网为标志的信息高速公路，灵活而迅速地组织社会制造资源，把分散在不同地区的现有生产设备资源、智力资源和各种核心能力，按资源优势互补的原则，迅速地组合成一种没有围墙的、超越空间约束的、靠电子手段联系的、统一指挥的经营实体一网络联盟企业，以便快速推出高质量、低成本的新产品。

实施网络化制造技术的行为主体是网络联盟，因此需从网络联盟的全生命周期来考察研究与网络联盟相关的一系列问题，网络联盟的生命周期按时序大致划分为：面对市场机遇时的市场分析、资源重组分析、网络联盟组建设计、网络联盟组建实施、网络联盟运营、网络联盟终止。

在网络联盟全寿命周期内，所涉及到的实施技术涵盖了以下几方面：组织管理与运营管理技术；资源重组技术；网络与通讯技术；信息传输、处理与转换技术等：由于网络化制造是建立在以因特网为标志的信息高速公路的基础上，因此必须建立和完善相应的法律、法规框架与电子商务环境，建立国家制造资源信息网，形成信息支持环境。

网络时代的企业虚拟化

传统的制造企业主要依靠自己的内部和几个熟悉的合作伙伴进行生产。要同其它企业建立新的合作关系可能需要花费几个月的时间，因为各项事物如条约、条件、 CAD格式等等都需要协商，企业的生产能力也需要确认。所要求的零件图纸最多只能送到几个车间评估，而且图纸主要是通过电传、Modem或磁盘等传递的，经常需要手工重新输入到车间的CAD系统。澄清每一步(如丢失了曲面精度或误差说明等)都可能需要几天的时间。如果发生了错误或遇到了困难需要改变设计时，整个循环周期就可能增加50%，甚至更多。

在社会步入网络时代的今天，为了快速响应市场的需求，围绕新产品开发，利用不同地域的现有资源、不同的企业或不同地点的工厂，重新组织一个新公司。该公司在运行之前，必须分析组合是否最优，能否协调运行，并对投产后的风险、利益分配等进行评估。这种联作公司称为虚拟公司，或者叫作动态联盟，是一种虚拟企业，它具有集成性和实效性哺大特点的经济实体。

虚拟企业

虚拟企业是指分布在不同地区的多个企业利用电子手段，为快速响应市场需求而组成的动态联盟，是组织、人力、技术、信息等资源在完善的网络组织结构基础上的有效集成。虚拟企业是根据市场需求动态去组建，并迅速地在各种构成企业间达到协调，强调在最短时间内以最适合的性能价格比开发市场需求的产品。虚拟企业的特点是企业的功能上不完整、地域上分散和组织结构上非永久性。由于信息和市场的全球化，企业必须不断创新产品及优化制造过程，快速响应客户要求，才能取得竞争上的优势。虚拟企业的企业成员间在逻辑上是一个完整的企业实体，在组织上根据各自企业特点的经济效益而联合。当市场机遇不复存在，虚拟企业随即解体。其最终目标是利用不同地区的现有生产资源，把它们迅速组合成一种没有界限的、靠电子手段联系的经营实体，以便快速推出高质量、低成本的新产品。

在虚拟企业中，一个企业设计某种产品并为制造该产品而与其它企业进行合作。要形成这种合作关系，企业需要建立良好的产品设计系统并对合作的企业作出优化选择。为此，我们需要作两方面研究：一是在产品设计阶段考虑到侯选企业的能力，这种能力是与制造该产品有关的，而非企业的一般能力；二是为比较侯选伙伴提供工具。也就是说建立能够对企业作出评估的信息模型并提供各种决策方法。

在面对多变的市场需求下，虚拟食业具有加快新产品开发速度，提高产品质量，降低生产成本，快速响应用户的需求，缩短产品生产周期等优点。因此虚拟企业是快速响应市场需求的部队，能在商战中为企业把握机遇和带来优势。

虚拟制造

虚拟制造技术是虚拟现实技术和计算机仿真技术在制造领域的综合发展及应用，它为制造业带来全新的概念。它可以全面改进企业的组织管理工作，提高企业整体运作及全面最优决策的效能和市场竞争力。

实施虚拟制造可以打破传统的地域、时域的限制，通过Internet实现资源共享，变分散为集中，可实现异地设计、异地制造，从而使产品开发能以快速、优质、低耗响应市场变化。通过分析设计的可制造性，利用有效的工具和加工方法来支持生产，可以大大提高产品的质量和稳定性。企业不再需要投入大量的设备和仪器，从而避免了不必要的设备闲置，可充分利用其他企业的先进设备和仪器进行生产，能很好地解决一些中小企业资金短缺的难题。

应用计算机仿真技术，对零件的加工方法、工序顺序、工装的选用、工艺参数的选用，加工工艺性、装配工艺性、配合件之间的配合性、连接件之间的连接性、运动构件的运动性等均可建模仿真，可以提前发现加工缺陷，提前发现装配时出现的问题，从而能够优化制造过程，提高加工效率。

产品生产过程的合理制定、人力资源、制造资源、物料库存、生产调度、生产系统的规划设计等，均可通过计算机仿真进行优化，同时还可对生产系统进行可靠性分析，对生产过程的资金进行分析预测，对产品市场进行分析预测等，从而对人力资源、制造资源的合理配置，对缩短产品生产周期，降低成本意义重大。

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。在这一领域，美国处于国际研究的前沿。福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司在新型汽车的开发中已经大量应用虚拟制造技术，大大缩短了产品的发布时间。美国Ultra Comm公司是生产电子产品的虚拟企业，在美国各地有60多家，数以千计的雇员组成的虚拟电子集团，公司本身只有几名雇员，该公司利用遍布全美的商务网络，采用分散设计和制造方式，不同的产品选用不同企业，依靠网络技术组成的经济实体，实现市场目标。美国波音公司投资40亿美元研制波音777喷气式客机，是世界上首架以三维无纸化方式设计出的飞机，它的设计成功已经成为虚拟制造从理论研究转向实用化的一个里程碑。从1990年10月开始到1994年6 月仅用了3年零8个月时间就完成了研制，一次试飞成功，投入运营。波音公司分散在世界各地的技术人员可以从777客机数以万计的零部件中调出任何一种在计算机上观察、研究、讨论，所有零部件均是三维实体模型。可见网络化的虚拟制造给企业带来的效益。

网络化虚拟制造应用的现实思考

全局意义上的规划和引导

虚拟制造技术与其它的先进制造技术是相互关联、彼此交叉的，其涉及面广、技术难度大，研究及推广应用需要投入大量人力、物力及资金，政府部门应从宏观上加强对虚拟制造技术的指导，同时要使虚拟制造技术与各种先进制造技术相互衔接、协调发展。

现实企业的创新与突破

企业在培养和引进高层次、高质量研究型、管理型和开发应用型人才的同时，大力普及CAD/CAM技术，及时推行精益生产、并行工程等思想和技术，全面提高企业员工的技术素质。企业与高校应探索人才的联合培养新模式，不断增强科技创新能力。要分阶段构建虚拟制造环境，做好全面扎实的基础工作，在全面实施并行工程的基础上实施虚拟制造。

关键技术的研究与开发

虚拟制造技术包括软件技术和硬件技术，其中建模技术、计算机仿真技术和虚拟现实技术等是实施虚拟制造的关键技术。我国虚拟制造技术的研究刚刚起步，系统的、全面的研究尚未开展，科研力量分散。建立分布式网络化研究中心，以企业为主体，产学研相结合，重点投资与自身发展有关的关键技术的研究，进行研发和推广是一条值得深入探索的道路。

结论

网络时代，社会有限资源通过Intranet和Internet技术重新整合，局部有限资源在全球经济环境中将得到充分利用，人们通过网络可以享受虚拟游览、虚拟购物、网上电子商务交易等服务。面对信息时代的到来，企业结构将发生变化，采用网络化制造模式将有助于提高企业的竞争力。基于网络虚拟制造将是下一代生产制造的一个趋势。它既是一项先进制造技术又是一种先进制造理念，可以预见，随着远程通讯、计算机网络、数据库技术等相关技术的发展，利用工业工程思想和分布式网络化研究中心在新的生产模式和结构重组方面提供的指导和示范，必将为先进制造技术的进一步发展提供更广阔的空间。