随着中国加入WTO，所有国内企业都面临着市场竞争的国际化挑战，如何能使企业在竞争中继续保持优势，是所有企业亟待解决的问题。企业的核心竞争力最终取决于其新产品的市场响应能力，要在激烈的全球化竞争中获得生存和发展，应用CAD/CAM/CAPP/PDM/ERP等先进的信息化工具是企业发展的当务之急和根本出路。CAD技术是产品创新设计的重要工具和核心技术，也是企业信息化工程的切入点，讨论现代设计中最具活力的计算机辅助设计（CAD）技术的发展方向，对于把握现代机械工程设计技术领域的新动向，开发和使用新方法、新技术，改革传统设计模式等，具有一定的意义。

    1 虚拟制造技术的应用

    目前，虚拟制造技术已经在国外有所应用，国内的研究却刚刚起步，其运用主要集中在以下三个方面。

    1.1 产品虚拟设计技术

    主要包括虚拟产品开发平台、虚拟测试、虚拟装配以及机床、模具的虚拟设计实现等，其中，清华大学利用美国国家仪器公司的Labview开发平台实现了锁相电路的虚拟；机械科学研究院采用c语言和OpenGL进行编程初步实现了立体停车库的虚拟现实下的参数化设计，可以直观地进行车库的布局、设计、分析和运动模拟。

    1.2 产品虚拟制造技术

    主要包括材料热加工工艺模拟、加工过程仿真、板材成型模拟、模具制造仿真等。北航与一汽用OPllRIS开发的板料成型软件已经基本能够模拟类似车门的中等复杂程度的汽车覆盖件和其他冲压成型件的冲压成型过程；合肥工业大学研制的双刀架数控车床加工过程模拟软件已经在马鞍山钢铁股份有限公司车轮轮箍厂应用，使数控程序现场调试时间缩短到几小时，并保证一次试切成功；北京机床研究所、机械科学研究院、东北大学、上海交大和长沙铁道学院等单位也研制出了一些这方面的仿真软件。

    1.3 虚拟制造系统

    主要包括虚拟制造技术的体系结构、技术支持、开发策略等，其中提出了比较成熟的思想并可能实现的是由上海同济大学张曙教授提出的分散网络化生产系统和西安交通大学谢友柏院士组建的异地网络化研究中心。

    从以上的论述中可以看到，国内外研究水平差距较大，而且由于虚拟制造技术既是并行工程的发展方向又是敏捷制造的核心，这就决定我们必须以它作为现代集成制造系统的中心技术，以带动相关技术的研究工作的进行，并使它们协同一致顺利地发展。

    2 现代机械工程设计的特征

    机械设计是为实现某一使用功能，同时考虑其运动可能性、制造可能性、经济可能性，从而构思一种具有一定创新性的机械产品的过程。

    传统的机械设计技术受低劣的设备条件和落后的技术方法所限，只能在保守的观念下，依据粗略的验算甚至估计，通过大量的简化和静止化假设完成机械工程设计，因此它必然使设计存在随意性，对个人的经验和习惯的依赖性极大，极难实现合理、准确和高效的设计。

    现代设计技术充分利用了当今迅速发展起来的计算机技术、计算技术、应用数学和力学、电子学、测试和分析技术，使设计技术有可能从经验的、静止的和随意性很大的传统设计变为基于计算数据、知识工程或专家系统的、动态的现代设计，这需要充分收集、分析和检索必要的信息，快速的数值运算和方案寻优，因而必然大规模地使用CAD技术和人工智能技术、数据库技术等。

    3 虚拟制造及其特点

    由于信息技术的发展给制造业带来了新的生机，因此各种新型制造技术应运而出，其中，最有影响的是满足客户的个性化需求的敏捷制造系统。敏捷制造是基于虚拟现实技术与机械制造技术的结合所产生的虚拟制造系统，它利用计算机仿真和虚拟现实技术，在计算机上模拟出产品的整个生命周期，即从产品设计、加工制造、性能分析、生产管理和调度、销售及售后服务做出综合评价，以增强制造过程各个层次的决策与控制能力。虚拟制造具有虚拟性、数字化集成性、分布性和依赖于真实制造等特性，虚拟制造技术为制造业带来的好处是不言而喻的。

    该技术生产前可在不消耗资源和能量的情况下，验证生产方案：

    ①针对实际过程，建模能可靠地估计生产成本和费用，加深对生产过程和制造系统的认识和理解；

    ②建模与仿真技术的应用可极大地提高生产柔性，降低固定成本；

    ③可靠地预测成本、风险和进度，大大提高决策水平；

    ④加强企业技术人员的设计能力，提高企业竞争能力。

    国内外对虚拟制造已有大量的研究，其模型主要有三种：以设计为中心的虚拟制造模型、以生产制造为中心的虚拟制造模型和以控制为中心的虚拟制造模型，在现有的虚拟制造系统的设计中，大多注重虚拟现实中的几何建漠，即基于特征造型的虚拟制造，或利用已有的CAD／CAM软件进行计算机辅助设计和辅助制造的方式构造虚拟制造系统。

    4 产品对CAD软件功能的需求

    不同企业因产品结构、生产方式和组织管理形式不同，对CAD软件的功能有不同需求，从大多数企业对CAD的应用情况来看，其需求功能大致有如下几种：

    ①计算机二维绘图。“甩掉图板”把科技人员从繁琐的手工绘图中解放出来，是CAD应用于工程设计的主要目标，也是CAD技术的最基本功能。

    ②计算机辅助工艺设计（CAPP）。生产工艺是企业从设计到加工的桥梁，CAPP软件应具有工艺设计、工艺设计任务管理、材料定额管量等功能，实现工艺过程标准化，保证获得高质量的工艺规程，提高企业工艺编制的效率和标准化。

    ③三维设计，装配设计，曲面设计，钣金设计，有限元设计，机构运动仿真，注塑分析，数控加工等三维CAD／CAM功能，可以解决企业的三维设计、虚拟设计与装配、机构运动分析、应力应变分析、钣金件的展开和排样等问题，使企业走向真正的CAD设计。

    ④产品数据管理（PDM）。复杂产品的设计和开发，不仅要考虑产品设计开发结果，而且必须考虑产品设计开发过程的管量与控制，管量产品生命周期的所有数据 （包括图纸技术文档）以及产品开发的工艺过程，使用CAD、CAPP、CAM等系统实现的数据共享，可使产品设计工作规范化保持一致性，保证图纸、工艺卡、加工代码、技术资料等的安全性。

    ⑤企业的应用软件。企业在引进二维或三维CAD／CAPP／CAE／CAM／PDM的基础上，还针对本企业的技术特征所进行的二次开发，如汉化、厂标、行业标库建设、图库的扩充等等，有的企业还根据本企业产品的特点，建立了分析、仿真优化、成本分析等专用或专业CAD系统，并和CAD系统集成，形成本企业的CAD系统，这使他们在产品设计初期，就得以了解产品的结构特点和性能，并利用理论设计、经验设计和专家系统等人工智能技术，将设计缺陷消除在初始阶段。这使CAD设计源于传统设计又高于传统设计，并最终走向智能设计。

    5 虚拟制造过程

    5.1 虚拟设计的模型设计

    虚拟制造是基于产品生命周期的整个过程的概念。对于客户提出的对要购买的商品要求，设计人员在充分听取客户意见后进行分析归纳，了解清楚产品的功能、结构、性能，根据分析的结果进行产品虚拟设计、虚拟加工工艺设计、虚拟生产加工之后，进行虚拟装配和产品的仿真，然后经客户确认后则进行实际制造，否则修改设计方案直至客户满意。其过程如图1所示。

    图1 虚拟制造加工的过程流程图

    以设计为中心的虚拟制造的核心思想是：利用制造仿真来优化产品设计，从而在设计阶段就可以对所设计的零件和整机的强度、刚度、疲劳、稳定、动态平衡等进行综合性能优化设计，加工过程的工艺分析，铸造过程的热力学分析，运动部件的运动学分析，动力学分析及机件的可制造性分析，加工过程的人、财、物优化组合，系统装配的合理性分析等，其核心问题是虚拟设计过程的建模。其次，虚拟制造的设计工作应该遵循人工真实设计的过程，因此，它的设计也应该应用自顶向下和自底向上的设计原则，可以先从整体到局部和零件，也可以从零件和局部到整体的设计。为了实现产品的虚拟设计，将设计模型的体系结构（如图2）设计为三层，根据机构特点不同，机构模型还可以分成子机构、父机构、……、多层机构模型，以模块化的设计思想来进行设计，这样既可以有效地分散建模的难度，又能使其保持模型的完整性，各层模型的数据可共享和相互通信。由于建模中要满足不同目的，故各层可采用集成建模方式来完成。另外，由于虚拟现实的需要，各层模型里都应有交互接口，人可以随时干预设计的生成，使模型的修改、重构更易实现。

    图2 虚拟设计的体系结构

    5.2 元模型及建模方法

    虚拟设计的第一层为基础层，为通用零件设计，采用标准化设计方法，如齿轮、螺栓、螺纹等零部件的设计，可用理论计算、经验公式、循环修改、有限元法、边界元法、分布参数、实验推理等知识，实现计算机自动进行常规设计和优化设计，当然在此设计过程中要用到各种国家标准和准则，应将设计时用到的国标和材料参数图表集作为基础数据库，以便进行调用。每个零件的模型实际上是一个小的专家系统，根据不同零件设计要求进行强度、刚度、疲劳、稳定、动态平衡等设计，其结果是形成反映零件的形状、功能、行为、意图等属性的特征数据。然后，据此数据利用图形学的不同算法，如多边三角形的顶点法、各种曲面曲线的样条法等，并采用适当的光照，建立零件的几何造型及物理模型，再根据材料参数进行表面纹理映射、渲染，即形成某零件的元模型。如图3所示。若将现有标准件和某些常用非标件的模型建立起来，即可形成一个元模型库。

    图3 元模型的建模

    5.3 机构模型设计

    有了各种零件的元模型后，与实际制造一样，要由零件构造机构，又由子机构构造父机构。将现有的实际机构分类分级，不同机构可能有不同的类、级、层，然后对其进行机构建模。机构模型呈树形，机构模型要调用零件元模型的数据，元模型为叶结点，父机构要用到子机构模型的数据，再上层的爷结点调用父结点的数据，依此类推，一直到一个独立的部件或产品的独立部分为止，其结构如图4所示。

    图4 机构模型树形结构图

    5.4 产品模型设计

    产品模型作为产品在计算机上的表示和产品信息的载体，是虚拟制造中虚拟设计的目标，在机构模型的基础上，建立整个产品系统模型，一般情况下，系统分为几大模块，因为不同领域对产品信息的视角和抽象层次不同，需根据不同类型产品建立不同类型的模型。如机电产品的模型有动力模块、电气控制模块、转动变速模块、执行模块等，对产品模型来说，不但要求有机构模型中要求的对各大模块的动力学、运动学、电气性能的描述，还要有对整个产品性能、运动误差、精度、刚度、质量评估等各种描述。虽然产品模型也要注意各主要零部件的性能和质量指标，但产品模型主要关心的是产品的综合性能、质量和安全要求，既要反映产品外形的特征，又要反映产品的主要功能及其它次要性能特征，它是最高一层的模型。

    产品模型既要在机构模型基础上继承、综合、提炼、归纳、抽象各模块的信息，又要为产品的性能仿真和虚拟装配提供直接的信息基础。要检验产品是否满足预定的要求，必须进行仿真和虚拟装配。虚拟装配是为了检验产品的各零部件、机构和整个系统的结构设计是否合理，其可装配性、可制造性是否满足要求；性能仿真是为了检验产品各方面的性能是否满足预定要求，因此，各种基于不同目的的仿真和虚拟装配都要有自己独立的模型。当然，装配模型和仿真模型与前叙的元模型、机构模型和产品模型肯定有着直接的联系，尤其是数据的共享和关联是不可分的。

    6 结论

    虚拟制造是现代集成制造系统的基本应用，是现代企业管理信息和多种制造技术信息的集成，除虚拟设计外，虚拟工艺设计、虚拟设备管理与生产调度、虚拟生产加工、虚拟装配等都有待研究，即便是虚拟制造中虚拟设计问题也还有许多问题需深入研究，如虚拟制造的虚拟集成环境建立、各种文件的规划管理、基础数据库的建立等，需要国家、行业和社会各方面的专家共同努力。

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