虚拟制造技术是在计算机上实现( 模拟) 产品从设计、生产到检验、使用的全部生命周期，以便检查和优化产品的设计和生产过程，及时进行修改和调整。在计算机上设计、生产的产品是可视化的所谓“数字产品”，并不要实际的材料、机床和能量，易于分析、校验和修改。只在一切模拟和检验都通过后，才采用最佳的工艺和工厂管理方案，真正进行实际产品的生产。

虚拟制造技术的提出

当今全球制造业企业之间的竞争越来越激烈。企业要赢得竞争，就要以市场为中心，以用户为中心，要快速地响应市场的需求，快速地满足用户的需要。就是要以最短的产品开发时间(Time)、最优的产品质量(Quality)、最低的成本(Cost) 和价格、以及最佳的服务(Service)，也就是所谓的“TQCS”，去赢得用户和市场。当今世界各国的制造业的工作者们，正在围绕着这几个方面坚持不懈地努力工作。这四要素重要性的顺序是相对的，不同国家不一样，一个国家在不同的历史发展时期，四要素重要性的顺序也不一样。例如30 年代到60 年代，制造业追求的是规模效益，以美国为代表，美国的福特和通用两大汽车公司，他们采用了大批量生产的规模化的流水线，这种生产组织方式使其所生产的产品占领了70% 的美国市场。使得美国迅速成为头号工业大国。

图1 反铲装载机虚拟现实模型

进入70 年代以后，制造业更加重视降低产品制造成本，以日本为代表，特别是丰田公司，发展了准时生产(JIT) 和精益生产(LP) 方式，摒弃了流水线这种大批量、大规模生产中所存在的库存大、周转慢的浪费现象，在不太大的批量下，仍然获得了低成本和高效益。

进入80 年代，为适应市场竞争和用户的要求，产品质量是企业界和各个制造商们的主要追求目标，因此相应地实施发展了质量控制(QC) 技术和全面质量管理(TQM) 技术。质量观点从符合性质量进而发展到适应性质量，特别是近年来又向满意性质量进展。

90 年代以来，对市场的快速响应，也就是交货期，在工业发达国家成为竞争的焦点，于是敏捷制造、智能制造、虚拟制造等新的概念、新的生产组织方式、新的生产模式相继出现。企业的柔性和快速响应市场的能力成为市场竞争能力的主要标志之一。

一些学者们预测，到下一个世纪初是技术创新的年代，就是以高新技术、新颖的产品去开拓市场，创新将是市场竞争的主要标志。因此知识的创新和获取、信息的交流和技术的合作，都是下一个世纪市场竞争的热点问题。虚拟制造技术是以计算机支持的仿真技术为前提，对设计、加工、装配、维护等，经过统一建模形成虚拟的环境、虚拟的过程、虚拟的产品。通过仿真，及时地发现产品设计和工艺过程可能出现的错误和缺陷，进行产品性能和工艺的优化，从而保证产品质量。应当指出的是，虚拟制造技术是一种软件技术，它填补了CAD、CAM 和生产过程管理之间的技术鸿沟，以在计算机上制造数字化的产品为目的，它不直接制造真实的产品。真正的产品，归根到底，还是需要在车间内, 由工人用机床一步一步地制造出来。然而，虚拟制造技术能够保证更加多快好省地把实际产品制造出来，因此它能使企业具有较强的市场竞争力。进而一些工业发达国家也不断地建立了虚拟制造企业。虚拟制造企业是一个快速响应市场的、充分利用现有资源的、没有围墙的、超越空间约束的、靠计算机网络联系的，但是它是统一指挥的、互惠互利的、实实在在的一个经济实体。近些年来在工业发达国家，虚拟技术，进而到虚拟企业，不断地发展，并不断地体现出它的生命力。

图2 虚拟制造与实际制造的关系

虚拟制造技术在制造业中应用的效果

虚拟制造技术首先在军事上、在航空航天上、在汽车制造领域中获得成功的应用，例如：波音飞机公司777 飞机的设计，就是采用虚拟制造技术的典型实例，开发周期从通常的8 年减少到5 年，设计、装机、测试均在计算机中完成模拟，初步地做到了无纸设计，保证了一次试制成功。

目前，虚拟制造技术在以下的十个方面应用的效果比较明显。即：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及虚拟研究开发中心与虚拟企业。其中产品的外形设计是一个极为重要的方面，例如：以前汽车外形造型设计多采用泡沫塑料制造外形模型，要通过多次的评测和修改，费工费时。

而采用虚拟现实技术的外形设计，可随时修改、评测，方案确定后的建模数据可直接用于冲压模具设计、仿真和加工，甚至用于广告和宣传。在其他产品( 如飞机、建筑和装修、家用电器、化妆品包装等) 的外形设计中，均有极大的优势。

还有，新产品的开发要经过设计、样机试制、试验、修改设计、重新试制等一系列的反复试制过程，许多不合理设计和错误设计只能等到制造、装配过程中，甚至到样机试验时才能发现。产品的质量和工作性能也只能当产品生产出来后，通过试运转才能判定。这时，多数问题已无法更改，修改设计就意味着部分或全部的报废和重新试制。因此常常要进行多次试制才能达到要求，试制周期长，费用高。而采用虚拟制造技术进行产品的设计、试制和评价，首先是进行产品的立体建模，然后将这个模型置于虚拟环境中控制、仿真和分析，可以在设计阶段就对设计的方案、结构等进行仿真，解决大多数问题，提高一次试验成功率。采用虚拟现实技术，还可以方便、直观地进行工作性能检查。例如，美国的John Deere 公司，采用该技术对新产品——反铲装载机的三个技术方案进行建模仿真，结果否定了其中的两个方案，节约了大量的研制经费。图1 所示是利用dvise 制作的虚拟装载机模型。

再有，把虚拟技术运用于热加工工艺方面，如针对金属材料的热成形( 铸造成形、塑性成形、焊接成形及热处理改性) 过程的技术难点( 高温、动态、瞬时、难以控制质量)，从材料成形理论分析入手，通过数值模拟和物理模拟方法，使得基础理论能直接定量地指导金属材料热成形过程，并对材料成形过程进行动态仿真，预测不同条件下成形后材料的组织、性能及质量，进而实现热成形件的质量与性能的优化设计，最大限度地发挥材料的性能潜力，为关键的重大装备一次制造成功提供技术支持。

发展我国虚拟制造技术

近些年来关于制造的新概念、新哲理、新生产模式不断地出现，尽管这些概念、哲理、模式，诸如：精益生产、敏捷制造、并行工程、智能制造以及虚拟制造等的出发点和目标不完全一致，但其实质是强调了柔性和快速，其基础是信息技术的高速发展和实用化。工业发达国家在不断地推进技术创新的同时，也在不断地实施了管理创新、组织创新，进而在生产模式、管理机制上获得了创新，从而推进了他们制造业的不断进步与发展。然而在研究我国制造业今后的发展策略时，应该是吸收消化他们共同的实质内容，并结合我们的国情，提出具有我们自己特色的模式，探索21世纪中国制造业的发展道路，而不应简单地跟踪、照搬国外某一个新的概念，不能把国外某一个发展趋势做为当今中国的规划和计划来实施。竞争的形势不允许我们也像他们那样用40 年的时间，串联的、一步一步地、重复的去走他们所走过的路，相反由于科技的发展、由于计算机技术的发展、由于我们国家这几十年形成的强大基础，我们完全有可能用不了他们那么长的时间，并行地去实现这几个目标。

近几年来，虚拟制造技术已经引起我国科技工作者的关注，已经开展了一些研究工作，并着手进行了一些探索性、应用性的示范工作。机械科学研究院计算机技术应用中心最近的调查表明：据不完全统计，目前全国已有34 家科研机构、高等院校和企业正在开展虚拟制造技术方面的研究、开发及初步的示范应用工作。更令人感到高兴的是这34 家中能有4 家企业勇于投身这种新的探索。

34 家单位主要在下面5 个方面开展了不同深度和广度的工作：(1) 产品的虚拟设计;(2) 热加工工艺模拟;(3) 加工过程、装配过程的仿真;(4)虚拟轴机床和虚拟量仪的研制和开发;(5) 虚拟企业。但总的来看，我国虚拟制造技术的研究只是刚刚起步，多数是在原先的CAD/CAM 及仿真技术的基础上进行。系统的、全面的虚拟制造技术的研究尚未开展;目前仍停留在国外理论的消化与国内环境的结合上。由于我国的计算机信息技术，特别是软件技术发展滞后，受到制约，因此应该引起国家主管部门和各制造厂商的广泛关注。可以预言，只要我们努力创造一个较好的基础，虚拟制造技术在我国企业的实用化，并进而扩大应用，已为期不远了。