當今制造業正朝著精密化、自動化、柔性化、集成化、信息化和智能化的方向發展，隨著這個趨勢，誕生了許多先進制造技術和先進制造模式。

　　虛擬制造就是根據企業市場競爭的需求，在強調柔性和快速的前提下，美國80年代提出的，隨著計算機技術和信息網絡技術的發展，在90年代得到人們的重視，并獲得迅速的發展。 

    一、虛擬制造VM

　　虛擬制造（VM：Virtual Manufacturing）是對真實產品制造的動態模擬，是一種在計算機上進行而不消耗物理資源的模擬制造軟件技術。它具有建模和仿真環境，使產品從生產過程、工藝計劃、調度計劃、后勤供應以及財會、采購和管理等一種集成的、綜合的制造環境，在真實產品的制造活動之前，就能預測產品的功能以及制造系統狀態，從而可以作出前瞻性的決策和優化實施方案。

　　為了更細致地了解VM的含義，美國在一次專業會議上對3種類型的VM作如下解釋［1］：①以設計為中心的VM，這類VM是將制造信息加入到產品設計和工藝設計中，并在計算機上進行數字化制造，仿真多種制造方案，評估各種生產情景，通過仿真制造來優化產品設計和工藝設計，以便作出正確決策。②以生產為中心的VM，這類VM是將仿真能力加到生產計劃模型中，以便快捷化評價生產計劃，檢驗工藝流程、資源需求狀況以及生產效率，從而優化制造環境和生產供應計劃。③以控制為中心的VM，這類VM是將仿真能力加到控制模型中，提供對實際生產過程的仿真環境，即將機器控制模型用于仿真，其目標是實際生產中的過程優化，改進制造系統。

　　虛擬制造是一種新的制造技術，它以信息技術、仿真技術和虛擬現實技術為支持。虛擬制造技術涉及面很廣，諸如環境構成技術、過程特征抽取、元模型、集成基礎結構的體系結構、制造特征數據集成、多學科交駐功能、決策支持工具、接口技術、虛擬現實技術、建模與仿真技術等。其中后3項是虛擬制造的核心技術。 

    1　建模技術

　　虛擬制造系統VMS（Virtual Manufacturing System)是現實制造系統RMS（Real Manufacturing System)在虛擬環境下的映射，是RMS的模型化、形式化和計算機化的抽象描述和表示。VMS的建模應包括：生產模型、產品模型和工藝模型的信息體系結構。

　　（1）生產模型　可歸納為靜態描述和動態描述兩個方面。靜態描述是指系統生產能力和生產特性的描述。動態描述是指在已知系統狀態和需求特性的基礎上預測產品生產的全過程。 
 
    （2）產品模型　是制造過程中，各類實體對象模型的集合。目前產品模型描述的信息有產品結構明細表、產品形狀特征等靜態信息。而對VMS來說，要使產品實施過程中的全部活動集成，就必須具有完備的產品模型，所以虛擬制造下的產品模型不再是單一的靜態特征模型，它能通過映射、抽象等方法提取產品實施中各活動所需的模型。

　　（3）工藝模型　將工藝參數與影響制造功能的產品設計屬性聯系起來。以反應生產模型與產品模型之間的交互作用。工藝模型必須具備以下功能：計算機工藝仿真、制造數據表、制造規劃、統計模型以及物理和數學模型。 

    2　仿真技術

　　仿真就是應用計算機對復雜的現實系統經過抽象和簡化形成系統模型，然后在分析的基礎上運行此模型，從而得到系統一系列的統計性能。由于仿真是以系統模型為對象的研究方法，而不干擾實際生產系統，同時仿真可以利用計算機的快速運算能力，用很短時間模擬實際生產中需要很長時間的生產周期，因此可以縮短決策時間，避免資金、人力和時間的浪費。計算機還可以重復仿真，優化實施方案。

　　仿真的基本步驟為：研究系統→收集數據→建立系統模型→確定仿真算法→建立仿真模型→運行仿真模型→輸出結果并分析。

　　產品制造過程仿真，可歸納為制造系統仿真和加工過程仿真。虛擬制造系統中的產品開發涉及到產品建模仿真、設計過程規劃仿真、設計思維過程和設計交互行為仿真等，以便對設計結果進行評價，實現設計過程早期反饋，減少或避免產品設計錯誤。加工過程仿真，包括切削過程仿真、裝配過程仿真，檢驗過程仿真以及焊接、壓力加工、鑄造仿真等。目前上述兩類仿真過程是獨立發展起來的，尚不能集成，而VM中應建立面向制造全過程的統一仿真。 

    3　虛擬現實技術VRT（Virtual Reality Technology）

　　虛擬現實技術是在為改善人與計算機的交互方式，提高計算機可操作性中產生的，它是綜合利用計算機圖形系統、各種顯示和控制等接口設備，在計算機上生成可交互的三維環境（稱為虛擬環境）中提供沉浸感覺的技術。

　　由圖形系統及各種接口設備組成，用來產生虛擬環境并提供沉浸感覺，以及交互性操作的計算機系統稱為虛擬現實系統VRS（Virtual Reality System)。虛擬現實系統包括操作者、機器和人機接口3個基本要素。它不僅提高了人與計算機之間的和諧程度，也成為一種有力的仿真工具。利用VRS可以對真實世界進行動態模擬，通過用戶的交互輸入，并及時按輸出修改虛擬環境，使人產生身臨其境的沉浸感覺。虛擬現實技術是VM的關鍵技術之一。 

    二、VM在制造業中應用

　　虛擬制造技術VMT（Virtual Manufacturing Technology)首先在飛機、汽車等領域獲得成功的應用。美國波音（Boeing)公司在777新型客機機型設計過程中，利用VMT和三維模型進行管道布線等復雜裝配過程的模擬獲得成功。目前VMT應用在以下幾個方面。 

    1　虛擬企業

　　虛擬企業建立，其中有一條最重要的原因是因為各企業本身無法單獨滿足市場需求，迎接市場挑戰。因此，為了快速響應市場的需求，圍繞新產品開發，利用不同地域的現有資源、不同的企業或不同地點的工廠，重新組織一個新公司。該公司在運行之前，必須分析組合是否最優，能否協調運行，并對投產后的風險、利益分配等進行評估。這種聯作公司稱為虛擬公司，或者叫作動態聯盟，是一種虛擬企業，它具有集成性和實效性兩大特點的經濟實體。

　　虛擬企業的特征是：①企業地域分散化。虛擬企業從用戶訂貨、產品設計、零部件制造，以及總成裝配、銷售、經營管理都可以分別由處在不同地域的企業，按契約互惠互利聯作，進行異地設計、異地制造、異地經營管理。②企業組織臨時化。虛擬企業是市場多變的產物。為了適應市場環境的變化，企業組織結構也要及時反映市場動態，虛擬企業注重短期利益。當產品方向更換、聯盟伙伴之間利益改變或企業追求目標變更時，企業要調整組織結構，或者立即解散，重新再組織新的虛擬企業。③企業功能不完整化。一個完整的企業，應具有從企業管理、設計、制造一直到市場銷售、售后服務等完整的全部功能。但在虛擬企業不需要機構功能完整，它以各種方式借用外部力量來進行組合和集成。因為虛擬企業是動態聯盟形式，突破企業的有形界限，利用外部資源加速實現企業的市場目標。傳統的外協加工是一種原始的虛擬企業行為。④企業信息共享化。構成虛擬企業的基本條件之一，就是組成企業伙伴之間的計算機互聯網。根據具體情況，可以是國際互聯網，局域網或企業內部網，及時的溝通信息，包括產品設計、制造、銷售、管理等信息，這些信息是以數據形式表示，能夠分布到不同的計算機環境中，以實現信息資源共享，保證虛擬企業各部門步調高度協調，在市場波動條件下，確保企業最大整體利益。

　　虛擬企業的主要基礎是：建立在先進制造技術基礎上的企業柔性化；在計算機上制造數字化產品，從概念設計到最終實現產品整個過程的虛擬制造；計算機網絡技術。上述3項內容是構成虛擬企業不可缺少的必要條件。

　　虛擬企業這種先進制造模式，在先進國家的部分企業已經運行。例如美國Ultra Comm公司是生產電子產品的虛擬企業，在美國各地有60多家，數以千計的雇員組成的虛擬電子集團，公司本身只有幾名雇員，該公司采用分散設計和制造方式，不同的產品選用不同企業，依靠網絡技術組成的經濟實體，實現市場目標。又如總部設在香港的鑫港公司，是一家國際化企業，以制造銷售電話機為主的電訊產品，總部從事新產品開發、研制、銷售和管理等，在國內廈門經濟特區宏泰科學工業園制造。

    在面對多變的市場需求下，虛擬企業具有加快新產品開發速度，提高產品質量，降低生產成本，快速響應用戶的需求，縮短產品生產周期等優點。因此虛擬企業是快速響應市場需求的部隊，能在商戰中為企業把握機遇和帶來優勢。 

    2　虛擬產品設計

　　例如飛機、汽車的外形設計，其形狀是否符合空氣動力學原理，運動過程中的阻力，其內部結構布局的合理性等。在復雜管道系統設計中， 采用虛擬技術，設計者可以“進入其中”進行管道布置，并可檢查能否發生干涉。在計算機上的虛擬產品設計，不但能提高設計效率，而且能盡早發現設計中的問題，從而優化產品的設計。例如美國波音公司投資40億美元研制波音777噴氣式客機，從1990年10月開始到1994年6月僅用了3年零8個月時間就完成了研制，一次試飛成功，投入運營。波音公司分散在世界各地的技術人員可以從777客機數以萬計的零部件中調出任何一種在計算機上觀察、研究、討論，所有零部件均是三維實體模型。可見虛擬產品設計給企業帶來的效益。 

    3　虛擬產品制造

　　應用計算機仿真技術，對零件的加工方法、工序順序、工裝的選用、工藝參數的選用，加工工藝性、裝配工藝性、配合件之間的配合性、連接件之間的連接性、運動構件的運動性等均可建模仿真，可以提前發現加工缺陷，提前發現裝配時出現的問題，從而能夠優化制造過程，提高加工效率。 

    4　虛擬生產過程

　　產品生產過程的合理制定、人力資源、制造資源、物料庫存、生產調度、生產系統的規劃設計等，均可通過計算機仿真進行優化，同時還可對生產系統進行可靠性分析，對生產過程的資金進行分析預測，對產品市場進行分析預測等，從而對人力資源、制造資源的合理配置，對縮短產品生產周期，降低成本意義重大。

　　綜上所述，虛擬制造技術在企業中的應用可以帶來很多效益。虛擬產品設計可以提高設計質量、優化產品性能，縮短設計周期。虛擬產品制造可以提高制造質量，優化工藝過程，縮短制造周期。虛擬生產過程可以優化資源配置、物流管理、縮短生產周期，降低生產成本。虛擬企業可以增強企業柔性，滿足客戶的特殊要求，形成企業的市場競爭優勢。

　　我國虛擬制造技術的研究剛剛起步，系統的、全面的研究尚未開展，目前仍停留在國外的理論消化與國內環境的結合上。只要我們努力創造一個較好的基礎，虛擬制造技術在我國企業的應用已經為期不遠。